机械设计课件濮良贵版本02 机械设计总论

1、 第二章第二章 机械设计总论机械设计总论2-1 机器的组成机器的组成2-2 设计机器的一般程序设计机器的一般程序2-3 对机器的主要要求对机器的主要要求2-4 机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式2-5 设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求2-6 机械零件的设计准则机械零件的设计准则2-7 机械零件的设计方法机械零件的设计方法2-8 机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤2-9 机械零件的材料及其选用机械零件的材料及其选用2-10 机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化2-11 机械现代设计方法简介机械现代设计方法简介2-1 机器的组成人们为了满足生

2、产和生活的需要，设计和制造了类型繁多、功能各异的机器。人们为了满足生产和生活的需要，设计和制造了类型繁多、功能各异的机器。一台完整的机器的组成大致可包括：一台完整的机器的组成大致可包括：原动机部分传动部分执行部分辅助系统，例如：润滑、显示、照明等控制系统传感器传感器传感器简单的机器只由原动机部分、传动部分和执行部分这三部分组成，随着机器功简单的机器只由原动机部分、传动部分和执行部分这三部分组成，随着机器功能越来越复杂，对机器的精确度要求也越来越高，辅助系统、控制系统就应运能越来越复杂，对机器的精确度要求也越来越高，辅助系统、控制系统就应运而生。而生。机器的组成（本节将以汽车为例讲述机器的组成）

3、1动力部分：动力部分： 原动机提供动力（蒸汽机、电动机、内燃机等）原动机提供动力（蒸汽机、电动机、内燃机等）2执行部分：完成预定的功能（车轮、悬挂系统及底盘、车身）执行部分：完成预定的功能（车轮、悬挂系统及底盘、车身）3传动部分：转换运动形式、运动及动力参数（离合器、变速箱、传动轴、传动部分：转换运动形式、运动及动力参数（离合器、变速箱、传动轴、差速器等）差速器等）4控制部分：控制运行状态（方向盘及转向系统、排挡杆及其它各种操作手控制部分：控制运行状态（方向盘及转向系统、排挡杆及其它各种操作手柄及刹车、油门、离合器踏板）柄及刹车、油门、离合器踏板） 5辅助系统：反馈运行状态并发出信号（润滑、照

4、明、显示、信号等）辅助系统：反馈运行状态并发出信号（润滑、照明、显示、信号等）1234F651电动机2V带传动3一级直齿圆柱齿轮减速器4联轴器5卷筒6运输带 2-2 设计机器的一般程序机器的先进性取决于设计者的设计的先进水平，机械设计经过上百年的发展形机器的先进性取决于设计者的设计的先进水平，机械设计经过上百年的发展形成了自己较为固定的程序，本节以农用车为例结合框图来阐述设计机器的一般程成了自己较为固定的程序，本节以农用车为例结合框图来阐述设计机器的一般程序。序。设计的各个阶段是相互联系、相互影响、相互制约的，在设计中不可避免的会设计的各个阶段是相互联系、相互影响、相互制约的，在设计中不可避免

5、的会出现反反复复，在设计中要注意运用先进的设计方法、设计手段来进行设计，如出现反反复复，在设计中要注意运用先进的设计方法、设计手段来进行设计，如采用优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计等来提高设计质量，加快设计速度，采用优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计等来提高设计质量，加快设计速度，缩短开发周期，使产品尽快地进入市场、占领市场，获得最大的经济效益和社会缩短开发周期，使产品尽快地进入市场、占领市场，获得最大的经济效益和社会效益。效益。设计说明书、工艺文件、标准件、自制件、外协件明细设计说明书、工艺文件、标准件、自制件、外协件明细表、使用说明书等表、使用说明书等试制、检测、验收、改进原型的设计

6、试制、检测、验收、改进原型的设计市场调研、比较分析并拟定市场调研、比较分析并拟定如如: :开发的吨位、开发的吨位、市场的占有率、社会效益、经济效益、性能的先进性等市场的占有率、社会效益、经济效益、性能的先进性等 计划阶段计划阶段( (提出问题提出问题) )技术设计阶段技术设计阶段 ( (解决问题解决问题) )技术文件编制阶技术文件编制阶段段方案设计阶段方案设计阶段 ( (分析问题分析问题) )试制鉴定阶段试制鉴定阶段 ( (验证问题验证问题) )对机器进行功能分析，组合出设计方案以供选择，评价对机器进行功能分析，组合出设计方案以供选择，评价决策、选择决策、选择。如：四轮、三轮；柴油机、汽油。如

7、：四轮、三轮；柴油机、汽油机；有无驾驶室；传动方案（皮带、链、传动轴）等机；有无驾驶室；传动方案（皮带、链、传动轴）等机器运动学设计：原动机参数机器运动学设计：原动机参数- -各运动构件的运动参数各运动构件的运动参数机器动力学计算：由运动参数计算零件所受载荷的大小机器动力学计算：由运动参数计算零件所受载荷的大小零件工作能力设计：由载荷进行零件的初步设计零件工作能力设计：由载荷进行零件的初步设计部件装配草图及总装配草图设计：绘图（总装图、部件部件装配草图及总装配草图设计：绘图（总装图、部件图、零件图图、零件图主要零件的校核主要零件的校核 初步计算及设计初步计算及设计产品设计定型产品设计定型批量生

8、产阶段批量生产阶段从小批到中批再到大批，注重从小批到中批再到大批，注重，不断反馈信息，不断反馈信息，不断改进、不断提高，不断改进、不断提高（一）使用功能要求（一）使用功能要求 机器应具有预定的使用功能机器应具有预定的使用功能 如起动、转弯半径、吨位、如起动、转弯半径、吨位、速度、制动等速度、制动等（二）经济性要求：如设计、制造、使用成本，采用标准化、系列化、通用化（二）经济性要求：如设计、制造、使用成本，采用标准化、系列化、通用化的零部件（底盘、车桥等）的零部件（底盘、车桥等）（三）劳动保护和环境保护要求（三）劳动保护和环境保护要求安全装置（气囊、安全带）、噪声；环境保护（尾气、噪声）安全装置

9、（气囊、安全带）、噪声；环境保护（尾气、噪声）（以汽车为例）（以汽车为例）（六）其它专用要求：特殊要求（防弹、越野等）（六）其它专用要求：特殊要求（防弹、越野等）2-3 对机器的主要要求（四）寿命与可靠性的要求（四）寿命与可靠性的要求 在规定的使用条件及使用期限内不出故障在规定的使用条件及使用期限内不出故障（五）人机工程与造型：操作习惯、外型美观，符合美学原则（五）人机工程与造型：操作习惯、外型美观，符合美学原则机械设计中的“三化”1标准化：对零件的尺寸、结构要素、材料特性、检验方法、设计方法、制图标准化：对零件的尺寸、结构要素、材料特性、检验方法、设计方法、制图要求等制定出统一的共同遵守的标

10、准（如：螺纹联接件，滚动轴承等用途最广要求等制定出统一的共同遵守的标准（如：螺纹联接件，滚动轴承等用途最广的零件进行大量的、集中制造，用户根据要求选用）的零件进行大量的、集中制造，用户根据要求选用）2系列化：对同一产品，为了适应不同的使用条件，在同一基本结构或基本尺系列化：对同一产品，为了适应不同的使用条件，在同一基本结构或基本尺寸的条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品，称为不同的系列（如：滚动寸的条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品，称为不同的系列（如：滚动轴承的直径系列、宽度系列，工程机械的系列化）轴承的直径系列、宽度系列，工程机械的系列化）3通用化：不同的产品间，零部件要能相互通用（

11、如：汽车与农用车之间零部通用化：不同的产品间，零部件要能相互通用（如：汽车与农用车之间零部件的通用）件的通用）2-4 机械零件的主要失效形式失效：机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时，称为失效。同一种零失效：机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时，称为失效。同一种零件发生失效的形式可能有多种，不同的工作条件，失效形式不同。件发生失效的形式可能有多种，不同的工作条件，失效形式不同。工作能力：零件不发生失效时的安全工作限度称为工作能力。工作能力：零件不发生失效时的安全工作限度称为工作能力。机械零件常见的失效形式有：整体断裂、过大的残余变形、零件的表面破坏以机械零件常见的失效形式有：整体断

12、裂、过大的残余变形、零件的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效等。及破坏正常工作条件引起的失效等。 （一）整体断裂（一）整体断裂整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。齿轮轮齿断裂齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂轴承内圈断裂（二）过大的残余变形（二）过大的残余变形 当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。齿轮齿面塑形变形

13、齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形（三）零件的表面破坏（三）零件的表面破坏 零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。齿面接触疲劳齿面接触疲劳轴瓦磨损轴瓦磨损（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有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如： 液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。 带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。带传动只有在传递的有效圆

14、周力小于临界摩擦力时才能正常工作。 高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔才高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔才能正常工作。零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质能正常工作。零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很多因素有关。有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、等很多因素有关。有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起。腐蚀等因素引起。（一）避免在预定寿命期内失效的要求（一）避免在预定寿命期内失效的要求1.强度：强度不足会引起断裂、较大的残余变形

15、（塑性变形）。强度：强度不足会引起断裂、较大的残余变形（塑性变形）。2.刚度：刚度不足会造成弹性变形超过允许的限度。刚度：刚度不足会造成弹性变形超过允许的限度。3.寿命：零件正常工作延续的时间，影响寿命的主要因素有材料的疲劳、材料寿命：零件正常工作延续的时间，影响寿命的主要因素有材料的疲劳、材料的腐蚀、磨损。的腐蚀、磨损。2-5设计机械零件时应满足的基本要求（二）结构工艺性的要求（二）结构工艺性的要求 结构简单便于制造加工与装配结构简单便于制造加工与装配（三）经济性（三）经济性 零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。价廉物美（遵循三化原则）零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。价廉物美（遵

16、循三化原则）（四）质量小的要求（四）质量小的要求 质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。（五）可靠性要求（五）可靠性要求应降低零件发生故障的可能性（概率）。零件的可靠性决定了机器的可靠性。应降低零件发生故障的可能性（概率）。零件的可靠性决定了机器的可靠性。2-6 机械零件的设计准则机械零件的设计准则（一）（一） 强度准则强度准则 设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：零件中的应力不得超过允许的

17、限度。即：确保零件不发生断裂破坏或过大零件中的应力不得超过允许的限度。即：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。的塑性变形，是最基本的设计准则。Slimlim,考虑安全系数两种判断零件强度的方法两种判断零件强度的方法1、强度条件、强度条件2、实际安全系数、实际安全系数 sslimlimlimlimssss静应力时零件的主要失效形式：塑性变形、断裂静应力时零件的主要失效形式：塑性变形、断裂塑性材料塑性材料 脆性材料脆性材料塑性材料极限应力：塑性材料极限应力：脆脆性材料极限应力：性材料极限应力：（屈服极限）（屈服极限）sslimlim强度极限）强度极限）(limlimbb变应

18、力时零件的主要失效形式：疲劳破坏变应力时零件的主要失效形式：疲劳破坏（二）刚度准则（二）刚度准则 确保零件不发生过大的弹性变形。确保零件不发生过大的弹性变形。（三）寿命准则（三）寿命准则 通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。（四）振动稳定性准则（四）振动稳定性准则 高速运转机械的设计应注重此项准则。高速运转机械的设计应注重此项准则。（五）可靠性准则（五）可靠性准则 可靠性表示系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能可靠性表示系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。的能力。 yy 当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。

19、当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。2-7 机械零件的设计方法机械零件的设计方法 机械零件的设计方法通常分为常规设计方法和现代设计方法两大类。机械零件的设计方法通常分为常规设计方法和现代设计方法两大类。 现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、计算精现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。如机械优化设计、机械可靠性设度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。如机械优化设计、机械可靠性设计、计算机辅助设计等等。计、计算机辅助设计等等。 常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的设计和常规设计方法是

20、指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。它又可分为：理论生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。它又可分为：理论设计、设计、 经验设计、模型实验设计。经验设计、模型实验设计。（一）理论设计（一）理论设计 根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计。根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计。1.设计计算设计计算 先分析零件的可能失效形式，根据该失效先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。 2.校核计算校核计算 先确定零件的结构尺寸

21、，然后再先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件是否满足计算准则。如不满足，则应验算零件是否满足计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。修改零件的尺寸。limFSA SAFSlimlim SSSSAFSAFScalimlimlimlimlim（二）经验设计（二）经验设计根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式，或根据设计者根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式，或根据设计者本人的经验用类比的办法所进行的设计。如：箱体、机架、传动零件的各结构要本人的经验用类比的办法所进行的设计。如：箱体、机架、传动零件的各结构要素等，一般用在不重要的场合。素等，一般用在不重要的场合。（

22、三）模型实验设计（三）模型实验设计对一些尺寸巨大而结构又很复杂的重要零件尤其是一些重型整体机械零件，为对一些尺寸巨大而结构又很复杂的重要零件尤其是一些重型整体机械零件，为提高设计质量，可采用此方法。即根据相似理论的方法做模型，从对模型的模提高设计质量，可采用此方法。即根据相似理论的方法做模型，从对模型的模拟工作状态中取得数据后再作为设计的依据，对设计进行逐步的修改，直至完拟工作状态中取得数据后再作为设计的依据，对设计进行逐步的修改，直至完善。如：飞机的风洞试验、桥梁、水坝、大型的发电机组（从小到大逐步开善。如：飞机的风洞试验、桥梁、水坝、大型的发电机组（从小到大逐步开发）。发）。2-8 机械零

23、件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤选择零件类型、结构 机械零件的设计一般要经过以下几个步骤：机械零件的设计一般要经过以下几个步骤： 计算零件上的载荷确定计算准则选择零件的材料确定零件的基本尺寸结 构 设 计校 核 计 算画出零件工作图,写出计算说明书2-9 机械零件的材料及其选用机械零件的材料及其选用：铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1).黑色金属黑色金属有色金属有色金属铁钢高分子材料高分子材料复合材料复合材料陶瓷陶瓷金属材料金属材料非金属材料非金属材料（一）机械零件常用材料（一）机械零件常用材料：塑料、橡胶、合成纤维 ：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢(如：08F 45 60 1Cr1

24、8） ：灰铸铁、球墨铸铁(如：TH300 QT500-5)：强如钢、轻如铝、硬如金刚石：强度高、弹性模量大、质量轻1.载荷、应力的大小和性质载荷、应力的大小和性质2.零件的工作情况零件的工作情况3.零件的尺寸及重量零件的尺寸及重量4.零件的结构及加工性零件的结构及加工性5.材料的经济性材料的经济性1）材料价格；）材料价格；2）加工批量和加工费用；）加工批量和加工费用；3）材料的利用率；）材料的利用率；4）局部品质原则；）局部品质原则；5）节约稀有材料（尽量用廉价材料来代替价格相对昂贵的稀有材料）；）节约稀有材料（尽量用廉价材料来代替价格相对昂贵的稀有材料）；6）材料的供应状况。）材料的供应状况

25、。（二）机械零件材料的选用原则（二）机械零件材料的选用原则2-10 机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化标准化：对零件的尺寸、结构要素、材料特性、检验方法、设计方法、制图要标准化：对零件的尺寸、结构要素、材料特性、检验方法、设计方法、制图要求等制定出统一的共同遵守的标准（如：螺纹联接件，滚动轴承等用途最广的零求等制定出统一的共同遵守的标准（如：螺纹联接件，滚动轴承等用途最广的零件进行大量的、集中制造，用户根据要求选用）。件进行大量的、集中制造，用户根据要求选用）。系列化：对同一产品，为了适应不同的使用条件，在同一基本结构或基本尺寸系列化：对同一产品，为了适应不同的使用条件，在同一基本结构或基本尺寸的条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品，称为不同的系列（如：滚动轴的条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品，称为不同的系列（如：滚动轴承的直径系列、宽度系列，工程机械的系列化）。承的直径系列、宽度系列，工程机械的系列化）。优越性：优越性：1）提高质量，降低成本；）提高质量，降低成本；2）统一了材料和零件的性能指标，提高了零件性能的可靠性；）统一了材料和零件的性能指标，提高了零件性能的可靠性；3）简化设计工作，提高设计质量，简化机器的维修。）简化