第一章機(jī)械設(shè)計(jì)概述

機(jī)械設(shè)計(jì)第一章

機(jī)械設(shè)計(jì)概述

第一節(jié)機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般程序

第二節(jié)載荷與應(yīng)力分析

第三節(jié)機(jī)械零件的失效形式

第四節(jié)機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則

第五節(jié)機(jī)械零件的材料選擇

第六節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求

第七節(jié)機(jī)械零件的標(biāo)準(zhǔn)化返回章目錄第一節(jié)機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般程序功能要求一、設(shè)計(jì)機(jī)器應(yīng)滿足的基本要求經(jīng)濟(jì)性要求操作方便運(yùn)行安全其它特殊要求能實(shí)現(xiàn)機(jī)器的預(yù)定功能，并在預(yù)定環(huán)境條件和工作期限內(nèi)可靠地工作。要求設(shè)計(jì)、制造和使用機(jī)器的費(fèi)用少，并且效率高。如巨型機(jī)器要便于安裝、拆卸和運(yùn)輸；食品、紡織、造紙機(jī)器不得污染產(chǎn)品等。

要求設(shè)計(jì)的機(jī)器操作簡便、省力；必要時(shí)可安裝安全防護(hù)和保險(xiǎn)裝置；盡可能降低機(jī)器的噪聲；美化機(jī)器的外觀造型等，并應(yīng)妥善處理人和機(jī)器間的各個(gè)聯(lián)系環(huán)節(jié)。二、機(jī)械設(shè)計(jì)的一般程序確定設(shè)計(jì)任務(wù)擬定總體方案總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)零部件設(shè)計(jì)鑒定和評價(jià)第二節(jié)載荷與應(yīng)力分析1、載荷形式

一、載荷分析集中力F（N）轉(zhuǎn)矩T（Nm）彎矩M（Nm）功率P（W）2、載荷分類

按載荷與時(shí)間的關(guān)系分類變載荷

靜載荷

不隨時(shí)間變化或變化緩慢的載荷隨時(shí)間變化的載荷在設(shè)計(jì)計(jì)算中，零件上的載荷還分為：工作載荷機(jī)械正常工作時(shí)所受的實(shí)際載荷。名義載荷根據(jù)額定功率用力學(xué)公式計(jì)算出的作用在零件上的載荷。計(jì)算載荷考慮零部件工作過程中載荷隨時(shí)間作用的不均勻性、載荷在零件上分布的不均勻性及其他影響零件受載等因素，而對名義載荷進(jìn)行修正而得到的近似載荷。常用載荷系數(shù)K（K=K1K2…）來考慮這些因素的綜合影響。載荷系數(shù)K與名義載荷的乘積即為計(jì)算載荷。1、應(yīng)力分類

二、應(yīng)力分析循環(huán)變應(yīng)力按應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系分類變應(yīng)力

靜應(yīng)力

不隨時(shí)間變化或變化緩慢的應(yīng)力隨時(shí)間變化的應(yīng)力隨時(shí)間按一定規(guī)律變化的變應(yīng)力

σ=常數(shù)σttσmaxσminσaσmσmaxσaσmσmaxσaσmin對稱循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力靜應(yīng)力OσtOσOσtO最大應(yīng)力最小應(yīng)力應(yīng)力幅最大應(yīng)力平均應(yīng)力應(yīng)力幅應(yīng)力幅最大應(yīng)力最小應(yīng)力平均應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù)：

——表示應(yīng)力變化的情況對稱循環(huán)—

r=?1；脈動(dòng)循環(huán)—

r=0；非對稱循環(huán)—

r≠0且|r|≠1;靜應(yīng)力—

r=+1用σr表示循環(huán)特征為

r

的變應(yīng)力。如

σ-1、σ0等平均應(yīng)力：應(yīng)力幅：對稱循環(huán):σm=0;σa=σmax脈動(dòng)循環(huán):σm=σa=σmax/22、變應(yīng)力主要參數(shù)

注意：變載荷→變應(yīng)力靜載荷→靜應(yīng)力？或變應(yīng)力靜載荷產(chǎn)生變應(yīng)力第三節(jié)機(jī)械零件的失效形式

機(jī)械零件由于某些原因不能正常工作，稱為失效。一、斷裂零件在外載荷作用下，由于某一危險(xiǎn)截面上的應(yīng)力超過零件的強(qiáng)度極限時(shí)所發(fā)生的斷裂或當(dāng)零件在循環(huán)變應(yīng)力的作用下危險(xiǎn)截面所發(fā)生的疲勞斷裂。如：螺栓的斷裂

齒輪輪齒斷裂實(shí)例二、過大的變形機(jī)械零件在載荷作用下工作時(shí)，可能發(fā)生過大的彈性變形或由于零件上的應(yīng)力超過材料的屈服極限產(chǎn)生殘余塑性變形。

齒輪齒面塑形變形軸承外圈塑性變形三、表面損傷表面疲勞（亦稱點(diǎn)蝕）零件表面在接觸變應(yīng)力長期作用下產(chǎn)生微粒剝落的現(xiàn)象。磨損（主要指磨粒磨損）兩個(gè)接觸零件表面在相對運(yùn)動(dòng)過程中表面物質(zhì)喪失或轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。腐蝕金屬表面與周圍的介質(zhì)發(fā)生的電化學(xué)或化學(xué)侵蝕的現(xiàn)象。齒輪齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕滾動(dòng)軸承滾道的疲勞點(diǎn)蝕滾動(dòng)軸承外圈滾道的磨損軸瓦的磨損四、破壞正常工作條件引起的失效

例如：V帶傳動(dòng)當(dāng)傳遞的有效圓周力大于摩擦力的極限值時(shí)將發(fā)生打滑失效；高速轉(zhuǎn)動(dòng)的零件當(dāng)其轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)的固有頻率相一致時(shí)會(huì)發(fā)生共振，以致引起斷裂失效；液體潤滑的滑動(dòng)軸承當(dāng)潤滑油膜被破壞時(shí)將發(fā)生膠合失效等。

第四節(jié)機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則

機(jī)械零件不發(fā)生失效時(shí)的安全工作限度稱為零件的工作能力。對載荷而言零件的工作能力也可稱為零件的承載能力。用計(jì)算的方法來保證零件有足夠的工作能力，從而避免失效，是常用的機(jī)械設(shè)計(jì)方法。計(jì)算依據(jù)的條件稱為計(jì)算準(zhǔn)則。

一、強(qiáng)度準(zhǔn)則強(qiáng)度是指零件在載荷作用下抵抗斷裂、塑性變形及某些表面損傷的能力。其表達(dá)式為s——零件危險(xiǎn)截面或工作表面上的工作應(yīng)力；[s]——許用應(yīng)力；slim——極限應(yīng)力，對受靜應(yīng)力的脆性材料，如鑄鐵受拉伸取抗拉極限；對受靜應(yīng)力的塑性材料取屈服極限；對受變應(yīng)力的零件取疲勞極限

；S——安全系數(shù)，考慮各種偶然或難以精確分析的因素的影響。

另一表達(dá)方式S≥[S]

一般來講各種零件都應(yīng)滿足一定的強(qiáng)度要求，因而強(qiáng)度準(zhǔn)則是零件設(shè)計(jì)最基本的準(zhǔn)則。

[S]——許用安全系數(shù)二、剛度準(zhǔn)則剛度指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。其表達(dá)式為y≥[y]

y——彈性變形量；[y]——許用變形量。彈性變形量可用各種求變形量的理論或?qū)嶒?yàn)方法確定，而許用變形量則應(yīng)隨不同的使用場合，按理論或經(jīng)驗(yàn)來確定其合理的數(shù)值。

耐磨性是指零件在載荷作用下抵抗磨損的能力。目前尚無公認(rèn)的能夠進(jìn)行定量計(jì)算的方法。通常為了保證零件具有良好的耐磨性，應(yīng)運(yùn)用摩擦學(xué)原理設(shè)計(jì)零件的結(jié)構(gòu)，選定摩擦副的材料和熱處理、表面狀態(tài)、油品等。同時(shí)，給予合理而充分的潤滑，以延長零件的使用壽命。影響零件壽命的主要失效形式是磨損、疲勞和腐蝕，它們的產(chǎn)生機(jī)理、發(fā)展規(guī)律及對零件壽命的影響是完全不同的，應(yīng)分別加以考慮。三、壽命準(zhǔn)則

對于疲勞壽命，通常是求出零件在預(yù)定使用壽命時(shí)的疲勞極限作為計(jì)算的依據(jù)。疲勞壽命的計(jì)算準(zhǔn)則常采用的形式。四、振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則計(jì)算準(zhǔn)則為fp＜0.85f或fp＞1.15f

S≥[S]

迄今為止，還未能提出實(shí)用有效的腐蝕壽命計(jì)算方法，因而也無法列出腐蝕的計(jì)算準(zhǔn)則。振動(dòng)穩(wěn)定性是指高速機(jī)器抵抗失穩(wěn)的能力。fp——周期性載荷的作用頻率；f——機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率。五、散熱性準(zhǔn)則當(dāng)兩個(gè)零件表面之間發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)由于摩擦產(chǎn)生熱量。如果生熱過高或散熱不良，就可能使零件溫度過度升高，破壞正常的潤滑條件，甚至導(dǎo)致兩個(gè)金屬表面粘著發(fā)生膠合。要滿足散熱性準(zhǔn)則，應(yīng)對發(fā)熱較大的零件（如蝸桿傳動(dòng)、滑動(dòng)軸承等）進(jìn)行熱平衡計(jì)算。六、可靠性準(zhǔn)則我們稱F=Nf/N0為零件的失效概率（即不可靠度），它與可靠度的和為1。零件的可靠度是指一批完全相同的零件（如有N0個(gè)），在一定的工作條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如在經(jīng)過時(shí)間t后，還有Ns個(gè)正常工作，有Nf個(gè)損壞了，則這批零件在該工作條件下能正常工作達(dá)到時(shí)間t的可靠度R為按可靠性理論，機(jī)械是零件的串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)系統(tǒng)。系統(tǒng)的可靠度取決于零件的可靠度。若各個(gè)零件是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度是各個(gè)零件可靠度的乘積，即式中，RS是系統(tǒng)的可靠度；Ri是各個(gè)零件的可靠度?？煽慷仁切∮?的數(shù)，故串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度小于任一零件的可靠度，且零件越多，可靠度越低。

并聯(lián)系統(tǒng)的失效概率為各個(gè)零件失效概率的乘積，可靠度為式中，F(xiàn)i為各個(gè)零件的失效概率?？梢姡⒙?lián)系統(tǒng)失效概率低于任一零件的失效概率，因此，其可靠度高于任一零件的可靠度。為了提高系統(tǒng)可靠度，在設(shè)計(jì)時(shí)可采取下列措施：在滿足機(jī)器性能要求的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)目少；盡可能采用有可靠度保證的標(biāo)準(zhǔn)件；安全系數(shù)要留有余地；增加重要環(huán)節(jié)的備用系統(tǒng)；合理規(guī)定維修期等。第五節(jié)機(jī)械零件的材料選擇

材料選擇是機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。機(jī)械零件的材料對其性能、加工方法、經(jīng)濟(jì)性等都有很大的影響。隨著工程實(shí)際對現(xiàn)代機(jī)器和零件要求的不斷提高，以及各種新材料的不斷出現(xiàn)，合理選擇零件材料已成為提高零件質(zhì)量、降低成本的重要手段。一、機(jī)械零件的常用材料

：鋁(LY12)、銅(ZCuSn10P1)…黑色金屬有色金屬鐵鋼高分子材料復(fù)合材料:陶瓷:金屬材料非金屬材料：塑料、橡膠、合成纖維

：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼…(如：08F45601Cr18Ni9）

：灰鑄鐵、球墨鑄鐵…(如：TH300QT500-5)強(qiáng)如鋼、輕如鋁、硬如金剛石強(qiáng)度高、彈性模量大、質(zhì)量輕

二、選擇材料的原則1、滿足機(jī)械零件的使用要求承受工作載荷的能力有足夠的強(qiáng)度、剛度。保持使用性能的能力在工作環(huán)境下長期工作，能保持原來的形狀、尺寸、精度；耐腐蝕、高溫、潮濕等。其他要求如重量輕、美觀等。2、滿足工藝性要求

在滿足使用要求的前提下，要考慮機(jī)械零件的毛坯制造（鑄造、鍛壓、焊接、冷沖壓等）、熱處理、機(jī)械加工和修理方便、以及便于回收利用等，選擇零件的材料。還應(yīng)注意到，不同的復(fù)雜程度、尺寸、加工批量，對加工方法和材料的選擇有很大的影響。還要考慮本單位具有的加工條件和外單位協(xié)作的可能性。3、滿足經(jīng)濟(jì)性要求

在選擇材料時(shí)，不僅要考慮材料的價(jià)格，而且要考慮其加工成本，廢品率等。還要考慮供應(yīng)問題，如所需材料的規(guī)格、尺寸是否能夠及時(shí)得到。第六節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容之一，也是設(shè)計(jì)過程中涉及問題最多、工作量最大的環(huán)節(jié)。它在產(chǎn)品的形成過程中起著十分重要的作用。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮以下各方面的基本要求。

功能要求

使用要求結(jié)構(gòu)工藝性要求人機(jī)學(xué)要求

功能要求

機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是將原理設(shè)計(jì)方案具體化，即構(gòu)造一個(gè)能夠滿足功能要求的三維實(shí)體零部件。概括地講，各種零件的結(jié)構(gòu)功能主要有承受載荷、傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力以及保證或保持有關(guān)零部件之間的相對位置或運(yùn)動(dòng)軌跡關(guān)系等。功能要求是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)和必須滿足的要求。當(dāng)具有兩種以上功能要求時(shí)，應(yīng)分清主次，在優(yōu)先滿足主要功能的前提下，盡量滿足其他功能要求。

使用要求對于承受載荷的零件，為保證零件在規(guī)定的使用期限內(nèi)正常地實(shí)現(xiàn)其功能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)使零部件的結(jié)構(gòu)受力合理，降低應(yīng)力，減少變形，以利于提高零件的強(qiáng)度、剛度和延長使用壽命。結(jié)構(gòu)工藝性要求機(jī)器及其組成零件要能最經(jīng)濟(jì)地制造和裝配，應(yīng)具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性。機(jī)器的成本主要取決于制造費(fèi)用，因此工藝性與經(jīng)濟(jì)性是密切相關(guān)的。通常應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮結(jié)構(gòu)工藝性。應(yīng)使零件形狀簡單合理。適應(yīng)生產(chǎn)條件和規(guī)模。合理選用毛坯類型。便于切削加工。便于裝配和拆卸。易于維護(hù)和修理。人機(jī)學(xué)要求在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮安全問題，應(yīng)優(yōu)先采用具有直接（本身）安全作用的結(jié)構(gòu)方案。此外應(yīng)使結(jié)構(gòu)造型美觀，操作舒適，有利于環(huán)境保護(hù)。

第七節(jié)機(jī)械零件的標(biāo)準(zhǔn)化

機(jī)械零件的標(biāo)準(zhǔn)化，就是對零件的尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料性能、檢驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)方法、制圖要求等，制定出各種大家共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)化工作實(shí)際上包括3方面內(nèi)容，即標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化。系列化是指在同一基本結(jié)構(gòu)下，規(guī)定若干個(gè)規(guī)格尺寸不同的產(chǎn)品，形成產(chǎn)