机械设计教学课件

1.1概述1.2机械现代设计方法简介第1章绪论1.1概述

1.1.1本课程的内容、性质和任务

本课程是一门以一般通用机械零部件设计为核心，论述它们的基本设计理论与方法，用以培养学生具有一般机械设计能力的设计性课程，是机械类和近机类专业的技术基础课。本课程需要综合应用许多先修课程的知识，如机械制图、金属工艺学、理论力学、材料力学、机械原理、互换性与技术测量、工程实训等，故涉及的知识面较广且偏重于工程应用。它将为学生以后学习有关专业课和掌握新的机械科学技术奠定必要的基础。因此，在专业教学计划中，它是一门介于基础课程与专业课程之间的，具有承上启下作用的主干课程。本课程的内容是在简要介绍关于整台机器设计基本知识的基础上，重点讨论一般尺寸和参数的通用零件(重型、微型及在高速、高压、高温、低温条件下工作的通用零件除外)，包括它们的基本设计理论和方法，以及有关技术资料的应用等，具体包括以下三个方面内容：

(1)机械设计的基本知识、基本理论和基本方法(第1～4章)。

(2)通用机械零部件设计(第5～18章)。

①传动零件：带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动及螺旋传动。

②轴系零部件：滑动轴承、滚动轴承、轴及联轴器、离合器、制动器。

③联接零件：螺纹联接、铆接、焊接、粘接及轴毂联接。

④其他零部件：弹簧、机座与箱体。

(3)总体构思与设计(结合课程设计进行)。本课程的主要任务是通过理论教学和实践环节的训练，使学生：

(1)树立理论联系实际的正确设计思想，提高创新思维和创新设计的能力；

(2)掌握通用机械零件的设计原理、设计方法和机械设计的一般规律，具有设计通用机械传动装置和简单机械的能力；

(3)具有运用机械设计手册、图册及标准、规范和查阅有关技术资料的能力；

(4)掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技能的基本训练；

(5)了解国家当前的技术经济政策，并对机械设计的新发展及现代设计方法有所了解。在本课程的学习过程中，要综合运用先修课程中所学的有关知识与技能，结合各个教学实践环节对学生进行基本训练，逐步提高他们自身的理论水平、构思能力、工程洞察力和判断力，特别是不断地汲取、融会与分析问题及解决问题的能力，为顺利过渡到专业课的学习及进行产品和设备的设计打下宽而坚实的基础。1.1.2本课程的特点和学习方法

本课程是机械类专业的一门设计性主干技术基础课程，起到从理论性课程过渡到设计性课程、从基础课程过渡到专业课程的作用。因此，了解和掌握本课程的特点，在学习中不断探求与之相适应的学习方法，并随时注意总结提高，是学好本课程的重要条件。学习中应注意以下几个方面的问题。

(1)本课程的内容涉及多门先修课程和同修课程的基本知识，如机械制图、材料力学、金属工艺学、机械原理、工程材料、公差与技术测量等，涉及知识面宽，综合性强，学习中应注意及时复习、总结，深化有关内容，并注重知识综合应用能力的培养。

(2)本课程以培养学生机械零部件及简单机械设计能力为目标，因而是一门实践性很强的课程。其教学环节除课堂教学外，还有习题课、实验课、讨论课、现场教学、答疑、设计性作业及课程设计等。学好教材内容是一个重要方面，但它远非本课程的全部。学习本课程时必须明确，书本知识固然重要，但在工程实际中，很少是靠单独运用书本知识就能正确解决问题的，而是还需要掌握一定的经验、资料和具有较强的工程判断能力。因此要注重实际训练，通过实际训练来进一步加深对课程内容的理解和掌握，培养和提高机械设计能力，尤其是要重视提高机械零部件结构设计的能力和熟练查阅、使用设计手册及各种技术资料的能力。

(3)本课程是设计性课程，内容紧密围绕零部件的设计问题。设计包括多方面的内容，但其主要部分通常是工作能力和结构设计，而工作能力设计一般必须进行某些计算，如强度、刚度、寿命、热平衡计算等，这就形成了公式多的特点。本课程许多零部件的设计原理和设计公式是带有条件的，不少零件的设计公式涉及多个参数与系数，使设计表现出某种不确定性，设计结果也往往不是唯一的。在学习时应注意以下几点：①必须彻底搞清楚公式的性质、使用条件、符号意义及代入单位、计算结果的单位等；②准确把握设计公式中各个参数间的关系和系数的意义与取值；③正确对待设计结果，尤其是理论计算的结果。通常理论计算结果要服从结构设计和加工工艺的要求。此外，不少零部件的尺寸并不是由理论计算一次确定的，而是先由结构设计或凭经验初定尺寸，再经校核、修改后确定；有些零部件设计公式中的有些参数和系数，在开始设计时是不能确定的，同样需经过先初选再校核最后确定设计过程，这种设计方法是机械零部件设计中最常用的设计方法，学习中要逐步适应并很好的掌握。

(4)本课程主要内容是关于通用机械零部件的设计问题，涉及的零部件较多，学习时应注意不同零部件在材料、结构、功效、应用、载荷、应力、失效形式、设计准则及计算公式等方面的差异，又要把握不同零部件设计所遵循的一些共同的规律，如基本相同的设计步骤及零部件分析、设计思路等。本书在论述各类零部件设计时的思路及程序为：①介绍零部件的主要类型、构造、功能、材料、制法、标准、优缺点、使用场合等基本知识，以便对该类零部件有初步的了解；②论述工作情况、受力分析、应力状态、失效形式、设计准则、设计方法与步骤、参数选择原则、常用参考资料以及有关注意事项等，以便初步掌握零部件的设计理论与方法；③给出释义例题(包括典型的工作图)，引向设计实践，并给出若干习题，以便实际运用所学的有关知识、设计理论、设计方法及参考资料，进行初步的设计锻炼，从而加深与巩固所学的知识与技能，进一步开发智力，提高设计能力。

(5)本课程介绍的机械设计方法主要是理论设计方法。实际的机械设计问题都不会只有一个答案，新理论、新技术、新材料、新工艺以及新的市场信息等，都将使设计结果发生变化。所以一定要全面分析、综合协调、灵活处理，并富有想象力、洞察力、探索精神和创新勇气，从而对各式各样的设计问题作出机敏的工程判断。而这些能力是要靠一系列课程的各个教学环节来综合培养的。

(6)机械零部件是机器的基本组成部分。在不同的机器中，同样的零部件在受力情况、设计要求及设计方法等许多方面将会有所不同，所以，机械零部件的设计总是和具体机械或机电产品的开发设计联系在一起的。要真正学好本课程，真正掌握机械零部件设计的本领，必须注重培养和建立整机设计的概念，从产品开发设计的高度来对待机械零部件设计问题，要结合产品的制造与装配工艺、市场前景及产品的经济性来考虑机械零部件的设计问题。此外，市场竞争日益激烈，产品的开发设计离不开改进、改革、创新、创造，学生应努力增强创新意识，培养创新设计能力。1.2机械现代设计方法简介

1.2.1现代设计方法研究的概况

现代设计技术是在传统设计的基础上继承和发展起来的，它是一门多专业、多学科而且相互交叉的综合性很强的基础技术科学。随着科学技术的不断发展，其设计范畴不断扩大，设计手段不断现代化，已发展到应用计算机网络技术实现异地设计、虚拟设计与制造等。设计是人类高级而复杂的创造性思维活动，它是运用已有的知识和技术解决问题或创造出新事物以满足社会需要的一种技术活动，是创造人为事物的科学。设计建立在多学科的基础上，涉及到数学、物理、化学、机械学、电子学、计算机学、制造工艺学、材料学、认知科学和设计学等领域的基础知识。根据设计活动中创造性的大小，设计可分为三类：常规设计、革新设计、创新设计。其中，创新设计旨在提供有重要社会价值的新颖独特的设计成果，在设计领域中最富挑战性，也是设计人员追求的最高目标。现代设计技术是根据产品功能要求和市场竞争的需要(如产品的生产时间、质量、价格等)，应用现代技术和科学知识，经过设计人员创造性思维、规划和决策，制定可以用于制造的方案，并使方案付诸实施的技术。现代设计技术使产品设计建立在科学的基础上。随着科学技术的不断发展，其设计范畴也不断地扩大，从单纯的产品设计扩展到全寿命周期设计，包括考虑环境因素的绿色设计；在设计的组织方式上，从传统的顺序设计方式过渡到并行设计方式；在设计手段上，从传统的手工设计向现代化计算机辅助设计过渡，应用计算机网络技术发展了异地设计等。现代工程设计技术涉及的范围很广，它包括有：计算机辅助设计CAD、计算机辅助工程分析CAE、计算机辅助工艺规程设计CAPP、计算机辅助制造CAM、计算机辅助装配工艺设计CAAP、智能CAD和概念设计、面向“X”的设计DFX、可靠性设计、优化设计、动态设计、有限元分析、健壮设计、精度设计、三维设计、外观造型设计、工作环境设计、模块化设计、防腐蚀设计、疲劳设计、快速原型法、价值工程、反求工程

技术、质量功能配置QFD、系统建模与仿真、虚拟设计、设计与制造集成、设计过程管理和工程数据库、创新设计、快速响应设计、并行设计、异地设计、绿色产品设计等。支撑现代工程设计的相关学科技术有：①系统工程技术；②虚拟现实技术；③人工智能技术；④多媒体技术；⑤数据标准与接口技术；⑥数据库技术；⑦人机工程学；⑧设计方法学;⑨决策支持系统；⑩计算机网络等。1.2.2现代设计方法简介

20世纪60年代以来，随着科学技术的迅速发展以及计算机技术的广泛应用，在机械设计传统设计方法的基础上又发展了一系列新型的设计理论与方法。现代设计方法种类极多，内容十分丰富，且在不断发展中，现介绍如下几种常见方法。

1.机械优化设计

机械优化设计是将最优化数学理论(主要是数学规划理论)应用于工程设计问题，在所有可行方案中寻求最佳设计方案的一种现代设计方法。进行机械优化设计时，首先需要建立设计问题的数学模型，然后选用合适的优化方法并借助于计算机对数学模型进行寻优求解，经过对优化方案的评价与决策后，从而求得最佳设计方案。在建立优化设计数学模型的过程中，把影响设计方案选取的参数称为设计变量，设计变量应当满足的条件称为约束条件，设计者选定来衡量设计方案优劣并期望得到改进的产品性能指标称为目标函数。设计变量、约束条件和目标函数组成了优化设计的数学模型。将数学模型和优化算法编写成计算机程序，即可寻优求解。常用的优化算法有0.618法、Powell法、变尺度法、惩罚函数法、基因算法等。采用优化设计方法可以在多变量、多目标的条件下，获得高效率、高精度的设计结果，极大地提高设计质量。

2.计算机辅助设计

计算机辅助设计(CAD)是利用计算机运算快、计算准确、存储量大、逻辑判断功能强等特点进行设计信息处理，并通过人机交互作用完成设计工作的一种设计方法。它包括分析计算、自动绘图系统和数据库三个方面。一个完整的机械产品CAD系统，应首先能够确定机械结构的最佳参数和几何尺寸，这就要求具有进行机构运动分析及综合、有限元分析和优化设计、可靠性设计等功能，然后能够由分析计算结果自动显示和绘制机械的装配图和零件图，并可进行动态修改。完善的数据库系统，可与计算机辅助制造、计算机辅助监测、计算机管理自动化结合形成计算机集成制造系统(CIMS)，综合进行市场预测、产品设计、生产计划、制造和销售等一系列工作，实现人力、物力和时间等各种资源的有效利用，有效地促进现代企业生产组织、管理和实现自动化，使企业总效益得到提高。

3.可靠性设计

可靠性设计是以概率论和数理统计为理论基础，以失效分析、失效预测及各种可靠性试验为依据，以保证产品的可靠性为目标的一种现代设计方法。其主要特点是将传统设计中视为单值而实际上具有多值性的设计变量(如载荷、材料性能和应力等)如实地作为服从某种分布规律的随机变量来对待，用概率统计方法定量设计出符合机械产品可靠性指标要求的零部件和整机的主要参数及结构尺寸。可靠性设计的主要内容有：

(1)从规定的目标可靠度出发，设计零部件和整机的有关参数及结构尺寸；

(2)根据零部件和机器(或系统)目前的状况及失效数据，预测其可能达到的可靠度，进行可靠性预测；

(3)根据确定的机器(或系统)可靠度，分配其组成零件或子系统的可靠度。这对复杂产品和大型系统来说尤为重要。

4.摩擦学设计

摩擦学设计就是运用摩擦学理论、方法、技术和数据，将摩擦和磨损减小到最低程度，从而设计出高性能、低功耗、具有足够可靠性及合适寿命的经济合理的新产品。

摩擦学主要研究相互运动、相互作用表面的摩擦行为对机械及其系统的作用，接触表面及润滑介质的变化，失效预测及控制的理论与实践，它是以力学、流变学、表面物理与表面化学为主要理论基础，综合材料科学、工程热物理学科，以数值计算和表面技术为主要手段的边缘科学。它的基本内容是研究工程表面的摩擦、磨损及润滑问题。摩擦学研究的目的在于指导机械及其系统的正确设计和使用，以节约能源和降低原材料消耗，进而达到提高机械装备的可靠性、工作效率和使用寿命的目的。

5.并行设计

并行设计是一种对产品及其相关过程进行并行和集成设计的系统化工作模式。其思想是在产品开发的初始阶段，即规划和设计阶段，就以并行的方式综合考虑其寿命周期中所有后续阶段，包括工艺规划、制造、装配、试验、检验、经销、运输、使用、维修、保养直至回收处置等环节，降低产品成本，提高产品质量。并行设计与传统的串行设计方法相比，它强调在产品开发的初期阶段全面考虑产品寿命周期的后续活动对产品综合性能的影响因素，建立产品寿命周期中各个阶段间性能的继承和约束关系及产品各方面属性之间的关系，以追求产品在寿命周期全过程中其综合性能最优。它借助于由各阶段专家组成的多功能设计小组，使设计过程更加协调，使产品性能更加完善，因此更好地满足用户对产品全寿命周期质量和性能的综合要求，减少产品开发过程中的返工，进而大大缩短开发周期。

6.创新设计

创新是设计的本质，也是设计活动的最终指标。没有创新就没有丰富多彩的世界。创新设计是产品适应新的市场形势的最好途径，创新产品能满足甚至创造出新的需求，因而必然有较强的市场竞争力。

创新活动必须运用创新设计方法。创新设计方法的基本出发点是打破传统思维的习惯，克服思维定式和妨碍创造性设想产生的各种消极心理状态，以帮助人们在设计和开发产品时得到创造性的解。常用的创新思维形式有：

(1)分析与综合思维；

(2)收敛与发散式思维；

(3)对应与联想式思维；

(4)离散与组合式思维；

(5)换元与移植式思维；

(6)正向、迂回与反思维。

通过组织学手段可以帮助创新思维的开展，为此人们创造出很多工作方法，常用的有：①智暴法；②635法；③陈列法；④哥顿法；⑤输入输出法等。

7.动态设计

动态设计是相对于静态设计而言的。动态设计是对结构动态特性(如固有频率、振型、动力响应和运动稳定性等)进行分析、评价与设计，谋求结构系统在工作过程中受到各种预期可能的瞬变载荷及环境作用时，仍然保持良好的动态性能与工作状态。

动态设计的基本思路是：把产品看成是一个内部情况不明的黑箱，根据对产品功能的要求，通过外部观察，对黑箱与周围不同的信息联系进行分析，求出产品的动态特性参数，然后进一步寻求它们的机理和结构。该方法的技术内涵是：建立可靠的数学模型，借助计算机技术，采用先进的科学计算方法，以试验数据为依托，全面分析研究机械结构系统在预期可能的各种载荷与周围介质作用下，力与运动、结构变形、内部应力以及稳定性之间的关系，据此调整参数，确保机械结构系统在实际工作运行中，具备优良的动态性能、足够的稳定裕度、良好的工作状态。随着科学技术的发展，人们对客观世界的认识不断深化，振动理论、结构疲劳、材料疲劳、断裂理论、计算机技术、数据库技术和试验及检测技术等共性基础技术的进步，尤其是有限元和试验模态分析技术与计算机结合并日趋完善，为机械结构系统的动态设计奠定了坚实的基础。

8.有限元法

有限元法是以计算机为工具的一种现代数值计算方法。该方法用来进行机械的静态和动态分析，能准确地计算复杂零件的应力分布和变形，成为现代设计中确定复杂零件强度和刚度的有力工具。有限元法的基本思想是：首先，假想将连续的结构分割成数目有限的单元，各单元之间仅在有限各指定节点处相联接，用所有单元的集合体近似代替原结构，此过程称为结构离散化。然后，对每个单元，选择一个简单的函数(一般为坐标的多项式函数)来近似地描述单元内位移的分布规律，并按弹性力学中的变分原理建立单元节点力与节点位移(或速度、加速度)的关系，得到单元质量(或阻尼、刚度)矩阵，此过程称为单元特性分析。最后，把所有单元的这种关系集合起来，形成以节点位移为基本未知量的动力学方程，引入初始条件和边界条件即可求解，此过程称为单元特性集成。所以，有限元法的基本思想是“先分后合”，先分是为了进行单元分析，后合则是为了对整个结构进行综合分析。有限元法实用性极广，不仅可用来计算一般零件(二维或三维)及杆系结构、板、壳等的静应力或热应力，还可计算它们的弹塑性、蠕变、大挠度变形等非线性问题，以及振动、稳定性等问题。

9.绿色设计

绿色设计是以环境资源保护为核心概念的设计过程，它要求在产品的整个寿命周期内把产品的基本属性和环境属性紧密结合，在进行设计决策时，除满足产品的物理目标外，还应满足环境目标，以达到优化设计要求。即在产品整个寿命周期内，优先考虑产品的环境属性(可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等)，并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的基本性能、使用寿命、质量等。1.2.3现代设计方法的特点

现代设计方法是综合应用现代各个领域科学技术的发展成果于机械设计领域所形成的设计方法，同时它又是在传统设计方法的基础上发展形成的。它包含自然科学、社会科学、经济科学等各个领域的研究成果，特别是计算机的广泛应用和现代信息科学与技术的发展，极大地推动了现代设计方法的发展。与传统设计方法相比，现代设计方法具有以下特点：

(1)设计范畴的扩展化；

(2)设计过程的并行化、智能化；

(3)设计手段的计算机化、拟实化；

(4)分析手段的精确化；

(5)强调设计的逻辑性、系统性；

(6)强调产品的环保性、宜人性；

(7)设计和制造一体化；

(8)进行动态多变量的优化；

(9)强调产品全寿命周期最优化。

现代设计是在传统设计基础上发展起来的，它继承了传统设计的精华，弥补了传统设计的不足，从而有效地提高了设计质量。由传统设计发展到现代设计有一定的时序性和继承性，所以，现代设计方法不能离开或完全取代传统设计方法。当前正处在现代设计方法和传统设计方法两者共存阶段。2.1机器的组成2.2机械设计的基本要求2.3机械设计的一般程序2.4机械零件的主要失效形式2.5机械零件应满足的基本要求2.6机械零件材料的选择原则2.7机械零件设计中的标准化第2章机械设计的基本要求和一般程序2.1机器的组成

2.1.1机器的基本组成要素

在长期的生产实践中，人们创造发明了各种机器，如电动机、内燃机、车床、汽车、飞机、船舶等。机器的种类繁多，其构造、性能和用途各不相同。在一台现代化的机器中，常会包含着机械、电气、液压、气动、润滑、冷却、信号、控制、监测等系统的部分或全部，但是机器的主体仍然是它的机械系统。从机器的组成分析，它们都是由一些典型的机构组成的，每个机构又是由许多机械零件组成的。所以，机器的基本组成要素就是机械零件。机械零件按其用途可分为两大类：一类是在各种机器中都能用到的零件，叫做通用零件，如螺钉、齿轮、轴等；另一类则是在特定类型机器中才能用到的零件，叫做专用零件，如飞机的螺旋桨、往复式活塞内燃机的曲轴、涡轮机的叶片等。另外，工程上还常把由一组协同工作的零件所组成的独立制造或独立装配的组合体叫做部件，如减速器、离合器等。

对于一台机器而言，一切零件都是它的局部，它们必须受到机器这个全局的制约。因而它们在机器中，或按确定的位置相互联接，或按给定的规律作相对运动，共同为完成机器的功能发挥各自的作用。所以任何机器的性能，都是建立在它的主要零件的性能或某些关键零件的综合性能基础之上的。由此可知，要想设计出一台很好的机器，必须很好地设计或选择它的零件；而每个零件的设计或选择，又是和整台机器的要求分不开的。2.1.2机器的组成部分

机器的发展经历了一个由简单到复杂的过程，类型由少到多，功能差异很大，按机器各部分的功能将机器分为原动部分、

执行部分、传动部分、控制系统和辅助系统。在图2-1中,粗线框表示一部机器的基本组成部分，细线框表示附加组成部分。图2-1机器的组成

1.原动部分

原动部分是一台机器的心脏，它给机器提供运动和动力，驱动整台机器完成预定功能。通常情况下，一台机器只有一个原动部分(即动力源)，复杂的机器也可能有好几个动力源。一般来说，它们都是把其他形式的能量转换为可以利用的机械能。动力源从最早的人力、畜力，发展到利用风力、水力、内燃机、

蒸汽机，直到今天的电动机(直流、交流)、液压马达、步进电机等等。

原动机的动力输出绝大多数呈旋转运动状态，输出一定的转矩；在少数情况下也有呈直线运动形式，输出一定的拉力或推力。

2.执行部分

执行部分是直接完成机器预定功能的部分。一台机器可以只有一个执行部分，如常见的冲床、压床等；也可以有多个执行部分，如车床、铣床、刨床等。

3.传动部分

由于机器的功能各式各样，所要求的运动形式也各式各样，因此所要克服的工作阻力也会随工作情况有所差异。而原动机所能提供的运动形式、运动及动力参数却是有限的，这就要求必须把原动机提供的有限的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的各式各样的运动形式、运动及动力参数，这就是传动部分的功能。故机器中必须有传动部分，就是为了解决运动形式、运动及动力参数的转变。例如把旋转运动变为直线运动，高速变为低速，小转矩变为大转矩等。

4.控制系统

随着机器的功能越来越复杂，对机器的精度、自动化程度要求也越来越高，为保证上述三部分能协调有序地动作，以实现自动化操作，还需设置必要的控制系统。控制系统的种类繁多，常用的有机械式控制器(如离合器)、液压式控制器(如各种液压控制阀)和电子式控制器等。

5.辅助系统

辅助系统是为了改善机器的运行环境，方便使用，延长机器的使用寿命而设置的，例如冷却装置、润滑装置、照明装置、显示系统等。

简单的机器可只由原动部分、执行部分和传动部分组成，根据其复杂程度、功能要求、精度、自动化程度等的不同，也可相应地设置必要的控制系统和辅助系统。

如图2-2所示的自动冲压机中，电动机是原动部分；冲头和推料头是执行部分；其传动部分包括带传动、齿轮传动、曲柄滑块机构；控制系统有机械式离合器、液压式控制器和电子式控制器；其辅助系统的润滑、显示、照明等图中未画出。图2-2自动冲压机示意图以汽车为例，发动机(汽油机或柴油机)是汽车的原动部分；传动部分包括离合器、变速箱、传动轴和差速器；执行部分包括车轮、悬挂系统及底盘(包括车身)；转向盘和转向系统、排挡杆、刹车器脚踏板、离合器踏板及油门组成控制系统；油量表、速度表、里程表、润滑油温度表及蓄电瓶电流表、电压表等组成的显示系统，前后灯及仪表盘灯组成的照明系统，转向信号灯及车尾红灯组成的信号系统，以及后视镜、车门锁、刮雨器等共同组成辅助系统。2.2机械设计的基本要求

2.2.1功能要求

人们为了生产和生活的需要才设计和制造各式各样的机器，因此，所设计和制造的机器必须满足使用上的特性和能力，并保持功能参数在规定的范围内。这主要靠正确选择机械的工作原理，正确选用原动部分、传动部分和执行部分以及合理配置控制系统和辅助系统来完成。2.2.2可靠性要求

机械的可靠性用可靠度来衡量。可靠度是指在规定的使用时间(寿命)内和预定的使用条件下，机械能够正常完成其预定功能的概率。不同场合使用的机械，对可靠度有不同的要求。

提高机器可靠度的关键是提高其组成零件的可靠度。此外，从机器设计的角度考虑，确定适当的可靠度水平，力求结构简单，减少零件数目，尽可能选用标准零件，合理设计机器的组件和部件，以及必要时选用较大的安全系数等，对提高机器可靠度也是十分有效的。2.2.3市场需要和经济性要求

机器的经济性是一个综合指标，它体现在机器设计、制造和使用的全过程中，包括设计制造经济性和使用经济性。设计制造经济性表现为机器的成本低；使用经济性表现为高生产率，高效率，较少的能源、原材料和辅助材料消耗，以及低的管理和维护费用等。设计机器时，应把设计、制造、使用及市场作为一个整体全面考虑。只有设计与市场信息密切配合，在市场、设计、生产中寻求最佳关系，才能获得满意的经济效益。提高设计制造经济性的主要途径有：①采用恰当的设计方法，力求设计参数合理，缩短设计周期，降低设计成本；②最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零部件；③合理选用材料，改善零件结构工艺性，尽可能采用新材料、新结构、新技术、新工艺，使其用料少、质量轻、易加工、

易装配；④合理组织设计和制造过程；⑤注重机器外观的设计，以便最大限度赢得消费者。

提高机器使用经济性的主要途径有：①合理提高机器的机械化、自动化水平，以提高机器的生产率和产品的质量；②选用高效率的传动系统和支承装置，尽可能减少传动的中间环节，从而降低能源消耗和生产成本；③采用适当的防护、润滑和密封装置，以延长机器的使用寿命，避免环境污染。2.2.4劳动保护和环境保护

设计机器时应对劳动保护要求和环境保护要求给予高度的重视，应使所设计的机器符合国家的劳动保护法规要求和环境保护要求。一般从以下两个方面加以考虑。

(1)保证操作者安全、方便，减轻操作时的劳动强度。

从人机工程学的角度，设计时应尽量做到：①减少操作手柄、按钮的数量，并按不同的形状、颜色等加以区别，避免误操作；②操作手柄、按钮的位置应便于操作，操作力要合理；③操作方式要符合人们的心理习惯；④对外露的运动件加设防护罩，设置完善的保险、报警、显示装置。

(2)改善操作者及机器的工作环境。机器设计时应做到：①降低机器工作时的振动和噪音；②防止有毒、有害介质渗漏；③进行废水、废气和废液的治理；④美化机器的外形及外部色彩。2.2.5其他特殊要求

对于不同的机器，还有一些为该机器所特有的要求。例如：对食品机械有保持清洁、不能污染产品的要求；对机床有长期保持精度的要求；对飞行器有质量小、飞行阻力小、运载能力大的要求；对流动使用的机械有便于安装和拆卸的要求。总之，设计机器时，在满足前述共同的基本要求外，还应满足其特殊的要求。

机械各项要求的满足，是以组成机械的机构合理选型和综合，以及组成机械的所有零件的正确设计和制造为前提的，即零件设计的好坏将对机器使用性能的优劣起决定性的作用。2.3机械设计的一般程序

一部机器的质量基本上由设计质量决定，制造过程对机器质量所起的作用本质上就在于实现设计时所规定的质量，故机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。一部完整的机器，是一个相当复杂的系统，必须按照科学的程序进行设计。

根据人们长期的设计经验，设计过程大体可以分为以下几个阶段。2.3.1产品规划阶段

产品规划阶段是机械设计整个过程的准备阶段。在产品规划阶段，应对所设计机器的需求情况作充分的调查研究和分析。通过分析，进一步明确新机器应具有的功能和性能参数，并根据现有的技术、环境、经济、加工能力及时限等方面提出约束条件，分析其实现的可能性，明确设计中的关键问题，拟定设计任务书。设计任务书大体上应包括：机器的功能、技术经济指标、制造技术关键、基本使用要求、特殊材料、必要的试验项目、完成设计任务的预期期限及其他一些特殊要求等。此时，这些要求及条件一般只能给出一个合理的范围，而不是准确的数字。只有在充分调查研究和仔细分析的基础上，才能形成合适可行的设计任务书。2.3.2方案设计阶段

方案设计的成败，直接关系到整个机器设计的成败。在这个阶段充分体现出了设计工作多解的特点。这一阶段的工作包括以下几个部分。

1.分析机器功能要求并确定功能参数

机器的功能分析，就是对设计任务书提出的机器功能中必须达到的要求、最低要求及希望达到的要求进行综合分析，分析这些功能能否实现，多项功能间有无矛盾，相互之间能否替代等。最后确定出功能参数，作为进一步设计的依据。在此过程中，要处理好需要与可能、理想与现实、发展目标与当前目标等之间可能产生的矛盾。

2.工作原理设计

1)方案设计

工作原理是机器实现预期功能的依据，寻求方案时，可按原动部分、传动部分和执行部分分别进行讨论。

(1)执行部分方案设计。讨论机器的执行部分时，首先要选择工作原理。工作原理不同，反映在生产方法不同，机器就不同。例如，设计齿轮加工的机器时，其工作原理既可采用仿型法(在普通铣床上即可完成)，也可采用范成法。即使同一工作原理，也可有多种不同的执行机构来实现，如滚齿机、插齿机。因此，要设计更好、更新的机器就必须不断研究和发展新的工作原理。根据不同的工作原理，可以拟定出多种不同的执行机构的具体方案。设执行部分可有N1种方案。

(2)原动部分方案设计。原动部分的方案也可以有多种选择。常用的动力源有电动机(交流、直流，高转速、低转速)、热力原动机、液压马达、步进电机等。设原动部分有N2种方案。

(3)传动部分方案设计。传动部分的方案就更为复杂多样。完成同一传动任务，可以有多种机构及不同机构的组合来完成。设传动部分有N3种方案。

通过各部分方案分析，则机器总体可能的方案数应为N=N1×N2×N3个。

2)方案评价

在如此众多的方案中，应先从技术方面仔细分析。在技术上可行的前提下，方案力求机构简单，传动机构顺序合理，传动比分配合理，系统效率高，实现要求精确等。在技术上可行的一般只有少数几个方案。对仅有的这几个可行方案，再从经济方面和环境保护等方面进行综合评价。从经济性方面考虑，既要考虑到设计、制造时的经济性，又要考虑到使用时的经济性。如果机器的结构方案比较复杂，则其设计制造的成本就会相对增大，同时其功能也将会更为齐全，生产率也较高，使用经济性就会较好。反过来，结构较为简单、功能不够齐全的机器，设计制造费用虽低，但使用费用却会增加。因此，设计时应综合加以考虑，使机器的总费用合理。环境保护是设计中必须认真考虑的重要方面。对环境造成不良影响的技术方案，必须仔细分析，并提出技术上成熟的解决办法。

方案评价时，还要对方案进行可靠性分析。从可靠性的角度来看，盲目追求复杂的结构往往是不明智的。一般来讲，系统越复杂，则其可靠性越低。为了提高复杂系统的可靠性，就必须增加并联备用系统，这就不可避免地会增加机器的成本。

3)完善机构运动简图

通过方案评价，最后进行决策，确定一个技术上可行、综合性能良好的方案。按已确定的工作原理图，确定执行所需的运动和动力条件，结合预选的原动机类型和性能参数，妥善选择机构的组合参数，从必要性、可能性、可靠性等因素考虑，灵活调整各参数，最后形成一个据以进行下一步技术设计的原理图和机构运动简图。2.3.3技术设计阶段

技术设计阶段的目标是产生机器的总装配图、部件装配图和零件工作图。技术设计阶段的主要工作有以下几个方面。

1.机器的运动学设计

1)确定原动机的参数

传动和执行部分确定以后，根据机器的运转性能要求，执行部分的工作阻力、工作速度和传动部分的总效率，确定原动机的参数(功率、转速等)。

2)机构运动分析

根据已确定的原动机的运动规律，确定各运动构件的运动参数(位移、速度、加速度等)。

2.机器的动力学设计

结合各部分的结构及运动参数，计算各主要零件上所受载荷的大小及性质。此时，因零件质量未知，故求出的载荷只是作用在零件上的名义载荷。

3.零部件工作能力设计

(1)根据零部件的工作特性、环境条件、失效形式，拟定设计准则。

(2)从整体出发，考虑零件的体积、重量及技术经济性等，确定零部件的基本尺寸。

4.设计部装草图及总装草图

根据已定出的主要零部件的基本尺寸设计草图，草图需对所有零部件的外形尺寸进行结构化设计，协调各零件的结构和尺寸，全面考虑零部件的结构工艺性。

5.主要零件的校核

草图完成后，各零件的外形尺寸、相互关系均已确定，此时可较为精确地计算出作用于零件上的载荷及影响工作能力的各因素。因此，就需对重要零件及外形和受力较复杂的零件，进行精确的校核计算，反复修改零件的结构尺寸，直至满意为止。

6.设计零件工作图

充分考虑零件的加工、装配工艺性，对结构细节反复推敲，完成零部件的工作图。

7.绘制部件装配图及机器总装配图

按最后定型的零件工作图上的结构尺寸，重新绘制部件装配图及机器总装配图。通过这一过程，可以检查出零件工作图中可能隐藏的尺寸和结构上的错误。通常把这一过程称为“纸上装配”。2.3.4编制技术文件阶段

技术文件的种类较多，常用的有机器设计计算说明书、使用说明书、标准件明细表及易损件(或备用件)清单及其他相关文件等。

写设计说明书时，应包括方案选择及技术设计全部结论性的内容。使用说明书的编写，应向用户介绍机器的性能参数范围、使用操作方法、日常保养及简单的维修方法。其他相关文件，如检验合格单、外购件明细表、验收条件等，可视需要与否另行编制。实际设计工作中，上述设计步骤往往是相互交叉或相互平行的，并不是一成不变的。例如计算和绘图两个步骤，常常就相互交叉，互为补充。一些机器的继承性设计或改型设计，则常常从技术设计开始，整个设计步骤就大为简化。机器设计过程中也少不了各种审核环节，如方案设计与技术设计的审核、工艺审核及标准化审核等。

从产品设计开发的全过程来看，完成上述设计工作后，就进入样机试制阶段，这一阶段随时都会因工艺原因修改原设计。甚至在产品推向市场一段时间后，还会根据用户反馈意见修改设计或进行改型设计。作为一名合格的设计工作者，应当有强烈的社会责任感，要把自己工作的视野延伸到制造和使用乃至报废利用的全过程，这样才能不断地改进设计，提高机器质量，更好地满足人们生产及生活的需要。2.4机械零件的主要失效形式

机器功能的正常发挥，靠所有零件的正常、协调工作来保证。只要有一个零件不能正常工作，就会影响机器功能的正常发挥。机械零件在规定的时间内和规定的条件下不能完成规定的功能称为失效。

2.4.1整体断裂

整体断裂主要有以下两种形式。

(1)机械零件在受到拉、压、弯、扭等载荷作用时，危险截面上的应力超过了材料的强度极限而发生断裂，如螺栓的断裂、轴的断裂、齿轮轮齿因过载引起的断裂等。

(2)在变应力作用下，当零件中的应力达到其疲劳极限或应力循环次数超过了规定值时，零件会发生疲劳断裂，如变应力作用下螺栓的断裂、齿轮齿根的疲劳断裂等，详见第3章。2.4.2过大的弹性变形和塑性变形

由于材料具有弹性，机械零件受载时会产生弹性变形，当弹性变形量超过需用范围时，零件或机器便不能正常工作。弹性变形量过大会破坏零件之间的相互位置及配合关系，有时还会引起附加的动载荷及振动。

对塑性材料制成的零件，当载荷过大超过零件材料的屈服极限时，零件将产生塑性变形。塑性变形会使零件的尺寸和形状发生永久性改变，使零件不能正常工作。2.4.3零件的表面破坏

表面破坏是发生在机械零件工作表面的一种失效。零件的工作表面一旦出现某种失效，将破坏表面精度，改变表面尺寸和形状，使其运动性能降低、摩擦增大、能耗增加，严重时会导致零件完全失去工作能力。零件的表面失效主要有以下几种形式。

1.磨损

磨损是发生在两相互运动表面之间，因摩擦而引起零件表面材料丧失或迁移的现象。当摩擦表面之间混有硬质颗粒时，磨损会加剧，即发生磨粒磨损。

2.点蚀

在接触变应力作用下工作的零件表面，在接触应力和摩擦力的共同作用下会产生裂纹或微粒剥落，在金属表面上形成麻点或凹坑，这种现象称为点蚀。点蚀一旦发生其发生区域会不断扩展，进而导致零件失效。

3.腐蚀

腐蚀是发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象。腐蚀的结果会使金属表面产生锈蚀，从而使零件表面遭到破坏。与此同时，对于承受变应力的零件，还会引起腐蚀疲劳现象。

零件的各种表面失效都是随工作时间的延续而逐渐发生的失效形式。作相对运动的零件接触表面都有可能发生磨损；在接触变应力作用下工作的零件表面都有可能发生点蚀；处于潮湿空气中或与水、汽以及其他腐蚀性介质相接触的金属零件，均有可能发生腐蚀现象。2.4.4破坏正常工作条件所引起的失效

有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作。例如流体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作；带传动和摩擦轮传动，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；高速转动的零件，只有其转速与转动系统的固有频率避开一个适当的间隔时才能正常工作等。如果破坏了这些必要的条件，则将发生不同类型的失效。如滑动轴承将发生过热、粘合、磨损等形式的失效；带传动将发生打滑的失效；高速转子将发生共振从而使振幅增大，以致引起断裂等失效。

零件工作时到底会发生哪种失效形式，这与很多因素有关，并且在不同的行业和不同的机器上也不尽相同。2.5机械零件应满足的基本要求

组成机器的最基本要素是机械零件。因此，设计机械零件时应满足的基本要求是从设计机器的要求引申而来的。通常机械零件有以下基本要求。

2.5.1工作能力要求

机械零件由于某种原因不能正常工作就会失效。在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度称为工作能力。通常此限度是对载荷而言的，习惯上又称为承载能力。零件的工作能力要求是通过建立计算准则来体现的。

1.强度准则

强度是机械零件抵抗断裂、过大的残余变形或表面疲劳破坏的能力。强度准则就是要求零件在预期的设计寿命内不发生断裂、过大的残余变形或表面疲劳破坏等强度不足的失效，其一般表达式为

σ≤［σ］

式中：σ——零件的工作正应力(单位为MPa)；

［σ］——零件的许用正应力。［σ］由零件的极限应力σlim和安全系数S决定，即

式中，σlim——材料的极限应力(单位为MPa)，其值要根据零件的失效形式来确定。静强度问题，塑性材料，σlim为材料的屈服极限；脆性材料，σlim为材料的强度极限；疲劳失效时，σlim为材料的疲劳极限。

2.刚度准则

刚度是指在一定的工作条件下，零件抵抗弹性变形的能力。刚度准则就是要求零件在给定的工作条件下产生的弹性变形量不得大于许用的变形量，即

y≤［y］；θ≤［θ］；φ≤［φ］

式中：y、θ、φ——零件工作时的挠度、偏转角和扭转角；

［y］、［θ］、［φ］——零件的许用挠度、许用偏转角和许用扭转角。

弹性变形量可根据不同的变形形式由理论计算或实验方法来确定，许用变形量主要根据机器的工作要求、零件的使用场合等，由理论计算或工程经验来确定其合理的数值。

3.寿命准则

影响零件寿命的主要失效形式是腐蚀、磨损和疲劳，它们的产生机理、发展规律及对零件寿命的影响完全不同，应分别加以考虑。迄今为止，还未能提出有效而实用的腐蚀寿命计算方法，所以尚不能列出相应的计算准则。摩擦和磨损将会改变零件的结构形状和尺寸，削弱其强度，降低机械的精度和效率，以致使零件报废。耐磨性准则就是要求零件在整个设计寿命内总磨损量不要超过允许值。但由于有关磨损的计算尚无简单可靠的理论公式，故一般采用条件性计算。一是验算接触面比压p不超过许用值，以保证工作表面不至于由于油膜破坏而产生过度磨损；二是对于滑动速度v比较大的摩擦表面，为防止粘合破坏，要限制单位接触表面上单位时间产生的摩擦功不能过大。当摩擦系数为常数时，可验算pv值不超过许用值。对于疲劳寿命计算，通常是求出零件使用寿命期内的疲劳极限作为计算的依据。

4.振动稳定准则

对于速度较高或刚度较小的机械，在工作时易发生强烈振动现象。由于机器中存在着许多周期性变化的激振源，例如齿轮的啮合、轴的偏心转动、滚动轴承中的振动等。当机械或零件的固有频率f与上述激振源的频率fP重合或成整数倍关系时，就会发生共振，这不仅会影响机械正常工作，甚至会造成破坏性事故。振动稳定性准则就是要求所设计零件的固有频率f应与其工作时所受的激振源频率fP错开。通常只需避开一阶共振，即

fP<0.85f

或fP>1.15f

若不满足振动稳定性条件，可改变零件或系统的刚度或采取隔振、减振措施来改善零件的振动稳定性。例如，提高零件的制造精度、提高回转零件的动平衡精度、增加阻尼系数、提高材料或结构的衰减系数，以及采取减振、隔振装置等，均可改善零件的振动稳定性。

5.耐热性准则

耐热性是指零件在工作条件下抗氧化、抗热变形和抗蠕变的能力。零件在高温(一般钢制零件在300～400℃以上，轻合金和塑料在100～150℃以上)下工作时，其强度会降低，故承载能力下降；热变形会导致零件承受附加载荷，同时会出现蠕变和氧化现象，大大影响机械的精度或使零件失效。为了保证零件在高温下正常工作，除合理设计其结构及合理选材之外，还应采取适当的冷却降温措施。2.5.2结构工艺性要求

零件应具有良好的结构工艺性。结构工艺性是指在既定的生产条件下，零件能够方便而经济地生产出来，并便于装配成机器的这一特性。所以，零件的结构工艺性应从零件的毛坯制造、机械加工及装配等几个生产环节加以综合考虑。工艺性是和机械的生产批量大小及加工制造技术水平相关的。因此，在进行零件的结构设计时，除了满足零件功能上的要求和强度、刚度及寿命要求外，还应对零件的加工、测量、安装、维修、运输等方面的要求予以重视，充分考虑工艺性要求，使零件的结构全面满足以上各方面的要求。2.5.3经济性要求

零件的经济性主要是指零件的材料和加工成本。因此，应采用轻型结构以减少材料用量；采用少余量(或无余量)的毛坯或简化零件的结构以减少加工工时；采用合理的公差等级以降低对加工设备和人员的要求；尽可能采用标准参数以减少加工刀具和检测量具；此外，工艺性良好的结构就意味着加工及装配费用低，所以工艺性对经济性有着直接的影响。2.5.4可靠性要求

机器的可靠性是靠零件的可靠性来保证的。由于机械零件工作条件和其材料的机械性能等均具有随机性，因此零件能在设计寿命内正常工作是有概率性的。可靠性要求就是要保证这种正常工作的概率不小于许用值。要提高零件的可靠性，就应从工作条件(载荷、环境、温度等)和零件材料性能两方面综合考虑，使其随机变化尽可能小。同时，加强使用中的维护与监测，也可提高零件的可靠性。2.5.5质量要求

尽可能减小质量对绝大多数机械都是必要的。减小质量一方面可以节约材料，另一方面对于运动零件来说，可以减小其惯性力，改善机器的动力性能。此外，对于运输机械，零件质量的减小，可以减小机械本身的质量，就可以增加运载能力，提高机器的经济性。2.6机械零件材料的选择原则

在工程实际中，机械零件的常用材料主要有金属材料、非金属材料和复合材料几大类。金属材料又分为黑色金属(如钢、铸铁等)和有色金属(如铜、铝及其合金)，其中钢铁的使用最为广泛。有色金属由于其独特的优点，应用也较多。机械零件使用的非金属材料主要是各种工程塑料和新型的陶瓷材料，因其具有金属材料所不具备的一些优点，如强度高、刚度大、耐磨、耐腐蚀、耐高温、耐低温、密度低等，常常被应用在工作环境较为特殊的场合。复合材料是由两种或两种以上具有不同的物理和力学性能的材料复合制成的，可以获得单一材料难以达到的优良性能，由于其价格比较高，目前主要应用于航空、航天等高科技领域。机械零件的常用材料绝大多数已经标准化，可查阅有关的国家标准、设计手册等资料。材料的选择是机械零件设计中非常重要的环节，特别是随着工程实际对现代机械及机械零件的要求不断提高，以及各种新材料的不断出现，合理选择零件材料已成为提升零件质量、降低成本的重要手段。通常零件材料的选择应遵循以下原则。2.6.1使用要求

满足使用要求是选择零件材料的最基本要求，故选材时应从以下几个方面考虑。

1.零件的受载情况

选择零件材料时，考虑零件所受载荷的大小、性质及应力状态，判断可能的失效形式，分析对材料性能的要求。例如，以承受拉力为主的零件，通常选用钢材；以承受压力为主的零件，可考虑选用铸铁，以发挥铸铁抗压强度比抗拉强度高的优点；当零件承受冲击载荷时，应选韧性较好的材料。

3.零件的尺寸及质量限制

零件的尺寸及质量的大小与材料的品质和毛坯的成型方法有关。用铸造成型毛坯时，一般可以不受尺寸及质量的限制；而用锻造成型毛坯时，则由于受锻压设备的生产能力制约，零件的尺寸和质量不宜太大。为减小尺寸和质量，可采用轻合金和具有高强度的合金钢或复合材料。

4.零件的重要程度

对于重要的零件，为保证设备和人身安全，常选用综合力学性能较好的材料。

5.其他特殊要求

选择零件材料时,还有其他特殊要求,如需要绝缘、抗磁等。2.6.2工艺要求

为使零件便于加工制造，选择材料时应考虑零件结构的复杂程度、尺寸大小和毛坯类型。对于外形复杂、尺寸较大的零件，若考虑采用铸造毛坯，则须选择铸造性能好的材料；若考虑采用焊接毛坯，则应选择焊接性能好的低碳钢。对于外形简单、尺寸较小、批量较大的零件，适合冲压或模锻，应选择塑性较好的材料。对于需要热处理的零件，材料应具有良好的热处理性能。此外，还应考虑材料的易加工性以及热处理后的易加工性。2.6.3经济性要求

零件材料的经济性不仅指材料本身的价格，还包括加工制造费用、使用维护费用等。提高材料经济性可从以下几个方面加以考虑。

(1)材料本身的价格。在满足使用要求和工艺要求的条件下，应尽可能选用价格低廉的材料，特别是大批量生产的零件更为重要；当制造批量很小的某些箱体类零件时，选用钢板焊接反较铸造有利，因其可以省去铸模的生产费用；当要选用贵重材料或稀有材料时，应采用组合结构等以降低材料用量。

(2)采用热处理或表面强化(如喷丸、碾压等)工艺，充分发挥和利用材料潜在的力学性能。

(3)合理采用表面镀层(如镀铬、镀铜、发蓝等)方法，以减轻腐蚀和磨损的程度，延长零件的使用寿命。

(4)改善工艺方法，提高材料利用率，降低制造费用。如采用无切削、少切削工艺(如冷墩、碾压、精锻、冷拉工艺等)，可减少材料的浪费，减少加工工时，还可使零件内部金属流线连续、强度提高。

(5)节约稀有材料。如采用我国资源较丰富的锰硼系合金钢代替资源较少的铬镍系合金钢，采用铝青铜代替锡青铜等。

(6)采用组合式结构，节约价格较高的材料。如组合式结构的蜗轮齿圈用减摩性较好但价格较贵的锡青铜，轮芯采用价格低廉的铸铁。

(7)材料的供应情况。应选用本地现有且便于供应的材料，以降低采购、运输、储存的费用。

总之，在选用材料时，应结合零件的使用情况、毛坯的制造方法和各种材料的性能等因素予以综合考虑，分清主次，以满足主要要求，协调次要要求，并注意市场和本单位的材料供应情况，尽可能就地取材。同时，尽量减少同一机械中材料品种规格的数量，以免给供应和生产造成困难。2.7机械零件设计中的标准化

机械零件的标准化就是对零件尺寸、规格、结构要求、材料性能、检验方法、设计方法、制图要求等，制定出各种大家共同遵守的标准。贯彻标准化是一项重要的技术经济政策和法规，同时也是进行现代化生产的重要手段。目前，标准化程度的高低已成为评定设计水平及产品质量的重要指标之一。标准化工作实际上包括三个方面的内容，即标准化、系列化和通用化。系列化是指在同一基本结构下，规定若干个规格尺寸不同的产品，形成产品系列，以满足不同的使用条件。例如，对于同一结构、同一内径的滚动轴承，制出不同外径和宽度的产品，称为滚动轴承系列。通用化是指在同类型机械系列产品内部或在跨系列产品之间，采用同一结构和尺寸的零部件，使有关的零部件特别是易损件最大限度地实现通用互换。

现已发布的与机械零件设计有关的标准，从运用范围上来讲，可分为国家标准(GB)、行业标准和企业标准三个等级，国际标准化组织还制定了国际标准(ISO)。从使用的强制性来说，可分为必须执行的(有关度、量、衡及涉及人身安全等标准)和推荐使用的(如标准直径等)。机械零件设计中贯彻标准化的重要意义在于：

(1)减轻设计工作量，缩短设计周期，提高设计质量；

(2)能以最先进的方法在专门化的工厂中对用途最广的零件进行大量生产，有利于合理使用原材料、节约能源、降低成本、提高质量和可靠性、提高劳动生产率；

(3)增大互换性，便于维修；

(4)便于产品改进，增加产品品种；

(5)采用与国际标准一致的国家标准，有利于产品走向国际市场。

因此，在机械零件的设计中，设计人员必须了解和掌握有关的各项标准并认真地贯彻执行，不断提高设计产品的标准化程度。3.1变应力的基本类型及特征参数3.2材料的疲劳特性3.3机械零件的疲劳强度计算3.4机械零件的接触强度3.5机械零件疲劳强度计算的相关系数习题第3章机械零件的疲劳强度计算3.1变应力的基本类型及特征参数

3.1.1变应力的基本类型

1.稳定循环变应力

1)对称循环变应力

对称循环变应力的最大应力σmax和最小应力σmin的绝对值相等而符号相反，即σmax＝-σmin,如图3-1(a)所示。例如，转动的轴上作用一方向不变的径向力，则轴上各点的弯曲应力都属于对称循环变应力。

2)脉动循环变应力

脉动循环变应力中的σmin＝0，如图3-1(b)所示。例如，齿轮轮齿单侧工作时的齿根弯曲应力就属于脉动循环变应力。

3)非对称循环变应力

非对称循环变应力中最大应力σmax和最小应力σmin的绝对值不相等，如图3-1(c)所示。这种应力在一次循环中，σmax和σmin可以具有相同的符号(正或负)或不同的符号。图3-1几种典型的稳定循环变应力

2.非稳定循环变应力

1)规律性非稳定变应力

规律性非稳定变应力按一定规律周期性变化，且变化幅度也按一定规律周期性变化，如图3-2(a)所示。例如专用机床的主轴、高炉上料机构的零件等所受变应力属于此类。

2)随机性非稳定变应力

随机性非稳定变应力的变化不呈周期性，而带有偶然性，如图3-2(b)所示。例如作用在汽车行驶部分零件上的应力。对于这种应力，应根据大量的实验得出载荷及应力的统计分布规律，然后用统计疲劳强度的方法来处理。图3-2非稳定循环变应力3.1.2变应力的特征参数变应力可以由变载荷或静载荷产生。按正弦曲线变化的等幅循环应力是最简单的变应力(见图3-1)，它具有变应力最基本的特征。等幅循环应力的特征参数及其关系如下：

(3-1)(3-2)

(3-3)式中：σmax——循环中的最大应力；

σmin——循环中的最小应力；

σm——平均应力，为循环中应力不变部分，即静载分量；

σa——应力幅，为循环中应力变动部分，即动载分量;

r——循环特征(应力比)，为最小应力与最大应力之比。

已知以上五个参数中的任意两个参数就可以确定出变应力的类型和特征。几种典型的变应力的循环特性和应力特点如表3-1所示。当零件(例如弹簧)受变切应力作用时，以上概念仍然适用，只需将公式中的σ改成τ即可。3.2材料的疲劳特性

3.2.1材料的疲劳曲线

疲劳曲线是用一批标准试件进行疲劳实验得到的。以规定的循环特征r的变应力(通常取r=-1或r=0)加于标准试件，经过N次循环后不发生疲劳破坏时的最大应力称为疲劳极限应力σrN。通过实验，可以得到不同的σrN时相应的循环次数N，将结果绘制成疲劳曲线。典型的疲劳曲线如图3-3所示。在循环次数约为103以前，相当于曲线中的AB段，材料试件发生破坏的最大应力值基本不变，或者说下降得很小，因此我们把在应力循环次数N≤103时的变应力强度看做是静应力强度的状况。图3-3典型的疲劳曲线

1.有限寿命区

曲线的BC段，随着循环次数的增加，使材料疲劳破坏的最大应力不断下降。仔细检查试件在这一阶段的破坏断口状况，总能见到材料已发生塑性变形的特征。C点相应的循环次数大约为104(也有文献中认为约在105，现在工程实际上多以104为准)。这一阶段的疲劳破坏，因为已伴随着材料的塑性变形，所以用应变-循环次数来说明材料的行为更符合实际。因此，人们把这一阶段的疲劳现象称为应变疲劳。由于应力循环次数相对很少，所以也叫低周疲劳。有些机械零件在整个使用寿命期间应力变化次数只有几百到几千次，但应力值较大，故其疲劳属于低周疲劳范畴。例如飞机起落架、炮筒和压力容器等的疲劳均属于低周疲劳。但对绝大多数通用零件来说，当其承受变应力作用时，其应力循环次数一般都大于104，所以本章不讨论低周疲劳问题。当N≥104时，称为高周循环疲劳。图3-3中曲线CD代表有限疲劳阶段。D点对应的疲劳极限ND称为循环基数，用N0表示。在此范围内，试件经过一定次数的交变应力作用后会发生疲劳破坏。曲线CD段上任何一点所代表的疲劳极限，称为有限寿命疲劳极限。

2.无限寿命区

当N≥N0时，疲劳曲线为水平线，对应于N0点的极限应力σr称为持久疲劳极限，对称循环时用σ-1表示，脉动循环时用σ0表示。

所谓“无限”寿命，是指零件承受的变应力水平低于或等于材料的持久疲劳极限σr，工作应力总循环次数可大于循环基数N0，并不是说永远不会产生破坏。

3.疲劳曲线方程

一般情况下，疲劳强度的设计问题主要根据图3-3中CD段曲线进行，CD段的曲线方程为

(3-4)

同理 (3-4′)

式中：C、C′——实验常数；

m——随材料和应力状态而定的指数，如钢材弯曲疲劳

时m＝9，钢材线接触疲劳时m＝6。若已知循环基数N0和疲劳极限σr、τr，则N次循环的疲劳极限为

(3-5)

(3-6)

式中，kN——寿命系数。应当注意，材料的疲劳极限σr是在N＝N0时求得的，当N＞N0时，应取N＝N0计算。各种金属材料的N0大致在106～25×107之间，但通常材料的疲劳极限是在107(也有定为106或5×106)循环次数下实验得来的，所以计算kN时取N0＝107。对于硬度低于350HBS的钢,若N＞107，取N＝N0＝107，kN＝1；硬度高于350HBS的钢，若N＞25×107，取N＝25×107。对于有色金属也规定当N＞25×107时，取N＝25×107。3.2.2材料的极限应力线图

疲劳曲线一般是在对称循环变应力条件下得出的实验结果，对于非对称循环变应力，不同的循环特征r对疲劳极限的影响也不相同，其影响可以用疲劳极限应力图表示。

以σm和σa两参数确定不同循环特征r时的应力水平，根据实验数据可以得到以σm-σa为坐标系的疲劳极限应力图。图3-4(a)所示塑性材料的疲劳极限应力图近似呈抛物线，图3-4(b)所示脆性材料的疲劳极限应力图呈直线。图3-4中，横坐标σm为平均应力，纵坐标σa为应力幅，曲线上A(0，σ-1)点的坐标表示出对称循环应力的强度，点的坐标表示出脉动循环应力的强度，C(σB，0)点的坐标表示出静应力的强度。图3-4疲劳极限应力图工程上为计算方便，常将塑性材料疲劳极限应力图进行简化，常用的一种简化疲劳极限应力图如图3-5所示。由于对称循环变应力的平均应力σm=0，最大应力等于应力幅，因此对称循环疲劳极限在图3-5中以纵坐标轴上的A′点来表示。由于脉动循环变应力的平均应力及应力幅均为因此脉动循环疲劳极限以原点O所作的45°射线上的D′点来表示。连接A′、D′得直线A′D′。由于这条直线与不同循环特性时试验所求得的疲劳极限应力曲线非常接近，故用此直线代替曲线是可以的，所以直线A′D′上任何一点都代表了一定循环特性时的疲劳极限。横轴上任一点都代表应力幅等于零的应力，即静应力。取C点的坐标值等于材料的屈服极限σS，并自C点作一直线与直线CO成45°的夹角，交A′D′的延长线于G′，则CG′上的任何一点均代表

的变应力状况。图3-5材料的疲劳极限应力图于是，零件材料(试件)的极限应力曲线即为折线A′G′C。材料中发生的应力如果处于OA′G′C区域以内，则表示不发生疲劳破坏；如果发生在该区域以外，则表示一定要发生破坏；如正好发生在折线A′G′C上，则表示工作应力状况正好达到极限状态。

图3-5中直线A′G′的方程可由已知两点坐标A′(0，σ-1)及 求得，即

(3-7)

直线CG′的方程为式中：——试件受循环弯曲应力时的极限应力幅与极限平均应力；

ψσ——试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定:

(3-9)

根据试验，对于碳钢，ψσ≈0.1～0.2；对于合金钢，ψσ≈0.2～0.3。3.3机械零件的疲劳强度计算

3.3.1零件的极限应力图

由于零件几何形状、尺寸大小及加工质量等因素的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。如零件的对称循环弯曲疲劳极限以σ-1e表示，材料的对称循环弯曲疲劳极限用σ-1表示，则在考虑了综合影响系数Kσ后三者关系为

(3-10)

这就是说，当已知Kσ及σ-1时，就可以不经试验而估算出零件的对称循环弯曲疲劳极限σ-1e。对于非对称循环，Kσ是试件与零件极限应力幅的比值。于是材料的极限应力图中的直线A′D′G′应按比例向下移，成为如图3-6所示的直线ADG，而极限应力曲线的CG′部分，由于是按照静应力的要求来考虑的，故不需进行修正。所以，零件的极限应力曲线即由折线AGC表示。直线AG的方程，由已知的两点坐标及求得

(3-11)或(3-12)图3-6零件的极限应力图

直线CG的方程为

(3-13)

式中：——零件受循环弯曲应力时的极限应力幅；

——零件受循环弯曲应力时的极限平均应力;

ψσe——零件受循环弯曲应力时的材料常数。

ψσe可按下式计算:

(3-14)

式中，Kσ——弯曲疲劳极限的综合影响系数。

Kσ可按下式计算:

(3-15)

式中：kσ——零件的有效应力集中系数(脚标σ表示在正应力条件下，下同)；

εσ——零件的尺寸系数；

βσ——零件的表面质量系数；

βq——零件的强化系数。以上各系数的值见有关资料或本章3.5节。对于零件受切应力时，也可仿照上述各式并以τ代换σ，即可得出相应的极限应力曲线方程:

(3-16)或

(3-17)及

(3-18)

式中：ψτe——零件受循环切应力时的材料常数。

ψτe可按下式计算:

(3-19)式中：ψτ——试件受循环切应力时的材料常数，ψτ≈0.5ψσ；

Kτ——剪切疲劳极限的综合影响系数。

Kτ可按下式计算：

(3-20)式中：kτ、ετ、βτ——含义与上述kσ、εσ、βσ相对应，脚标τ则表示在切应力条件下。3.3.2单向稳定变应力时零件的疲劳强度计算

在作机械零件的疲劳强度计算时，首先要求出零件危险剖面上的最大应力σmax及最小应力σmin，并据此计算出平均应力σm及应力幅σa。然后