机械零件设计概述

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1、第 十 章 机 械 零 件 设 计 概 论第 一 节 机 械 零 件 的 工 作 能 力 和 设 计 准 则第 二 节 机 械 零 件 常 用 材 料 及 其 选 择 原 则第 三 节 机 械 的 润 滑第 四 节 机 械 零 件 的 工 艺 性 及 标 准 化 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 。 对 载 荷 而 言 ， 即 为 承 载 能 力 。 失 效 ： 机 械 零 件 由 于 某 种 原 因 不 能 正 常 工 作 称 为 失 效 。第 一 节 机 械 零 件 的 工 作 能 力 及 计 算 准 则 计 算 准

2、则 ： 针 对 零 件 的 不 同 失 效 形 式 建 立 的 判 定 零 件 工 作能 力 的 条 件 ， 称 为 设 计 准 则 。 常 用 设 计 准 则 有 强 度 准 则 、 刚 度准 则 、 耐 磨 性 准 则 和 振 动 稳 定 性 准 则 等 。 设 计 应 满 足 的 要 求 ： 既 要 可 靠 ， 又 要 成 本 低 ， 避 免 在 预 定寿 命 期 内 失 效 。 零 件 常 见 失 效 形 式 有 断 裂 ， 表 面 失 效 （ 接 触 疲 劳 、 表 面 压溃 、 磨 损 、 胶 合 ） ， 过 大 的 塑 性 变 形 ， 过 大 的 弹 性 变 形 ， 振 动失 稳

3、 ， 打 滑 和 滑 移 等 。 一 、 强 度 (一 )载 荷 名 义 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 。 计 算 载 荷 ： 机 器 运 转 时 ， 除 名 义 载 荷 外 ， 还 会 受 到 有 各 种附 加 载 荷 的 作 用 ， 其 影 响 用 载 荷 系 数 k（ 工 况 系 数 ） 来 估 计 。 载荷 系 数 （ k 1） 与 名 义 载 荷 的 乘 积 ， 称 为 计 算 载 荷 。 机 械 零 件的 设 计 计 算 是 根 据 计 算 载 荷 进 行 的 。 强 度 ： 零 件 承 受 载

4、 荷 后 ， 抵 抗 破 坏 的 能 力 。 变 载 荷 ： 大 小 和 方 向 随 时 间 变 化 的 载 荷 。机 械 零 件 的 工 作 能 力 及 计 算 准 则 静 载 荷 ： 大 小 和 方 向 不 随 时 间 变 化 的 载 荷 。 零 件 受 载 时 ， 在 本 体 内 产 生 应 力 为 整 体 强 度 问 题 。 整 体 强 度包 括 拉 压 、 弯 曲 、 扭 转 、 剪 切 等 几 种 类 型 。 若 零 件 整 体 强 度 不 足 ，就 会 产 生 断 裂 或 过 大 的 塑 性 变 形 ， 造 成 零 件 失 效 。设 计 时 必 须 满 足 的 强 度 条 件 为

5、 ： 、 （ 二 ） 整 体 强 度（ 三 ） 表 面 强 度 零 件 受 载 时 ， 在 传 力 接 触 表 面 上 产 生 应 力 为 表 面 强 度 问 题 。零 件 的 表 面 强 度 包 括 挤 压 强 度 和 接 触 强 度 两 种 类 型 。 挤 压 强 度 ： 通 过 面 接 触 传 力 时 会 产 生 挤 压 应 力 p， 它 可 能 使零 件 表 面 压 溃 破 坏 ， 造 成 失 效 。 设 计 时 应 满 足 的 强 度 条 件 为 ： pp AF 机 械 零 件 的 工 作 能 力 及 计 算 准 则 挤 压 破 坏 首 先 在 强 度 较 弱 的 材 料 表 面 产

6、 生 ， 所 以 式 中 p值应 取 两 零 件 中 许 用 挤 压 应 力 较 小 者 。 接 触 强 度 ： 两 零 件 通 过 点 、 线 接 触 （ 高 副 ） 传 递 载 荷 时 ， 受载 后 由 于 弹 性 变 形 其 接 触 区 为 一 很 小 面 积 ， 表 层 产 生 的 局 部 应力 很 大 ， 称 为 接 触 应 力 ， 其 最 大 值 用 H表 示 。 这 时 零 件 的 强 度称 为 接 触 强 度 。 设 计 时 应 满 足 的 强 度 条 件 为 ： H H机 械 零 件 的 工 作 能 力 及 计 算 准 则 21 211 11 11 EEFnH 222 b (

7、1 b EFb EF nnH 418.0)2 1 2 21 21 式 中 ， 为 综 合 曲 率 半 径 ， 21 212 EE EEE E为 综 合 弹 性 模 量 ，对 于 钢 或 铸 铁 ， 可 取 泊 松 比 1=2=0.3 ， 其 值 为 ： 机 械 零 件 的 工 作 能 力 及 计 算 准 则 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 ， 其 最 大 接 触 应 力 H发 生 在 接 触 区 的 中 线 上 ， 其 值1 、 2为 材 料 的 泊 松 比 ；E1、 E2为 材 料 的 弹 性 模 量 ；

8、S lim Slim HHlimS H 许 用 应 力 是 设 计 零 件 时 所 依 据 的 条 件 应 力 ， 是 强 度 条 件 的判 据 。 它 取 决 于 应 力 的 种 类 、 零 件 材 料 的 极 限 应 力 和 安 全 系 数等 。 合 理 的 许 用 应 力 可 使 零 件 在 具 有 足 够 强 度 的 同 时 轻 巧 、 紧凑 和 经 济 。 计 算 法 是 确 定 许 用 应 力 的 主 要 方 法 。 其 公 式 为 ：lim为 极 限 正 应 力 ；机 械 零 件 的 工 作 能 力 及 计 算 准 则（ 四 ） 许 用 应 力lim为 极 限 剪 应 力 ；Hl

9、im为 接 触 疲 劳 极 限 应 力 ；S为 安 全 系 数 ；SH为 材 料 的 接 触 疲 劳 安 全 系 数 。 安 全 系 数 ： 极 限 应 力 与 许 用 应 力 的 比 值 称 为 安 全 系 数 。机 械 零 件 的 工 作 能 力 及 计 算 准 则S 3为 考 虑 零 件 的 重 要 性 系 数 ， 一 般 取 S3=11.5。S2为 考 虑 材 料 机 械 性 能 均 匀 性 系 数 ，对 锻 钢 或 轧 钢 件 S2=1.21.5；对 铸 铁 件 取 S2=1.52.5；S1为 考 虑 载 荷 及 计 算 应 力 的 准 确 性 系 数 ，一 般 取 S1=11.5；

10、 安 全 系 数 可 用 查 表 法 和 部 分 系 数 法 确 定 。 部 分 系 数 法 也 是 一种 比 较 常 用 的 方 法 ， 一 般 用 于 无 可 靠 资 料 直 接 确 定 安 全 系 数 的 情况 下 。 总 安 全 系 数 是 以 几 个 影 响 因 素 系 数 的 连 乘 积 来 确 定 的 。 即 ： S=S1 S2 S3 刚 度 是 指 零 件 在 载 荷 作 用 下 抵 抗 弹 性 变 形 的 能 力 。 刚 度 对 于 某 些 弹 性 变 形 超 过 一 定 数 值 后 ， 会 影 响 机 器 工 作 质量 的 零 件 尤 为 重 要 。二 、 刚 度机 械 零

11、 件 的 工 作 能 力 及 计 算 准 则式 中 y、 、 分 别 为 零 件 的 挠 度 、 扭 转 角 和 偏 转 角 ； y、 、 分 别 为 其 对 应 的 许 用 值 ， 其 按 零 件 的 使 用 要求 来 确 定 。刚 度 条 件 ： yy； ； ； 三 、 耐 磨 性 实 际 应 用 中 ， 常 用 限 制 压 强 p来 控 制 磨 损 和 限 制 pv值 （ v为磨 擦 副 相 对 运 动 速 度 ） 来 控 制 发 热 量 ， 即机 械 零 件 的 工 作 能 力 及 计 算 准 则 耐 磨 性 是 指 作 相 对 运 动 的 零 件 表 面 在 载 荷 作 用 下 抵

12、抗 磨 损 的能 力 。p为 许 用 压 强 ；pv为 pv的 许 用 值 ， 其 值 由 摩 擦 副 材 料 确 定 。 耐 磨 性 条 件 为 ： pp， pvpv 四 、 振 动 稳 定 性 在 高 速 机 械 中 ， 当 机 械 零 件 的 固 有 频 率 与 周 期 性 载 荷 的 频 率（ 机 器 内 的 激 振 源 频 率 ） 的 整 数 倍 相 同 或 接 近 时 ， 就 会 产 生 共 振 。共 振 时 振 幅 急 剧 增 大 ， 这 种 现 象 称 为 失 去 振 动 稳 定 性 。 零 件 一 但失 去 振 动 稳 定 性 ， 将 丧 失 工 作 能 力 ， 甚 至 断

13、裂 而 酿 成 重 大 事 故 。机 械 零 件 的 工 作 能 力 及 计 算 准 则 避 免 共 振 的 措 施 ： 消 除 引 起 振 动 的 根 源 ， 如 改 变 机 械 零 件自 身 的 固 有 频 率 ， 装 设 消 振 器 ， 改 变 外 界 周 期 性 载 荷 的 频 率 或 消除 外 界 周 期 性 载 荷 等 。 第 二 节 机 械 零 件 常 用 材 料 及 其 选 用 原 则钢 （ 含 量 1.4 ） 碳 素 钢 (普 通 、 优 质 碳 素 钢 )、 合 金 钢 、 铸钢 。铸 铁 :（ 含 2.06 ） 易 成 型 、 价 廉 、 吸 振 、 可 靠 性 差 。有

14、 色 金 属 ： 有 特 殊 性 能 (减 摩 、 抗 腐 、 电 ） 。非 金 属 ： 塑 料 、 橡 胶 。一 、 常 用 材 料 常 用 材 料 的 分 类 和 应 用 表 二 、 选 用 原 则 1、 使 用 要 求机 械 零 件 常 用 材 料 及 其 选 用 原 则 5)当 零 件 要 求 重 量 轻 时 ， 应 选 用 轻 合 金 、 塑 料 或 高 强 度 材 料 4)当 零 件 以 耐 磨 性 为 主 要 要 求 时 ， 可 选 用 减 摩 、 耐 磨 材 料 ； 3)当 零 件 以 刚 度 为 主 要 要 求 时 ， 可 选 用 一 般 强 度 的 材 料 ； 2)当 零

15、件 受 拉 伸 载 荷 、 剪 切 载 荷 、 冲 击 载 荷 、 变 载 荷 或 受 力后 产 生 交 变 应 力 时 ， 应 选 用 钢 材 ； 受 压 零 件 可 选 用 铸 铁 ； 1)当 零 件 所 受 的 载 荷 大 或 要 求 尺 寸 小 时 ， 可 选 择 强 度 较 高 的材 料 ；零 件 所 选 用 的 材 料 应 与 所 受 载 荷 相 适 应 。 2、 工 艺 要 求 零 件 所 选 用 的 材 料 应 与 制 造 工 艺 相 适 应 。机 械 零 件 常 用 材 料 及 其 选 用 原 则 3、 经 济 性 要 求 在 机 械 产 品 成 本 中 ， 材 料 成 本

16、一 般 占 1/3以 上 。 因 而 ， 在 满 足使 用 要 求 的 前 提 下 ， 应 尽 量 选 用 价 格 低 廉 的 材 料 ， 这 是 零 件 材 料选 用 时 应 遵 循 的 普 遍 原 则 。 除 此 而 外 还 有 ： 2） 对 精 度 高 、 需 要 切 削 加 工 的 零 件 ， 宜 选 用 切 削 性 能 好 的材 料 。 1） 当 零 件 形 状 比 较 复 杂 或 尺 寸 较 大 时 ， 如 箱 、 壳 、 架 、 盖等 宜 选 用 铸 造 性 能 好 的 铸 铁 、 铸 钢 或 焊 接 性 能 好 的 材 料 ； 1） 设 计 组 合 式 零 件 ， 以 节 约

17、贵 重 金 属 ， 降 低 材 料 成 本 ； 2） 采 用 精 铸 、 精 锻 等 无 切 削 或 少 切 削 加 工 工 艺 ， 以 提 高 材料 利 用 率 ， 对 于 大 批 量 生 产 可 大 幅 度 降 低 成 本 ； 3） 考 虑 生 产 费 用 ， 以 降 低 成 本 。 铸 铁 比 钢 便 宜 ， 但 对 单 件或 小 批 量 生 产 ， 铸 模 的 费 用 相 对 较 大 ， 故 选 用 钢 板 焊 接 反 而 有 利 ，因 为 省 去 了 模 具 费 用 ； 4） 零 件 选 用 的 材 料 牌 号 、 品 种 、 规 格 应 尽 可 能 少 。 以 求 生产 准 备 、

18、 采 购 供 应 方 便 ， 降 低 成 本 。机 械 零 件 常 用 材 料 及 其 选 用 原 则常 用 材 料 的 相 对 价 格 一 、 摩 擦 的 类 型 及 润 滑 的 作 用 （ 一 ） 摩 擦 的 类 型 按 接 触 表 面 润 滑 情 况 ， 摩 擦 可 分 为 干 摩 擦 、 液 体 摩 擦 和 边 界 摩 擦 等 。 1） 干 摩 擦 一 般 金 属 或 非 金 属 摩 擦 表 面 直 接 接 触 不 加 入 任 何 润 滑 剂 时 产生 的 摩 擦 称 为 干 摩 擦 。 2） 液 体 摩 擦 加 入 润 滑 剂 后 ， 在 摩 擦 表 面 形 成 一 层 油 膜 （

19、或 固 体 润 滑膜 ） ， 则 可 大 大 减 小 其 摩 擦 。 3） 边 界 摩 擦 如 果 润 滑 油 膜 不 能 将 两 接 触 表 面 完 全 隔 开 ， 这 时 的 润 滑 状态 称 为 边 界 摩 擦 。 综 上 所 述 ， 液 体 摩 擦 是 最 理 想 的 情 况 。 在 一 般 机 器 中 ， 摩 擦 表 面 多 处 于 干 摩 擦 、 液 体 摩 擦 和 边 界 摩 擦 的 混 合 状 态 ， 称 为 非 液 体 摩 擦 或 混 合 摩 擦 。 第 三 节 机 械 的 润 滑 （ 二 ） 机 械 润 滑 的 作 用 润 滑 的 作 用 大 致 可 归 纳 为 ： 1）

20、减 磨 作 用 。 减 轻 零 件 表 面 的 摩 擦 、 磨 损 和 功 率 损 耗 ； 2） 降 低 温 升 作 用 。 一 方 面 是 减 小 摩 擦 使 发 热 量 减 少 ； 另 一方 面 是 润 滑 油 流 过 摩 擦 表 面 带 走 摩 擦 产 生 的 一 部 分 热 量 ； 3） 清 洗 作 用 。 润 滑 油 流 过 摩 擦 表 面 时 ， 带 走 磨 损 落 下 的 金属 细 屑 和 污 物 ； 4） 防 锈 作 用 。 吸 附 于 零 件 表 面 的 油 膜 ， 可 保 护 零 部 件 表 面免 遭 锈 蚀 。 机 械 的 润 滑 二 、 润 滑 剂 生 产 中 常 用

21、的 润 滑 剂 包 括 润 滑 油 、 润 滑 脂 、 固 体 润 滑 剂 和气 体 润 滑 剂 等 几 大 类 。 1.润 滑 油 的 主 要 性 能 指 标 粘 度 体 现 了 液 体 摩 擦 状 态 下 润 滑 油 内 部 摩 擦 阻 力 的 大 小 。油 粘 度 愈 大 ， 工 作 阻 力 愈 大 ， 但 承 载 能 力 也 愈 大 。 粘 度 随 温 度升 高 而 降 低 。 油 性 又 称 润 滑 性 ， 是 指 润 滑 油 中 的 极 性 物 质 分 子 吸 附 于金 属 表 面 而 形 成 一 层 坚 韧 的 油 膜 的 能 力 。 这 层 油 膜 如 果 对 金 属表 面 的

22、 吸 附 力 大 ， 不 易 破 裂 ， 则 润 滑 油 的 油 性 就 好 。 油 性 受 温度 的 影 响 ， 温 度 过 高 ， 吸 附 油 膜 会 被 分 解 破 坏 。机 械 的 润 滑 机 械 的 润 滑 2. 润 滑 脂 的 主 要 性 能 指 标 针 入 度 又 称 穿 入 度 或 稠 度 ， 它 表 征 润 滑 脂 的 软 硬 、 稠 度 和流 动 性 。 滴 点 是 把 润 滑 脂 放 入 滴 点 仪 中 ， 在 规 定 的 条 件 下 加 热 ， 润滑 脂 开 始 滴 下 第 一 滴 时 的 温 度 称 为 滴 点 。 滴 点 表 征 着 润 滑 脂 的 耐热 能 力 。

23、 工 作 温 度 应 低 于 滴 点 1520 。 润 滑 脂 也 称 黄 油 ， 是 一 种 稠 化 的 润 滑 油 ， 其 稠 化 剂 皂 基 不同 ， 性 能 也 不 同 。 有 钙 基 润 滑 脂 、 钠 基 润 滑 脂 、 锂 基 润 滑 脂 、 铝基 润 滑 脂 等 。 机 械 的 润 滑 三 、 润 滑 剂 的 选 用 原 则 在 设 备 事 故 中 ， 润 滑 事 故 占 很 大 比 重 ， 而 润 滑 剂 选 择 不 当又 是 造 成 润 滑 事 故 的 一 个 重 要 因 素 ， 选 用 润 滑 剂 的 基 本 原 则 是 ： 1） 载 荷 大 时 ， 宜 选 用 粘 度

24、或 稠 度 大 的 润 滑 油 或 脂 。 粘 度 愈大 ， 油 膜 强 度 愈 高 ， 承 载 能 力 愈 大 ； 2） 转 速 高 时 ， 宜 选 用 粘 度 或 稠 度 低 的 润 滑 油 或 脂 ， 以 避 免过 大 的 运 动 阻 力 和 发 热 ； 3） 工 作 温 度 高 时 ， 宜 选 用 粘 度 或 稠 度 大 的 润 滑 油 或 脂 ， 以保 证 在 工 作 温 度 下 要 求 的 粘 性 。 总 之 ， 重 载 、 低 速 和 高 温 宜 选 用 粘 度 或 稠 度 大 的 油 或 脂 ；轻 载 、 高 速 和 低 温 宜 选 用 粘 度 或 稠 度 小 的 油 或 脂

25、。 在 实 用 中 ，不 少 机 器 的 润 滑 剂 是 根 据 使 用 经 验 来 确 定 的 。 第 四 节 机 械 零 件 的 工 艺 性 及 标 准 化 一 、 工 艺 性 机 械 零 件 应 具 有 良 好 的 工 艺 性 ， 即 在 一 定 的 生 产 条 件 下 ，能 用 最 少 的 时 间 、 设 备 、 工 具 、 劳 动 量 以 及 一 般 的 加 工 方 法 生产 出 来 。 1） 选 择 合 理 的 毛 坯 种 类 零 件 的 毛 坯 可 以 是 铸 件 、 锻 件 、焊 件 、 冲 压 件 等 。 毛 坯 种 类 的 选 择 一 般 取 决 于 生 产 批 量 、 材

26、 料 、尺 寸 大 小 和 加 工 可 能 性 等 。 2） 零 件 结 构 形 状 应 尽 量 简 单 设 计 零 件 时 应 采 用 简 单 的 平面 、 圆 柱 面 等 组 成 零 件 的 形 状 。 并 使 加 工 表 面 数 目 和 加 工 面 积最 小 。 3） 合 理 选 择 制 造 精 度 和 表 面 粗 糙 度 制 造 精 度 和 表 面 粗 糙度 选 得 越 高 ， 加 工 费 用 就 越 高 。 因 此 ， 选 择 要 合 理 ， 以 满 足 使用 要 求 为 原 则 。 4） 机 械 零 件 的 结 构 应 便 于 拆 装 ， 并 尽 量 减 少 装 配 工 作 量 。

27、 机 械 零 件 的 工 艺 性 及 标 准 化 二 、 标 准 化 标 准 化 是 指 对 零 件 的 品 种 、 规 格 、 质 量 、 技 术 条 件 和 检 验 、试 验 方 法 等 由 国 家 或 行 业 制 定 的 一 些 强 制 性 （ 或 推 荐 性 ） 统 一标 准 。 设 计 时 应 贯 彻 标 准 化 的 原 则 。 推 行 标 准 化 的 意 义 在 于 ： 1、 可 使 通 用 零 、 部 件 采 用 先 进 的 工 艺 方 法 进 行 专 业 化 大 批量 生 产 ， 既 能 降 低 成 本 ， 又 能 提 高 质 量 。 2、 设 计 中 直 接 采 用 标 准

28、件 ， 可 减 少 设 计 工 作 量 ， 降 低 设 计成 本 ； 标 准 件 可 以 外 购 且 标 准 件 具 有 互 换 性 ， 故 使 用 标 准 件 对制 造 、 检 修 工 作 带 来 很 大 方 便 。 3、 技 术 条 件 和 检 验 、 试 验 方 法 标 准 化 后 ， 可 保 证 标 准 件 的质 量 ， 提 高 可 靠 性 。 我 国 已 制 定 有 国 家 标 准 （ GB） 、 部 颁 标 准 （ 如 JB） 和 行 业标 准 （ 如 重 型 机 械 行 业 统 一 标 准 O/EB） 等 ， 且 已 参 加 了 国 际 标准 化 组 织 （ ISO） 。 为 了 增 强 在 国 际 市 场 的 竞 争 力 ， 应 积 极 采 用国 际 标 准 。 设 计 人 员 必 须 熟 悉 现 行 有 关 标 准 ， 并 在 设 计 工 作 中 贯彻 执 行 标 准 。 一 般 机 械 零 件 设 计 手 册 中 已 编 入 有 关 资 料 ， 可 供 设计 时 查 阅 。 讨 论 标 准 化 有 两 重 含 意 ， 其 一 按 有 关 标 准 设 计 机 械 零 件 ；其 二 尽 量 选 用 标 准 件 。机 械 零 件 的 工 艺 性 及 标 准 化