第9章 机械零件设计概论 91 机械零件设计概论 92 机械零件的强度 93 机械零件的接触强度 94 机械零件的耐磨性 95 机械制造常用材料及其选择 96 公差与配合、表面粗糙度和优先数系 97 机械零件的工艺性及标准化 91 机械零件设计概论 机械设计应满足的要求： 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。 机械零件的失效： 机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。 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。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又 称为：承载能力。 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。 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 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； 机械零件设计的步骤： 1)拟定零件的计算简图; 5) 绘制工作图并标注必要的技术条件。 防止失效的判定条件是： 计算量N0 时,试件将不会断裂。 N0 -循环基数 N0 对应的应力称为： 当N2% -含碳量 2% 铁碳合金 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。 应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。 选用原则： 优选碳素钢，其次是硅、锰锰、硼、钒类钒类 合金钢钢。 特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。 可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。 零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。 应用：应用范围极其广泛。 表9-2 常用材料的相对价格 材 料 种 类 规 格 相对价格 热轧圆钢 碳素结构钢Q235 （ 3342） 1 铸 件 优质碳素钢 （ 2950） 1.51.8 合金结构钢（ 2950） 1.72.5 滚动轴承钢（ 2950） 3 合金工具钢（ 2950） 320 4Cr9Si2耐热钢（ 2950） 5 灰铸铁铸件 0.85 碳素钢铸件 1.7 铜合金、铝合金铸件 810 价格便宜且供应充分 我国资源丰富 3.铜合金 -铜锌合金，并含有少量的锰锰、铝、镍 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。 应用：应用范围广泛。 种类 青铜 黄铜 轴承合金（巴氏合金） -含锡青铜、不含锡青铜 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润滑的轴轴承衬衬。 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 热热性、绝缘绝缘 性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来 在机械制造中其应应用日益广泛。 3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。 选材因素： 设计机械零件时，选择合适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、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。 用途、工作条件、物理、化学、机械工艺艺性能、经济经济 性。 零件材料 各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标 和机械设计手册中查得。 为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料 的品种。 表9-1 常用钢铁材料的牌号及力学性能 材 料 力 学 性 能 试件尺寸 类 别 牌 号 强度极限B 屈服极限S 延伸率% mm Q215 335-410 215 31 碳素 结构钢 Q235 375-460 235 26 d 16 Q275 490-610 275 20 20 410 245 25 优质碳素 结构钢 35 530 315 20 d 25 45 600 355 16 35 SiMn 883 735 15 d 25 合金 结构钢 40Cr 981 785 9 d 25 20CrMnTi 1079 834 10 d 15 60Mn 981 785 8 d 80 ZG270-500 500 270 18 铸 钢 ZG310-570 570 310 15 d100 ZG42SiMn 600 380 12 HT150 145 - - 灰铸铁HT200 195 - - HT250 240 - - 壁厚 1020 QT400-15 400 250 15 球墨铸铁QT500-7 500 320 7 QT600-3 600 370 3 壁厚 30200 96 公差与配合、表面粗糙度和优先系数 一、 公差与配合 互换性：零件在装配时，不需要选择和附加加工的就 能满足预期技术与使用要求的特性。 基本尺寸：由设计图纸给定的零件理论尺寸；为确定值。 实际尺寸：制造加工后测量所得零件尺寸；由于测量 有误差，所以实际尺寸并非真值。相对于 基本尺寸而言，总是有误差。或大或小 实际尺寸 25.1 轴 实际尺寸 实际尺寸基本尺寸实际尺寸 24.9 孔 25.1 孔 25 孔 基本尺寸 轴 25 轴 24.9 最小极限尺寸：零件满足互换性要求的最小允许尺寸； 最大极限尺寸：零件满足互换性要求的最大允许尺寸； 尺寸误差 ：实际尺寸与理论设计尺寸之差； 上偏差 ：最大极限尺寸与基本尺寸之差；符号：ES,es 下偏差 ：最小极限尺寸与基本尺寸之差；符号：EI,ei esESei EI 尺寸公差：最大极限尺寸与最小极限尺寸之差；即 允许的尺寸变动量。 ES-EI es-ei 公差=Lmax- Lmin=ES-EI =es-ei Lmin 孔 L 孔 Lmax 孔 轴 L Lmax 轴 Lmin 轴 轴 L Lmax 轴 Lmin 轴 零线：代表基本尺寸所在位置的一条直线； 公差带：由代表上、下偏差的两条直线所限定的区域； 零线 ES EI 孔公差带 es ei 轴公差带 国标规定：孔与轴各有28个，分别用如下符号表示： 孔：A B C CD D E EF F FG G H JS K M N P R S T U V W X Y Z ZA ZB ZC 轴：a b c cd d e ef f fg g h js k m n p r s t u v w x y z za zb zc 基本偏差：标准表列的，用于确定公差带相对于零线位 置的上偏差或下偏差，一般为靠近零线的那个偏差。 + 0 - 零线 L 孔：A B C CD D E EF F FG G H JS K M N P R S T U V W X Y Z ZA ZB ZC 轴：a b c cd d e ef f fg g h js k m n p r s t u v w x y z za zb zc 基本偏差系列 呈正态分布 B C CDD EEF A FFG GH KMN PR ST UVX Y Z ZA ZB ZC JS 孔 + 0 - 基本尺寸 b ccd d e ef a f fg g h kmnp r s t u vx y zza zb zc js 轴 + 0 - 基本尺寸 配合：基本尺寸相同，相互结合的孔与轴公差带之间 的关系； 间隙或过盈：孔的尺寸减去相配合轴的尺寸所得代数差； 间隙：代数差为“+”， 孔轴; 过盈：代数差为“-”， 孔轴，用于可动联接，如活动铰链； 孔轴，用于静联接，如火车轮与轴。 可能有间隙，也可能具有过盈。用于 要求具有良好的同轴性而又便于拆装 的静联接，如齿轮与轴； 最大间隙: Xmax = 孔max-轴min 最小间隙: Xmin = 孔min-轴max 最大过盈: Ymax = 孔min-轴max 最小过盈： Ymin = 孔max-轴min 间隙 配合 孔公差带 轴公差带 孔公差带 轴公差带 孔公差带 轴公差带 孔公差带 轴公差带 过盈 配合 过渡配合 孔公差带 轴公差带 孔公差带 轴公差带 孔公差带 Ymax Xmax Ymax Xmax Ymax Xmax Ymax Ymax Xmin Xmax Xmin= 0 Ymin= 0 轴公差带 Xmax Ymin H 零线 D 孔公差 k js h g e f r p m s 间隙配合 过渡配合 过盈配合 配合 基准制 基孔制配合：孔是基准孔，下偏差EI=0， 代号为:H ， 通过改变轴的公差带来或得各种不同的配合特性。 基孔制配合 基轴制配合 应用广泛 ，可减少孔加工刀具 零线 h D 轴公差 K JS H G E F R P M S 间隙配合过渡配合 过盈配合 基轴制配合：轴是基准轴，上偏差es=0， 代号为:h ， 通过改变孔的公差带来或得各种不同的配合特性。 基孔制常用与优先配合的选用 基轴制常用与优先配合的选用 二、 表面粗糙度 轮廓峰谷线 轮廓峰顶线 轮廓峰高 yp 轮廓谷深 yv 中线 l y x 定义：零件表面的微观几何形状误差称为表面粗糙度 特征：加工后零件表面留下的微细而凹凸不平的刀痕。 评定参数：轮廓算术平均偏差-取样长度l内，被测轮 廓上各点至轮廓中线偏居绝对值的算术平均值： 0.012 0.025 0.05 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 3.2 6.3 12.5 25 50 100 表9-3