机械设计 机械设计总论.doc

第二章 机械设计总论
§ 2 – 1 机器的组成
机器的组成如下：

执行机构
辅助系统
控制系统
传动装置
原动件

§ 2 – 2 设计机器的一般程序

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。它是一个创造性的工作过程，同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作。

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：
w 计划阶段
w 方案设计阶段
w 技术设计阶段
w 技术文件编制阶段
§ 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：

w 使用功能要求
w 经济性要求
w 劳动保护要求
w 可靠性要求
w 其它专用要求

§ 2 – 4 机械零件的主要失效形式
失效：――机械零件由于某种原因不能正常工作时
s 失效并不单纯指破坏。破坏只是失效的形式之一。
s 同一种机械零件的可能失效形式往往有数种

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。

（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极限，零件将产生残余变形。

（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）。

（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。

零件在工作时会发生那一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很多因素有关。
有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起。

§ 2 – 5 设计机械零件时应满足的基本要求
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
q 避免在预定寿命期内失效的要求
应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。
q 结构工艺性要求
设计的结构应便于加工和装配
q 经济性要求
零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。
q 质量小的要求
质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。
q 可靠性要求
应降低零件发生故障的可能性（概率）。
§ 2 – 6 机械零件的设计准则
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：
w 强度准则
确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基
本的设计准则。
w 刚度准则
确保零件不发生过大的弹性变形。
w 寿命准则
通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。
w 振动稳定性准则
高速运转机械的设计应注重此项准则。
w 可靠性准则
当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。

§ 2 – 7机械零件的设计方法
机械零件的设计方法通常分为常规设计方法和现代设计方法两大类。
常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。它又可分为：
• 理论设计
• 经验设计
• 模型实验设计
现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。如机械优化设计、机械可靠性设计、计算机辅助设计等等。
§ 2 – 8 机械零件设计的一般步骤
机械零件的设计一般要经过以下几个步骤：
1.选择零件类型、结构
2.计算零件上的载荷
3.确定计算准则
4选择零件的材料
5.确定零件的基本尺寸
6.结 构 设 计
7.校 核 计 算
8.画出零件工作图
9.写出计算说明书
§ 2 – 8 机械零件材料的选用原则
一、常用材料
金属材料黑色金属：灰铸铁、球墨铸铁…
(如：HT300 QT500-5)
低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢…
(如：08F　 45　 60　 1Cr18）　

有色金属，铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1)…...

非金属材料
高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维
陶瓷：强如钢、轻如铝、硬如金刚石
复合材料：强度高、弹性模量大、质量轻
二、机械零件材料的选用原则
载荷及应力的大小和性质
零件的尺寸及重量
材料的经济性
零件的工作情况
零件的结构及加工性
§ 2 – 9 机械零件设计中的标准化
标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。
标准化的益处：
标准化有利于保证产品质量，减轻设计工作量，便于零部件的互换和组织专业化的大生产，以降低生产成本。
与设计有关的标准:
国际标准　国家标准　行业标准　企业标准等
如：ISO　GB　　JB、HB　QB
国标分为：强制标准和推荐标准
强制性国家标准：代号为GB ××××(为标准序号) －××××(为批准年代)
强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。
推荐性国家标准：代号为GB／T ××××－××××
这类标准占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的效果。

传动装置――在原动件与执行机构之间传递运动、转换运动方式的装置。机械传动装置是本课程研究的主要内容之一。

第二节 机械零件的计算准则
【几个概念】
1．失效：――机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效
注意：
s 失效并不单纯指破坏。破坏只是失效的形式之一。机械零件可能的失效形式很多：强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、联接的松动以及可靠性等。
s 同一种机械零件的可能失效形式往往有数种

2．工作能力：――机械零件不发生失效的安全工作限度。
3．承载能力：――对载荷而言的工作能力。
在设计中，应保证所设计的机械零件在正常工作中不发生任何失效。为此对于每种失效形式都制定了防止这种失效应满足的条件，这样的条件就是所谓的工作能力计算准则。它是设计机械零件的理论依据。
在机械零件的设计中，最终是要确定零件的结构尺寸。通常情况下，都希望尺寸小、重量轻，同时又不能在工作中发生任何失效。设计时就需要进行必要的计算。常用的计算方法有两种：
1．设计计算：――先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的机构尺寸。
2．校核计算：――先根据经验确定零件的结构尺寸，然后在验算零件是否满足计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。

一、载荷和应力的分类
1．载荷
载荷分为静载荷和变载荷。
动载荷：由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷
名义载荷： 在理想平稳条件下，用力学公式求出的载荷。
计算载荷：＝载荷系数K×名义载荷。其中载荷系数K用于计入在实际工作中机械零件受到的各种动载荷的影响。
2． 应力

静应力 对称循环应力 r＝－1
恒幅循环变应力 脉动循环应力 r=0
循环变应力 非对称循环应力
变应力 变幅循环变应力
随机变应力
需注意：变应力由变载荷产生，也可由静载荷产生。
名义应力： 根据名义载荷求得的应力。
计算应力： 根据计算载荷求得的应力。表示的是零件在工作中实际受到的应力。

二、机械零件的强度
1． 强度准则
强度： 指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。
机械零件的强度准则有两种表示方法：
1） ≤ =
2） S ≥ S＝
式中：－最大计算应力；－许用应力；－极限应力；S－计算安全系数；－许用安全系数；
对于一个具体的机械零件而言，两差值－和S－可称为安全裕度。其大小表示零件安全的程度。
当计算应力相同时，越大，则越安全。
当许用应力相同时，越大，则越安全。

2． 静应力下的强度
在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形或断裂。材料不同，所取极限应力也不同：
单向应力状态下：

塑性材料
复合应力状态下： 按第三或第四强度理论计算当量应力。
单向应力状态下：

脆性材料
复合应力状态下： 按第一强度理论计算当量应力。
3． 变应力下的强度
计算变应力下的强度时，应取疲劳极限（详见第二章）
4． 许用安全系数
合理选择许用安全系数是设计中的一项重要工作。过大，则机器会过于笨重；过小，可能不安全。因此，在保证安全的前提下，应尽可能选用较小的许用安全系数。的取值主要受下列因素的影响：
1） 计算的准确性；2）材料的均匀性；3）零件的重要性。
注意：
1）对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁），在计算其静强度时可不考虑应力集中的影响。
2）对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算其静强度时应考虑应力集中的影响。
三、机械零件的表面强度
1．表面接触疲劳强度
对于高副接触的机械零件，理论上是点、线接触，但实际上在载荷作用下材料发生弹性变形后，理论上的点、线接触变成了很小的面接触，在接触处局部会产生很高的应力，这样的应力称为表面接触应力，用表示。的大小用赫兹公式计算，见教材。
实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的，例如齿轮的轮齿，接触啮合时受应力作用，脱离啮合时不受应力作用。
在接触循环应力作用下的强度称为表面接触疲劳强度。强度条件为：
≤
在接触循环应力作用下，首先在金属表面上形成很小的微裂纹，之后裂纹沿着与表面成锐角的方向发展，当到达一定深度后，又越出零件表面，最后有小片的金属剥落下来，在零件的表面形成小坑，这种现象称为疲劳点蚀（简称点蚀）。
点蚀是接触应力作用下的失效形式，属于疲劳破坏。
点蚀的危害：
1） 破坏零件的光滑表面，引起振动和噪音。
2） 减小零件的有效工作面积。

2．表面挤压强度
当两零件之间为面接触时，在载荷作用下表面产生的应力称为挤压应力，用表示。在挤压应力作用下的强度称为挤压强度，其强度条件为：
≤［］
挤压应力过大时，接触面将产生“压溃”失效。相互挤压表面上的挤压应力相等。

四、机械零件的刚度
刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不足，则有的零件会因为产生过大的弹性变形而失效。例如：机床的主轴如产生过大的弹性变性会影响所加工工件的精度；
刚度条件为： 实际变形量≤［许用变形量］
式中：实际变形量可用相关理论计算或由实验方法确定。许用变形量是保证正常工作所允许的变形量。
注意：1）零件材料的弹性模量E越大，则其刚度越大。
2）用合金钢的代替碳钢虽能提高零件的强度，但不能提高零件的刚度。

五、振动稳定性准则
机械零件周期性产生弹性变形的现象称为振动。当作用在零件上的周期性外力的变化频率接近或等于零件自身的自激振动频率时，便发生共振，导致零件失效。这种现象称之为“失去振动稳定性”。
振动稳定性准则：应使受激振作用零件的自激振动频率远离外力变化的频率。即 ＜0.85f 或 ＞1.15 f
式中：f――零件的自激振动频率
――外力变化的频率.

六、摩擦学（耐磨性计算）准则
在滑动摩擦条件下工作的机械零件，常因为过度磨损而失效。影响磨损的因素很多而且比较复杂，因此，到目前为止对于磨损失效还没有一个完善的计算方法。通常只进行条件性计算，通过限制影响磨损的主要条件防止产生过大的磨损量。
为防止产生过大的磨损应满以下条件：
压强不超过许用值 p≤［p］
速度不超过许用值 ≤［］
压强与速度乘积不超过许用值 p≤［p］

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