第15章 機械零件設計概論

第15章機械零件設計概論§15-1機械零件設計概述§15-2機械零件的強度§15-3機械零件的接觸強度§15-4機械制造常用材料及其選擇§15-5機械零件的工藝性及標準化§15－1機械零件設計概述機械設計應滿足的要求是：在滿足預期功能的前提下，性能好、效率高、成本低；在預定使用期限內安全可靠，操作方便、維修簡單和造型美觀等。機械零件由于某種原因不能正常工作（完不成規(guī)定的功能或達不到設計要求的性能）時，稱為失效。破壞是失效，但失效并不單純意味著破壞。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。此限度對載荷而言時，又稱為承載能力。機械零件可能的失效形式歸納起來主要有以下幾種：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；聯接的松弛；摩擦傳動的打滑等。當周期性干擾力的頻率與軸的自振頻率相等或接近時，就會發(fā)生共振，導致振幅急劇增大，這種現象稱為失去振動穩(wěn)定性。共振可能在短期內使零件損壞，所以對于重要的、特別是高速運轉的軸，還應驗算其振動穩(wěn)定性。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。這種為防止失效而制定的判定條件，通常稱為工作能力計算準則。機械零件的設計準則有強度準則強度準則是指零件中的應力不得超過允許的限度，即許用應力，用公式表示為

剛度準則指零件在載荷作用下產生的彈性變形量不大于允許值，用公式表示為

壽命準則要求零件在預期工作期限內，能正常工作而不失效。影響壽命的主要因素是：腐蝕、磨損和疲勞。振動穩(wěn)定性準則在設計時應使機器中受激振作用的各個零件的自激振動頻率與激振源的頻率錯開。通常應保證

fp<0.85f或fp<1.15f可靠性準則機械零件的可靠性用可靠度表示。可靠度是指零件在規(guī)定的時間內，在規(guī)定的使用條件下完成規(guī)定功能的概率。如有NT個零件在規(guī)定的工作條件下使用，在t時刻后仍有NS個零件能正常工作，則此零件在該工作條件下工作t時間的可靠度為機械零件的設計常按下列步驟進行；擬定零件的計算簡圖。確定作用在零件上的載荷。選擇合適的材料。根據零件可能出現的失效形式，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值，設計者還要根據制造零件的工藝要求和標準、規(guī)格加以圓整。繪制工作圖并標注必要的技術條件。§15－2機械零件的強度載荷——進行強度計算所依據的、作用于零件上的外力F、彎矩M、扭矩T以及沖擊能量等，統稱為載荷。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?？紤]機器運轉時動力參數的不穩(wěn)定，工作阻力變化等原因，使零件受到各種附加載荷而引入的影響系數稱為載荷系數K

。載荷系數與名義載荷的乘積，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。利用強度準則判斷零件的強度常用的方法有：①應力法應力法是判斷危險截面處的最大應力(σ，τ)是否小于或等于許用應力([σ]，[τ])。計算公式為②

安全系數法安全系數法是判斷危險截面處的實際安全系數(Sσ，Sτ)是否大于或等于許用安全系數([Sσ]，[Sτ])。計算公式可寫成

一、應力的種類靜應力——不隨時間變化的應力(圖9-1a)。變應力——隨時間變化的應力。循環(huán)變應力——隨時間作有周期性變化的應力。圖9-1b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。由圖可知，變應力的平均應力σm及應力幅σa分別為循環(huán)特性——變應力的最小應力與最大應力之比，用r表示，它可用來描述變應力的變化情況。對稱循環(huán)變應力——循環(huán)特性r＝-1的循環(huán)變應力，(圖

)，其σa=σmax=-σmin，σm=0。脈動循環(huán)變應力——循環(huán)特性r=0的循環(huán)變應力，(圖)，其σa=σm=σmax/2，σmin=0。靜應力可看作變應力的特例，其σmax=σmin

，循環(huán)特性r=+1。當-1<r<+1，并且r≠0時，稱為非對稱循環(huán)變應力(圖b)。注意：零件在靜載荷作用下不一定產生靜應力。

對于用脆性材料制成的零件．應取強度極限σB作為極限應力，其許用應力為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。

二、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。這時取材料的屈服極限σS作為極限應力，故許用應力為

三、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：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；不存在宏觀的、明顯的塑性變形跡象，是脆性突然斷裂；疲勞斷裂是損傷的積累，在循環(huán)應力多次反復作用下產生。對材料的組成、零件的形狀、尺寸、表面狀態(tài)、使用條件和外界環(huán)境等地非常敏感?？傊?，疲勞破壞的最突出特點是發(fā)生突發(fā)性、高度局部性以及對各種缺陷的敏感性。右圖所示為軸的彎曲疲勞斷裂的斷口，微裂紋常起始于應力最大的斷口周邊上。在斷口上明顯地有兩個區(qū)域：一個是在變應力重復作用下裂紋兩邊相互摩擦形成的表面光滑的疲勞區(qū)；一個是最終發(fā)生跪性斷裂的表面粗糙的斷裂區(qū)。疲勞斷裂不同于一般靜力斷裂。它是損傷到一定程度后，即裂紋擴展到一定程度后，才發(fā)生的突然斷裂、所以疲勞斷裂與應力循環(huán)次數（即使用期限或壽命）密切相關。疲勞曲線表示應力σ與應力循環(huán)次數N之間的關系曲線稱為疲勞曲線，如圖9-3所示。從圖中可以看出，應力越小，試件能經受的循環(huán)次數就越多。當循環(huán)次數N超過某一數值N0以后，曲線趨向水平，即可以認為在“無限次”循環(huán)時試件將不會斷裂。N0稱為循環(huán)基數，對應于N0的應力稱為材料的疲勞極限。通常用σ-l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（N＜N。），可近似地用下列方程式表示：利用上式可以求得在一定循環(huán)特性的變應力作用下，任意循環(huán)次數N時的疲勞極限對稱循環(huán)變應力作用下，任意循環(huán)次數N時的疲勞極限為許用應力變應力下，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kσ、尺寸系數εσ和表面狀態(tài)系數β等。當應力是對稱循環(huán)變化時，無限壽命下的許用應力為當應力是脈動循環(huán)變化時，無限壽命下的許用應力為

四、安全系數安全系數定得正確與否對零件尺寸有很大影響。如果安全系數定得過大將使結構笨重；如定得過小，又可能不夠安全。在各個不同的機械制造部門，通過長期生產實踐，都制訂有適合本部門的安全系數（或許用應力）的表格。使用時可以從中查表選取所需的安全系數（或許用應力）。有限壽命下的許用應力分別為對稱循環(huán)變應力時脈動循環(huán)變應力時當沒有專門的表格時，可參考下述原則選擇安全系數：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S=1.2~1.5；對于塑性較差的材料或鑄鋼件可取S=1.5~2.5。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。例如，對于高強度鋼或鑄鐵件可取S=3~4。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=1.7~2.5?！?-3機械零件的接觸強度若零件受載時是在較大的體積內產生應力，這種應力狀態(tài)下的零件強度稱為整體強度若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸，受載變形后，其表層產生很大的局部應力，這種應力稱為接觸應力。這時零件強度稱為接觸強度。具有一定曲面的兩物體在壓力下互相接觸時，在接觸處產生的應力便是接觸應力。承受接觸應力的零件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。機械零件的接觸應力通常是隨時間作周期性變化的接觸變應力，在載荷重復作用下，零件表面發(fā)生疲勞點蝕破壞，（圖9-7）。零件發(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。兩個軸線平行的圓柱體相互接觸并受壓時，接觸應力分布如圖9-8所示，最大接觸應力發(fā)生在接觸區(qū)中線上，其值由赫茲(H.Hertz)公式計算對于鋼或鑄鐵，取μ1=μ2=μ=0.3，則上式簡化為：令及零件受接觸變應力作用時接觸強度條件為

σH≤[σH]而[σH]=σlim/SH

式中σlim為由實驗測得的材料的接觸疲勞極限，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。由圖9-8可看出，接觸應力具有上下對等、左右對稱及稍離接觸區(qū)中線即迅速降低等特點。由于接觸應力是局部性的應力，且應力的增長與載荷Fn不成直線關系，而要緩慢得多[見式(9-9)]，故安全系數SH可取為等于或稍大于1?！?5-4機械制造常用材料及其選擇一、金屬材料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。鑄鐵具有適當的易熔性，良好的液態(tài)流動性，因而可鑄成形狀復雜的零件。此外，它的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）均較好且成本低廉，因此在機械制造中應用甚廣。常用的鑄鐵有：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。其中灰鑄鐵和球墨鑄鐵是脆性材料，不能進行輾壓和鍛造。鋼鋼具有高的強度、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、焊接或鑄造等方法取得，因此其應用極為廣泛。按照用途，鋼可分為結構鋼、工具鋼和特殊鋼。結構鋼用于制造各種機械零件和工程結構的構件；工具鋼主要用于制造各種刃具、模具和量具；特殊鋼用于制造在特殊環(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。碳素結構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。含碳量在0.1％~0.2％的低碳鋼還用以制作滲碳的零件。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0.3％~0.5%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。合金結構鋼鋼中添加合金元素的作用在于改善鋼的性能。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的熱處理。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。常用鋼鐵材料的力學性能見表9-1。銅合金銅合金有青銅與黃銅之分。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，故可進行輾壓和鑄造。青銅可分為含錫青銅和不含錫青銅兩類，它們的減摩性和抗腐蝕性均較好，也可輾壓和鑄造。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。二、非金屬材料橡膠橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量，常用作聯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。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，近年來在機械制造中其應用日益廣泛。以木屑、石棉纖維等作填充物，用熱固性樹脂壓結而成的塑料稱為結合塑料。以布、石棉、薄木板等層狀填充物為基體，用熱固性樹脂壓結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。在機械制造中也常用到其他非金屬材料。設計機械零件時，選擇合適的材料是一項復雜的技術經濟問題。設計者應根據零件的用途、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驗。為了材料供應和生產管理上的方便，應盡量縮減材料的品種。2鋼的熱處理簡介

鋼的熱處理是將鋼固態(tài)下加熱到一定溫度后，保溫一定時間再按一定速度冷卻，以期達到提高零件力學性能的一種工藝方法。常用的熱處理方法有退火、正火、淬火、回火、調質及表面熱處理等。

1.退火退火是將鋼加熱到一定溫度，保溫一段時間，然后工件隨爐溫緩慢冷卻。通過退火以消除因鍛造、焊接等產生的內應力、降低材料的硬度，提高塑性和韌性，改善其切削加工性能。2.正火正火與退火的工藝過程相似，所不同的只是正火是保溫后在靜止空氣中冷卻。正火后鋼的硬度和強度都有所提高，但消除內應力效果比退火差。3.淬火淬火是將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一定時間，然后在水或油中快速冷卻的熱處理方法。淬火后，鋼的硬度急劇增加，但材料的脆性也增加，且存在很大內應力。為了減小內應力、提高材料的塑性和韌性，淬火后零件一般均需回火。回火是將淬火鋼重新加熱到某一低于臨界的溫度，保溫一定時間，然后在空氣中冷卻的熱處理方法?；鼗鸷?，鋼的硬度一般不取決于冷卻速度，而是隨加熱溫度升高而降低。根據加熱溫度不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火三種。低溫回火的加熱溫度為150℃~250℃，淬火鋼經過低溫回火后，可以降低材料的脆性和內應力，并能保持高的硬度和耐磨性。適用于刀具、量具、滾動軸承等；中溫回火的加熱溫度為300℃~450℃，淬火鋼經中溫回火后，提高了彈性和屈服極限，但硬度有所下降，主要用于各種彈簧和承受沖擊的零件；高溫回火的加熱溫度為450℃~650℃，淬火加高溫回火的熱處理方法稱為調質。淬火鋼經高溫回火后，其綜合力學性能得到提高和改善，適用于各種重要的受力零件，特別是一些在變應力下工作的零件，如齒輪、軸和連接等，常采用調質處理。

4.表面熱處理表面熱處理可以提高零件硬度，以增加其耐磨性，常用的有表面淬火和化學熱處理兩種。表面淬火常采用的加熱表面的方法為火焰表面淬火和高頻表面淬火。零件進行表面淬火及低溫回火后，表面變硬而耐磨，芯部仍保持有韌性。齒輪、曲軸及主軸軸徑等常采用這種熱處理方法?；瘜W熱處理是將零件放入化學介質（如碳、氮、鉻）中加熱、保溫，使該介質元素滲入到零件表面的熱處理方法。常用的化學熱處理方法有滲碳、滲氮（氮化）和碳氮共滲（氰化）等。3機械零件材料的選擇

在機械零件設計的過程中，材料選用是一個重要問題。材料選用是否合理，直接影響機械的使用性能，工作可靠性和經濟性。機械零件材料的選擇通常應先考慮零件的使用要求、工藝要求和經濟要求三個方面。使用要求包括：零件所承受載荷的大小和性質以及應力狀態(tài)；零件的工作溫度、環(huán)境介質、摩擦磨損等情況；對零件尺寸及重量等的限制和其他特殊要求。選擇材料時應綜合考慮以上各點，選擇的材料的力學性能和物理、化學性能等均應滿足使用要求。工藝要求是指所選材料要保證零件能很方便地制造出來。經濟性要求保證零件能最經濟地制造出來?！?5-5機械零件的工藝性及標準化一、工藝性在具體生產條件下，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。有關工藝性的基本要求是；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技求條件有關，一般取決于生產批量、材料性能和加工可能性等。