机械零件设计概论课件

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1、第9章 机械零件设计概论,一、基本内容及学习要求 二、学习指导 三、典型实例分析 四、复习题 五、复习题参考答案,一、基本内容及学习要求,1基本内容 （1） 机械零件的工作能力和计算准则； （2）机械零件的强度 （3）机械零件的接触强度 （4）机械零件的耐磨性 （5）机械制造常用材料及其选择 （6）公差与配合 （7）机械零件的制造工艺性及标准化；,2学习要求 （1） 掌握有关机械零件设计和计算的基本概念； （2） 掌握机械制造中常用材料的性能及选用原则； （3）了解机械零件工艺性及标准化的意义,一、基本内容及学习要求,第9章 机械零件设计概论,91机械零件的工作能力和计算准则 1. 机械、机构

2、、零件等由于某种原因丧失正常工作能力的 现象称为失效；在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的 限度，称为工作能力或称为承载能力。 2. 失效与损坏概念不同。以自行车为例，作为零件的车轮辐条 损坏了几根，并不影响乘骑，即自行车作为机器并未失效； 如果其链条因磨损而掉链，此时自然不能乘骑了，即失效了 3. 失效形式与断裂破坏概念不同。机械零件由于强度不够造成断裂， 属于一种失效形式； 除此之外，如机床主轴的刚度不足，零件表面过度磨损及 其他各种破坏正常工作条件的因素，又如带传动打滑等 均属于失效形式。,回目录,主要失效形式有： 断裂：例如，齿轮轮齿根部的折断、螺栓的断裂等。 过大的残余变形：零件

3、受载后产生过量的弹性变形； 零件的应力如果超过材料的屈服极限，零件将产生残余塑性变形。 表面失效：磨损、腐蚀和接触疲劳等都会导致零件表面失效。 破坏正常工作条件而引起的失效：例如，带传动发生打滑、 齿轮传动噪声过大等。 工作能力计算准则: 针对各种不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件， 这种为防止失效而制定的判定条件称为工作能力计算准则。 主要有强度、刚度、耐磨性等。,92 机械零件的强度 一、名义载荷和计算载荷 根据额定功率用力学公式计算出并作用在零件上的载荷 称为名义载荷（如力F功率P转矩T）。 计算载荷与名义载荷之间的关系为：计算载荷等于 名义载荷乘以载荷系数K。 机械零件的设计

4、计算一般按计算载荷 二、 强度条件 零件在外载荷作用下所产生的最大应力不超过零件的 许用应力 。其表达式为 工作应力 许用应力，即,三、应力的种类（图91） 可分为静应力和变应力：不随时间变化的应力称为静应力； 随时间变化的应力称为变应力；具有周期性的变应力 称为循环变应力。 复习材料力学中学过的非对称循环应力、脉动循环应力和 对称循环应力的分类及特征，能绘出应力时间曲线， 并能写出最大应力、最小应力、平均应力、应力幅和循环特性。 的计算公式。,四、许用应力 许用应力材料极限应力/安全系数，即limS 材料的极限应力应根据工作应力类型的不同来选择。工作应力 为静应力时，极限应力对于塑性材料为屈

5、服极限；对于脆性材料为强度极限，工作应力为变应力时，极限应力为其相应应力循环状态的疲劳极限。 1. 静应力下的许用应力 对塑性材料取材料的屈服极限s 作为极限应力 ss 对脆性材料取材料的强度极限B作为极限应力 Bs 2.变应力下的许用应力 对称循环疲劳极限取1作为极限应力-1-1s 脉动循环疲劳极限取0作为极限应力00s,五、安全系数 安全系数取得过大将使结构笨重；安全系数取得过小 可能不够安全。 S 1要按教材给的系数取。 93 机械零件的接触强度 因为高副机构是以点、线接触来传递载荷，由于局部弹性变形 而形成了小的接触区，在很小的接触区表层产生很大的应力称为 接触应力。在接触应力作用下零

6、件的强度称为接触强度。比如： 齿轮、滚动轴承等。 最大接触应力为： 接触疲劳强度条件为：HH 则 HHlimSH Hlim接触疲劳极限 SH 安全系数,94 机械零件的耐磨性 零件抗磨损的能力称为耐磨性 1.磨粒磨损； 2.粘着磨损； 3疲劳磨损； 4腐蚀磨损。,（含碳量小于2%,大于0.7%的铁、碳合金）,钢：,碳素钢,碳素结构钢,碳素工具钢：T7、T8,普通碳素结构钢 如Q235、Q275等,优质碳素结构钢,低碳钢C0.25% 如20,合金钢,合金结构钢,合金工具钢 、高速工具钢、硬质合金工具钢,特类钢 不锈钢，如2Cr13、滚动轴承钢，如GGr9SiMn、 耐热钢，如3Gr18Ni25S

7、i2等。,合金结构钢 如35CrMn2，40CrNiMoA(优质）,低金结构钢 如12Mn,弹簧钢 如60Si2MnA,中碳钢0.6%C0.25% 如45,高碳钢0.6%C 如60,钢,95机械制造常用材料及其选择 一、 金属材料,（一）钢 钢具有很高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善 机械性能和加工性能。 钢可以进行锻造、冲压、焊接等应用相当广泛。 钢和铸铁的区别主要是含碳量不同。含碳量小于2的称为钢。 含碳量大于2的称为铸铁。 钢可分为碳素钢和结构钢。碳素钢的性质主要取决于含碳量， 含碳量越高钢的强度越高，但塑性越低。为了改善钢的性能 特意加入了一些合金元素的钢称为合金钢。 1.普通

8、碳素结构钢 GB700-88 牌号：Q数字 例如：Q235 表示屈服强度s235MPa 。 这种钢主要用于受力不大，而且基本上承受静载荷的机械零件 和建筑材料。可制造钢板、角钢、槽钢、圆钢、铆钉等。 见表91,2.优质碳素结构钢 GB699-88 按含碳量的多少可分为 （1）低碳钢（10、15、20、25）含碳量小于0.25 适用于冲压、焊接加工，常用来制造螺钉、螺母、垫圈等。 （2）中碳钢（30、35、40、45、50）含碳量为0.30.5 常用来制造轴类、齿轮、丝杠等。 （3）高碳钢（55、60、65、70）含碳量为0.550.7用来制造 各种弹簧、钢丝绳等。 例如：45钢 表示含碳量0.

9、45的优质碳素结构钢。见表91 3.合金结构钢 GB3077-88 牌号：数字化学元素数字 注意：当合金元素的含量1.5%时，牌号中只标明元素符号而 不标含量。 例如： 40Cr 表示含碳量0.4，含铬小于1.5 ，铬能提高强度、 硬度、耐磨性、耐腐蚀等性能。 常用来制造中小型轴、齿轮以及各类工程结构。见表91,4.铸钢 GB1152-89 将钢熔化后浇注到铸模中，以便获得一定形状和尺寸的毛坯。 适用形状复杂、尺寸较大、机械性能要求较高的机械零件。 比如像重载大型齿轮、轧钢机、机架、减速器、齿轮箱等。 铸钢分为：碳素铸钢和合金铸钢两类。 例如：ZG270500 表示屈服强度s270Mpa B5

10、00Mpa 碳素铸钢。 如ZG35SiMn 表示含碳量0.35 ，含硅、锰在小于1.5合金铸钢。 表91 （二） 铸铁 铸铁是脆性材料，不能进行锻造，但它比较容易溶解，具有良好 的液态流动性，可以铸造成许多形状复杂的零件。另外它的切削性 能好，耐磨，成本低，应用非常广泛。常用有以下两种。 1.灰口铸铁 GB9439-88 例如：HT200 表示抗拉强度B200Mpa 常用来制造皮带轮、轻载低速大齿轮、机座、箱体等。见表91,2.球墨铸铁 GB1348-88 球墨铸铁的强度、塑性和韧性都比较高，常用来代替钢材制造曲轴、 齿轮、连杆和凸轮轴等重要零件。牌号：QT45010表示B450Mpa 最低延

11、伸率10 见表91 。 （三）有色金属 在工业上把铁以外的金属统称为有色金属。它具有导电性、导热性、 耐腐蚀性和减摩性等。 1.黄铜 黄铜是铜和锌组成的合金。主要制造垫片、衬套、管子，管接头等 耐腐蚀零件。牌号：H62 表示黄铜：铜（Cu）含量62， 余量38锌（Zn）。 例如：ZHPb4832表示48铜， 3铅，2铁，余量为47锌的铸造黄铜。,2.青铜 GB1176-87 牌号ZCuSn5Pb5Zn5表示铸锡青铜 ，含5锡， 5铅，5锌， 余量85的铜。可制造轴瓦、蜗轮及耐磨、耐蚀性等零件。 二、非金属材料 1.橡胶 橡胶富于弹性、能缓和冲击、吸收振动，还具有耐磨、 绝缘等性能。 常用在弹性

12、元件、联轴器、传动胶带、轮胎、密封垫圈等。 2.塑料 比重小、成本低，注塑成型方便等，可以制造齿轮、轴承村、 摩擦片等。 3.复合材料 是由两种以上金属或非金属材料复合而成的一种新型材料。 用来制造 压力容器、车辆外壳等。,三、钢的热处理简介,热处理 将钢在固体状态下进行不同温度的加热、保温和冷却的工艺方法叫热处理，目的是提高零件的力学性能和改善其工艺性能。,1. 退火 2. 正火 3. 淬火 4. 回火 5. 调质 6. 表面处理,三、钢的热处理 热处理是将金属材料在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式 三个阶段，改变金属内部的组织结构来得到所需的使用要求。 1.退火 退火目的：降低硬度，便

13、于切削加工；细化晶粒，改善组织， 提高 机械性能；消除内应力，防止钢件变形与开裂。 2.正火 正火目的：使钢件组织细化，提高强度和韧性；减少内应力， 改善 切削性能。 3.淬火 提高硬度和强度；但韧性下降，内应力增加，往往会使钢件变形 或开裂。因此淬火后要经过回火热处理以消除内应力，提高零件 的韧性。,3.淬火 提高硬度和强度；但韧性下降，内应力增加，往往会使钢件变形 或开裂。因此淬火后要经过回火热处理以消除内应力，提高零件 的韧性。 4.回火 根据回火加热温度不同可分为 （1）低温回火： 加热温度在150200。可以减少内应力和脆性，仍然保持 淬火钢的高硬度和耐磨性。适用刀具、量具等。 （2

14、）中温回火：加热温度在350500。淬火钢经中温回火后， 提高了弹性，但硬度下降，适用弹簧、模具等。 （3）高温回火：加热温度在500600。淬火钢经高温回火后，可以获得强度、硬度、塑性和韧性等都较好的综合性机械性能。 生产上习惯把淬火后经高温回火的热处理工艺称为调质。 45号钢调质用的最多。如轴、齿轮等。,5.表面淬火 表面淬火是将钢件表面迅速加热到淬火温度，不等热量传到芯 部就快速冷却，通常是喷水冷却。经过表面淬火的零件，表面具 有很高的硬度和耐磨性，而芯部仍然保持原来韧性比较好的组织。 表面淬火的材料一般用中碳钢或中碳合金钢。 淬硬层深度在26mm适用中小型零件以及大型重载荷受冲击等零件

15、。 6.化学热处理 渗碳是向零件表层渗入碳原子的过程，渗碳层厚度为0.41.6mm。 渗碳材料一般用低碳钢或低碳合金钢。零件经渗碳后表面为 高碳组织具有很高的硬度和耐磨性。而芯部为低碳组织，保持原有 的韧性。常用于处理汽车、拖拉机中的齿轮、凸轮等。,96公差与配合 一、公差 机器是由零件装配而成的。大批量生产要求零件具有互换性。 这样在装配时可以不加选择和附加加工，就能达到预期的技术 要求。为了实现零件的互换性，必须保证零件的尺寸、几何形状 和相互位置以及表面粗糙度的一致性。就零件尺寸而言，它不可 能做的绝对精确，但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。,现以孔与

16、轴为例简单介绍公差与配合。 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。由代表上下偏差的两条直线所限定的区域称为公差带。 在国家标准中，公差带包括“公差带大小”与“公差带位置”两个 参数。公差带大小由标准公差确定，公差带位置由基本偏差确定。 例如 f8表示轴的公差带代号，轴的基本偏差代号f 。 标准公差IT8 公差等级8级， 国家标准规定孔与轴的公差带位置各有28个，分别用大小写 字母表示。还规定了20个公差等级，用阿拉伯数字表示。 例如：H7表示孔的公差带代号，基本偏差代号为H，标准 公差IT7公差等级。 机械制造中常用的公差等级是411级。从机械设计手册查。,二、配合 同一基本尺寸的孔与轴装配在一起称为配合。 根据公差带的相对位置，配合分为：间隙配合孔比轴大，用于 可动联接。过盈配合孔比轴小，用于静联接。过渡配合可 能具有间隙，也可能具有过盈，用于要