第1章-2 機械零件設(shè)計概論

1.２機械設(shè)計的基本要求

機械設(shè)計包括以下兩種設(shè)計:應(yīng)用新技術(shù)、新方法開發(fā)創(chuàng)造新機械；在原有機械的基礎(chǔ)上重新設(shè)計或進行局部改造。設(shè)計機械零件的基本要求工作可靠并且成本低廉;零件的工作能力是指零件在一定的工作條件下抵抗可能出現(xiàn)的失效的能力，對載荷而言稱為承載能力。失效:指零件由于某些原因不能正常工作。１.２機械零件設(shè)計的基本準(zhǔn)則及一般設(shè)計步驟

設(shè)計機械零件要注意以下幾點：（1）合理選擇材料，降低材料費用；（2）保證良好的工藝性，減少制造費用；（3）盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化設(shè)計，簡化設(shè)計過程從而降低成本。1.２.1機械設(shè)計的基本要求

1.2.2機械設(shè)計的內(nèi)容與步驟現(xiàn)代設(shè)計方法：常規(guī)設(shè)計方法：優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、有限元設(shè)計、模塊設(shè)計、計算機輔助設(shè)計理論設(shè)計、經(jīng)驗設(shè)計和模型實驗設(shè)計等。機械設(shè)計的過程通?？煞譃橐韵聨讉€階段：（1）產(chǎn)品規(guī)劃（2）方案設(shè)計（3）技術(shù)設(shè)計（4）制造及試驗產(chǎn)品規(guī)劃的主要工作是提出設(shè)計任務(wù)和明確設(shè)計要求。由設(shè)計人員構(gòu)思出多種可行方案進行分析比較，從中優(yōu)選出一種方案。設(shè)計結(jié)果以工程圖及計算書的形式表達出來。經(jīng)過加工、安裝及調(diào)試制造出樣機，對樣機進行試運行或在生產(chǎn)現(xiàn)場試用。1.2.2機械設(shè)計的內(nèi)容與步驟1.2.2機械設(shè)計的內(nèi)容與步驟設(shè)計機械零件的一般步驟如下：（1）根據(jù)機器的具體運轉(zhuǎn)情況和簡化的計算方案確定零件的載荷。（2）根據(jù)零件工作情況的分析，判定零件的失效形式，從而確定其計算準(zhǔn)則。（3）進行主要參數(shù)選擇，選定材料，根據(jù)計算準(zhǔn)則求出零件的主要尺寸，考慮熱處理及結(jié)構(gòu)工藝性要求等。（4）進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。（5）繪制零件工作圖，制訂技術(shù)要求，編寫計算說明書及有關(guān)技術(shù)文件。在設(shè)計過程中，這些步驟又是相互交錯、反復(fù)進行的。1.2.2機械設(shè)計的內(nèi)容與步驟在設(shè)計機械零件時往往是將較復(fù)雜的實際工作情況進行一定的簡化，這些計算或多或少帶有一定的條件性或假定性。條件性計算：1.2.3機械零件的失效形式及設(shè)計計算準(zhǔn)則機械零件喪失預(yù)定功能或預(yù)定功能指標(biāo)降低到許用值以下的現(xiàn)象機械零件的失效：進行機械零件設(shè)計時必須根據(jù)零件的失效形式分析失效的原因，提出防止或減輕失效的措施，根據(jù)不同的失效形式提出不同的設(shè)計計算準(zhǔn)則。失效形式1.斷裂2.過量變形3.表面失效4.破壞正常工作條件引起的失效失效形式同一零件對于不同失效形式的承載能力也各不相同。根據(jù)不同的失效原因建立起來的工作能力判斷條件，稱為設(shè)計計算準(zhǔn)則。1.強度準(zhǔn)則（整體強度和表面強度）整體強度的判斷準(zhǔn)則表示為：或表面接觸強度的判斷準(zhǔn)則表示為：應(yīng)力表示法：安全系數(shù)表示法：接觸應(yīng)力表示法：擠壓應(yīng)力表示法：1.2.3機械零件的失效形式及設(shè)計計算準(zhǔn)則2.剛度準(zhǔn)則零件在載荷作用下產(chǎn)生的彈性變形量應(yīng)小于或等于機器工作性能允許的極限值。3.耐磨性準(zhǔn)則4.散熱性準(zhǔn)則5.可靠性準(zhǔn)則1.2.4機械零件設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化標(biāo)準(zhǔn)件：按規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的零件。好處：（1）由專門化工廠大量生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件，能保證質(zhì)量、節(jié)約材料、降低成本；（2）選用標(biāo)準(zhǔn)件可簡化設(shè)計工作，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期；（3）選用參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的零件，在機械制造過程中可以減少刀具和量具的規(guī)格；（4）具有互換性，從而簡化機器的安裝和維修。1.2.4機械零件設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化

通用化：在不同規(guī)格的同類產(chǎn)品或不同類產(chǎn)品中采用同一結(jié)構(gòu)和尺寸的零件、部件。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)分為國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，國際上則推行國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的標(biāo)準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)化：有不少零件，由于應(yīng)用范圍廣、用量大，已經(jīng)高度標(biāo)準(zhǔn)化形成標(biāo)準(zhǔn)件。系列化：有很多零件適用范圍極為廣泛，但在具體設(shè)計時隨著工作條件的不同，在材料、尺寸、結(jié)構(gòu)等方面的選擇也各不相同，這種情況則可對其某些基本參數(shù)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的系列化數(shù)列?！?.3機械零件的強度強度是指零件受載荷后抵抗斷裂，塑性變形和某些表面失效的能力。強度不夠，會因零件失效使機械不能正常工作，還可能導(dǎo)致安全事故。強度計算是保證零件工作能力的最基本的計算準(zhǔn)則。名義載荷：理想平穩(wěn)工作條件下的載荷

計算載荷：考慮工況，取載荷系數(shù)KA

KA*名義載荷=計算載荷

或

式中：、分別為零件工作時的正應(yīng)力和剪應(yīng)力；[]、[]分別為零件材料的許用正應(yīng)力和許用剪應(yīng)力。機械零件的強度1)應(yīng)力的種類靜應(yīng)力—工作中，應(yīng)力不隨時間變化或變化次數(shù)很少（103次）的應(yīng)力。變應(yīng)力--工作中，應(yīng)力隨時間變化的應(yīng)力。r=1r=-1r=00<r<1不穩(wěn)定變應(yīng)力：應(yīng)力的參數(shù)隨時間而變化。規(guī)律性的不穩(wěn)定變應(yīng)力；隨機性的不穩(wěn)定變應(yīng)力；穩(wěn)定性周期變應(yīng)力的描述參數(shù)：最大應(yīng)力、最小應(yīng)力、平均應(yīng)力、應(yīng)力幅、應(yīng)力循環(huán)特性r。（循環(huán)周期T）對稱循環(huán)、脈動循環(huán)、靜應(yīng)力。2)靜應(yīng)力下的許用應(yīng)力靜應(yīng)力下，零件的失效形式：斷裂或塑性變形塑性材料的許用應(yīng)力不發(fā)生塑性變形取材料的屈服極限作為極限應(yīng)力，許用應(yīng)力為：脆性材料零件許用應(yīng)力不發(fā)生斷裂應(yīng)取強度極限作為極限應(yīng)力，許用應(yīng)力為：3)變應(yīng)力下的許用應(yīng)力

變應(yīng)力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠(yuǎn)比靜應(yīng)力下材料的強度極限低，甚至比屈服極限低；

不管是脆性材料或塑性材料，其疲勞斷裂口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂；

疲勞斷裂是損傷的積累。疲勞斷裂不同于一般靜力斷裂，它是損傷積累到一定程度后，即裂紋擴展到一定程度后，才發(fā)生的突然斷裂。所以疲勞斷裂與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（即使用期限和壽命）密切相關(guān)。

變應(yīng)力下的許用應(yīng)力疲勞曲線：表示應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系曲線。對于鐵碳合金來說，當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過某一數(shù)值N0后，疲勞曲線趨于水平，即可認(rèn)為在“無限次”循環(huán)時零件不會斷裂。N0稱為循環(huán)基數(shù)，對應(yīng)于N0的應(yīng)力稱為材料的持久極限。取持久極限作為極限應(yīng)力。變應(yīng)力下的許用應(yīng)力1、疲勞曲線循環(huán)基數(shù)N0疲勞極限－1鋼材：m=9(拉壓力、彎曲壓應(yīng)力、切應(yīng)力)m=6(接觸應(yīng)力)4)安全系數(shù)安全系數(shù)大小對設(shè)計的影響安全系數(shù)的確定方法：查表法基本原則部分系數(shù)法：S＝S1·S2·S3S1：載荷及應(yīng)力計算的準(zhǔn)確性S2：材料的力學(xué)性能的均勻性S3：零件的重要性安全系數(shù)確定的基本原則當(dāng)沒有專門的表格時，參考下述原則選擇安全系數(shù)：(1)靜應(yīng)力下，塑性材料以屈服極限為極限應(yīng)力。由于塑性材料可以緩和過大的局部應(yīng)力，S＝1.2—1.5；對于塑性較差的材料S＝1.5—2.5(2)靜應(yīng)力下，脆性材料以強度極限為極限應(yīng)力，這時應(yīng)取較大的安全系數(shù)。例如，S＝3—4(3)變應(yīng)力下以疲勞極限作為極限應(yīng)力，可取S＝1.3—1.7；若材料不夠均勻、計算不夠精確時可取S＝1.7—2.55)機械零件的接觸強度當(dāng)具有一定曲面的兩物體在壓力下相互接觸時，便在接觸處產(chǎn)生接觸應(yīng)力。由于接觸處產(chǎn)生彈性變形，實際接觸處為一很小的面積并產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力。σH≤[σH][σH]=σHlim/SH機械設(shè)計的一般過程：

確定設(shè)計任務(wù)擬定原理方案總體設(shè)計

零部件施工設(shè)計鑒定和評價

產(chǎn)品定型設(shè)計§1-2機械設(shè)計基礎(chǔ)理論機械設(shè)計4個方面內(nèi)容：機械設(shè)計的基本要求；機械設(shè)計中應(yīng)考慮的問題；機械設(shè)計的基本方法；機械零件的強度設(shè)計。機械設(shè)計的基本要求在滿足預(yù)期功能的前提下，性能好、效率高、成本低在預(yù)定使用期限內(nèi)安全可靠、操作方便、維修簡單\造型美觀等(1)．

運動和動力性能的要求機器應(yīng)在使用期內(nèi)有效工作，并達到預(yù)期使用目的，保證實現(xiàn)預(yù)期功能。為此必須按照所要求的運動和承受的載荷，確定機械的工作原理，并選擇或設(shè)計適當(dāng)?shù)墓ぷ鳈C構(gòu)和機械傳動方案。(2)．工作可靠性的要求零件失去設(shè)計時預(yù)定的功能，稱為失效。失效形式：疲勞斷裂，表面磨損，表面膠合，振動過大等。失效原因：體積強度、表面強度和剛度不足等。

可靠性是指機械在預(yù)定的期限內(nèi)能安全可靠的工作、不失效。(3)．經(jīng)濟性要求要求設(shè)計和制造機器的周期短，成本低，使用機器時生產(chǎn)效率高、能耗低、維修管理費用低。經(jīng)濟性要求

選擇價廉和市場供應(yīng)充分的材料；

縮短加工工時和費用；

便于維修保養(yǎng)；采用標(biāo)準(zhǔn)零件；簡化設(shè)計，保證互換性，便于機械的修配，保證零件的質(zhì)量并降低其成本。只有在采用標(biāo)準(zhǔn)零件不能滿足機械使用要求時，才允許采用非標(biāo)準(zhǔn)零件。(4)．操作方便和安全的要求設(shè)計的機械必須能夠操作方便、安全、舒適，減輕勞動強度。(5)．各種機械的特殊要求此外，應(yīng)注意各種機械的特殊要求。

例如：機床應(yīng)能在規(guī)定的使用期限內(nèi)保持精度；

食品、醫(yī)藥等機械應(yīng)能保持清潔。

機械零件設(shè)計應(yīng)考慮的問題工作能力（承載能力）失效是指機械零件失去設(shè)計時預(yù)定的功能。工作能力是指機械零件抵抗失效的能力。失效形式：斷裂或塑性變形；過大的彈性變形；工作表面的過度磨損或損傷；發(fā)生強烈的振動。影響工作能力的主要因素（失效的原因）：強度、剛度、工作穩(wěn)定性、摩擦與磨損、溫度1）

強度強度是指零件受載荷后抵抗斷裂、塑性變形和某些表面失效的能力。

零件的強度不夠，不僅會因零件失效使機械不能正常工作，還可能導(dǎo)致安全事故。

強度計算是保證零件工作能力的最基本的計算準(zhǔn)則。失效（破壞）形式：斷裂、表面損壞、塑性變形等。2）剛度剛度是指在一定載荷作用下零件抵抗彈性變形的能力。

例如：機床的主軸和螺桿，若彈性變形過大就會影響加工精度。因此，這類零件需要有足夠的剛度。剛度的量綱：力/長度。柔度是剛度的倒數(shù)，其量綱為：長度/力3）工作穩(wěn)定性零件在工作時能保證穩(wěn)定地正常工作。振動穩(wěn)定性：共振問題。受壓穩(wěn)定性：細(xì)長桿和薄壁件。4）耐磨性耐磨性是指在載荷作用下具有相對運動的兩零件接觸界面的抗磨損能力。據(jù)統(tǒng)計80％的損壞零件是因磨損而報廢的。5）

耐熱性耐熱性包括抗氧化、抗熱變形和抗蠕變的能力。

零件在高溫下工作時，將因強度降低而削弱了承載能力，同時會出現(xiàn)蠕變，增加塑性變形，甚至?xí)l(fā)生氧化現(xiàn)象，大大影響機械的精度進而使零件失效。

溫度第一，對材料機械性能的影響。當(dāng)溫度超過某一數(shù)值，其強度將急劇下降。蠕變：在高溫下，應(yīng)力不變時，塑性變形隨時間而增大。松馳：在高溫下，變形量不變時，零件內(nèi)的應(yīng)力隨時間而減小。第二，對零件幾何尺寸變化的影響。（卡死）第三，對潤滑的影響。溫度上升，潤滑油的粘度和在潤滑表面上的吸附能力下降。對某一類零件，只以一種或幾種失效為主，不需要同時考慮所有的失效形式。§1-4

機械零件的常用材料鋼和鑄鐵有色合金非金屬材料

復(fù)合材料作業(yè)：查機械設(shè)計手冊習(xí)題1-5查出6種常用材料的主要性能參數(shù)，適用范圍Beunderstanding,whenit’sneededHaveconfidenceinlifeHavefaithEndoschapter1機械零件的接觸應(yīng)力是周期性載荷重復(fù)作用下，在表層內(nèi)約15～25μm處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，在兩接觸表面的相互運動中，潤滑油被擠入裂紋內(nèi)，運動表面將裂紋口封死，形成高壓油，促使裂紋擴展。當(dāng)裂紋擴展到一定深度以后，就導(dǎo)