09机械设计基础第九章 机械零件设计概论

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
材料
热轧圆钢
铸件
表9-2 常用材料的相对价格
种类规格
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
2 2
ρ1
E1
E2
σHBiblioteka 令 : 12 E 2E1E2
σH 代入化简得 :
1 2
E1 E2
对于钢或铸铁取泊松比：
ρ2
μ1=μ2=μ=0.3 , 则有简化公式。
H
2
1 (1
2)
•
Fn E
b
0.418
Fn E
b
上述公式称为赫兹(H·Hertz)公式 “+”用于外接触，“-”用于内接触。
ρ1
σ-1N
N
σ-1
N N0
用σ-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。
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
第二节 机械零件的强度
二、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。
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。
第二节 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。
名义应力-----按名义载荷计算所得之应力。
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
第九章 机械零件设计概论
本章主要内容
第一节 机械零件设计概述 第二节 机械零件的强度
第三节 机械零件的接触强度 第四节 机械零件的耐磨性 第五节 机械制造常用材料及选择 第六节 极限与配合、表面粗糙度 第七节 机械零件的工艺性及标准化
本章重点
1、机械零件的主要失效形式、设计准则； 2、机械零件的强度分析及计算； 3、公差与配合、表面粗糙度
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：
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
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。
3、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; 4) 根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定
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
第二节 机械零件的强度
例9-3 一对齿轮做单向传动，轮齿的弯曲应力可看成那类循 环变应力？若主动齿轮的转速n=200 r/min，每天工作8 h， 问一年内（以250天计），该齿轮应力循环总数是多少？
第三节 机械零件的接触强度
ρ2 σH σH
b
Fn
b
第三节 机械零件的接触强度
H 0.418
Fn E
b
Fn
σH -------最大接触应力或赫兹应力;
b -------接触长度;
Fn -------作用在圆柱体上的载荷;
b
12 -----综合曲率半径; 1 2
E 2E1E2 -----综合弹性模量; E1、 E2 分别为两
E1 E2
圆柱体的弹性模量。
接触疲劳强度的判定条件为： H [ H ],
而[
H
]
H lim
SH
第三节 机械零件的接触强度
σH由实验测得的材料的接触疲劳极限，对于钢有经验公式
H lim 2.76HBS 70Mpa
Fn
如果两个零件的硬度不同，常以较软零件的
ρ1
接触疲劳极限为准
σH
σH
b
SH可取等于或稍大于1
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。
第五节 机械制造常用材料及其选择
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。
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 ，这种现象称为渡劳点
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。
3）疲劳磨损(疲劳点蚀)
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。
4） 腐蚀磨损
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
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
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
1）磨粒磨损
土杂质等。摩擦面间的硬粒，能使表面材料脱落而留下沟纹。
加工后的零件表面总有一定的粗糙度。摩擦表面受载时，实
2）粘着磨损(胶合磨损)
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
p v ≤ [p v ]
第五节 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 ----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。
当应力是对称循环变化时，许用应力为：
[
1 ]
1
k S
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：
[ 1N ]
1
k S
m
N0 N
第二节 机械零件的强度
相对价格
1 1.5~1.8 1.7~2.5
3 3~20
5
0.85 1.7 8~10
第五节 机械制造常用材料及其选择
3.铜合金
种类
青铜 -含锡青铜、不含锡青铜 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。
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
第四节 机械零件的耐磨性
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
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:
ρ2
第四节 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。
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
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。
第一节 机械零件设计概论
失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因。
T