機械零件設計概論

1、第 9 章機械零件設計概論9.1 機械零件設計概述機械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效。 在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度，稱為工作能力。通常此限度對載荷而言，所以習慣上又稱為承載能力。零件的失效可能由于：斷裂或塑性變形；過大的彈性變形；工作表面的過度磨損或損傷；發(fā)生強烈的振動；聯(lián)接的松弛；摩擦傳動的打滑等。機械零件雖然有多種可能的失效形式，但歸納起來最主要的為強度、剛度、耐磨性、穩(wěn)定性和溫度的影響等幾個方面的問題。對于各種不同的失效形式，相應地有各種工作能力判定條件。設計機械零件時，常根據(jù)一個或幾個可能發(fā)生的主要失效形式，運用相應的判定條件，確定零件的形狀和主要尺寸。機械

2、零件的設計常按下列步驟進行：1) 擬定零件的計算簡圖。 2) 確定作用在零件上的載荷。3) 選擇合適的材料。4) 根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，選用相應的判定條件，確定零件的形狀和主要尺寸。 應當注意， 零件尺寸的計算值一·般并不是最終采用的數(shù)值，設計者還要根據(jù)制造零件的工藝要求和標準、規(guī)格加以圓整。5) 繪制工作圖并標注必要的技術(shù)條件。以上所述為設計計算。在實際工作中，也常采用相反的方式校核計算，這時先參照實物（或圖紙） 和經(jīng)驗數(shù)據(jù)， 初步擬定零件的結(jié)構(gòu)和尺寸，然后再用有關(guān)的判定條件進行驗算。還應注意， 在一般機器中， 只有一部分零件是通過計算確定其形狀和尺寸的，而其余的零件則僅根據(jù)

3、工藝要求和結(jié)構(gòu)要求進行設計。9.2機械零件的強度在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷稱為名義載荷。 然而在機器運轉(zhuǎn)時， 零件還會受到各種附加載荷，通常用引入載荷系數(shù) K（有時只考慮工作情況的影響，則用工作情況系數(shù) KA）的辦法來估計這些因素的影響。載荷系數(shù)與名義載荷的的乘積，稱為計算載荷。按照名義載荷用力學公式求得的應力，稱為名義應力，按照計算載荷求得的應力，稱為計算應力。當機械零件按強度條件判定時， 比較危險截面處的計算應力 （ 、）是否小于零件材料的許用應力 ( 、 ) 。即，而lim(9-1)S，而limS材料的極限應力一般都是在簡單應力狀態(tài)下用實驗方法測出的。對于在簡單應力狀態(tài)下工

4、作的零件， 可直接按式 (9 1) 進行計算； 對于在復雜應力狀態(tài)下的零件，則應根據(jù)材料力學中所述的強度理論確定其強度條件。許用應力取決于應力的種類、零件材料的極限應力和安全系數(shù)等。9.2.1應力的種類按照隨時間變化的情況，應力可分為靜應力和變應力。不隨時間變化的應力，稱為靜應力圖（ 9-1 a），純粹的靜應力是沒有的，但如變化緩慢，就可看作是靜應力。例如，鍋爐的內(nèi)壓力所引起的應力，擰緊螺母所引起的應力等。圖 9-1應力的種類隨時間變化的應力，稱為變應力。具有周期性的變應力稱為循環(huán)變應力，圖9-1 b 所示為一般的非對稱循環(huán)變應力，圖中T 為應力循環(huán)周期。從圖b 可知平均應力應力幅maxmin

5、m2(9-2)maxmina2應力循環(huán)中的最小應力與最大應力之比，可用來表示變應力中的應力變化的情況，通常稱為變應力的循環(huán)特性，用r 表示，即 rm in 。m ax當maxmin 時，循環(huán)特性r -l ，稱為對稱循環(huán)變應力（圖c），其a=max-min， =0。當 0、 min=0 時，循環(huán)特性r 0，稱為脈動循環(huán)變應力（圖d），其 = mmaxamax1/2 max。靜應力可看作變應力的特例，其max=min，循環(huán)特性 r=+1 。9.2.2靜應力下的許用應力靜應力下， 零件材料有兩種損壞形式：斷裂或塑性變形。對于塑性材料， 可按不發(fā)生塑性變形的條件進行計算。這時應取材料的屈服極限s 作為

6、極限應力，故許用應力為sS(9-3)對于用脆性材料制成的零件，應取強度極限B 作為極限應力，其許用應力為B（9-4 ）S對于組織均勻的脆性材料， 如淬火后低溫回火的高強度鋼 還應考慮應力集中的影響 灰鑄鐵雖屬脆性材料， 但由于本身有夾渣、 氣孔及石墨存在， 其內(nèi)部組織的不均勻性已遠大于外部應力集中的影響，故計算時不考慮應力集中。表 9-1 列舉了一些常用鋼鐵材料的極限應力。9.2.3變應力下的許用應力變應力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂具有以下特征：1）疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下材料的強度極限低，甚至比屈服極限低；2）不管脆性材料或塑性材料，其疲勞斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突

7、然斷裂；3）疲勞斷裂是損傷的積累，它的初期現(xiàn)象是在零開的截面積不足以承受外載荷時，零件就突然斷裂。 在零件的斷口上可以清晰地看到這種情況。1 疲勞曲線由材料力學可知，表示應力 與應力循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線稱為疲勞曲線。從大多數(shù)黑色金屬材料的疲勞試驗可知，當循環(huán)次數(shù)N超過某數(shù)值0 以后，曲線趨向N水平，即可以認為在“無限次”循環(huán)時試件將不會斷裂（圖9-3 ）。 N 稱為循環(huán)基數(shù)，對應于0N0 的應力稱為材料的疲勞極限。通常用1 表示材料在對稱循環(huán)變應力下的彎曲疲勞極限。疲勞曲線的左半部 NN），可近似地用下列方程式表示：0m1N Nm1 N 0c（9-5 ）式中：1N 為對應于循環(huán)次數(shù)N的疲勞

8、極限； C為常數(shù)； m為隨應力狀態(tài)而不同的冪指數(shù)，例如彎曲時 m=9。從式（ 9-5 ）可求得對應于循環(huán)次數(shù)N的彎曲疲勞極限1Nm N 0（9-6 ）1N許用應力變應力下， 應取材料的疲勞極限作為極限應力。同時還應考慮零件的切口和溝槽等截面突變、絕對尺寸和表面狀態(tài)等影響，為此引入有效應力集中系數(shù)k、尺寸系數(shù)和表面狀態(tài)系數(shù) 等。當應力是對稱變化時，許用應力為1（9-7 ）1k S當應力是脈動循環(huán)變化時，許用應力為0（9-8 ）0k S式中： S 為安全系數(shù)； 0 為材料的脈動循環(huán)疲勞極限；k、及 的數(shù)值可在材料力學或有關(guān)設計手冊中查得。以上所述為“無限壽命”下零件的許用應力。若零件在整個使用期限

9、內(nèi)，其循環(huán)總次數(shù)N小于循環(huán)基數(shù) N0 時，可根據(jù)式（9-6 ）求得對應于N 的疲勞極限1N 。代入式（ 9-7 ）后，可得“有限壽命” 下零件的許用應力。由于1N 大于1 ，故采用1N 可得到較大的許用應力，從而減小零件的體積和重量。9.2.4安全系數(shù)當沒有專門的表格時，可參考下述原則選擇安全系數(shù)：(1) 靜應力下，塑性材料以屈服極限為極限應力。 由于塑性材料可以緩和過大的局部應力，故可取安全系數(shù)S=1.2 1.5 ；對于塑性較差的材料( 如s 0.6) 或鑄鋼件可取S=1.5 2.5 。B(2)靜應力下， 脆性材料以強度極限為極限應力，這時應取較大的安全系數(shù)。例如， 對于高強度鋼或鑄鐵件可取

10、S=3 4。(3)變應力下，以疲勞極限作為極限應力，可取S 1.3 1.7 ；若材料不夠均勻、計算不夠精確時可取S=1.7 2.59.3機械零件的接觸強度通常，零件受載時是在較大的體積內(nèi)產(chǎn)生應力，這種應力狀態(tài)下的零件強度稱整體強度( 如§ 9-2 所述 ) 。若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸，受載后，由于變形其接觸處為一小面積，通常此面積甚小而表面產(chǎn)生的局部應力卻很大，這種應力稱為接觸應力。這時零件強度稱為接觸強度。 如齒輪， 滾動軸承等機械零件，都是通過很小的接觸面積傳遞載荷的，因此它們的承載能力不僅取決于整體強度，還取決于表面的接觸強度。圖 9-7疲勞點蝕機械零件的接觸應力通常

11、是隨時間作周期性變化的，在載荷重復作用下，首先在表層內(nèi)約20m 處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展(如有潤滑油，則被擠進裂紋中產(chǎn)生高壓，使裂紋加快擴展) ，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件表面形成一些小坑（圖 9-7 ）。這種現(xiàn)象稱為疲勞電蝕。發(fā)生疲勞點蝕后，減小了接觸面積，損壞了零件的光滑表面，因而也降低了承載能力， 并引起振動和噪聲。 疲勞點蝕常是齒輪、滾動軸承等零件的主要失效2 形式。由彈性力學的分析可知，當兩個軸線平行的圓柱體相互接觸并受壓時（圖9-8 ），其接觸面積為一狹長矩形，最大接觸應力發(fā)生在接觸區(qū)中線上，其值為11HFn12（9-9 ）b121212E1E2令 111

12、及112 1，12E1E2E對于鋼或鑄鐵取泊松比 1= 2= =0.3 ，則上式可化簡為1Fn E0.418Fn EH212b（ 9-10 ）b接觸疲勞強度的判定條件為HH，而HH lim（ 9-11）SH式中H lim 為實驗測得的材料的接觸疲勞極限，對于鋼，其經(jīng)驗公式為H lim2、76 HBS70 MPa若兩零件的硬度不同時，常以較軟零件的接觸疲勞極限為準。9.4機械零件的耐磨性運動副中， 摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損，磨損會逐漸改變零件尺寸和摩擦表面狀態(tài)。零件抗磨損的能力稱為耐磨性。除非運動副摩擦表面為一層潤滑劑所隔開而不直接接觸，否則磨損總是難以避免的。但是只要磨損速度穩(wěn)定緩慢

13、，零件就能保持一定壽命。所以， 在預定使用期限內(nèi)，零件的磨損量不超過允許值時，就認為是正常磨損。出現(xiàn)劇烈磨損時，運動副的間隙增大，能使機械的精度喪失，效率下降，振動、沖擊和噪聲增大。這時應立即停車檢修、更換零件。據(jù)統(tǒng)計，約有80的損壞零件是因磨損而報廢的?？梢娧芯苛慵湍バ跃哂兄匾饬x。磨損現(xiàn)象是相當復雜的，有物理、 化學和機械等方面原因。下面對機械中磨損的主要類型作一簡略介紹。1磨粒磨損硬質(zhì)顆?；蚰ラ弑砻嫔嫌驳耐狗澹谀ラ哌^程中引起的材料脫落現(xiàn)象稱為磨粒磨損。 硬質(zhì)顆粒可能是零件本身磨損造成的金屬微粒，也可能是外來的塵土雜質(zhì)等。摩擦面間的硬粒，能使表面材料脫落而留下溝紋。2 粘著磨損 ( 膠

14、合 ) 加工后的零件表面總有一定的粗糙度。摩擦表面受載時，實際上只有部分峰頂接觸，接觸處壓強很高，能使材料產(chǎn)生塑性流動這種現(xiàn)象稱為粘著磨損（膠合）。所謂材料轉(zhuǎn)移是指接觸表面擦傷和撕脫，嚴重。若接觸處發(fā)生粘著，滑動時會使接觸表面材料由一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面，時摩擦表面能相互咬死。3. 疲勞磨損（點蝕）在滾動或兼有滑動和滾動的高副中，如凸輪，齒輪等，受載時材料表層有很大的接觸應力，當載荷重復作用時，常會出現(xiàn)表層金屬呈小片狀剝落，而在零件表面形成小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞磨損或點蝕。4. 腐蝕磨損在摩擦過程中， 與周圍介質(zhì)發(fā)生化學反應或電化學反應的磨損，稱為腐蝕磨損。實用耐磨計算是限制運動副的壓強P，

15、即：PP（ 9-12 ）式中 P 是由實驗或同類機器使用經(jīng)驗確定的許用壓強。相對運動速度較高時，還應考慮運動副單位時間接觸面積的發(fā)熱量fpv 。在摩檫系數(shù)一定的情況下，可將pv 值與許用pv 值進行比較，即PvPv（ 9-13 ）9.5機械制造常用材料及其選擇9.5.1金屬材料1鑄鐵鑄鐵和鋼都是鐵碳合金， 它們的區(qū)別主要在于含碳量的不同。 含碳量小于 2的鐵碳合金稱為鋼，含碳量大于 2%的稱為鑄鐵。鑄鐵具有適當?shù)囊兹坌?，良好的液態(tài)流動性，因而可鑄成形狀復雜的零件。2鋼與鑄鐵相比， 鋼具有高的強度、韌性和塑性， 并可用熱處理方法改善其力學性能和加工性能。鋼制零件的毛坯可用鍛造、沖壓、焊接或鑄造等

16、方法取得，因此其應用極為廣泛。按照用途， 鋼可分為結(jié)構(gòu)鋼，工具鋼和特殊鋼。結(jié)構(gòu)鋼用于制造各種機械零件和工程結(jié)構(gòu)的構(gòu)件；工具鋼主要用于制造各種刃具、模具和量具；特殊鋼( 如不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等 )用于制造在特殊環(huán)境下工作的零件。按照化學成分， 鋼又可分為碳素鋼和合金鋼。 碳素鋼的性質(zhì)主要取決于含碳量， 含碳量越高則鋼的強度越高，但塑性越低 為了改善鋼的性能，特意加入了一些合金元素的鋼稱為合金鋼。（ 1）碳素結(jié)構(gòu)鋼這類鋼的含碳量一般不超過0.7%。含碳量低于0.25%的低碳鋼，它的強度極限和屈服極限較低，塑性很高，且具有良好的焊接性，適于沖壓、焊接，常用來制作螺釘、螺母、墊圈、軸、氣門導桿和焊

17、接構(gòu)件等。含碳量在01 0 2%的低碳鋼還用以制作滲碳的零件，如齒輪、活塞銷、鏈輪等。通過滲碳淬火可使零件表面硬而耐磨，心部韌而耐沖擊。如果要求有更高強度和耐沖擊性能時，可采用低碳合金鋼。含碳量在03 05%的中碳鋼，它的綜合力學性能較好，既有較高的強度，又有一定的塑性和韌性，常用作受力較大的螺栓，螺母、鍵，齒輪和軸等零件。含碳量在0.55% 0.7%的高碳鋼，具有高的強度和彈性，多用來制作普通的板彈簧，螺旋彈簧或鋼絲繩等。（ 2）合金結(jié)構(gòu)鋼鋼中添加合金元素的作用在于改善鋼的性能。例如：鎳能提高強度而不降低鋼的韌性；鉬的作用類似于錳， 其影響更大些； 釩能提高韌性及強度；硅可提高彈性極限和耐磨

18、性，但會降低韌性。 合金元素對鋼的影響是很復雜的，特別是當為了改善鋼的性能需要同時加入幾種合金元素時。 應當注意， 合金鋼的優(yōu)良性能不僅取決于化學成分，而且在更大程度上取決于適當?shù)臒崽幚?。?3）鑄鋼鑄鋼的液態(tài)流動性比鑄鐵差，所以用普通砂型鑄造時，壁厚常不小于10mm。鑄鋼件的收縮率比鑄鐵件大，故鑄鋼件的圓角和不同壁厚的過渡部分均應比鑄鐵件大些。選擇鋼材時，應在滿足使用要求的條件下，盡量采用價格便宜供應充分的碳素鋼，必須采用合金鋼時也應優(yōu)先選用我國資源豐富的硅、錳，硼、釩類合金鋼。例如，我國新頒布的齒輪減速器規(guī)范中，已采用35SiMn和35等代替原用的35 、40CrNi等材料。ZG SiMn

19、Cr3銅合金銅合金有青銅和黃銅之分，黃銅是銅和鋅的合金，并含有少量的錳、鋁、鎳等，它具有很好的塑性及流動性，故可進行鍛壓和鑄造，青銅可分為含錫青銅和不含錫青銅類，它們的減摩擦性和抗腐蝕性均較好，也可碾壓和鑄造。此外，還有軸承合金（或稱巴氏合金） ，主要用于制作滑動軸承的軸承襯。9.5.2非金屬材料1橡膠橡膠富于彈性， 能吸收較多的沖擊能量， 常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件， 帶傳動的膠帶等，硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。2塑料塑料的比重小， 易于制成形狀復雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱性、 絕緣性、 減摩性、 摩擦系數(shù)大等， 所以近年來在機械制造中其應用日益廣泛。

20、以木屑、石棉纖維等作填充物， 用熱固性樹脂壓結(jié)而成的塑稱為結(jié)合塑料， 可用來制作儀表支架、 手柄等受力不大的零件。 以布、石棉、薄木板等層狀填充物為基體， 用熱固性樹脂壓結(jié)而成的塑料稱為層壓塑料，可用來制作無聲齒輪、軸承襯和摩擦片等。此外，在機械制造中也常用到其他非金屬材料，如皮革、木材、紙扳、棉、絲等。設計機械零件時， 選擇合適的材料是一項復雜的技術(shù)經(jīng)濟問題。設計者應根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、 化學、機械和工藝性能以及經(jīng)濟因素等進行全面考慮。 這就要求設計者在材料和工藝等方面具有廣泛的知識和實踐經(jīng)驗。前面所述，僅是一些概略的說明。9.6公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系9.6.1公

21、差與配合機器是由零件裝配而成的。 大規(guī)模生產(chǎn)要求零件具有互換性， 以便在裝配時不需要選擇和附加加工，就能達到預期的技術(shù)要求。為了實現(xiàn)零件的互換性， 必須保證零件的尺寸、 幾何形狀和相對位置以及表面粗糙度的一致性。就零件尺寸而言， 它不可能做得絕對精確， 但必須使尺寸介于兩個允許的極限尺寸之間，這兩個極限尺寸之差稱為公差。 因此互換性要求建立標準化的公差與配合制度。 我國的公差與配合 ( GBl800 1803 79、 GB T1804 92) 采用國際公差制，它既能適應于我國生產(chǎn)發(fā)展的需孔，主要指圓柱形的內(nèi)表面，也包括其他內(nèi)表面，如鍵槽寬度。軸，主要指圓柱形的外表面，也包括其他外表面，如與鍵槽

22、相配合的鍵寬。前者統(tǒng)稱為包容面，后者統(tǒng)稱為被包容面。機械制造中最常用的公差等級是4 11 級。 4 級、 5 級用于特別精密的零件。6 級、 7 級、8 級用于重要的零件，它們是現(xiàn)代生產(chǎn)中采用的主要精度等級。8 級、 9 級用于工作速度中等及具有中等精度要求的零件。1011 級用于低精度零件，主要用于低速機器中；這些精度等級允許直接采用棒材、管材或精密鍛件而不需要再作切削加工。配合制度有基孔制和基軸制兩種?；字频目资腔鶞士?，其下偏差為零，代號為H，而各種配合特性是靠改變軸的公差帶來實現(xiàn)的( 圖 9-11) 。基軸制的軸是基準軸，其上偏差為零，代號為 h，而各種配合特性是靠改變孔的公差帶來實現(xiàn)

23、的。為了減少加工孔用的刀具( 如鉸刀、拉刀 ) 品種，工程中廣泛采用基孔制。但有時仍須采用基軸制，例如，光軸與具有不同配合特性的零件相配合時；滾動軸承外徑與軸承孔配合時等。9.6.2表面粗糙度表面粗糙度是指零件表面的微觀幾何形狀誤差。它主要是加工后在零件表面留下的微細而凸凹不平的刀痕。表面粗糙度的評定參數(shù)之是輪廓算術(shù)平均偏差Ra，它是指在取樣長度l內(nèi)，被測輪廓上各點至輪廓中線偏距絕對值的算術(shù)平均值( 圖 9-12) ，即1 lRay dxl 0近似為1Rannyii 19.7機械零件的工藝及標準化9.7.1工藝性設計機械零件時， 不僅應使其滿足使用要求， 即具備所要求的工作能力， 同時還應當滿

24、足生產(chǎn)要求，否則就可能制造不出來，或雖能制造但費工費料很不經(jīng)濟。在具體生產(chǎn)條件下， 如所設計的機械零件便于加工而加工費用又很低， 則這樣的零件就稱為具有良好的工藝性。有關(guān)工藝性的基本要求是：(1)毛坯選擇合理機械制造中毛坯制備的方法有：直接利用型材、 鑄造、 鍛造、 沖壓和焊接等。毛坯的選擇與具體的生產(chǎn)技術(shù)條件有關(guān) . 一般取決于生產(chǎn)批量、材料性能和加工可能性等。(2)結(jié)構(gòu)簡單合理設計零件的結(jié)構(gòu)形狀時，最好采用最簡單的表面( 如平面、圓柱面、螺旋面 ) 及其組合，同時還應當盡量使加工表面數(shù)目最少和加工面積最小。(3)規(guī)定適當?shù)闹圃炀燃氨砻娲植诙攘慵募庸べM用隨著精度的提高而增加，尤其在精度較高的情況下，這種增加極為顯著。因此，在沒有充分根據(jù)時，不應當追求高的精度。同理，零件的表面粗糙度也應當根據(jù)配合表面的實際需要，作出適當?shù)囊?guī)定。欲設計出工藝性良好的零件， 設計者就必須與工藝技術(shù)員工相結(jié)合并善