复旦机械设计基础课件09机械零件设计概论

第九章机械零件设计概论9.1机械零件设计概述9.2机械零件设计要点9.3机械零件的强度9.4摩擦、磨损及润滑概述9.1机械零件设计概述9.1.1机械零件设计的基本要求9.1.2机械零件的失效、工作能力和承载能力9.1.3机械零件的设计准则9.1.4机械零件的设计方法和设计步骤9.1.1机械零件设计的基本要求机械设计的基本要求是：在满足预期功能的前题下，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、维修简单等。机械零件设计的基本要求是：在满足机械整体性能、功能要求的前题下，机械零件要工作可靠、成本低。也就是说，在机械零件设计时，不能仅着眼于零件的本身，还必须正确处理零件与部件的关系，以及零件与整机的关系。9.1.2机械零件的失效、工作能力和承载能力机械零件由于某种原因而不能正常工作时，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。一般来说，当零件的工作能力是对载荷而言时，习惯上也称为承载能力。零件失效可能有以下几种形式：（1）断裂（2）过大的弹性变形（3）塑性变形（4）工作表面的过度磨损或损伤（5）发生强烈的振动（6）联接的松弛（7）摩擦打滑9.1.3机械零件的设计准则机械零件的失效形式有多种多样，但归纳起来主要有以下几方面问题：（1）强度问题（2）刚度问题（3）耐磨性问题（4）振动稳定性问题（5）温度的影响问题不同的问题对应于不同的设计准则，就一般形式而言，设计准则可归纳为以下形式：对于强度问题，设计准则为：对于刚度问题，设计准则为：9.1.4机械零件的设计方法和设计步骤某一个或某一类零件工作时可能出现的主要失效形式有一个或几个。零件设计时，针对零件的主要失效形式，运用相应的设计准则，确定零件的主要形状和主要尺寸。机械零件的设计方法主要可分为：设计计算法和校核计算法。设计计算一般可分为以下步骤：（1）拟定零件的计算简图；（2）确定作用在零件上的载荷；（3）选择合适的材料和热处理（4）根据零件可能出现的主要失效形式，选用相应的设计准则，根据计算确定零件的主要形状和主要尺寸；（5）绘制零件图，并标注必要的技术要求。在设计计算时，由于零件上的许多参数还没确定，致使计算无法进行。一般的处理方法是用假设值带入进行计算，再将计算结果与假设值相比。☆当假设值与计算结果相近，则设计结果可以接受；☆当假设值与计算结果相距较大，则要重选假设值，再次进行计算。校核计算法是先根据技术资料、经验数据等，初步拟定零件的形状和主要尺寸，然后再选用相应的设计准则进行校核计算。☆当计算值与许用值相近，且满足设计准则条件时，拟定的形状和主要尺寸就可作为设计结果；☆当计算值与许用值相距较大，或不能满足设计准则条件时，则应修改拟定参数，进行重新校核计算。当零件的形状和主要尺寸确定后，其余的尺寸、参数一般可根据其它要求（如：工艺要求、结构要求等）进行设计或选定。9.2机械零件设计要点在机械零件设计时，除了要满足设计准则外，设计人员还必须处理好如下问题：（1）材料及热处理问题；（2）公差与配合、表面粗糙度问题；（3）工艺性问题；（4）优先数系及标准化问题等。9.2.1材料及热处理问题9.2.2公差与配合、表面粗糙度问题9.2.3工艺性问题9.2.4优先数系和标准化问题9.2.1材料及热处理问题用于制造机械零件的材料可分为金属材料和非金属材料。金属材料中主要有：铸铁、碳素钢、合金钢、铸钢，以及有色金属，如：铜合金、铝合金等。非金属材料，如：塑料、橡胶等。下面简单介绍几种机械中常用的金属和非金属材料。（1）铸铁它是脆性材料，通常采用铸造方式铸成形状复杂的零件。铸铁具有较好的减震性、耐磨性、切削性，且成本低廉，因此在机械制造中被广泛采用。（2）碳素钢这类钢一般具有高的强度、韧性和可塑性，并可通过热处理方法改善材料的机械性能和加工性能。零件毛坯可采用锻造、冲压、焊接或铸造等方法获得，因此其应用极为广泛。碳素钢由其含碳量可分为：低碳钢（＜0.25%）、中碳钢（0.3～0.5％）和高碳钢（0.55～0.7％），一般来说，含碳量越高，材料的强度和弹性越好，但塑性和韧性越差。（3）合金钢在钢中添加合金元素以改善钢的性能。例如：镍能提高强度而不降低钢的韧性；铬能提高硬度、高温强度、耐腐蚀性和耐磨性等。合金钢的优良机械性能不仅取决于添加的化学成分，而且在更大程度上取决于适当的热处理。（4）铜合金由于纯铜的机械性能较差，所以机械中一般采用铜合金。铜合金主要有青铜和黄铜两种。黄铜是铜和鋅的合金，并含有少量的锰、铝、镍等，它具有较好的流动性和塑性，所以可以进行辗压和铸造。青铜的减摩性和抗腐蚀性较好，也可辗压和铸造。（5）橡胶弹性好，能吸振，常用作吸振、减震的弹性元件。此外，橡胶还可用作密封元件。（6）塑料各种塑料具有不同的特点，但其共性主要有：耐腐蚀性、绝缘性、减摩性较好，且易于制成各种形状复杂的零件，目前在机械制造中广泛使用。材料热处理是改善材料机械性能的重要手段，主要用于对钢制零件的处理。同一种材料，经不同的热处理后，其材料的机械性能有时相差很大。常用的热处理方法有以下几种：（1）淬火（2）正火（3）调质（4）表面处理9.2.2公差与配合、表面粗糙度问题对于大规模产生的零件要求具有互换性，以便在装配时不加选择和附加加工，就能达到预期的技术要求。为此，必须保证零件的尺寸、几何形状、相互位置以及表面粗糙度的一致性，即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。当两个零件相互装配时，就形成了一个配合，公差的大小一般由配合的要求而定。下面以孔与轴的配合简要介绍相配圆柱表面的公差与配合。如图所示，设计给定的尺寸称为基本尺寸，零线代表基本尺寸的位置。由代表上下偏的两条直线所限定的区域称为公差带。同一基本尺寸的孔与轴的结构称为配合。根据公带的相对位置，配合分为间隙配合、过渡配合和过盈配合三大类。表面粗糙度是指零件的微观几何形状误差。它主要是由于机械加工后在零件表面留下微小的凹凸不平的刀痕。评定表面粗糙度的方法之一是在取样长度l上测量轮廓算术平均偏差Ra，即近似为表面粗糙度对零件的使用性能影响很大。随着粗糙度的增大，实际接触面积减少而局部压强增大，将加速磨损，同时粗糙度的增大将降低联接的承载能力、降低零件的疲劳强度等。另外，随着零件的精度要求提高，要求的表面粗糙度Ra值越小，加工费用将迅速上升。因此在保证使用性能要求的前提下，选用较大的表面粗糙度值。9.2.3工艺性问题零件的工艺性问题主要是指设计出的零件是否可以制造出来，以及制造零件的费用是否经济。在具体生产条件下，如果设计的机械零件便于加工同时加工费用较低，则这样的零件就称为具有良好的工艺性。零件的工艺性要求主要有：（1）毛坯选择合理机械零件的毛坯来源主要有：直接利用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。选择什么样的毛坯取决于生产技术条件，如：生产批量、材料性能和加工能力等。（2）结构简单合理设计零件的结构形状时，最好采用最简单的表面（如平面、圆柱面等）及其它们的组合，并尽量使加工表面数目最少和加工面积最小。（3）规定适当的制造精度和表面粗糙度零件的制造精度和表面粗糙度的提高，将使零件的加工费用迅速上升，所以设计时，精度的确定应适当。零件的工艺性除上述几项外，还有许多方面的问题。为了设计出工艺性较好的零件，还需多多参阅有关的文献资料。9.2.4优先数系和标准化问题优先数系是用来使型号、尺寸、转速、功率等量值得到合理的分级。这样可便于组织生产和降低成本。优先数系确定的基本思想就是按几何级数关系变化的数字系列，而级数项的公比一般取为10的某次方根。通常取根式指数为5、10、20、40等。GB321－80规定的优先数系有四个基本系列：优先数系中的任何一个数值称为优先数，在确定分级数值时，必须最大限度地采用优先数。对于大于10的优先数可以乘上10、100、1000等。标准化问题是指以制订标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过程。标准化的原则是统一、简化、协调、选优（优化）。将产生的产品或零件加以标准化具有重大的意义：在产品、零件的制造上可以实现专业化大批量生产，进而可提高产品质量和降低产生成本；在设计方面，采用标准化零部件，可以减轻设计工作量；在产品管理、使用、维修等方面，标准化产品、零件都具有很大的优越性。我国将标准分为四级：国家标准、行业标准、地方标准和企业标准。在无特殊需要的设计中，必须采用这些标准或标准件（即标准化的零件、部件，简称标准零部件）。我国现已参加了国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization，简称ISO），并积极鼓励采用国际标准，近年来颁布的许多国家标准都已采用相应的国际标准。R5和R20优先数系9.3机械零件的强度9.3.1常用名词定义9.3.2变应力及其变应力下的许用应力9.3.1常用名词定义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。然而机器在运转时，由于工作环境的不同、运转速度的不断变化等原因而使零件受到了各种附加载荷，通常引入载荷系数K（当只考虑工作情况的影响时，则称为工况系数，一般用KA表示）。载荷系数与名义载荷的乘积，称为计算载荷。一般来说载荷系数是一个大于等于1的数，这样计算载荷就大于或等名义载荷。按名义载荷求得的应力称为名义应力，而按计算载荷求得的应力称为计算应力。由零件的设计准则可知，对于强度问题，是否满足设计要求的判式是计算应力≤［许用应力］。即式中［σ］、［τ］为许用正应力和许用切应力，其计算式：式中S为安全系数，S是一个大于等于1的数值，它的大小取决于设计要求和设计人员对设计的认识程度。σlim、τlim分别为极限正应力和极限切应力。对于不同性质的材料其极限应力的选取是不一样的。★对于脆性材料，极限值取为强度极限；★对于塑性材料，极限值取为屈服极限；★对于在复杂应力状态下的材料，极限值则应根据材料力学中所述的强度理论来确定。另外，同一种材料用于不同的零件，或同一种零件的不同尺寸时，材料的极限应力有时也不同，所以零件的材料极限应力一般都采用实验的方法测出。由此可见，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。按随时间变化的情况，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，实际上纯粹的静应力是不存在的，但如应力变化缓慢、在零件的整个使用期内应力变化次数较少时，可以看作静应力；★随时间变化而变化的应力称为变应力。关于静应力的强度理论，我们已在材料力学中详细讨论过，这里就不再论述。下面对零件设计中的变应力问题作一简单讨论。9.3.2变应力及其变应力下的许用应力对变应力而言，具有周期性的变应力称为循环变应力，机械零件所受应力多数为循环变应力。为了便于分析，我们引入平均应力和应力幅两概念。式中为σm平均应力，σa为应力幅。应力循环中的最小应力与最大应力之比，可以用来表示变应力中应力变化的特征，通常称为变应力的特性，用r表示，即：在变应力作用下，零件的损坏形式主要是疲劳断裂。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。疲劳断裂的发生，不仅与变应力的最大值有关，而且还与应力循环作用的次数有关。我们将零件发生疲劳断裂时的应力σ和变应力循环作用次数N之间的关系曲线称为疲劳曲线。如图所示横坐标为循环次数N，纵坐标为断裂时的循环应力σ。疲劳曲线主要分为三个区：静应力区、有限寿命区和无限寿命区。★当零件工作承受变应力的作用次数少于103时，处于静应力区，即零件虽然受变应力作用，但由于应力作用次数太少，所以可以将变应力中的最大应力按静应力处理。★当应力作用次数N大于某个值N0时，曲线趋于水平，即可以认为变应力处于无限寿命区，也就是说变应力作用不会发生疲劳断裂。这个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σ－1表示材料在对称循环变应力下的疲劳极限。对于材料的疲劳曲线中有限寿命区的曲线我们可以用下式描述：而无限寿命区的曲线可以近似认为是一条水平直线：由有限寿命区的曲线方程可知，对于有限寿命区中的某一应力循环次数N（N＜