第1章-2 機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論

1.２機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求

機(jī)械設(shè)計(jì)包括以下兩種設(shè)計(jì):應(yīng)用新技術(shù)、新方法開發(fā)創(chuàng)造新機(jī)械；在原有機(jī)械的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)或進(jìn)行局部改造。設(shè)計(jì)機(jī)械零件的基本要求工作可靠并且成本低廉;零件的工作能力是指零件在一定的工作條件下抵抗可能出現(xiàn)的失效的能力，對(duì)載荷而言稱為承載能力。失效:指零件由于某些原因不能正常工作。１.２機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則及一般設(shè)計(jì)步驟

設(shè)計(jì)機(jī)械零件要注意以下幾點(diǎn)：（1）合理選擇材料，降低材料費(fèi)用；（2）保證良好的工藝性，減少制造費(fèi)用；（3）盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程從而降低成本。1.２.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求

1.2.2機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容與步驟現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法：常規(guī)設(shè)計(jì)方法：優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、有限元設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等。機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程通?？煞譃橐韵聨讉€(gè)階段：（1）產(chǎn)品規(guī)劃（2）方案設(shè)計(jì)（3）技術(shù)設(shè)計(jì)（4）制造及試驗(yàn)產(chǎn)品規(guī)劃的主要工作是提出設(shè)計(jì)任務(wù)和明確設(shè)計(jì)要求。由設(shè)計(jì)人員構(gòu)思出多種可行方案進(jìn)行分析比較，從中優(yōu)選出一種方案。設(shè)計(jì)結(jié)果以工程圖及計(jì)算書的形式表達(dá)出來(lái)。經(jīng)過(guò)加工、安裝及調(diào)試制造出樣機(jī)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試運(yùn)行或在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)試用。1.2.2機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容與步驟1.2.2機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容與步驟設(shè)計(jì)機(jī)械零件的一般步驟如下：（1）根據(jù)機(jī)器的具體運(yùn)轉(zhuǎn)情況和簡(jiǎn)化的計(jì)算方案確定零件的載荷。（2）根據(jù)零件工作情況的分析，判定零件的失效形式，從而確定其計(jì)算準(zhǔn)則。（3）進(jìn)行主要參數(shù)選擇，選定材料，根據(jù)計(jì)算準(zhǔn)則求出零件的主要尺寸，考慮熱處理及結(jié)構(gòu)工藝性要求等。（4）進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（5）繪制零件工作圖，制訂技術(shù)要求，編寫計(jì)算說(shuō)明書及有關(guān)技術(shù)文件。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，這些步驟又是相互交錯(cuò)、反復(fù)進(jìn)行的。1.2.2機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容與步驟在設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)往往是將較復(fù)雜的實(shí)際工作情況進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，這些計(jì)算或多或少帶有一定的條件性或假定性。條件性計(jì)算：1.2.3機(jī)械零件的失效形式及設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則機(jī)械零件喪失預(yù)定功能或預(yù)定功能指標(biāo)降低到許用值以下的現(xiàn)象機(jī)械零件的失效：進(jìn)行機(jī)械零件設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)零件的失效形式分析失效的原因，提出防止或減輕失效的措施，根據(jù)不同的失效形式提出不同的設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則。失效形式1.斷裂2.過(guò)量變形3.表面失效4.破壞正常工作條件引起的失效失效形式同一零件對(duì)于不同失效形式的承載能力也各不相同。根據(jù)不同的失效原因建立起來(lái)的工作能力判斷條件，稱為設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則。1.強(qiáng)度準(zhǔn)則（整體強(qiáng)度和表面強(qiáng)度）整體強(qiáng)度的判斷準(zhǔn)則表示為：或表面接觸強(qiáng)度的判斷準(zhǔn)則表示為：應(yīng)力表示法：安全系數(shù)表示法：接觸應(yīng)力表示法：擠壓應(yīng)力表示法：1.2.3機(jī)械零件的失效形式及設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則2.剛度準(zhǔn)則零件在載荷作用下產(chǎn)生的彈性變形量應(yīng)小于或等于機(jī)器工作性能允許的極限值。3.耐磨性準(zhǔn)則4.散熱性準(zhǔn)則5.可靠性準(zhǔn)則1.2.4機(jī)械零件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化標(biāo)準(zhǔn)件：按規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的零件。好處：（1）由專門化工廠大量生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件，能保證質(zhì)量、節(jié)約材料、降低成本；（2）選用標(biāo)準(zhǔn)件可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期；（3）選用參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的零件，在機(jī)械制造過(guò)程中可以減少刀具和量具的規(guī)格；（4）具有互換性，從而簡(jiǎn)化機(jī)器的安裝和維修。1.2.4機(jī)械零件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化

通用化：在不同規(guī)格的同類產(chǎn)品或不同類產(chǎn)品中采用同一結(jié)構(gòu)和尺寸的零件、部件。我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)分為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB）、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，國(guó)際上則推行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的標(biāo)準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)化：有不少零件，由于應(yīng)用范圍廣、用量大，已經(jīng)高度標(biāo)準(zhǔn)化形成標(biāo)準(zhǔn)件。系列化：有很多零件適用范圍極為廣泛，但在具體設(shè)計(jì)時(shí)隨著工作條件的不同，在材料、尺寸、結(jié)構(gòu)等方面的選擇也各不相同，這種情況則可對(duì)其某些基本參數(shù)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的系列化數(shù)列?！?.3機(jī)械零件的強(qiáng)度強(qiáng)度是指零件受載荷后抵抗斷裂，塑性變形和某些表面失效的能力。強(qiáng)度不夠，會(huì)因零件失效使機(jī)械不能正常工作，還可能導(dǎo)致安全事故。強(qiáng)度計(jì)算是保證零件工作能力的最基本的計(jì)算準(zhǔn)則。名義載荷：理想平穩(wěn)工作條件下的載荷

計(jì)算載荷：考慮工況，取載荷系數(shù)KA

KA*名義載荷=計(jì)算載荷

或

式中：、分別為零件工作時(shí)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力；[]、[]分別為零件材料的許用正應(yīng)力和許用剪應(yīng)力。機(jī)械零件的強(qiáng)度1)應(yīng)力的種類靜應(yīng)力—工作中，應(yīng)力不隨時(shí)間變化或變化次數(shù)很少（103次）的應(yīng)力。變應(yīng)力--工作中，應(yīng)力隨時(shí)間變化的應(yīng)力。r=1r=-1r=00<r<1不穩(wěn)定變應(yīng)力：應(yīng)力的參數(shù)隨時(shí)間而變化。規(guī)律性的不穩(wěn)定變應(yīng)力；隨機(jī)性的不穩(wěn)定變應(yīng)力；穩(wěn)定性周期變應(yīng)力的描述參數(shù)：最大應(yīng)力、最小應(yīng)力、平均應(yīng)力、應(yīng)力幅、應(yīng)力循環(huán)特性r。（循環(huán)周期T）對(duì)稱循環(huán)、脈動(dòng)循環(huán)、靜應(yīng)力。2)靜應(yīng)力下的許用應(yīng)力靜應(yīng)力下，零件的失效形式：斷裂或塑性變形塑性材料的許用應(yīng)力不發(fā)生塑性變形取材料的屈服極限作為極限應(yīng)力，許用應(yīng)力為：脆性材料零件許用應(yīng)力不發(fā)生斷裂應(yīng)取強(qiáng)度極限作為極限應(yīng)力，許用應(yīng)力為：3)變應(yīng)力下的許用應(yīng)力

變應(yīng)力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠(yuǎn)比靜應(yīng)力下材料的強(qiáng)度極限低，甚至比屈服極限低；

不管是脆性材料或塑性材料，其疲勞斷裂口均表現(xiàn)為無(wú)明顯塑性變形的脆性突然斷裂；

疲勞斷裂是損傷的積累。疲勞斷裂不同于一般靜力斷裂，它是損傷積累到一定程度后，即裂紋擴(kuò)展到一定程度后，才發(fā)生的突然斷裂。所以疲勞斷裂與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（即使用期限和壽命）密切相關(guān)。

變應(yīng)力下的許用應(yīng)力疲勞曲線：表示應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系曲線。對(duì)于鐵碳合金來(lái)說(shuō)，當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過(guò)某一數(shù)值N0后，疲勞曲線趨于水平，即可認(rèn)為在“無(wú)限次”循環(huán)時(shí)零件不會(huì)斷裂。N0稱為循環(huán)基數(shù)，對(duì)應(yīng)于N0的應(yīng)力稱為材料的持久極限。取持久極限作為極限應(yīng)力。變應(yīng)力下的許用應(yīng)力1、疲勞曲線循環(huán)基數(shù)N0疲勞極限－1鋼材：m=9(拉壓力、彎曲壓應(yīng)力、切應(yīng)力)m=6(接觸應(yīng)力)4)安全系數(shù)安全系數(shù)大小對(duì)設(shè)計(jì)的影響安全系數(shù)的確定方法：查表法基本原則部分系數(shù)法：S＝S1·S2·S3S1：載荷及應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確性S2：材料的力學(xué)性能的均勻性S3：零件的重要性安全系數(shù)確定的基本原則當(dāng)沒(méi)有專門的表格時(shí)，參考下述原則選擇安全系數(shù)：(1)靜應(yīng)力下，塑性材料以屈服極限為極限應(yīng)力。由于塑性材料可以緩和過(guò)大的局部應(yīng)力，S＝1.2—1.5；對(duì)于塑性較差的材料S＝1.5—2.5(2)靜應(yīng)力下，脆性材料以強(qiáng)度極限為極限應(yīng)力，這時(shí)應(yīng)取較大的安全系數(shù)。例如，S＝3—4(3)變應(yīng)力下以疲勞極限作為極限應(yīng)力，可取S＝1.3—1.7；若材料不夠均勻、計(jì)算不夠精確時(shí)可取S＝1.7—2.55)機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度當(dāng)具有一定曲面的兩物體在壓力下相互接觸時(shí)，便在接觸處產(chǎn)生接觸應(yīng)力。由于接觸處產(chǎn)生彈性變形，實(shí)際接觸處為一很小的面積并產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力。σH≤[σH][σH]=σHlim/SH機(jī)械設(shè)計(jì)的一般過(guò)程：

確定設(shè)計(jì)任務(wù)擬定原理方案總體設(shè)計(jì)

零部件施工設(shè)計(jì)鑒定和評(píng)價(jià)

產(chǎn)品定型設(shè)計(jì)§1-2機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論機(jī)械設(shè)計(jì)4個(gè)方面內(nèi)容：機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求；機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問(wèn)題；機(jī)械設(shè)計(jì)的基本方法；機(jī)械零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求在滿足預(yù)期功能的前提下，性能好、效率高、成本低在預(yù)定使用期限內(nèi)安全可靠、操作方便、維修簡(jiǎn)單\造型美觀等(1)．

運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能的要求機(jī)器應(yīng)在使用期內(nèi)有效工作，并達(dá)到預(yù)期使用目的，保證實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。為此必須按照所要求的運(yùn)動(dòng)和承受的載荷，確定機(jī)械的工作原理，并選擇或設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓ぷ鳈C(jī)構(gòu)和機(jī)械傳動(dòng)方案。(2)．工作可靠性的要求零件失去設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)定的功能，稱為失效。失效形式：疲勞斷裂，表面磨損，表面膠合，振動(dòng)過(guò)大等。失效原因：體積強(qiáng)度、表面強(qiáng)度和剛度不足等。

可靠性是指機(jī)械在預(yù)定的期限內(nèi)能安全可靠的工作、不失效。(3)．經(jīng)濟(jì)性要求要求設(shè)計(jì)和制造機(jī)器的周期短，成本低，使用機(jī)器時(shí)生產(chǎn)效率高、能耗低、維修管理費(fèi)用低。經(jīng)濟(jì)性要求

選擇價(jià)廉和市場(chǎng)供應(yīng)充分的材料；

縮短加工工時(shí)和費(fèi)用；

便于維修保養(yǎng)；采用標(biāo)準(zhǔn)零件；簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，保證互換性，便于機(jī)械的修配，保證零件的質(zhì)量并降低其成本。只有在采用標(biāo)準(zhǔn)零件不能滿足機(jī)械使用要求時(shí)，才允許采用非標(biāo)準(zhǔn)零件。(4)．操作方便和安全的要求設(shè)計(jì)的機(jī)械必須能夠操作方便、安全、舒適，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。(5)．各種機(jī)械的特殊要求此外，應(yīng)注意各種機(jī)械的特殊要求。

例如：機(jī)床應(yīng)能在規(guī)定的使用期限內(nèi)保持精度；

食品、醫(yī)藥等機(jī)械應(yīng)能保持清潔。

機(jī)械零件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問(wèn)題工作能力（承載能力）失效是指機(jī)械零件失去設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)定的功能。工作能力是指機(jī)械零件抵抗失效的能力。失效形式：斷裂或塑性變形；過(guò)大的彈性變形；工作表面的過(guò)度磨損或損傷；發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。影響工作能力的主要因素（失效的原因）：強(qiáng)度、剛度、工作穩(wěn)定性、摩擦與磨損、溫度1）

強(qiáng)度強(qiáng)度是指零件受載荷后抵抗斷裂、塑性變形和某些表面失效的能力。

零件的強(qiáng)度不夠，不僅會(huì)因零件失效使機(jī)械不能正常工作，還可能導(dǎo)致安全事故。

強(qiáng)度計(jì)算是保證零件工作能力的最基本的計(jì)算準(zhǔn)則。失效（破壞）形式：斷裂、表面損壞、塑性變形等。2）剛度剛度是指在一定載荷作用下零件抵抗彈性變形的能力。

例如：機(jī)床的主軸和螺桿，若彈性變形過(guò)大就會(huì)影響加工精度。因此，這類零件需要有足夠的剛度。剛度的量綱：力/長(zhǎng)度。柔度是剛度的倒數(shù)，其量綱為：長(zhǎng)度/力3）工作穩(wěn)定性零件在工作時(shí)能保證穩(wěn)定地正常工作。振動(dòng)穩(wěn)定性：共振問(wèn)題。受壓穩(wěn)定性：細(xì)長(zhǎng)桿和薄壁件。4）耐磨性耐磨性是指在載荷作用下具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩零件接觸界面的抗磨損能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)80％的損壞零件是因磨損而報(bào)廢的。5）

耐熱性耐熱性包括抗氧化、抗熱變形和抗蠕變的能力。

零件在高溫下工作時(shí)，將因強(qiáng)度降低而削弱了承載能力，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)蠕變，增加塑性變形，甚至?xí)l(fā)生氧化現(xiàn)象，大大影響機(jī)械的精度進(jìn)而使零件失效。

溫度第一，對(duì)材料機(jī)械性能的影響。當(dāng)溫度超過(guò)某一數(shù)值，其強(qiáng)度將急劇下降。蠕變：在高溫下，應(yīng)力不變時(shí)，塑性變形隨時(shí)間而增大。松馳：在高溫下，變形量不變時(shí)，零件內(nèi)的應(yīng)力隨時(shí)間而減小。第二，對(duì)零件幾何尺寸變化的影響。（卡死）第三，對(duì)潤(rùn)滑的影響。溫度上升，潤(rùn)滑油的粘度和在潤(rùn)滑表面上的吸附能力下降。對(duì)某一類零件，只以一種或幾種失效為主，不需要同時(shí)考慮所有的失效形式?！?-4

機(jī)械零件的常用材料鋼和鑄鐵有色合金非金屬材料

復(fù)合材料作業(yè)：查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)習(xí)題1-5查出6種常用材料的主要性能參數(shù)，適用范圍Beunderstanding,whenit’sneededHaveconfidenceinlifeHavefaithEndoschapter1機(jī)械零件的接觸應(yīng)力是周期性載荷重復(fù)作用下，在表層內(nèi)約15～25μm處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，在兩接觸表面的相互運(yùn)動(dòng)中，潤(rùn)滑油被擠入裂紋內(nèi)，運(yùn)動(dòng)表面將裂紋口封死，形成高壓油，促使裂紋擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定深度以后，就導(dǎo)