機(jī)械設(shè)計課件濮良貴版本02 機(jī)械設(shè)計總論

第二章機(jī)械設(shè)計總論§2-1機(jī)器的組成§2-2設(shè)計機(jī)器的一般程序§2-3對機(jī)器的主要要求§2-4機(jī)械零件的主要失效形式§2-5設(shè)計機(jī)械零件時應(yīng)滿足的基本要求§2-6機(jī)械零件的設(shè)計準(zhǔn)則§2-7機(jī)械零件的設(shè)計方法§2-8機(jī)械零件設(shè)計的一般步驟§2-9機(jī)械零件的材料及其選用§2-10機(jī)械零件設(shè)計中的標(biāo)準(zhǔn)化§2-11機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計方法簡介§2-1機(jī)器的組成人們?yōu)榱藵M足生產(chǎn)和生活的需要，設(shè)計和制造了類型繁多、功能各異的機(jī)器。一臺完整的機(jī)器的組成大致可包括：原動機(jī)部分傳動部分執(zhí)行部分輔助系統(tǒng)，例如：潤滑、顯示、照明等控制系統(tǒng)傳感器傳感器傳感器簡單的機(jī)器只由原動機(jī)部分、傳動部分和執(zhí)行部分這三部分組成，隨著機(jī)器功能越來越復(fù)雜，對機(jī)器的精確度要求也越來越高，輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生。機(jī)器的組成（本節(jié)將以汽車為例講述機(jī)器的組成）1·動力部分：原動機(jī)提供動力（蒸汽機(jī)、電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等）2·執(zhí)行部分：完成預(yù)定的功能（車輪、懸掛系統(tǒng)及底盤、車身）3·傳動部分：轉(zhuǎn)換運(yùn)動形式、運(yùn)動及動力參數(shù)（離合器、變速箱、傳動軸、差速器等）4·控制部分：控制運(yùn)行狀態(tài)（方向盤及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、排擋桿及其它各種操作手柄及剎車、油門、離合器踏板）5·輔助系統(tǒng)：反饋運(yùn)行狀態(tài)并發(fā)出信號（潤滑、照明、顯示、信號等）1234Fν651－電動機(jī)2－V帶傳動3－一級直齒圓柱齒輪減速器4－聯(lián)軸器5－卷筒6－運(yùn)輸帶

§2-2設(shè)計機(jī)器的一般程序機(jī)器的先進(jìn)性取決于設(shè)計者的設(shè)計的先進(jìn)水平，機(jī)械設(shè)計經(jīng)過上百年的發(fā)展形成了自己較為固定的程序，本節(jié)以農(nóng)用車為例結(jié)合框圖來闡述設(shè)計機(jī)器的一般程序。設(shè)計的各個階段是相互聯(lián)系、相互影響、相互制約的，在設(shè)計中不可避免的會出現(xiàn)反反復(fù)復(fù)，在設(shè)計中要注意運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)計方法、設(shè)計手段來進(jìn)行設(shè)計，如采用優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、計算機(jī)輔助設(shè)計等來提高設(shè)計質(zhì)量，加快設(shè)計速度，縮短開發(fā)周期，使產(chǎn)品盡快地進(jìn)入市場、占領(lǐng)市場，獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。設(shè)計說明書、工藝文件、標(biāo)準(zhǔn)件、自制件、外協(xié)件明細(xì)表、使用說明書等樣機(jī)試制、檢測、驗收、改進(jìn)原型的設(shè)計市場調(diào)研、比較分析并擬定設(shè)計任務(wù)書如:開發(fā)的噸位、市場的占有率、社會效益、經(jīng)濟(jì)效益、性能的先進(jìn)性等

計劃階段(提出問題)技術(shù)設(shè)計階段

(解決問題)技術(shù)文件編制階段方案設(shè)計階段

(分析問題)試制鑒定階段

(驗證問題)對機(jī)器進(jìn)行功能分析，組合出設(shè)計方案以供選擇，評價決策、選擇最終方案。如：四輪、三輪；柴油機(jī)、汽油機(jī)；有無駕駛室；傳動方案（皮帶、鏈、傳動軸）等機(jī)器運(yùn)動學(xué)設(shè)計：原動機(jī)參數(shù)--各運(yùn)動構(gòu)件的運(yùn)動參數(shù)機(jī)器動力學(xué)計算：由運(yùn)動參數(shù)計算零件所受載荷的大小零件工作能力設(shè)計：由載荷進(jìn)行零件的初步設(shè)計部件裝配草圖及總裝配草圖設(shè)計：繪圖（總裝圖、部件圖、零件圖主要零件的校核初步計算及設(shè)計產(chǎn)品設(shè)計定型批量生產(chǎn)階段從小批到中批再到大批，注重售后服務(wù)，不斷反饋信息，不斷改進(jìn)、不斷提高（一）使用功能要求機(jī)器應(yīng)具有預(yù)定的使用功能如起動、轉(zhuǎn)彎半徑、噸位、速度、制動等（二）經(jīng)濟(jì)性要求：如設(shè)計、制造、使用成本，采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的零部件（底盤、車橋等）（三）勞動保護(hù)和環(huán)境保護(hù)要求安全裝置（氣囊、安全帶）、噪聲；環(huán)境保護(hù)（尾氣、噪聲）（以汽車為例）（六）其它專用要求：特殊要求（防彈、越野等） §2-3對機(jī)器的主要要求（四）壽命與可靠性的要求在規(guī)定的使用條件及使用期限內(nèi)不出故障（五）人機(jī)工程與造型：操作習(xí)慣、外型美觀，符合美學(xué)原則機(jī)械設(shè)計中的“三化”1·標(biāo)準(zhǔn)化：對零件的尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料特性、檢驗方法、設(shè)計方法、制圖要求等制定出統(tǒng)一的共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)（如：螺紋聯(lián)接件，滾動軸承等用途最廣的零件進(jìn)行大量的、集中制造，用戶根據(jù)要求選用）2·系列化：對同一產(chǎn)品，為了適應(yīng)不同的使用條件，在同一基本結(jié)構(gòu)或基本尺寸的條件下，規(guī)定出若干個輔助尺寸不同的產(chǎn)品，稱為不同的系列（如：滾動軸承的直徑系列、寬度系列，工程機(jī)械的系列化）3·通用化：不同的產(chǎn)品間，零部件要能相互通用（如：汽車與農(nóng)用車之間零部件的通用）§2-4機(jī)械零件的主要失效形式失效：機(jī)械零件喪失工作能力或達(dá)不到設(shè)計要求性能時，稱為失效。同一種零件發(fā)生失效的形式可能有多種，不同的工作條件，失效形式不同。工作能力：零件不發(fā)生失效時的安全工作限度稱為工作能力。機(jī)械零件常見的失效形式有：整體斷裂、過大的殘余變形、零件的表面破壞以及破壞正常工作條件引起的失效等。（一）整體斷裂整體斷裂是指零件在載荷作用下，其危險截面的應(yīng)力超過零件的強(qiáng)度極限而導(dǎo)致的斷裂，或在變應(yīng)力作用下，危險截面發(fā)生的疲勞斷裂。齒輪輪齒斷裂軸承內(nèi)圈斷裂（二）過大的殘余變形

當(dāng)作用于零件上的應(yīng)力超過了材料的屈服極限，零件將產(chǎn)生殘余變形。齒輪齒面塑形變形軸承外圈塑性變形（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（點(diǎn)蝕）。齒面接觸疲勞軸瓦磨損（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的工作，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工作。帶傳動只有在傳遞的有效圓周力小于臨界摩擦力時才能正常工作。高速轉(zhuǎn)動的零件，只有在轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動件系統(tǒng)的固有頻率避開一個適當(dāng)?shù)拈g隔才能正常工作。零件在工作時會發(fā)生哪一種失效，這與零件的工作環(huán)境、載荷性質(zhì)等很多因素有關(guān)。有統(tǒng)計結(jié)果表明，一般機(jī)械零件的失效主要是由于疲勞、磨損、腐蝕等因素引起。（一）避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求1.強(qiáng)度：強(qiáng)度不足會引起斷裂、較大的殘余變形（塑性變形）。2.剛度：剛度不足會造成彈性變形超過允許的限度。3.壽命：零件正常工作延續(xù)的時間，影響壽命的主要因素有材料的疲勞、材料的腐蝕、磨損?！?-5設(shè)計機(jī)械零件時應(yīng)滿足的基本要求（二）結(jié)構(gòu)工藝性的要求結(jié)構(gòu)簡單便于制造加工與裝配（三）經(jīng)濟(jì)性零件應(yīng)有合理的生產(chǎn)加工和使用維護(hù)的成本。價廉物美（遵循三化原則）（四）質(zhì)量小的要求質(zhì)量小則可節(jié)約材料，質(zhì)量小則靈活、輕便。（五）可靠性要求應(yīng)降低零件發(fā)生故障的可能性（概率）。零件的可靠性決定了機(jī)器的可靠性。§2-6機(jī)械零件的設(shè)計準(zhǔn)則（一）強(qiáng)度準(zhǔn)則

設(shè)計零件時，首先應(yīng)根據(jù)零件的失效形式確定其設(shè)計準(zhǔn)則以及相應(yīng)的設(shè)計計算方法。一般來講，有以下幾種準(zhǔn)則：零件中的應(yīng)力不得超過允許的限度。即：確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過大的塑性變形，是最基本的設(shè)計準(zhǔn)則。兩種判斷零件強(qiáng)度的方法1、強(qiáng)度條件2、實(shí)際安全系數(shù)靜應(yīng)力時零件的主要失效形式：塑性變形、斷裂塑性材料脆性材料塑性材料極限應(yīng)力：脆性材料極限應(yīng)力：變應(yīng)力時零件的主要失效形式：疲勞破壞（二）剛度準(zhǔn)則確保零件不發(fā)生過大的彈性變形。（三）壽命準(zhǔn)則通常與零件的疲勞、磨損、腐蝕相關(guān)。（四）振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則高速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計應(yīng)注重此項準(zhǔn)則。（五）可靠性準(zhǔn)則可靠性表示系統(tǒng)、機(jī)器或零件在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。當(dāng)計及隨機(jī)因素影響時，仍應(yīng)確保上述各項準(zhǔn)則?！?-7機(jī)械零件的設(shè)計方法

機(jī)械零件的設(shè)計方法通常分為常規(guī)設(shè)計方法和現(xiàn)代設(shè)計方法兩大類。

現(xiàn)代設(shè)計方法是指在近二、三十年發(fā)展起來的更為完善、科學(xué)、計算精度高、設(shè)計與計算速度更快的機(jī)械設(shè)計方法。如機(jī)械優(yōu)化設(shè)計、機(jī)械可靠性設(shè)計、計算機(jī)輔助設(shè)計等等。

常規(guī)設(shè)計方法是指采用一定的理論分析和計算，結(jié)合人們在長期的設(shè)計和生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出的方法、公式、圖表等進(jìn)行設(shè)計的方法。它又可分為：理論設(shè)計、經(jīng)驗設(shè)計、模型實(shí)驗設(shè)計。（一）理論設(shè)計根據(jù)長期總結(jié)出來的設(shè)計理論和實(shí)驗數(shù)據(jù)所進(jìn)行的設(shè)計。1.設(shè)計計算先分析零件的可能失效形式，根據(jù)該失效形式的計算準(zhǔn)則通過計算確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸。2.校核計算先確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸，然后再驗算零件是否滿足計算準(zhǔn)則。如不滿足，則應(yīng)修改零件的尺寸。（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(shí)踐而歸納出的經(jīng)驗關(guān)系式，或根據(jù)設(shè)計者本人的經(jīng)驗用類比的辦法所進(jìn)行的設(shè)計。如：箱體、機(jī)架、傳動零件的各結(jié)構(gòu)要素等，一般用在不重要的場合。（三）模型實(shí)驗設(shè)計對一些尺寸巨大而結(jié)構(gòu)又很復(fù)雜的重要零件尤其是一些重型整體機(jī)械零件，為提高設(shè)計質(zhì)量，可采用此方法。即根據(jù)相似理論的方法做模型，從對模型的模擬工作狀態(tài)中取得數(shù)據(jù)后再作為設(shè)計的依據(jù)，對設(shè)計進(jìn)行逐步的修改，直至完善。如：飛機(jī)的風(fēng)洞試驗、橋梁、水壩、大型的發(fā)電機(jī)組（從小到大逐步開發(fā)）。§2-8機(jī)械零件設(shè)計的一般步驟選擇零件類型、結(jié)構(gòu)

機(jī)械零件的設(shè)計一般要經(jīng)過以下幾個步驟：

計算零件上的載荷確定計算準(zhǔn)則選擇零件的材料確定零件的基本尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計校核計算畫出零件工作圖,寫出計算說明書§2-9機(jī)械零件的材料及其選用：鋁(LY12)、銅(ZCuSn10P1)…...黑色金屬有色金屬鐵鋼高分子材料復(fù)合材料陶瓷金屬材料非金屬材料（一）機(jī)械零件常用材料：塑料、橡膠、合成纖維

：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼…(如：08F

45

60

1Cr18）

：灰鑄鐵、球墨鑄鐵…(如：TH300QT500-5)：強(qiáng)如鋼、輕如鋁、硬如金剛石：強(qiáng)度高、彈性模量大、質(zhì)量輕1.載荷、應(yīng)力的大小和性質(zhì)2.零件的工作情況3.零件的尺寸及重量4.零件的結(jié)構(gòu)及加工性5.材料的經(jīng)濟(jì)性1）材料價格；2）加工批量和加工費(fèi)用；3）材料的利用率；4）局部品質(zhì)原則；5）節(jié)約稀有材料（盡量用廉價材料來代替價格相對昂貴的稀有材料）；6）材料的供應(yīng)狀況。（二）機(jī)械零件材料的選用原則§2-10機(jī)械零件設(shè)計中的標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化：對零件的尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料特性、檢驗方法、設(shè)計方法、制圖要求等制定出統(tǒng)一的共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)（如：螺紋聯(lián)接件，滾動軸承等用途最廣的零件進(jìn)行大量的、集中制造，用戶根據(jù)要求選用）。系列化：對同一產(chǎn)品，為了適應(yīng)不同的使用條件，在同一基本結(jié)構(gòu)或基本尺寸的條件下，規(guī)定出若干個輔助尺寸不同的產(chǎn)品，稱為不同的系列（如：滾動軸承的直徑系列、寬度系列，工程機(jī)械的系列化）。優(yōu)越性：1）提高質(zhì)量，降低成本；2）統(tǒng)一了材料和零件的性能指標(biāo)，提高了零件性能的可靠性；3）簡化設(shè)計工作，提高設(shè)計質(zhì)量，簡化機(jī)器的維修。

與設(shè)計有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn):國際標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等如：ISO

GB

JB、HB

QB

國標(biāo)分為：強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)和推薦標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)：代號為GB××××(為標(biāo)準(zhǔn)序號)－××××(為批準(zhǔn)年代)強(qiáng)制性國標(biāo)必須嚴(yán)格遵照執(zhí)行，否則就是違法。推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)：代號為GB／T××××－××××，這類標(biāo)準(zhǔn)占整個國標(biāo)中的絕大多數(shù)。如無特殊理由和特殊需要，必須遵守這些國標(biāo)，以期取得事半功倍的效果?！?-11機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計方法簡介

機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計方法通常是相對傳統(tǒng)的設(shè)計方法而