第9章机械零件设计概论

•60Mn
410 530 600
883 981 1079 981
245
25
315
20
d≤ 25
355
16
735
15 d≤ 25
785 834
9 10
dd≤≤
25 15
785
8
d≤ 80
•ZG270-500
500
•铸 钢 •ZG310-570
570
270
18
310
15 d≤100
•ZG42SiMn
600
•பைடு நூலகம்表面挤压强度是指面接触的两零件，受载后接触
面间产生挤压应力，应力分布在接触面不太深的表层
，挤压应力过大时，零件表面被压溃。
• 判定条件：
• 表面接触强度是指两个零件
在受载前是点接触或线接触。受
载后，由于变形其接触处为一小
•σH •σH
面积，通常此面积甚小而表层产
生的局部应力却很大，这种应力
•Fn
•使用要求----具备所要求的工作能力 ；•制造要求----制造工艺可行，成本低；
•零求件工艺性良好的标志：
• 在具体的生产条件下，零件要便于加工且费用低
•。工艺性的基本要求：
•1) 毛坯选择合理 •毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。
•用型材 •单件或小批量生产时，选用 •焊接 棒料、板材、型材或焊件。
•b
称为接触应力。
•6
•ρ1
•ρ2 •σH •σH
•F
n
•b
•油 ••裂金•纹初属的始剥扩疲落展劳出与裂现断纹小裂坑
•机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，
•如齿轮、凸轮、滚动轴承等。 在载荷重复作用下，首先在表层内约20μm处产生初始 疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将 产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片
•p ≤ [p] [p]由实验或同类机器使用经验确定 • 相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间
单位接触面积的发热量 f p v 。在摩擦系数一定的情况
下，可将 p v 值与许用的 [p v] 值进行比较。即:
•p v ≤ [p v ] •9
•4.振动稳定性准则 • 在设计时应避免机器中受激振作用的各个零 件的自激振动频率与激振源的频率相等或成整数倍 •二。、机械零件设计的步骤：
•决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下，尽量采用 较低的精度和表面质量。
•4) 尽量减小零件的加工量
•▲毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。力求使 少或无切削加工，节约材料、降低成本。
•▲尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先
进工艺满足上述要求。
•欲设计出工艺性良好的零件，设计者必须虚心向工 艺技术人员和一线工人学习，在实践•2中2 积累经验。
• 1)根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构;
•2) 确定作用在零件上的载荷; •3) 选择合适的材料; •4) 根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判 定 • 条件，确定零件的形状 ; 注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用 •的5数)值绘，设制计者工还要作根据图制造并零件标的工注艺要必求和要标谁的、规技格加术以圆条整 件，编写说明书。
•
S =3～4
•3）变应力下，
S =1.3～1.7
•材料不均匀，或计算不准时取： S =1.7～2.5
•15
•§9－3 机械制造常用材料及其选
择 •机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等 。
•一、金属材料
•常用 金属材
料
•铸 铁•钢
•----含碳量>2% •----含碳量≤ 2%
•二、非金属材料 •1. 橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。 常用作联轴器或减震器的弹性元件、传动带、密封圈 、轮胎、绝缘材料等。
•18
•2. 塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件 ，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝 热性、绝缘性、耐磨性等，所以近年来在机械制造中 其应用日益广泛。 •3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。 •选材因素：•设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题，设计者应根据零件的用
途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。
•用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性 。
•零件材料 • 各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、 行标和机械设计手册中查得。 • 为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减 材料的品种。
•19
•表9-1 常用钢铁材料的牌号及力学性能
判定条件：
y、[y]——零件的变形量和许用变形量 θ、[θ ]——零件的转角和许用转角 φ、[φ ]——零件的扭角和许用扭角
•8
•3. 机械零件的耐磨性 • 运动副摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。 磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面形状。零件抗磨 损的能力称为耐磨性。 •磨损↑•→间隙↑、•精度↓、•效率↓、•振动↑、•冲击↑、•噪音↑ •据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的 。•实用耐磨计算是限制运动副的压强p，即:
对于各种不同的失效形式，相应地有各种工 作能力判定条件。这种为防止失效而制定的判定条 件，通常称为工作能力计算准则。
•3
•1. 强度
•机械零件的强度可分为体积强度和表面强度两种。 •1）体积强度 •体积强度是抵御断裂和过大塑性变形的能力。
•判 定条件：
•[σ]、[τ]-----许用应力 •[Sσ] 、[Sτ] -----许用安全系数 •σlim、τlim -----极限应力。
•失效形式常表现为：•疲劳点蚀 状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑 ，这种现象 称为疲劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积， 损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力 。
•后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降 低了承载能力、引起振动和噪音。
•判定条件 ：
•7
2.刚度 指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。
•铁碳合金
•铜合金
•1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等
。•特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件
。
•较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本
低•应廉用。：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。
•2.钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、
耐酸钢等)、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。
•16
•特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。 可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。
•零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。
•应用：应用范围极其广泛。
•选用原则：
•我国资源丰富
• 优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。
•价格便宜且供应充分
•表9-2 常用材料的相对价格
•材 料
•t
•σa
•σmax
•σa
•σmax •σmin •σm
•σmax
•σa
•σmin
•σa
•σa •σm
•o
•t •o
•t•o •σmin
•t
•循环变应力
•对称循环变应力 •脉动循环变•11应力
•二、疲劳断裂的特征 • 1) 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度
极限
•不管脆性材料或塑性材料，
•2) 疲低劳，断甚口至均比表屈现服为极无限明低显;塑性变形的脆性突然断裂;
•1）无限寿命区
•O
•N
•σ-1
•N •N0
•当N≥N0 时•σrN不再随N的增大而降低，此时的疲劳
,
极限用σr表示。 •N0 ----循环基数
•用σ-1表示材料在对称循环应力下的疲劳极限。
•2）有限寿命区
•当N<N0 时, 有近似公式：
•对应于N 的疲劳极限：
•kN----寿命系数 •m----寿命指数
•10
•§9－2 机械零件的疲劳强
•一、应力的度种类
•静应力: σ=常数 •变应力: σ随时间变化
•平均应力
•应力幅:
•:变应力的循环特性
•σ
:
• -1 •----对称循环变应力
•= 0 •----脉动循环变应力
• σ=常数
• +1 •----静应力
•σ
•T •σa
•静应力是变应力的特
•o
•σ
例
•σ
•4) 疲劳断面明显分为两
个区域，即表面光滑的
疲劳发展区和表面粗糙
的脆性断裂区。
•12
•三、疲劳曲线
•σrN
•疲劳极限σrN与循环次数N 之•σ
间的关系曲线称为：疲劳曲线r •σ-1N
•由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试
验表明，当 N>N0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循 环时试件将不会断裂。
•2
•如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带 传动等。机械零件虽然有多种可能的 失效形式，归纳起来最主要的为
•零件的失效形式:
•断裂或塑性变形;
•过大的弹性变形 •工作表面; 的过度磨损或损伤;
•发生强烈的振动；联接的松弛
•摩擦传动的打;滑等 •失效原因: 强度、刚度、耐磨性。、振动稳定性、温度 等原因。
380
12
•HT150
145
•灰铸铁 •HT200
195
•HT250
240
----
----
•壁厚 •10~20
•QT400-15
400
•球墨铸 •QT500-7
500
铁 •QT600-3
600