机械零件设计概论

1）磨粒磨损 2）粘着磨损(胶合磨损) 3）疲劳磨损(疲劳点蚀)
加工后的零件表面总有一定的粗糙度。摩擦表面受载时，实 际上只有部分峰顶接触，接触处压强很高，能使材料产生塑 性流动。若接触处发生粘着，滑动时会使接触表面材料由一 个表面转移到另一个表面，这种现象称为粘着磨损(胶合磨损)。 所谓材料转移是指接触表面擦伤和撕脱，严重时摩擦表面能 相互咬死。
b -------接触长度;
b
Fn -------作用在圆柱体上的载荷;
12 -----综合曲率半径;
1 2
E
2E1E2 E1 E2
-----综合弹性模量; E1、 E2 圆柱体的弹性模量。
分别为两
接触疲劳强度的判定条件为：
H [ H ],
而[
H
]
H lim
SH
11
§9－4* 机械零件的耐磨性
195
HT250
240
----
----
壁厚 10~20
QT400-15
400
球墨铸铁 QT500-7
500
QT600-3
600
250
15
壁厚
320 370
7 3
30~18200
§9－6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数
一、 公差与配合 互换性：零件在装配时，不需要选择和附加加工的就
能满足预期技术与使用要求的特性。
一、金属材料
常用金 属材料
铸铁 ----含碳量>2% 钢 ----含碳量≤ 2% 铜合金
铁碳合金
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 低廉。 应用：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、
力学性能
试件尺寸
类 别 牌 号 强度极限σB 屈服极限σS 延伸率% mm
碳素 结构钢
Q215 Q235 Q275
335-410 375-460 490-610
215 235 275
31 26 d≤ 16 20
优质碳素
20
结构钢
35
45
合金 结构钢
35 SiMn 40Cr 20CrMnTi
60Mn
410 530 600
在滚动或兼有滑动和滚动的高副申，如凸轮、齿轮等，受载时材料表层有很大的
4） 腐蚀磨损 接触应力。当载荷重复作用时，常会出现表层金属呈小片状剥落，而在零件表面 形成小坑，这种现象称为疲劳磨损或疲劳点蚀。
在摩擦过程申，与周围介质发生化学反应
或电化学反应的磨损，称为腐蚀磨
12
实用耐磨计算是限制运动副的压强p，即: p ≤ [p] [p]由实验或同类机器使用经验确定
工作能力----在不发生失效的条件下，零件所能安全 工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上 又称为：承载能力。
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。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 2
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
的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标谁、规格加以圆整
5) 绘制工作图并标注必要的技术条件。 3
§9－2* 机械零件的强度
名义载荷-----在理想的平稳工作条件下作用在零件上 的载荷。 然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入
耐酸钢等)、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。
14
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。
表9-2 价格便宜且供应充分 常用材料的相对价格
第9章 机械零件设计概论
§9－1 机械零件设计概论 §9－2* 机械零件的强度 §9－3* 机械零件的接触强度 §9－4* 机械零件的耐磨性 §9－5 机械制造常用材料及其选择 §9－6 公差与配合、表面粗糙度和优先数系 §9－7 机械零件的工艺性及标准化
1
§9－1 机械零件设计概论
机械设计应满足的要求： 在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本 低，在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修 简单和造型美观等。 机械零件的失效： 机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。
运动副中，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。
磨损的主要类型 ： 硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸蜂，在摩擦过程中引起的材料脱落现象称为磨 粒磨损 。硬质颗粒可能是零件本身磨损造成的金属微粒，也可能是外来的尘 土杂质等。摩擦面间的硬粒，能使表面材料脱落而留下沟纹。
名义应力-----按名义载荷计算所得之应力。
载荷系数K----考虑各种附加载荷因素的影响。 计算载荷-----载荷系数与名义载荷的乘积。
计算应力-----按名义载荷计算所得之应力： σ、τ
强度判 定条件：
[ ] [ ]
其中
[
]
lim
S
[ ] lim
S
[σ]=、[τ]-----许用应力 S-----安全系数
材料
种类规格
相对价格
热轧圆刚 铸件
碳素结构钢Q235 （φ 33~42） 优质碳素钢 （φ 29~50） 合金结构钢（φ 29~50） 滚动轴承钢（φ 29~50） 合金工具钢（φ 29~50） 4Cr9Si2耐热钢（φ 29~50）
灰铸铁铸件 碳素钢铸件
铜合金、铝合金铸件
1 1.5~1.8 1.7~2.5
3 3~20
5
0.85 1.7 15
8~10
3.铜合金 青铜 -含锡青铜、不含锡青铜
种类 黄铜 -铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍 轴承合金（巴氏合金）
特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具 有良好的减摩性和抗腐蚀性。
零件毛坯获取方法：辗压、铸造。
应用：应用范围广泛。
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、带传动的胶带等。 硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。
失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 原因。对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件
强度条件：计算应力<许用应力； 刚度条件：变形量<许用变形量； 防止失效的判定条件是：
计算量<许用量 ----工作能力计算准则。 机械零件设计的步骤：
1)拟定零件的计算简图; 2) 确定作用在零件上的载荷; 3) 选择合适的材料;
件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时，就突
然断裂。疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂。所以疲6劳断裂是与
应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂。
1、疲劳曲线
σ
应力σ与应力循环次数N 之间
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
500百度文库
铸 钢 ZG310-570
570
270
18
310
15 d≤100
ZG42SiMn
600
380
12
HT150
145
灰铸铁 HT200
σlim、τ lim -----极限应力，由实验方法测定。
4
一、应力的种类
静应力: σ=常数 变应力: σ随时间变化
平均应力:
m
max
min
2
应力幅:
a
max
min
2
变应力的循环特性:
σ
-1 = r min 0
+1 max
T
σ
σa
σa
σmax σmin σm o
----对称循环变应力 ----脉动循环变应力
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 ]
13
§9－5 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 。
当N<N0 时, 有近似公式：
m 1N
N
m 1
N
0
C
对应于N
的弯曲疲劳极限： 1N
1 m
N0 N
7
2、许用应力
在变应力，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同
时还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸
和表面状态等影晌，为此引人应力集中系数kσ、尺寸
系数εσ和表面状态系数β等。 当应力是对称循环变化时，许用应力为：[
1）静应力下，塑性材料的零件：S =1.2～１.5 铸钢件：S =1.５～２.5
２）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁： 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
9
§9－3* 机械零件的接触强度
若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面积，通常此面积甚小而表
1 ]
k S
1
当应力是脉动循环变化时，许用应力为：[
0
]
k S
0
σ0 为材料的脉动循环疲劳极限，S为安全系数。以上 各系数均可机械设计手册中查得。以上所述为“无限寿命” ，
有限寿命时，用σ-1N代入得： [ 1]
1
k S
m
N0 N
8
四、安全系数 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响 S↑ → 零件尺寸大，结构笨重。 S↓ → 可能不安全。 典型机械的 S 可通过查表求得。 无表可查时，按 以下原则取：
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。
17
表9-1 常用钢铁材料的牌号及力学性能
材料
称为渡劳点蚀。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。
油
裂金纹属初的剥始扩落疲展出劳与现裂断小纹裂坑 10
H 0.418
Fn E
b
Fn
σH -------最大接触应力或赫兹应力;
----静应力
静应力是变应力的特例
σ
r =+1
σmax
σmin to
σa σa
σ=常数
o
t
σ
σmax
σa
σa
σm
t o σmin
t
循环变应力
对称循环变应力 r =-1
脉动循环变应力
r =0
5
二、静应力下的许用应力
静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形
塑 作为性极材限料应，力取屈,许服用极应限力σ为S ：[
层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。
这时零件强度称为接触强度。 如齿轮、凸轮、滚动轴承等。
失效形式常表现为：疲劳点蚀
机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的， 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 状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑 ，这种现象
]
s
S
脆 作为性极材限料应：力取强,许度用极应限力σ为B ：[
]
B
S
三、变应力下的许用应力
变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂 具有以下特征：
1)疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限
低，甚至比屈服极限低;
不管脆性材料或塑性材料，
2) 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;
3) 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。它的初期现象是在零
基本尺寸：由设计图纸给定的零件理论尺寸；为确定值。
16
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、减摩性、摩擦系数大等，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
的关系曲线称为：疲劳曲线
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。
当N>N0 时, 试件将不会断裂。 O
σ-1N
N
σ-1
N N0
N0 ----循环基数
N0 对应的应力称为：疲劳极限
用σ-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。