机械零件设计的基本准则与步骤课件

第第9章章 机械零件设计概论机械零件设计概论91 机械零件设计的基本准则和一般步骤机械零件设计的基本准则和一般步骤92 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度93 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择94 机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化第9章 机械零件设计概论91 机械零件设计的基本准191 机械零件设计的基本准则和一般步骤机械零件设计的基本准则和一般步骤机械设计应满足的要求：机械设计应满足的要求：在在满满足足预预期期功功能能的的前前提提下下，性性能能好好、效效率率高高、成成本本低低，在在预预定定使使用用期期限限内内安安全全可可靠靠，操操作作方方便便、维维修修简单简单和和造型美观造型美观等。等。机械零件的失效：机械零件的失效：机械零件由于某种原因丧失正常工作能力时，称为机械零件由于某种原因丧失正常工作能力时，称为失效。失效。工作能力工作能力-在不发生失效的条件下，零件所能安全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，所以习惯上工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：又称为：承载能力。承载能力。一、机械零件设计的基本准则一、机械零件设计的基本准则91 机械零件设计的基本准则和一般步骤机械设计应满足的2零件的失效形式零件的失效形式:断裂或塑性变形断裂或塑性变形;过大的弹性变形过大的弹性变形;工作表面的过度磨损或损伤工作表面的过度磨损或损伤;发生强烈的振动；联接的松弛发生强烈的振动；联接的松弛;摩擦传动的打滑等。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失失效效原原因因:强强度度、刚刚度度、耐耐磨磨性性、振振动动稳稳定定性性、温温度度等原因。等原因。对于各种不同的失效形式，相应地有各种工作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，能力判定条件。这种为防止失效而制定的判定条件，通常称为通常称为工作能力计算准则工作能力计算准则。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31.1.强度强度判判 定条件：定条件：、-许用应力许用应力S、S-许用安全系数许用安全系数lim、lim-极限应力。极限应力。机械零件的强度可分为机械零件的强度可分为体积强度体积强度和和表面强度表面强度两种。两种。1）体积强度体积强度体积强度是抵御体积强度是抵御断裂断裂和过大和过大塑性变形塑性变形的能力。的能力。1.强度判 定条件：、-许用应力S4极限应力的选择：极限应力的选择：1 1）静应力下，零件材料的破坏形式：）静应力下，零件材料的破坏形式：断裂断裂或或塑性变形塑性变形塑性塑性材料，取材料，取屈服极屈服极限限S S、S S作作为极限极限应力力脆性脆性材料：取强度材料：取强度极极限限b b、b b 作作为极限极限应力力2）变应力下，零件无论是塑性材料还是脆性材料，其）变应力下，零件无论是塑性材料还是脆性材料，其损坏形式是损坏形式是疲劳断裂，疲劳断裂，因此常用材料的因此常用材料的疲劳极限疲劳极限作为作为极限应力。极限应力。极限应力的选择：1）静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性52 2）表面表面强度强度 分为分为表面挤压强度表面挤压强度和和表面接触强度表面接触强度 表表面面接接触触强强度度是是指指两两个个零零件件在在受受载载前前是是点点接接触触或或线线接接触触。受受载载后后，由由于于变变形形其其接接触触处处为为一一小小面面积积，通通常常此此面面积积甚甚小小而而表表层层产产生生的的局局部部应应力力却却很很大大，这这种种应应力力称为称为接触应力。接触应力。表面挤压强度表面挤压强度是指面接触的两零件，受载后接触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，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。挤压应力过大时，零件表面被压溃。判定条件：判定条件：b bFnH HH H2）表面强度 分为表面挤压强度和表面接触强度 61Fnb b2H HH H判定条件：判定条件：初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹裂纹的扩展与断裂裂纹的扩展与断裂 油油金属剥落出现小坑金属剥落出现小坑后后果果：减减少少了了接接触触面面积积、损损坏坏了了零零件件的的光光滑滑表表面面、降降低了承载能力、引起振动和噪音。低了承载能力、引起振动和噪音。如齿轮、凸轮、滚动轴承等。如齿轮、凸轮、滚动轴承等。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20m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。失效形式常表现为：失效形式常表现为：疲劳点蚀疲劳点蚀1Fnb2HH判定条件：初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹裂纹72.刚度刚度 指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。判定条件：判定条件：y y、y y零件的变形量和许用变形量零件的变形量和许用变形量、零件的转角和许用转角零件的转角和许用转角、零件的扭角和许用扭角零件的扭角和许用扭角2.刚度y、y零件的变形量和许用变形量83.3.机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性 运运动动副副摩摩擦擦表表面面物物质质不不断断损损失失的的现现象象称称为为磨磨损损。磨磨损损会会逐逐渐渐改改变变零零件件尺尺寸寸和和摩摩擦擦表表面面形形状状。零零件件抗抗磨磨损的能力称为损的能力称为耐磨性。耐磨性。磨损磨损 间隙间隙、精度精度、效率效率、振动振动、冲击冲击、噪音噪音据统计，约有据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。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实用耐磨计算是限制运动副的压强p，即，即: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单位接触面积的发热量 f p v。在摩擦系数一定的情况在摩擦系数一定的情况下，可将下，可将 p v 值与许用的值与许用的 p v 值进行比较。即值进行比较。即:p v p v 3.机械零件的耐磨性 运动副摩擦表面物质不断94.振动稳定性准则振动稳定性准则 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。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：二、机械零件设计的步骤：1)根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构;5)绘制工作图并标注必要的技术条件，编写说明书。绘制工作图并标注必要的技术条件，编写说明书。2)确定作用在零件上的载荷确定作用在零件上的载荷;3)选择合适的材料选择合适的材料;4)根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定 条条件件，确确定定零零件件的的形形状状;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 4.振动稳定性准则二、机械零件设计的步骤：5)绘制工作图并10一、应力的种类一、应力的种类ot =常数常数 max脉动循环变应力脉动循环变应力m静应力静应力:=常数常数变应力变应力:随时间变化随时间变化平均应力平均应力:应力幅应力幅:Tmaxminaam循环变应力循环变应力ot变应力的循环特性变应力的循环特性:maxminaa对称循环变应力对称循环变应力ot-脉动循环变应力脉动循环变应力-对称循环变应力对称循环变应力 -1 -1=0=0 +1 +1-静应力静应力otaamin静应力是变应力的特例92 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度一、应力的种类ot =常数 max脉动循环变应力11二、疲劳断裂的特征二、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，甚至比屈服极限低低，甚至比屈服极限低;2)疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;3)疲疲劳劳断断裂裂是是微微观观损损伤伤积积累累到到一一定定程程度度的的结结果果；它的初期现象是在零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。所以疲劳断裂是与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂。不管脆性材料或塑性材料，4)疲疲劳劳断断面面明明显显分分为为两两个个区区域域，即即表表面面光光滑滑的的疲疲劳劳发发展展区区和和表表面面粗粗糙糙的的脆脆性断裂区。性断裂区。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12三、疲劳曲线三、疲劳曲线NOrN-1N0-1NN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 NN0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。疲劳极限疲劳极限rNrN与循环次数与循环次数N N 之之间的关系曲线称为：间的关系曲线称为：疲劳曲线疲劳曲线当当NNNN0 0 时时,rNrN不再随不再随N N的增大而降低，此时的疲劳极的增大而降低，此时的疲劳极限用限用r r表示。表示。N N0 0-循环基数循环基数当当NNN2%-含碳量含碳量 2%铁碳合金铁碳合金特点：特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。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）、成本低较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。廉。应用：应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。93 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16选用原则：选用原则：优选碳素钢，其次是优选碳素钢，其次是硅、硅、锰、硼、硼、钒类合金合金钢。特点：特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。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。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：零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。锻造、冲压、焊接、铸造等。应用：应用：应用范围极其广泛。应用范围极其广泛。表表9-2 9-2 常用材料的相对价格常用材料的相对价格材材 料料 种种 类类 规规 格格 相对价格相对价格热轧圆刚热轧圆刚 碳素结构钢碳素结构钢Q235（3342）1铸铸 件件优质碳素钢优质碳素钢（2950）1.51.8 合金结构钢（合金结构钢（2950）1.72.5 滚动轴承钢（滚动轴承钢（2950）3 合金工具钢（合金工具钢（2950）320 4Cr9Si2耐热钢（耐热钢（2950）5 灰铸铁铸件灰铸铁铸件 0.85 碳素钢铸件碳素钢铸件 1.7 铜合金、铝合金铸件铜合金、铝合金铸件 810 价格便宜且供应充分 我国资源丰富 选用原则：特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用173.3.铜合金铜合金-铜锌合金，并含有少量的铜锌合金，并含有少量的锰、铝铝、镍镍特点：特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具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。有良好的减摩性和抗腐蚀性。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。应用：应用：应用范围广泛。应用范围广泛。种类种类青铜青铜黄铜黄铜轴承合金（巴氏合金）轴承合金（巴氏合金）-含锡青铜、不含锡青铜含锡青铜、不含锡青铜二、非金属材料二、非金属材料1.1.橡胶橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。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、常用作联轴器或减震器的弹性元件、传动带、密封圈、轮胎、绝缘材料轮胎、绝缘材料等。等。3.铜合金-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍特点：具有良好的182.2.塑料塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，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、绝而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、性、绝缘性、耐磨性等，所以近年来在机械制造中其性、耐磨性等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。用日益广泛。3.3.其它非金属材料：其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。皮革、木材、纸板、棉、丝等。选材因素：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、用途、工作条件工作条件、物理物理、化学化学、机械工机械工艺性能性能、经济性。性。零件材料零件材料 各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、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。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。材料的品种。2.塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各19表表9-1 9-1 常用钢铁材料的牌号及力学性能常用钢铁材料的牌号及力学性能材材 料料 力力 学学 性性 能能 试件尺寸试件尺寸类类 别别 牌牌 号号 强度极限强度极限B B 屈服极限屈服极限S S 延伸率延伸率%mm%mmQ215 335-410 215 31 碳素碳素结构钢结构钢Q235 375-460 235 26 d 16 Q275 490-610 275 20 20 410 245 25 优质碳素优质碳素结构钢结构钢35 530 315 20 d 25 45 600 355 16 35 SiMn 883 735 15 d 25 合金合金结构钢结构钢 40Cr 981 785 9 d 25 20CrMnTi 1079 834 10 d 15 60Mn 981 785 8 d 80 ZG270-500 500 270 18 铸铸 钢钢ZG310-570 570 310 15 d100 ZG42SiMn 600 380 12 HT150 145 -灰铸铁灰铸铁HT200 195 -HT250 240 -壁厚壁厚1020QT400-15 400 250 15 球墨铸铁球墨铸铁QT500-7 500 320 7 QT600-3 600 370 3 壁厚壁厚30200表9-1 常用钢铁材料的牌号及力学性能材 料 2094 机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化一、一、工艺性工艺性零件设零件设计要求计要求使用要求使用要求-具备所要求的工作能力；具备所要求的工作能力；制造要求制造要求-制造工艺可行，成本低；制造工艺可行，成本低；零件工艺性良好的标志：零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。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：工艺性的基本要求：1)毛坯选择合理毛坯选择合理制备方法制备方法毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。单件或小批量生产时，选用单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。棒料、板材、型材或焊件。应用于大批量生产。应用于大批量生产。用型材用型材焊接焊接锻造锻造铸造铸造冲压冲压 94 机械零件的工艺性及标准化一、工艺性零件设计要求使212)结构简单合理结构简单合理最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面及其组合；最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面及其组合；尽量减少加工面数和加工面积；尽量减少加工面数和加工面积；3)合理的制造精度和表面粗糙度合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本随精度的提高和表面粗糙度的降低而急剧增加。零件的加工成本随精度的提高和表面粗糙度的降低而急剧增加。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。较低的精度和表面质量。尽量采用标准件；尽量采用标准件；增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、螺纹、键、增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、螺纹、键、齿轮模数等）的数量；齿轮模数等）的数量；4)尽量减小零件的加工量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。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。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，在实践中积累经验。2)结构简单合理最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面及其22二、二、标准化标准化内容：内容：1)1)产品品种规格的系列化产品品种规格的系列化将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。用户的广泛要求。定义：定义：标准化是在经济、技术、科学及管理等社会实标准化是在经济、技术、科学及管理等社会实践中，对重复事务和概念，通过制定、发布和实施标践中，对重复事务和概念，通过制定、发布和实施标准，以获得最佳秩序和效益。准，以获得最佳秩序和效益。2)零部件的通用化零部件的通用化将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现互换；过统一后实现互换；3)产品质量标准化产品质量标准化要保证产品质量合格和稳定，就必须做好设计、加工要保证产品质量合格和稳定，就必须做好设计、加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。二、标准化内容：定义：标准化是在经济、技术、科学及管理等社会23基本特征：基本特征：统一、简化。统一、简化。意义：意义：1)制造上可以实现专业化大批量生产，既可提高产品制造上可以实现专业化大批量生产，既可提高产品质量，又能降低成本；质量，又能降低成本；2)设计方面可减少设计工作量；设计方面可减少设计工作量；3)管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。标准化是组织社会化大生产的重要手段，是实施科学管理的基础，也是对产品设计的基本要求之一。通过标准化的实施，以获得最佳的社会经济成效。标准层次：标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准。国际标准、国家标准、行业标准、企业标准。推荐性标准（推荐性标准（GB/T）-鼓励企业自愿采用。鼓励企业自愿采用。标准标准性质性质强制标准（强制标准（GB）-必须强制执行；必须强制执行；作为设计人员，要求必须熟悉现行的相关标准，学会查询和使用标准资料。无论设计何种产品，必须遵循相关标准。基本特征：统一、简化。意义：2)设计方面可减少设计工作量；324优先数系数优先数系数 优先数系是国际上统一的数值分级制度，是一种无优先数系是国际上统一的数值分级制度，是一种无量纲的分级系数，适用于各种量值的分级。在确定产品量纲的分级系数，适用于各种量值的分级。在确定产品的参数或参数系列时，应该最大限度采用。的参数或参数系列时，应该最大限度采用。产品的主要参数如：型号、直径、转速、承载量和产品的主要参数如：型号、直径、转速、承载量和功率等按优先数系形成系列，便于组织生产和降低成本，功率等按优先数系形成系列，便于组织生产和降低成本，以实现产品的标准化和系列化。以实现产品的标准化和系列化。优先数系是一个以公比为：优先数系是一个以公比为：qr=10 的十进等比级数，的十进等比级数，rGB321-80规定了四个优先数系的基本系列：规定了四个优先数系的基本系列：R5:q5=10 1.6 5R10:q10=10 1.25 10R20:q20=10 1.12 20R40:q40=10 1.06 40优先数系数 优先数系是国际上统一的数值分级制度25