9-2 机械零件的强度机械零件的强度9-3 机械零件的接触强度机械零件的接触强度9-4 机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性9-5 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择第第9 9章章 机械零件设计概述机械零件设计概述9-1 机械零件机械零件设计概述设计概述 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。一、机械设计应满足的要求：一、机械设计应满足的要求：机械零件设计概述机械零件的设计也必须满足上述要求机械零件的设计也必须满足上述要求 既要工作可靠，又要成本低廉。 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：承载承载能力能力二、机械零件的工作能力二、机械零件的工作能力三、机械零件的失效三、机械零件的失效由于某种原因零件不能正常工作时，称为失效。（一）整体断裂整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。齿轮轮齿断裂 轴承内圈断裂轴承外圈、滚动体断裂机械零件常见的机械零件常见的失效形式失效形式: : 断裂、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。机械零件设计概述（二）塑性变形 当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生塑性（残余）变形。齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形 机械零件设计概述轴承外圈塑性变形轴承内圈塑性变形机械零件设计概述（三）零件的表面破坏 零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。齿面接触疲劳（点蚀）轴瓦磨损机械零件设计概述轴承套圈点蚀轴承内圈点蚀机械零件设计概述失效原因失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等。强度条件：计算应力许用应力；五、机械零件设计的步骤五、机械零件设计的步骤5) 绘制工作图并标注必要的技术条件。 计算量计算量许用量许用量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 。 失效原因失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等。刚度条件：变形量350 N025 107机械零件的强度 maxNABCD讨论qN0为规定的试验次数，称为为规定的试验次数，称为 循环基数。循环基数。qKN称为寿命系数，称为寿命系数，qN1NN0，无限寿命区，无限寿命区， 取取N= N0 ，KN1有限寿命 无限寿命q循环特性循环特性r不同时，材料的疲劳极限不同，疲劳曲线也不同，不同时，材料的疲劳极限不同，疲劳曲线也不同，6但最大不超过但最大不超过机械零件的强度6机械零件的强度、许用应力无限寿命时有限寿命 由于零件几何形状的变化、尺寸大小、表面状态等的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。u应力集中的影响引入有效应力集中系数u绝对尺寸的影响引入尺寸系数u零件表面质量（主要指表面粗糙度）的影响引入表面状态系数 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20m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 ，这种现象称为疲劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力 。 作用静应力时，失效形式为：塑性变形、压碎 作用变应力时，失效形式为：疲劳点蚀（接触疲劳磨损），常发生在齿轮、滚动轴承中。机械零件的接触强度零件表面零件表面 当两零件以点、线相接触时，其接触的局部会引起较大的应力。这局部的应力称为接触应力。 式中1和2 分别为两零件初始接触线处的曲率半径, 其中正号用于外接触，负号用于内接触。对于线接触的情况，其接触应力可用赫兹应力公式赫兹应力公式计算。 1FB B 2H HH HFB B 1 2H HH H机械零件的接触强度0304FB B 1 2H HH H机械零件的接触强度式中：F-作用于接触面上的总压力；B-初始接触线长度； 1、 2-分别为零件1和零件2初始接触线处的曲率半径， 令称为综合曲率半径； 1、 2分别为零件1和零件2材料的泊松比；E1、E2分别为零件1和零件2材料的弹性模量。动画演示机械零件的接触强度机械零件的接触疲劳强度的判定条件： 运运动动副副摩摩擦擦表表面面物物质质不不断断损损失失的的现现象象称称为为磨磨损损。磨磨损损会会逐逐渐渐改改变变零零件件尺尺寸寸和和摩摩擦擦表表面面形形状状。零零件件抗磨损的能力称为耐磨性。抗磨损的能力称为耐磨性。 磨损磨损 间隙间隙、精度精度、 效率效率、 振动振动、冲击冲击、 噪音噪音据统计，约有据统计，约有80%80%的损坏零件是因磨损而报废的。的损坏零件是因磨损而报废的。 磨损的主要类型磨损的主要类型 ：1 1）磨粒磨损）磨粒磨损2 2）粘着磨损）粘着磨损( (胶合磨损胶合磨损) )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 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。 3 3）疲劳磨损）疲劳磨损( (疲劳点蚀疲劳点蚀) )4 4）腐蚀磨损）腐蚀磨损机械零件机械零件的的耐磨性耐磨性实用耐磨计算是限制运动副的压强实用耐磨计算是限制运动副的压强 p，即即: : p p相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间单位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接触面积的发热量 f p v 。在摩擦系数一定的情况下，在摩擦系数一定的情况下，可将可将 p v 值与许用的值与许用的 p v 值进行比较。即值进行比较。即: :p v p v 机械零件机械零件的的耐磨性耐磨性995 5 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择一、金属材料一、金属材料1.1.铸铁铸铁铸铁铸铁常用金属材料常用金属材料钢钢铜合金铜合金-含碳量含碳量 2%2%-含碳量含碳量 2%2%铁碳合金铁碳合金u 特点：特点：具有良好的液态流动性，可铸造成形状复杂具有良好的液态流动性，可铸造成形状复杂 的零件。的零件。 较好的减震性、耐磨性、切削性（灰铸铁）较好的减震性、耐磨性、切削性（灰铸铁） 成本低廉。成本低廉。u应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。灰铸铁灰铸铁球墨铸铁球墨铸铁可锻铸铁可锻铸铁合金铸铁合金铸铁995 5 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择2.2.钢钢结构钢结构钢工具钢工具钢特殊钢特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)碳素结构钢（碳素结构钢（含碳量含碳量 0.7% ）合金结构钢合金结构钢铸钢铸钢按用途按用途按化学成分按化学成分 0.25% 低碳钢低碳钢0.3% 0. 5% 中碳钢中碳钢0.5% 高碳钢高碳钢按含碳量按含碳量u 特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。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。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。u 零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。u选用原则：优选碳素钢，其次是选用原则：优选碳素钢，其次是硅、硅、锰、硼、硼、钒类 合金合金钢。u应用：应用范围极其广泛。应用：应用范围极其广泛。价格便宜且供应充分 我国资源丰富 表表9-2 9-2 常用材料的相对价格常用材料的相对价格材材 料料 种种 类类 规规 格格 相对价格相对价格热轧圆热轧圆钢钢 碳素结构钢碳素结构钢Q235 Q235 （ 3342 3342） 1 1铸铸 件件优质碳素钢优质碳素钢 （ 2950 2950） 1.51.8 1.51.8 合金结构钢合金结构钢 （ 2950 2950） 1.72.5 1.72.5 滚动轴承钢滚动轴承钢 （ 2950 2950） 3 3 合金工具钢合金工具钢 （ 2950 2950） 320 320 4Cr9Si24Cr9Si2耐热钢耐热钢 （ 2950 2950） 5 5 灰铸铁铸件灰铸铁铸件 0.85 0.85 碳素钢铸件碳素钢铸件 1.7 1.7 铜合金、铝合金铸件铜合金、铝合金铸件 810810995 5 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择3.铜合金铜合金-铜锌合金，并含有少量的铜锌合金，并含有少量的锰、锰、铝、镍铝、镍u特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具特点：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。有良好的减摩性和抗腐蚀性。u零件毛坯获取方法：辗压、铸造。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。u应用：应用范围广泛。应用：应用范围广泛。u种类种类青铜青铜黄铜黄铜轴承合金（巴氏合金）轴承合金（巴氏合金）-含锡青铜、不含锡青铜含锡青铜、不含锡青铜二、非金属材料二、非金属材料1.橡胶橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作橡胶富于弹性，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、带传动的胶带联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。等。 硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。 995 5 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择2. 2. 塑料塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，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、绝而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制绝缘性、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。造中其应用日益广泛。 3.3.其它非金属材料：其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。皮革、木材、纸板、棉、丝等。选材因素选材因素：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、用途、工作条件工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。、物理、化学、机械工艺性能、经济性。零件材料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。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。的品种。995 5 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择表表9-1 9-1 常用钢铁材料的牌号及力学性能常用钢铁材料的牌号及力学性能材材 料料 力力 学学 性性 能能 试件尺寸试件尺寸类类 别别 牌牌 号号 强度极限强度极限B B 屈服极限屈服极限S S 延伸率延伸率% mm% mmQ215 335-410 215 31 碳素碳素结构钢结构钢Q235 375-460 235 26 d 16 Q275 490-610 275 20 20 410 245 25 优质碳素优质碳素结构钢结构钢35 530 315 20 d 25 45 600 355 16 35 SiMn 883 735 15 d 25 合金合金结构钢结构钢 40Cr 981 785 9 d 25 20CrMnTi 1079 834 10 d 15 60Mn 981 785 8 d 80 ZG270-500 500 270 18 铸铸 钢钢ZG310-570 570 310 15 d100 ZG42SiMn 600 380 12 HT150 145 - - 灰铸铁灰铸铁HT200 195 - - HT250 240 - - 壁厚壁厚1020QT400-15 400 250 15 球墨铸铁球墨铸铁QT500-7 500 320 7 QT600-3 600 370 3 壁厚壁厚30200