机械零件设计概论.docx
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机械零件设计概论
第9章机械零件设计概论
9.1机械零件设计概述
机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。
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。
通常此限度对载荷而言，所以习惯上又称为承载能力。
零件的失效可能由于：
断裂或塑性变形；过大的弹性变形；工作外表的过度磨损或损伤；发生强烈的振动；联接的松弛；摩擦传动的打滑等。
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。
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。
设计机械零件时，常根据一个或几个可能发生的主要失效形式，运用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸。
机械零件的设计常按以下步骤进展：
1）拟定零件的计算简图。
2）确定作用在零件上的载荷。
3）选择适宜的材料。
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。
5）绘制工作图并标注必要的技术条件。
以上所述为设计计算。
在实际工作中，也常采用相反的方式─—校核计算，这时先参照实物〔或图纸〕和经验数据，初步拟定零件的结构和尺寸，然后再用有关的判定条件进展验算。
还应注意，在一般机器中，只有一局部零件是通过计算确定其形状和尺寸的，而其余的零件那么仅根据工艺要求和结构要求进展设计。
9.2机械零件的强度
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。
然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入载荷系数K〔有时只考虑工作情况的影响，那么用工作情况系数KA〕的方法来估计这些因素的影响。
载荷系数与名义载荷的的乘积，称为计算载荷。
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。
当机械零件按强度条件判定时，比拟危险截面处的计算应力〔σ、τ〕是否小于零件材料的许用应力（[σ]、[τ]）。
即
（9-1）
材料的极限应力一般都是在简单应力状态下用实验方法测出的。
对于在简单应力状态下工作的零件，可直接按式（9—1）进展计算；对于在复杂应力状态下的零件，那么应根据材料力学中所述的强度理论确定其强度条件。
许用应力取决于应力的种类、零件材料的极限应力和安全系数等。
9.2.1应力的种类
按照随时间变化的情况，应力可分为静应力和变应力。
不随时间变化的应力，称为静应力图〔9-1a〕，纯粹的静应力是没有的，但如变化缓慢，就可看作是静应力。
例如，锅炉的内压力所引起的应力，拧紧螺母所引起的应力等。
随时间变化的应力，称为变应力。
具有周期性的变应力称为循环变应力，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。
从图b可知
平均应力
（9-2）
应力幅
应力循环中的最小应力与最大应力之比，可用来表示变应力中的应力变化的情况，通常称为变应力的循环特性，用r表示，即
。
当σmax＝—σmin时，循环特性r＝-l，称为对称循环变应力〔图c〕，其σa=σmax＝-σmin，σm=0。
当σmax≠0、σmin=0时，循环特性r＝0，称为脉动循环变应力〔图d〕，其σa=σmax＝1/2σmax。
静应力可看作变应力的特例，其σmax=σmin，循环特性r=+1。
9.2.2静应力下的许用应力
静应力下，零件材料有两种损坏形式：
断裂或塑性变形。
对于塑性材料，可按不发生塑性变形的条件进展计算。
这时应取材料的屈服极限σs作为极限应力，故许用应力为
（9-3）
对于用脆性材料制成的零件，应取强度极限σB作为极限应力，其许用应力为
〔9-4〕
对于组织均匀的脆性材料，如淬火后低温回火的高强度钢．还应考虑应力集中的影响．灰铸铁虽属脆性材料，但由于本身有夹渣、气孔与石墨存在，其内部组织的不均匀性已远大于外部应力集中的影响，故计算时不考虑应力集中。
表9-1列举了一些常用钢铁材料的极限应力。
9.2.3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；2〕不管脆性材料或塑性材料，其疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；3〕疲劳断裂是损伤的积累，它的初期现象是在零开的截面积不足以承受外载荷时，零件就突然断裂。
在零件的断口上可以清晰地看到这种情况。
1．疲劳曲线
由材料力学可知，表示应力σ与应力循环次数N之间的关系曲线称为疲劳曲线。
从大多数黑色金属材料的疲劳试验可知，当循环次数N超过某—数值N0以后，曲线趋向水平，即可以认为在“无限次〞循环时试件将不会断裂〔图9-3〕。
N0称为循环基数，对应于N0的应力称为材料的疲劳极限。
通常用
表示材料在对称循环变应力下的弯曲疲劳极限。
疲劳曲线的左半部N〈N0〕，可近似地用以下方程式表示：
〔9-5〕
式中：
为对应于循环次数N的疲劳极限；C为常数；m为随应力状态而不同的幂指数，例如弯曲时m=9。
从式〔9-5〕可求得对应于循环次数N的弯曲疲劳极限
〔9-6〕
２．许用应力
变应力下，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、绝对尺寸和外表状态等影响，为此引入有效应力集中系数
、尺寸系数
和外表状态系数β等。
当应力是对称变化时，许用应力为
〔9-7〕
当应力是脉动循环变化时，许用应力为
〔9-8〕
式中：
S为安全系数；σ0为材料的脉动循环疲劳极限；
、
与β的数值可在材料力学或有关设计手册中查得。
以上所述为“无限寿命〞下零件的许用应力。
假设零件在整个使用期限内，其循环总次数N小于循环基数N0时，可根据式〔9-6〕求得对应于N的疲劳极限
。
代入式〔9-7〕后，可得“有限寿命〞下零件的许用应力。
由于
大于
，故采用
可得到较大的许用应力，从而减小零件的体积和重量。
9.2.4安全系数
当没有专门的表格时，可参考下述原那么选择安全系数：
（1）静应力下，塑性材料以屈服极限为极限应力。
由于塑性材料可以缓和过大的局部应力，故可取安全系数S=1.2～1.5；对于塑性较差的材料（如
＞0.6）或铸钢件可取S=1.5～2.5。
（2）静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，这时应取较大的安全系数。
例如，对于高强度钢或铸铁件可取S=3～4。
（3）变应力下，以疲劳极限作为极限应力，可取S＝1.3～1.7；假设材料不够均匀、计算不够准确时可取S=1.7～2.5
9.3机械零件的接触强度
通常，零件受载时是在较大的体积内产生应力，这种应力状态下的零件强度称整体强度（如§9-2所述）。
假设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，通常此面积甚小而外表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，滚动轴承等机械零件，都是通过很小的接触面积传递载荷的，因此它们的承载能力不仅取决于整体强度，还取决于外表的接触强度。
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（如有润滑油，那么被挤进裂纹中产生高压，使裂纹加快扩展），终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件外表形成一些小坑〔图9-7〕。
这种现象称为疲劳电蚀。
发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑外表，因而也降低了承载能力，并引起振动和噪声。
疲劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效2形式。
由弹性力学的分析可知，当两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时〔图9-8〕，其接触面积为一狭长矩形，最大接触应力发生在接触区中线上，其值为
〔9-9〕
令
与
，
对于钢或铸铁取泊松比μ1=μ2=μ=0.3，那么上式可化简为
〔9-10〕
接触疲劳强度的判定条件为
，而
〔9-11〕
式中
为实验测得的材料的接触疲劳极限，对于钢，其经验公式为
假设两零件的硬度不同时，常以较软零件的接触疲劳极限为准。
9.4机械零件的耐磨性
运动副中，摩擦外表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外表状态。
零件抗磨损的能力称为耐磨性。
除非运动副摩擦外表为一层润滑剂所隔开而不直接接触，否那么磨损总是难以防止的。
但是只要磨损速度稳定缓慢，零件就能保持一定寿命。
所以，在预定使用期限内，零件的磨损量不超过允许值时，就认为是正常磨损。
出现剧烈磨损时，运动副的间隙增大，能使机械的精度丧失，效率下降，振动、冲击和噪声增大。
这时应立即停车检修、更换零件。
据统计，约有80％的损坏零件是因磨损而报废的。
可见研究零件耐磨性具有重要意义。
磨损现象是相当复杂的，有物理、化学和机械等方面原因。
下面对机械中磨损的主要类型作一简略介绍。
1．磨粒磨损硬质颗粒或磨檫外表上硬的凸峰，在磨檫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，能使外表材料脱落而留下沟纹。
2．粘着磨损（胶合）加工后的零件外表总有一定的粗糙度。
摩擦外表受载时，实际上只有局部峰顶接触，接触处压强很高，能使材料产生塑性流动这种现象称为粘着磨损〔胶合〕。
所谓材料转移是指接触外表擦伤和撕脱，严重。
假设接触处发生粘着，滑动时会使接触外表材料由一个外表转移到另一个外表，时摩擦外表能相互咬死。
3.疲劳磨损〔点蚀〕在滚动或兼有滑动和滚动的高副中，如凸轮，齿轮等，受载时材料表层有很大的接触应力，当载荷重复作用时，常会出现表层金属呈小片状剥落，而在零件外表形成小坑，这种现象称为疲劳磨损或点蚀。
4.腐蚀磨损在摩擦过程中，与周围介质发生化学反响或电化学反响的磨损，称为腐蚀磨损。
实用耐磨计算是限制运动副的压强P，即：
〔9-12〕
式中[P]是由实验或同类机器使用经验确定的许用压强。
相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间接触面积的发热量fpv。
在摩檫系数一定的情况下，可将pv值与许用pv值进展比拟，即
〔9-13〕
9.5机械制造常用材料与其选择
9.5.1金属材料
1．铸铁
铸铁和钢都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。
含碳量小于2％的铁碳合金称为钢，含碳量大于2%的称为铸铁。
铸铁具有适当的易熔性，良好的液态流动性，因而可铸成形状复杂的零件。
2．钢
与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。
钢制零件的毛坯可用锻造、冲压、焊接或铸造等方法取得，因此其应用极为广泛。
按照用途，钢可分为结构钢，工具钢和特殊钢。
结构钢用于制造各种机械零件和工程结构的构件；工具钢主要用于制造各种刃具、模具和量具；特殊钢（如不锈钢、耐热钢、耐酸钢等）用于制造在特殊环境下工作的零件。
按照化学成分，钢又可分为碳素钢和合金钢。
碳素钢的性质主要取决于含碳量，含碳量越高那么钢的强度越高，但塑性越低．为了改善钢的性能，特意参加了一些合金元素的钢称为合金钢。
〔1〕碳素结构钢
这类钢的含碳量一般不超过0.7%。
含碳量低于0.25%的低碳钢，它的强度极限和屈服极限较低，塑性很高，且具有良好的焊接性，适于冲压、焊接，常用来制作螺钉、螺母、垫圈、轴、气门导杆和焊接构件等。
含碳量在0．1％～0．2%的低碳钢还用以制作渗碳的零件，如齿轮、活塞销、链轮等。
通过渗碳淬火可使零件外表硬而耐磨，心部韧而耐冲击。
如果要求有更高强度和耐冲击性能时，可采用低碳合金钢。
含碳量在0．3％～0．5%的中碳钢，它的综合力学性能较好，既有较高的强度，又有一定的塑性和韧性，常用作受力较大的螺栓，螺母、键，齿轮和轴等零件。
含碳量在0.55%～0.7%的高碳钢，具有高的强度和弹性，多用来制作普通的板弹簧，螺旋弹簧或钢丝绳等。
〔2〕合金结构钢
钢中添加合金元素的作用在于改善钢的性能。
例如：
镍能提高强度而不降低钢的韧性；钼的作用类似于锰，其影响更大些；钒能提高韧性与强度；硅可提高弹性极限和耐磨性，但会降低韧性。
合金元素对钢的影响是很复杂的，特别是当为了改善钢的性能需要同时参加几种合金元素时。
应当注意，合金钢的优良性能不仅取决于化学成分，而且在更大程度上取决于适当的热处理。
〔3〕铸钢
铸钢的液态流动性比铸铁差，所以用普通砂型铸造时，壁厚常不小于10mm。
铸钢件的收缩率比铸铁件大，故铸钢件的圆角和不同壁厚的过渡局部均应比铸铁件大些。
选择钢材时，应在满足使用要求的条件下，尽量采用价格廉价供给充分的碳素钢，必须采用合金钢时也应优先选用我国资源丰富的硅、锰，硼、钒类合金钢。
例如，我国新颁布的齿轮减速器规X中，已采用35SiMn和ZG35SiMn等代替原用的35Cr、40CrNi等材料。
3．铜合金
铜合金有青铜和黄铜之分，黄铜是铜和锌的合金，并含有少量的锰、铝、镍等，它具有很好的塑性与流动性，故可进展锻压和铸造，青铜可分为含锡青铜和不含锡青铜类，它们的减摩擦性和抗腐蚀性均较好，也可碾压和铸造。
此外，还有轴承合金〔或称巴氏合金〕，主要用于制作滑动轴承的轴承衬。
9.5.2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。
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。
以木屑、石棉纤维等作填充物，用热固性树脂压结而成的塑称为结合塑料，可用来制作仪表支架、手柄等受力不大的零件。
以布、石棉、薄木板等层状填充物为基体，用热固性树脂压结而成的塑料称为层压塑料，可用来制作无声齿轮、轴承衬和摩擦片等。
此外，在机械制造中也常用到其他非金属材料，如皮革、木材、纸扳、棉、丝等。
设计机械零件时，选择适宜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、机械和工艺性能以与经济因素等进展全面考虑。
这就要求设计者在材料和工艺等方面具有广泛的知识和实践经验。
前面所述，仅是一些概略的说明。
9.6公差与配合、外表粗糙度和优先数系
9.6.1公差与配合
机器是由零件装配而成的。
大规模生产要求零件具有互换性，以便在装配时不需要选择和附加加工，就能达到预期的技术要求。
为了实现零件的互换性，必须保证零件的尺寸、几何形状和相对位置以与外表粗糙度的一致性。
就零件尺寸而言，它不可能做得绝对准确，但必须使尺寸介于两个允许的极限尺寸之间，这两个极限尺寸之差称为公差。
因此互换性要求建立标准化的公差与配合制度。
我国的公差与配合（GBl800～1803—79、GB／T1804—92）采用国际公差制，它既能适应于我国生产开展的需要，也有利于国际间的技术交流和经济协作。
孔，主要指圆柱形的内外表，也包括其他内外表，如键槽宽度。
轴，主要指圆柱形的外外表，也包括其他外外表，如与键槽相配合的键宽。
前者统称为包容面，后者统称为被包容面。
机械制造中最常用的公差等级是4～11级。
4级、5级用于特别精细的零件。
6级、7级、8级用于重要的零件，它们是现代生产中采用的主要精度等级。
8级、9级用于工作速度中等与具有中等精度要求的零件。
10～11级用于低精度零件，主要用于低速机器中；这些精度等级允许直接采用棒材、管材或精细锻件而不需要再作切削加工。
配合制度有基孔制和基轴制两种。
基孔制的孔是基准孔，其下偏差为零，代号为H，而各种配合特性是靠改变轴的公差带来实现的（图9-11）。
基轴制的轴是基准轴，其上偏差为零，代号为h，而各种配合特性是靠改变孔的公差带来实现的。
为了减少加工孔用的刀具（如铰刀、拉刀）品种，工程中广泛采用基孔制。
但有时仍须采用基轴制，例如，光轴与具有不同配合特性的零件相配合时；滚动轴承外径与轴承孔配合时等。
9.6.2外表粗糙度
外表粗糙度是指零件外表的微观几何形状误差。
它主要是加工后在零件外表留下的微细而凸凹不平的刀痕。
外表粗糙度的评定参数之—是轮廓算术平均偏差Ra，它是指在取样长度l内，被测轮廓上各点至轮廓中线偏距绝对值的算术平均值（图9-12），即
近似为
9.7机械零件的工艺与标准化
9.7.1工艺性
设计机械零件时，不仅应使其满足使用要求，即具备所要求的工作能力，同时还应当满足生产要求，否那么就可能制造不出来，或虽能制造但费工费料很不经济。
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，那么这样的零件就称为具有良好的工艺性。
有关工艺性的根本要求是：
（1）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术条件有关.一般取决于生产批量、材料性能和加工可能性等。
（2）结构简单合理设计零件的结构形状时，最好采用最简单的外表（如平面、圆柱面、螺旋面）与其组合，同时还应当尽量使加工外表数目最少和加工面积最小。
（3）规定适当的制造精度与外表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，零件的外表粗糙度也应当根据配合外表的实际需要，作出适当的规定。
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根本知识，可供参考。
9.7.2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。
标准化的研究领域十分宽广，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三个方面的含义：
（1）产品品种规格的系列化—一将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、根本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的品种规格满足用户的广泛需要；
（2）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（如螺栓，轴承座、联轴器和减速器等），经过统一后实现通用互换；〔3〕产品质量标准化——产品质量是一切企业的“生命线〞，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，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。
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本钱；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。
例如《公差与配合》（GBl800-79～GBl804-79）、《普通螺纹根本尺寸》（GBl96-81）、《渐开线圆柱齿轮模数》（GBl357-87）都是强制性标准，必须执行。
而《带传动——普通V带传动》（GB／T13575.1-92），即为推荐性标准，鼓励企业自愿采用。
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。
近年发布的我国国家标准，许多都采用了相应的国际标准。
设计人员必须熟悉现行的有关标准。
一般机械设计手册与机械工程手册（以后简称手册）中都收录摘编了常用的标准和资料，以供查阅。
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