第2章 机械设计总论

第2章机械设计总论1§2-1机器的组成动力系统

传动系统

执行系统

操作系统和控制系统其它辅助系统（润滑、显示、照明等）2023/10/152

一般都由原动机、传动系统和执行系统组成。随着功能越来越复杂,机器不断增加其它部分，如控制系统和辅助系统等。§2-1机器的组成32023/10/154机器实例/dzjc/jixiesheji/ch01/html/c1.htm现代机器的特点：（1）功能增加，柔性提高。（2）结构简化，精度提高。（3）效率提高，成本降低。2023/10/155§2-2设计机器的一般程序

机器质量取决于设计，制造过程是实现设计时所规定的质量。因此设计是关键。

设计是继承与创新的结合。设计必须有科学的设计程序。而机器是各种各样的，因此不可能有唯一的设计程序。

设计大致分几个阶段：▲计划阶段▲

方案设计阶段▲技术设计阶段▲编制技术文件阶段2023/10/156一、计划阶段包括：需求分析、明确功能、制定设计任务书。

根据需要，全面调查分析；写出设计任务书：

机器功能、经济性估价、制造要求估计、基本使用要求及设计期限。二、方案设计阶段

对设计的成败起关键作用。

同一功能的机器，可采取不同工作原理，如加工齿轮机器，再如加工螺纹机器。同一工作原理，结构方案可以不同。

2023/10/157经分析:原动机方案有N1个，传动系统方案有N2

，执行系统方案有N3

，所以，总方案数N=N1×N2×N3诸多方案中，技术上可行的可能只有几个。对功能综合分析、确定参数、提出方案。确定参数注意：恰当处理需要与可能、理想与现实、长远与当前目标等的关系。2023/10/158

如图，经济评价时，考虑设计制造费用、使用的经济性。可借鉴同类机器的成功点，对其薄弱和不符合现任务的部分改进或替换。总费用设计制造费用使用费用费用复杂程度反对一味求新而把合理的原经验弃置不用。经济最佳方案2023/10/159

针对几个可行方案分析，再从技术、经济方面综合，确定最后方案。三、技术设计阶段绘装配草图；再确定各零、部件的工作图（零部件外形、尺寸及邻件间的连接）---设计中最大的工作量。确定零部件基本尺寸的5项工作：1、

运动学设计

——确定原动机的（功率）、（转速）及各运动件的（转速或速度、加速度）。2、

动力学的计算

——计算各零件的载荷（理想状态的名义载荷）。2023/10/15103、零件工作能力的计算

——强度、刚度、寿命、振动稳定性等。通过计算或类比，确定零件的基本尺寸。4、部件的装配草图

——根据基本尺寸，确定零部件关联的外廓尺寸，并进行结构设计。5、主要零件的校核——根据校核结果，修改零件结构、尺寸，直到合理。6、确定装配图。7、零件图设计。2023/10/1511在寿命周期内不失效结构工艺性好经济性特殊要求(如飞机要轻、轴承耐磨等）

零件设计内容选择材料主要几何尺寸计算结构设计技术要求零件图

要求零件2023/10/1512四、编写技术文件

设计计算说明书、零部件、标准件明细表、验收条件、使用说明书等。计算机应用于机械设计中---高效△§2-3对机器的主要要求

4~5项

一、使用功能要求正确选择工作原理，设计或选用原动机、

执行机构、传动机构及合理配置辅助系统实现预定功能。2023/10/1513二、经济性要求：

综合考虑设计、制造和使用过程。1、提高设计、制造经济性：⑴采用现代设计方法，参数最优化,保证可靠性。⑶尽量采用新工艺、新技术、新结构、新材料；⑵尽量采用标准化、系列化、通用化的零部件；2023/10/15142、提高使用的经济性

---高效，低耗，及低的管护费。⑴合理提高机械化和自动化水平，以提高生产率。

⑵选用高效的传动系统，

减少中间环节，降低能耗。⑶适当防护、润滑，延长使用寿命。⑷采用可靠密封，减少或消除渗漏。⑸结构工艺合理，用料少，易加工、易装配。⑷合理组织设计和制造过程；三、劳保、环保要求1、劳动保护:

人身安全及机器安全。按人机工程学的观点设计布置各种按钮、手柄，操作方式符合人的心理和习惯。同时，设置安全装置、报警装置、显示装置等。2023/10/1515

降低机器噪声，治理废水、废气和废液，防有毒、有害介质的渗漏。

降低噪声，治理废水、废气和废液，防有毒、有害介质的渗漏。2、环保达标:四、寿命与可靠性的要求任何机器都要求在一定的寿命下可靠的工作。1、设计制造的可靠性（出厂时已确定）。2、使用的可靠性（由用户决定---维修技术及使用经验）。

可靠度R：在规定的使用寿命内和预定工况下，机器能够正常工作的概率。不能正常工作为失效率F。F=1－R。

2023/10/1516五、其他专用要求

⑴机床---长期保持精度的要求；⑵飞机---质量小，飞行阻力小而运载能力大的要求；⑶流动机器（如钻探机）---便于装拆；⑷大型机器---便于运输。§2-4零件的主要失效形式失效：零件丧失工作能力或达不到设计的性能，称为~。工作能力：不发生失效的前提下，零件安全工作的限度。一般指承载能力

。机械零件的主要失效形式：2023/10/1517（1）整体断裂（2）过大的残余变形（3）零件的表面破坏（4）破坏正常工作条件引起的失效轴承内圈裂纹18一、整体断裂

受到拉、压、弯、扭时，危险截面的应力超过强度极限而断裂，或受变应力作用时，危险截面上的疲劳断裂。如螺栓的断裂、齿轮的齿根断裂。二、过大的残余变形

危险截面的应力超过屈服极限，产生塑性变形。

如:机床的定位夹紧零件：过大残余变形降低加工精度。

汽缸盖螺栓组的拉应力超过屈服极限，螺栓变形过大，降低密封性。2023/10/1519---塑性变形三、零件表面的破坏

主要是腐蚀、磨损及疲劳。发生在金属表面的电化学或化学腐蚀，使零件表面生锈，从而发生破坏。对于承受交变应力的零件，引起腐蚀疲劳。

磨损:两接触表面，相对运动中，发生物质丧失或转移的现象。2023/10/1520齿面接触疲劳接触疲劳:长期受到接触应力，表面产生裂纹和微粒剥落的现象。

据统计：断裂占5%;

腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%。四、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工作，一旦破坏条件就要造成失效。2023/10/1521

如液体摩擦滑动轴承，只有润滑油膜完整时，才能正常工作，否则轴承发热，引起严重磨损、胶合等。

轴瓦磨损一、避免在预期寿命期内失效强度、刚度、寿命二、结构工艺性的要求便于生产和装配三、经济性要求降低成本四、质量小的要求节约材料、减小惯性、增加运载量五、可靠性要求工作条件和零件性能随机变化尽可能小；监测维护§2-5设计机械零件时应满足的基本要求一、避免在预期寿命内失效

1、强度：载荷作用下，零件抵抗断裂、塑性变形及表面失效(磨损、腐蚀除外)的能力，是设计零件首要的基本要求。

零件具有足够强度，工作中可避免断裂及过大残余变形。2023/10/1523车床主轴要求刚度高2、刚度：载荷作用下，零件抵抗弹性变形的能力。

工作中

零件的弹性变形不超过允许限度。弹性变形过大，影响机器工作性能。分：整体刚度、表面接触刚度3、寿命

影响主因：材料疲劳、腐蚀及磨损。2023/10/1524疲劳寿命---材料疲劳失效前，所经历的应力循环次数N。多数零件在变应力下工作，因而疲劳破坏是失效的主因。措施：降低应力集中、增加尺寸及提高表面质量。2023/10/15

影响因素：应力集中、零件大小、表面品质及工况。处于腐蚀介质中的零件，应选择耐蚀材料或表面处理。二、结构工艺性要求

结构工艺性

良好：既定的生产条件下，生产零件方便而经济，并便于装配成机器。零件的结构工艺性应从毛坯制造、机械加工过程及装配工艺过程等综合考虑。2023/10/1525三、经济性要求

减少材料消耗、低价材料、减少制造工时---以降低零件本身的成本；减少其他消耗、降低劳动强度等。措施：采用少余量或无余量毛坯、简化结构---以降低加工工时。材料用平价代替贵重。尽量多选用标准件。减少零件重量---节省材料，减少惯性。运输机械----减少自重，可提高运载量。四、质量小的要求措施：（1）采用缓冲装配降冲击载荷；采用安全装置限制主要零件上的最大载荷。（2）从零件上应力较小处削减材料。施加预载荷（与工作载荷反向），以降低工作载荷。（3）采用薄壁冲压件或焊件代替铸、锻件；采用强重比高的材料。2023/10/1526

多数零件失效是随机的，原因：工作环境、温度、载荷等随机变化；零件的机械、物理性能随机变化。

措施：使零件性能和工作条件随机变化尽可能小；使用中加强维护和对工作条件监测。

2023/10/1527五、可靠性的要求

衡量：可靠度（复习：在规定的使用寿命及预定工况下，零件正常工作的概率。）§2-6机械零件的设计准则根据失效形式提出。一、强度准则

零件的应力不得超过允许的限度。2023/10/1528

一次性断裂，应力≤材料强度极限；疲劳破坏，应力≤疲劳极限；残余变形,应力≤屈服极限。（2-1）考虑到偶然性和难以精确的影响，除以安全系数S。（2-2）二、刚度准则

零件在载荷作用下的弹性变形量y≤机器工作性能允许的极限值[y]。（2-3）2023/10/1529y:用力学方法或实验确定，[y]:随不同的应用场合，根据理论或经验确定。三、寿命准则

工程中,求使用寿命时的疲劳极限,作为计算的依据。四、振动稳定性准则

机器中有许多周期性的激振源。如齿轮啮合、滚动轴承振动。

零件固有频率与激振源相近时，发生共振。共振破坏零件甚至设备，因此对高速机械、高速零件作振动计算。2023/10/1530

振动稳定性----使受激振作用的零件固有频率与激振源频率错开。0.85f＞fp

或1.15f＜fp

(2-4)

否则，改变f---改变零件及系统的刚度，改变支承位置，增加或减少辅助支承等。f：固有频率，fp：激振源频率。

若时间延长，

t→t+dt

中，又有dN

件失效，则在dt

时间内，破坏的比率称为失效率

即2023/10/1531五、可靠性准则零件数量为N0，一定工况下、在时间t后，有N件正常工作，则此零件的可靠度(2-5)分3阶段：

长时间使用，零件磨损大，失效率急剧增加。失效率λ(t)与时间t的关系----“浴盆曲线。2023/10/1532tλ(t)IIIIIIⅢ→损坏阶段。Ⅰ→早期失效阶段。

失效率急剧下降到某一稳定值。原因：零件原始缺陷，未经跑合等。Ⅱ→正常使用阶段。失效率缓慢增长。(若失效，一般是偶然原因引起。)失效率曲线表示，可靠性的另一指标：零件的平均工作时间m。可修复的零件---指平均故障间隔时间。工程中，用统计法求得平均寿命。机械零件的设计准则小结§2-7机械零件的设计方法机械零件的设计方法常规设计方法现代设计方法理论设计法经验设计法模型试验设计法2023/10/1534见2-11

常规设计方法:

采用一定的理论分析和计算，结合长期设计和生产中总结的方法、公式、图表等进行设计的方法。一、理论设计：

根据设计理论及实验数据进行的设计，称为~以拉杆为例，强度计算（2-7）F

—拉杆上的外载；A

—拉杆横截面积；σlim—材料的极限应力；

S

—安全系数1、设计计算：（2-7a）2023/10/15352、校核计算：（2-7b）（2-7c）（2-7d）（2-7e）二、经验设计：

根据某类件已有设计与使用归纳的经验公式；或设计者根据经验用类比法设计。

适合使用要求变化不大、结构形状已典型化的零件的设计。如：箱体、机架、传动件。2023/10/1536三、模型试验设计：

把初步的设计做成小模型或小样机，进行试验对特性进行检验，逐步完善。---对尺寸巨大、结构复杂的重要零件很有效。§2-8机械零件设计的一般步骤1、根据使用要求，选择类型、结构。对各种不同零件综合比较。2、根据工作要求，计算零件上的载荷。

4、根据工作条件及特殊需要选择材料。

3、根据失效，确定设计准则。5、计算零件基本尺寸。6、根据工艺、标准化，进行零件的结构设计。377、必要时，详细校核以判断结构合理性。

8、画零件工作图，并整理编写设计计算说明书。⑴铸铁：灰铁熔点低，流动性好，强度高、韧性低。

球铁强度高，加工性能好，韧性有所提高，可代替钢。

⑵铸钢：铸造性比铸铁差、比锻钢和轧制钢好。强度比铸铁好、比锻钢和轧制钢差§2-9机械零件的材料及选用

合理选材：提高零件质量和降低制造成本。1、金属

一、常用材料⑶碳钢与合金钢：应用最广碳钢：强度高、韧性好。掺入镍、钨、钼、钒、铜、钛、铝、钴、硅…得合金钢。合金使钢的性质发生质跃----性能优异。⑷有色金属：除钢铁外的金属。

铝及合金----重量轻、导热、导电性较好、塑性好、抗氧化，高强度铝合金强度近碳钢---设备减重，强度高，不怕腐蚀，用途广。铜及合金——耐蚀性强，导电、导热性好，减摩、耐蚀。许多零件难用其它材料代替。2023/10/1539黄铜：Cu与Zn合金青铜：Cu与Sn合金无锡青铜：Cu与铝、硅、锰、镍的合金。2、高分子材料

高分子量，分子间细长链相互纠缠，分子间力非常强----强度不高和弹性高。长链不易传热，熔前有软化过程----可塑性好；绝缘性高。

氮化硅陶瓷：精密陶瓷。

高的强度和硬度，耐高温、耐蚀性和抗急冷急热，用途广。3、陶瓷材料2023/10/1540

碳化硅陶瓷：精密陶瓷---坚硬，可代金刚石。在1400℃，抗弯强度50～60Kg/㎜

2，是高温燃气涡轮发动机的理想材料。

强度较高，耐高温和低温，可制造轻载零件。如：聚碳酸脂、聚酰胺、聚甲醛。

工程塑料：主要成分为合成树脂，加入添加剂---较日用的4、复合材料

金属多不耐蚀，无机非金属较脆，有机高分子不耐高温。行之有效的办法:两种或多种材料复合，取长补短，以获得工程技术所需的综合性能----复合材料。二、零件选材5原则1、载荷大小和性质

脆