機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般程序2.2機(jī)械零件的主要失效形式和工作能力2.5摩擦、磨損與潤(rùn)滑第2章機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)2.3機(jī)械零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和一般設(shè)計(jì)步驟2.4機(jī)械零件的材料及熱處理2.6機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化中南大學(xué)專用作者：潘存云教授2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的一般程序和基本要求一般而言，機(jī)器的設(shè)計(jì)階段是決定機(jī)器好壞的關(guān)鍵一環(huán)。機(jī)械設(shè)計(jì)是一個(gè)創(chuàng)造性的工作過(guò)程，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要因素。因此，要求設(shè)計(jì)者特別注意經(jīng)驗(yàn)的積累。一部完整的機(jī)器是一個(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。一、機(jī)械設(shè)計(jì)的一般程序▲計(jì)劃階段▲方案設(shè)計(jì)階段▲技術(shù)設(shè)計(jì)階段▲技術(shù)文件編制階段1、計(jì)劃階段包括：需求分析、明確功能、制定設(shè)計(jì)任務(wù)書。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授設(shè)計(jì)任務(wù)書機(jī)器的功能經(jīng)濟(jì)性估計(jì)制造要求的大致估計(jì)基本使用要求預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)周期2、方案設(shè)計(jì)階段對(duì)機(jī)器的功能進(jìn)行綜合分析、確定功能參數(shù)、提出實(shí)現(xiàn)方案。在制定功能參數(shù)時(shí)一定要注意恰當(dāng)處理需要與可能、理想與現(xiàn)實(shí)、長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)與當(dāng)前目標(biāo)等之間的關(guān)系。一般而言，實(shí)現(xiàn)同一個(gè)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(gè)方案的比較和取舍問(wèn)題。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授潘存云教授研制方案評(píng)價(jià)原則：經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)上可行?？傎M(fèi)用設(shè)計(jì)制造費(fèi)用使用費(fèi)用費(fèi)用復(fù)雜程度經(jīng)濟(jì)性----總費(fèi)用最低。方案設(shè)計(jì)階段要正確處理好借鑒與創(chuàng)新的關(guān)系。同類機(jī)器的成功的先例應(yīng)當(dāng)借鑒，但其中的薄弱環(huán)節(jié)和不符合現(xiàn)有任務(wù)要求的部分應(yīng)當(dāng)加以改進(jìn)或替換。一味求新而把合理的原有經(jīng)驗(yàn)棄置不用保守和照搬原有設(shè)計(jì)堅(jiān)決反對(duì)3、技術(shù)設(shè)計(jì)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。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授為了確定零件的基本尺寸，必須完成以下工作：1）機(jī)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)2）機(jī)器的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)3）零件的工作能力設(shè)計(jì)4）部件裝配草圖及總裝配草圖的設(shè)計(jì)----結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5）主要零件的校核計(jì)算確定原動(dòng)機(jī)的參數(shù)（功率、轉(zhuǎn)速、線速度等）。求解構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)（轉(zhuǎn)速、速度、加速度等）。計(jì)算構(gòu)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(jù)工作能力準(zhǔn)則作零部件的初步設(shè)計(jì)。通過(guò)計(jì)算或類比得出零件的基本尺寸。以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸為依據(jù)，對(duì)零件進(jìn)行精確的受力分析和工作能力校核計(jì)算中南大學(xué)專用作者：潘存云教授4、技術(shù)文件編制技術(shù)文件設(shè)計(jì)說(shuō)明書

使用說(shuō)明書

零件明細(xì)表

標(biāo)準(zhǔn)件匯總表產(chǎn)品驗(yàn)收條件………….技術(shù)文件----用來(lái)說(shuō)明產(chǎn)品性能、設(shè)計(jì)、制造、操作使用、維護(hù)、或其它所有與產(chǎn)品相關(guān)的文檔資料。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制技術(shù)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)計(jì)劃提出任務(wù)分析對(duì)機(jī)器的要求確定任務(wù)要求機(jī)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(gòu)形要求結(jié)構(gòu)化選擇材料、確定尺寸零件設(shè)計(jì)編制技術(shù)文件評(píng)價(jià)決策—確定結(jié)構(gòu)形狀與尺寸評(píng)價(jià)部件設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)機(jī)器設(shè)計(jì)的一般流程中南大學(xué)專用作者：潘存云教授設(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)，對(duì)機(jī)器都要提出以下的基本要求：▲使用功能要求二、機(jī)械設(shè)計(jì)的主要要求使用功能要求----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)。----在滿足預(yù)期功能的前提下，要求性能好、效率高、成本低，造型美觀，在預(yù)定使用期限內(nèi)要安全可靠，操作方便、維修簡(jiǎn)單。具體要求如下：▲經(jīng)濟(jì)性要求▲勞動(dòng)保護(hù)要求▲可靠性要求▲其它專用要求中南大學(xué)專用作者：潘存云教授經(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?！褂霉δ芤蟆?jīng)濟(jì)性要求▲勞動(dòng)保護(hù)要求▲可靠性要求▲其它專用要求中南大學(xué)專用作者：潘存云教授提高設(shè)計(jì)和制造經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的主要途徑有:1）采用先進(jìn)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法(CAD)，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,保證機(jī)器足夠的可靠性。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。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授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。提高使用經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的主要途徑有: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。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授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)的觀點(diǎn)布置各種按鈕、手柄，使操作方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)廢水、廢氣和廢液進(jìn)行治理?！褂霉δ芤蟆?jīng)濟(jì)性要求▲勞動(dòng)保護(hù)要求▲可靠性要求▲其它專用要求中南大學(xué)專用作者：潘存云教授機(jī)器的可靠度----指在規(guī)定的使用時(shí)間內(nèi)和預(yù)定的環(huán)境下機(jī)器能夠正常工作的概率。機(jī)器由于某種故障而不能完成預(yù)定的功能稱為失效，它是隨機(jī)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(jī)械性能等因素是隨機(jī)變化的。為了提高零件的可靠性，就應(yīng)當(dāng)在工作條件和零件性能兩個(gè)方面使其變化盡可能小?！褂霉δ芤蟆?jīng)濟(jì)性要求▲勞動(dòng)保護(hù)要求▲可靠性要求▲其它專用要求中南大學(xué)專用作者：潘存云教授其它專用要求----針對(duì)不同機(jī)器所特有的要求。例如：1)對(duì)機(jī)床有長(zhǎng)期保持精度的要求；2)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；3)對(duì)流動(dòng)使用的機(jī)器有便于安裝和拆卸的要求；4)對(duì)大型機(jī)器有便于運(yùn)輸?shù)囊蟮鹊??！褂霉δ芤蟆?jīng)濟(jì)性要求▲勞動(dòng)保護(hù)要求▲可靠性要求▲其它專用要求中南大學(xué)專用作者：潘存云教授機(jī)械零件的失效：機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作時(shí)，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(duì)載荷而言，所以習(xí)慣上又稱為：承載能力。例如：發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)；聯(lián)接的松弛;摩擦傳動(dòng)的打滑等。2.2機(jī)械零件的主要失效形式和工作能力一、零件的失效形式整體斷裂;過(guò)大的殘余變形;表面損傷;破壞正常的工作條件;如軸、齒輪、軸瓦、軸頸、螺栓、帶傳動(dòng)等。機(jī)械零件雖然有多種可能的失效形式，歸納起來(lái)最主要的為中南大學(xué)專用作者：潘存云教授機(jī)械零件失效的實(shí)例：潘存云教授研制輪齒塑性變形潘存云教授研制齒輪輪齒折斷潘存云教授研制軸承內(nèi)圈破裂潘存云教授研制軸承外圈塑性變形中南大學(xué)專用作者：潘存云教授失效原因:強(qiáng)度、剛度、耐磨性、振動(dòng)穩(wěn)定性、溫度等原因。統(tǒng)計(jì)結(jié)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。潘存云教授研制齒面接觸疲勞潘存云教授研制軸瓦磨損中南大學(xué)專用作者：潘存云教授▲靜載荷▲動(dòng)載荷工程計(jì)算中：▲名義載荷——理想工作條件下的載荷▲工作載荷——實(shí)際工作條件下的載荷二、機(jī)械零件的載荷載荷是否隨時(shí)間變化：▲計(jì)算載荷——工作載荷乘上載荷系數(shù)K中南大學(xué)專用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制三、應(yīng)力的種類：靜應(yīng)力和變應(yīng)力otσσ=常數(shù)脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力r=0靜應(yīng)力:σ=常數(shù)變應(yīng)力:σ隨時(shí)間變化平均應(yīng)力:應(yīng)力幅:循環(huán)變應(yīng)力變應(yīng)力的循環(huán)特性:對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力r=-1----脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力----對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力-1=0+1----靜應(yīng)力σmaxσmTσmaxσminσaσaσmotσσmaxσminσaσaotσotσσaσaσminr=+1靜應(yīng)力是變應(yīng)力的特例中南大學(xué)專用作者：潘存云教授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(HT1500)球墨鑄鐵(QT500-7)…2.4機(jī)械零件的材料及熱處理鋁合金(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(diǎn)：良好的液態(tài)流動(dòng)性，可鑄造成形狀復(fù)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(yīng)用：應(yīng)用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授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)…2.4機(jī)械零件的材料及熱處理鋁合金(LY12)銅合金(ZCuSn10P1)鋼--低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼、結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼(不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)、鑄鋼等。特點(diǎn)：與鑄鐵相比，鋼具有高的強(qiáng)度、韌性和塑性?？捎脽崽幚矸椒ǜ纳破淞W(xué)性能和加工性能。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授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(yīng)用：應(yīng)用范圍極其廣泛。表2-1常用材料的相對(duì)價(jià)格材料種類規(guī)格相對(duì)價(jià)格熱軋圓剛碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235（φ33~42）1鑄件優(yōu)質(zhì)碳素鋼（φ29~50）1.5~1.8合金結(jié)構(gòu)鋼（φ29~50）1.7~2.5滾動(dòng)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(jià)格便宜且供應(yīng)充分我國(guó)資源豐富

中南大學(xué)專用作者：潘存云教授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(diǎn)：具有良好的塑性和液態(tài)流動(dòng)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、不含錫青銅中南大學(xué)專用作者：潘存云教授高分子材料復(fù)合材料陶瓷非金屬材料---塑料、橡膠、合成纖維。---強(qiáng)如鋼、輕如鋁、硬如金剛石。--強(qiáng)度高、彈性模量大、質(zhì)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(dòng)的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤(rùn)滑的軸承襯。塑料--塑料的比重小，易于制成形狀復(fù)雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點(diǎn)，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來(lái)在機(jī)械制造中其應(yīng)用日益廣泛。

中南大學(xué)專用作者：潘存云教授▲載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì)▲零件的工作情況▲零件的結(jié)構(gòu)及加工性▲材料的經(jīng)濟(jì)性▲零件的尺寸及重量二、機(jī)械零件材料的選用原則適用于制作機(jī)械零件的材料種類非常之多，在設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)，如何從各種各樣的材料中選擇出合適的材料，是一項(xiàng)受多方面因素所制約的復(fù)雜的工作。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、化學(xué)、機(jī)械和工藝性能以及經(jīng)濟(jì)因素等進(jìn)行全面考慮。

選材的一般原則中南大學(xué)專用作者：潘存云教授脆性材料----只適用于制造在靜載荷下工作的零件；1.載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì)2.零件的工作情況--指零件所處的環(huán)境特點(diǎn)、工作溫度、摩擦磨損程度等。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。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，可得到機(jī)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(yīng)具有良好防腐蝕能力，可選用不銹鋼、銅合金等。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授零件的尺寸及質(zhì)量的大小與材料的品種及毛坯制取方法有關(guān)。3.零件的尺寸及重量▲兩配合零件的線性膨脹系數(shù)不能相差過(guò)大，一面在溫度變化時(shí)產(chǎn)生過(guò)大熱應(yīng)力或使配合松動(dòng)，另一方面要考慮材料機(jī)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(yīng)提高其表面硬度，增加耐磨性，因此應(yīng)選擇淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼?！描T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?！鴳?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。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授▲材料的加工費(fèi)用;5.材料的經(jīng)濟(jì)性選材時(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。6.材料的供應(yīng)狀況材料的經(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;▲材料的利用率;▲采用組合結(jié)構(gòu);▲節(jié)約稀有材料。各種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能可在相關(guān)國(guó)標(biāo)、行標(biāo)和機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得。為了材料供應(yīng)和生產(chǎn)管理上的方便，應(yīng)盡量減少一臺(tái)機(jī)器所用材料的品種。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授潘存云教授研制表2-2常用鋼鐵材料的牌號(hào)及力學(xué)性能材料力學(xué)性能試件尺寸類別牌號(hào)強(qiáng)度極限σB屈服極限σS延伸率%mmQ215335-41021531碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235375-46023526d≤16Q275490-610275202041024525優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金結(jié)構(gòu)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中南大學(xué)專用