德州学院机电工程系

德州学院机电工程系,*,*,机械设计基础,9/21/2024,1,两点声明,1.考核方式：,多级测评：平时学习与作业占总成绩的20%；实验占总成绩的10%；期末考试（闭卷）占总成绩的70%,2.指定一名课代表。,9/21/2024,2,使用教材：杨可桢，程光蕴主编。机械设计基础，高等教,育出版社，2005.10,参考教材：1.黄平主编，机械设计基础， 华南理工大学出,版社，2003.4,2.朱家诚主编，机械设计基础， 合肥工业大学,出版社，2003.2,3.吴克坚等主编。机械设计，高等教育出版,社，2003 .3,4.孙桓，陈作模主编。机械原理（第 6 版）。高等,教育出版社， 2001,9/21/2024,3,第九章 机械零件设计概论,（4学时）,本章要求：,掌握机械零件的设计基本要求，机械制造常用材料及其选择，了解表面粗糙度、公差与配合，机械零件的工艺性及标准化。,本章重点：,1.机械零件的设计要求,2.机械制造常用材料及其选择,3.公差与配合、表面粗糙度和优先数系,9/21/2024,4,9-1 机械零件设计概述,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,9/21/2024,5,91 机械零件设计概述,机械设计应满足的要求是：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。,机械零件由于某种原因不能正常工作（,完不成规定的功能或达不到设计要求的性能,）,时，称为,失效,。破坏是失效，但失效并不单纯意味着破坏。,在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度,，,称为,工作能力,。此限度,对载荷而言,时，又称为,承载能力,。,9/21/2024,6,机械零件可能的,失效形式,归纳起来主要有以下几种：,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。,当周期性干扰力的频率与轴的自振频率相等或接近时，就会发生共振，导致振幅急剧增大，这种现象称为,失去振动稳定性,。共振可能在短期内使零件损坏，所以对于重要的、特别是高速运转的轴，还应验算其振动稳定性。,机械零件虽然有多种可能的失效形式，但归纳起来最主要的为,强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度,的影响等几个方面的问题。,9/21/2024,7,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,。,机械零件的设计准则有:,强度准则,强度准则是指零件中的应力不得超过允许的限度,，,即许用应力，用公式表示为,(9-1),9/21/2024,8,刚度准则,指零件在载荷作用下产生的弹性变形量不大于允许值,，,用公式表示为,寿命准则,要求零件在预期工作期限内，能正常工作而不失效,。,影响寿命的主要因素是：,腐蚀、磨损和疲劳,。,9/21/2024,9,振动稳定性准则,在设计时应使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错开,。通常应保证,f,p,0.85,f,或,f,p,1.15,f,可靠性准则,机械零件的可靠性用可靠度表示。,可靠度是指零件在规定的时间内，在规定的使用条件下完成规定功能的概率,。如有,N,T,个零件在规定的工作条件下使用，在,t,时刻后仍有,N,S,个零件能正常工作，则此零件在该工作条件下工作,t,时间的可靠度为,:,9/21/2024,10,机械零件的设计常按下列步骤进行；,拟定零件的计算简图。,确定作用在零件上的载荷。,选择合适的材料。,根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸。,应当注意，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准、规格加以圆整。,绘制工作图并标注必要的技术条件。,9/21/2024,11,92 机械零件的强度,载荷,进行强度计算所依据的、作用于零件上的外力,F,、弯矩,M,、扭矩,T,以及冲击能量等，统称为,载荷,。,在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷,称为,名义载荷,。,考虑机器运转时动力参数的不稳定，工作阻力变化等原因，使零件受到各种附加载荷而引入的影响系数,称为,载荷系数,K,。,载荷系数与名义载荷的乘积,，称为,计算载荷,。,9/21/2024,12,按照名义载荷用力学公式求得的应力,，称为,名义应力,。,按照计算载荷求得的应力,，称为,计算应力,。,利用强度准则判断零件的强度常用的方法有：, 应力法,应力法是判断危险截面处的最大应力(,，,)是否小于或等于许用应力(,，,),。,计算公式为,9/21/2024,13, 安全系数法,安全系数法是判断危险截面处的实际安全系数(,S,，,S,)是否大于或等于许用安全系数,(,S,，,S,),。计算公式可写成,9/21/2024,14,一、应力的种类,静应力,不随时间变化的应力,(,图9-1a,)。,变应力,随时间变化的应力,。,循环变应力,随时间作有周期性变化的应力,。,图9-1b,所示为一般的非对称循环变应力，图中,T,为应力循环周期。,9/21/2024,15,由图可知，变应力的平均应力,m,及应力幅,a,分别为,循环特性,变应力的最小应力与最大应力之比,，用,r,表示，它可用来描述变应力的变化情况。,对称循环变应力,循环特性,r,-1,的循环变应力,，,(,图,9-1c,),，其,a,=,max,=-,min,，,m,=,0,。,9/21/2024,16,脉动循环变应力,循环特性,r,=0,的循环变应力,，,(,图,9-1d,),，其,a,=,m,=,max,/2,，,min,=,0,。,静应力可看作变应力的特例，其,max,=,min,，,循环特性,r,=+1,。,当,-1,r,=轴,3） 过盈配合,孔与轴装配时有过盈（包括最小过盈等于零）的配合。如图c所示，孔的公差带在轴的公差带之下。,孔=轴,2） 过渡配合,孔与轴装配时，可能有间隙或过盈的配合。如图b所示，孔的公差带与轴的公差带互相交叠。,孔=轴,9/21/2024,54,间隙配合,具有间隙(包括最小间隙等于零)的配合,。,孔,轴,孔的公差带在轴的公差带之上,间隙配合示意图,最大极限尺寸,最小极限尺寸,最大间隙,最小间隙,最大极限尺寸,最大间隙,最小间隙,最小间隙是零,最小极限尺寸,9/21/2024,55,配合制, 基孔制配合,基本偏差为一定的孔的公差带，与不同基本偏差的轴的公差带形成各种配合的制度。,基准孔,间隙配合,过渡配合,过盈配合,公差带图：,0,-,0,+,9/21/2024,56, 基轴制配合,基本偏差为一定的轴的公差带与不同基本偏差的孔的公差带形成各种配合的制度。,基准轴,间隙配合,过渡配合,过盈配合,公差带图：,-,+,9/21/2024,57,基轴制：,AH 形成间隙配合,JN 形成过渡配合,PZC 形成过盈配合,基孔制：,ah 形成间隙配合,jn 形成过渡配合,pzc 形成过盈配合,N,K,JS,基准孔公差带,基准轴公差带,r,fg,ef,h,js,j,k,m,n,p,s,t,u,g,f,轴,H,FG,F,J,M,G,R,S,T,P,U,孔,EF,根据基本偏差代号确定配合种类,9/21/2024,58,二、极限与配合在图上的标注, 在装配图中配合的标注,标注形式为：,采用基孔制配合时，分子为基准孔的公差带,代号。,基孔制间隙配合,基孔制过渡配合,轴,轴套,箱体,30,H8,f7,40,H7,n6,基本尺寸,孔的公差带代号,轴的公差带代号,40,H7,n6,30,H8,f7,9/21/2024,59,底座,滑轮,销轴,开口销,采用基轴制配合时，分母为基准轴的公差带代号。,例如：,基轴制间隙配合,基轴制过渡配合,12,F8,h,7,12,F8,h7,12,J8,h7,12,h,7,J8,9/21/2024,60,除前面讲的基本标注形式外，还可采用下面的一些标注形式。,借用尺寸线作为分数线,。,用斜线做分数线。,标注上、下偏差值。,借用尺寸线作为分数线。,30,+0.033,0,-0.020,-0.041,30,+0.033,0,-0.041,30,-0.020,H8,f7,30,H8/f7,30,9/21/2024,61,30f,7, 在零件图中极限的标注, 在基本尺寸后注出公差带代号（基本偏,差代号和标准公差等级数字）。,配合精度明确，标注简单，但数值不直观。适用于量规检测的尺寸。,30H8,9/21/2024,62, 注出基本尺寸及上、下偏差值（常用方法）,数值直观，用万能量具检测方便。试制单件及小批生产用此法较多。,30,+0.033,0,-0.041,30,-0.020,9/21/2024,63, 在基本尺寸后，注出公差带代号及上、下,偏差值，偏差值要加上括号。,既明确配合精度又有公差数值。适用于生产规模不确定的情况。,30H8,( ),30f,7,( ),+0.033,0,-0.020,-0.041,9/21/2024,64,查表练习,9/21/2024,65,9/21/2024,66,9/21/2024,67,9/21/2024,68,9/21/2024,69,9/21/2024,70,9/21/2024,71,9/21/2024,72,一、表面粗糙度的概念,表面粗糙度是指零件的加工表面上具有的较小间距的峰谷所形成的微观几何形状特性。,第9.6.2节 零件的表面粗糙度,9/21/2024,73,二、评定表面粗糙度的参数,轮廓算术平均偏差Ra,轮廓最大高度Ry,优先选用轮廓算术平均偏差Ra,微观不平度十点高度Rz,9/21/2024,74,三、表面粗糙度参数的选用,参照生产中的实例，用类比法确定。,确定表面粗糙度的参数时，应考虑下列原则：, 在满足表面性能要求的前提下，应尽量选用,较大的粗糙度参数值。, 工作表面的粗糙度参数值应小于非工作表面,的粗糙度参数值。, 配合表面的粗糙度参数值应小于非配合表面,的粗糙度参数值。,9/21/2024,75,四、表面粗糙度代号及其注法,一般接触面Ra值取 6.3-3.2,配合面Ra值取 0.8-1.6,钻孔表面Ra值取 12.5,基本符号,:,60,60,H,2,H,1, 表面粗糙度代号,H,1,1.4h,H,2,=,2 H,1,h, 字高,9/21/2024,76,表 面 粗 糙 度 符 号,用任何方法获得的表面,（单独使用无意义）,用去除材料的方法获得的表面,用不去除材料的方法获得的表面,横线上用于标注有关参数和说明,符 号,意 义 及 说 明,表示所有表面具有相同的表面粗糙度要求,9/21/2024,77, 表面粗糙度参数:,表面粗糙度参数的单位是,m。,注写,Ra,时，只写数值; 注写,Rz,时，应同时注出,Rz,和数值。,例如：,3.2,用任何方法获得的表面粗糙度, 的上限值为3.2,m。,只注一个值时，表示为上限值；注两个值时，表示为上限值和下限值。,3.2,1.6,用去除材料方法获得的表面粗糙度,Ra,的上限值为3.2,m，下限值为1.6,m。,Rz3.2,用任何方法获得的表面粗糙度,Rz,的上限值为3.2,m。,9/21/2024,78,用去除材料方法获得的表面,Ra,的,上限,值为3.2,m，加工方法为铣制。,铣,3.2,3.2max,1.6min,用去除材料方法获得的表面粗糙度,Ra,的最大值为3.2,m，最小值为1.6,m。,说明：, 当标注上限值或上限值与下限值时，允,许实测值中有16%的测值超差。, 当不允许任何实测值超差时，应在参数,值的右侧加注max或同时标注max和min。,例如：,9/21/2024,79,9/21/2024,80,(3) 表面粗糙度的标注,标注原则,1 在同一图样上每一表面只注一次粗糙度代 号，且应注在可见轮廓线、尺寸界线、引出线或它们的延长线上，并尽可能靠近有关尺寸线。,2 代号的尖端必须从材料外部指向零件表面。,3 在不同方向的表面上标注时，,代号中的数字方向应与尺寸数字的方向一致。,9/21/2024,81,在同一图样上每一表面只注一次粗糙度代号，且应注在可见轮廓线、尺寸界线、引出线或它们的延长线上，并尽可能靠近有关尺寸线。,当零件大部分表面具有相同的粗糙度要求时，对其中使用最多的一种代（符）号，可统一标注在图样的右上角，并加注 “其余”两字。所注代号和文字大小是图样上其它表面所注代号和文字的1.4倍。,其余,例如：,3.2,C2,C1,0.4,3.2,12.5,1.6,1.6,其余,25,3.2,9/21/2024,82,3.2,3.2,3.2,3.2,3.2,3.2,30,3.2,3.2,30,在不同方向的表面上标注时，代号中的数,字及符号的方向必须按下图规定标注。,代号中的数字方向应与尺寸数字的方向一致。,3.2,3.2,3.2,3.2,9/21/2024,83,3.2,3.2,6.3,1.6,3.2,3.2,标注示例,2,45,符号的尖端必须,从材料外指向被,标注的表面。,6.3,6.3,6.3,6.3,9/21/2024,84,零件大部分表面具有相同表面粗糙度时，可统一标注在图样的右上角，并加注“其余”两字，符号、文字高度应是图形中所注符号文字的14倍,。,9/21/2024,85,当零件所有表面都有相同表面粗糙度要求时，可在图样右上角统一标注代号，符号、文字高度应是图形中所注数字的14倍。,9/21/2024,86,对不连续的同一表面，可用细实线相连，其表面粗糙度代(符)号可注一次。,9/21/2024,87,零件上连续表面及重复要素(孔、槽、齿等)的表面，其表面粗糙度代(符)号只标注一次,。,9/21/2024,88,同一表面粗糙度要求不一致时，应该用细实线分界，并注出尺寸与表面粗糙度代(符)号。,9/21/2024,89,齿轮、渐开线花键的工作表面，在图中没有表示出齿形时，其粗糙度代号可注在分度线上。,9/21/2024,90,螺纹工作表面需要注出粗糙度代号而图形中又未画出螺纹牙形时，其粗糙度代号必须与螺纹代号一起引出标注。,9/21/2024,91,可以标注简化代号，但必须在标题栏附近说明简化代号的意义。,9/21/2024,92,需要将零件局部热处理或局部镀(涂)时，应用粗点画线画出其范围并标注相应尺寸，也可将其要求注写在表面粗糙度符号内。,9/21/2024,93,9/21/2024,94,第9.6.3节 机械零件的工艺性及标准化,一、工艺性,在具体生产条件下，如所设计的机械零件便于加工而加工费用又很低,，,则这样的零件,就称为,具有良好的工艺性,。,有关工艺性的基本要求是；,毛坯选择合理,机械制造中毛坯制备的方法有：直接利用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。毛坯的选择与具体的生产技求条件有关，一般取决于生产批量、材料性能和加工可能性等。,9/21/2024,95,结构简单合理,设计零件的结构形状时，最好采用最简单的表面及其组合，同时还应当尽量使加工表面数目最少和加工面积最小。,规定适当的制造精度及表面粗糙度,零件的加工费用随着精度的提高而增加，尤其在精度较高的情况下，这种增加极为显著。因此，在没有充分根据时，不应当追求高的精度。同理，零件的表面粗糙度也应当根据配合表面的实际需要，作出适当的规定。,9/21/2024,96,欲设计出工艺性良好的零件，设计者就必须与工艺技术员工相结合并善于向他们学习。此外，在金属工艺学课程和手册中也都提供了一些有关工艺性的基本知识，可供参考。,二、标准化,标准化,是,指以制订标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过程,。就工业产品标准化而言，它是指对产品的品种、规格，质量、检验或安全、卫生要求等制订标准并加以实施。,产品标准化本身包括,系列化,、,通用化,、,标准化,三个方面的含义。,9/21/2024,97,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、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的品种规格满足用户的广泛需要；,零部件的通用化,将同一类型或不同类型产品中用途结构相近似的零部件，经过统一后实现通用互换；,产品质量标准化,产品质量是一切企业的“命根子”，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。甚至包装储运等环节的标准化。这样，才能在澈烈的市场竟争中立于不败之地。,对产品实行标准化具有重大的意义；在制造上可以实行专业化大量生产，既可提高产品质量又能降低成本；,9/21/2024,98,在设计方面可减少设计工作量；在管理维修方面，可减少库存量和便于更换损坏的零件。,按照标准的层次，我国的标准分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准四级。,按照标准实施的强制程度，标准又分为强制性（GB)和推荐性（GB/T)两种。,为了增强在国际市场的竞争能力，我国鼓励积极采用国际标准和国外先进标准。,本 章 结 束,9/21/2024,99,