机械零件设计原则[1]

1、 2-1机器的组成 2-2设计机器的一般程序2-32-42-52-62-72-82-9第2章机械零件设计概论对机器的主要要求机械零件的主要夬效形式役计机械零件肘应满足的基本要求机械零件的计算准则机械零件的设计方由机械零件设计的一般步骤机械零件材料的选用原则 210机械零件设计中的标准化,2-11机械现代设计方法简介EDUCATION PREsd/2-1机器的组成人们为了满足生产和生活的需要，研制了类型繁多、 功能各异的机器。尤其是蒸汽机出现之后，使机器具有 了完整的形态。一台完整的机器的组成如下：原动机部分传动部分执行部分1 |传感器传感器传感器|1 1润滑、显示、照明等辅助部分控制系统原动部

2、分一机器完成预定功能的动力源，最常见的是 内燃机、电动机。执行部分一完成预定的动作，位于传动路线的终点。传动部分一联接原动机和执行部分的中间部分。控制部分一保证机器的启动、停止和正常协调动作。传感部分一将机器的工作参数，如位移、速度、加速 度、温度、压力等反馈给控制部分。辅助部分一包括机器的润滑、显示、照明等。也是保证机器正常工作不可缺少的部分 2-2设计机器的一般程序_般而言，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键一 环。机械设计是一个创造性的工作过程，实践经验是保 证设计质量的重要因素。因此，要求设计者特别注意经 验的积累。_部完整的机黑是一个复杂的系统。要提高设计质量，必须有-个科学的设计程

3、序。机械设计的一般过程：计划阶段方案设计阶段技术设计阶段技术文件编制阶段一、计划阶段 包括：需求分析、明确功能、制定设计任务书。r机器的功能经济性估计设计任务书 /p 或 1.15/p如果不满足条件，可采取如下措施：改变零件及系统刚性；调整支承的位置；增减支承；隔离激振源；采用阻尼元件以减小零件的振幅。五、可靠性准则可靠度的定义：对件数为N。的一批零件进行试 验，经过时间t之后有N件仍能正常工作，则该零件 在该试验环境条件下工作时间t的可靠度定义为:R二 N / %若- N| - R ! 一-R是时间的函数。失效率若在时间t+dt内，又有dN个零件失效，则dt内零 件的失效的比曙聲盔表示dN的

4、增大将使N减少。分离变量并积分得:空=1显二讹 叽N N。即:一以(r)R = e 零件可靠度的另一个指标是两次失效之间的平 均无故障时间m (MTBF) , m与;I的关系为：M=l/22-7机械零件的设计方法|理论设计常规设计方法彳经验设计机械零件的设计方法L模型实验设计匸现代设计方法常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算， 结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、 公式、图表等进行设计的方法。1）理论设计一一根据长期的总结岀来的设计理论和实验数据所 进行的设计。以受拉杆为例，强度计算公式为:e w 5im/S 或 F/A W nlim/SF拉力，A截面积。设计计算：AM FS/

5、nIim校核计算有四种可选方式: tv = F/A W c FW A gI Sca = nlim / 心 SSca计算安全系数理论设计厂常规设计方法2 I经验设计机械零件的设计方法匸模型实验设计匸现代设计方法经验设计一根据对某类零件已有的设计与使用实 践而归纳出的经验公式，或根据设计者本人的设计 经验用类比的方法所进行的设计。这对于那些使用 要求变化不大而结构形状已典型化的零件，是很有 效的设计方法。例如：箱体、机架、传动件的结构 要素等。理论设计常规设计方法彳经验设计机械零件的设计方法q模型玉验设计匸现代设计方法模型实验设计-把初步设计的零、部件或机器做 成小模型或小尺寸样机，经过试验的手段

6、对其特性 进行检验，根据实验结果再对设计进行逐步修改, 达到完善。这种方法对于那些尺寸巨大而结构又很复杂的重 要零件的设计是一种很有效的方法。理论设计常规设计方法彳经验设计机械零件的设计方法L模型实验设计优化畸 现代畸方法X可靠性畸I计算机辅助设计现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更 为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快 的机械设计方法。 2-8机械零件设计的_般步骤1）根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。 为此，必须对各种零件的不同类型、优缺点、特 性和使用范围等，进行综合对比与正确选用。2）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。3）根据零件的工作条件及对零件的特殊

7、要求（如高温 环境等）选择适当的材料。4）根据零件的失效形式，确定零件的计算准则，通 过计算，确定零件的基本尺寸。5）根据工艺性和标准化，进行零件的结构设计。6）细节设计完成之后，必要时进行详细的校核计算, 以判定结构的合理性。7）绘制零件工作图，并撰写计算说明书。零件的设计流程图:选择零件类型、结构 2-9机械零件材料的选用原则一、常用材料灰铸铁(TH300) 球墨铸铁(QT500-5)厂黑色金属金属材料 r低碳钢(08F) 中碳钢(45) 钢 高碳钢(60) 合金钢(lCrl8)铝合金(LY铜合金(ZCuSnlOPl)EJ铸铁一灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。 特点：良好的液态流动

8、性，可嘗造聲蠶?的鶴缶 校好的减震性、耐磨性、切削性(指灰铸铁)、成本低廉。 应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。 2-9机械零件材料的选用原则 一常用材料厂黑色金属V灰铸铁(TH300) 球墨铸铁(QT500-5) r低碳钢(08F)金属材料丫, 中碳钢(45) 钢高碳钢(60) 合金钢(ICrlS) J金(LY12)金(ZCuSnlOPl)J有色金属钢-低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢、结构钢、工具 钢、特殊钢（不锈钢、耐热钢、耐酸钢等）、铸钢等。特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用 热处理方法改善其力学性能和加工性能。钢制零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等

9、。应用：应用范围极其广泛。钢的选用原则：我盼源我优选碳素钢，其次是硅、猛、硼、筑类合金钢。相对价格表3-1常用材料的相对价格碳素结构钢Q235 （p 3342）1优质碳素钢（p 2950）1.5 1.8热轧圆刚合金结构钢（cp 2950）1.7 2.5滚动轴承钢（p 2950）3合金工具钢（半2950）3204Cr9Si2耐热钢（q）2950）5灰铸铁铸件0.85铸件碳素钢铸件1.7铜合金、铝合金铸件810材料种类规格灰铸铁(TH300) 球墨铸铁(QT500-5)厂黑色金属Yr低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)金属材料；合金钢(ICrlS)铝合金(LY12)青铜-含锡青铜、不含锡青

10、铜铜合金有色金属(ZCuSnlOPl)黄铜-铜锌合金，并含有少量的猛、铝、银 轴承合金(巴氏合金) 特点：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。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。应用：应用范围广泛。高分子材料 塑料、橡胶、合成纤维。非金属材料陶瓷强如钢、轻如铝、硬如金刚石。复合材料“强度高、弹性模量大、质量轻。橡胶一橡胶富于弹性，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、带传动的胶带等。硬 橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。塑料一塑料的比重小，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、绝热性、 绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近

11、年来在机械 制造中其应用日益广泛。二、机械零件材料的选用原则适用于制作机械零件的材料种类非常之多，在设计 机械零件时，如何从各种各样的材料中选择出合适的 材料，是一项受多方面因素所制约的复杂的工作。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。载荷及应力的大小和性质 零件的工作情况选材的一般原则零件的尺寸及重量零件的结构及加工性I 材料的经济性1.载荷及应力的大小和性质翳霧男籟益蠶錨馨芻霍】 脆性材料-只适用于制造在静载荷下工作的零件;塑性材料一-适用于在有冲击情况下工作的零件O金属材料的性能一般可以通过热处理加以提高和改 善，因此，要充分利用

12、热处理手段来发挥材料的潜力。 对于常用的调质钢，由于其回火温度的不同，可得到 机械性能不同的毛坯。2.零件的工作情况指零件所处的环境特点、工作温度、摩擦磨损程度等。 在湿热环境下工作的零件，其材料应具有良好防腐蚀能力，可选用不锈钢、铜合金等。两配合零件的线性膨胀系数不能相差过大，一面在 温度变化时产生过大热应力或使配合松动，另一方 面要考虑材料机械性能随温度而变化的情况O零件在工作中可能发生磨损的表面，应提高其表面 硬度，增加耐磨性，因此应选择淬火钢、渗碳钢、 氮化钢。3零件的尺寸及重量零件的尺寸及质量的大小与材料的品种及毛坯制取 方法有关。用铸造材料制造毛坯时，一般可以不受尺寸及质量 大小的

13、限制；而用锻造材和制造毛坯时，则须注意锻压机械及设备的生产能力o应尽可能选用聶重比大的材料，以便减小零件的尺 寸和质量。5.材料的经济性材料的经济性主要表现在以下几方面:材料本身的相对价格；材料的加工费用；材料的利用率；采用组合结构；节约稀有材料。6.材料的供应状况选材时还应考虑到当时当地材料的供应状况。为了 简化供应和贮存的材料品种，对于小批制造的零件， 应尽可能地减少同一部机器上使用的材料品种和规格。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。为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量减少一台 机器所用材料的品种类别碳素结构钢优质碳素结构钢表2-2常用钢铁材料的牌号及

14、力学性能力学性能试件尺寸牌号强度极限（TBQ215335-410Q235375-460Q2751490-610204103553045600屈服极限7 S延伸率%2153123526275| 202451 2531520355161625合金35 SiMn88340Cr981结构钢20CrMnTi1079|_60Mn|981ZG270-500500铸钢ZG310-570570ZG42SiMn600|UT150 |145灰铸铁HT200195HT250240QT400-15QT500-7QT600-34005006007357858347852703101591081815dd dd555022

15、1838012球墨铸铁2501532073703dWIOO壁厚10-20壁厚30-200 2-10机械零件设计中的标准化定义：标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、 材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同 遵守的掃准。1）产品品种规格的系列化将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构 等依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满 足用户的广泛要求。2）零部件的通用化将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等）, 经过统一后实现互换；3）产品质量标准化要保证产品产品质量合格和稳定，就必须做好设计、 加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。意义:1）制造上可以实现专业化大批量生产，既可提高产品质量，又能降低成本;2）设计方面可减少设计工作量;3）管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。基本特征：统一、简化。标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准代号为： ISOGB JB、HBQB菇准J强制标准（GB） 必须强制执行； 生质推荐性标准（GB/T） 鼓励企业自愿采用。强制性国家标准：代号为GE XXXX（为标准序号）一XXXX（为批准年代）强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。推荐性国家标准：代号为GB/T XXXX- XXXX,这类标准占整个国标中的绝大多数。如无 特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标