第6章 機械設計基礎零件設計和計算概論

1、 6-1 機械零件設計概述 6-2 機械零件的工作能力準則 6-3 許用應力和安全系數 6-4 常用材料及其選擇 6-5 機械零件的工藝性和標準化 基本要求基本要求: : 掌握零件常見的失效形式和設計準則掌握零件常見的失效形式和設計準則 掌握許用應力、安全系數的概念及確定方法掌握許用應力、安全系數的概念及確定方法 了解零件的常用材料及性能了解零件的常用材料及性能 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 一、機械零件分類 二、機械零件設計基本要求 三、機械零件設計過程 四、機械零件傳統(tǒng)設計方法 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 一、機械零件分類一、機械零件分類 機器：機器：機械、機構的總稱機械、機

2、構的總稱 構件構件運動的單元運動的單元 零件零件制造的單元制造的單元 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 通用通用 零件零件 傳動件：傳動件：齒輪、蝸桿、帶、鏈齒輪、蝸桿、帶、鏈 聯接件聯接件：螺栓、鍵、花鍵：螺栓、鍵、花鍵 支承件：支承件：軸、軸承軸、軸承 機械零件機械零件 專用零件：水輪機葉片、活塞、曲軸專用零件：水輪機葉片、活塞、曲軸,飛機螺旋槳飛機螺旋槳 其它：其它：聯軸器、彈簧、機架聯軸器、彈簧、機架 二、機械零件設計基本要求二、機械零件設計基本要求 1、滿足功能要求，能夠準確實現預定的功能、滿足功能要求，能夠準確實現預定的功能 2、工作可靠，在預定的工作期限內不能失效、工作可靠，在

3、預定的工作期限內不能失效 3、經濟性要求、經濟性要求 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 三、機械零件設計過程三、機械零件設計過程 v零件設計時的共性：零件設計時的共性： 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 v過程：過程： 1、擬訂零件的設計簡圖、擬訂零件的設計簡圖 2、確定載荷的大小及位置、確定載荷的大小及位置 3、選擇材料、選擇材料 4、根據失效形式選用判定條件，設計出零件的主要參數、根據失效形式選用判定條件，設計出零件的主要參數 5、繪制零件工作圖、繪制零件工作圖 工作原理、結構、工作原理、結構、 類型、應用場合類型、應用場合 受力分析、受力分析、 失效形式失效形式 設計準則、設計準則、

4、 設計計算設計計算 四、機械零件傳統(tǒng)設計方法四、機械零件傳統(tǒng)設計方法 v理論設計理論設計(半經驗設計半經驗設計)： 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 v類比設計：類比設計： 與已有的同類產品進行比較來設計新產品。這種方法在與已有的同類產品進行比較來設計新產品。這種方法在 工程實際中用得較多，特點是節(jié)省時間，較可靠工程實際中用得較多，特點是節(jié)省時間，較可靠 v經驗設計：經驗設計： 根據實踐中歸納出的經驗公式和經驗數據進行設計，缺根據實踐中歸納出的經驗公式和經驗數據進行設計，缺 乏創(chuàng)新乏創(chuàng)新 v模型實驗設計：模型實驗設計： 用于大型、復雜零件的設計用于大型、復雜零件的設計 強度條件強度條件(或剛

5、度或剛度) 設計計算設計計算 尺寸尺寸 校核計算校核計算 強度條件強度條件(或剛度或剛度) 一、機械零件常見失效形式 二、工作能力準則 三、強度準則 四、剛度準則 五、耐磨性準則 六、振動穩(wěn)定性準則 七、耐熱性準則 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 一、機械零件常見失效形式一、機械零件常見失效形式 v失效：失效：喪失工作能力或達不到設計要求的性能，不僅僅指喪失工作能力或達不到設計要求的性能，不僅僅指 破壞破壞 常見主要失效形式有：常見主要失效形式有： v斷裂：如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂斷裂：如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂 v表面點蝕：工作表面片狀剝落表面點蝕：工作表面片狀剝落 v塑性變形：零件發(fā)生永久性

6、變形塑性變形：零件發(fā)生永久性變形 v過大彈性變形過大彈性變形 v表面破壞表面破壞 v過大振動和噪聲、過熱等過大振動和噪聲、過熱等 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 v例如軸可能的失效形式：例如軸可能的失效形式： 斷裂、塑性變形、過大彈性變形、共振斷裂、塑性變形、過大彈性變形、共振 強度問題強度問題 剛度問題剛度問題 耐磨性問題耐磨性問題 F n 二、工作能力準則二、工作能力準則 v工作能力：工作能力：不失效條件下零件的安全工作限度不失效條件下零件的安全工作限度 v這個限度通常是以零件承受載荷的大小來表示，所以又這個限度通常是以零件承受載荷的大小來表示，所以又 常稱為常稱為“承載能力承載能力”

7、 v如：如： v吊鉤最大起重量吊鉤最大起重量50 kN v工作能力或承載能力工作能力或承載能力50 kN 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 v工作能力準則：工作能力準則：衡量零件工作能力的指標衡量零件工作能力的指標 v對零件設計，針對其主要失效形式選擇適對零件設計，針對其主要失效形式選擇適 合的工作能力準則進行設計合的工作能力準則進行設計 v具體有：具體有：強度準則、剛度準則、耐磨性準強度準則、剛度準則、耐磨性準 則、振動穩(wěn)定性準則、耐熱性準則則、振動穩(wěn)定性準則、耐熱性準則 50 kN 三、強度準則三、強度準則 v機械零件工作能力的最基本準則機械零件工作能力的最基本準則 v強度：強度：材料抵

8、抗斷裂或殘余變形的能力材料抵抗斷裂或殘余變形的能力 v強度準則：強度準則：工作應力工作應力許用應力許用應力 v 或或 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 v針對失效形式：針對失效形式：斷裂、疲勞破壞、殘余變形斷裂、疲勞破壞、殘余變形 v典型零部件：典型零部件：軸、齒輪、軸、齒輪、 帶輪等帶輪等 S lim 正應力：正應力： S lim 剪應力：剪應力： 極限應力極限應力 四、剛度準則四、剛度準則 v剛度：剛度：材料抵抗彈性變形的能力材料抵抗彈性變形的能力 v剛度準則：剛度準則：實際變形量實際變形量許用變形量許用變形量 彎曲剛度：撓度條件：彎曲剛度：撓度條件： y y 傾角條件：傾角條件： 扭曲

9、剛度：扭角條件：扭曲剛度：扭角條件：j j j j 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 v針對失效形式：針對失效形式：過大的彈性變形過大的彈性變形 v典型零部件：典型零部件：軸、蝸桿等軸、蝸桿等 五、耐磨性準則五、耐磨性準則 v耐磨性：耐磨性：零件抗磨損的能力零件抗磨損的能力 v磨損是相當復雜的物理化學過程磨損是相當復雜的物理化學過程 v影響磨損的因素包括載荷的大小和性質、滑動速度、潤滑影響磨損的因素包括載荷的大小和性質、滑動速度、潤滑 劑的化學性質和物理性質等劑的化學性質和物理性質等 v具體有：具體有：磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖 蝕磨

10、損、微動磨損蝕磨損、微動磨損 v耐磨性準則：耐磨性準則： vP 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 v針對失效形式：針對失效形式：零件表面破壞零件表面破壞 v典型零部件：典型零部件：齒輪、軸承、鏈等齒輪、軸承、鏈等 六、振動穩(wěn)定性準則六、振動穩(wěn)定性準則 v共振：共振：當機器的自振頻率與周期性干擾力變化頻當機器的自振頻率與周期性干擾力變化頻 率相同或整數倍時，就會發(fā)生共振，此時振幅急率相同或整數倍時，就會發(fā)生共振，此時振幅急 劇增大，導致零件破壞或機器工作條件失常等劇增大，導致零件破壞或機器工作條件失常等 v振動穩(wěn)定性：振動穩(wěn)定性：機器工作時振幅不能超過許可值機器工作時振幅不能超過許可值 v振動

11、穩(wěn)定性準則：振動穩(wěn)定性準則：0.85f fp 或或 1.15ffp 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 v針對失效形式：針對失效形式：共振產生的工作失常共振產生的工作失常 v典型零部件：典型零部件：軸等軸等 七、耐熱性準則七、耐熱性準則 v高溫引起承載能力降低、蠕變，也會造成熱變形、高溫引起承載能力降低、蠕變，也會造成熱變形、 附加熱應力，破壞正常的潤滑條件，改變零件間附加熱應力，破壞正常的潤滑條件，改變零件間 的間隙，降低精度等的間隙，降低精度等 v耐熱性準則：耐熱性準則：工作溫度低于許用值工作溫度低于許用值 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 v針對失效形式：針對失效形式：高溫引起的潤滑不

12、良、蠕變高溫引起的潤滑不良、蠕變 v典型零部件：典型零部件：蝸桿、齒輪、滑動軸承等蝸桿、齒輪、滑動軸承等 一、載荷 二、應力 三、極限應力 四、許用應力和安全系數 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 一、載荷一、載荷 v載荷：載荷：作用于零件上的力或力矩作用于零件上的力或力矩 v工作載荷：工作載荷：機器正常工作時所受的實際載荷機器正常工作時所受的實際載荷 v名義載荷：名義載荷：理想工作條件下的載荷理想工作條件下的載荷 v計算載荷：計算載荷：作用于零件的實際載荷，考慮各種附加載荷作用于零件的實際載荷，考慮各種附加載荷 v計算載荷計算載荷=K 名義載荷名義載荷 機械設計基礎機械零件設計和計算概論

13、載荷系數載荷系數 二、應力二、應力 v靜應力：靜應力：不隨時間改變或變化緩慢的應力不隨時間改變或變化緩慢的應力 v變應力：變應力：隨時間作周期性或非周期性變化的應力隨時間作周期性或非周期性變化的應力 v變應力：變應力：穩(wěn)定變應力（穩(wěn)定變應力（隨時間作周期性隨時間作周期性）、不穩(wěn)定變應）、不穩(wěn)定變應 力（力（非周期性循環(huán)變應力非周期性循環(huán)變應力） 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 v穩(wěn)定變應力：穩(wěn)定變應力：對稱循環(huán)變應力、對稱循環(huán)變應力、 脈動循環(huán)變應力、非對稱循環(huán)變脈動循環(huán)變應力、非對稱循環(huán)變 應力應力 t t min max m 應力參數應力參數 v以正應力以正應力 為例為例 v最大應力最

14、大應力: max= m+ a v最小應力最小應力: min v應力幅應力幅: a 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 v平均應力平均應力: m v循環(huán)特征循環(huán)特征: r 2 minmax a 2 minmax m max min r11 r t min max m 靜應力靜應力 v應力表達：應力表達： +1（ +1 ） v最大應力最大應力: max v最小應力最小應力: min v應力幅應力幅: a v平均應力平均應力: m v循環(huán)特征循環(huán)特征: r 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 t m 0 a m minmax 1r 脈動循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力 v應力表達：應力表達： 0（ 0 ）

15、v最大應力最大應力: max v最小應力最小應力: min v應力幅應力幅: a v平均應力平均應力: m v循環(huán)特征循環(huán)特征: r 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 m t 0 min 2 max ma 0 r 對稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力 v應力表達：應力表達： 1（ 1 ） v最大應力最大應力: max v最小應力最小應力: min v應力幅應力幅: a v平均應力平均應力: m v循環(huán)特征循環(huán)特征: r 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 t minmax 0 m 1 r minmax a 三、極限應力三、極限應力 1 靜應力下的極限應力靜應力下的極限應力 v與材料性能有關與材料性能

16、有關 v脆性材料取強度極限脆性材料取強度極限 B( B) 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 v塑性材料取屈服極限塑性材料取屈服極限 S( S) B e e 玻璃鋼玻璃鋼 灰口鑄鐵灰口鑄鐵 e e p S B A A B B C D E 2 變應力下的極限應力變應力下的極限應力 v疲勞極限：疲勞極限：依據防疲勞斷裂的準依據防疲勞斷裂的準 則確定則確定 v材料經過材料經過N0次應力循環(huán)不發(fā)生破次應力循環(huán)不發(fā)生破 壞的應力最大值壞的應力最大值 r( r) 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 v各種材料的各種材料的 r可從有關手冊中查取可從有關手冊中查取 0 N N N rN r 有限壽命區(qū)無限壽命

17、區(qū) 四、許用應力和安全系數四、許用應力和安全系數 v許用應力：許用應力：設計零件時設計零件時 所依據的條件應力所依據的條件應力 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 v安全系數安全系數許用應力許用應力結構笨重結構笨重 v安全系數安全系數許用應力許用應力不夠安全不夠安全 S lim S lim 許用應力許用應力 極限應力極限應力 安全系數安全系數 許用應力確定許用應力確定 1 查許用應力表查許用應力表 v根據實踐經驗制成表格選取根據實踐經驗制成表格選取 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 2 部分系數法部分系數法 vS=S1S2S3 vS1：計算載荷和應力準確性系數（計算載荷和應力準確性系數（11

18、.5) vS2：材料的均勻系數（鑄鐵材料的均勻系數（鑄鐵:1.52.5,鋼鋼:1.21.5） vS3：零件重要性系數（零件重要性系數（11.5) 一、常用材料 二、熱處理方法 三、材料力學性能指標 四、材料選擇原則 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 一、常用材料一、常用材料 常用零件材料的力學性能等級和牌號常用零件材料的力學性能等級和牌號 1 鑄鐵：鑄鐵：含含2.06易成型、價廉、吸振、可靠性差易成型、價廉、吸振、可靠性差 v灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵 2 鋼：鋼：含量含量1.4常用常用 v碳素鋼碳素鋼：（含、量不同）（含、量不同）普通碳素鋼、優(yōu)質碳素鋼普通碳素鋼、

19、優(yōu)質碳素鋼 v合金鋼：合金鋼：綜合機械性能好，但較貴綜合機械性能好，但較貴 v合金鋼的優(yōu)良性能取決于化學成份及熱處理合金鋼的優(yōu)良性能取決于化學成份及熱處理 v鑄鋼：鑄鋼：含含（0.150.6）易成型易成型 3 有色金屬合金：有色金屬合金：有特殊性能，價昂有特殊性能，價昂少用少用 v鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金 4 非金屬材料：非金屬材料： v工程塑料、橡膠、燒結材料、復合材料工程塑料、橡膠、燒結材料、復合材料 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 一、常用材料一、常用材料 常用零件材料的力學性能等級和牌號常用零件材料的力學性能等級和牌號 1 鑄鐵：

20、鑄鐵：含含2.06易成型、價廉、吸振、可靠性差易成型、價廉、吸振、可靠性差 v灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 （1 1）灰鑄鐵）灰鑄鐵 如HT100、HT300,良好的鑄造性、切削加工性、 耐磨性，消振性，但抗拉強度低。 （2 2）球墨鑄鐵）球墨鑄鐵 如QT400-18、QT500-7,強度和塑性比灰鑄鐵有 很大的提高，具有良好的耐磨性，但鑄造性較差。 （3 3）可鍛鑄鐵）可鍛鑄鐵 如KTH300-06 ,強度、塑性、韌性、耐磨性均 較高，能承受沖擊振動 , 但生產周期長，成本較高。 鑄造大尺寸零件較困難。 一、常用材料一、常用材料 2

21、 鋼：鋼：含量含量1.4常用常用 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 碳素鋼 碳素結構鋼碳素結構鋼 碳素工具鋼碳素工具鋼：T7、T8 普通碳素結構鋼普通碳素結構鋼 如Q235、Q275等 優(yōu)質碳素結構鋼優(yōu)質碳素結構鋼 低碳鋼C0.25% 如20 合金鋼 合金結構鋼合金結構鋼 合金工具鋼合金工具鋼 、高速工具鋼、硬質合金工具鋼、高速工具鋼、硬質合金工具鋼 特類鋼特類鋼 不銹鋼，如2Cr13、滾動軸承鋼，如GGr9SiMn、 耐熱鋼，如3Gr18Ni25Si2等。 合金結構鋼合金結構鋼 如35CrMn2，40CrNiMoA(優(yōu)質） 低金結構鋼低金結構鋼 如12Mn 彈簧鋼彈簧鋼 如60Si2MnA

22、 中碳鋼0.6%C0.25% 如45 高碳鋼0.6%C 如60 鋼鋼 一、常用材料一、常用材料 3 有色金屬合金：有色金屬合金：有特殊性能，價昂有特殊性能，價昂少用少用 v鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 （1）銅合金）銅合金 黃銅 銅與鋅的合金，含少量錳、鋁等元素，如 ZCuZn38等。 青銅 青銅以主加元素的不同又可分為錫青銅和鋁青銅等，如 CuAl10Fe3、 ZCuSn5PbZn5。青銅比黃銅有更高的強度、硬度、 耐磨性和耐腐蝕性。 （2）鋁及鋁合金）鋁及鋁合金 鋁合金具有良好的導熱、導電性能，其導電性 能

23、大約為銅的60%， 但由于重量輕，在遠距離輸送 的電纜中常代替銅線 。 一、常用材料一、常用材料 4 非金屬材料：非金屬材料： v工程塑料、橡膠、夾布膠木、復合材料工程塑料、橡膠、夾布膠木、復合材料 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 1工程塑料工程塑料 （1） 尼龍 品種、數量及應用上居工程塑料之首，它強度高，耐磨 性 好，耐化學腐蝕。但易吸收水分而影響尺寸的穩(wěn)定性。 （2）聚碳酸脂 在工程塑料中韌性最好，透光率達90%，連續(xù)使用溫 度 達135145，它正取代玻璃和有機玻璃，作為飛機上的擋風 夾層和天窗。 （3）聚甲苯 在工程塑料中彈性模量最高，并有高硬度，低摩擦系數和 較好的耐疲勞性能，

24、適用于制造小齒輪及軸套等。 （4）聚苯醚 在工程塑料中硬度最高，熱膨脹系數最小，最耐熱。 （5）ABS 具有良好的綜合性能。廣泛應用在管材、家用電器和紡織 機械 中。用ABS制成的泡沫夾層板，可作小轎車的車身。 一、常用材料一、常用材料 4 非金屬材料：非金屬材料： v工程塑料、橡膠、夾布膠木、復合材料工程塑料、橡膠、夾布膠木、復合材料 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 2橡膠橡膠 常用來制造輪胎、墊板、隔熱板、傳動帶和減振零件等 3夾布膠木夾布膠木 常用來制造板材、電工元件，輕載無噪聲齒輪和耐腐蝕元件等。 4其他其他 工業(yè)上，經常使用的非金屬材料還有陶瓷、皮革、木材、紙板等 。 二、熱處理

25、方法二、熱處理方法 1 退火 2 正火 3 淬火 4 回火 5 表面熱處理 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 熱處理比較熱處理比較 1 退火退火 v降低硬度、提高韌性、細化晶粒、降低硬度、提高韌性、細化晶粒、 消除內應力消除內應力 2 正火正火 v用于處理低中碳鋼，代替低中碳鋼用于處理低中碳鋼，代替低中碳鋼 的退火。提高硬度，增加韌性，的退火。提高硬度，增加韌性， 易易 于切削，減少應力于切削，減少應力 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 3 淬火（蘸火）淬火（蘸火） v提高硬度和耐磨性、但內應力增大，會發(fā)脆，應再回火提高硬度和耐磨性、但內應力增大，會發(fā)脆，應再回火 4 回火回火 v消除淬火

26、后的內應力，以獲得零件所需的性能，提高韌性消除淬火后的內應力，以獲得零件所需的性能，提高韌性 v低溫回火：低溫回火：高強度、高硬度及良好的耐磨性高強度、高硬度及良好的耐磨性 v中溫回火：中溫回火：高彈性、硬度中等高彈性、硬度中等 v高溫回火：高溫回火：強度、塑性、韌性都較好強度、塑性、韌性都較好(調質調質淬火淬火+高溫回火高溫回火) 正火正火(空冷空冷) 退火退火(爐冷爐冷) 回火回火 加熱加熱 保溫保溫 淬火淬火 時間時間 溫度溫度 表面熱處理表面熱處理 v表面熱處理：表面熱處理：表面增硬，芯部韌表面增硬，芯部韌 v表面淬火法（火焰加熱、感應加熱表面淬火法（火焰加熱、感應加熱） v化學熱處理（滲碳、氮化、氰化化學熱處理（滲碳、氮化、氰化.） 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 三、材料力學性能指標三、材料力學性能指標 v彈性極限：彈性極限： P v抗拉強度：抗拉強度： B v屈服強度：屈服強度： S ( 0.