第2章 機械設計基礎知識

1第2章機械設計的基礎知識

2.1機械設計的基本要求2.2機械零件的一般程序和方法2.3機械零件設計2.4機械零件材料及選擇2.5機械零件的標準化2.6機械零件的結(jié)構(gòu)設計機械設計的基本要求；機械零件的一般程序；機械零件設計機械零件主要的失效形式；機械零件的設計準則教學內(nèi)容本章重點本章難點2對機器的基本要求

設計機器的任務是在當前技術(shù)發(fā)展所能達到的條件下，根據(jù)生產(chǎn)及生活的需要提出的。不管機器的類型如何，一般來說，對機器都要提出以下的基本要求：

使用功能要求經(jīng)濟性要求壽命與可靠性要求社會要求其它專用要求

2.1機械設計的基本要求2.1機械設計的基本要求1.使用要求。機器應在規(guī)定的使用期限內(nèi)保證實現(xiàn)預定的功能，達到規(guī)定的性能。這項要求主要靠合理地選擇機器的工作原理，正確地設計傳動方案，合理配置輔助系統(tǒng)等來實現(xiàn)。2.經(jīng)濟性要求。機器的經(jīng)濟性應體現(xiàn)并貫穿在設計、制造和使用的全過程，以求獲得最高的經(jīng)濟效益。在設計階段，采用先進的現(xiàn)代設計方法，使設計參數(shù)精確并最優(yōu)化。應用CAD技術(shù)，加快設計進度，降低設計成本。選用高效傳動系統(tǒng)，以降低能耗。適當考慮機器的機械化和自動化水平，以提高機器的生產(chǎn)率等。在制造過程中，合理地組織生產(chǎn)過程，盡量采用各種新工藝，縮短制造周期，降低生產(chǎn)成本。3.可靠性要求。機器的可靠性是指在規(guī)定的使用壽命和工況條件下機器完成規(guī)定功能的能力。可靠性是衡量機械產(chǎn)品的一個重要指標。機器的可靠性取決于零件的可靠性和零件的組合關(guān)系。機器的設計、制造、管理、使用等環(huán)節(jié)都影響機器的可靠性，而起決定性作用的則是設計階段。4.社會性要求。機器的社會要求有以下幾個方面：應滿足人機工程學要求；應滿足安全運行要求，保證人、機安全，如設置安全防護裝置、連鎖裝置、預警信號系統(tǒng)等；應滿足工藝美學要求，機器造型美觀、色彩協(xié)調(diào)、雅致精巧，如消防機械用紅色，給人以緊迫、警示感；醫(yī)療、食品機械多用淺色，給人以潔凈感等；應符合環(huán)保要求，降低噪聲，最好在80dB以下；防止有毒有害介質(zhì)的泄漏。

5.其它特殊要求。在滿足以上基本要求的前提下，不同機械還有其特殊要求，如機床有長期保持精度的要求；食品機械有防止污染的要求；大型設備有便于安裝和運輸?shù)囊蟮?。設計的機械產(chǎn)品規(guī)格、參數(shù)符合國家標準，零部件應最大限度的與同類產(chǎn)品互換通用，產(chǎn)品應成系列發(fā)展，推行標準化、系列化、通用化，提高標準化程度和水平。4

1、機械設計的一般步驟

2.2機械設計的一般程序和方法產(chǎn)品規(guī)劃階段（需求分析；設計任務書）

方案設計階段（功能分析；工作原理設計）

技術(shù)設計階段（零部件設計；草圖；校核；定圖）

技術(shù)文件編制階段一部機器的質(zhì)量基本上決定于設計質(zhì)量，機器的設計階段是決定機器好壞的關(guān)鍵。它是一個創(chuàng)造性的工作過程，同時也是一個盡可能多地利用已有的成功經(jīng)驗的工作。作為一部完整的機器，它是一個復雜的系統(tǒng)。要提高設計質(zhì)量，必須有一個科學的設計程序。（圖2.1)機械設計的一般步驟：52、機械設計的方法

2.2機械設計的一般程序和方法理論設計經(jīng)驗設計模型試驗設計

設計便可以理解為將人們頭腦中的思考的物體變成實際物體的形式，為此而作出的全部信息數(shù)據(jù)的工作就是設計。

機械設計是研究機械產(chǎn)品的設計、開發(fā)、改造，以滿足經(jīng)濟發(fā)展和社會需要的科學，是一項創(chuàng)造性勞動。

常規(guī)的設計方法：新的設計方法:優(yōu)化設計可靠性設計機械系統(tǒng)設計有限元法CAD等61、設計機械零件時應滿足的基本要求強度、剛度及壽命的要求（避免在預定壽命期內(nèi)失效的要求）

結(jié)構(gòu)工藝性要求

經(jīng)濟性要求

質(zhì)量小的要求

可靠性要求機器是由各種各樣的零部件組成的，要使所設計的機器滿足基本要求，就必須使組成機器的零件滿足以下要求：應保證零件有足夠的強度、剛度、壽命。設計的結(jié)構(gòu)應便于加工和裝配。

零件應有合理的生產(chǎn)加工和使用維護的成本。

質(zhì)量小則可節(jié)約材料，質(zhì)量小則靈活、輕便。應降低零件發(fā)生故障的可能性（概率）。

2.3機械零件設計7機械零件設計的一般步驟2、機械零件設計的一般步驟選擇類型

受力分析選擇材料確定計算準則理論設計計算結(jié)構(gòu)設計校核計算繪制零件工作圖編寫計算說明書

8機械零件的主要失效形式12.3機械零件設計

3、機械零件主要的失效形式：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。（1）整體斷裂整體斷裂是指零件在載荷作用下，其危險截面的應力超過零件的強度極限而導致的斷裂，或在變應力作用下，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9機械零件的主要失效形式2（2）過大的殘余變形

當作用于零件上的應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

10機械零件的主要失效形式3（3）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（點蝕）。齒面接觸疲勞軸瓦磨損

11機械零件的主要失效形式4（4）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?shù)拈g隔才能正常工作。零件在工作時會發(fā)生那一種失效，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，一般機械零件的失效主要是由于疲勞、磨損、腐蝕等因素引起。12機械零件的計算準則14、機械零件的設計準則

強度準則

剛度準則

設計零件時，首先應根據(jù)零件的失效形式確定其設計準則以及相應的設計計算方法。一般來講，有以下幾種準則：

壽命準則

振動穩(wěn)定性準則

可靠性準則：確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過大的塑性變形，是最基本的設計準則。：確保零件不發(fā)生過大的彈性變形。：通常與零件的疲勞、磨損、腐蝕相關(guān)。：高速運轉(zhuǎn)機械的設計應注重此項準則。：當計及隨機因素影響時，仍應確保上述各項準則。

13機械零件材料的選用原則12.4機械零件的材料及選擇：鋁(LY12)、銅(ZCuSn10P1)…...黑色金屬有色金屬鐵鋼高分子材料復合材料陶瓷金屬材料非金屬材料使用要求工藝要求經(jīng)濟性要求1、常用材料2、機械零件材料的選用原則：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)：強如鋼、輕如鋁、硬如金剛石：強度高、彈性模量大、質(zhì)量輕

14機械零件設計中的標準化12.5機械零件的標準化

標準化的益處：

國標分為：強制標準和推薦標準標準化有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量，減輕設計工作量，便于零部件的互換和組織專業(yè)化的大生產(chǎn)，以降低生產(chǎn)成本。強制性國家標準：代號為GB××××(為標準序號)－××××(為批準年代)強制性國標必須嚴格遵照執(zhí)行，否則就是違法。推薦性國家標準：代號為GB／T××××－××××，這類標準占整個國標中的絕大多數(shù)。如無特殊理由和特殊需要，必須遵守這些國標，以期取得事半功倍的效果。

標準化就是要通過對零件的尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料性能、設計方法、制圖要求等，制定出大家共同遵守的標準。

（包括標準化、系列化、通用化）

151、零件形狀簡單合理2、合理選用毛胚類型3、鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性4、切削加工的工藝性5、零部件的裝配工藝性6、零部件的維修工藝性2.6機械零件的結(jié)構(gòu)設計良好的結(jié)構(gòu)工藝性：在一定的生產(chǎn)條件和生產(chǎn)規(guī)模下，花費最少的勞動量和最低的生產(chǎn)成本，把零部件制造和裝配出來。161、設計理論的不斷完善與發(fā)展；2、設計手段和方法的不斷更新；3、機械設計的綜合程度越來越高，與其它學科交叉越來越廣泛和深入——機電一體化；4、機械設計的實驗研究技術(shù)有了很大的發(fā)展和提高，實驗與理論相互促進。機械設計技術(shù)的最新進展173.1機械零件的載荷和應力靜應力→不隨時間變化，Ｎ≤103變應力→不斷隨時間變化當σmax、σmin均維持常數(shù)→穩(wěn)定交變應力當σmax和σmin的數(shù)值隨時間而改變→不穩(wěn)定的變應力交變應的特征及典型交變應力

交變應力－隨時間作周期性變化的應力穩(wěn)定變應力不穩(wěn)定變應力2、應力及分類1、載荷及分類靜載荷變載荷名義載荷計算載荷→18

最大應力σmax

最小應力σmin

應力幅

σa

＝(σmax-σmin)／2平均應力σm

＝

(σmax+σmin)／2應力循環(huán)次數(shù)Ｎ應力循環(huán)特性

σmin/σmax=r⑴當σm＝0(σmax＝-σmin)⑵當σmin＝0(或σmax＝0)r=0→脈動循環(huán)變應力r=-1→對稱循環(huán)變應力19⑶當σmax＝σmin

r=+1

→靜應力r（-1，+1）非對稱循環(huán)變應力20——疲勞極限，循環(huán)變應力下,應力循環(huán)N次后材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應力稱為材料的疲勞極限。疲勞壽命（N）——材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應力循環(huán)次數(shù)N1、疲勞曲線：應力循環(huán)特性一定時，材料的疲勞極限與應力循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系的曲線。N0

—循環(huán)基數(shù)

—持久極限1）有限壽命區(qū)當N<103—低周疲勞，疲勞極限接近于屈服極限，按靜強度計算。3.2機械零件的疲勞強度21當N>103——高周循環(huán)疲勞隨循環(huán)次數(shù)↑疲勞極限↓

注意：有色金屬和高強度合金鋼無無限壽命區(qū)2）無限壽命區(qū)——持久極限3）疲勞曲線方程22——壽命系數(shù)∴疲勞極限幾點說明：

①N0

硬度≤350HBS鋼，N0=107≥350HBS鋼，

N0=(10-25)x10

有色金屬(無水平部分)，規(guī)定當N0>25x107時,近似為無限壽命區(qū)②m—指數(shù):與應力、材料的種類有關(guān)。鋼m=9——拉、彎應力、剪應力m=6——接觸應力青銅m=9——彎曲應力m=8——接觸應力232、材料的極限應力線圖

機械零件材料的疲勞特性除用s－N曲線表示外，還可用等壽命曲線來描述。該曲線表達了不同應力比時疲勞極限的特性。用A'Ｇ'C折線表示零件材料的極限