第一章　机械设计总论

机械设计教程第3版第一章机械设计总论第一节机械设计概述

第二节机械零部件设计第三节机械零件的强度计算第四节机械中的摩擦、磨损和润滑第五节机械零件的材料和热处理选择第六节机械零件结构设计的一般原则

第一节机械设计概述

一、机械设计的任务我国目前正处于由制造大国向制造强国和创新型国家转变的过程中,机械设计工作在其中担负着重要的任务。机械设计是机械产品生产的第一个步骤,设计师根据社会需要,经过调查研究,深入分析,进行设计,为制造提供所需的图样、技术文件、计算机软件等。设计对机械产品的性能和技术水平起决定性的作用,据统计,产品成本的70%~80%是在设计阶段决定的。因此,设计的水平往往成为产品生产成败的关键。当前对机械产品不断提出很多新的要求,我国机械设计人员面临着十分艰巨而伟大的任务。第一节机械设计概述

二、机械设计的典型步骤机械产品设计按其不同要求可以分为开发性设计、适应性设计、变型设计三种类型。其中开发性设计是研制全新的产品,其工作原理和结构都是新的,难度和风险最大,是最具有代表性的创新产品设计。其典型步骤可以分为以下几个阶段:(1)明确任务(2)方案设计(3)技术设计(4)施工设计第一节机械设计概述

三、对机械设计师的要求对机械设计师首先要求具有创新能力,其次要求有坚实的基本功和广泛的实际知识。因此,对机械设计师提出以下要求:(1)对周围事物的敏感性(2)善于联想、有预见(3)掌握新的技术信息(4)有坚实的机械设计基本功(5)有广泛的实际知识、坚强的意志及活跃的思路第一节机械设计概述

四、机械设计中的标准化标准化是指在经济、技术、科学和管理等社会实践中,对重复性的事物和概念,通过制订、发布和实施标准达到统一,以获得最佳秩序和社会效益。在机械生产中推行标准化,是提高产品质量、加快发展新产品、降低产品成本的重要措施。首先,在规划时就应该注意产品系列化,以便于组织生产。其次,各产品之间有些零部件应该能够通用化。零部件设计中选择标准工程材料;各零部件应尽量采用标准件,如螺栓、螺母、垫圈、滚动轴承、电动机、密封件、销钉、铆钉等;有些零部件的参数应该标准化,如齿轮传动的模数、压力角、螺旋传动的螺距、配合直径、键连接的尺寸等。随着现代消费观念的变化,现代机械产品设计向特性化的趋势发展,这种潜在需求是社会生产力不断发展的结果,如汽车在颜色、结构、装置配置等方面各有特色,这就对设计者提出了更高的要求。第一节机械设计概述

五、现代机械设计随着科学技术日新月异的发展和人们物质文化需求的不断增长,机械设计迎来新的机遇和挑战。在设计理念和设计手段上,传统机械设计正逐渐被现代机械设计所取代。在设计理念上,传统机械设计更注重产品功能实现的要素和手段,以满足人们对产品功能的需求为主要目标。但在现代机械设计的新理念中,产品的全寿命周期设计、可持续设计的理念等正在被工程设计人员接受和贯彻。全寿命周期过程设计,是指在设计阶段就考虑到产品寿命历程的所有环节,使所有相关因素在产品设计分阶段得到综合规划和优化的一种设计理论。全寿命周期设计意味着,不仅要设计产品的功能和结构,而且要设计产品的规划、设计、生产、经销、运行、使用、维修保养,直到回收再利用处置。可持续设计要求人和环境的和谐发展,设计既能满足当代人需要又兼顾保障子孙后代永续发展需要的产品、服务和系统。针对不断扩大的生产规模,这些先进设计理念对于解决自然资源消耗和环境污染问题,更好地保护自然生态和人类生活环境,有着重要的意义。在设计方法上,以信息技术为背景,以中国制造2025为引导,现代机械设计方法融合了计算机信息技术、思维科学学科以及设计理论系统工程等领域的知识,使得通过现代机械设计方法设计出来的机械产品在功能上更加丰富和人性化,外观上更加自然化和实用化,质量上也更加可靠化和安全化,并且更注重节能减排。现代机械设计的主要方法有系统分析设计方法、优化设计方法、有限元分析方法以及反求工程设计方法等。第二节机械零部件设计一、机械零部件设计的内容和要求一般的大型机电产品由机械(包括机架、传动部分、工作部分等)和电气(包括拖动、控制、显示等)两大系统组成。图1-1所示为电梯主要部件示意,机械系统包括曳引系统、轿厢3和对重装置4、导向系统包括(对重导轨5和轿厢导轨7)、安全保护系统(包括限位开关1和缓冲装置6)等,其中曳引系统包括曳引机2、导向轮、钢丝绳等部件。曳引机又包括电动机1、制动器2、减速器3、曳引轮4等部件,如图1-2所示。把机械分为若干个部件,可以单独进行设计和生产,提高生产率和质量。零部件设计是机械设计的重要组成部分,是机械总体设计的基础,并可能对机械总体设计产生很大的影响。学习机械设计多是由学习零部件设计开始的。第二节机械零部件设计一、机械零部件设计的内容和要求图1-1电梯主要部件示意1—限位开关2—曳引机3—轿厢4—对重装置5—对重导轨6—缓冲装置7—轿厢导轨8—控制箱第二节机械零部件设计一、机械零部件设计的内容和要求图1-2曳引机主要部件1—电动机2—制动器3—减速器4—曳引轮第二节机械零部件设计一、机械零部件设计的内容和要求机械零部件设计的内容包括:根据总体设计的要求,对所设计的零部件提出应具有的功能、主要参数等,据此进行设计,给出零部件装配图和全部零件图,提供必要的技术文件。在一般情况下,对零部件的主要要求有以下几个方面:1)满足使用功能的要求。2)满足工艺要求。3)满足绿色设计的要求4)外形美观。5)经济性好。6)有市场竞争力,有自主的知识产权。以上要求常常难以全部达到理想的程度,需要设计者综合考虑,妥善处理。第二节机械零部件设计二、机械零部件的失效分析和设计准则机械零件由于各种原因不能正常工作称为失效。机械零件在预期工作寿命期间不失效,这是最基本的要求。因此,设计者应预先估计所设计零件的可能失效方式。一个零件可能有多种失效方式,防止失效是保证机械零件正常工作的首要措施。失效分析方法是机械零件设计的基本方法,其逻辑框图如图1-3所示。图1-3机械零件失效分析逻辑框图第二节机械零部件设计二、机械零部件的失效分析和设计准则用计算的方法使机械零件的工作载荷在其承载能力允许范围之内,以避免失效,是常用的机械零件设计方法。计算依据的条件称为设计准则。常用的机械零件设计准则有:(1)强度准则(2)刚度准则(3)耐热性准则(4)可靠性准则(5)寿命准则(6)精度准则第二节机械零部件设计三、机械零件的计算方法根据强度、刚度、耐磨性、热平衡等要求计算机械零件的主要尺寸,是机械设计的常用方法。在计算中,会用到理论力学、材料力学、流体力学、传热学、机械振动学等理论公式。对于一般零件,要采用简化的计算方法;对于重要的机械零件,则采用复杂而精确的计算方法。而在这些计算中,也要对实际问题进行合理的简化,建立物理模型,这是机械设计的常用方法。本书对齿轮、螺栓连接、滑动轴承等零件的简化,具有典型性。除计算以外,设计机械零件时还常常进行必要的试验或现场测试,取得必要的数据,使设计更加可靠。例如在中华世纪坛的设计过程中,为了保证旋转圆坛能够顺利地转动,必须确定安装几个驱动轮,为此参考了多种机械(如起重机、火车等)的驱动力计算方法,但是考虑到这些数据的来源与中华世纪坛的实际工作情况有差距,对于摩擦因数的确定没有充足的把握,因此进行了多项底盘驱动力模拟试验(见《中国机械设计大典》第6卷第52篇),确保了设计工作顺利完成。第三节机械零件的强度计算一、机械零件的疲劳强度(一)疲劳强度的基本知识1.应力循环特性具有周期性的变应力称为循环变应力,否则称为随机变应力。循环变应力分为稳定循环变应力(图1-4)和规律性不稳定循环变应力(图1-5)两种。稳定循环变应力又有三种基本类型:对称循环变应力、脉动循环变应力和一般循环变应力,如图1-4所示。例如,匀速前进的火车轮轴受稳定径向载荷作用时,其横截面内某点的弯曲应力就属于对称循环变应力;压路机压辊表面的压应力属于脉动循环变应力;拧紧后的螺栓受到载荷后的应力则属于一般循环变应力(见图13-22)。图1-5规律性不稳定循环变应力第三节机械零件的强度计算一、机械零件的疲劳强度(一)疲劳强度的基本知识1.应力循环特性图1-4稳定循环变应力a)对称循环变应力b)脉动循环变应力c)一般循环变应力第三节机械零件的强度计算一、机械零件的疲劳强度(一)疲劳强度的基本知识1.应力循环特性

第三节机械零件的强度计算一、机械零件的疲劳强度(一)疲劳强度的基本知识2.材料的疲劳特性在变应力作用下,零件的主要失效形式是疲劳断裂。在机械零件和构件的断裂事件中,绝大多数断裂属于疲劳断裂疲劳断裂具有以下特征:①疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低,甚至比屈服极限低。②不管脆性材料或塑性材料,其疲劳断裂断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂。③疲劳断裂是损伤的积累,它的初期现象是在零件表面或表层形成微观裂纹。这种微观裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展,直至余下的未断裂截面不足以承受外载荷时,就突然断裂。由此可见,疲劳断裂是与应力循环次数有关的断裂。在疲劳断裂断口上明显地有两个区域,如图1-6所示,一个是在变应力重复作用下裂纹两边互相摩擦形成的光滑疲劳区,另一个是最终发生脆性断裂的粗糙断裂区。第三节机械零件的强度计算一、机械零件的疲劳强度(一)疲劳强度的基本知识2.材料的疲劳特性图1-6疲劳断裂断口截面第三节机械零件的强度计算一、机械零件的疲劳强度(二)疲劳强度计算1.材料的极限应力线图图1-8所示A'D'C'为当应力循环次数一定时(一般取N0)不同循环特性的极限应力。图中用σm-σa曲线来描述。该曲线通常称为等寿命曲线或极限应力线图。图1-8材料的极限应力线图第三节机械零件的强度计算一、机械零件的疲劳强度(二)疲劳强度计算2.零件的极限应力线图

第三节机械零件的强度计算一、机械零件的疲劳强度(二)疲劳强度计算3.稳定循环变应力下机械零件的疲劳强度

第三节机械零件的强度计算一、机械零件的疲劳强度(二)疲劳强度计算3.稳定循环变应力下机械零件的疲劳强度在上述计算步骤中,最关键的是计算极限应力。强度计算时所用的极限应力应是零件的极限应力线图(AGC)上的某一个点所代表的应力。零件的工作应力所对应的极限应力与应力循环特性有关。一般机械零件可能发生的典型应力变化规律通常有下述三种:①变应力的应力比保持不变,即r=C,如绝大多数转轴的弯曲应力状态。②变应力的平均应力保持不变,即σm=C,如振动着的受载弹簧中的应力状态。③变应力的最小应力保持不变,即σmin=C,如气缸盖拧紧螺栓连接中螺栓受轴向载荷时的应力状态(图13-25)。对于应力变化规律不明确的情况,可按r=C处理。第三节机械零件的强度计算一、机械零件的疲劳强度(二)疲劳强度计算4.规律性不稳定单向循环变应力下机械零件的疲劳强度计算规律性的不稳定变应力是指变应力参数的变化有一定的规律,如机床主轴、高炉上料机构的零件等所受的变应力。在这种情况下,如果仍以最大应力低于疲劳极限为安全依据,显然是不合理的。因为此时最大应力有时大于、有时小于疲劳极限,而且每一种应力作用的循环次数也有多有少。对于这类问题,一般根据疲劳损失累积假设(常称为Miner法则)来进行计算。第三节机械零件的强度计算二、机械零件的接触强度根据机械原理知识,零件的高副接触包括点接触和线接触。摩擦轮传动、齿轮传动、凸轮传动、滚动轴承等,在理论上载荷是通过点或线传递的。考虑到高副接触的零件受载后接触处的弹性变形,实际接触处为一很小的区域,最大应力发生在接触面的中央。通常在此小区域中会产生很大的局部应力,这种应力称为接触应力,用σH表示,这时零件的强度称为接触强度。例如齿轮、滚动轴承等机械零件,其工作能力取决于表面接触强度。在机械零件设计中遇到的接触应力,大多数是随时间变化的。零件在交变的接触应力反复作用下,首先在表层下的某一深度内产生微观疲劳裂纹,然后表层裂纹沿着与表面成某一角度的方向逐渐扩展,最后零件表面甲壳状的小片状材料脱落,在零件表面上遗留下一个个小坑,这种现象称为疲劳点蚀(图6-2)。点蚀形成后,零件的有效接触面积减小并形成应力集中源,传递载荷的能力也随之降低。此外,由于表面平滑性被破坏,所以工作时可能引起振动、噪声和磨料磨损。因此,疲劳点蚀会影响传动零件的正常工作。高副接触的零件,如齿轮和滚动轴承等零件,在有润滑的条件下点蚀是其主要的失效形式之一。第三节机械零件的强度计算三、许用安全系数按式(1-1)有,σ≤σlim/[S],其中,σ为工作应力,σlim为极限应力,[S]为许用安全系数。在强度计算中,许用安全系数确定得适当与否对设计结构的影响很大。许用安全系数过大,将使零件的结构笨重。许用安全系数过小,零件的可靠性就无法保证。静强度许用安全系数计算时,塑性材料的极限应力为其屈服强度,即σlim=σs,由于塑性材料可以缓和过大的局部应力,因此可取较小的安全系数1.2~1.5;使用脆性材料时,如铸铁件受拉伸应力,则极限应力取为材料的抗拉强度,即σlim=σb,由于失效形式是断裂,而不是塑性变形,其危险程度更大,所以取较大的许用安全系数3~4。在变应力作用下,疲劳强度许用安全系数可参照表1-10推荐值选取。第四节机械中的摩擦、磨损和润滑一、摩擦1.摩擦在机械中的作用

第四节机械中的摩擦、磨损和润滑一、摩擦2.摩擦的类型按照摩擦副的表面润滑状态,可以将摩擦分为干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦。干摩擦是指零件表面直接接触,不加入任何润滑剂或能够自润滑的摩擦状态。此时,实际工作的零件之间会有氧化膜,其摩擦因数在0.5~1之间。边界摩擦指相互接触的两个运动表面被吸附于表面的边界膜(指在摩擦表面上生成的一层与介质性质不同的薄膜,其厚度一般在0.1μm以下)隔开(图1-17a),其摩擦性质取决于两表面的性质和润滑剂的油性,而与润滑剂的黏度无关。流体摩擦指相互接触的两个运动表面被流体层(液体或气体)隔开(图1-17b),其摩擦性能取决于流体内部分子间的黏性阻力。混合摩擦指相互接触的两个运动表面处于干摩擦、边界摩擦及流体摩擦的混合状态(图1-17c),其摩擦磨损的性能主要取决于边界摩擦状态,而载荷主要由弹性流体动力润滑油膜来承担。一般情况下,机械中的摩擦副常常是几种摩擦状态同时存在,即处于混合摩擦状态。第四节机械中的摩擦、磨损和润滑一、摩擦2.摩擦的类型图1-17摩擦的类型a)边界摩擦b)流体摩擦c)混合摩擦第四节机械中的摩擦、磨损和润滑一、摩擦通过摩擦因数值可以判断摩擦副的摩擦状态,如图1-18所示。各种材料在不同摩擦状态下的摩擦因数值参见参考文献[8]。图1-18不同摩擦状态下的摩擦因数值3.摩擦状态的判断第四节机械中的摩擦、磨损和润滑二、磨损磨损是指摩擦副表面间由于摩擦,而使表面材料不断损失的过程。由摩擦造成的磨损是机械设备中主要的失效形式。机械零件的磨损失效占零件失效的60%~80%,机械零件的耐磨性设计对于节约材料和能源、提高零件使用寿命、减少维修费用等有着巨大的经济和社会效益,越来越受到机械设计人员的重视。第四节机械中的摩擦、磨损和润滑二、磨损1.机械零件的一般磨损过程图1-19所示为工作情况保持不变时的典型磨损过程曲线。其中,磨损量W表示由于磨损引起的材料损失(图1-19a),单位时间(或行程)内的材料磨损量称为磨损率(图1-19b)。磨损一般包括三个阶段。(1)磨合磨损磨合磨损指在机器使用初期,为改善机器零件的适应性、表面形貌和摩擦相容性的磨损过程。此阶段,磨损率呈逐渐下降趋势。(2)稳定磨损磨损率保持不变,属于正常工作阶段。磨损率越低,零件的使用寿命越长。(3)失效磨损磨损率急剧增加,使工作条件迅速恶化,导致失效。第四节机械中的摩擦、磨损和润滑二、磨损1.机械零件的一般磨损过程图1-19工作情况保持不变时的典型磨损过程曲线第四节机械中的摩擦、磨损和润滑二、磨损2.磨损的主要类型对磨损的分类表示了人们对磨损机理的认识程度,通常将磨损分为以下四类。(1)磨粒磨损(2)黏着磨损(3)表面疲劳磨损(4)腐蚀磨损(5)微动磨损第四节机械中的摩擦、磨损和润滑二、磨损3.耐磨性设计随着现代工业的发展,提高机械的使用寿命和可靠性,特别是降低能源损耗的节能设计越来越受到各方面的重视。因为磨损是缩短机械寿命和产生能源损耗的主要原因,因此机械的耐磨性设计具有重要的技术和经济意义。耐磨性设计涉及零部件的耐磨性设计、机械的磨损监控及工艺等内容。零部件的耐磨性设计主要包括:润滑与密封设计、摩擦副材料的匹配与材料表面强化、耐磨性结构设计、摩擦副表面形貌的控制等方面。磨损监控就是对机械进行定期或连续的磨损状态监测,并提出相应的改进措施,保证机械的正常工作。主要的方法有:光谱分析法和铁谱分析法,都是通过对机械所用润滑油中的磨损颗粒进行分析,从而判断机械零部件磨损情况;噪声(或振动)分析法,通过将机械正常工作状态下的噪声(振动)与零件发生磨损后的噪声(振动)频谱进行比较,预测或预报严重磨损的出现。第四节机械中的摩擦、磨损和润滑三、润滑润滑是减少摩擦和磨损最常用、最有效的方法。1.润滑方式与润滑剂机械中常用的润滑方法有连续润滑和定期润滑两种形式。常用的润滑剂主要包括:润滑油、润滑脂和一些固体润滑剂,其特性见表1-11。第四节机械中的摩擦、磨损和润滑三、润滑2.润滑油的黏度及其特性

第四节机械中的摩擦、磨损和润滑三、润滑3.润滑脂的稠度稠度是润滑脂在规定的剪切力或剪切速度下变形的程度。它指用质量为150g的标准圆锥体在25°C的恒温下,由润滑脂表面经5s后沉入润滑脂内的深度(以0.1mm为单位)。锥入度越小,稠度越大。在使用中润滑脂的稠度会发生变化,一般随温度的升高变稀,即锥入度增加。关于润滑脂的其他性能指标可查阅相关手册或产品目录。4.添加剂为改善普通润滑剂的使用性能而加入到润滑剂中的少量物质,称为添加剂。其主要作用是:①延长润滑剂的使用寿命,提高润滑剂的油性、极压性等。②提高润滑油在极端工作条件下的工作能力。③改善润滑剂的物理性能。常用的添加剂类型有:抗磨添加剂、清静分散剂、抗腐蚀剂、抗氧化剂、油性剂、极压剂、防锈剂等。第五节机械零件的材料和热处理选择一、机械零件的常用材料制造机械的常用材料目前仍然是钢和铸铁。此外,还使用有色金属合金、塑料、玻璃、陶瓷、木材等。二、选择材料的原则1.满足机械零件的使用要求一般包括以下几个方面:1)承受工作载荷的能力。2)保持使用性能的能力。3)其他要求,如重量轻、美观、安全等。2.满足工艺性要求3.满足经济性要求第六节机械零件结构设计的一般原则一、结构设计的重要性结构设计是机械设计的重要环节,它是根据原理方案图设计出具体结构图的过程,即确定完成功能要求所需各个零件的尺寸、形状、材料、热处理工艺以及各个零件间的装配关系。产品的使用者关心的是机器的功能和性能,而对设计和制造者,他们设计和制造的是一套机械结构。机械结构的重要性体现在以下几方面1.结构是实现机器功能的载体2.结构图是产品加工和装配的依据3.结构是机械设计计算的基础和计算结果的体现第六节机械零件结构设计的一般原则二、结构设计的要求机械结构设计的主要目标是:实现产品的预定功能,提高质量,延长寿命,降低成本。结构设计的基本要求是明确、简单和安全可靠。1.明确(1)功能明确(2)工作原理明确(3)工况及载荷状况明确2.简单3.安全可靠第六节机械零件结构设计的一般原则三、结构设计的原则(一)提高强度和刚度的原则机械零部件在工作时应满足强度和刚度的要求。提高零部件强度和刚度的主要途径:一是改善零件的受力情况,即减小作用在零部件上的载荷;二是提高零部件的承载能力。1.改善零部件的受力情况载荷分担(2)载荷抵消(3)载荷均布2.提高零部件承载能力降低零件的最大应力(2)减小应力集中(3)合理利用材料性能3.提高刚度的措施常用的提高机械零件刚度的措施有加肋板、用空心轴代替实心轴、用槽钢和工字钢等钢材做机架等。第六节机械零件结构设计的一般原则三、结构设计的原则(二)改善工艺性的原则机械产品按既定的规模生产,设计时要考虑零部件的结构应满足加工工艺和装配工艺要求,使零件的生产率高,材料损耗少,质量易保证,产品装配方便,从而在保证质量的前提下降低产品的成本。统计表明,改善产品工艺能够使成本降低5%~10%,对个别零件可能更多。满足工艺性的原则贯穿在产品设计和加工的全过程,从材料的选择、毛坯的选择、结构的设计、加工和检验方法的选择、装配方法的选择、产品的运输和维修及保养,直到产品的报废回收。下面针对结构设计时满足加工工艺和装配工艺要求的原则加以说明。第六节机械零件结构设计的一般原则三、结构设计的原则(二)改善工艺性的原则1.满足加工工艺合理的零件结构涉及零件的毛坯选择、毛坯的生产工艺和零件的机械加工工艺。毛坯选择及其工艺要求。1)铸件的结构工艺性。①为防止浇注不足,铸件的壁厚应大于该零件材料和铸造方法允许的最小值。②壁厚过渡均匀,尽量避免两壁连接成锐角,以防出现缩孔,如图1-31所示。③铸件应有明确的分型面,沿起模方向有相应的起模斜度,尽量少用活块、砂芯等,如图1-32所示。④铸件应避免大的水平面,避免铁液慢流发生冷隔,如图1-33所示。2)锻件的结构工艺性。

(2)机械加工的工艺性机械切削加工是机械零件加工的主要方法,常用的机械切削加工方法有车、铣、刨、磨、钻等。表1-12是机加工零件的结构设计准则。2.满足装配工艺尽量采用模块化设计(2)保证正确安装(3)方便零部件的装拆第六节机械零件结构设计的一般原则三、结构设计的原则(三)其他原则1.提高经济性的原则2.提高耐磨性的原则3.减小噪声的原则4.绿色设计的原则第六节机械零件结构设计的一般原则四、结构设计的步骤和方法结构设计不仅仅是简单地使原理方案具体化的过程,它既要使机器实