機(jī)械設(shè)計(jì)總論

1、第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論內(nèi)容提要本章主要分為兩部分：關(guān)于機(jī)器總體設(shè)計(jì)的概述和關(guān)于機(jī)械零件設(shè)計(jì)的概述。機(jī)器總體設(shè)計(jì)包括：機(jī)器的組成、設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序、對(duì)機(jī)器的主要要求等；機(jī)械零件設(shè)計(jì)包括：機(jī)械零件的主要失效形式、設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足的基本要求、機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則、機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟、機(jī)械零件材料的選用原則、機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化等 。學(xué)習(xí)目標(biāo)首先要從總體上建立起機(jī)器設(shè)計(jì)，尤其是機(jī)械零件設(shè)計(jì)的總括性的概念，即從機(jī)器的總體要求出發(fā)，引出對(duì)機(jī)械零件的要求，根據(jù)零件的失效形式，擬訂出設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在選擇出適用的材料后，按一定的步驟，用理論設(shè)計(jì)或經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，設(shè)計(jì)出零件來(lái)。其次，還要掌

2、握對(duì)機(jī)器和機(jī)械零件的基本要求，即：提高機(jī)器總體效益和避免失效 10/14/20221第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論本章主要分為兩部分：1)關(guān)于機(jī)器總體設(shè)計(jì)的概述機(jī)器總體設(shè)計(jì)包括：機(jī)器的組成、設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序、對(duì)機(jī)器的主要要求等；2)關(guān)于機(jī)械零件設(shè)計(jì)的概述。機(jī)械零件設(shè)計(jì)包括：機(jī)械零件的主要失效形式、設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足的基本要求、機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則、機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟、機(jī)械零件材料的選用原則、機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化等。 10/14/20222第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-1機(jī)器的組成 機(jī)器的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程人類為了滿足生產(chǎn)及生活的需要，設(shè)計(jì)和制造了類型繁多、功能各異的機(jī)

3、器。但是，只有在蒸汽機(jī)出現(xiàn)以后，機(jī)器才具有了完整的形態(tài)。我們可以如圖來(lái)概括地說(shuō)明一部完整機(jī)器的組成 。10/14/20223第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-1機(jī)器的組成-續(xù)原動(dòng)機(jī)部分:是驅(qū)動(dòng)整部機(jī)器以完成預(yù)定功能的動(dòng)力源一般來(lái)說(shuō)，它是把其它形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出絕大多數(shù)呈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，輸出一定的轉(zhuǎn)矩。原動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了如下發(fā)展過(guò)程：人力、畜力水力機(jī)、風(fēng)力機(jī)蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、電動(dòng)機(jī)執(zhí)行部分:是用來(lái)完成機(jī)器預(yù)定功能的組成部分。一部機(jī)器可以只有一個(gè)執(zhí)行部分，也可以把機(jī)器的功能分解成好幾個(gè)執(zhí)行部分。本章此后內(nèi)容自學(xué)，無(wú)作業(yè)10/14/20224第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-1機(jī)器的組成-續(xù)傳動(dòng)部

4、分用來(lái)連接原動(dòng)機(jī)部分和執(zhí)行部分，用來(lái)將原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行部分所需的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)。例如：把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)；高轉(zhuǎn)速變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速；小轉(zhuǎn)矩變?yōu)榇筠D(zhuǎn)矩等。機(jī)器的傳動(dòng)部分大多數(shù)采用機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，有時(shí)也采用液壓或電力傳動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)是絕大多數(shù)機(jī)器不可缺少的重要組成部分。隨著機(jī)器的功能越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)機(jī)器的精度要求也越來(lái)越高，所以機(jī)器除了以上三個(gè)部分外，還會(huì)不同程度地增加其它部分，例如控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等,比如汽車。10/14/20225第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-2設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序 一部機(jī)器的質(zhì)量基本上決定于設(shè)計(jì)質(zhì)量，機(jī)器的設(shè)計(jì)階段是決定機(jī)器好壞的關(guān)鍵。這里所討論

5、的設(shè)計(jì)過(guò)程僅指狹義的技術(shù)性的設(shè)計(jì)過(guò)程。它是一個(gè)創(chuàng)造性的工作過(guò)程,同時(shí)也是一個(gè)盡可能多地利用已有的成功經(jīng)驗(yàn)的工作。作為一部完整的機(jī)器，它是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。要提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，必須有一個(gè)科學(xué)的設(shè)計(jì)程序。根據(jù)人們?cè)O(shè)計(jì)機(jī)器的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)，一部機(jī)器的設(shè)計(jì)程序基本上如圖所示。 10/14/20226第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-2設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序-續(xù)1一）計(jì)劃階段 在根據(jù)生產(chǎn)或生活的需要提出所要設(shè)計(jì)的新機(jī)器后，計(jì)劃階段只是一個(gè)預(yù)備階段。此時(shí)，對(duì)所要設(shè)計(jì)的機(jī)器僅有一個(gè)模糊的概念。 在計(jì)劃階段中，應(yīng)對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)器的需求情況作充分的調(diào)查研究和分析。通過(guò)分析，進(jìn)一步明確機(jī)器所應(yīng)具有的功能，并為以后的決策提出由環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、加工

6、以及時(shí)限等各方面所確定的約束條件。在此基礎(chǔ)上，明確地寫出設(shè)計(jì)任務(wù)的全面要求及細(xì)節(jié)，最后形成設(shè)計(jì)任務(wù)書，作為本階段的總結(jié)。設(shè)計(jì)任務(wù)書大體上應(yīng)包括：機(jī)器的功能，經(jīng)濟(jì)性的估計(jì)，制造要求方面的大致估計(jì)，基本使用要求，以及完成設(shè)計(jì)任務(wù)的預(yù)計(jì)期限等。此時(shí)，對(duì)這些要求及條件一般也只能給出一個(gè)合理的范圍，而不是準(zhǔn)確的數(shù)字。例如可以用必須達(dá)到的要求、最低要求、希望達(dá)到的要求等方式予以確定。10/14/20227第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-2設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序-續(xù)2（二）方案設(shè)計(jì)階段 本階段對(duì)設(shè)計(jì)的成敗起關(guān)鍵的作用。在這一階段中充分地表現(xiàn)出設(shè)計(jì)工作有多個(gè)解的特點(diǎn)。機(jī)器的功能分析，就是要對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)書提出的機(jī)器功能各種要

7、求進(jìn)行綜合分析，即這些功能能否實(shí)現(xiàn)，多項(xiàng)功能間有無(wú)矛盾，相互間能否替代等。最后確定出功能參數(shù)，作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的依據(jù)。確定出功能參數(shù)后，即可提出可能的解決辦法，亦可提出可能采用的方案。尋求方案時(shí)，按原動(dòng)部分、傳動(dòng)部分及執(zhí)行部分分別進(jìn)行討論。如果用N1表示原動(dòng)機(jī)的可能方案數(shù)，N2和N3分別代表傳動(dòng)部分和執(zhí)行部分可能的方案數(shù)，則機(jī)器總體的可能方案數(shù)N為：N=N1N2N3在如此眾多方案中，技術(shù)上可行的僅有幾個(gè)。對(duì)這幾個(gè)可行方案，要從技術(shù)方面和經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。圖示機(jī)器經(jīng)濟(jì)性費(fèi)用曲線,總費(fèi)用最低處所對(duì)應(yīng)的機(jī)器復(fù)雜程度就是最優(yōu)的復(fù)雜程度。評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)制造經(jīng)濟(jì)性時(shí)，還可以用單位功效的成本來(lái)表示。進(jìn)

8、行機(jī)器評(píng)價(jià)時(shí)，還必須對(duì)機(jī)器的可靠性進(jìn)行分析，把可靠性作為一項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。一般來(lái)講，系統(tǒng)越復(fù)雜，可靠性越低。通過(guò)方案評(píng)價(jià)，最后進(jìn)行決策，即確定下一步技術(shù)設(shè)計(jì)的原理圖或機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。在方案設(shè)計(jì)階段，要正確處理借鑒與創(chuàng)新的關(guān)系，既要反對(duì)保守和照抄照搬，又要反對(duì)一味求新而棄用原有合理經(jīng)驗(yàn)。10/14/20228第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-2設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序-續(xù)3（三）技術(shù)設(shè)計(jì)階段 技術(shù)設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)是總裝配草圖和部件裝配草圖。通過(guò)草圖設(shè)計(jì)確定出各部件及零件的外形及基本尺寸，包括各部件間聯(lián)接零、部件的外形及基本尺寸。為確定主要零件的基本尺寸，需做以下工作：機(jī)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)確定原動(dòng)機(jī)的參數(shù)及各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參

9、數(shù)。機(jī)器的動(dòng)力學(xué)計(jì)算計(jì)算各主要零件上所收的名義載荷。零件的工作能力設(shè)計(jì)已知主要零件所收的名義載荷，即可作零、部件的初步設(shè)計(jì)，確定零、部件的基本尺寸。部件裝配草圖及總裝配草圖的設(shè)計(jì)根據(jù)已定出的主要零、部件的基本尺寸，設(shè)計(jì)出部件裝配草圖及總裝配草圖。需要全面協(xié)調(diào)各零件結(jié)構(gòu)尺寸，考慮其結(jié)構(gòu)工藝性，使全部零件有最合理的構(gòu)形。主要零件的校核 有一些零件由于具體的結(jié)構(gòu)未定,只能進(jìn)行初步計(jì)算及設(shè)計(jì)。在繪出部件裝配草圖及總裝草圖以后，所有零件的結(jié)構(gòu)及尺寸均為已知。因此，此時(shí)可以對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行精確校核。10/14/20229第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-2設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序-續(xù)4草圖設(shè)計(jì)完成以后，即可根據(jù)草圖已確定的

10、零件基本尺寸，設(shè)計(jì)零件的工作圖。按最后定型的零件工作圖上的結(jié)構(gòu)及尺寸，重新繪制部件裝配圖及總裝配圖。（四）技術(shù)文件編制階段技術(shù)文件的種類較多，常用的有機(jī)器的設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書、使用說(shuō)明書、標(biāo)準(zhǔn)件明細(xì)表等。編制設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書時(shí)，應(yīng)包括方案選擇及技術(shù)設(shè)計(jì)的全部結(jié)論性的內(nèi)容。編制用戶的機(jī)器使用說(shuō)明書時(shí)，應(yīng)向用戶介紹機(jī)器的性能參數(shù)范圍、使用操作方法、日常保養(yǎng)及簡(jiǎn)單的維修方法、備用件的目錄等。10/14/202210第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-3對(duì)機(jī)器的主要要求 設(shè)計(jì)機(jī)器的任務(wù)是在當(dāng)前技術(shù)發(fā)展所能達(dá)到的條件下，根據(jù)生產(chǎn)及生活的需要提出的。不管機(jī)器的類型如何，一般來(lái)說(shuō)，會(huì)對(duì)機(jī)器提出以下的基本要求：（一）使用功能要

11、求機(jī)器應(yīng)具有預(yù)定的使用功能。這主要靠正確地選擇機(jī)器的工作原理，正確地設(shè)計(jì)或選用能夠全面實(shí)現(xiàn)功能要求的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和原動(dòng)機(jī)，以及合理地配置必要的輔助系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。（二）經(jīng)濟(jì)性要求機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造和使用的全過(guò)程中，設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)就要全面綜合地進(jìn)行考慮。設(shè)計(jì)制造的經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)為機(jī)器的成本低，使用經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)為高生產(chǎn)率，高效率，低能耗，以及低的管理和維護(hù)費(fèi)用等。10/14/202211第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-3對(duì)機(jī)器的主要要求-續(xù)1提高設(shè)計(jì)和制造經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的主要途徑有：1）采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，使設(shè)計(jì)參數(shù)最優(yōu)化,達(dá)到盡可能精確的計(jì)算結(jié)果,保證足夠的可靠性。2）最大限度地采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化的

12、零、部件。3）盡可能采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料。4）合理地組織設(shè)計(jì)和制造過(guò)程。5）力求改善零件的結(jié)構(gòu)工藝性，使其用料少、易加工、易裝配。提高使用經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的主要途徑有：1）合理地提高機(jī)器的機(jī)械化和自動(dòng)化水平，以期提高機(jī)器的生產(chǎn)率。2）選用高效率的傳動(dòng)系統(tǒng)，盡可能減少傳動(dòng)的中間環(huán)節(jié)，以期降低能源消耗。3）適當(dāng)?shù)夭捎梅雷o(hù)及潤(rùn)滑，以延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命。4）采用可靠的密封，減少或消除滲漏現(xiàn)象。10/14/202212第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-3對(duì)機(jī)器的主要要求-續(xù)2（三）勞動(dòng)保護(hù)要求勞動(dòng)保護(hù)要求有兩層含義：1）要使機(jī)器的操作者方便和安全。因此設(shè)計(jì)時(shí)要按照人機(jī)工程學(xué)觀點(diǎn)布置各種按鈕、手柄，使操作方

13、式符合人們的心理和習(xí)慣。同時(shí)，設(shè)置完善的安全裝置、報(bào)警裝置、顯示裝置等。2）改善操作者及機(jī)器的環(huán)境。所設(shè)計(jì)的機(jī)器應(yīng)符合勞動(dòng)保護(hù)法規(guī)的要求。降低機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲水平，防止有毒、有害介質(zhì)的滲漏，對(duì)廢氣和廢液進(jìn)行治理。（四）可靠性要求機(jī)器可靠性的高低是用可靠度來(lái)衡量的。機(jī)器的可靠度R，是指在規(guī)定的使用時(shí)間內(nèi)和預(yù)定的環(huán)境條件下機(jī)器能夠正常工作的概率。機(jī)器不能正常工作，即機(jī)器由于某種故障而不能完成其預(yù)定的功能叫做失效。失效和正常工作是相互獨(dú)立的一對(duì)互斥事件。因此機(jī)器失效的概率F應(yīng)當(dāng)為：F=1-R10/14/202213第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-3對(duì)機(jī)器的主要要求-續(xù)3和機(jī)器的生產(chǎn)能力或額定功率等一樣，機(jī)器

14、的可靠性也是機(jī)器的一種固有屬性。機(jī)器出廠時(shí)已經(jīng)存在的可靠性叫做機(jī)器的固有可靠性。它在機(jī)器的設(shè)計(jì)、制造階段就已確定?？紤]到用戶的人為因素，已出廠的機(jī)器正確地完成預(yù)定功能的概率，叫做機(jī)器的使用可靠性。作為機(jī)器的設(shè)計(jì)者，當(dāng)然對(duì)機(jī)器的可靠性能起到?jīng)Q定性的作用。（五）其它專用要求對(duì)不同的機(jī)器，有其特殊要求。例如：對(duì)機(jī)床有長(zhǎng)期保持精度的要求；對(duì)飛機(jī)有質(zhì)量小，飛行阻力小而運(yùn)載能力大的要求；對(duì)流動(dòng)使用的機(jī)器有便于安裝和拆卸的要求；對(duì)大型機(jī)器有便于運(yùn)輸?shù)囊蟮鹊取?0/14/202214第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-4機(jī)械零件的主要失效形式 10/14/202215第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-4機(jī)械零件的主要失效形式-續(xù)

15、1（二）過(guò)大的殘余變形如果作用于零件上的應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服極限,零件將產(chǎn)生殘余變形。機(jī)床上夾持定位零件的過(guò)大的殘余變形，要降低加工精度；高速轉(zhuǎn)子軸的殘余撓曲變形，將增大不平衡度，并進(jìn)一步地引起零件的變形。（三）零件的表面破壞零件的表面破壞主要是腐蝕、磨損和接觸疲勞。腐蝕是發(fā)生在金屬表面的一種電化學(xué)或化學(xué)侵蝕現(xiàn)象。腐蝕的結(jié)果是使金屬表面產(chǎn)生銹蝕，從而零件表面遭到破壞。對(duì)于承受變應(yīng)力的零件，還要引起腐蝕疲勞。10/14/202216第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-4機(jī)械零件的主要失效形式-續(xù)210/14/202217第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-4機(jī)械零件的主要失效形式-續(xù)3（四）破壞正常工作條件引起的失效有

16、些零件只有在一定的工作條件下才能正常地工作。例如：液體摩擦的滑動(dòng)軸承，只有在存在完整的潤(rùn)滑油膜時(shí)才能正常地工作；帶傳動(dòng)，只有在傳遞的有效圓周力小于臨界摩擦力時(shí)才能正常地工作；高速轉(zhuǎn)子，只有其轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)的固有頻率錯(cuò)開(kāi)時(shí)才能正常地工作等。如果破壞了這些必備的條件，則將發(fā)生不同類型的失效。例如：滑動(dòng)軸承將發(fā)生過(guò)熱、膠合、磨損等形式的失效；帶傳動(dòng)將發(fā)生打滑的失效；高速轉(zhuǎn)子將發(fā)生共振從而使振幅增大，以致引起斷裂的失效等10/14/202218第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-5設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足的基本要求（一）避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求 1強(qiáng)度零件在工作中發(fā)生斷裂或不允許的殘余變形統(tǒng)屬?gòu)?qiáng)度不足。上述失效形式，

17、除了用于安全裝置中預(yù)定適時(shí)破壞的零件外，對(duì)任何零件都是應(yīng)當(dāng)避免的。因此具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度是設(shè)計(jì)零件時(shí)必須滿足的最基本條件。為了提高機(jī)械零件強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)原則上可以采用以下措施： 采用強(qiáng)度高的材料；使零件具有足夠的截面尺寸；合理地設(shè)計(jì)零件的截面形狀，以增大截面的慣性矩；采用熱處理和化學(xué)熱處理方法，以提高材料的機(jī)械強(qiáng)度特性提高運(yùn)動(dòng)零件的制造精度，以降低工作時(shí)的動(dòng)載荷；合理地配置機(jī)器中各零件相互位置，以降低作用于零件上的載荷等。10/14/202219第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-5設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足的基本要求-續(xù)12剛度 零件在工作時(shí)所產(chǎn)生的彈性變形不超過(guò)允許的限度，就叫做滿足了剛度要求。顯然，只有當(dāng)彈性變

18、形過(guò)大就要影響機(jī)器工作性能的零件，才需要滿足這項(xiàng)要求。對(duì)于這類零件，設(shè)計(jì)時(shí)除了要作強(qiáng)度計(jì)算外，還必須作剛度計(jì)算為了提高零件整體剛度，可采取如下措施：增大零件截面尺寸或增大截面的慣性矩；縮短支承跨距或采用多支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，以減小撓曲變形等。10/14/202220第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-5設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足的基本要求-續(xù)23壽命有的零件在工作初期雖然能夠滿足各種要求，但在工作一定時(shí)間后，卻可能由于某些原因而失效。這個(gè)零件正常工作延續(xù)的時(shí)間就叫零件的壽命。影響零件壽命的主要原因有：材料的疲勞，材料的腐蝕以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件接觸表面的磨損。（二）結(jié)構(gòu)工藝性要求零件具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性，是指在既定的生產(chǎn)條件下

19、，能夠方便而經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出來(lái)，并便于裝配。所以零件的結(jié)構(gòu)工藝性應(yīng)從毛坯制造、機(jī)械加工過(guò)程及裝配等幾個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)加以綜合考慮。工藝性還和批量大小及具體的生產(chǎn)條件相關(guān)。為了改善零件的工藝性，就應(yīng)當(dāng)熟悉當(dāng)前的生產(chǎn)水平及條件。對(duì)零件的結(jié)構(gòu)工藝性具有決定性影響的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在整個(gè)設(shè)計(jì)工作中占有很大的比重，因而必須予以足夠的重視10/14/202221第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-5設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足的基本要求-續(xù)3（三）經(jīng)濟(jì)性要求零件的經(jīng)濟(jì)性首先表現(xiàn)在零件本身的生產(chǎn)成本上。設(shè)計(jì)零件時(shí)，應(yīng)力求設(shè)計(jì)出耗費(fèi)（包括錢財(cái)、制造時(shí)間及人工）最少的零件。要降低零件的成本，首先要采用輕型的零件結(jié)構(gòu)，以降低材料消耗；采用少余量

20、或無(wú)余量的毛坯或簡(jiǎn)化零件結(jié)構(gòu)，以減少加工工時(shí)。這些對(duì)降低零件成本均有顯著的作用。工藝性良好的結(jié)構(gòu)就意味著加工及裝配費(fèi)用低，所以工藝性對(duì)經(jīng)濟(jì)性有著直接的影響。采用廉價(jià)而供應(yīng)充足的材料以代替貴重材料；對(duì)于大型零件采用組合結(jié)構(gòu)以代替整體結(jié)構(gòu)，都可以在降低材料費(fèi)用方面起到積極的作用。另外，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化的零、部件，就可在經(jīng)濟(jì)性方面取得很大的效益。10/14/202222第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-5設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足的基本要求-續(xù)4（四）質(zhì)量小的要求對(duì)絕大多數(shù)零件來(lái)說(shuō)，都應(yīng)當(dāng)力求減小其質(zhì)量。減小質(zhì)量有兩方面的好處：一方面可以節(jié)約材料；另一方面，對(duì)于運(yùn)動(dòng)零件來(lái)說(shuō)，可以減小慣性，改善機(jī)器的動(dòng)力性能。為了減

21、小質(zhì)量，可采取如下措施：采用緩沖裝置來(lái)降低零件上所收的沖擊載荷；采用安全裝置來(lái)限制作用在主要零件上的最大載荷；從零件上應(yīng)力較小處削減部分材料，以改善零件受力的均勻性，從而提高材料的利用率；采用與工作載荷相反方向的預(yù)載荷，以降低零件上的工作載荷；采用輕型薄壁的沖壓件或焊接件來(lái)代替鑄、鍛零件，以及采用強(qiáng)重比高的材料等。10/14/202223第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-5設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足的基本要求-續(xù)5（五）可靠性要求零件可靠度的定義與機(jī)器可靠度的定義是相同的，即在規(guī)定的使用時(shí)間內(nèi)和預(yù)定的環(huán)境條件下，零件能夠正常地完成其功能的概率。對(duì)于絕大多數(shù)機(jī)械來(lái)說(shuō),失效的發(fā)生都是隨機(jī)性的。因此，為了提高零件的

22、可靠性，就應(yīng)當(dāng)在工作條件和零件的性能兩個(gè)方面使其隨機(jī)變化盡可能地小。此外，在使用中加強(qiáng)維護(hù)和對(duì)工作條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也可以提高零件的可靠性。10/14/202224第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-6機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則 在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)零件進(jìn)行計(jì)算所依據(jù)的準(zhǔn)則，無(wú)疑地是與零件的失效形式緊密地聯(lián)系在一起的。概括地講，大體有以下準(zhǔn)則：（一）強(qiáng)度準(zhǔn)則強(qiáng)度準(zhǔn)則就是指零件中的應(yīng)力不得超過(guò)允許的限度。即：lim 其中：lim即為材料的極限應(yīng)力，對(duì)于脆性材料：取 lim B（強(qiáng)度極限），對(duì)于塑性材料：取limS（屈服極限）?？紤]到各種偶然性或難以精確分析的影響，上式右邊要除以設(shè)計(jì)安全系數(shù)(簡(jiǎn)稱安全系數(shù))，即：lim /S 即

23、式中：安全系數(shù)S為大于1的數(shù)，S過(guò)大，雖安全但浪費(fèi)材料；S過(guò)小，雖節(jié)省材料但趨危險(xiǎn)，故S的選取應(yīng)適當(dāng)。稱為許用應(yīng)力。10/14/202225第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-6機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則-續(xù)1（二）剛度準(zhǔn)則零件在載荷作用下產(chǎn)生的彈性變形量y，小于或等于機(jī)器工作性能所允許的極限值y（許用變形量），就叫做滿足了剛度要求，或符合剛度計(jì)算準(zhǔn)則。其表達(dá)式為： yy彈性變形量y可按各種變形量的理論或?qū)嶒?yàn)方法來(lái)確定，而許用變形量y則應(yīng)隨不同的使用場(chǎng)合，根據(jù)理論或經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定其合理的數(shù)值。10/14/202226第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-6機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則-續(xù)2（三）壽命準(zhǔn)則由于影響壽命的主要因素腐蝕、磨損和疲勞

24、是三個(gè)不同范疇的問(wèn)題，所以它們各自發(fā)展過(guò)程的規(guī)律也就不同。迄今為止，還沒(méi)有提出使用有效的腐蝕壽命計(jì)算方法，因而也無(wú)法列出腐蝕的計(jì)算準(zhǔn)則。關(guān)于磨損的計(jì)算方法，由于其類型眾多，產(chǎn)生的機(jī)理還未完全搞清，影響因素也很復(fù)雜，所以尚無(wú)通行的能夠進(jìn)行定量計(jì)算的方法。關(guān)于疲勞壽命，通常是求出使用壽命時(shí)的疲勞極限來(lái)作為計(jì)算的依據(jù)。10/14/202227第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-6機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則-續(xù)3（四）振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則機(jī)器中存在著很多周期性變化的激振源。例如：齒輪的嚙合，滾動(dòng)軸承中的振動(dòng)，滑動(dòng)軸承中的油膜振蕩，彈性軸的偏心轉(zhuǎn)動(dòng)等。如果某一零件本身的固有頻率與上述激振源的頻率重合或成整數(shù)倍關(guān)系時(shí)，這些零件就會(huì)

25、發(fā)生共振，以致使零件破壞或機(jī)器工作關(guān)系失常等。所謂振動(dòng)穩(wěn)定性，就是說(shuō)在設(shè)計(jì)時(shí)要使機(jī)器中受激振作用的各零件的固有頻率與激振源的頻率錯(cuò)開(kāi)。例如，令f代表零件的固有頻率，fp代表激振源的頻率，則通常應(yīng)保證如下的條件： 0.85ffp 或 1.15ffp 如果不能滿足上述條件，則可改變零件及系統(tǒng)的剛性，改變支承位置，增加或減少輔助支承等辦法來(lái)改變f值。把激振源與零件隔離，使激振的周期性改變的能量不傳遞到零件上去；或采用阻尼以減小受激振動(dòng)零件的振幅，都會(huì)改善零件的振動(dòng)穩(wěn)定性。10/14/202228第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-6機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則-續(xù)4（五）可靠性準(zhǔn)則 如有一大批某種零件，其件數(shù)為No在一定

26、的工作條件下進(jìn)行試驗(yàn)。如在t時(shí)間后仍有N件在正常地工作，則此零件在該工作環(huán)境條件下工作t時(shí)間的可靠度R可表示為：R=N/No如果試驗(yàn)時(shí)間不斷延長(zhǎng)，則N將不斷地減小，故可靠度也將改變。這就是說(shuō)，零件的可靠度是一個(gè)時(shí)間的函數(shù)。零件或部件的失效率f(t)與時(shí)間t的關(guān)系見(jiàn)圖所示。早期失效階段，失效率由很高的數(shù)值急劇地下降到某一穩(wěn)定的數(shù)值。引起這一階段失效率特別高的原因是零、部件存在的初始缺陷。正常使用階段如果發(fā)生失效，一般是由偶然的原因引起的，故其發(fā)生是隨機(jī)性的，失效率則表現(xiàn)為一常數(shù)。損壞階段主要是由于長(zhǎng)期的使用而使零件發(fā)生磨損、疲勞裂紋擴(kuò)展等原因，使失效率急劇地增加。表征失效率的另一個(gè)指標(biāo)是兩次失效

27、間的平均工作時(shí)間MTBF10/14/202229第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-7機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法 (一)理論設(shè)計(jì)根據(jù)長(zhǎng)期總結(jié)出來(lái)的設(shè)計(jì)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所進(jìn)行的設(shè)計(jì)，稱為理論設(shè)計(jì)?，F(xiàn)以簡(jiǎn)單受拉桿件的強(qiáng)度計(jì)算為例來(lái)討論理論設(shè)計(jì)的概念。設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)度計(jì)算公式為：lim/S或F/Alim/S 式中：F作用于拉桿上的外載荷；A拉桿橫截面面積；lim拉桿材料的極限應(yīng)力；S設(shè)計(jì)安全系數(shù)（簡(jiǎn)稱為安全系數(shù)）1設(shè)計(jì)計(jì)算由公式直接求出桿件必須的橫截面尺寸A，即： ASF/ lim 2校核計(jì)算在按其它辦法初步設(shè)計(jì)出桿件橫截面尺寸后,可選用下列四式之一進(jìn)行校核計(jì)算：F/A FlimA/SSca=lim/S limS 式中：Sca

28、為安全系數(shù)計(jì)算值，或簡(jiǎn)稱為計(jì)算安全系數(shù)。設(shè)計(jì)計(jì)算多用于能通過(guò)簡(jiǎn)單的力學(xué)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)的零件；校核計(jì)算則多用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)力分布較復(fù)雜，但又能用現(xiàn)有的應(yīng)力分析方法（以強(qiáng)度為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則時(shí)）或變形分析方法（以剛度為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則時(shí)）進(jìn)行計(jì)算的場(chǎng)合。10/14/202230第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-7機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則-續(xù)(二)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)對(duì)某類零件已有的設(shè)計(jì)與使用實(shí)踐而歸納出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，或根據(jù)設(shè)計(jì)者本人的工作經(jīng)驗(yàn)用類比的方法所進(jìn)行的設(shè)計(jì)叫做經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。這對(duì)那些使用要求不大變動(dòng)而結(jié)構(gòu)形狀已典型化的零件，是很有效的設(shè)計(jì)方法。例如箱體、機(jī)架、傳動(dòng)零件的各結(jié)構(gòu)要素等。(三)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)于一些尺寸巨大而機(jī)構(gòu)又很復(fù)雜的

29、重要零件，尤其是一些重型整體機(jī)械零件，為了提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，可采用模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法。即把初步設(shè)計(jì)的零、部件或機(jī)器作成小模型或小尺寸樣機(jī)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的手段對(duì)其各方面的特性進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行逐步的修改，從而達(dá)到完善。這樣的設(shè)計(jì)叫做模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。10/14/202231第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-8機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟機(jī)械零件的設(shè)計(jì)大體要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：1）根據(jù)零件的使用要求，選擇零件的類型和結(jié)構(gòu)。為此，必須對(duì)各種零件的不同用途、優(yōu)缺點(diǎn)、特性與使用范圍等，進(jìn)行綜合對(duì)比并正確選用。2）根據(jù)機(jī)器的工作要求，計(jì)算作用在零件上的載荷。3）根據(jù)零件的工作要求及對(duì)零件的特殊要求，選擇適當(dāng)?shù)牟牧稀?）根

30、據(jù)零件可能的失效形式確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則5）根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算,確定出零件的基本尺寸.6）根據(jù)工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化等原則進(jìn)行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。7）細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)完成后，必要時(shí)進(jìn)行詳細(xì)的校核計(jì)算，判定結(jié)構(gòu)的合理性。8）畫出零件的工作圖，并寫出計(jì)算說(shuō)明書。10/14/202232第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-8機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟 -續(xù)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于數(shù)值的計(jì)算除少數(shù)與幾何尺寸精度要求有關(guān)外，對(duì)于手算工作一般以兩、三位有效數(shù)字的計(jì)算精度為宜。必須再度強(qiáng)調(diào)指出，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械零件的重要設(shè)計(jì)內(nèi)容之一，在有些情況下，它占用了設(shè)計(jì)工作量中的一個(gè)較大比例，一定要給予足夠的重視。繪制的零件工作圖應(yīng)完全符合制圖標(biāo)準(zhǔn)，并滿足加工

31、的要求。寫出的設(shè)計(jì)說(shuō)明書要條理清晰，語(yǔ)言簡(jiǎn)練，數(shù)字正確，格式統(tǒng)一，并附有必要的結(jié)構(gòu)草圖和計(jì)算草圖。重要的引用數(shù)據(jù)，一般要指明來(lái)源出處。對(duì)于重要的計(jì)算結(jié)果，要寫出簡(jiǎn)短的結(jié)論。10/14/202233第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-9機(jī)械零件的材料及其選用原則機(jī)械零件所使用的材料是多種多樣的，但是金屬材料，尤其是黑色金屬材料，應(yīng)用得最多和最廣。此外各種新技術(shù)材料，如高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料等，在機(jī)械中的應(yīng)用也將逐漸增多。以下是選擇材料的一般原則，作為選擇材料的依據(jù):1.載荷的大小和性質(zhì)，應(yīng)力大小、性質(zhì)及其分布狀況這方面的因素主要是從強(qiáng)度觀點(diǎn)來(lái)考慮的，應(yīng)在充分了解材料的機(jī)械性能的前提下來(lái)進(jìn)行選擇。脆性

32、材料原則上只適用于制造在靜載荷下工作的零件。在有沖擊的情況下，應(yīng)選擇塑性材料。金屬材料的性能一般可以通過(guò)熱處理加以提高和改善，因此，要充分利用熱處理手段來(lái)發(fā)揮材料的潛力。對(duì)于常用的調(diào)質(zhì)鋼，由于其回火溫度的不同，可得到力學(xué)性能不同的毛坯。10/14/202234第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-9機(jī)械零件的材料及其選用原則 -續(xù)12.零件的工作情況 零件的工作情況是指零件所處的環(huán)境特點(diǎn)、工作溫度、摩擦磨損的程度等。在濕熱環(huán)境下工作的零件，其材料應(yīng)有良好的防銹和耐腐蝕的能力，例如選用不銹鋼、銅合金等。工作溫度對(duì)材料選擇的影響，一方面要考慮互相配合的兩零件的材料的線膨脹系數(shù)不能相差過(guò)大，以免在溫度變化時(shí)產(chǎn)生過(guò)

33、大的熱應(yīng)力，或者使配合松動(dòng)；另一方面要考慮材料的機(jī)械性能隨溫度而變化的情況。零件在工作中有可能發(fā)生磨損之處，要提高其表面硬度，以增加耐磨性。因此，應(yīng)選擇適于進(jìn)行表面處理的淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼等品種。3.零件的尺寸及質(zhì)量零件的尺寸及質(zhì)量的大小與材料的品種及毛坯制取方法有關(guān)。用鑄造材料制造毛坯時(shí)，一般可以不受尺寸及質(zhì)量大小的限制；而用鍛造材料制造毛坯時(shí)，則須注意鍛壓機(jī)械及設(shè)備的生產(chǎn)能力。此外，零件尺寸和質(zhì)量的大小還和材料的強(qiáng)重比有關(guān)，應(yīng)盡可能選用強(qiáng)重比大的材料，以便減小零件的尺寸和質(zhì)量。10/14/202235第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-9機(jī)械零件的材料及其選用原則 -續(xù)24.零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度及材

34、料的加工可能性結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件宜選用鑄造毛坯，或用板材沖壓出元件后再經(jīng)焊接而成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的零件可用鍛造法制取毛坯。對(duì)材料工藝性的了解，在判斷加工可能性方面起著重要的作用。鑄造材料的工藝性是指材料的液態(tài)流動(dòng)性、收縮率、偏析程度及產(chǎn)生縮孔的傾向性等。鍛造材料的工藝性是指材料的延展性、熱脆性及冷態(tài)和熱態(tài)下塑性變形的能力等。焊接材料的工藝性是指材料的焊接性及焊縫產(chǎn)生裂紋的傾向性等。材料的熱處理工藝性是指材料的可淬性、淬火變形傾向性及熱處理介質(zhì)對(duì)它的滲透能力等。冷加工工藝性是指材料的硬度、易切削性、冷作硬化程度及切削后可能達(dá)到的表面粗糙度等。10/14/202236第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-9機(jī)械零件的材料

35、及其選用原則 -續(xù)35.材料的經(jīng)濟(jì)性材料的經(jīng)濟(jì)性主要表現(xiàn)在以下幾方面： 材料本身的相對(duì)價(jià)格。 材料的加工費(fèi)用。 材料的利用率。 采用組合結(jié)構(gòu)。 節(jié)約稀有材料。6.材料的供應(yīng)狀況選材時(shí)還應(yīng)考慮到當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)夭牧系墓?yīng)狀況。為了簡(jiǎn)化供應(yīng)和貯存的材料品種，對(duì)于小批制造的零件，應(yīng)盡可能地減少同一部機(jī)器上使用的材料品種和規(guī)格。10/14/202237第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-10機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化三化是一項(xiàng)重要的技術(shù)政策,“三化”程度是評(píng)定產(chǎn)品的指標(biāo)之一。標(biāo)準(zhǔn)化尤為重要：很多零部件由專門化生產(chǎn)選用。分級(jí)：ISO(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn))、GB(國(guó)標(biāo))、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。10/14/20223

36、8第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-11機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法通常是相對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法而言的。由于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法正在不斷發(fā)展，人們對(duì)它的內(nèi)涵看法不一，尚無(wú)明確的界域。但對(duì)其特征和發(fā)展動(dòng)向，可總體上概括為力求運(yùn)用現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)、應(yīng)用物理、微電子學(xué)及信息科學(xué)等方面的最新成果與手段實(shí)現(xiàn)下述某些方面的轉(zhuǎn)化：）以動(dòng)態(tài)的取代靜態(tài)的如以機(jī)器結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算取代靜力學(xué)計(jì)算；以實(shí)時(shí)在線測(cè)試數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)依據(jù)等。）以定量的取代定性的如以有限元法或邊界元法計(jì)算箱體的尺寸和剛度取代經(jīng)驗(yàn)類比法的設(shè)計(jì)。）以變量取代常量如可靠性設(shè)計(jì)中用隨機(jī)變量取代傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中當(dāng)作常量的粗略處理方法。）以優(yōu)化設(shè)計(jì)取代可行性設(shè)計(jì)用相關(guān)的設(shè)計(jì)變量恰當(dāng)?shù)亟⒃O(shè)計(jì)目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，從眾多的可行解（方案）中尋求其最優(yōu)解。10/14/202239第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論2-11機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介 -續(xù)1）以并行設(shè)計(jì)取代串行設(shè)計(jì)并行設(shè)計(jì)（CD：concurrent design,也稱為并行工程CE：concurrent en