北交大机械设计教案02机械及机械零件设计概念

总要求：避免失效、提高效益。

一、在预定的使用期限内（预定寿命）不失效

例如：

齿轮转动寿命15年、每年300天、两班制工作；

滚动轴承寿命60000～2000h。

为使机械零件具有预定寿命，从零件的工作能力出发，要求零件具有一定的强度、刚度和寿命。

强度：材料抵抗负载的机械性能。

使零件具有适当的强度是设计时必须满足的最基本要求，否则将发生断裂和残余变形。

提高强度的措施：

采用高强度材料

采用合理的剖面形状，加大危险剖面尺寸

通过热处理提高表面强度

提高制造精度降低动载荷

刚度：承受单位载荷时的变形。

对精密零件，当弹性变形过大时会影响机器工作性能。

零件刚度：

整体变形刚度：零件整体伸长，扭转，抗曲

表面接触刚度：表面微观变形，导致相对位置发生变化

提高刚度方法：

整体：增加剖面尺寸或跨距；

表面：提高加工精度；

寿命：在特定条件下，零件工作持续时间称为零件寿命。

由于质量、磨损、腐蚀等原因，零件达不到预期寿命，例如疲劳实验机。

影响零件寿命的主要因素：

材料疲劳

绝大多数零件是在变应力状况下工作的，疲劳失效是主要形式，例如在齿轮、轴承、轴、带传动。

一般通过限制变应力≤疲劳极限应力来保证寿命。

磨

损

牵引齿轮、缸套、轴承和轮轨磨损等；

防止：从材料、密封、润滑着手。

腐

蚀

带来损失占总产值的３～４％

防止：

选用防腐材料：不锈钢、铜、铝合金（轴承、蜗轮）

表面保护：镀铬、锌（活塞）

喷漆：法国埃菲尔铁塔仅６０年的维修费超过造价。

聚乙烯薄膜（机床）

钢铁除锈纯化新工艺（北京、葛洲坝）

二、结构工艺性要求

设计时应考虑：工艺性、结构设计对工艺性有影响；

工艺性好是指：在现有的生产设备条件下，能够方便而经济的制造出来。并装配到机器上三、经济性要求

主要体现在制造上。

设计时采用轻型结构，降低原材料消耗。

大型零件采用组合结构：蜗轮连杆；

采用标准化零件。

制造时，结构工艺性好、材料选取合适、精度的合理确定、降低附加费用（精密铸造、少量切削）。

装配费用少。制定合理的加工工艺流程。

四、重量要求

要求体积小重量轻，这样：

（1）节约原材料；

（2）对运动构件减少惯性力；

（3）对运输机械减少自重增加运载重量。五、可靠性要求

可靠度：在规定的时间和预定的工作条件下零件能正常工作完成其功能的概率。

大多数机械的失效是随机的。

例如：滚动轴承的寿命。

机械零件常用的材料有：钢、铸铁、有色金属和非金属材料。

选用时主要考虑：使用要求；工艺要求和经济要求。

选取材料时应满足：

一、使用要求

1.根据零件承受载荷情况和工作条件选取；

一般情况下均选用碳素钢；45＃调质处理；如：轴，齿轮；

承受冲击载荷，要求耐磨或结构要求紧凑时；采用低碳钢合金钢渗碳淬火，20Cr、18CrMnTi、20CrMo；例如：齿轮轴；

载荷比较稳定时可选铸铁；如：HT250、机床，箱体，床身，结构形状复杂的低速大齿轮，大带轮，蜗轮芯，凸轮轴，曲轴。

在高温下工作的零件选耐磨热材料；

在腐蚀介质中工作的零件选耐腐蚀材料，不锈钢，铜铝合金。

2.受尺寸重量限制时；

一般情况下采用碳素钢锻造毛坯；

要求尺寸及重量及小时可采用高强度合金钢；

零件尺寸重量较大时且结构复杂时采用铸造毛坯，可选：铸铁(批量)、铸钢(单件)或板材冲压后焊接。

二、工艺要求

选材料时要考虑材料的工艺性

铸

造：流动性好

锻

造：还原性、热脆性

机加工：易切削性

热处理：可淬性、淬火变形、淬造能力

三、经济性要求

材料价格：

铸铁1、钢2、合金8～10、普通钢1、优质钢1.5～１.8、合金钢1.7～2.5、轴承钢3、工具钢3～20、耐热钢5

材料加工费用：重量大，加工量大

材料利用率：

四、材料供应情况

尽量使用本单位和市场容易购买到的材料。

选取零件的类型和结构；

要求设计人员对各种零件的类型、优缺点、特性、使用范围有透彻了解；

受力分析

根据机器运动简图、工作要求、计算作用于零件上的载荷；

选取材料

根据工作条件，以及对零件有无特殊要求选取材料；

失效分析，确定计算准则

通过计算确定零件的基本尺寸或主要参数；

进行零件的结构设计

根据工艺性和标准化原则进行；

绘出零件的工作图，标出必要的技术条件，说明书。

失效：在规定的工作条件下不能正常的工作叫做失效。

失效形式有：

断裂：占总失效的5％

零件在（拉、压、弯、扭）付载荷作用下，σ>σB（材料的强度极限）就可能发生断裂。

疲劳断裂

过载

例如：齿轮传动（轮齿断裂）东风４牵动齿轮断裂东风型垂直齿轮断裂螺栓断裂车辆切轴

过大的残余变形

在付载荷的作用下σ>σS则产生残余变形。

例如：重载轮齿面齿轮传动，齿面塑性变形

轮齿面在冲击载荷下倒牙。

零件的表面破坏：占74％

磨损表面物质的转移或丧失

表面磨损：牵引齿轮

轮承磨损：拖拉机25％

轮滚钢轨

接触疲劳：在接触变应力长期作用下

齿面点蚀

轴承点蚀

腐蚀：在有害介质中

柴油机缸套

生锈

正常工作条件破坏引起的失效

动压滑动轴承：缺油、轴承油膜破坏

带传动：过载打滑

高速回转零件：共振

一般：每一种零件在不同的工作条件下有不同的失效形式。

主要失效形式：

磨损

疲劳（点蚀、断裂）

腐蚀

讲失效是为了防止失效，可以从材料、热处理工艺、结构润滑等方面采取措施防止失效。

一、传统的设计方法

1.理论设计

依据人们长期总结出的设计理论和实验数据进行的设计。

理论设计直接应用材力中总结的公式：

根据给定不同条件分为两大类，采取不同的处理方法。

设计计算，可以简化成简单力学模型。

根据零件的工作情况和工作能力准则确定计算公式。拟订安全条件（［σ］或［y］），

计算零件危险剖面的尺寸。

如：齿轮传动、螺栓联接

校核计算：结构复杂应力分布复杂的零件

①先参考已有实物、图纸和经验数据，初步拟订零件的结构布局和有关尺寸。

②根据工作能力准则校核危险剖面尺寸

2.经验设计（类比设计）

根据已有的某类零件的设计和使用实践。归纳出经验关系式，或根据本人经验进行零件的结构设计。

一般应对关键部分进行校核。

如：箱体、机架、齿轮结构、带轮机构。

3.模型实验设计

做成小模型、小样机，经过各种检验和修改而成；一般用于尺寸巨大，结构复杂的重型整体零件或特别重要的设计。

二、现代设计方法

（一）ＣＡＤ——计算机辅助设计：计算机＋绘图仪＋设计人员＝工程设计零件

例如：美国MDI公司的ADAMS仿真软件包。该软件包是目前世界上较权威的机械系统动力学仿真分析软件；它可以快速建模，并以曲线和动画显示的方式给出仿真结果。

又如：Solid系列软件。→

→（二）优化设计（三）可靠性设计（四）有限元设计

下图是使用COSMOS计算的螺栓受拉后的应力分布图

计算准则：是指设计计算应满足的条件或设计计算依据。

强度准则

是指零件中的应力不得超过允许的限度

例如：在带传动、齿轮、蜗杆、螺纹连接，均采用该计算。

刚度准则

是指：弹性变形≤允许极限值。

例如：y≤[y]；φ≤［φ］在轴计算中使用。

寿命准则

是指在一定工作条件下，零件可正常工作的时间

例如：滚动轴承的寿命计算。

可靠性准则

主要用