第1章 机械设计总论

1、第一章第一章 机械设计总论机械设计总论 1-1 设计机器的一般程序设计机器的一般程序 1-2 对机器的主要要求对机器的主要要求 1-3 机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式 1-4 设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求 1-5 机械零件的设计准则机械零件的设计准则 1-6 机械零件的设计方法机械零件的设计方法 1-7 机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤 1-8 机械零件的材料及其选用机械零件的材料及其选用 1-10 机械现代设计方法简介机械现代设计方法简介 1-9 机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化 1-1 设计机器的一般程序设计机器的一般程

2、序 一部机器的质量基本上决定于设计质量。因此，机器一部机器的质量基本上决定于设计质量。因此，机器 的设计阶段是决定机器好坏的关键。的设计阶段是决定机器好坏的关键。 机器设计的一般过程：机器设计的一般过程： 计划阶段计划阶段 方案设计阶段方案设计阶段 技术设计阶段技术设计阶段 技术文件编制阶段技术文件编制阶段 设计任务书设计任务书 机器的功能机器的功能 经济性估计经济性估计 制造要求方面的大致估计制造要求方面的大致估计 基本使用要求基本使用要求 完成设计任务的预计期限完成设计任务的预计期限 二、二、方案设计阶段方案设计阶段 对机器的功能进行综合分析、确定功能参数、提出对机器的功能进行综合分析、确

3、定功能参数、提出 可能采用的方案。可能采用的方案。 一、计划阶段一、计划阶段 分析需求、明确功能、制定设计任务书。分析需求、明确功能、制定设计任务书。 （新产品开发计划书）（新产品开发计划书） 三、三、技术设计阶段技术设计阶段 绘制总装配草图、部件装配草图绘制总装配草图、部件装配草图 确定零部件的外形及基本尺寸确定零部件的外形及基本尺寸 绘制零件工作图和总装配图绘制零件工作图和总装配图 四、四、技术文件编制阶段技术文件编制阶段 技术文件技术文件-用来说明产品性能、设计、制造、操用来说明产品性能、设计、制造、操 作使用、维护、或其它所有与产品相关的文档资料。作使用、维护、或其它所有与产品相关的文

4、档资料。 技术文件技术文件 设计计算说明书设计计算说明书 使用说明书使用说明书 标准件明细表标准件明细表 产品验收条件产品验收条件 . 向用户介绍机器的性能参数范围、操作使用 方法、日常保养及简单地维修方法等。 包括方案的选择、技术设计的过程步骤 以及结论数据等。 技技 术术 设设 计计 方方 案案 设设 计计 计计 划划 提出任务提出任务 分析对机器的要求分析对机器的要求 确定任务要求确定任务要求 机器功能分析机器功能分析 提出可能的解决办法提出可能的解决办法 组合几种可能的方案组合几种可能的方案 决策决策-选定方案选定方案 明确构形要求明确构形要求 结构化结构化 选择材料、确定尺寸选择材料

5、、确定尺寸 零件设计零件设计 编制技术文件编制技术文件 评价评价 决策决策确定结构形状与尺寸确定结构形状与尺寸 评价评价 部件设计部件设计 总体设计总体设计 机器设计的一般流程机器设计的一般流程 -表现为机器的成本低表现为机器的成本低 -表现为高生产率，高效率，低能耗表现为高生产率，高效率，低能耗 及管理和维护费用较低等及管理和维护费用较低等 设计制造的经济性设计制造的经济性 使用经济性使用经济性 1-2 对机器的主要要求对机器的主要要求 （一）使用功能要求（一）使用功能要求 （二）经济性要求（二）经济性要求 -能有效地实现预期的功能能有效地实现预期的功能 1 1）为机器的操作者提供方便和安全

6、的条件）为机器的操作者提供方便和安全的条件 2 2）改善操作者及机器的环境条件）改善操作者及机器的环境条件 （三）劳动保护和环境保护要求（三）劳动保护和环境保护要求 （四）寿命与可靠性要求（四）寿命与可靠性要求 机器的可靠度机器的可靠度-指在规定的使用时间内和预定的指在规定的使用时间内和预定的 环境下机器能够正常工作的概率。环境下机器能够正常工作的概率。 （五）其它专用要求（五）其它专用要求 机械零件的失效：机械零件的失效： -零件由于某种原因不能正常工作时零件由于某种原因不能正常工作时 1-3 机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式 整体断裂整体断裂 过大的残余变形过大的残余变形 工作

7、表面的过度磨损或损伤工作表面的过度磨损或损伤 破坏正常的工作条件破坏正常的工作条件 零件的失效形式零件的失效形式 机械零件失效的实例：机械零件失效的实例： 轮齿塑性变形轮齿塑性变形 齿轮轮齿折断齿轮轮齿折断 轴承内圈破裂轴承内圈破裂 轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形 失效原因失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 统计结果显示统计结果显示： 断裂仅占断裂仅占4.79%; 腐蚀、磨损、疲劳破坏占腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%。 -主要失效原因。主要失效原因。 齿面接触疲劳齿面接触疲劳轴瓦磨损轴瓦磨损 避免在预定寿命期内失效的要求避免在预定寿命

8、期内失效的要求 结构工艺性要求结构工艺性要求 经济性要求经济性要求 质量小的要求质量小的要求 可靠性要求可靠性要求 1-4 设计零件时应满足的基本要求设计零件时应满足的基本要求 提高零件强度的措施：提高零件强度的措施： 采用高强度的材料；采用高强度的材料； 使零件具有足够的截面尺寸；使零件具有足够的截面尺寸； 合理设计零件的截面形状，增大惯性矩；合理设计零件的截面形状，增大惯性矩； 采用热处理和化学处理方法提高材料的力学性能；采用热处理和化学处理方法提高材料的力学性能； 提高零件的制造精度，以减少工作时的动载荷；提高零件的制造精度，以减少工作时的动载荷； 合理配置零件的相对位置，以降低零件的载

9、荷。合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷。 1. 强度强度 - 载荷作用下零件抵抗断裂或不允许的残余变形的能力载荷作用下零件抵抗断裂或不允许的残余变形的能力 一、避免在预定寿命期内失效的要求一、避免在预定寿命期内失效的要求 合理地设计零件的截面形状，增大截面惯性矩合理地设计零件的截面形状，增大截面惯性矩 由材料力学知：由材料力学知： 强度条件：强度条件： ZZ W M J yM max max max ZZ JW当弯矩已定时，当弯矩已定时， 故越容易满足强度条件故越容易满足强度条件 max 当轴上有两处动力输出时，为了减小轴上的载荷，当轴上有两处动力输出时，为了减小轴上的载荷， 应将输入轮

10、布置在中间。应将输入轮布置在中间。 合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷 合理合理 不合理不合理 2. 刚度刚度 -载荷作用下零件抵抗弹性变形的能力载荷作用下零件抵抗弹性变形的能力 3. 寿命寿命 影响零件寿命的主要因素有：影响零件寿命的主要因素有： 疲劳破坏疲劳破坏 腐蚀腐蚀 磨损磨损 机械制造包括毛坯生产、切削加工和装配等生产机械制造包括毛坯生产、切削加工和装配等生产 过程。设计时，必须使结构在各个生产过程中都具有过程。设计时，必须使结构在各个生产过程中都具有 良好的工艺性。良好的工艺性。 二、结构工艺性要求二、结构工艺性要求 零件工艺性良好的标

11、志零件工艺性良好的标志 -在具体的生产条件下，零件便于加工和装配，在具体的生产条件下，零件便于加工和装配， 同时加工费用又很低。同时加工费用又很低。 二、结构工艺性要求二、结构工艺性要求 1、便于制造毛坯、便于制造毛坯 当毛坯制造方法确定后，须充分考虑其工艺特点，设计出相当毛坯制造方法确定后，须充分考虑其工艺特点，设计出相 应的零件结构，以便容易地制造出来。应的零件结构，以便容易地制造出来。 铸件壁厚的均匀性铸件壁厚的均匀性 壁厚相差悬殊，容壁厚相差悬殊，容 易在厚壁处形成缩孔易在厚壁处形成缩孔 二、结构工艺性要求二、结构工艺性要求 2、便于切削加工、便于切削加工 机械零件的结构设计应便于机械

12、零件的切削加工机械零件的结构设计应便于机械零件的切削加工 减少加工面积减少加工面积用钻头加工的孔用钻头加工的孔 便于装夹工件便于装夹工件便于刀具进入便于刀具进入 便于刀具退出便于刀具退出 二、结构工艺性要求二、结构工艺性要求 3、便于装拆和维修、便于装拆和维修 留出装入螺钉空间留出装入螺钉空间 留出扳手工作空间留出扳手工作空间 对于具有配合要求的零件，应避免同时存在两组对于具有配合要求的零件，应避免同时存在两组 以上的表面接合。以上的表面接合。 接合面不宜过多接合面不宜过多 三、经济性要求三、经济性要求 用料少用料少 加工工时少加工工时少 材料的价格低材料的价格低 尽量采用标准化零部件尽量采用

13、标准化零部件 四、质量小的要求四、质量小的要求 好处：好处： 节约材料；节约材料； 减小惯性，改善机器的动力性能减小惯性，改善机器的动力性能 1-5 机械零件的设计准则机械零件的设计准则 强度准则强度准则 刚度准则刚度准则 设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其 设计准则以及相应的设计计算方法。一般有以下几种设计准则以及相应的设计计算方法。一般有以下几种 准则：准则： 寿命准则寿命准则 振动稳定性准则振动稳定性准则 可靠性准则可靠性准则 -确保零件不发生断裂破坏或过大的确保零件不发生断裂破坏或过大的 塑性变形，是最基本的设计准则塑性变形，是最基本的

14、设计准则 -确保零件不发生过大的弹性变形确保零件不发生过大的弹性变形 -通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关 -高速运转机械的设计应注重高速运转机械的设计应注重 此项准则此项准则 -当考虑随机因素影响时，确保零件当考虑随机因素影响时，确保零件 具有所要求的可靠度具有所要求的可靠度 -零件中的应力不得超过允许的限度零件中的应力不得超过允许的限度 一、强度准则一、强度准则 即：即： lim -材料的极限应力材料的极限应力 断裂破坏：断裂破坏：lim = =B ( (强度极限强度极限) ) 引入安全系数引入安全系数 S S，得：，得： lim / S/ S或或 -许用应力

15、许用应力 疲劳破坏：疲劳破坏：lim = =r ( (疲劳极限疲劳极限) ) 残余变形：残余变形：lim = =S ( (屈服极限屈服极限) ) 二、刚度准则二、刚度准则 -零件在载荷作用下产生的弹性变形量不得超过机零件在载荷作用下产生的弹性变形量不得超过机 器工作性能所允许的极限值。即：器工作性能所允许的极限值。即： y yy 零件的实际变形量零件的实际变形量 许用变形量许用变形量 三、寿命准则三、寿命准则 影响零件寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲劳，影响零件寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲劳， 前两者还没有实用有效的计算方法。前两者还没有实用有效的计算方法。 关于疲劳寿命，通常是求出使用寿命时

16、的疲劳极限关于疲劳寿命，通常是求出使用寿命时的疲劳极限 作为计算的依据。这将在疲劳强度理论中作介绍。作为计算的依据。这将在疲劳强度理论中作介绍。 四、振动稳定性准则四、振动稳定性准则 - -保证机器中受激振零件的固有频率与激振源的频保证机器中受激振零件的固有频率与激振源的频 率错开，即要求：率错开，即要求： 0.85 f fp或或 1.15 f fp 零件的固零件的固 有频率有频率 激振源的频率激振源的频率 五、可靠性准则五、可靠性准则 在在机械可靠性设计机械可靠性设计课程中有详细的介绍。课程中有详细的介绍。 1-6 机械零件的设计方法机械零件的设计方法 机械零件的机械零件的 设计方法设计方法

17、 常规设计方法常规设计方法 现代设计方法现代设计方法 理论设计理论设计 经验设计经验设计 模型实验设计模型实验设计 （一（一) ) 理论设计理论设计 -根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行 的设计的设计 ( (传统设计方法传统设计方法) ) -根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的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，或根据设计者的经验用类比的方法所进行经验公式，或根据设计者的经验用类比的方法所进行 的设计。的设计。 适用于那些使用要求变化不大而结构形状已典型化适用于那些使用要求变化不大而结构形状已典型化 的零件。如：箱体

18、、机架、传动零件的各结构要素等。的零件。如：箱体、机架、传动零件的各结构要素等。 （二）经验设计（二）经验设计 比如齿轮，除去关键参数和尺寸是根据强度要比如齿轮，除去关键参数和尺寸是根据强度要 求设计出来以外，其它的许多尺寸都是根据经验公求设计出来以外，其它的许多尺寸都是根据经验公 式求出，相关经验公式可以从手册中找到。式求出，相关经验公式可以从手册中找到。 - -把初步设计的零、部件或机器做成小模型或小尺把初步设计的零、部件或机器做成小模型或小尺 寸样机，经过试验对其特性进行检验，根据实验结果寸样机，经过试验对其特性进行检验，根据实验结果 再对原设计进行修改，以达到完善。再对原设计进行修改，以达到完善。 常用于那些尺寸巨大而结构又很复杂的重要零件常用于那些尺寸巨大而结构又很复杂的重要零件 （三）模型实验设计（三）模型实验设计 现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为现代设计方法是指在近二、三