第二章設計總論

第二章機械設計總論§2-1設計機器時應滿足的基本要求§2-2設計機器的一般程序§2-3機械零件設計概述§2-4機械零件的失效形式和設計準則機器：原動機傳動裝置—→工作機—→控制系統輔助系統（如儀表、照明等）轎車組成：一、機器的組成（從汽車的構造來看機器的組成）§2-1設計機器時應滿足的基本要求1·動力部分：原動機提供動力（蒸汽機、電動機、內燃機等）2·執(zhí)行部分：完成預定的功能（車輪、懸掛系統及底盤、車身）3·傳動部分：轉換運動形式、運動及動力參數（離合器、變速箱、傳動軸、差速器等）4·控制部分：控制運行狀態(tài)（方向盤及轉向系統、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：反饋運行狀態(tài)并發(fā)出信號（潤滑、照明、顯示、信號等）1·功能要求（或使用要求）：如起動、轉彎半徑、噸位速度、制動2·經濟要求：如設計、制造、使用成本，采用標準化、系列化、通用化的零部件（底盤、車橋等）3·安全性與勞動保護要求：安全裝置（氣囊、安全帶）、噪聲4·生態(tài)環(huán)境的要求：環(huán)境保護（尾氣、噪聲）5·人機工程與造型：操作習慣、外型美觀，符合美學原則二、對機器的主要要求:（以汽車為例）6·可靠性要求：在規(guī)定的使用條件及使用期限內不出故障7.其它專用要求：特殊要求（防彈、越野等）

§2-2設計機器的一般程序機器的設計階段是決定機器好壞的關鍵。機械設計已經經過上百年的發(fā)展形成了自己較為固定的程序，本節(jié)以汽車為例結合框圖來闡述設計機器的一般程序。設計的各個階段是相互聯系、相互影響、相互制約的，在設計中不可避免的會出現反反復復，在設計中要注意運用先進的設計方法、設計手段來進行設計，如采用優(yōu)化設計、可靠性設計、計算機輔助設計等來提高設計質量，加快設計速度，縮短開發(fā)周期，使產品盡快地進入市場、占領市場，獲得最大的經濟效益和社會效益。一、設計零件應滿足的基本要求1·在預定的壽命期內安全可靠、避免失效的要求，具體表現為：⑴·強度：強度不足會引起斷裂、較大的殘余變形（塑性變形）⑵·剛度：剛度不足會造成彈性變形超過允許的限度⑶·壽命：影響壽命的主要因素有材料的疲勞、材料的腐蝕、磨損2·結構工藝性的要求：結構簡單便于制造加工與裝拆、降低成本§2-3機械零件設計概述3·經濟性、質量小的要求：價廉物美、輕巧耐用（遵循三化原則）4·可靠性要求：零件的可靠性決定了機器的可靠性二．機械設計中的“三化”1·標準化：對零件的尺寸、結構要素、材料特性、檢驗方法、設計方法、制圖要求等制定出統一的共同遵守的標準（如：螺紋聯接件，滾動軸承等用途最廣的零件進行大量的、集中制造，用戶根據要求選用）2·系列化：對同一產品，為了適應不同的使用條件，在同一基本結構或基本尺寸的條件下，規(guī)定出若干個輔助尺寸不同的產品，稱為不同的系列（如：滾動軸承的直徑系列、寬度系列，工程機械的系列化）3·通用化：不同的產品間，零部件要能相互通用（如：汽車與農用車之間零部件的通用）我國標準:

國標(GB)、行業(yè)標準(如JB)、企業(yè)標準

國際標準:

ISO標準三．機械零件設計步驟1．類型選擇（選型）：選擇符合要求的零件類型與結構2．受力分析：計算載荷、求作用力3．材料選擇：選擇合適的材料5．結構設計：根據工藝及標準化進行零件的結構設計4．承載能力計算：分析零件的失效形式，確定計算準則，確定零件的基本尺寸設計是一個邊計算、邊畫圖、邊修改的反復過程，上述步驟要反復地進行才能設計出優(yōu)秀的產品來，結構設計是機械設計的重要設計內容之一標準分類6．校核計算、畫零件工作圖、編寫技術資料四．機械零件的常規(guī)設計方法：1·經驗設計：根據對某類零件已有的設計與使用實踐而歸納出的經驗關系式，或根據設計者本人的經驗用類比的辦法所進行的設計。如：箱體、機架、傳動零件的各結構要素等，一般用在不重要的場合。2·模型實驗設計：對一些尺寸巨大而結構又很復雜的重要零件尤其是一些重型整體機械零件，為提高設計質量，可采用此方法。即根據相似理論的方法做模型，從對模型的模擬工作狀態(tài)中取得數據后再作為設計的依據，對設計進行逐步的修改，直至完善。如：飛機的風洞試驗、橋梁、水壩、大型的發(fā)電機組（從小到大逐步開發(fā)）。3·理論設計：根據在模型實驗與科學理論基礎上發(fā)展起來的設計理論進行設計的方法，應用形式有：⑴設計計算（由已知載荷與材料性能求零件的尺寸）；⑵校核計算（已知零件尺寸，校核其是否滿足使用的要求）?！?-4機械零件的失效形式和設計準則失效形式是設計機械零件的出發(fā)點，根據失效形式提出其設計準則，并根據設計準則進行零件設計。機械零件的失效：指零件失去正常的工作能力的現象。零件的失效將不可避免的導致機器的失效，零件的性能與質量直接影響機器的性能與質量。

一種失效形式對應著一種設計準則設計準則：強度準則強度條件：有二種表達形式失效形式一：塑變或斷裂（靜強度斷裂、疲勞斷裂）1．應力表示法：正應力剪應力2．安全系數表示法：正應力剪應力討論：σ越小，或Sca越大，則強度越好?說明：1·σlim為極限應力，即：

σB

強度極限---靜強度斷裂、脆性材料，如鑄鐵；

σs

屈服極限---塑性變形，一般金屬材料；

σr

疲勞極限---疲勞斷裂（在第三章講述）

σHlim接觸疲勞極限---疲勞點蝕（在第三章講述）

2·Sca為計算的安全系數

3·τ與正應力狀態(tài)相同設計準則：剛度準則失效形式二：過大的彈性變形問：合金鋼代替碳鋼能否提高零件的剛度？剛度條件：彎曲剛度：撓度y≤[y]扭轉剛度：扭轉角φ≤[φ]

TφT偏轉角θ≤[θ]yθ設計準則：壽命準則。影響壽命的主要因素是腐蝕、過度磨損、疲勞（表面接觸疲勞、整體疲勞〈簡稱疲勞〉）。對于腐蝕、磨損由于因素很復雜，無有效的定量的計算方法，一般只作條件性計算。如（“耐磨性準則”）對于疲勞通常是求出使用壽命時的疲勞極限來作為計算的依據（見前面的強度準則部分），在軸承的壽命計算中我們將具體的應用到壽命準則和后面將要將要講的可靠性準則失效形式三：表面破壞（表現為：腐蝕、磨損、接觸疲勞）p≤[p]

防止壓力過大而產生過度磨損v≤[v]防止速度過高而產生過度磨損pv≤[pv]防止溫度過高而發(fā)生膠合耐磨性準則（條件性計算：如在不完全液體潤滑滑動軸承的設計計算中）振動穩(wěn)定性準則：固有頻率f與激振頻率fp之間滿足0·85f＞fp或1·15f＜fp的關系。失效形式四：破壞正常的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工作，當條件被破壞是就不能正常工作，從而導致失效。如表現為：帶傳動及摩擦輪傳動中，傳遞的有效圓周力大于臨界摩擦力，將發(fā)生打滑的失效。完全液體潤滑滑動軸承中的完整潤滑油膜被破壞，將發(fā)生過熱、膠合、磨損等失效。高速轉動的零件（轉子）的固有頻率接近激振頻率時將發(fā)生共振引起振幅過大，引起斷裂的失效。設計準則：防止零件的正常工作條件被破壞，避免失效的發(fā)生。如采用限制工作載荷、供油充分、避開激振頻率（振動穩(wěn)定性準則）等來確保零件的正常工作條件一．耐熱性準則：一些特殊的零件特殊要求二．可靠性準則可靠度Rt：指產品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內，完成規(guī)定功能的概率。