第02章机械零件设计总论

1、武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 1主要内容：主要内容： 1 1机械零件的失效形式、工作能力设计计算机械零件的失效形式、工作能力设计计算 准则等。准则等。 2. 2. 机械零件的设计方法及一般步骤机械零件的设计方法及一般步骤 3. 3. 机械零件的材料选用原则机械零件的材料选用原则 重点内容：重点内容： 1. 1. 机械零件的主要失效形式及设计准机械零件的主要失效形式及设计准则则 2. 2. 机械零件的设计方法及一般步骤机械零件的设计方法及一般步骤 第第2章章 机械零件的工作能力和计算准则机械零件的工作能力和计算准则武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 2机械零件的失效：机械零件的失效：机

2、械零件由于某种原因不能正常工作时，称为机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。失效。工作能力工作能力-在不发生失效的条件下，零件所能安全在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：又称为：承载能力。承载能力。例如：发生强烈的振动；联接的松弛；摩擦传动的打例如：发生强烈的振动；联接的松弛；摩擦传动的打滑等。滑等。2-4 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

3、常的工作条件。零件的失效形式零件的失效形式 如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 3机械零件失效的实例：机械零件失效的实例：潘存云教授研制轮齿塑性变形轮齿塑性变形潘存云教授研制齿轮轮齿折断齿轮轮齿折断 潘存云教授研制轴承内圈破裂轴承内圈破裂 潘存云教授研制轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 4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 原因。原因。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、

4、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。潘存云教授研制齿面接触疲劳齿面接触疲劳潘存云教授研制轴瓦磨损轴瓦磨损武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 5 避免在预定寿命期内失效的要求避免在预定寿命期内失效的要求 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 机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：下要求：2-5 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

5、的基本要求武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 62-6 机械零件的计算准则机械零件的计算准则 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。一般来讲，有以设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：下几种准则：强度准则是指零件中的应力不得超过许用值。强度准则是指零件中的应力不得超过许用值。一、强度准则一、强度准则 -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，是最基本的设计准则。 即：即： = lim/S/Slim -材料的极限应力材料的极限应力脆性材

6、料：脆性材料： lim = = B ( (强度极限强度极限) )塑性材料：塑性材料： lim = = S ( (屈服极限屈服极限) )武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 7二、刚度准则二、刚度准则-是指零件在力作用下的弹性变形量是指零件在力作用下的弹性变形量不得超过许用值不得超过许用值即：即：y yy 三、寿命准则三、寿命准则 影响零件使用寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲影响零件使用寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲劳，前两者还没有成熟的计算方法，工程中通常是求劳，前两者还没有成熟的计算方法，工程中通常是求出使用寿命时的疲劳极限作为计算的依据。出使用寿命时的疲劳极限作为计算的依据。四、振动稳定性准

7、则四、振动稳定性准则 保证机器中受激振零件的固有频率保证机器中受激振零件的固有频率f与激振源的频与激振源的频率率fp错开，即要求：错开，即要求：0.85 f fp或或 1.15 f fp武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 8五、可靠性准则五、可靠性准则 可靠度的定义：可靠度的定义： 对件数为对件数为N0的一批零件进行试的一批零件进行试验，经过时间验，经过时间t之后有之后有N件仍能正常工作，则该零件件仍能正常工作，则该零件在该试验环境条件下工作时间在该试验环境条件下工作时间t的可靠度定义为：的可靠度定义为：R= NR= N / N/ N0 0若若t t R R N N-R R是时间的函数。是时

8、间的函数。 武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 92-7 机械零件的设计方法机械零件的设计方法 常规设计方法常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，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、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。公式、图表等进行设计的方法。机械零件的机械零件的设计方法设计方法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1) 1) 理论设计理论设计-根据长期的总结出来的设计理论和实验数据所根据长期的总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计。进行的设

9、计。武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 10以受拉杆为例，强度计算公式为：以受拉杆为例，强度计算公式为： lim/S/S或或 F/A lim/S/SF-F-拉力，拉力， A-A-截面积。截面积。 设计计算：设计计算： A FS/ A FS/ limlim校核计算有四种可选方式：校核计算有四种可选方式： F/A F A S Scaca = = lim / / S Slim S S S Scaca -计算安全系数计算安全系数 武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 11经验设计经验设计-根据对某类零件已有的设计与使用实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践而

10、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、传动件的结构效的设计方法。例如：箱体、机架、传动件的结构要素等。要素等。机械零件的机械零件的设计方法设计方法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武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 12模型实验设计模型实验设计-把初步设计的零、部件或机器做把初步设计的零、部件或机器做成小模型或小尺寸

11、样机，经过试验的手段对其特性成小模型或小尺寸样机，经过试验的手段对其特性进行检验，根据实验结果再对设计进行逐步修改，进行检验，根据实验结果再对设计进行逐步修改，达到完善。达到完善。机械零件的机械零件的设计方法设计方法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 这种方法对于那些尺寸巨大而结构又很复杂的重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。要零件的设计是一种很有效的方法。武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 13 现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完

12、善、科学、计算精度高、设计与计算速度更更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法快的机械设计方法(见见P20)。优化设计优化设计可靠性设计可靠性设计计算机辅助设计计算机辅助设计机械零件的机械零件的设计方法设计方法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武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 14潘存云教授研制选择零件类型、结构选择零件类型、结构写出计算说明书写出计算说明书画出零件工作图画出零件工作图校校 核核 计计 算算 计算零件上的载荷计算零件上的载荷确定计算准则确定计算准则选择零件的材料选择零件的材料确定零件的

13、基本尺寸确定零件的基本尺寸结结 构构 设设 计计2-8 机械零件机械零件设计的一般步骤设计的一般步骤武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 15黑色金属黑色金属有色金属有色金属铸铁铸铁钢钢金属材料金属材料一、常用材料一、常用材料低碳钢低碳钢 (08F)中碳钢中碳钢 (45)高碳钢高碳钢 (60)合金钢合金钢 (1Cr18）灰铸铁灰铸铁 (HT300)球墨铸铁球墨铸铁(QT500-5)2-9 机械零件材料的选用原则铝合金铝合金 (LY12)铜合金铜合金 (ZCuSn10P1)武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 16载荷及应力的大小和性质载荷及应力的大小和性质 零件的工作情况零件的工作情况 零件的

14、结构及加工性零件的结构及加工性 材料的经济性材料的经济性 零件的尺寸及重量零件的尺寸及重量 二、机械零件材料的选用原则二、机械零件材料的选用原则 P18P18选材的一般原则选材的一般原则 武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 171)1)产品品种规格的系列化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；足用户的广泛要求；定义：定义：标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设

15、计方法、制图要求等，制定出大家共同材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。遵守的标准。2)2)零部件的通用化零部件的通用化 将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），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；经过统一后实现互换；3)3)产品质量标准化产品质量标准化 要保证产品产品质量合格和稳定，就必须做好设计、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。加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。2-10 机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 18基本特征：基本特

16、征：统一、简化。统一、简化。意义：意义： 1)制造上可以实现专业化大批量生产，既可提高产品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；质量，又能降低成本；2)设计方面可减少设计工作量；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。管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。标准化是组织社会化大生产的重要手段，是实施科学管理的基础，也是对产品设计的基本要求之一。通过标准化的实施，以获得最佳的社会经济成效。标准层次：标准层次：国际标准、国际标准、国家标准、行业标准、企业标准国家标准、行业标准、企业标准代号为： ISOGB JB、HBQB推荐性标准

17、（推荐性标准（GB/T）-鼓励企业自愿采用。鼓励企业自愿采用。标准标准性质性质强制标准（强制标准（GB）-必须强制执行；必须强制执行； 作为设计人员，要求必须熟悉现行的相关标准，学会查询和使用标准资料。无论设计何种产品，必须遵循相关标准。武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 19强制性国家标准：代号为强制性国家标准：代号为GB GB ( (为标准序号为标准序号) ) ( (为批准年代为批准年代) )强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。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：代号为推荐性国家标准：代号为GBGBT T ，这类标准占整个国标中的绝大多数。如无，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，以期取得特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的效果。事半功倍的效果。 武汉科技大学专用 作者： 潘存云教授 201 1。什么是通