《機械設(shè)計》 第二章機械設(shè)計總論

1、第二章 機械設(shè)計總論 21 機器的組成 輔助系統(tǒng)，例如潤滑、顯示、 照明等。原動機部分傳動部分執(zhí)行部分 控制系統(tǒng) 21 機器的組成（續(xù)）原動機-驅(qū)動整部機器以完成預定功能的動力源。通常一部機器只用一個原動機，復雜的機器也可能有好幾個動力源。一般地說，它們都是把其它形式的能量轉(zhuǎn)換為可以利用的機械能。 最早-人力或畜力。后來-水力機及風力機。工業(yè)革命以后-蒸汽機(包括汽輪機)及內(nèi)燃機。電動機的出現(xiàn)后-電動機。 原動機的動力輸出絕大多數(shù)呈旋轉(zhuǎn)運動的狀態(tài)，輸出一定的轉(zhuǎn)矩。在少數(shù)情況下也有用直線運動馬達或作動筒以直線運動的形式輸出一定的推力或拉力。執(zhí)行部分-完成機器預定功能的組成部分一部機器可以只有一個

2、執(zhí)行部分(例如壓路機的壓輥)；也可以把機器的功能分解成好幾個執(zhí)行部分。(例如橋式起重機的卷筒、吊鉤部分執(zhí)行上下吊放重物的功能，小車行走部分執(zhí)行橫向運送重物的功能，大車行走部分執(zhí)行縱向運送重物的功能)。 21 機器的組成（續(xù)）傳動部分-解決運動形式、運動及動力參數(shù)的轉(zhuǎn)變。例如把旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，高轉(zhuǎn)速變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速，小轉(zhuǎn)矩變?yōu)榇筠D(zhuǎn)矩等。 21 機器的組成（續(xù)）簡單的機器就只由上述三個基本部分組成。問題：有沒有兩部分組成的機器？答案：舉例：有電風扇隨著機器的功能越來越復雜，對機器的精確度要求也就越來越高，如機器只有以上三個基本部分，使用起來就會遇到很大的困難。所以機器除了以上三個部分外，還會不同程

3、度地增加其它部分，例如控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等。 21 機器的組成（續(xù)）以汽車為例 原動機汽油機或柴油機 離合器、變速箱、傳動軸和差速器 傳動部分 執(zhí)行部分 車輪、懸掛系統(tǒng)及底盤 控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)向盤、排擋桿、剎車及其踏板、離合器踏板及油門 顯示系統(tǒng) 輔助裝置 信號系統(tǒng) 照明系統(tǒng) 油量表、速度表、里程表、潤滑油溫度表及蓄電瓶電流表、電壓表 后視鏡、車門鎖、刮雨器 前后燈及儀表盤燈 轉(zhuǎn)向信號燈及車尾紅燈 22 設(shè)計機器的一般程序機器的設(shè)計階段是決定機器好壞的關(guān)鍵。制造過程對機器質(zhì)量所起的作用，本質(zhì)上就在于實現(xiàn)設(shè)計時所規(guī)定的質(zhì)量。很好地把繼承與創(chuàng)新結(jié)合起來，才能設(shè)計出高質(zhì)量的機器。作為一部完整的機器，它是

4、一個復雜的系統(tǒng)：要提高設(shè)計質(zhì)量，必須有一個科學的設(shè)計程序。根據(jù)人們設(shè)計機器的長期經(jīng)驗，一部機器的設(shè)計程序基本上可以如表21表示：22 設(shè)計機器的一般程序（續(xù)）(一)計劃階段計劃階段只是一個預備階段應對所設(shè)計的機器的需求情況作充分的調(diào)查研究和分析。通過分析，進一步明確機器所應具有的功能，并為以后的決策提出由環(huán)境、經(jīng)濟、加工以及時限等各方面所確定的約束條件。在此基礎(chǔ)上，明確地寫出設(shè)計任務的全面要求及細節(jié)，最后形成設(shè)計任務書，作為本階段的總結(jié)。設(shè)計任務書大體上應包括：機器的功能，經(jīng)濟性及環(huán)保性的估計，制造要求方面的大致估計，基本使用要求，以及完成設(shè)計任務的預計期限等。此時，對這些要求及條件一般也只能

5、給出一個合理的范圍，而不是準確的數(shù)字。例如可以用必須達到的要求、最低要求、希望達到的要求等方式予以確定。22 設(shè)計機器的一般程序（續(xù)）(二)方案設(shè)計階段 本階段對設(shè)計的成敗起關(guān)鍵的作用；在這一階段中也充分地表現(xiàn)出設(shè)計工作有多個解(方案)的特點。設(shè)計工作中的創(chuàng)新性在這一階段表現(xiàn)得最為充分。尋求方案時，可按原動部分、傳動部分及執(zhí)行部分分別進行討論。較為常用的辦法是先從執(zhí)行部分開始討論。討論機器的執(zhí)行部分時，首先是關(guān)于工作原理的選擇問題：例如，設(shè)計制造螺釘?shù)臋C器時，其工作原理既可采用在圓柱形毛坯上用車刀車削螺紋的辦法，也可采用在圓柱形毛坯上用滾絲模滾壓螺紋的辦法。這就提出了兩種不同的工作原理。工作原

6、理不同，當然所設(shè)計出的機器就會根本不同。特別應當強調(diào)的是，必須不斷地研究和發(fā)展新的工作原理。這是設(shè)計技術(shù)發(fā)展的重要途徑。 22 設(shè)計機器的一般程序（續(xù)）根據(jù)不同的工作原理，可以擬定多種不同的執(zhí)行機構(gòu)的具體方案。 原動部分的方案可以有多種選擇。 傳動部分的方案就更為復雜、多樣了。對于同一傳動任務，可以有多種機構(gòu)及不同機構(gòu)的組合來完成。 機器總體的可能方案數(shù)N=N1 N2N3Nl：原動部分的可能方案數(shù)，N2和N3：傳動部分和執(zhí)行部分的可能方案數(shù)22 設(shè)計機器的一般程序（續(xù)）方案綜合評價從技術(shù)方面和經(jīng)濟及環(huán)保等方面進行綜合評價。 根據(jù)經(jīng)濟性進行評價時，既要考慮到設(shè)計及制造時的經(jīng)濟性，也要考慮到使用時

7、的經(jīng)濟性。 結(jié)構(gòu)復雜-功能更為齊全，生產(chǎn)率較高，故使用經(jīng)濟性也較好。結(jié)構(gòu)簡單、功能不夠齊全的機器-設(shè)計及制造費用少，但使用費用增多。 22 設(shè)計機器的一般程序（續(xù)） 機器經(jīng)濟性費用曲線22 設(shè)計機器的一般程序（續(xù)）進行機器評價時，還必須對機器的可靠性進行分析，把可靠性作為一項評價的指標。 從可靠性的觀點來看，盲目地追求復雜的結(jié)構(gòu)往往是不明智的。一般地講，系統(tǒng)越復雜，則系統(tǒng)的可靠性就越低。為了提高復雜系統(tǒng)的可靠性，可以增加并聯(lián)備用系統(tǒng)，而這不可避免地會提高機器的成本。環(huán)境保護也是設(shè)計中必須認真考慮的重要方面。 22 設(shè)計機器的一般程序（續(xù)）(三)技術(shù)設(shè)計階段 技術(shù)設(shè)計階段的目標是產(chǎn)生總裝配草圖及

8、部件裝配草圖。通過草圖設(shè)計確定出各部件及其零件的外形及基本尺寸，包括各部件之間的聯(lián)接零、部件的外形及基本尺寸。最后繪制零件的工作圖、部件裝配圖和總裝圖。22 設(shè)計機器的一般程序（續(xù)）1)機器的運動學設(shè)計 根據(jù)確定的結(jié)構(gòu)方案，確定原動機的參數(shù)(功率、轉(zhuǎn)速、線速度等)。然后作運動學計算，從而確定各運動構(gòu)件的運動參數(shù)(轉(zhuǎn)速、速度、加速度等)。 2)機器的動力學計算 結(jié)合各部分的結(jié)構(gòu)及運動參數(shù)，計算各主要零件所受載荷的大小及特性。此時求出的載荷，由于零件尚未設(shè)計出來，因而只是作用于零件上的公稱（或名義)載荷。22 設(shè)計機器的一般程序（續(xù)） 3)零件的工作能力設(shè)計 已知主要零件所受的公稱載荷的大小和特性

9、，即可作零、部件的 初步設(shè)計。設(shè)計所依據(jù)的工作能力準則，須參照零、部件的一般失效情況、工作特性、環(huán)境條件等合理地擬定，一般有強度、剛度、振動穩(wěn)定性、壽命等準則：通過計算或類比即可決定零、部件的基本尺寸。 4)部件裝配草圖及總裝配草圖的設(shè)計 根據(jù)已定出的主要零、部件的基本尺寸，設(shè)計出部件裝配草圖及總裝配草圖。草圖上需對所有零件的外形及尺寸進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計。在此步驟中，需要很好地協(xié)調(diào)各零件的結(jié)構(gòu)及尺寸，全面地考慮所設(shè)計的零、部件的結(jié)構(gòu)工藝性，使全部零件有最合理的構(gòu)形。 22 設(shè)計機器的一般程序（續(xù)）5)主要零件的校核 有一些零件，在上述第三步中由于具體的結(jié)構(gòu)未定，難于進行詳細的工作能力計算，所以只能

10、作初步計算及設(shè)計，在繪出部件裝配草圖及總裝配草圖以后，所有零件的結(jié)構(gòu)及尺寸均為已知，相互鄰接的零件之間的關(guān)系也為已知。只有在這時，才可以較為精確地定出作用在零件上的載荷，決定影響零件工作能力的各個細節(jié)因素。只有在此條件下，才有可能并且必須對一些重要的或者外形及受力情況復雜的零件進行精確的校核計算。根據(jù)校核的結(jié)果，反復地修改零件的結(jié)構(gòu)及尺寸，直到滿意為止。22 設(shè)計機器的一般程序（續(xù)） 草圖設(shè)計完成以后，即可根據(jù)草圖業(yè)已確定的零件基本尺寸，設(shè)計零件的工作圖。此時，仍有大量的零件結(jié)構(gòu)細節(jié)要加以推敲和確定。設(shè)計工作圖時，要充分考慮到零件的加工和裝配工藝性、零件在加工過程中和加工完成后的檢驗要求和實施

11、方法，有些細節(jié)安排如果對零件的工作能力有值得考慮的影響時，還須返回去重新校核工作能力：最后繪制出除標準件以外的全部零件的工作圖。 按最后定型的零件工作圖上的結(jié)構(gòu)及尺寸，重新繪制部件裝配圖及總裝配圖。通過這一工作，可以檢查出零件工作圖中可能隱藏的尺寸和結(jié)構(gòu)上的錯誤。人們把這一工作通俗地稱為“紙上裝配”。22 設(shè)計機器的一般程序（續(xù)） (四)技術(shù)文件編制階段 技術(shù)文件的種類較多，常用的有機器的設(shè)計計算說明書、使用說明書標準件明細表等。 編制設(shè)計計算說明書時，應包括方案選擇及技術(shù)設(shè)計的全部結(jié)論性的內(nèi)容。 編制供用戶使用的機器使用說明書時，應向用戶介紹機器的性能參數(shù)范圍、使用操作方法、 日常保養(yǎng)及簡單

12、的維修方法、備用件的目錄等。 其它技術(shù)文件，如檢驗合格單、外購件明細表、驗收條件等，視需要與否另行編制。 22 設(shè)計機器的一般程序（續(xù)）23 對機器的主要要求 (一)使用功能要求 機器應具有預定的使用功能：這主要靠正確地選擇機器的工作原理，正確地設(shè)計或選用能夠全面實現(xiàn)功能要求的執(zhí)行機構(gòu)、傳動機構(gòu)和原動機，以及合理地配置必要的輔助系統(tǒng)來實現(xiàn)。(二)經(jīng)濟性要求 機器的經(jīng)濟性體現(xiàn)在設(shè)計、制造和使用的全過程中，設(shè)計機器時就要全面綜合地進行考慮。設(shè)計制造的經(jīng)濟性表現(xiàn)為機器的成本低；使用經(jīng)濟性表現(xiàn)為高生產(chǎn)率，高效率，較少地消耗能源、原材料和輔助材料，以及低的管理和維護費用等。提高設(shè)計和制造經(jīng)濟性指標的主要

13、途徑有： 1)采用先進的現(xiàn)代設(shè)計方法，使設(shè)計參數(shù)最優(yōu)化，達到盡可能精確的設(shè)計計算結(jié)果，保證機器足夠的可靠性。盡可能多地應用CAD技術(shù)，加快設(shè)計進度，降低設(shè)計成本。 2)最大限度地采用標準化、系列化及通用化的零、部件。零件結(jié)構(gòu)盡可能采用標準化結(jié)構(gòu)及尺寸。 3)盡可能采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料。 4)合理地組織設(shè)計和制造過程。 5)力求改善零件的結(jié)構(gòu)工藝性，使其用料少、易加工、易裝配。23 對機器的主要要求（續(xù)） 提高使用經(jīng)濟性指標的主要途徑有： 1)合理地提高機器的機械化和自動化水平，以期提高機器的生產(chǎn)率和產(chǎn)品的質(zhì)量。 2)選用高效率的傳動系統(tǒng)，盡可能減少傳動的中間環(huán)節(jié)，以期降低能源消耗

14、和生產(chǎn)成本； 3)適當?shù)夭捎梅雷o(如閉式傳動，表面防護等)及潤滑，以延長機器的使用壽命： 4)采用可靠的密封，減少或消除滲漏現(xiàn)象。23 對機器的主要要求（續(xù)）(三)勞動保護和環(huán)境保護要求(四)可靠性要求 (五)其它專用要求 對不同的機器，還有一些為該機器所特有的要求：例如：對機床有長期保持精度的要求；對飛機有質(zhì)量小，飛行阻力小而運載能力大的要求；對流動使用的機器（如鉆探機械）有便于安裝和拆卸的要求；對大型機器有便于運輸?shù)囊蟮取ＴO(shè)計機器時，在滿足前述共同的基本要求的前提下，還應著重地滿足這些特殊要求，以提高機器的使用性能。 23 對機器的主要要求（續(xù)）24 機械零件的主要失效形式 (一)整體斷

15、裂 零件在受拉、壓、彎、剪、扭等外載荷作用時由于某一危險截面上的應力超過零件的強度極限而發(fā)生的斷裂，或者零件在受變應力作用時危險截面上發(fā)生的疲勞斷裂均屬此類。例如螺栓的斷裂、齒輪輪齒根部的折斷等。 (二)過大的殘余變形 如果作用于零件上的應力超過了材料的屈服極限，則零件將產(chǎn)生殘余變形。機床上夾持定位零件的過大的殘余變形，要降低加工精度；高速轉(zhuǎn)子軸的殘余撓曲變形，將增大不平衡度，并進一步地引起零件的變形。 (三)零件的表面破壞 零件的表面破壞主要是腐蝕、磨損和接觸疲勞。 腐蝕的結(jié)果是使金屬表面產(chǎn)生銹蝕，從而使零件表面遭到破壞。與此同時，對于承受變應力的零件，還要引起腐蝕疲勞的現(xiàn)象。 磨損是兩個接

16、觸表面在作相對運動的過程中表面物質(zhì)喪失或轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。 接觸疲勞是零件表面受到接觸變應力長期作用的表面產(chǎn)生裂紋或微粒剝落的現(xiàn)象。 腐蝕、磨損和接觸疲勞都是隨工作時間的延續(xù)而逐漸發(fā)生的失效形式。處于潮濕空氣中或與水、汽及其它腐蝕性介質(zhì)相接觸的金屬零件，均有可能發(fā)生腐蝕現(xiàn)象；所有作相對運動的零件接觸表面都有可能發(fā)生磨損；而在接觸變應力條件下工作的零件表面也將有可能發(fā)生接觸疲勞。24 機械零件的主要失效形式（續(xù)） (四)破壞正常工作條件引起的失效 有些零件只有在一定的工作條件下才能正常地工作。例如，液體摩擦的滑動軸承，只有在存在完整的潤滑油膜時才能正常地工作；帶傳動和摩擦輪傳動，只有在傳遞的有效圓周力

17、小于臨界摩擦力時才能正常地工作；高速轉(zhuǎn)動的零件，只有其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動件系統(tǒng)的固有頻率避開一個適當?shù)拈g隔時才能正常地工作等。如果破壞了這些必備的條件，則將發(fā)生不同類型的失效。例如，滑動軸承將發(fā)生過熱、膠合、磨損等形式的失效；帶傳動將發(fā)生打滑的失效；高速轉(zhuǎn)子將發(fā)生共振從而使振幅增大，以致引起斷裂的失效等。24 機械零件的主要失效形式（續(xù)） 對1378項失效所進行的分類，腐蝕、磨損和各種疲勞破壞所引起的失效就占了7388，而由于斷裂所引起的失效只占479。所以可以說，腐蝕、磨損和疲勞是引起零件失效的主要原因。24 機械零件的主要失效形式（續(xù)） 25 設(shè)計機械零件時應滿足的基本要求 (一)避免在預定壽命期

18、內(nèi)失效的要求 1強度 零件在工作中發(fā)生斷裂或不允許的殘余變形統(tǒng)屬于強度不足。上述失效形式，除了用于安全裝置中預定適時破壞的零件外，對任何零件都是應當避免的。因此，具有適當?shù)膹姸仁窃O(shè)計零件時必須滿足的最基本要求。 有些大型零件，例如機架、床身等雖然在工作時不會發(fā)生斷裂，但在運輸過程中由于吊裝、捆縛、固定等操作，也有可能使零件承受比工作載荷大得很多的載荷，因而引起斷裂。此時，就應當優(yōu)先考慮運輸時的強度問題。 為了提高機械零件的強度，在設(shè)計時原則上可以采用以下的措施：采用強度高的材料；使零件具有足夠的截面尺寸；合理地設(shè)計零件的截面形狀，以增大截面的慣性矩；采用熱處理和化學熱處理方法，以提高材料的力學

19、性能；提高運動零件的制造精度，以降低工作時的動載荷；合理地配置機器中各零件的相互位置，以降低作用于零件上的載荷等。 25 設(shè)計機械零件時應滿足的基本要求（續(xù)）2剛度 零件在工作時所產(chǎn)生的彈性變形不超過允許的限度，就叫做滿足了剛度要求。顯然，只有當彈性變形過大就要影響機器工作性能的零件(例如機床主軸、導軌等)，才需要滿足這項要求。對于這類零件，設(shè)計時除了要作強度計算外，還必須作剛度計算。 零件的剛度分為整體變形剛度和表面接觸剛度兩種。前者是指零件整體在載荷作用下發(fā)生的伸長、縮短、撓曲、扭轉(zhuǎn)等彈性變形的程度；后者是指因兩零件接觸表面上的微觀凸峰，在外載荷作用下發(fā)生變形所導致的兩零件相對位置變化的程

20、度。 25 設(shè)計機械零件時應滿足的基本要求（續(xù)）提高零件的整體剛度的措施為了提高零件的整體剛度：可采取增大零件截面尺寸或增大截面的慣性矩；縮短支承跨距或采用多支點結(jié)構(gòu)，以減小撓曲變形等。為了提高接觸剛度：可采取增大貼合面以降低壓力；采用精加工以降低表面不平度等。 25 設(shè)計機械零件時應滿足的基本要求（續(xù)）3壽命 有的零件在工作初期雖然能夠滿足各種要求，但在工作一定時間后，卻可能由于某種(或某些)原因而失效。這個零件正常工作延續(xù)的時間就叫做零件的壽命。 影響零件壽命的主要因素有：材料的疲勞，材料的腐蝕以及相對運動零件接觸表面的磨損等三個方面。 25 設(shè)計機械零件時應滿足的基本要求（續(xù)） 大部分機

21、械零件均在變應力條件下工作，因而疲勞破壞是引起零件失效的主要原因。 影響零件材料疲勞強度的主要因素是：應力集中、零件尺寸大小、零件表面品質(zhì)及環(huán)境狀況。在設(shè)計零件時，應努力從這幾方面采取措施，以提高零件抵抗疲勞破壞的能力。 零件處于腐蝕性介質(zhì)中工作時，就有可能使材料遭受腐蝕。對于這些零件，應選用耐腐蝕材料或采用各種防腐蝕的表面保護，例如發(fā)藍、表面鍍層。噴涂漆膜及表面陽極化處理等，以提高零件的耐腐蝕性能。 提高耐磨性。 25 設(shè)計機械零件時應滿足的基本要求（續(xù)） (二)結(jié)構(gòu)工藝性要求 零件具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性，是指在既定的生產(chǎn)條件下。能夠方便而經(jīng)濟地生產(chǎn)出來，并便于裝配成機器這一特性。所以，零件的

22、結(jié)構(gòu)工藝性應從毛坯制造、機械加工過程及裝配等幾個生產(chǎn)環(huán)節(jié)加以綜合考慮。工藝性是和機器生產(chǎn)批量大小及具體的生產(chǎn)條件相關(guān)的。為了改善零件的工藝性，就應當熟悉當前的生產(chǎn)水平及條件。對零件的結(jié)構(gòu)工藝性具有決定性影響的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計，在整個設(shè)計工作中占有很大的比重，因而必須予以足夠的重視。 25 設(shè)計機械零件時應滿足的基本要求（續(xù)） (三)經(jīng)濟性要求 零件的經(jīng)濟性首先表現(xiàn)在零件本身的生產(chǎn)成本上。設(shè)計零件時，應力求設(shè)計出耗費最少的零件。所謂耗費，除了錢財?shù)暮馁M以外，還應當包括制造時間及人工的消耗； 要降低零件的成本，首先要采用輕型的零件結(jié)構(gòu)，以降低材料消耗；采用少余量或無余量的毛坯或簡化零件結(jié)構(gòu)，以減少加工

23、工時。這些對降低零件成本均有顯著的作用。工藝性良好的結(jié)構(gòu)就意味著加工及裝配費用低，所以工藝性對經(jīng)濟性有著直接的影響； 采用廉價而供應充足的材料以代替貴重材料；對于大型零件采用組合結(jié)構(gòu)以代替整體結(jié)構(gòu)，都可以在降低材料費用方面起到積極的作用。 另外，盡可能采用標準化的零、部件以取代特殊加工的零、部件，就可在經(jīng)濟方面取得很大的效益。 25 設(shè)計機械零件時應滿足的基本要求（續(xù)） (四)質(zhì)量小的要求 對絕大多數(shù)機械零件來說，都應當力求減小其質(zhì)量。好處：一方面可以節(jié)約材料；另一方面，對于運動零件來說，可以減小慣性，改善機器的動力性能，減小作用于構(gòu)件上的慣性載荷。此外，對于運輸機械的零件，由于減小了本身的質(zhì)

24、量，就可以增加運載量，從而提高機器的經(jīng)濟效能。 為了達到零件質(zhì)量小的目的，可以從采取的設(shè)計措施有：采用緩沖裝置來降低零件上所受的沖擊載荷；采用安全裝置來限制作用在主要零件上的最大載荷；從零件上應力較小處削減部分材料，以改善零件受力的均勻性，從而提高材料的利用率；采用與工作載荷相反方向的預載荷，以降低零件上的工作載荷；采用輕型薄壁的沖壓件或焊接件來代替鑄、鍛零件，以及采用強重比(即強度與單位體積材料所受的重力之比)高的材料等。 25 設(shè)計機械零件時應滿足的基本要求（續(xù)） (五)可靠性要求 零件可靠度的定義和機器可靠度的定義是相同的，即在規(guī)定的使用時間(壽命)內(nèi)和預定的環(huán)境條件下，零件能夠正常地完

25、成其功能的概率。對于絕大多數(shù)的機械來說，失效的發(fā)生都是隨機性的。造成失效具有隨機性的原因，在于那些衡量零件工作條件的數(shù)量指標的隨機性。例如零件所受的載荷、環(huán)境溫度等等不可能是永遠恒定的，而是隨機地變化的；零件本身的物理及機械性能也是隨機地變化的。因此，為了提高零件的可靠性，就應當在工作條件和零件性能兩個方面使其隨機變化盡可能地小。此外，在使用中加強維護和對工作條件進行監(jiān)測，也可以提高零件的可靠性。 25 設(shè)計機械零件時應滿足的基本要求（續(xù)） 26 機械零件的設(shè)計準則 (一)強度準則 強度準則就是指零件中的應力不得超過允許的限度。例如：對一次斷裂來講，應力不超過材料的強度極限；對疲勞破壞來講，應

26、力不超過零件的疲勞極限；對殘余變形來講，應力不超過材料的屈服極限。這就叫做滿足了強度要求，符合了強度計算的準則。其代表性的表達式為 lim (21) 考慮到各種偶然性或難以精確分析的影響，式(21)右邊要除以設(shè)計安全系數(shù)(簡稱為安全系數(shù))S，即 lim /S (22) (二)剛度準則 零件在載荷作用下產(chǎn)生的彈性變形量y (它廣義地代表任何形式的彈性變形量)，小于或等于機器工作性能所允許的極限值y (即許用變形量)，就叫做滿足了剛度要求，或符合了剛度設(shè)計準則。其表達式為 yy (23) 彈性變形量y可按各種求變形量的理論或?qū)嶒灧椒▉泶_定，而許用變形量y則應隨不同的使用場合，根據(jù)理論或經(jīng)驗來確定其

27、合理的數(shù)值。 26 機械零件的設(shè)計準則（續(xù)） (三)壽命準則 由于影響壽命的主要因素腐蝕、磨損和疲勞是三個不同范疇的問題，所以它們各自發(fā)展過程的規(guī)律也就不同。迄今為止，還沒有提出實用有效的腐蝕壽命計算方法，因而也無法列出腐蝕的計算準則。關(guān)于磨損的計算方法，由于其類型眾多，產(chǎn)生的機理還未完全搞清，影響因素也很復雜，所以尚無可供工程實際使用的能夠進行定量計算的方法，本書不擬討論。關(guān)于疲勞壽命，通常是求出使用壽命時的疲勞極限或額定載荷來作為計算的依據(jù)。這在第三章中再作介紹。 26 機械零件的設(shè)計準則（續(xù)） (四)振動穩(wěn)定性準則 機器中存在著很多的周期性變化的激振源。 例：齒輪的嚙合，滾動軸承中的振動

28、，滑動軸承中的油膜振蕩，彈性軸的偏心轉(zhuǎn)動等。 如果某一零件本身的固有頻率與上述激振源的頻率重合或成整倍數(shù)關(guān)系時，這些零件就會發(fā)生共振，以致使零件破壞或機器工作情況失常等。所謂振動穩(wěn)定性，就說在設(shè)計時要使機器中受激振作用的各零件的固有頻率與激振源的頻率錯開。 例如，令f代表零件的固有頻率，fp 代表激振源的頻率，則通常應保證如下的條件： 0.85f f p或1.15 f f p或1.15 f fp (24) 如果不能滿足上述條件，則可用改變零件及系統(tǒng)的剛性改變支承位置，增加或減少輔助支承等辦法來改變f值； 把激振源與零件隔離，使激振的周期性改變的能量不傳遞到零件上去；或者采用阻尼以減小受激振動零

29、件的振幅，都會改善零件的振動穩(wěn)定性。 26 機械零件的設(shè)計準則（續(xù)） (五)可靠性準則 如有一大批某種零件，其件數(shù)為片N0，在一定的工作條件下進行試驗。如在，時間后仍有N件在正常地工作，則此零件在該工作環(huán)境條件下工作t時間的可靠度R可表示為(25) 如試驗時間不斷延長，則N將不斷地減小，故可靠度也將改變。這就是說，零件的可靠度本身是一個時間的函數(shù)。 如果在時間t到t+dt的間隔中，又有dN件零件發(fā)生破壞，則在此dt時間間隔內(nèi)破壞的比率定義為 26 機械零件的設(shè)計準則（續(xù)） (a) 式中 稱為失效率，負號表示dN的增大將使N減小。分離變量并積分，得 (b) 即 (26) 26 機械零件的設(shè)計準則

30、（續(xù)）零件或部件的失效率 與時間t的關(guān)系如圖23所示。這個曲線，常被形象化地稱為浴盆曲線， 26 機械零件的設(shè)計準則（續(xù)） 第段代表早期失效階段。在這一階段中，失效率由開始時很高的數(shù)值急劇地下降到某一穩(wěn)定的數(shù)值。引起這一階段失效率特別高的原因是零、部件中所存在的初始缺陷，例如零件上未被發(fā)現(xiàn)的加工裂紋，安裝不正確，接觸表面未經(jīng)磨合(跑合)等。 第段代表正常使用階段。在此階段內(nèi)如果發(fā)生失效，一般地總是由于偶然的原因而引起的，故其發(fā)生是隨機性的，失效率則表現(xiàn)為緩慢增長。 第段代表損壞階段。由于長時間的使用而使零件發(fā)生磨損、疲勞裂紋擴展等原因，使失效率急劇地增加。良好的維護和及時更換馬上要發(fā)生破壞的零

31、件，就可以延緩機器進入這一階段工作的時間。 26 機械零件的設(shè)計準則（續(xù)） 表征零件可靠性的另一指標是零件的平均工作時間(也稱平均壽命)。對于不可修復的零件，平均壽命是指其失效前的平均工作時間，用MTTF(mean time to failures)表示；對于可修復的零件，則是指其平均故障間隔時間，用MTBF(mean time between failures)表示。在工程實際中，平均壽命應用統(tǒng)計的方法確定。 26 機械零件的設(shè)計準則（續(xù)）27 機械零件的設(shè)計方法 (一)理論設(shè)計 根據(jù)長期總結(jié)出來的設(shè)計理論和實驗數(shù)據(jù)所進行的設(shè)計，稱為理論設(shè)計?，F(xiàn)以簡單受拉桿件的強度設(shè)計為例來討論理論設(shè)計的概

32、念。設(shè)計時強度計算按式(22)為 lim /S 或 (27)式中：F作用于拉桿上的外載荷； A 拉桿橫截面面積； lim 拉桿材料的極限應力； S 設(shè)計安全系數(shù)(簡稱為安全系數(shù))。 對式(27)的運算過程，可以有下述兩大類不同的處理方法. 1設(shè)計計算 由公式直接求出桿件必需的橫截面尺寸A，即 A (27a)27 機械零件的設(shè)計方法（續(xù)） 2校核計算 在按其它辦法初步設(shè)計出桿件的橫截面尺寸后，可選用下列四式之一進行校核計算。 = (27b) F (27c) (2-7d) (2-7e)式(2-7d)中的Sca為安全系數(shù)計算值，或簡稱為計算安全系數(shù)。27 機械零件的設(shè)計方法（續(xù)）設(shè)計計算多用于能通過

33、簡單的力學模型進行設(shè)計的零件；校核計算則多用于結(jié)構(gòu)復雜，應力分布較復雜，但又能用現(xiàn)有的應力分析方法(以強度為設(shè)計準則時)或變形分析方法(以剛度為設(shè)計準則時)進行計算的場合。27 機械零件的設(shè)計方法（續(xù)） (二)經(jīng)驗設(shè)計 根據(jù)對某類零件已有的設(shè)計與使用實踐而歸納出的經(jīng)驗關(guān)系式，或根據(jù)設(shè)計者本人的工作經(jīng)驗用類比的辦法所進行的設(shè)計叫做經(jīng)驗設(shè)計。這對那些使用要求不大變動而結(jié)構(gòu)形狀已典型化的零件，是很有效的設(shè)計方法。例如箱體、機架、傳動零件的各結(jié)構(gòu)要素等。 27 機械零件的設(shè)計方法（續(xù)）(三)模型實驗設(shè)計 對于一些尺寸巨大而結(jié)構(gòu)又很復雜的重要零件，尤其是一些重型整體機械零件，為了提高設(shè)計質(zhì)量，可采用模型

34、實驗設(shè)計的方法。即把初步設(shè)計的零、部件或機器做成小模型或小尺寸樣機，經(jīng)過實驗的手段對其各方面的特性進行檢驗，根據(jù)實驗結(jié)果對設(shè)計進行逐步的修改，從而達到完善。這樣的設(shè)計過程叫做模型實驗設(shè)計。 這個設(shè)計方法費時、昂貴，因此只用于特別重要的設(shè)計中。27 機械零件的設(shè)計方法（續(xù)）28 機械零件設(shè)計的一般步驟 1)根據(jù)零件的使用要求，選擇零件的類型和結(jié)構(gòu)。為此，必須對各種零件的不同類型、優(yōu)缺點、特性與使用范圍等，進行綜合對比并正確選用。 2)根據(jù)機器的工作要求，計算作用在零件上的載荷。 3)根據(jù)零件的類型、結(jié)構(gòu)和所受載荷，分析零件可能的失效形式，從而確定零件的設(shè)計準則。 4)根據(jù)零件的工作條件及對零件的

35、特殊要求(例如高溫或在腐蝕性介質(zhì)中工作等)，選擇適當?shù)牟牧稀?5)根據(jù)設(shè)計準則進行有關(guān)的計算，確定出零件的基本尺寸。 6)根據(jù)工藝性及標準化等原則進行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 7)細節(jié)設(shè)計完成后，必要時進行詳細的校核計算，以判定結(jié)構(gòu)的合理性。 8)畫出零件的工作圖，并寫出計算說明書。 29 機械零件的材料及其選用 (一)機械零件常用的材料 1金屬材料 在各類工程材料中，以金屬材料(尤其是鋼鐵)使用最廣。 2高分子材料 高分子材料通常包含三大類型，即塑料、橡膠及合成纖維 。 缺點:容易老化，其中不少材料阻燃性差，耐熱性不好。 3陶瓷材料 作為工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料，有以Si3N4和SiC為主要成分的高溫結(jié)構(gòu)陶

36、瓷；有以Al2O3，為主要成分的刀具結(jié)構(gòu)陶瓷。陶瓷材料的主要特點是：硬度極高、耐磨、耐腐蝕、熔點高、剛度大以及密度比鋼鐵低等。 缺點:比較脆，斷裂韌度低，價格昂貴，加工工藝性差等。4復合材料 復合材料是由兩種或兩種以上具有明顯不同的物理和力學性能的材料復合制成的，不同的材料可分別作為材料的基體相和增強相。 29 機械零件的材料及其選用（續(xù)） (二)機械零件材料的選擇原則 1載荷、應力的大小和性質(zhì) 脆性材料原則上只適用于制造在靜載荷下工作的零件。在多少有些沖擊的情況下，應以塑性材料作為主要使用的材料。 金屬材料的性能一般可通過熱處理加以提高和改善，因此，要充分利用熱處理的手段來發(fā)揮材料的潛力。對

37、于最常用的調(diào)質(zhì)鋼，由于其回火溫度的不同，可得到力學性能不同的毛坯?；鼗饻囟扔撸牧系挠捕群蛷姸葘⒂?，而塑性愈好。所以在選擇材料的品種時，應同時規(guī)定其熱處理規(guī)范，并在圖紙上注明。 29 機械零件的材料及其選用（續(xù)）2零件的工作情況 零件的工作情況是指零件所處的環(huán)境特點、工作溫度、摩擦磨損的程度等。 在濕熱環(huán)境下工作的零件，其材料應有良好的防銹和耐腐蝕的能力，例如選用不銹鋼、銅合金等。 工作溫度對材料選擇的影響，一方面要考慮互相配合的兩零件的材料的線膨脹系數(shù)不能相差過大，以免在溫度變化時產(chǎn)生過大的熱應力，或者使配合松動；另一方面也要考慮材料的力學性能隨溫度而改變的情況。 零件在工作中有可能發(fā)生

38、磨損之處要提高其表面硬度，以增強耐磨性：因此，應選擇適于進行表面處理的淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼等品種。 29 機械零件的材料及其選用（續(xù)）3零件的尺寸及質(zhì)量 零件尺寸及質(zhì)量的大小與材料的品種及毛坯制取方法有關(guān)：用鑄造材料制造毛坯時，一般可以不受尺寸及質(zhì)量大小的限制；而用鍛造材料制造毛坯時，則須注意鍛壓機械及設(shè)備的生產(chǎn)能力。此外，零件尺寸和質(zhì)量的大小還和材料的強重比有關(guān)，應盡可能選用強重比大的材料，以便減小零件的尺寸和質(zhì)量。 29 機械零件的材料及其選用（續(xù)） 4零件結(jié)構(gòu)的復雜程度及材料的加工可能性 結(jié)構(gòu)復雜的零件宜選用鑄造毛坯，或用板材沖壓出元件后再經(jīng)焊接而成。結(jié)構(gòu)簡單的零件可用鍛造法制取毛坯。

39、 29 機械零件的材料及其選用（續(xù)） 5材料的經(jīng)濟性 材料的經(jīng)濟性主要表現(xiàn)在以下幾方面： 1)材料本身的相對價格。當用價格低廉的材料能滿足使用要求時，就不應選擇價格高的材料。這對于大批量制造的零件尤為重要。 2)材料的加工費用。例如制造某些箱體類零件，雖然鑄鐵比鋼板價廉，但在批量小時，選用鋼板焊接反較有利，因其可以省掉鑄模的生產(chǎn)費用。 3)材料的利用率。例如采用無切屑或少切屑毛坯(如精鑄、模鍛、冷拉毛坯等)，可以提高材料的利用率。此外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時也應設(shè)法提高材料的利用率。 4)采用組合結(jié)構(gòu)。例如火車車輪是在一般材料的輪芯外部熱套上一個硬度高而耐磨損的輪箍，這種選材的方法常叫做局部品質(zhì)原則。 5)節(jié)約稀有材料。例如用鋁青銅代替錫青銅制造軸瓦，用錳硼系合金鋼代替鉻鎳系合金鋼等。 6）材料的供應狀況 選材時還應考慮到當時當?shù)夭牧系墓獱顩r。為了簡化供應和貯存的材料品種，對于小批制造的零件，應盡可能地減少同一部機器上使用的材料品種和規(guī)格。 29 機械零件的材料及其選用（續(xù)） 210 機械零件設(shè)計中的標準化 對于機械零件的設(shè)計工作來說，標準化的作用是很重要的。所謂零件的標準化，就是通過對零件的尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料性能、檢驗方法