机械设计课件 第2章 机械设计总论

第二章机械设计总论§2-1机器的组成§2-2设计机器的一般程序§2-3对机器的主要要求§2-4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§2-6机械零件的计算准则§2-7机械零件设计的一般步骤§2-8机械零件材料的选用原则§2-9机械现代设计方法简介机器的组成1§2-1机器的组成

一台完整的机器的组成大致可包括：

设计机器的一般程序§2-2设计机器的一般程序

调研决策阶段

方案设计阶段

技术设计阶段

技术文件编制阶段一部机器的质量基本上决定于设计质量，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。作为一部完整的机器，它是一个复杂的系统。要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。设计机器的一般程序：详细说明

对机器的主要要求§2-3对机器的主要要求

设计机器的任务是在当前技术发展所能达到的条件下，根据生产及生活的需要提出的。不管机器的类型如何，一般来说，对机器都要提出以下的基本要求：

使用功能要求经济性要求劳动保护要求可靠性要求其它专用要求详细说明

机械零件的主要失效形式1§2-4机械零件的主要失效形式机械零件常见的失效形式有：整体断裂、过大的残余变形、零件的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效等。（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

轴承内圈断裂机械零件的主要失效形式2§2-4机械零件的主要失效形式（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强度，零件将产生残余变形。齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形

机械零件的主要失效形式3§2-4机械零件的主要失效形式（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）。齿面接触疲劳轴瓦磨损

机械零件的主要失效形式4§2-4机械零件的主要失效形式（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：

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。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。大约80%左右的零件失效是由腐蚀、磨损和各种疲劳破坏所引起的，所以可以说，腐蚀、磨损和疲劳是引起零件失效的主要原因。

设计机械零件时应满足的基本要求§2-5设计机械零件时应满足的基本要求1.避免在预定寿命期内失效的要求

（1）强度零件在工作时应满足刚度要求，即不应发生超过规定要求的弹性变形量。

机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：零件具有适当的强度是设计零件时必须满足的最基本要求。零件在工作中，应该具有足够的强度，不应在预定的寿命期内，由于零件强度不足发生断裂或出现不允许的残余变形等失效形式（除了用于安全装置中预定适时破坏的零件外）。

（2）刚度设计机械零件时应满足的基本要求§2-5设计机械零件时应满足的基本要求

（3）寿命在设计机械零件时保证零件具有良好的结构工艺性。零件具有良好的结构工艺性，是指在既定的生产条件下，能够方便而经济地生产出来，并便于装配成机器这一特性。影响零件寿命的主要因素有：材料的疲劳，材料的腐蚀以及相对运动零件接触表面的磨损等三个方面。零件在规定条件下完成规定功能的延续时间称为零件的寿命。零件应在其预定的寿命期内不发生失效。2.结构工艺性要求设计机械零件时应满足的基本要求§2-5设计机械零件时应满足的基本要求在设计零件时需要考虑保证零件的可靠性。零件可靠度的定义和机器可靠度的定义是相同的，即在规定的使用时间（寿命）内和给定环境条件下，零件能够正常地完成其功能的概率。对绝大多数机械零件来说，都应在满足零件强度和刚度要求的前提下力求减小其质量。零件的经济性首先表现在零件本身的生产成本上。设计零件时，应力求设计出耗费最少的零件。耗费包括材料的耗费及加工制造时的人工消耗。3.经济性要求4.质量小的要求5.可靠性要求机械零件的计算准则1§2-6机械零件的设计准则1.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计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：强度准则就是指零件中的应力不得超过允许的限度

。例如：对拉杆断裂来讲，应力不超过材料的抗拉强度；对疲劳破坏来讲，应力不超过零件的疲劳极限；对残余变形来讲，应力不超过材料的屈服强度。考虑到各种偶然性或难以精确分析的影响，上式右边要除以设计安全系数（简称安全系数）S，即其代表性的表达式为

机械零件的计算准则1§2-6机械零件的设计准则2.刚度准则零件在载荷作用下产生的弹性变形y，小于或等于机器的工作性能所允许的弹性变形极限值[y]（即许用变形量），就叫做满足了刚度要求，或称为符合了刚度设计准则。由于影响寿命的主要因素腐蚀、磨损和疲劳是三个不同范畴的问题，产生腐蚀、磨损和疲劳的原因各不相同，它们各自发展过程的规律也不同。其代表性的表达式为

3.寿命准则振动稳定性是指在设计机械零件时要使机器中受激振作用的各零件的固有频率与激振源的频率错开。4.振动稳定性准则机械零件设计的一般步骤§2-7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：

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

机械零件材料的选用原则1§2-8机械零件材料的选用原则：铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1)…...黑色金属有色金属铁钢高分子材料复合材料陶瓷金属材料非金属材料载荷及应力的大小和性质零件的工作情况零件的结构及加工性材料的经济性零件的尺寸及重量一、常用材料二、机械零件材料的选用原则：塑料、橡胶、合成纤维

：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢…(如：08F

45

60

1Cr18）

：灰铸铁、球墨铸铁…(如：TH300QT500-5)：强如钢、轻如铝、硬如金刚石：强度高、弹性模量大、质量轻

机械现代设计方法简介1§2-9现代机械设计方法简介现代机械设计方法通常是相对传统的设计方法而言的。现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下列转换：以动态的取代静态的─如机器结构动力学计算。以定量的取代定性的─如有限元计算。以随机量取代确定量─如可靠性设计。以优化设计取代可行性设计─如优化设计。并行设计取代串行设计─如并行设计。微观的取代宏观的─如微－纳米摩擦学设计。系统工程法取代分部处理法─如系统工程。自动化设计取代人工设计的转化─如计算机辅助设计。

设计机器的一般程序

（一）调研决策阶段

在明确设计任务的基础上，对所设计机器的需求情况做充分的调查研究和分析。

通过调研分析，进一步明确机器所应具有的功能，并为以后的决策提出由环境、经济、加工以及时限等各方面所确定的约束条件。

写出设计任务书，作为本阶段的总结。设计任务书大体上应包括：机器的功能，经济性及环保性的估计，制造要求方面的大致估计，基本使用要求，以及完成设计任务的预计期限等。

（二）方案设计阶段设计机器的一般程序

方案设计阶段对设计的成败起着至关重要的作用。在这一阶段中也充分地表现出设计工作有多个解（方案）的特点。

实现机器的功能是机器设计的核心。此阶段，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，这些功能能否实现，多项功能间有无矛盾，相互间能否替代等。在此基础上最终确定出功能参数，并作为进一步设计的依据。

确定出功能参数后，即可提出可能的解决办法。同一功能的原理方案可以是多种多样的，亦即提出可能采用的多种方案。通过对功能分析、优化筛选，取得较理想的功能原理方案。设计机器的一般程序

（三）技术设计阶段

技术设计阶段是工作量最大的一个阶段，其目标是产生机器的总装配草图及各部件装配草图。

为了确定主要零件的基本尺寸，需要完成机器的运动学设计、机器的动力学计算、零件的工作能力设计、部件装配草图及总装配草图的设计、主要零件的校核等工作。

随着技术的进步，一些新的设计方法和概念不断地诞生，在设计过程中，不断地学习新的技术和设计方法，并加以利用，以提高设计效率，提高设计的可靠性。设计机器的一般程序

（四）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、使用说明书、标准件明细表等。

编制设计计算说明书时，应包括方案选择及技术设计的全部结论性的内容。

编制供用户使用的机器使用说明书时，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等。

返回对机器的主要要求

（一）使用功能要求

机器应具有预定的使用功能。实现预定的使用功能需要正确地选择机器的工作原理，正确地选择原动机，正确设计出能够实现功能要求的执行机构、传动机构，合理地配置必要的辅助系统。对机器的主要要求

（二）经济性要求

机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，设计机器时需要全面综合地进行考虑。经济性表现为较低的机器成本和能源消耗，低的管理和维护费用，以及高的生产率和工作效率。

提高经济性可从设计和制造经济性、使用经济性两方面考虑。

提高设计和制造经济性的途径有：采用先进的现代设计方法，降低设计成本；采用标准化、系列化及通用化的零、部件，降低制造成本；尽可能采用新技术、新工艺、新结构和新材料等。提高使用经济性指标的途径有：合理地提高机器的机械化和自动化水平，以提高机器的生产率和产品的质量；选用高效率的传动系统，减少传动的中间环节，以期降低能耗等。对机器的主要要求

（三）劳动保护和环境保护要求

设计时要按照人机工程学（ergonomics）的观点，尽可能减少操作手柄的数量，操作手柄及按钮等应放置在便于操作的位置。同时，设置完善的安全防护及保安装置、报警装置、显示装置等。

根据工程美学的原则美化机器的外形及外部色彩。使操作者有一个安全、舒适的环境，不易产生疲劳。对机器的主要要求

（四）寿命与可靠性要求

机器应该满足预定寿命，在其预定寿命内能够可靠地工作。除了对机器的预定寿命提出要求外，还要保证机器的可靠性。

机器可靠性的高低是用可靠度来衡量的。机器的可靠度R是指在规定的使用时间（寿命）内和规定的环境条件下，机器能够正常地完成其规定功能的概率。