第2章機械零件設計總論

1、寧夏大學專用

2、 作者： 潘存云教授,§2-1　機器的組成,§2-2　設計機器的一般程序,§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　設計機械零件時應滿足的基本要求,§2-6　機械零件的計算準則,§2-7　機械零件的設計方法,§2-8　機械零件設計的一般步驟,§2-9　機械零件材料的選用原則,§2-

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

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,寧夏大學專用

5、 作者： 潘存云教授,原動部分——機器完成預定功能的動力源

6、，最常見的是 　內燃機、電動機。,執(zhí)行部分——完成預定的動作，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,寧夏大學專用

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

9、階段,一、計劃階段,包括：需求分析、明確功能、制定設計任務書。,寧夏大學專用

10、 作者： 潘存云教授,設計任務書,機器的功能,經濟性估計,制造要求的大致估計,基本使用要求,預計的設計周期,,二、方案設計階段,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。,寧夏大學專用

12、 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,方案評價原則：經濟性、技術上可行。,經濟性——總費用最低。,方案設計階段要正確處理好借鑒與創(chuàng)新的關系。,同類機器的成功先例應當借鑒，但其中的薄弱環(huán)節(jié)和不符合現(xiàn)有任務要求的部分應當加以改進或替換。,三、技術設計階段,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）機器的運動學設計,(2）機器的動力學設計,(3）零件的工作能力設計,(4）部件裝配草圖及總裝配草圖的設計——結構設計,(5）主要零件的校核計算,確定原動機的參數(shù)（功率、轉速、線速度等）。求解構件的運動參數(shù)（轉速、速度、加速度等）。,計算構件所受公稱載荷（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、件的初步設計。通過計算或類比得出零件的基本尺寸。,以結構設計尺寸為依據(jù)，對零件進行精確的受力分析和工作能力校核計算 。,寧夏大學專用

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

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,,,明確構形要求,,,,,,,,,機器設計的一般流程,,,寧夏大學專用

19、 作者： 潘存云教授,,設計機器的任務是在當前技術發(fā)展所能達到的條件下，根據(jù)生產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——機器應具有預定的使用功能。這主要靠正確地選擇機器的工作原理，正確地設計或選用能夠全面實現(xiàn)功能要求的執(zhí)行機構、傳

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

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

22、生產率高效率、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,寧夏大學專用

23、 作者： 潘存云教授,提高設計和制造經濟性指標的主要途徑有:,（1）采用先進的現(xiàn)代設計方法(CAD)，使設計參數(shù)最 優(yōu)化,達到盡可能精確的計算結果,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、新工藝、新結構和新材料。,（4）合理地組織設計和制造過程。,（5）力求改善零件的結構工藝性，使其用料少、易加 工、易裝配。,寧夏大學專用

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 高機器的生產率。,提高使用經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。因此設計時要按照人機工程學的觀點布置各種按鈕、手柄，使操作方式符合人們的 心理和習慣，同時，設置完善的安全裝置、報警裝置、顯示裝置等。,(2）改善操作者及機器的環(huán)境。所設計的機器應符合勞動保護法規(guī)的要求。降低機器運轉時的噪聲水平，防止有毒、有害介質的滲漏，對廢水、廢氣和廢液進行治理

28、。,▲使用功能要求▲經濟性要求▲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)定的使用時間內和預定的環(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性能等因素是隨機變化的。為了提高零件的可靠性，就應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,寧夏大學專用

35、 作者： 潘存云教授,機械零件失效實例：,寧夏大學專用

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。,寧夏大學專用

37、 作者： 潘存云教授,▲ 避免在預定壽命

38、期內失效的要求,▲ 結構工藝性要求,▲ 經濟性要求,▲ 質量小的要求,▲ 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：,應保證零件有足夠的強度、剛度、壽命。,§2-5　設計機械零件時應滿足的基本要求,一、避免在預定壽命期內失效的要求,寧夏大學專用

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

40、計零件的截面形狀，增大慣性矩,▲采用熱處理和化學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,,▲應力集中▲零件的尺寸大小▲零件表面質量及環(huán)境狀況,零件處在腐蝕性介質中工作時，可能使材料遭到腐蝕。,寧夏大學專用

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、結構工藝性要求,零件工藝性良好的標志——在具體的生產條件下，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。,毛坯選擇與生產批量、材料性能和加工可能性有關。,單件或小批量生產時，選用棒料、板材、型材或焊件。,大批量生產時，往往選用鑄造、鍛造、沖壓等方法。,寧夏大學專用

45、 作者： 潘存云教授,(2) 結構簡單合理,▲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，應在滿足使用要求的前提下，盡量采用較低的精度和表面質量。,▲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,欲設計

47、出工藝性良好的零件，設計者必須虛心向工藝技術人員和一線工人學習，在實踐中積累經驗。,寧夏大學專用

48、 作者： 潘存云教授,三、經濟性要求,零件的經濟性首先表現(xiàn)在零件的生產制造成本上。,▲簡化零件的結構，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構而非整體結構,▲盡量采用標準件,四、質量小的要求,減小質量的好處,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,寧夏大學專用

50、 作者： 潘存云教授,減小質量的措施：,▲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,設計零件時，首先應根據(jù)零件的失效形式確定其設計準則以及相應的設計計算方法。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,——高速運轉機械的設計應注重 此項準則,——當計及隨機因素影響時，仍應確 保上述各項準則,寧夏大學專用

54、 作者： 潘存云教授,強度準則是指零件中的應力不得超過許用值。即：,一、強度準則,σ ≤ σlim,σlim ——材料的極限應力,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，又有dN個零件失效，則dt內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的關系為,M=1/λ,寧夏大學專用

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

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),寧夏大學專用

65、 作者： 潘存云教授,,經驗設計——根據(jù)對某類零件已有的設計

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

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

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