第2章機械零件設(shè)計總論

1、寧夏大學(xué)專用

2、 作者： 潘存云教授,§2-1　機器的組成,§2-2　設(shè)計機器的一般程序,§2-3　對機器的主要要求,§2-4　機械零件的主要失效形式,§2-5　設(shè)計機械零件時應(yīng)滿足的基本要求,§2-6　機械零件的計算準則,§2-7　機械零件的設(shè)計方法,§2-8　機械零件設(shè)計的一般步驟,§2-9　機械零件材料的選用原則,§2-

3、10 機械零件設(shè)計中的標準化,§2-11 機械現(xiàn)代設(shè)計方法簡介,第2章　機械零件設(shè)計概論,,寧夏大學(xué)專用

4、 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,人們?yōu)榱藵M足生產(chǎn)和生活的需要，研制了類型繁多、功能各異的機器。尤其是蒸汽機出現(xiàn)之后，使機器具有了完整的形態(tài)。,一臺完整的機器的組成如下：,原動機部分,§2-1　機器的組成,寧夏大學(xué)專用

5、 作者： 潘存云教授,原動部分——機器完成預(yù)定功能的動力源

6、，最常見的是 　內(nèi)燃機、電動機。,執(zhí)行部分——完成預(yù)定的動作，位于傳動路線的終點。,傳動部分——聯(lián)接原動機和執(zhí)行部分的中間部分。,控制部分——保證機器的啟動、停止和正常協(xié)調(diào)動作。,傳感部分——將機器的工作參數(shù)，如位移、速度、加速 　度、溫度、壓力等反饋給控制部分。,輔助部分——包括機器的潤滑、顯示、照明等。也是保 　證

7、機器正常工作不可缺少的部分,寧夏大學(xué)專用

8、 作者： 潘存云教授,§2-2　設(shè)計機器的一般程序,一般而言，機器的設(shè)計階段是決定機器好壞的關(guān)鍵一環(huán)。機械設(shè)計是一個創(chuàng)造性的工作過程，實踐經(jīng)驗是保證設(shè)計質(zhì)量的重要因素。因此，要求設(shè)計者特別注意經(jīng)驗的積累。,一部完整的機器是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，要提高設(shè)計質(zhì)量，必須有一個科學(xué)的設(shè)計程序。,機械設(shè)計的一般過程：,▲ 計劃階段,▲ 方案設(shè)計階段,▲ 技術(shù)設(shè)計階段,▲ 技術(shù)文件編制

9、階段,一、計劃階段,包括：需求分析、明確功能、制定設(shè)計任務(wù)書。,寧夏大學(xué)專用

10、 作者： 潘存云教授,設(shè)計任務(wù)書,機器的功能,經(jīng)濟性估計,制造要求的大致估計,基本使用要求,預(yù)計的設(shè)計周期,,二、方案設(shè)計階段,對機器的功能進行綜合分析、確定功能參數(shù)、提出實現(xiàn)方案。,在制定功能參數(shù)時一定要注意恰當處理需要與可能、理想與現(xiàn)實、長遠目標與當前目標等之間的關(guān)系。,一般而言，實現(xiàn)同一個功能，有多種可能的方案。,以螺紋制造為例，有車削、滾

11、壓、板牙加工等方法。,方法不同，其執(zhí)行部分的工作原理也不同。,因此，存在一個方案的比較和取舍問題。,寧夏大學(xué)專用

12、 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,方案評價原則：經(jīng)濟性、技術(shù)上可行。,經(jīng)濟性——總費用最低。,方案設(shè)計階段要正確處理好借鑒與創(chuàng)新的關(guān)系。,同類機器的成功先例應(yīng)當借鑒，但其中的薄弱環(huán)節(jié)和不符合現(xiàn)有任務(wù)要求的部分應(yīng)當加以改進或替換。,三、技術(shù)設(shè)計階段,繪制總裝配草圖、部件裝配草圖，由草圖確定零部件的外形、基本尺

13、寸和零件工作圖。,寧夏大學(xué)專用

14、 作者： 潘存云教授,為了確定零件的基本尺寸，必須完成以下工作：,(1）機器的運動學(xué)設(shè)計,(2）機器的動力學(xué)設(shè)計,(3）零件的工作能力設(shè)計,(4）部件裝配草圖及總裝配草圖的設(shè)計——結(jié)構(gòu)設(shè)計,(5）主要零件的校核計算,確定原動機的參數(shù)（功率、轉(zhuǎn)速、線速度等）。求解構(gòu)件的運動參數(shù)（轉(zhuǎn)速、速度、加速度等）。,計算構(gòu)件所受公稱載荷（名義載荷）大小和特性。,由公稱載荷大小和特性，根據(jù)工作能力準則作零部

15、件的初步設(shè)計。通過計算或類比得出零件的基本尺寸。,以結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸為依據(jù)，對零件進行精確的受力分析和工作能力校核計算 。,寧夏大學(xué)專用

16、 作者： 潘存云教授,四、技術(shù)文件編制,技術(shù)文件,設(shè)計說明書,使用說明書,零件明細表,標準件匯總表,,產(chǎn)品驗收條件……,技術(shù)文件——用來說明產(chǎn)品性能、設(shè)計、制造、操作使用、維護或其他所有與產(chǎn)品相關(guān)的文檔資料。,寧夏大學(xué)專用

17、 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制

18、,提出任務(wù),,,明確構(gòu)形要求,,,,,,,,,機器設(shè)計的一般流程,,,寧夏大學(xué)專用

19、 作者： 潘存云教授,,設(shè)計機器的任務(wù)是在當前技術(shù)發(fā)展所能達到的條件下，根據(jù)生產(chǎn)及生活的需要提出的。不管機器的類型如何，一般來說，對機器都要提出以下的基本要求：,▲使用功能要求,§2-3　對機器的主要要求,使用功能要求——機器應(yīng)具有預(yù)定的使用功能。這主要靠正確地選擇機器的工作原理，正確地設(shè)計或選用能夠全面實現(xiàn)功能要求的執(zhí)行機構(gòu)、傳

20、動機構(gòu)和原動機，以及合理地配置必要的輔助系統(tǒng)來實現(xiàn)。,在滿足預(yù)期功能的前提下，要求性能好、效率高、成本低，造型美觀，在預(yù)定使用期限內(nèi)要安全可靠，操作方便、維修簡單。具體要求如下：,▲經(jīng)濟性要求,▲勞動保護要求,▲可靠性要求,▲其他專用要求,寧夏大學(xué)專用

21、 作者： 潘存云教授,,經(jīng)濟性要求——機器的經(jīng)濟性體現(xiàn)在設(shè)計、制造和使用的全過程中，設(shè)計機器時就要全面綜合地進行考慮。設(shè)計制造的經(jīng)濟性表現(xiàn)為機器的成本低，使用經(jīng)濟性表現(xiàn)為高

22、生產(chǎn)率高效率、低能耗、以及低的管理和維護費用等。,▲使用功能要求▲經(jīng)濟性要求▲勞動保護要求▲可靠性要求▲其他專用要求,寧夏大學(xué)專用

23、 作者： 潘存云教授,提高設(shè)計和制造經(jīng)濟性指標的主要途徑有:,（1）采用先進的現(xiàn)代設(shè)計方法(CAD)，使設(shè)計參數(shù)最 優(yōu)化,達到盡可能精確的計算結(jié)果,保證機器足夠 的可靠性。,（2）最大限度地采用標準化、系列化及通用化的零、 部件。,（3）

24、盡可能采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料。,（4）合理地組織設(shè)計和制造過程。,（5）力求改善零件的結(jié)構(gòu)工藝性，使其用料少、易加 工、易裝配。,寧夏大學(xué)專用

25、 作者： 潘存云教授,（1）合理地提高機器的機械化和自動化水平，以期提 高機器的生產(chǎn)率。,提高使用經(jīng)濟性指標的主要途徑有,（2）選用高效率的傳動系統(tǒng)，盡可能減少傳動的中間 環(huán)節(jié)，以期降低能源消耗。,（3）適當?shù)夭捎梅雷o及潤

26、滑，以延長機器的使用壽命。,（4）采用可靠的密封，減少或消除滲漏現(xiàn)象。,寧夏大學(xué)專用

27、 作者： 潘存云教授,,(1)要使機器的操作者方便和安全。因此設(shè)計時要按照人機工程學(xué)的觀點布置各種按鈕、手柄，使操作方式符合人們的 心理和習(xí)慣，同時，設(shè)置完善的安全裝置、報警裝置、顯示裝置等。,(2）改善操作者及機器的環(huán)境。所設(shè)計的機器應(yīng)符合勞動保護法規(guī)的要求。降低機器運轉(zhuǎn)時的噪聲水平，防止有毒、有害介質(zhì)的滲漏，對廢水、廢氣和廢液進行治理

28、。,▲使用功能要求▲經(jīng)濟性要求▲勞動保護要求▲可靠性要求▲其他專用要求,寧夏大學(xué)專用

29、 作者： 潘存云教授,,機器的可靠度——指在規(guī)定的使用時間內(nèi)和預(yù)定的環(huán)境下機器能夠正常工作的概率。,機器由于某種故障而不能完成預(yù)定的功能稱為失效，它是隨機發(fā)生的，其原因是零件所受的載荷、環(huán)境溫度、零件本身物理和力學(xué)性能等因素是隨機變化的。為了提高零件的可靠性，就應(yīng)當在工作條件和零件性能兩個方面使其變化盡可能小。,▲使用功能要求▲

30、經(jīng)濟性要求▲勞動保護要求▲可靠性要求▲其他專用要求,寧夏大學(xué)專用

31、 作者： 潘存云教授,,其他專用要求——針對不同機器所特有的要求。例如：(1)對機床有長期保持精度的要求；,(2)對飛機有質(zhì)量小，飛行阻力小而運載能力大的要求；,(3)對流動使用的機器有便于安裝和拆卸的要求；,(4)對大型機器有便于運輸?shù)囊蟮鹊取?▲使用功能要求▲經(jīng)濟性要求▲勞動保護要求▲可靠性要求▲其它專用要求,寧夏大學(xué)專用

32、

33、 作者： 潘存云教授,機械零件的失效：機械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效。,工作能力——在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是對載荷而言，所以習(xí)慣上又稱為,承載能力。,例如，發(fā)生強烈的振動，聯(lián)接的松弛，摩擦傳動的打滑等。,§2-4　機械零件的主要失效形式,整體斷裂,過大的殘余變形,工作表面的過度磨損或損傷,破壞正常的工作條件,零件的失效形式,,如軸、齒輪、軸瓦、軸頸、螺栓、帶傳動等。機械零件雖

34、然有多種可能的失效形式，歸納起來最主要的為,寧夏大學(xué)專用

35、 作者： 潘存云教授,機械零件失效實例：,寧夏大學(xué)專用

36、 作者： 潘存云教授,失效原因: 強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、溫度等 原因。,統(tǒng)計結(jié)果顯示： 斷裂僅占4.79%; 腐蝕、磨損、疲勞破壞占73.88%。,這是主要失效原因。,寧夏大學(xué)專用

37、 作者： 潘存云教授,▲ 避免在預(yù)定壽命

38、期內(nèi)失效的要求,▲ 結(jié)構(gòu)工藝性要求,▲ 經(jīng)濟性要求,▲ 質(zhì)量小的要求,▲ 可靠性要求,機器是由各種各樣的零部件組成的，要使所設(shè)計的機器滿足基本要求，就必須使組成機器的零件滿足以下要求：,應(yīng)保證零件有足夠的強度、剛度、壽命。,§2-5　設(shè)計機械零件時應(yīng)滿足的基本要求,一、避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求,寧夏大學(xué)專用

39、 作者： 潘存云教授,提高零件強度的措施有：,▲采用高強度的材料,▲使零件具有足夠的截面尺寸,▲合理設(shè)

40、計零件的截面形狀，增大慣性矩,▲采用熱處理和化學(xué)處理方法提高材料的強度性能,▲提高零件的制造精度，以減少工作時的動載荷,▲合理配置零件的相對位置，以降低零件的載荷,1.強度要求,2. 剛度要求,零件在工作時的彈性變形不能超過允許的范圍稱為零件的剛度要求。,寧夏大學(xué)專用

41、 作者： 潘存云教授,提高零件剛度的措施有,▲增大零件的截面尺寸或增大慣性矩；,▲縮短支承的跨距或采用多點支承。,3. 壽命要求,影響零件壽命的主要因素有,

42、大部分零件工作在變應(yīng)力下，故疲勞破壞是引起零件破壞的主要原因。影響疲勞強度的因素有,疲勞破壞,腐蝕,磨損,,▲應(yīng)力集中▲零件的尺寸大小▲零件表面質(zhì)量及環(huán)境狀況,零件處在腐蝕性介質(zhì)中工作時，可能使材料遭到腐蝕。,寧夏大學(xué)專用

43、 作者： 潘存云教授,抗腐蝕的措施有,▲表面發(fā)蘭（發(fā)黑）,▲表面鍍層,▲表面涂漆,▲表面陽極化,二、結(jié)構(gòu)工藝性要求,零件工藝性良好的標志——在具體的生產(chǎn)條件下，零件要便于加工而加工費用又很低。,工藝

44、性的基本要求：(1) 毛坯選擇合理,制備方法：選用型材、鑄造、鍛造、沖壓和焊接等。,毛坯選擇與生產(chǎn)批量、材料性能和加工可能性有關(guān)。,單件或小批量生產(chǎn)時，選用棒料、板材、型材或焊件。,大批量生產(chǎn)時，往往選用鑄造、鍛造、沖壓等方法。,寧夏大學(xué)專用

45、 作者： 潘存云教授,(2) 結(jié)構(gòu)簡單合理,▲最好采用平面、柱面、螺旋面等簡單表面及其組合,▲盡量減少加工面數(shù)和加工面積,(3) 合理的制造精度和表面粗糙度,零件的加工成本隨精度和

46、表面粗糙度的提高而急劇增加。決不能盲目追求高精度，應(yīng)在滿足使用要求的前提下，盡量采用較低的精度和表面質(zhì)量。,▲盡量采用標準件,▲增加相同形狀、相同元素（直徑、圓角半徑、配合、 螺紋、鍵、齒輪模數(shù)等）的數(shù)量,(4) 盡量減小零件的加工量,▲毛坯形狀和尺寸應(yīng)盡量接近零件本身的形狀和尺寸。 力求使少或無切削加工，節(jié)約材料、降低成本,▲盡量采用精密鑄造、精密鍛造、冷軋、冷擠壓、粉 末冶金等先進工藝滿足上述要求,欲設(shè)計

47、出工藝性良好的零件，設(shè)計者必須虛心向工藝技術(shù)人員和一線工人學(xué)習(xí)，在實踐中積累經(jīng)驗。,寧夏大學(xué)專用

48、 作者： 潘存云教授,三、經(jīng)濟性要求,零件的經(jīng)濟性首先表現(xiàn)在零件的生產(chǎn)制造成本上。,▲簡化零件的結(jié)構(gòu)，降低材料消耗,▲采用無余量、少余量的毛坯，減少加工工時,▲采用廉價而充足的材料代替昂貴材料,▲大型零件采用組合結(jié)構(gòu)而非整體結(jié)構(gòu),▲盡量采用標準件,四、質(zhì)量小的要求,減小質(zhì)量的好處,節(jié)約材料；,減小慣性，改善機器的動力性能。,減

49、小質(zhì)量的措施：,,▲采用緩沖裝置來降低零件所受沖擊載荷,寧夏大學(xué)專用

50、 作者： 潘存云教授,減小質(zhì)量的措施：,▲采用緩沖裝置來降低零件所受沖擊載荷,▲采用安全裝置來限制作用在零件所受最大載荷,▲從零件應(yīng)力較小處削減部分材料，以改善零件受 力的均勻性，提高材料的利用率,▲采用與工作載荷方向相反的預(yù)載荷，以降低零件 的工作載荷,▲采用輕型薄璧沖壓件或焊接件代替鑄造、鍛壓件,▲采用強重比高的材料,五、可靠性要求,

51、零件的實效是隨機發(fā)生的，其原因是零件所受的載荷、環(huán)境溫度、零件本身物理和機械性能等因素是隨機變化的。為了提高零件的可靠性，就應(yīng)當在工作條件和零件性能兩個方面使其變化盡可能小。,寧夏大學(xué)專用

52、 作者： 潘存云教授,§2-6　機械零件的計算準則,▲ 強度準則,▲ 剛度準則,設(shè)計零件時，首先應(yīng)根據(jù)零件的失效形式確定其設(shè)計準則以及相應(yīng)的設(shè)計計算方法。一般來講，有以下幾種準則：,▲ 壽命準則,▲ 振動穩(wěn)定性準則,▲ 可靠性

53、準則,——確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過大的 塑性變形，是最基本的設(shè)計準則,——確保零件不發(fā)生過大的彈性變形,——通常與零件的疲勞、磨損、腐蝕相關(guān),——高速運轉(zhuǎn)機械的設(shè)計應(yīng)注重 此項準則,——當計及隨機因素影響時，仍應(yīng)確 保上述各項準則,寧夏大學(xué)專用

54、 作者： 潘存云教授,強度準則是指零件中的應(yīng)力不得超過許用值。即：,一、強度準則,σ ≤ σlim,σlim ——材料的極限應(yīng)力,脆

55、性材料 σlim = σB (強度極限),塑性材料 σlim = σS (屈服極限),,為了安全起見，引入安全系數(shù)S，得,σ ≤ σlim/S,或 σ ≤[σ],S為大于1的數(shù)，S過大，雖安全但浪費材料；S過小，雖節(jié)省材料，但趨于危險。,——許用應(yīng)力,二、剛度準則,是指零件在力作用下的彈性變形量不得超過許用值。即,y ≤[y],寧夏大學(xué)專用

56、 作者： 潘存云教授,三、壽命準則,影響零件使用壽命的因素主要是腐蝕、磨損

57、和疲勞。前兩者還沒有成熟的計算方法，工程中通常是求出使用壽命時的疲勞極限作為計算的依據(jù)。,四、振動穩(wěn)定性準則,保證機器中受激振零件的固有頻率與激振源的頻率錯開， 即要求：,0.85 f > fp,或 1.15 f < fp,如果不滿足條件，可采取如下措施：,▲改變零件及系統(tǒng)剛性,▲增減支承,▲調(diào)整支承的位置,▲隔離激振源,▲采用阻尼元件以減小零件的振幅,寧夏大學(xué)專用

58、 作者： 潘存云教授,五、可靠性準則,可

59、靠度的定義： 對件數(shù)為N0的一批零件進行試驗，經(jīng)過時間t之后有N件仍能正常工作，則該零件在該試驗環(huán)境條件下工作時間t的可靠度定義為,R = N / N0,若t↑,? R ↓,? N↓,——R是時間的函數(shù)。,若在時間t+dt內(nèi)，又有dN個零件失效，則dt內(nèi)零件的失效的比率定義為,——失效率,“-”表示dN的增大將使N減少。,分離變量并積分得,寧夏大學(xué)專用

60、 作者： 潘存云教授,即,零件可靠度的另一個指標是兩次失效之間的平均

61、無故障時間 m（MTBF），m與λ的關(guān)系為,M=1/λ,寧夏大學(xué)專用

62、 作者： 潘存云教授,,§2-7　機械零件的設(shè)計方法,常規(guī)設(shè)計方法是指采用一定的理論分析和計算，結(jié)合人們在長期的設(shè)計和生產(chǎn)實踐中總結(jié)出的方法、公式、圖表等進行設(shè)計的方法。,機械零件的設(shè)計方法,常規(guī)設(shè)計方法,現(xiàn)代設(shè)計方法,,理論設(shè)計,經(jīng)驗設(shè)計,模型實驗設(shè)計,,(1) 理論設(shè)計,根據(jù)長期實踐總結(jié)出來的設(shè)計理論和實驗數(shù)據(jù)所進行的設(shè)計。,寧夏大學(xué)專用

63、

64、 作者： 潘存云教授,以受拉桿為例，強度計算公式為,σ ≤ σlim/S,或 F/A ≤ σlim/S,F ——拉力， A ——截面積。,設(shè)計計算 A≥ FS/ σlim,校核計算有四種可選方式,σ = F/A ≤ [σ],F≤ A [σ],Sca = σlim / σ ≥ S,σlim ≥ S σ,,Sca ——計算安全系數(shù),寧夏大學(xué)專用

65、 作者： 潘存云教授,,經(jīng)驗設(shè)計——根據(jù)對某類零件已有的設(shè)計

66、與使用實踐而歸納出的經(jīng)驗公式，或根據(jù)設(shè)計者本人的設(shè)計經(jīng)驗用類比的方法所進行的設(shè)計。這對于那些使用要求變化不大而結(jié)構(gòu)形狀已典型化的零件，是很有效的設(shè)計方法。例如箱體、機架、傳動件的結(jié)構(gòu)要素等。,機械零件的設(shè)計方法,常規(guī)設(shè)計方法,現(xiàn)代設(shè)計方法,,理論設(shè)計,經(jīng)驗設(shè)計,模型實驗設(shè)計,,寧夏大學(xué)專用

67、 作者： 潘存云教授,,模型實驗設(shè)計——把初步設(shè)計的零、部件或機器做成小模型或小尺寸樣機，經(jīng)過試驗的手段對其特性進行檢驗，根據(jù)實驗結(jié)果

68、再對設(shè)計進行逐步修改，達到完善。,機械零件的設(shè)計方法,常規(guī)設(shè)計方法,現(xiàn)代設(shè)計方法,,理論設(shè)計,經(jīng)驗設(shè)計,模型實驗設(shè)計,,這種方法對于那些尺寸巨大而結(jié)構(gòu)又很復(fù)雜的重要零件的設(shè)計是一種很有效的方法。,寧夏大學(xué)專用