機械零件設計總論課件

§2-1機器的組成§2-2設計機器的一般程序§2-3對機器的主要要求§2-4機械零件的主要失效形式§2-5設計機械零件時應滿足的基本要求§2-6機械零件的計算準則§2-7機械零件的設計方法§2-8機械零件設計的一般步驟§2-9機械零件材料的選用原則§2-10機械零件設計中的標準化§2-11機械現(xiàn)代設計方法簡介第2章機械零件設計概論華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制人們?yōu)榱藵M足生產和生活的需要，研制了類型繁多、功能各異的機器。尤其是蒸汽機出現(xiàn)之后，使機器具有了完整的形態(tài)。一臺完整的機器的組成如下：原動機部分傳動部分執(zhí)行部分潤滑、顯示、照明等輔助部分控制系統(tǒng)傳感器傳感器傳感器§2-1機器的組成華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制原動部分－機器完成預定功能的動力源，最常見的是

內燃機、電動機。執(zhí)行部分－完成預定的動作，位于傳動路線的終點。

傳動部分－聯(lián)接原動機和執(zhí)行部分的中間部分。

控制部分－保證機器的啟動、停止和正常協(xié)調動作。傳感部分－將機器的工作參數，如位移、速度、加速度、溫度、壓力等反饋給控制部分。輔助部分－包括機器的潤滑、顯示、照明等。也是保證機器正常工作不可缺少的部分華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制設計任務書機器的功能經濟性估計制造要求的大致估計基本使用要求預計的設計周期二、方案設計階段對機器的功能進行綜合分析、確定功能參數、提出實現(xiàn)方案。在制定功能參數時一定要注意恰當處理需要與可能、理想與現(xiàn)實、長遠目標與當前目標等之間的關系。一般而言，實現(xiàn)同一個功能，有多種可能的方案。以螺紋制造為例：有車削、滾壓、板牙加工等方法。方法不同，其執(zhí)行部分的工作原理也不同。因此，存在一個方案的比較和取舍問題。華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制方案評價原則：經濟性、技術上可行。總費用設計制造費用使用費用費用復雜程度經濟性----總費用最低。方案設計階段要正確處理好借鑒與創(chuàng)新的關系。同類機器的成功的先例應當借鑒，但其中的薄弱環(huán)節(jié)和不符合現(xiàn)有任務要求的部分應當加以改進或替換。一味求新而把合理的原有經驗棄置不用保守和照搬原有設計堅決反對三、技術設計階段繪制總裝配草圖、部件裝配草圖，由草圖確定零部件的外形、基本尺寸和零件工作圖。華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制為了確定零件的基本尺寸，必須完成以下工作：1）機器的運動學設計2）機器的動力學設計3）零件的工作能力設計4）部件裝配草圖及總裝配草圖的設計----結構設計5）主要零件的校核計算確定原動機的參數（功率、轉速、線速度等）。求解構件的運動參數（轉速、速度、加速度等）。計算構件所受公稱載荷（名義載荷）的大小和特性。由公稱載荷大小和特性，根據工作能力準則作零部件的初步設計。通過計算或類比得出零件的基本尺寸。以結構設計尺寸為依據，對零件進行精確的受力分析和工作能力校核計算華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制技術設計方案設計計劃提出任務分析對機器的要求確定任務要求機器功能分析提出可能的解決辦法組合幾種可能的方案決策----選定方案明確構形要求結構化選擇材料、確定尺寸零件設計編制技術文件評價決策—確定結構形狀與尺寸評價部件設計總體設計機器設計的一般流程華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制設計機器的任務是在當前技術發(fā)展所能達到的條件下，根據生產及生活的需要提出的。不管機器的類型如何，一般來說，對機器都要提出以下的基本要求：▲使用功能要求§2-3對機器的主要要求使用功能要求----機器應具有預定的使用功能。這主要靠正確地選擇機器的工作原理，正確地設計或選用能夠全面實現(xiàn)功能要求的執(zhí)行機構、傳動機構和原動機，以及合理地配置必要的輔助系統(tǒng)來實現(xiàn)。----在滿足預期功能的前提下，要求性能好、效率高、成本低，造型美觀，在預定使用期限內要安全可靠，操作方便、維修簡單。具體要求如下：▲經濟性要求▲勞動保護要求▲可靠性要求▲其它專用要求華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制經濟性要求----機器的經濟性體現(xiàn)在設計、制造和使用的全過程中，設計機器時就要全面綜合地進行考慮。設計制造的經濟性表現(xiàn)為機器的成本低，使用經濟性表現(xiàn)為高生產率，高效率，低能耗，以及低的管理和維護費用等?！褂霉δ芤蟆洕砸蟆鴦趧颖Ｗo要求▲可靠性要求▲其它專用要求華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制1）合理地提高機器的機械化和自動化水平，以期提高機器的生產率。提高使用經濟性指標的主要途徑有:2）選用高效率的傳動系統(tǒng)，盡可能減少傳動的中間環(huán)節(jié)，以期降低能源消耗。3）適當地采用防護及潤滑，以延長機器的使用壽命。4）采用可靠的密封，減少或消除滲漏現(xiàn)象。華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制1)要使機器的操作者方便和安全。因此設計時要按照人機工程學的觀點布置各種按鈕、手柄，使操作方式符合人們的心理和習慣。同時，設置完善的安全裝置、報警裝置、顯示裝置等。2）改善操作者及機器的環(huán)境。所設計的機器應符合勞動保護法規(guī)的要求。降低機器運轉時的噪聲水平，防止有毒、有害介質的滲漏，對廢水、廢氣和廢液進行治理?！褂霉δ芤蟆洕砸蟆鴦趧颖Ｗo要求▲可靠性要求▲其它專用要求華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制機器的可靠度----指在規(guī)定的使用時間內和預定的環(huán)境下機器能夠正常工作的概率。機器由于某種故障而不能完成預定的功能稱為失效，它是隨機發(fā)生的，其原因是零件所受的載荷、環(huán)境溫度、零件本身物理和機械性能等因素是隨機變化的。為了提高零件的可靠性，就應當在工作條件和零件性能兩個方面使其變化盡可能小。▲使用功能要求▲經濟性要求▲勞動保護要求▲可靠性要求▲其它專用要求華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制機械零件的失效：機械零件曲于某種原因不能正常工作時，稱為失效。工作能力----在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是對載荷而言，所以習慣上又稱為：承載能力。例如：發(fā)生強烈的振動；聯(lián)接的松弛;摩擦傳動的打滑等?！?-4機械零件的主要失效形式整體斷裂;過大的殘余變形;工作表面的過度磨損或損傷;破壞正常的工作條件;零件的失效形式如軸、齒輪、軸瓦、軸頸、螺栓、帶傳動等。機械零件雖然有多種可能的失效形式，歸納起來最主要的為華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制機械零件失效的實例：齒輪輪齒折斷軸承內圈破裂軸承外圈塑性變形輪齒塑性變形華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制齒面接觸疲勞軸瓦磨損失效原因:強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、溫度等原因。統(tǒng)計結果顯示：斷裂僅占4.79%;腐蝕、磨損、疲勞破壞占73.88%。--主要失效原因。華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制提高零件強度的措施有：▲采用高強度的材料；▲使零件具有足夠的截面尺寸；▲合理設計零件的截面形狀，增大慣性矩；▲采用熱處理和化學處理方法提高材料的強度性能；▲提高零件的制造精度，以減少工作時的動載荷；▲合理配置零件的相對位置，以降低零件的載荷。1.強度要求2.剛度要求零件在工作時的彈性變形不能超過允許的范圍稱為零件的剛度要求。華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制提高零件剛度的措施有：▲增大零件的截面尺寸或增大慣性矩；▲縮短支承的跨距或采用多點支承。3.壽命要求影響零件壽命的主要因素有：大部分零件工作在變應力下，故疲勞破壞是引起零件破壞的主要原因。影響疲勞強度的因素有：疲勞破壞腐蝕磨損▲應力集中；▲零件的尺寸大??；▲零件表面質量及環(huán)境狀況：零件處在腐蝕性介質中工作時，可能使材料遭到腐蝕。華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制抗腐蝕的措施有：▲表面發(fā)蘭（發(fā)黑）；▲表面鍍層；▲表面涂漆；▲表面陽極化。二、結構工藝性要求零件工藝性良好的標志----在具體的生產條件下，零件要便于加工而加工費用又很低。工藝性的基本要求：1)毛坯選擇合理制備方法：選用型材、鑄造、鍛造、沖壓和焊接等。毛坯選擇與生產批量、材料性能和加工可能性有關。單件或小批量生產時，選用棒料、板材、型材或焊件。大批量生產時，往往選用鑄造、鍛造、沖壓等方法。華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制三、經濟性要求零件的經濟性首先表現(xiàn)在零件的生產制造成本上?！喕慵慕Y構，降低材料消耗；▲采用無余量、少余量的毛坯，減少加工工時；▲采用廉價而充足的材料代替昂貴材料；▲大型零件采用組合結構而非整體結構；▲盡量采用標準件。四、質量小的要求減小質量的好處：節(jié)約材料；減小慣性，改善機器的動力性能。減小質量的措施：▲采用緩沖裝置來降低零件所受沖擊載荷；華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制減小質量的措施：▲采用緩沖裝置來降低零件所受沖擊載荷；▲采用安全裝置來限制作用在零件所受最大載荷；▲從零件應力較小處削減部分材料，以改善零件受力的均勻性，提高材料的利用率；▲采用與工作載荷方向相反的預載荷，以降低零件的工作載荷；▲采用輕型薄璧沖壓件或焊接件代替鑄造、鍛壓件；▲采用強重比高的材料。五、可靠性要求零件的實效是隨機發(fā)生的，其原因是零件所受的載荷、環(huán)境溫度、零件本身物理和機械性能等因素是隨機變化的。為了提高零件的可靠性，就應當在工作條件和零件性能兩個方面使其變化盡可能小。華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制三、壽命準則影響零件使用壽命的因素主要是腐蝕、磨損和疲勞，前兩者還沒有成熟的計算方法，工程中通常是求出使用壽命時的疲勞極限作為計算的依據。四、振動穩(wěn)定性準則保證機器中受激振零件的固有頻率與激振源的頻率錯開，即要求：0.85f>fp或1.15f<fp如果不滿足條件，可采取如下措施：▲改變零件及系統(tǒng)剛性；▲增減支承；▲調整支承的位置；▲隔離激振源；▲采用阻尼元件以減小零件的振幅。華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制五、可靠性準則可靠度的定義：對件數為N0的一批零件進行試驗，經過時間t之后有N件仍能正常工作，則該零件在該試驗環(huán)境條件下工作時間t的可靠度定義為：R=N

/N0若t↑→R

↓→N↓----R是時間的函數。若在時間t+dt內，又有dN個零件失效，則dt內零件的失效的比率定義為：---失效率“-”表示dN的增大將使N減少。分離變量并積分得：華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制即：零件可靠度的另一個指標是兩次失效之間的平均無故障時間m（MTBF），m與λ的關系為:M=1/λ華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制§2-7機械零件的設計方法常規(guī)設計方法是指采用一定的理論分析和計算，結合人們在長期的設計和生產實踐中總結出的方法、公式、圖表等進行設計的方法。機械零件的設計方法常規(guī)設計方法現(xiàn)代設計方法理論設計經驗設計模型實驗設計1)理論設計----根據長期的總結出來的設計理論和實驗數據所進行的設計。華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制以受拉桿為例，強度計算公式為：σ

≤

σlim/S或F/A

≤

σlim/SF----拉力，A----截面積。設計計算：A≥FS/σlim校核計算有四種可選方式：σ=F/A

≤[σ]

F≤

A

[σ]Sca=σlim/σ≥Sσlim

≥SσSca----計算安全系數華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制經驗設計-----根據對某類零件已有的設計與使用實踐而歸納出的經驗公式，或根據設計者本人的設計經驗用類比的方法所進行的設計。這對于那些使用要求變化不大而結構形狀已典型化的零件，是很有效的設計方法。例如：箱體、機架、傳動件的結構要素等。機械零件的設計方法常規(guī)設計方法現(xiàn)代設計方法理論設計經驗設計模型實驗設計華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制模型實驗設計-----把初步設計的零、部件或機器做成小模型或小尺寸樣機，經過試驗的手段對其特性進行檢驗，根據實驗結果再對設計進行逐步修改，達到完善。機械零件的設計方法常規(guī)設計方法現(xiàn)代設計方法理論設計經驗設計模型實驗設計這種方法對于那些尺寸巨大而結構又很復雜的重要零件的設計是一種很有效的方法。華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制現(xiàn)代設計方法是指在近二、三十年發(fā)展起來的更為完善、科學、計算精度高、設計與計算速度更快的機械設計方法。優(yōu)化設計可靠性設計計算機輔助設計機械零件的設計方法常規(guī)設計方法現(xiàn)代設計方法理論設計經驗設計模型實驗設計華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制§2-8機械零件設計的一般步驟1)根據零件的使用要求，選擇零件的類型和結構。為此，必須對各種零件的不同類型、優(yōu)缺點、特性和使用范圍等，進行綜合對比與正確選用。2)根據機器的工作要求，計算作用在零件上的載荷。3)根據零件的工作條件及對零件的特殊要求(如高溫環(huán)境等)選擇適當的材料。4)根據零件的失效形式，確定零件的計算準則，通過計算，確定零件的基本尺寸。5)根據工藝性和標準化，進行零件的結構設計。6)細節(jié)設計完成之后，必要時]進行詳細的校核計算，以判定結構的合理性。7)繪制零件工作圖，并撰寫計算說明書。華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制選擇零件類型、結構寫出計算說明書畫出零件工作圖校核計算計算零件上的載荷確定計算準則選擇零件的材料確定零件的基本尺寸結構設計零件的設計流程圖：華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼金屬材料一、常用材料低碳鋼(08F)中碳鋼(45)高碳鋼(60)合金鋼(1Cr18）…灰鑄鐵(TH300)球墨鑄鐵(QT500-5)…§2-9機械零件材料的選用原則鋁合金(LY12)銅合金(ZCuSn10P1)鑄鐵--灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。特點：良好的液態(tài)流動性，可鑄造成形狀復雜的零件。較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低廉。應用：應用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼金屬材料一、常用材料低碳鋼(08F)中碳鋼(45)高碳鋼(60)合金鋼(1Cr18）…灰鑄鐵(TH300)球墨鑄鐵(QT500-5)…§2-9機械零件材料的選用原則鋁合金(LY12)銅合金(ZCuSn10P1)鋼--低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼、結構鋼、工具鋼、特殊鋼(不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)、鑄鋼等。特點：與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性?？捎脽崽幚矸椒ǜ纳破淞W性能和加工性能。華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制鋼的選用原則：優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。鋼制零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。應用：應用范圍極其廣泛。表3-1常用材料的相對價格材料種類規(guī)格相對價格熱軋圓剛碳素結構鋼Q235（φ33~42）1鑄件優(yōu)質碳素鋼（φ29~50）1.5~1.8合金結構鋼（φ29~50）1.7~2.5滾動軸承鋼（φ29~50）3合金工具鋼（φ29~50）3~204Cr9Si2耐熱鋼（φ29~50）5灰鑄鐵鑄件0.85碳素鋼鑄件1.7銅合金、鋁合金鑄件8~10價格便宜且供應充分我國資源豐富

華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼金屬材料低碳鋼(08F)中碳鋼(45)高碳鋼(60)合金鋼(1Cr18）…灰鑄鐵(TH300)球墨鑄鐵(QT500-5)…鋁合金(LY12)銅合金(ZCuSn10P1)銅合金-銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳特點：具有良好的塑性和液態(tài)流動性。青銅合金還具有良好的減摩性和抗腐蝕性。青銅黃銅軸承合金（巴氏合金）-含錫青銅、不含錫青銅華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造。應用：應用范圍廣泛。高分子材料復合材料陶瓷非金屬材料---塑料、橡膠、合成纖維。---強如鋼、輕如鋁、硬如金剛石。--強度高、彈性模量大、質量輕。橡膠--橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。塑料--塑料的比重小，易于制成形狀復雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數大等，所以近年來在機械制造中其應用日益廣泛。

華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制▲載荷及應力的大小和性質▲零件的工作情況▲零件的結構及加工性▲材料的經濟性▲零件的尺寸及重量二、機械零件材料的選用原則適用于制作機械零件的材料種類非常之多，在設計機械零件時，如何從各種各樣的材料中選擇出合適的材料，是一項受多方面因素所制約的復雜的工作。設計者應根據零件的用途、工作條件和材料的物理、化學、機械和工藝性能以及經濟因素等進行全面考慮。

選材的一般原則華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制脆性材料----只適用于制造在靜載荷下工作的零件；1.載荷及應力的大小和性質2.零件的工作情況--指零件所處的環(huán)境特點、工作溫度、摩擦磨損程度等。這方面的因素主要是從強度觀點來考慮的，應在充分了解材料的機械性能的前提下來進行選擇。金屬材料的性能一般可以通過熱處理加以提高和改善，因此，要充分利用熱處理手段來發(fā)揮材料的潛力。對于常用的調質鋼，由于其回火溫度的不同，可得到機械性能不同的毛坯。塑性材料----適用于在有沖擊情況下工作的零件?！跐駸岘h(huán)境下工作的零件，其材料應具有良好防腐蝕能力，可選用不銹鋼、銅合金等。華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制零件的尺寸及質量的大小與材料的品種及毛坯制取方法有關。3.零件的尺寸及重量▲兩配合零件的線性膨脹系數不能相差過大，一面在溫度變化時產生過大熱應力或使配合松動，另一方面要考慮材料機械性能隨溫度而變化的情況?！慵诠ぷ髦锌赡馨l(fā)生磨損的表面，應提高其表面硬度，增加耐磨性，因此應選擇淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼?！描T造材料制造毛坯時，一般可以不受尺寸及質量大小的限制；▲而用鍛造材料制造毛坯時，則須注意鍛壓機械及設備的生產能力?！鴳M可能選用強重比大的材料，以便減小零件的尺寸和質量。華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制▲材料的加工費用;5.材料的經濟性選材時還應考慮到當時當地材料的供應狀況。為了簡化供應和貯存的材料品種，對于小批制造的零件，應盡可能地減少同一部機器上使用的材料品種和規(guī)格。6.材料的供應狀況材料的經濟性主要表現(xiàn)在以下幾方面：

▲材料本身的相對價格;▲材料的利用率;▲采用組合結構;▲節(jié)約稀有材料。各種材料的化學成分和力學性能可在相關國標、行標和機械設計手冊中查得。為了材料供應和生產管理上的方便，應盡量減少一臺機器所用材料的品種。華中農業(yè)大學專用潘存云教授研制表2-2常用鋼鐵材料的牌號及力學性能材料力學性能試件尺寸類別牌號強度極限σB屈服極限σS延伸率%mmQ215335-41021531碳素結構鋼Q235375-46023526d≤16Q275490-610275202041024525優(yōu)質碳素結構鋼3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金結構鋼40Cr9817859d≤2520CrMnTi107983410d≤1560Mn9817858d≤80ZG270-50050027018鑄鋼ZG310-57057031015d≤100ZG42SiMn60038012HT150145----灰鑄鐵HT200195----HT250240----壁厚10~20QT400-1540025015球墨鑄鐵QT500-75003207QT600-36003703壁厚30~200華中農業(yè)大學專用