第2章 机械设计基础知识

1第2章机械设计的基础知识

2.1机械设计的基本要求2.2机械零件的一般程序和方法2.3机械零件设计2.4机械零件材料及选择2.5机械零件的标准化2.6机械零件的结构设计机械设计的基本要求；机械零件的一般程序；机械零件设计机械零件主要的失效形式；机械零件的设计准则教学内容本章重点本章难点2对机器的基本要求

设计机器的任务是在当前技术发展所能达到的条件下，根据生产及生活的需要提出的。不管机器的类型如何，一般来说，对机器都要提出以下的基本要求：

使用功能要求经济性要求寿命与可靠性要求社会要求其它专用要求

2.1机械设计的基本要求2.1机械设计的基本要求1.使用要求。机器应在规定的使用期限内保证实现预定的功能，达到规定的性能。这项要求主要靠合理地选择机器的工作原理，正确地设计传动方案，合理配置辅助系统等来实现。2.经济性要求。机器的经济性应体现并贯穿在设计、制造和使用的全过程，以求获得最高的经济效益。在设计阶段，采用先进的现代设计方法，使设计参数精确并最优化。应用CAD技术，加快设计进度，降低设计成本。选用高效传动系统，以降低能耗。适当考虑机器的机械化和自动化水平，以提高机器的生产率等。在制造过程中，合理地组织生产过程，尽量采用各种新工艺，缩短制造周期，降低生产成本。3.可靠性要求。机器的可靠性是指在规定的使用寿命和工况条件下机器完成规定功能的能力。可靠性是衡量机械产品的一个重要指标。机器的可靠性取决于零件的可靠性和零件的组合关系。机器的设计、制造、管理、使用等环节都影响机器的可靠性，而起决定性作用的则是设计阶段。4.社会性要求。机器的社会要求有以下几个方面：应满足人机工程学要求；应满足安全运行要求，保证人、机安全，如设置安全防护装置、连锁装置、预警信号系统等；应满足工艺美学要求，机器造型美观、色彩协调、雅致精巧，如消防机械用红色，给人以紧迫、警示感；医疗、食品机械多用浅色，给人以洁净感等；应符合环保要求，降低噪声，最好在80dB以下；防止有毒有害介质的泄漏。

5.其它特殊要求。在满足以上基本要求的前提下，不同机械还有其特殊要求，如机床有长期保持精度的要求；食品机械有防止污染的要求；大型设备有便于安装和运输的要求等。设计的机械产品规格、参数符合国家标准，零部件应最大限度的与同类产品互换通用，产品应成系列发展，推行标准化、系列化、通用化，提高标准化程度和水平。4

1、机械设计的一般步骤

2.2机械设计的一般程序和方法产品规划阶段（需求分析；设计任务书）

方案设计阶段（功能分析；工作原理设计）

技术设计阶段（零部件设计；草图；校核；定图）

技术文件编制阶段一部机器的质量基本上决定于设计质量，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。它是一个创造性的工作过程，同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作。作为一部完整的机器，它是一个复杂的系统。要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。（图2.1)机械设计的一般步骤：52、机械设计的方法

2.2机械设计的一般程序和方法理论设计经验设计模型试验设计

设计便可以理解为将人们头脑中的思考的物体变成实际物体的形式，为此而作出的全部信息数据的工作就是设计。

机械设计是研究机械产品的设计、开发、改造，以满足经济发展和社会需要的科学，是一项创造性劳动。

常规的设计方法：新的设计方法:优化设计可靠性设计机械系统设计有限元法CAD等61、设计机械零件时应满足的基本要求强度、刚度及寿命的要求（避免在预定寿命期内失效的要求）

结构工艺性要求

经济性要求

质量小的要求

可靠性要求机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。设计的结构应便于加工和装配。

零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。

质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。应降低零件发生故障的可能性（概率）。

2.3机械零件设计7机械零件设计的一般步骤2、机械零件设计的一般步骤选择类型

受力分析选择材料确定计算准则理论设计计算结构设计校核计算绘制零件工作图编写计算说明书

8机械零件的主要失效形式12.3机械零件设计

3、机械零件主要的失效形式：整体断裂、过大的残余变形、零件的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效等。（1）整体断裂整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。齿轮轮齿断裂

轴承内圈断裂9机械零件的主要失效形式2（2）过大的残余变形

当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形

10机械零件的主要失效形式3（3）零件的表面破坏

零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。齿面接触疲劳轴瓦磨损

11机械零件的主要失效形式4（4）破坏正常工作条件引起的失效

有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：

液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔才能正常工作。零件在工作时会发生那一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很多因素有关。有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起。12机械零件的计算准则14、机械零件的设计准则

强度准则

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准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：

寿命准则

振动稳定性准则

可靠性准则：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。：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。：高速运转机械的设计应注重此项准则。：当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。

13机械零件材料的选用原则12.4机械零件的材料及选择：铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1)…...黑色金属有色金属铁钢高分子材料复合材料陶瓷金属材料非金属材料使用要求工艺要求经济性要求1、常用材料2、机械零件材料的选用原则：塑料、橡胶、合成纤维

：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢…(如：08F

45

60

1Cr18）

：灰铸铁、球墨铸铁…(如：TH300QT500-5)：强如钢、轻如铝、硬如金刚石：强度高、弹性模量大、质量轻

14机械零件设计中的标准化12.5机械零件的标准化

标准化的益处：

国标分为：强制标准和推荐标准标准化有利于保证产品质量，减轻设计工作量，便于零部件的互换和组织专业化的大生产，以降低生产成本。强制性国家标准：代号为GB××××(为标准序号)－××××(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××××－××××，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，以期取得事半功倍的效果。

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标准。

（包括标准化、系列化、通用化）

151、零件形状简单合理2、合理选用毛胚类型3、铸件的结构工艺性4、切削加工的工艺性5、零部件的装配工艺性6、零部件的维修工艺性2.6机械零件的结构设计良好的结构工艺性：在一定的生产条件和生产规模下，花费最少的劳动量和最低的生产成本，把零部件制造和装配出来。161、设计理论的不断完善与发展；2、设计手段和方法的不断更新；3、机械设计的综合程度越来越高，与其它学科交叉越来越广泛和深入——机电一体化；4、机械设计的实验研究技术有了很大的发展和提高，实验与理论相互促进。机械设计技术的最新进展173.1机械零件的载荷和应力静应力→不随时间变化，Ｎ≤103变应力→不断随时间变化当σmax、σmin均维持常数→稳定交变应力当σmax和σmin的数值随时间而改变→不稳定的变应力交变应的特征及典型交变应力

交变应力－随时间作周期性变化的应力稳定变应力不稳定变应力2、应力及分类1、载荷及分类静载荷变载荷名义载荷计算载荷→18

最大应力σmax

最小应力σmin

应力幅

σa

＝(σmax-σmin)／2平均应力σm

＝

(σmax+σmin)／2应力循环次数Ｎ应力循环特性

σmin/σmax=r⑴当σm＝0(σmax＝-σmin)⑵当σmin＝0(或σmax＝0)r=0→脉动循环变应力r=-1→对称循环变应力19⑶当σmax＝σmin

r=+1

→静应力r（-1，+1）非对称循环变应力20——疲劳极限，循环变应力下,应力循环N次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为材料的疲劳极限。疲劳寿命（N）——材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N1、疲劳曲线：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线。N0

—循环基数

—持久极限1）有限寿命区当N<103—低周疲劳，疲劳极限接近于屈服极限，按静强度计算。3.2机械零件的疲劳强度21当N>103——高周循环疲劳随循环次数↑疲劳极限↓

注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区2）无限寿命区——持久极限3）疲劳曲线方程22——寿命系数∴疲劳极限几点说明：

①N0

硬度≤350HBS钢，N0=107≥350HBS钢，

N0=(10-25)x10

有色金属(无水平部分)，规定当N0>25x107时,近似为无限寿命区②m—指数:与应力、材料的种类有关。钢m=9——拉、弯应力、剪应力m=6——接触应力青铜m=9——弯曲应力m=8——接触应力232、材料的极限应力线图

机械零件材料的疲劳特性除用s－N曲线表示外，还可用等寿命曲线来描述。该曲线表达了不同应力比时疲劳极限的特性。用A'Ｇ'C折线表示零件材料的极限