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1、第第9章章 机械零件设计概论机械零件设计概论91 机械零件设计概论机械零件设计概论92 机械零件的强度机械零件的强度93 机械零件的接触强度机械零件的接触强度94 机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性95 机械制造常用材料及其选择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机械零件的工艺性及标准化91 机械零件设计概论机械零件设计概论机械设计应满足的要求：机械设计应满足的要求：在在满满足足预预期期功功能能的的前前提提下下，性性能能好好、效效率率高高、成成本本低低，在在预预定定使使用用期期限限内内安安全全可可靠靠，操操作
2、作方方便便、维维修修简简单单和和造型美观造型美观等。等。机械零件的失效：机械零件的失效： 机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。失效。工作能力工作能力-在不发生失效的条件下，零件所能安全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，所以习惯上工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：又称为：承载能力。承载能力。零件的失效形式零件的失效形式:断裂或塑性变形断裂或塑性变形;过大的弹性变形过大的弹性变形;工作表面的过度磨损或损伤工作表面的过度磨损或损伤;发生强烈的振动；联接的松弛发生强烈的振动；联接的松弛;摩擦传动的
3、打滑等。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：强度条件：计算应力计算应力许用应力；许用应力；机械零件设计的步骤：机械零件设计的步骤： 1)拟定零件的计算简图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。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：防止失效的判定条件是： 计算量计算量许用量许用量-工作能力计算准则。工作能力计算准则。2) 确定作用在零件上的载荷确定作用在零件上的载荷; 3) 选择合适的材料选择合适的材料; 4) 根据零件可
4、能出现的失效形式，选用相应的判定根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定 条条件件，确确定定零零件件的的形形状状 ; 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、温度等强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 原因。原因。刚度条件：刚度条件：变形量变形量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。应力应力与应力循环次数与应力循环次数N N 之间之间的关系曲线称为：的关系曲线称为：疲劳曲线疲劳曲线当当NNNN0 0 时时, ,试件将不会断裂。试件将不会断裂。N N0 0
5、-循环基数循环基数N N0 0 对应的应力称为：对应的应力称为：当当NNN2%-含碳量含碳量 2%铁碳合金铁碳合金特点：特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。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）、成本低较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。廉。应用：应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。选用原则：选用原则： 优选碳素钢，其次是优选碳素钢，其次是硅、硅、锰锰、硼、硼、钒类钒类合金合金钢钢。特点：特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑
6、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。零件毛坯获取方法：零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。锻造、冲压、焊接、铸造等。应用：应用：应用范围极其广泛。应用范围极其广泛。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 （ 3342） 1铸铸 件件优质碳素钢优质碳素钢 （ 2950） 1.51.8 合金结构钢（合金结构钢（ 2950） 1.72.5 滚动轴承钢（滚动轴承钢（ 2950） 3 合金工具钢（合金工具钢（ 2950） 320 4Cr
7、9Si2耐热钢（耐热钢（ 2950） 5 灰铸铁铸件灰铸铁铸件 0.85 碳素钢铸件碳素钢铸件 1.7 铜合金、铝合金铸件铜合金、铝合金铸件 810 价格便宜且供应充分 我国资源丰富 - -铜锌合金，并含有少量的铜锌合金，并含有少量的锰锰、铝铝、镍镍特点：特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具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。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。应用：应用：应用范围广泛。应用范围广泛。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
8、青铜二、非金属材料二、非金属材料1. 1. 橡胶橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。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、带传动的胶带常用作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硬橡胶可用于制造用水润润滑的滑的轴轴承承衬衬。 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、绝热热性、性、绝缘绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其机械制造中其应应
9、用日益广泛。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、物理物理、化学化学、机械工机械工艺艺性能性能、经济经济性。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
10、管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。的品种。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
11、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3020096 公差与配合、表面粗糙度和优先系数公差与配合、表
12、面粗糙度和优先系数一、一、 公差与配合公差与配合互换性：互换性：零件在装配时，不需要选择和附加加工的就零件在装配时，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。能满足预期技术与使用要求的特性。基本尺寸：基本尺寸：由设计图纸给定的零件理论尺寸；为确定值。由设计图纸给定的零件理论尺寸；为确定值。实际尺寸：实际尺寸：制造加工后测量所得零件尺寸；由于测量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。基本尺寸而言，总是有误差。或大或小实际尺寸实际尺寸25.125.1轴轴实际尺寸实际尺寸实际尺寸实际尺
13、寸基本尺寸基本尺寸实际尺寸实际尺寸24.924.9孔孔25.125.1孔孔2525孔孔基本尺寸基本尺寸轴轴2525轴轴24.924.9最小极限尺寸：最小极限尺寸：零件满足互换性要求的最小允许尺寸；零件满足互换性要求的最小允许尺寸；最大极限尺寸：最大极限尺寸：零件满足互换性要求的最大允许尺寸；零件满足互换性要求的最大允许尺寸；尺寸误差尺寸误差 ：实际尺寸与理论设计尺寸之差；实际尺寸与理论设计尺寸之差；上偏差上偏差 ：最大极限尺寸与基本尺寸之差；符号：最大极限尺寸与基本尺寸之差；符号：ES,esES,es下偏差下偏差 ：最小极限尺寸与基本尺寸之差；符号：最小极限尺寸与基本尺寸之差；符号：EI,ei
14、EI,eiesesESESeieiEIEI尺寸公差：尺寸公差：最大极限尺寸与最小极限尺寸之差；即最大极限尺寸与最小极限尺寸之差；即 允许的尺寸变动量。允许的尺寸变动量。ES-EIES-EIes-eies-ei公差公差= =L Lmaxmax- - L Lmaxmax=ES-EI=ES-EI =es-ei=es-eiL Lminmin孔孔LL孔孔L Lmaxmax孔孔轴轴L LL Lmaxmax轴轴L Lminmin轴轴轴轴L LL Lmaxmax轴轴L Lminmin轴轴零线：零线：代表基本尺寸所在位置的一条直线；代表基本尺寸所在位置的一条直线；公差带：公差带：由代表上、下偏差的两条直线所限定
15、的区域；由代表上、下偏差的两条直线所限定的区域；零线零线ESESEIEI孔公差带孔公差带eseseiei轴公差带轴公差带国标规定：孔与轴各有国标规定：孔与轴各有2828个，分别用如下符号表示：个，分别用如下符号表示：孔：孔：A B C CD D E EF F FG G H JS K M N P R S T 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 ZCU V W X Y Z ZA ZB ZC轴：轴：a b c cd d e ef f fg g h js k m n p r s t a b c cd d e ef f
16、fg g h js k m n p r s t u v w x y z za zb zcu v w x y z za zb zc基本偏差：基本偏差：标准表列的，用于确定公差带相对于零线位标准表列的，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。置的上偏差或下偏差，一般为靠近零线的那个偏差。+ +0 0- -零线零线L L孔：孔：A B C CD D E EF F FG G H 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 JS K M N P R S T U V W X Y Z ZA ZB ZCZA ZB ZC轴：轴：a b c cd d e ef f fg g h 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 js k m n p r s t u v w x y z za zb zcza zb zc基本偏差系列基本偏差系列呈正态分布BCCDDEEFAFFGGHKMNPRSTUVXYZZAZBZCJS孔孔+ +0 0- -基本尺寸基本尺寸
