第2章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論

第2章機(jī)械設(shè)計(jì)總論1§2-1機(jī)器的組成動力系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)

執(zhí)行系統(tǒng)

操作系統(tǒng)和控制系統(tǒng)其它輔助系統(tǒng)（潤滑、顯示、照明等）2023/10/152

一般都由原動機(jī)、傳動系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)組成。隨著功能越來越復(fù)雜,機(jī)器不斷增加其它部分，如控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等?！?-1機(jī)器的組成32023/10/154機(jī)器實(shí)例/dzjc/jixiesheji/ch01/html/c1.htm現(xiàn)代機(jī)器的特點(diǎn)：（1）功能增加，柔性提高。（2）結(jié)構(gòu)簡化，精度提高。（3）效率提高，成本降低。2023/10/155§2-2設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序

機(jī)器質(zhì)量取決于設(shè)計(jì)，制造過程是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)時所規(guī)定的質(zhì)量。因此設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

設(shè)計(jì)是繼承與創(chuàng)新的結(jié)合。設(shè)計(jì)必須有科學(xué)的設(shè)計(jì)程序。而機(jī)器是各種各樣的，因此不可能有唯一的設(shè)計(jì)程序。

設(shè)計(jì)大致分幾個階段：▲計(jì)劃階段▲

方案設(shè)計(jì)階段▲技術(shù)設(shè)計(jì)階段▲編制技術(shù)文件階段2023/10/156一、計(jì)劃階段包括：需求分析、明確功能、制定設(shè)計(jì)任務(wù)書。

根據(jù)需要，全面調(diào)查分析；寫出設(shè)計(jì)任務(wù)書：

機(jī)器功能、經(jīng)濟(jì)性估價、制造要求估計(jì)、基本使用要求及設(shè)計(jì)期限。二、方案設(shè)計(jì)階段

對設(shè)計(jì)的成敗起關(guān)鍵作用。

同一功能的機(jī)器，可采取不同工作原理，如加工齒輪機(jī)器，再如加工螺紋機(jī)器。同一工作原理，結(jié)構(gòu)方案可以不同。

2023/10/157經(jīng)分析:原動機(jī)方案有N1個，傳動系統(tǒng)方案有N2

，執(zhí)行系統(tǒng)方案有N3

，所以，總方案數(shù)N=N1×N2×N3諸多方案中，技術(shù)上可行的可能只有幾個。對功能綜合分析、確定參數(shù)、提出方案。確定參數(shù)注意：恰當(dāng)處理需要與可能、理想與現(xiàn)實(shí)、長遠(yuǎn)與當(dāng)前目標(biāo)等的關(guān)系。2023/10/158

如圖，經(jīng)濟(jì)評價時，考慮設(shè)計(jì)制造費(fèi)用、使用的經(jīng)濟(jì)性?？山梃b同類機(jī)器的成功點(diǎn)，對其薄弱和不符合現(xiàn)任務(wù)的部分改進(jìn)或替換。總費(fèi)用設(shè)計(jì)制造費(fèi)用使用費(fèi)用費(fèi)用復(fù)雜程度反對一味求新而把合理的原經(jīng)驗(yàn)棄置不用。經(jīng)濟(jì)最佳方案2023/10/159

針對幾個可行方案分析，再從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面綜合，確定最后方案。三、技術(shù)設(shè)計(jì)階段繪裝配草圖；再確定各零、部件的工作圖（零部件外形、尺寸及鄰件間的連接）---設(shè)計(jì)中最大的工作量。確定零部件基本尺寸的5項(xiàng)工作：1、

運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)

——確定原動機(jī)的（功率）、（轉(zhuǎn)速）及各運(yùn)動件的（轉(zhuǎn)速或速度、加速度）。2、

動力學(xué)的計(jì)算

——計(jì)算各零件的載荷（理想狀態(tài)的名義載荷）。2023/10/15103、零件工作能力的計(jì)算

——強(qiáng)度、剛度、壽命、振動穩(wěn)定性等。通過計(jì)算或類比，確定零件的基本尺寸。4、部件的裝配草圖

——根據(jù)基本尺寸，確定零部件關(guān)聯(lián)的外廓尺寸，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。5、主要零件的校核——根據(jù)校核結(jié)果，修改零件結(jié)構(gòu)、尺寸，直到合理。6、確定裝配圖。7、零件圖設(shè)計(jì)。2023/10/1511在壽命周期內(nèi)不失效結(jié)構(gòu)工藝性好經(jīng)濟(jì)性特殊要求(如飛機(jī)要輕、軸承耐磨等）

零件設(shè)計(jì)內(nèi)容選擇材料主要幾何尺寸計(jì)算結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)要求零件圖

要求零件2023/10/1512四、編寫技術(shù)文件

設(shè)計(jì)計(jì)算說明書、零部件、標(biāo)準(zhǔn)件明細(xì)表、驗(yàn)收條件、使用說明書等。計(jì)算機(jī)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)中---高效△§2-3對機(jī)器的主要要求

4~5項(xiàng)

一、使用功能要求正確選擇工作原理，設(shè)計(jì)或選用原動機(jī)、

執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)及合理配置輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。2023/10/1513二、經(jīng)濟(jì)性要求：

綜合考慮設(shè)計(jì)、制造和使用過程。1、提高設(shè)計(jì)、制造經(jīng)濟(jì)性：⑴采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，參數(shù)最優(yōu)化,保證可靠性。⑶盡量采用新工藝、新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料；⑵盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的零部件；2023/10/15142、提高使用的經(jīng)濟(jì)性

---高效，低耗，及低的管護(hù)費(fèi)。⑴合理提高機(jī)械化和自動化水平，以提高生產(chǎn)率。

⑵選用高效的傳動系統(tǒng)，

減少中間環(huán)節(jié)，降低能耗。⑶適當(dāng)防護(hù)、潤滑，延長使用壽命。⑷采用可靠密封，減少或消除滲漏。⑸結(jié)構(gòu)工藝合理，用料少，易加工、易裝配。⑷合理組織設(shè)計(jì)和制造過程；三、勞保、環(huán)保要求1、勞動保護(hù):

人身安全及機(jī)器安全。按人機(jī)工程學(xué)的觀點(diǎn)設(shè)計(jì)布置各種按鈕、手柄，操作方式符合人的心理和習(xí)慣。同時，設(shè)置安全裝置、報(bào)警裝置、顯示裝置等。2023/10/1515

降低機(jī)器噪聲，治理廢水、廢氣和廢液，防有毒、有害介質(zhì)的滲漏。

降低噪聲，治理廢水、廢氣和廢液，防有毒、有害介質(zhì)的滲漏。2、環(huán)保達(dá)標(biāo):四、壽命與可靠性的要求任何機(jī)器都要求在一定的壽命下可靠的工作。1、設(shè)計(jì)制造的可靠性（出廠時已確定）。2、使用的可靠性（由用戶決定---維修技術(shù)及使用經(jīng)驗(yàn)）。

可靠度R：在規(guī)定的使用壽命內(nèi)和預(yù)定工況下，機(jī)器能夠正常工作的概率。不能正常工作為失效率F。F=1－R。

2023/10/1516五、其他專用要求

⑴機(jī)床---長期保持精度的要求；⑵飛機(jī)---質(zhì)量小，飛行阻力小而運(yùn)載能力大的要求；⑶流動機(jī)器（如鉆探機(jī)）---便于裝拆；⑷大型機(jī)器---便于運(yùn)輸?！?-4零件的主要失效形式失效：零件喪失工作能力或達(dá)不到設(shè)計(jì)的性能，稱為~。工作能力：不發(fā)生失效的前提下，零件安全工作的限度。一般指承載能力

。機(jī)械零件的主要失效形式：2023/10/1517（1）整體斷裂（2）過大的殘余變形（3）零件的表面破壞（4）破壞正常工作條件引起的失效軸承內(nèi)圈裂紋18一、整體斷裂

受到拉、壓、彎、扭時，危險截面的應(yīng)力超過強(qiáng)度極限而斷裂，或受變應(yīng)力作用時，危險截面上的疲勞斷裂。如螺栓的斷裂、齒輪的齒根斷裂。二、過大的殘余變形

危險截面的應(yīng)力超過屈服極限，產(chǎn)生塑性變形。

如:機(jī)床的定位夾緊零件：過大殘余變形降低加工精度。

汽缸蓋螺栓組的拉應(yīng)力超過屈服極限，螺栓變形過大，降低密封性。2023/10/1519---塑性變形三、零件表面的破壞

主要是腐蝕、磨損及疲勞。發(fā)生在金屬表面的電化學(xué)或化學(xué)腐蝕，使零件表面生銹，從而發(fā)生破壞。對于承受交變應(yīng)力的零件，引起腐蝕疲勞。

磨損:兩接觸表面，相對運(yùn)動中，發(fā)生物質(zhì)喪失或轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。2023/10/1520齒面接觸疲勞接觸疲勞:長期受到接觸應(yīng)力，表面產(chǎn)生裂紋和微粒剝落的現(xiàn)象。

據(jù)統(tǒng)計(jì)：斷裂占5%;

腐蝕、磨損、疲勞破壞占74%。四、破壞正常工作條件引起的失效

有些零件只有在一定的工作條件下才能正常工作，一旦破壞條件就要造成失效。2023/10/1521

如液體摩擦滑動軸承，只有潤滑油膜完整時，才能正常工作，否則軸承發(fā)熱，引起嚴(yán)重磨損、膠合等。

軸瓦磨損一、避免在預(yù)期壽命期內(nèi)失效強(qiáng)度、剛度、壽命二、結(jié)構(gòu)工藝性的要求便于生產(chǎn)和裝配三、經(jīng)濟(jì)性要求降低成本四、質(zhì)量小的要求節(jié)約材料、減小慣性、增加運(yùn)載量五、可靠性要求工作條件和零件性能隨機(jī)變化盡可能??；監(jiān)測維護(hù)§2-5設(shè)計(jì)機(jī)械零件時應(yīng)滿足的基本要求一、避免在預(yù)期壽命內(nèi)失效

1、強(qiáng)度：載荷作用下，零件抵抗斷裂、塑性變形及表面失效(磨損、腐蝕除外)的能力，是設(shè)計(jì)零件首要的基本要求。

零件具有足夠強(qiáng)度，工作中可避免斷裂及過大殘余變形。2023/10/1523車床主軸要求剛度高2、剛度：載荷作用下，零件抵抗彈性變形的能力。

工作中

零件的彈性變形不超過允許限度。彈性變形過大，影響機(jī)器工作性能。分：整體剛度、表面接觸剛度3、壽命

影響主因：材料疲勞、腐蝕及磨損。2023/10/1524疲勞壽命---材料疲勞失效前，所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N。多數(shù)零件在變應(yīng)力下工作，因而疲勞破壞是失效的主因。措施：降低應(yīng)力集中、增加尺寸及提高表面質(zhì)量。2023/10/15

影響因素：應(yīng)力集中、零件大小、表面品質(zhì)及工況。處于腐蝕介質(zhì)中的零件，應(yīng)選擇耐蝕材料或表面處理。二、結(jié)構(gòu)工藝性要求

結(jié)構(gòu)工藝性

良好：既定的生產(chǎn)條件下，生產(chǎn)零件方便而經(jīng)濟(jì)，并便于裝配成機(jī)器。零件的結(jié)構(gòu)工藝性應(yīng)從毛坯制造、機(jī)械加工過程及裝配工藝過程等綜合考慮。2023/10/1525三、經(jīng)濟(jì)性要求

減少材料消耗、低價材料、減少制造工時---以降低零件本身的成本；減少其他消耗、降低勞動強(qiáng)度等。措施：采用少余量或無余量毛坯、簡化結(jié)構(gòu)---以降低加工工時。材料用平價代替貴重。盡量多選用標(biāo)準(zhǔn)件。減少零件重量---節(jié)省材料，減少慣性。運(yùn)輸機(jī)械----減少自重，可提高運(yùn)載量。四、質(zhì)量小的要求措施：（1）采用緩沖裝配降沖擊載荷；采用安全裝置限制主要零件上的最大載荷。（2）從零件上應(yīng)力較小處削減材料。施加預(yù)載荷（與工作載荷反向），以降低工作載荷。（3）采用薄壁沖壓件或焊件代替鑄、鍛件；采用強(qiáng)重比高的材料。2023/10/1526

多數(shù)零件失效是隨機(jī)的，原因：工作環(huán)境、溫度、載荷等隨機(jī)變化；零件的機(jī)械、物理性能隨機(jī)變化。

措施：使零件性能和工作條件隨機(jī)變化盡可能小；使用中加強(qiáng)維護(hù)和對工作條件監(jiān)測。

2023/10/1527五、可靠性的要求

衡量：可靠度（復(fù)習(xí)：在規(guī)定的使用壽命及預(yù)定工況下，零件正常工作的概率。）§2-6機(jī)械零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則根據(jù)失效形式提出。一、強(qiáng)度準(zhǔn)則

零件的應(yīng)力不得超過允許的限度。2023/10/1528

一次性斷裂，應(yīng)力≤材料強(qiáng)度極限；疲勞破壞，應(yīng)力≤疲勞極限；殘余變形,應(yīng)力≤屈服極限。（2-1）考慮到偶然性和難以精確的影響，除以安全系數(shù)S。（2-2）二、剛度準(zhǔn)則

零件在載荷作用下的彈性變形量y≤機(jī)器工作性能允許的極限值[y]。（2-3）2023/10/1529y:用力學(xué)方法或?qū)嶒?yàn)確定，[y]:隨不同的應(yīng)用場合，根據(jù)理論或經(jīng)驗(yàn)確定。三、壽命準(zhǔn)則

工程中,求使用壽命時的疲勞極限,作為計(jì)算的依據(jù)。四、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則

機(jī)器中有許多周期性的激振源。如齒輪嚙合、滾動軸承振動。

零件固有頻率與激振源相近時，發(fā)生共振。共振破壞零件甚至設(shè)備，因此對高速機(jī)械、高速零件作振動計(jì)算。2023/10/1530

振動穩(wěn)定性----使受激振作用的零件固有頻率與激振源頻率錯開。0.85f＞fp

或1.15f＜fp

(2-4)

否則，改變f---改變零件及系統(tǒng)的剛度，改變支承位置，增加或減少輔助支承等。f：固有頻率，fp：激振源頻率。

若時間延長，

t→t+dt

中，又有dN

件失效，則在dt

時間內(nèi)，破壞的比率稱為失效率

即2023/10/1531五、可靠性準(zhǔn)則零件數(shù)量為N0，一定工況下、在時間t后，有N件正常工作，則此零件的可靠度(2-5)分3階段：

長時間使用，零件磨損大，失效率急劇增加。失效率λ(t)與時間t的關(guān)系----“浴盆曲線。2023/10/1532tλ(t)IIIIIIⅢ→損壞階段。Ⅰ→早期失效階段。

失效率急劇下降到某一穩(wěn)定值。原因：零件原始缺陷，未經(jīng)跑合等。Ⅱ→正常使用階段。失效率緩慢增長。(若失效，一般是偶然原因引起。)失效率曲線表示，可靠性的另一指標(biāo)：零件的平均工作時間m?？尚迯?fù)的零件---指平均故障間隔時間。工程中，用統(tǒng)計(jì)法求得平均壽命。機(jī)械零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則小結(jié)§2-7機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法常規(guī)設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法理論設(shè)計(jì)法經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)法2023/10/1534見2-11

常規(guī)設(shè)計(jì)方法:

采用一定的理論分析和計(jì)算，結(jié)合長期設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中總結(jié)的方法、公式、圖表等進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。一、理論設(shè)計(jì)：

根據(jù)設(shè)計(jì)理論及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，稱為~以拉桿為例，強(qiáng)度計(jì)算（2-7）F

—拉桿上的外載；A

—拉桿橫截面積；σlim—材料的極限應(yīng)力；

S

—安全系數(shù)1、設(shè)計(jì)計(jì)算：（2-7a）2023/10/15352、校核計(jì)算：（2-7b）（2-7c）（2-7d）（2-7e）二、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

根據(jù)某類件已有設(shè)計(jì)與使用歸納的經(jīng)驗(yàn)公式；或設(shè)計(jì)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)用類比法設(shè)計(jì)。

適合使用要求變化不大、結(jié)構(gòu)形狀已典型化的零件的設(shè)計(jì)。如：箱體、機(jī)架、傳動件。2023/10/1536三、模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)：

把初步的設(shè)計(jì)做成小模型或小樣機(jī)，進(jìn)行試驗(yàn)對特性進(jìn)行檢驗(yàn)，逐步完善。---對尺寸巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的重要零件很有效?！?-8機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟1、根據(jù)使用要求，選擇類型、結(jié)構(gòu)。對各種不同零件綜合比較。2、根據(jù)工作要求，計(jì)算零件上的載荷。

4、根據(jù)工作條件及特殊需要選擇材料。

3、根據(jù)失效，確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。5、計(jì)算零件基本尺寸。6、根據(jù)工藝、標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。377、必要時，詳細(xì)校核以判斷結(jié)構(gòu)合理性。

8、畫零件工作圖，并整理編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。⑴鑄鐵：灰鐵熔點(diǎn)低，流動性好，強(qiáng)度高、韌性低。

球鐵強(qiáng)度高，加工性能好，韌性有所提高，可代替鋼。

⑵鑄鋼：鑄造性比鑄鐵差、比鍛鋼和軋制鋼好。強(qiáng)度比鑄鐵好、比鍛鋼和軋制鋼差§2-9機(jī)械零件的材料及選用

合理選材：提高零件質(zhì)量和降低制造成本。1、金屬

一、常用材料⑶碳鋼與合金鋼：應(yīng)用最廣碳鋼：強(qiáng)度高、韌性好。摻入鎳、鎢、鉬、釩、銅、鈦、鋁、鈷、硅…得合金鋼。合金使鋼的性質(zhì)發(fā)生質(zhì)躍----性能優(yōu)異。⑷有色金屬：除鋼鐵外的金屬。

鋁及合金----重量輕、導(dǎo)熱、導(dǎo)電性較好、塑性好、抗氧化，高強(qiáng)度鋁合金強(qiáng)度近碳鋼---設(shè)備減重，強(qiáng)度高，不怕腐蝕，用途廣。銅及合金——耐蝕性強(qiáng)，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，減摩、耐蝕。許多零件難用其它材料代替。2023/10/1539黃銅：Cu與Zn合金青銅：Cu與Sn合金無錫青銅：Cu與鋁、硅、錳、鎳的合金。2、高分子材料

高分子量，分子間細(xì)長鏈相互糾纏，分子間力非常強(qiáng)----強(qiáng)度不高和彈性高。長鏈不易傳熱，熔前有軟化過程----可塑性好；絕緣性高。

氮化硅陶瓷：精密陶瓷。

高的強(qiáng)度和硬度，耐高溫、耐蝕性和抗急冷急熱，用途廣。3、陶瓷材料2023/10/1540

碳化硅陶瓷：精密陶瓷---堅(jiān)硬，可代金剛石。在1400℃，抗彎強(qiáng)度50～60Kg/㎜

2，是高溫燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的理想材料。

強(qiáng)度較高，耐高溫和低溫，可制造輕載零件。如：聚碳酸脂、聚酰胺、聚甲醛。

工程塑料：主要成分為合成樹脂，加入添加劑---較日用的4、復(fù)合材料

金屬多不耐蝕，無機(jī)非金屬較脆，有機(jī)高分子不耐高溫。行之有效的辦法:兩種或多種材料復(fù)合，取長補(bǔ)短，以獲得工程技術(shù)所需的綜合性能----復(fù)合材料。二、零件選材5原則1、載荷大小和性質(zhì)

脆