机械设计概论课件

第一章机械设计基础概论§1.1机械设计的基本要求§1.2机械设计一般过程§1.3机械零件的失效形式§1.4机械零件设计的基本准则及步骤§1.5机械制造常用材料及选择原则返回结束教学目的了解机械设计的内容与步骤;

掌握机械零件常见失效形式、计算准则及设计步骤。教学重点与难点机械零件失效形式、计算准则、及设计步骤教学内容§1.1机械设计的基本要求一、机器应该满足的基本要求1．使用性要求（实现预定的功能，满足运动和动力性能的要求）（功能性要求）机器必须能够保证在预定寿命期间内，按照规定的技术条件顺利而有效地实现全部预期职能的要求，不能失效。它是设计的最基本的出发点。这是依靠正确选择机器的工作原理、机构类型、机械传动系统方案，以及正确设计零部件的机构组合来保证。3．安全性要求

有三个含义：1）设备本身不因过载、失电以及其它偶然因素而损坏；2）切实保障操作者的人身安全（劳动保护性）；3）不会对环境造成破坏。劳动保护性有三个方面：1）提高操作安全性，在外露的旋转部件应添加安全罩，某些需要的地方需设立安全报警装置，例如煤气、锅炉等；2）降低体力及脑力损耗，从操作力、过程的复杂程度、操纵数目等方面进行考虑；例如在具有集中润滑的大型设备中，采用联锁装置;3）改善操作环境，增加操作的舒适性，例如乘座的振动、机器外观的色彩搭配等等。4．工艺性要求这包含两个方面1）装配工艺性2）零件加工工艺性。在不影响工作性能的前提下，应使机构尽可能地简化，力求用简单的机构装置取代复杂的装置去完成同样的职能，便于拆装，尽量使用标准件。零件的结构合理，很好的处理设计与制造的矛盾，满足加工制造的需要。5．可靠性要求随着机械系统日益复杂化、大型化、自动化及集成化，要求机械系统在预定的环境条件下和寿命期限内，具有保持正常工作状态的性能，这就称为可靠性。6．其它特殊要求针对某一具体的机器，都有一些特殊的要求。例如：飞机结构重量要轻、食品等机械、纺织机械等不得对产品造成污染等。§1.2机械设计一般过程

机械设计过程一般包括四个阶段，即：1）计划阶段；2）方案设计阶段；3）技术设计阶段；4）技术文件编制阶段。1、计划阶段在实际工作中，我们知道有各种各样的、用途各不相同的机器。但是，所有这些机器的设计过程都有一个共同的特点，即都是从提出设计任务开始的。而设计任务的提出主要是依据工作和生产的需要。

2、方案设计阶段

设计部门和设计人员首先要认真研究任务书，在全面明确上述要求后，在调查研究、分析资料的基础上，拟订设计计划，按照下述的步骤进行设计：（1）机器工作原理选择;（2）机器的运动设计;（3）机器的动力设计（1）机器工作原理选择工作原理是实现预期职能的基本依据。我们听说过“条条道路通罗马”的话，实现同样的预期职能，可以采用不同的工作原理、方法和途径。所以，在研制新机器时，应结合具体情况提出多种不同的工作原理，通过全面分析比较，从中选择最满意的一种。例如采煤，可以使用风镐，也可以使用高压水柱冲击煤层开采，也可以采用割煤机进行开采等。(2)机器的运动设计就是根据上一步确定的机器工作原理，确定机器执行部分的运动规律。例如牛头刨床，要求工作行程要慢、而返回行程要快。这一步主要依据我们前面所述的机械原理知识来完成。这里，必须同时考虑选择适当的原动机，妥善考虑和设计机械的传动部分实现方法，并考虑运动参数调整的必要性于可能性。

（3）机器的动力设计根据机器的工作原理和运动设计结果，按照机器的总体性能要求，根据其运动特性、工作阻力、速度、传动效率等，计算机器所需的驱动功率，进行运动机的选择。同时也要考虑调节于控制的必要性于可能性，也可以利用机械原理和电工学知识来完成。3、技术设计阶段主要是依据原动机的特性和运转特性或根据零部件的工作载荷进行设计，一般采用前一种方法，选择设计出各零部件。在工作原理确定之后的工作，就是将前面选定的设计方案通过必要的分析计算和结构设计，用图面（装配图、零件图等）及技术文件的形式来加以具体表示。包括：运动设计、动力分析、整体布局、零件结构、材料、尺寸、精度和其它参数的确定以及必要的强度和刚度计算等。反映在实际工作的成果——图纸上，大体可以分为四个步骤：（三）零件设计阶段：装配图只确定了机器的总体尺寸、各个零部件的相对位置及配合关系，而没有反映出各个零件的全部尺寸、结构等。零件设计阶段就是把机器的所有零件（标准件除外）拆分出来，绘制成零件图，为加工提供依据。（四）技术文件制定：完成图纸滞后，必须完成一系列的技术文件，应包括各种明细表、系统图、设计说明书和使用说明书等。4、技术文件编制阶段

技术文件的种类较多，常用的有：机器的设计计算说明书；机器使用说明书；标准件明细表；其它技术文件，如检验合格单、外购明细表、验收条件等.一个完整的设计过程不但包含以上四个阶段，还包括制造、装配、试车、生产等所有环节，对图纸和技术文件进行完善和修改，直到定型投入正式生产的全过程。实际工作中，上述的几个阶段是交叉反复进行的。随着计算机辅助设计、计算机仿真技术、三维图形技术以及虚拟装配制造技术的迅速发展，机械设计方法有了极大的变革，借助这些技术我们可以极大地降低设计和试制成本，提高产品的竞争力。§1.3机械零件的失效形式

一、机械零件的失效

失效：机械零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能时称失效。二、机械零件常见的失效形式1、整体断裂2、过大的残余变形3、零件的表面破坏4、破坏正常工作条件引起的失效

a.强度要求

零件在工作时，在额定的工作条件下，既不发生任何形式的破坏，也不产生超过容许限度的残余变形，能保证机器的正常运转和工作，我们就认为该零件满足了强度要求。强度不足是零件在工作中断裂或过量残余变形的直接原因。在设计中，除了部分受力较小或形状复杂无法计算的零件靠经验、实验确定外，大多数重要零件都是利用强度条件式来校核的（材料力学中的相关强度理论）。若零件的强度不够，就会出现整体断裂，表面接触疲劳或塑性变形等失效而丧失工作能力，所以设计零件时必须满足强度要求。其设计准则是：

其中: ——称作计算应力；[]——称作许用抗拉应力P——拉力载荷；F——面积尺寸；——极限应力；S——安全系数其含义是：零件中的应力应当小于或等于其许用应力[]才能满足强度要求。该公式由于是用来校核零件的初定剖面F是否满足强度要求的，所以称为校核公式。要注意的是：如果零件剖面上承受的载荷是剪载荷，分别可以用剪应力和许用剪应力[]等代入上面的式中进行计算。<[]=可以看出：强度准则就是把对零件起损伤作用的一方（例如载荷和应力）与零件对损伤起抵抗作用的一方进行比较来判断零件强度的。通过上面的强度条件式，可以发现，提高零件强度的措施有：1）增大零件危险剖面的尺寸、合理设计剖面形状，以增大剖面面积的惯性矩；2）采用高强度材料，对材料进行提高强度及降低内应力的热处理，控制加工工艺以减小或消除微观缺陷等；3）力求降低零件上的载荷，例如减小轴的支承跨距以降低作用在其上的弯矩，采用减振结构以降低冲击载荷等；4）妥善设计零件结构以降低应力集中程度等。

提高零件整体刚度的原则措施有：1）适当增加零件的剖面尺寸；2）合理设计零件的剖面形状；3）合理添置加强筋，采用多支点结构；4）提高零件接触表面的加工精度或经适度跑合，以降低表面粗糙度；5）适当增加接触面积，以降低单位压力等。c.寿命要求

寿命要求就是要求零件在预定工作期间保持正常工作而不致报废。主要是针对那些在变应力下工作和工作时受到磨损或腐蚀的零件提出的。

提高零件寿命的措施主要有:1）妥善设计零件结构以降低应力集中程度；2）采用精加工或表面强化处理以提高零件工作表面的质量；3）合理选择摩擦副配对材料、润滑剂与润滑方法以提高零件抗磨损能力；4）选用耐腐蚀材料制造在腐蚀介质中工作的零件；5）利用热处理提高零件材料的机械性能或利用滚压、喷丸等工艺使零件表面产生有利的残余预应力等等。

d.振动性和噪声要求随着机械向高速发展和人们对环境舒适性要求的提高，对机械振动和噪声的要求也越来越高。当机械或零件的固有振动频率等于或接近受激振源作用所引起的强迫振动频率时，将产生共振。这不但影响机器的正常工作，甚至会造成破坏性事故。因此，对于高速机械应该进行振动分析和计算，采取降低振动和噪声的措施。具体来说，并不是每一类型的零件都需要进行所有上述的计算，而是从实际载荷的工作条件出发，分析其主要的失效形式，再确定其计算准则，必要时再按其它要求进行校核。例如，机床主轴，首先根据刚度确定尺寸，再校核其强度、振动稳定性。

3）经济性要求零件的经济性要求就是要用最低的成本和最少的工时制造出满足技术要求的零件。我们在进行设计时，必须时刻牢记，要从降低材料消耗、尽可能利用廉价材料代替昂贵的材料、尽可能多使用标准件等等方面入手，努力提高经济性指标。

4）可靠性零件可靠性的概念与机械系统可靠性相似，并且用零件的可靠度来衡量。零件可靠度定义为：在预定的环境条件下和使用时间（寿命）内，零件能够正常工作而不会失效的概率（可能性）。5）标准化机械设计中的标准化是指对零件的特征参数及其结构尺寸、检验方法和制图的规范化要求。机械零件设计的标准分为国家标准（GB）、部颁标准（如JB、YB等）和企业标准等三级，这些标准（特别是国家和有关部颁标准）是在机械设计中必须严格遵守的。此外，进出口产品一般还应符合国际标准化组织制定的国际标准（ISO）。习惯上，又把零件的标准化、通用化和系列化称作“三化”。这是缩短产品设计周期、提高产品质量合生产效率、降低生产成本的重要途径。a）普通碳素结构钢：这类钢按供应条件分主要有甲、乙两类，机械制造中则使用甲类。供应时只按机械性能，使用时不作热处理，主要用于制造一般机械零件和工程结构的构件。b）优质碳素结构钢：具有较好的机械性能，可以使用热处理在较大范围内提高机械性能，应用最为广泛。常用于制造要求较高的螺栓、扳手、齿轮、凸轮等。c）合金结构钢：由于碳素结构钢在某些特殊的地方无法使用、或由于其综合机械性能不能令人满意，不能满足一些特殊的需要，这时就需要使用合金结构钢。注意：合金钢必须进行合适的热处理，才能充分发挥其作用。d）铸钢主要用在零件形状比较复杂、强度要求较高的零件制作。对于碳素钢而言，含碳量高则强度、硬度较高，但是塑性随之降低。对于高碳钢，其热处理更需严格控制。2）铸铁铸铁是含碳量高（>2%）的铁碳合金。其碳大部分以石墨的形式存在于组织中，所以，一般情况下其强度、韧性及硬度较低。但由于石墨的存在，其耐磨性较好，同时具有良好的减振性能，而且价格低廉。铸铁也有多种，但工程上常用的主要是灰铸铁和球墨铸铁。灰铸铁主要用来制造机座类零件和其它一些常见的不重要零件。球墨铸铁由于石墨经过处理，成为球状，使得其机械性能得到极大的提高，在很多场合下成功地取代了某些碳素钢及合金钢。其典型的使用例如发动机的曲轴

3）铜合金在机械中，各部分的联接是靠运动副实现的。而在运动副中，为了提高结构的可靠性、耐磨性、降低成本（维修）等原因，大量使用衬套、或轴瓦等零件。而这些零件的材料大多是铜合金。铜合金主要有：铜锌合金、含锡青铜、无锡青铜。2、非金属材料非金属材料的种类繁多，在工程上也发挥着重要的作用。例如橡胶密封垫、传动带、树脂材料制作摩擦片、塑料手柄等等。二、材料选择原则

通过前面的介绍，可以了解到：同一个零件可以用多种材料制作，并且可以实现同样的预期职能。那么，这时判别材料的选择是否合理就取决于除功能以外的一些因素，例如经济性要求。所以为了准确理解材料选择的基本原则，我们必须首先了解实际工作中，选择材料时应该考虑那些影响因素。这实际上就是前面有关内容的总结1．功能、使用方面的因素1）零件的受力大小和性质、应力的大小、性质、分布情况；2）零件的工作情况（工作特点、环境等）；3）零件的重要性，例如农用车和航天飞机比较、农用车中变速箱齿轮和操纵手球比较等等；4）安装部位对零件尺寸和质量的限制，例如