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1、第9章 机械零件设计概论 9 1 机械零件设计概论 9 2 机械零件的强度 9 3 机械零件的接触强度 9 4 机械零件的耐磨性 9 5 机械制造常用材料及其选择 9 6 公差与配合 表面粗糙度和优先数系 9 7 机械零件的工艺性及标准化 中南大学专用 作者 潘存云教授 9 1 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
2、 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 中南大学专用 作者 潘存云教授 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 许用量 工作能力计算准则 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
3、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 强度 刚度 耐磨性 振动稳定性 温度等 原因 刚度条件 变形量N0以后 曲线趋于水平 可认为在无限次循 环时试件将不会断裂 应力 与应力循环次数N 之间 的关系曲线称为 疲劳曲线 当N 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 中南大学专用 作者 潘存云教授 选用原则 优选碳素钢 其次是硅 锰锰
4、 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 热轧圆刚 碳素结构钢Q235 33 42 1 铸 件 优质碳素钢 29 50 1 5 1 8 合金结构钢 29 50 1 7 2 5 滚动轴承钢 29 50 3 合金工具钢 29 50 3 20 4Cr9Si2耐热钢 29 50 5 灰铸铁铸件 0 85 碳素钢铸件 1 7 铜合金 铝合金铸件 8 10 价格便宜且供应充分 我国资源丰富 中南大学专用 作
5、者 潘存云教授 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 中南大学专用 作者 潘存云教授 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
6、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 中南大学专用 作者 潘存云教授 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
7、 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 d 100 ZG42SiMn 600 380 12 HT150 145 灰铸铁HT
8、200 195 HT250 240 壁厚 10 20 QT400 15 400 250 15 球墨铸铁QT500 7 500 320 7 QT600 3 600 370 3 壁厚 30 200 中南大学专用 作者 潘存云教授 9 6 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、 9 孔 25 1 孔 25 孔 基本尺寸 轴 25 轴 24 9 中南大学专用 作者 潘存云教授 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 Lmax ES EI es ei Lmin 孔 L 孔 Lmax 孔 轴 L Lmax 轴 Lmin 轴 中南大学专用 作者 潘存云教
10、授 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 中南大
11、学专用 作者 潘存云教授 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 中南大学专用 作者 潘存云教授 配合 基
12、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 中南大学专用 作者 潘存云教授 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
13、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 中南大学专用 作者 潘存云教授 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 中南大学专用 作者 潘存云教授 零线 h D 轴公差 K JS H G E F R P M S 间隙配
14、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 中南大学专用 作者 潘存云教授 基孔制常用与优先配合的选用 中南大学专用 作者 潘存云教授 基轴制常用与优先配合的选用 中南大学专用 作者 潘存云教授 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 中南大学专用 作者 潘存云教授 0 012 0 0
15、25 0 05 0 1 0 2 0 4 0 8 1 6 3 2 6 3 12 5 25 50 100 表9 3 用不同加工方法得到的Ra 加工方法 表面粗糙度 Ra m 精 粗 刨削 钻孔 铰孔 精 粗 镗孔 精 粗 车 精 粗 磨 精 粗 研磨 滚 铣 精 粗 Ra愈小 零件的加工成本愈高 中南大学专用 作者 潘存云教授 表面粗糙度对零件功能有重要的影响 例如 1 对摩擦磨损的影响 摩擦系数 Ra 零件表面愈粗糙 摩擦系 数愈大 但光滑到一定程 度时 润滑油被挤出 产 生亲和力反而使摩擦系数 增大 2 对疲劳强度的影响 零件表面愈粗糙 在刀痕根部愈容 易产生应力集中 使疲劳强度降低 3 对耐
16、腐蚀的影响 4 对结合处密封性能的影响 5 对振动和噪声的影响等等 零件表面愈粗糙 在刀痕根部愈容易产生腐蚀渗透 零件表面愈光滑 密封性能愈好 零件表面愈粗糙 振动和噪声愈大 如滚动轴承 中南大学专用 作者 潘存云教授 三 优先数系 优先数系是国际上统一的数值分级制度 是一种无 量纲的分级系数 适用于各种量值的分级 在确定产品 的参数或参数系列时 应该最大限度采用 产品的主要参数如 型号 直径 转速 承载量和 功率等按优先数系形成系列 便于组织生产和降低成本 以实现产品的标准化和系列化 优先数系是一个以公比为 qr 10 的十进等比级数 r GB321 80规定了四个优先数系的基本系列 R5 q5 10 1 6 5 R10 q10 10 1 25 10 R20 q20 10 1 12 20 R40 q40 10 1 06 40 中南大学专用 作者 潘存云教授 优先数系的基本系列 R5 1 00 1 60 2 50 4 00 6 30 10 00 R10 1 00 1 25 1 60 2 00 2 50 3 15 4 00 5 00 6 30 8 00 10 00 1 00 1 12 1
