WANGWZH 第一章 机械设计概述(1)

1、1 2 3 第一节第一节 机械设计的基本要求和一般程序机械设计的基本要求和一般程序 第二节第二节 载荷与应力分析载荷与应力分析 第三节第三节 机械零件的失效形式机械零件的失效形式 第四节第四节 机械零件的计算准则机械零件的计算准则 第五节第五节 机械零件的材料选择机械零件的材料选择 第六节第六节 机械结构设计的基本要求机械结构设计的基本要求 第七节第七节 机械零件的标准化机械零件的标准化 主要内容 4 第一节第一节 机械设计的基本要求和一般程序机械设计的基本要求和一般程序 功能要求功能要求 一、设计机器应满足的基本要求一、设计机器应满足的基本要求 经济性要求经济性要求 操作方便操作方便 运行安

2、全运行安全 其它特殊其它特殊 要求要求 能实现机器的预定功能，并在预定环境条件能实现机器的预定功能，并在预定环境条件 和工作期限内可靠地工作。和工作期限内可靠地工作。 要求设计、制造和使用机器的费用少，并且要求设计、制造和使用机器的费用少，并且 效率高。效率高。 如巨型机器要便于安装、拆卸和运输；食如巨型机器要便于安装、拆卸和运输；食 品、纺织、造纸机器不得污染产品等。品、纺织、造纸机器不得污染产品等。 要求设计的机器操作简便、省力；必要时可要求设计的机器操作简便、省力；必要时可 安装安全防护和保险装置；尽可能降低机器安装安全防护和保险装置；尽可能降低机器 的噪声；美化机器的外观造型等，并应妥

3、善的噪声；美化机器的外观造型等，并应妥善 处理人和机器间的各个联系环节。处理人和机器间的各个联系环节。 5 二、机械设计的一般程序二、机械设计的一般程序 第一节第一节 机械设计的基本要求和一般程序机械设计的基本要求和一般程序 计划计划方案设计方案设计 技术设计技术设计技术文件技术文件 提出任务提出任务 分析对机器的要求分析对机器的要求 确定设计任务确定设计任务 机器功能分析机器功能分析 提出可能的解决方案提出可能的解决方案 组合几种可能的方案组合几种可能的方案 评价评价 决策选定方案决策选定方案 明确构形要求明确构形要求 结构化结构化 选择材料、决定尺寸选择材料、决定尺寸 评价评价 决策确定结

4、构形状及尺寸决策确定结构形状及尺寸 零件、部件、总体设计零件、部件、总体设计 编制技术文件编制技术文件 计划计划 方案设计方案设计 技术设计技术设计 技术文件技术文件 设计任设计任 务书务书 提出原理提出原理 性的设计性的设计 方案方案-原理原理 图或机构图或机构 运动简图运动简图 总体设计总体设计 草图及部草图及部 件装配草件装配草 图，并绘图，并绘 出零件图、出零件图、 部件图及部件图及 总装图总装图 编制设计编制设计 说明书等说明书等 7 三、结构设计的一般程序三、结构设计的一般程序 第一节第一节 机械设计的基本要求和一般程序机械设计的基本要求和一般程序 一、明确待设计构件的主要任务和限

5、制，选择类型和一、明确待设计构件的主要任务和限制，选择类型和 结构结构 二、根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷二、根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷 三、根据零件的类型、结构和所受载荷，分析零件可三、根据零件的类型、结构和所受载荷，分析零件可 能的失效形式，确定零件的设计准则能的失效形式，确定零件的设计准则 四、根据工作条件和特殊要求，选择适当的材料四、根据工作条件和特殊要求，选择适当的材料 五、根据设计准则进行相关的计算，确定基本尺寸五、根据设计准则进行相关的计算，确定基本尺寸 六、根据工艺性及标准化等原则进行结构设计六、根据工艺性及标准化等原则进行结构设计 七、细节设计完成

6、后，必要时进行详细的校核计算七、细节设计完成后，必要时进行详细的校核计算 八、画出零件的工作图。八、画出零件的工作图。 8 第二节第二节 载荷与应力分析载荷与应力分析 1、载荷形式、载荷形式 一、载荷一、载荷 集中力集中力F（N） 转矩转矩T（Nm） 弯矩弯矩M（Nm） 功率功率P（W） 2、载荷分类、载荷分类 载荷与时载荷与时 间的关系间的关系 变载荷变载荷 静载荷静载荷 不随时间变化或变不随时间变化或变 化缓慢的载荷化缓慢的载荷 随时间变化的载荷随时间变化的载荷 9 在设计计算中常用的概念在设计计算中常用的概念： 工作载荷工作载荷 机械正常工作时所受的实际载荷机械正常工作时所受的实际载荷

7、。 名义载荷名义载荷 根据额定功率用力学公式计算出的作用在零根据额定功率用力学公式计算出的作用在零 件上的载荷。件上的载荷。 计算载荷计算载荷 考虑工作中载荷随时间的不均匀性、载荷在零件上分布考虑工作中载荷随时间的不均匀性、载荷在零件上分布 的不均匀性及其他影响零件受载等因素，对名义载荷进的不均匀性及其他影响零件受载等因素，对名义载荷进 行修正而得到的近似载荷。行修正而得到的近似载荷。 常用常用载荷系数载荷系数K K（K K=K K1 1K K2 2）来考虑这些因素的综合影）来考虑这些因素的综合影 响。载荷系数响。载荷系数K K与名义载荷的乘积即为计算载荷。与名义载荷的乘积即为计算载荷。 第二

8、节第二节 载荷与应力分析载荷与应力分析 10 1 1、应力分类、应力分类 二、应力分析二、应力分析 循环变应力循环变应力 按应力与时间按应力与时间 的关系分类的关系分类 变应力变应力 静应力静应力 不随时间变化或不随时间变化或 变化缓慢的应力变化缓慢的应力 随时间变化的应力随时间变化的应力 随时间按一定规律变化的变应力随时间按一定规律变化的变应力 第二节第二节 载荷与应力分析载荷与应力分析 11 平均应力：平均应力： 2 minmax m 应应 力力 幅：幅： 2 minmax a 对称循环对称循环: m= 0; a=max 脉动循环脉动循环: m=a=max / 2 第二节第二节 载荷与应力

9、分析载荷与应力分析 =常数常数 t t max min a m max a m max a min 对称循环变应力对称循环变应力 脉动循环变应力脉动循环变应力 非对称循环变应力非对称循环变应力静应力静应力 O tO O t O 最大最大 应力应力 最小最小 应力应力 应力应力 幅幅 最大最大 应力应力 平均平均 应力应力 应力应力 幅幅 应力应力 幅幅 最大最大 应力应力 最小最小 应力应力 平均平均 应力应力 第二节第二节 载荷与应力分析载荷与应力分析 13 循环特性系数：循环特性系数： max min r 表示应力变化的情况表示应力变化的情况 对称循环对称循环 r =1；脉动循环脉动循环

10、r = 0； 非对称循环非对称循环 r 0 且且 | r | 1;静应力静应力 r = +1 用用r 表示循环特征为表示循环特征为 r 的变应力。如的变应力。如 -1、0等等 2 2、变应力主要参数、变应力主要参数 第二节第二节 载荷与应力分析载荷与应力分析 14 注意：注意： 变载荷变载荷 变应力变应力 静载荷静载荷 静应力静应力 ？或变应力或变应力 静载荷产生变应力静载荷产生变应力 15 第三节第三节 机械零件的失效形式机械零件的失效形式 失效失效机械零件由于某些原因不能正常工作机械零件由于某些原因不能正常工作 一、断裂一、断裂 二、大变形二、大变形 三、表面损伤三、表面损伤 四、破坏正常

11、工作条件引起的失效四、破坏正常工作条件引起的失效 16 第三节第三节 机械零件的失效形式机械零件的失效形式 一、断裂一、断裂 外载荷作用下，危险截面上外载荷作用下，危险截面上 的应力超过强度极限的应力超过强度极限 在循环变应力作用下危险截在循环变应力作用下危险截 面所发生的疲劳断裂。面所发生的疲劳断裂。 螺栓的断裂螺栓的断裂 齿轮轮齿断裂实例齿轮轮齿断裂实例 17 二、大变形二、大变形 在载荷作用下发生过大的弹性变形在载荷作用下发生过大的弹性变形 应力超过材料的屈服极限产生残余塑性变形应力超过材料的屈服极限产生残余塑性变形 齿轮齿面塑形变形齿轮齿面塑形变形 轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形 第

12、三节第三节 机械零件的失效形式机械零件的失效形式 18 三、表面损伤三、表面损伤 表面疲劳（亦称点蚀）表面疲劳（亦称点蚀） 零件表面在接触变应力长零件表面在接触变应力长 期作用下产生微粒剥落的现象。期作用下产生微粒剥落的现象。 磨损（主要指磨粒磨损）磨损（主要指磨粒磨损） 两个接触零件表面在相两个接触零件表面在相 对运动过程中表面物质丧失或转移的现象。对运动过程中表面物质丧失或转移的现象。 腐蚀腐蚀 金属表面与周围的介质发生的电化学或化学金属表面与周围的介质发生的电化学或化学 侵蚀的现象。侵蚀的现象。 第三节第三节 机械零件的失效形式机械零件的失效形式 19 齿轮齿面接触疲劳点蚀齿轮齿面接触疲

13、劳点蚀滚动轴承滚道的疲劳点蚀滚动轴承滚道的疲劳点蚀 滚动轴承外圈滚道的磨损滚动轴承外圈滚道的磨损 轴瓦的磨损轴瓦的磨损 20 四、破坏正常工作条件引起的失效四、破坏正常工作条件引起的失效 V V带传动当传递的有效圆周力大于摩擦力的极限值带传动当传递的有效圆周力大于摩擦力的极限值 时将发生时将发生打滑失效打滑失效； 高速转动的零件当其转速与系统的固有频率相一高速转动的零件当其转速与系统的固有频率相一 致时会发生致时会发生共振共振，以致引起，以致引起断裂失效断裂失效； 液体润滑的滑动轴承当润滑油膜被破坏时将发生液体润滑的滑动轴承当润滑油膜被破坏时将发生 胶合失效胶合失效等。等。 第三节第三节 机械

14、零件的失效形式机械零件的失效形式 21 第四节第四节 机械零件的计算准则机械零件的计算准则 机械零件不发生失效时的安全工作限度称为零机械零件不发生失效时的安全工作限度称为零 件的件的工作能力工作能力。对载荷而言零件的工作能力也。对载荷而言零件的工作能力也 可称为零件的可称为零件的承载能力承载能力。 用计算的方法来保证零件有足够的工作能力，用计算的方法来保证零件有足够的工作能力， 从而避免失效，是常用的机械设计方法。计算从而避免失效，是常用的机械设计方法。计算 依据的条件称为依据的条件称为计算准则计算准则。 22 S lim 第四节第四节 机械零件的计算准则机械零件的计算准则 一、强度准则基本准

15、则一、强度准则基本准则 强度强度- - 零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及 某些表面损伤的能力。某些表面损伤的能力。 零件危险截零件危险截 面或工作表面或工作表 面上的工作面上的工作 应力应力 许用许用 应力应力 极限应力极限应力 受静应力的脆受静应力的脆 性材料，如铸性材料，如铸 铁取抗拉强度铁取抗拉强度 极限极限b 受静应力的塑受静应力的塑 性材料取屈服性材料取屈服 强度极限强度极限s 受变应力取疲受变应力取疲 劳极限劳极限 安全系数，考虑安全系数，考虑 各种偶然或难以各种偶然或难以 精确分析的因素精确分析的因素 影响影响 23 另一表达方式另一表达方

16、式SS 一般来讲各种零件都应满足一定的强度要一般来讲各种零件都应满足一定的强度要 求，因而强度准则是零件设计最基本的准求，因而强度准则是零件设计最基本的准 则。则。 S许用安全系数许用安全系数 第四节第四节 机械零件的计算准则机械零件的计算准则 24 yy 弹性变形量可用各种求变形量的理论或实弹性变形量可用各种求变形量的理论或实 验方法确定验方法确定 许用变形量则应随不同的使用场合，按理许用变形量则应随不同的使用场合，按理 论或经验来确定其合理的数值。论或经验来确定其合理的数值。 第四节第四节 机械零件的计算准则机械零件的计算准则 二、刚度准则二、刚度准则 刚度刚度-零件在载荷作用下抵抗弹性变

17、形的能力。零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。 弹性变形量弹性变形量许用变形量许用变形量 25 提高刚度的措施提高刚度的措施 采用高强度钢（采用高强度钢（X X），）， 有效措施：改变零件截面形状和尺寸、有效措施：改变零件截面形状和尺寸、 缩小支点间的距离、以及采用附加的缩小支点间的距离、以及采用附加的 杆或加强筋杆或加强筋 第四节第四节 机械零件的计算准则机械零件的计算准则 26 耐磨性耐磨性是指零件在载荷作用下抵抗磨损的能力。是指零件在载荷作用下抵抗磨损的能力。 目前尚无公认的定量计算的方法。目前尚无公认的定量计算的方法。 通常运用摩擦学原理设计零件的结构，选定摩通常运用摩擦学原理设计零件

18、的结构，选定摩 擦副的材料和热处理、表面状态、油品等。擦副的材料和热处理、表面状态、油品等。 合理而充分的润滑，以延长零件的使用寿命。合理而充分的润滑，以延长零件的使用寿命。 影响零件寿命的因素有磨损、疲劳和腐蚀，产生影响零件寿命的因素有磨损、疲劳和腐蚀，产生 机理、发展规律及对零件寿命的影响是完全不同机理、发展规律及对零件寿命的影响是完全不同 的，应分别加以考虑。的，应分别加以考虑。 三、寿命准则三、寿命准则 第四节第四节 机械零件的计算准则机械零件的计算准则 27 疲劳寿命：疲劳寿命： 通常是求出零件在预定使用寿命时的疲劳极限作通常是求出零件在预定使用寿命时的疲劳极限作 为计算的依据。疲劳

19、寿命的计算准则常采用为计算的依据。疲劳寿命的计算准则常采用SS 的形式。的形式。 腐蚀寿命腐蚀寿命: 目前还未能提出实用有效的计算方法，无法列目前还未能提出实用有效的计算方法，无法列 出腐蚀的计算准则。出腐蚀的计算准则。 第四节第四节 机械零件的计算准则机械零件的计算准则 28 四、振动稳定性准则四、振动稳定性准则 fp0.85 f 或或 fp1.15 f 振动稳定性振动稳定性是指高速机器抵抗失稳的能力。是指高速机器抵抗失稳的能力。 第四节第四节 机械零件的计算准则机械零件的计算准则 周期性载荷周期性载荷 的作用频率的作用频率 机械系统的机械系统的 固有频率固有频率 29 五、散热性准则五、散

20、热性准则 第四节第四节 机械零件的计算准则机械零件的计算准则 相对运动产生摩擦相对运动产生摩擦,产生热量产生热量 发热过高或散热不良，使零件温度过度升高，发热过高或散热不良，使零件温度过度升高， 破坏正常的润滑条件，甚至导致两个金属表面破坏正常的润滑条件，甚至导致两个金属表面 粘着发生胶合。粘着发生胶合。 应对发热较大的零件（如蜗杆传动、滑动轴应对发热较大的零件（如蜗杆传动、滑动轴 承等）进行承等）进行热平衡计算热平衡计算。 30 六、可靠性准则六、可靠性准则 0 f 0 f0 0 s 1 N N N NN N N R F=Nf/N0为为零件的失效概率零件的失效概率（即（即不可靠度不可靠度），

21、）， 它与可靠度的和为它与可靠度的和为1。 零件可靠度零件可靠度指一批完全相同的零件（如有指一批完全相同的零件（如有N0个），个）， 在一定的工作条件下进行实验，如在经过时间在一定的工作条件下进行实验，如在经过时间t后，后， 还有还有Ns个正常工作，有个正常工作，有Nf个损坏了，则这批零件在个损坏了，则这批零件在 该工作条件下能正常工作达到工作时间该工作条件下能正常工作达到工作时间t的可靠度的可靠度R 为为 第四节第四节 机械零件的计算准则机械零件的计算准则 31 按可靠性理论，机械是零件的串联、并联或混联系按可靠性理论，机械是零件的串联、并联或混联系 统。统。系统的可靠度取决于零件的可靠度系

22、统的可靠度取决于零件的可靠度 若各个零件是统计独立的，串联系统的可靠度是各若各个零件是统计独立的，串联系统的可靠度是各 个零件可靠度的乘积个零件可靠度的乘积 ), 2 , 1( 1 S niRR n i i RS是系统的可靠度；是系统的可靠度；Ri是各个零件的可靠度。是各个零件的可靠度。 可靠度是小于可靠度是小于1的数，故的数，故串联系统的可靠度小于任一串联系统的可靠度小于任一 零件的可靠度，且零件越多，可靠度越低。零件的可靠度，且零件越多，可靠度越低。 第四节第四节 机械零件的计算准则机械零件的计算准则 32 并联系统的失效概率为各个零件失效概率的乘并联系统的失效概率为各个零件失效概率的乘

23、积，可靠度为积，可靠度为 ), 2 , 1(1 1 S niFR n i i Fi为各个零件的失效概率。为各个零件的失效概率。 并联系统失效概率低于任一零件的失效概率，因并联系统失效概率低于任一零件的失效概率，因 此，其可靠度高于任一零件的可靠度。此，其可靠度高于任一零件的可靠度。 第四节第四节 机械零件的计算准则机械零件的计算准则 33 为了提高系统可靠度，在设计时可采取下列措施：为了提高系统可靠度，在设计时可采取下列措施： 在满足机器性能要求的前提下，力求结构简单，在满足机器性能要求的前提下，力求结构简单， 零件数目少；零件数目少； 尽可能采用有可靠度保证的标准件；尽可能采用有可靠度保证的

24、标准件； 安全系数要留有余地；安全系数要留有余地； 增加重要环节的备用系统；增加重要环节的备用系统； 合理规定维修期等。合理规定维修期等。 第四节第四节 机械零件的计算准则机械零件的计算准则 34 第五节第五节 机械零件的材料选择机械零件的材料选择 材料选择是机械设计中的重要环节材料选择是机械设计中的重要环节 机械零件的材料对其性能、加工方法、经济性机械零件的材料对其性能、加工方法、经济性 等都有很大的影响等都有很大的影响 合理选择零件材料是提高零件质量、降低成本合理选择零件材料是提高零件质量、降低成本 的重要手段的重要手段 35 一、一、机械零件的常用材料机械零件的常用材料 ： 铝铝(LY1

25、2)、铜、铜(ZCuSn10P1) 黑色金属黑色金属 有色金属有色金属 铁铁 钢钢 高分子材料高分子材料 复合材料复合材料: 陶陶 瓷瓷: 金属材料金属材料 非金属材料非金属材料 ：塑料、橡胶、合成纤维：塑料、橡胶、合成纤维 ：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢 (如：如：08F 45 60 1Cr18Ni9） ：灰铸铁、球墨铸铁：灰铸铁、球墨铸铁 (如：如：HT300 QT500-5) 强如钢、轻如铝、硬如金刚石强如钢、轻如铝、硬如金刚石 强度高、弹性模量大、质量轻强度高、弹性模量大、质量轻 第五节第五节 机械零件的材料选择机械零件的材料选择 36 二、二、选择材

26、料的原则选择材料的原则 1、满足机械零件的使用要求、满足机械零件的使用要求 承受工作载荷的能力承受工作载荷的能力 有足够的强度、刚度。有足够的强度、刚度。 保持使用性能的能力保持使用性能的能力 在工作环境下长期工作，能保持原来在工作环境下长期工作，能保持原来 的形状、尺寸、精度；耐腐蚀、高温、潮湿等。的形状、尺寸、精度；耐腐蚀、高温、潮湿等。 其他要求其他要求 如重量轻、美观等。如重量轻、美观等。 2、满足工艺性要求、满足工艺性要求 要考虑机械零件的毛坯制造（铸造、锻压、焊接、冷冲要考虑机械零件的毛坯制造（铸造、锻压、焊接、冷冲 压等）、热处理、机械加工和修理方便、以及便于回收压等）、热处理、

27、机械加工和修理方便、以及便于回收 利用等利用等 第五节第五节 机械零件的材料选择机械零件的材料选择 37 3、满足经济性要求、满足经济性要求 在选择材料时，不仅要考虑材料的价格，而且在选择材料时，不仅要考虑材料的价格，而且 要考虑其加工成本，废品率等。还要考虑供应要考虑其加工成本，废品率等。还要考虑供应 问题，如所需材料的规格、尺寸是否能够及时问题，如所需材料的规格、尺寸是否能够及时 得到。得到。 第五节第五节 机械零件的材料选择机械零件的材料选择 38 第六节第六节 机械结构设计的基本要求机械结构设计的基本要求 结构设计是机械设计的基本内容之一，也是设结构设计是机械设计的基本内容之一，也是设

28、 计过程中涉及问题最多、工作量最大的环节。计过程中涉及问题最多、工作量最大的环节。 结构设计过程中，要充分考虑以下各方面的基结构设计过程中，要充分考虑以下各方面的基 本要求。本要求。 功能要求功能要求 使用要求使用要求 结构工艺性要求结构工艺性要求 人机学要求人机学要求 39 功能要求功能要求 各种零件的结构功能主要有承受载荷、传递运各种零件的结构功能主要有承受载荷、传递运 动和动力以及保证或保持有关零部件之间的相对动和动力以及保证或保持有关零部件之间的相对 位置或运动轨迹关系等。位置或运动轨迹关系等。 功能要求是结构设计的主要依据和必须满足的功能要求是结构设计的主要依据和必须满足的 要求。当

29、具有两种以上功能要求时，应分清主次，要求。当具有两种以上功能要求时，应分清主次， 在优先满足主要功能的前提下，尽量满足其他功在优先满足主要功能的前提下，尽量满足其他功 能要求。能要求。 机械零件结构设计是将原理设计方案具体化，机械零件结构设计是将原理设计方案具体化， 即构造一个能够满足功能要求的三维实体零部件。即构造一个能够满足功能要求的三维实体零部件。 第六节第六节 机械结构设计的基本要求机械结构设计的基本要求 40 使用要求使用要求 对于承受载荷的零件，为保证零件在规定的使用期对于承受载荷的零件，为保证零件在规定的使用期 限内正常地实现其功能，在结构设计中应使零部件限内正常地实现其功能，在结构设计中应使零部件 的结构受力合理，降低应力，减少变形，以利于提的结构受力合理，降低应力，减少变形，以利于提 高零件的强度、刚度和延长使用寿命。高零件的强度、刚度和延长使用寿命。 结构工艺性要求结构工艺性要求 机器及其组成零件要能最经济地制造和装配，应具机器及其组成零件要能最经济地制造和装配，应具 有良好的结构工艺性。机器的成本主要取决于制造有良好的结构工艺性。机器的成本主要取决于制造 费用，因此工艺性与经济性是密切相关的。通常应费用，因此工艺性与经济性是密切相关的。通常应 从