第2章 機(jī)械零件設(shè)計(jì)總論

§2-1

機(jī)器的組成§2-2

設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序§2-3

對(duì)機(jī)器的主要要求§2-4

機(jī)械零件的主要失效形式§2-5

設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足的基本要求§2-6

機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則§2-7

機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法§2-8

機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟§2-9

機(jī)械零件材料的選用原則§2-10機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化§2-11機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介第2章機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授潘存云教授研制人們?yōu)榱藵M足生產(chǎn)和生活的需要，研制了類型繁多、功能各異的機(jī)器。尤其是蒸汽機(jī)出現(xiàn)之后，使機(jī)器具有了完整的形態(tài)。一臺(tái)完整的機(jī)器的組成如下：原動(dòng)機(jī)部分傳動(dòng)部分執(zhí)行部分潤(rùn)滑、顯示、照明等輔助部分控制系統(tǒng)傳感器傳感器傳感器§2-1

機(jī)器的組成

北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授原動(dòng)部分——機(jī)器完成預(yù)定功能的動(dòng)力源，最常見的是

內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)。執(zhí)行部分——完成預(yù)定的動(dòng)作，位于傳動(dòng)路線的終點(diǎn)。

傳動(dòng)部分——聯(lián)接原動(dòng)機(jī)和執(zhí)行部分的中間部分。

控制部分——保證機(jī)器的啟動(dòng)、停止和正常協(xié)調(diào)動(dòng)作。傳感部分——將機(jī)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(jī)器的潤(rùn)滑、顯示、照明等。也是保證機(jī)器正常工作不可缺少的部分北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授§2-2

設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序一般而言，機(jī)器的設(shè)計(jì)階段是決定機(jī)器好壞的關(guān)鍵一環(huán)。機(jī)械設(shè)計(jì)是一個(gè)創(chuàng)造性的工作過(guò)程，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要因素。因此，要求設(shè)計(jì)者特別注意經(jīng)驗(yàn)的積累。一部完整的機(jī)器是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，要提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，必須有一個(gè)科學(xué)的設(shè)計(jì)程序。機(jī)械設(shè)計(jì)的一般過(guò)程：▲

計(jì)劃階段▲方案設(shè)計(jì)階段▲技術(shù)設(shè)計(jì)階段▲

技術(shù)文件編制階段一、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。北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授設(shè)計(jì)任務(wù)書機(jī)器的功能經(jīng)濟(jì)性估計(jì)制造要求的大致估計(jì)基本使用要求預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)周期二、方案設(shè)計(jì)階段對(duì)機(jī)器的功能進(jìn)行綜合分析、確定功能參數(shù)、提出實(shí)現(xiàn)方案。在制定功能參數(shù)時(shí)一定要注意恰當(dāng)處理需要與可能、理想與現(xiàn)實(shí)、長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)與當(dāng)前目標(biāo)等之間的關(guān)系。一般而言，實(shí)現(xiàn)同一個(gè)功能，有多種可能的方案。以螺紋制造為例，有車削、滾壓、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(gè)方案的比較和取舍問(wèn)題。北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授潘存云教授研制方案評(píng)價(jià)原則：經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)上可行。

總費(fèi)用設(shè)計(jì)制造費(fèi)用使用費(fèi)用費(fèi)用復(fù)雜程度經(jīng)濟(jì)性——總費(fèi)用最低。方案設(shè)計(jì)階段要正確處理好借鑒與創(chuàng)新的關(guān)系。同類機(jī)器的成功先例應(yīng)當(dāng)借鑒，但其中的薄弱環(huán)節(jié)和不符合現(xiàn)有任務(wù)要求的部分應(yīng)當(dāng)加以改進(jìn)或替換。一味求新而把合理的原有經(jīng)驗(yàn)棄置不用保守和照搬原有設(shè)計(jì)堅(jiān)決反對(duì)三、技術(shù)設(shè)計(jì)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、基本尺寸和零件工作圖。北京林業(yè)大學(xué)專用作者：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(jī)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)(2）機(jī)器的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)(3）零件的工作能力設(shè)計(jì)(4）部件裝配草圖及總裝配草圖的設(shè)計(jì)——結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(5）主要零件的校核計(jì)算確定原動(dòng)機(jī)的參數(shù)（功率、轉(zhuǎn)速、線速度等）。求解構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)（轉(zhuǎn)速、速度、加速度等）。計(jì)算構(gòu)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(zhǔn)則作零部件的初步設(shè)計(jì)。通過(guò)計(jì)算或類比得出零件的基本尺寸。以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸為依據(jù)，對(duì)零件進(jìn)行精確的受力分析和工作能力校核計(jì)算。北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授四、技術(shù)文件編制技術(shù)文件設(shè)計(jì)說(shuō)明書

使用說(shuō)明書

零件明細(xì)表

標(biāo)準(zhǔn)件匯總表產(chǎn)品驗(yàn)收條件……技術(shù)文件——用來(lái)說(shuō)明產(chǎn)品性能、設(shè)計(jì)、制造、操作使用、維護(hù)或其他所有與產(chǎn)品相關(guān)的文檔資料。北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制技術(shù)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)計(jì)劃提出任務(wù)分析對(duì)機(jī)器的要求確定任務(wù)要求機(jī)器功能分析提出可能的解決辦法組合幾種可能的方案決策——選定方案明確構(gòu)形要求結(jié)構(gòu)化選擇材料、確定尺寸零件設(shè)計(jì)編制技術(shù)文件評(píng)價(jià)決策—確定結(jié)構(gòu)形狀與尺寸評(píng)價(jià)部件設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)機(jī)器設(shè)計(jì)的一般流程北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授設(shè)計(jì)機(jī)器的任務(wù)是在當(dāng)前技術(shù)發(fā)展所能達(dá)到的條件下，根據(jù)生產(chǎn)及生活的需要提出的。不管機(jī)器的類型如何，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)機(jī)器都要提出以下的基本要求：▲使用功能要求§2-3

對(duì)機(jī)器的主要要求使用功能要求——機(jī)器應(yīng)具有預(yù)定的使用功能。這主要靠正確地選擇機(jī)器的工作原理，正確地設(shè)計(jì)或選用能夠全面實(shí)現(xiàn)功能要求的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和原動(dòng)機(jī)，以及合理地配置必要的輔助系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在滿足預(yù)期功能的前提下，要求性能好、效率高、成本低，造型美觀，在預(yù)定使用期限內(nèi)要安全可靠，操作方便、維修簡(jiǎn)單。具體要求如下：▲經(jīng)濟(jì)性要求▲勞動(dòng)保護(hù)要求▲可靠性要求▲其他專用要求北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授經(jīng)濟(jì)性要求——機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造和使用的全過(guò)程中，設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)就要全面綜合地進(jìn)行考慮。設(shè)計(jì)制造的經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)為機(jī)器的成本低，使用經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)為高生產(chǎn)率高效率、低能耗、以及低的管理和維護(hù)費(fèi)用等。▲使用功能要求▲經(jīng)濟(jì)性要求▲勞動(dòng)保護(hù)要求▲可靠性要求▲其他專用要求北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授提高設(shè)計(jì)和制造經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的主要途徑有:（1）采用先進(jìn)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法(CAD)，使設(shè)計(jì)參數(shù)最優(yōu)化,達(dá)到盡可能精確的計(jì)算結(jié)果,保證機(jī)器足夠的可靠性。（2）最大限度地采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化的零、部件。（3）盡可能采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料。（4）合理地組織設(shè)計(jì)和制造過(guò)程。（5）力求改善零件的結(jié)構(gòu)工藝性，使其用料少、易加工、易裝配。北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授（1）合理地提高機(jī)器的機(jī)械化和自動(dòng)化水平，以期提高機(jī)器的生產(chǎn)率。提高使用經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的主要途徑有（2）選用高效率的傳動(dòng)系統(tǒng)，盡可能減少傳動(dòng)的中間環(huán)節(jié)，以期降低能源消耗。（3）適當(dāng)?shù)夭捎梅雷o(hù)及潤(rùn)滑，以延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命。（4）采用可靠的密封，減少或消除滲漏現(xiàn)象。北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授(1)要使機(jī)器的操作者方便和安全。因此設(shè)計(jì)時(shí)要按照人機(jī)工程學(xué)的觀點(diǎn)布置各種按鈕、手柄，使操作方式符合人們的心理和習(xí)慣，同時(shí)，設(shè)置完善的安全裝置、報(bào)警裝置、顯示裝置等。(2）改善操作者及機(jī)器的環(huán)境。所設(shè)計(jì)的機(jī)器應(yīng)符合勞動(dòng)保護(hù)法規(guī)的要求。降低機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲水平，防止有毒、有害介質(zhì)的滲漏，對(duì)廢水、廢氣和廢液進(jìn)行治理。▲使用功能要求▲經(jīng)濟(jì)性要求▲勞動(dòng)保護(hù)要求▲可靠性要求▲其他專用要求北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授機(jī)器的可靠度——指在規(guī)定的使用時(shí)間內(nèi)和預(yù)定的環(huán)境下機(jī)器能夠正常工作的概率。機(jī)器由于某種故障而不能完成預(yù)定的功能稱為失效，它是隨機(jī)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(xué)性能等因素是隨機(jī)變化的。為了提高零件的可靠性，就應(yīng)當(dāng)在工作條件和零件性能兩個(gè)方面使其變化盡可能小?！褂霉δ芤蟆?jīng)濟(jì)性要求▲勞動(dòng)保護(hù)要求▲可靠性要求▲其他專用要求北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授其他專用要求——針對(duì)不同機(jī)器所特有的要求。例如：(1)對(duì)機(jī)床有長(zhǎng)期保持精度的要求；(2)對(duì)飛機(jī)有質(zhì)量小，飛行阻力小而運(yùn)載能力大的要求；(3)對(duì)流動(dòng)使用的機(jī)器有便于安裝和拆卸的要求；(4)對(duì)大型機(jī)器有便于運(yùn)輸?shù)囊蟮鹊?。▲使用功能要求▲?jīng)濟(jì)性要求▲勞動(dòng)保護(hù)要求▲可靠性要求▲其它專用要求北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授機(jī)械零件的失效：機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作時(shí)，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(duì)載荷而言，所以習(xí)慣上又稱為承載能力。例如，發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，聯(lián)接的松弛，摩擦傳動(dòng)的打滑等?！?-4

機(jī)械零件的主要失效形式整體斷裂過(guò)大的殘余變形工作表面的過(guò)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(dòng)等。機(jī)械零件雖然有多種可能的失效形式，歸納起來(lái)最主要的為北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授機(jī)械零件失效實(shí)例：潘存云教授研制輪齒塑性變形潘存云教授研制齒輪輪齒折斷潘存云教授研制軸承內(nèi)圈破裂潘存云教授研制軸承外圈塑性變形北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授失效原因:強(qiáng)度、剛度、耐磨性、振動(dòng)穩(wěn)定性、溫度等原因。統(tǒng)計(jì)結(jié)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。潘存云教授研制齒面接觸疲勞潘存云教授研制軸瓦磨損北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授▲

避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求▲

結(jié)構(gòu)工藝性要求▲

經(jīng)濟(jì)性要求▲

質(zhì)量小的要求▲

可靠性要求機(jī)器是由各種各樣的零部件組成的，要使所設(shè)計(jì)的機(jī)器滿足基本要求，就必須使組成機(jī)器的零件滿足以下要求：應(yīng)保證零件有足夠的強(qiáng)度、剛度、壽命。§2-5

設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足的基本要求一、避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授提高零件強(qiáng)度的措施有：▲采用高強(qiáng)度的材料▲使零件具有足夠的截面尺寸▲合理設(shè)計(jì)零件的截面形狀，增大慣性矩▲采用熱處理和化學(xué)處理方法提高材料的強(qiáng)度性能▲提高零件的制造精度，以減少工作時(shí)的動(dòng)載荷▲合理配置零件的相對(duì)位置，以降低零件的載荷1.強(qiáng)度要求2.剛度要求零件在工作時(shí)的彈性變形不能超過(guò)允許的范圍稱為零件的剛度要求。北京林業(yè)大學(xué)專用作者：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(diǎn)支承。3.壽命要求影響零件壽命的主要因素有大部分零件工作在變應(yīng)力下，故疲勞破壞是引起零件破壞的主要原因。影響疲勞強(qiáng)度的因素有疲勞破壞腐蝕磨損▲應(yīng)力集中▲零件的尺寸大小▲零件表面質(zhì)量及環(huán)境狀況零件處在腐蝕性介質(zhì)中工作時(shí)，可能使材料遭到腐蝕。北京林業(yè)大學(xué)專用作者：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(yáng)極化二、結(jié)構(gòu)工藝性要求零件工藝性良好的標(biāo)志——在具體的生產(chǎn)條件下，零件要便于加工而加工費(fèi)用又很低。工藝性的基本要求：(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(chǎn)批量、材料性能和加工可能性有關(guān)。單件或小批量生產(chǎn)時(shí)，選用棒料、板材、型材或焊件。大批量生產(chǎn)時(shí)，往往選用鑄造、鍛造、沖壓等方法。北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理▲最好采用平面、柱面、螺旋面等簡(jiǎn)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表面粗糙度的提高而急劇增加。決不能盲目追求高精度，應(yīng)在滿足使用要求的前提下，盡量采用較低的精度和表面質(zhì)量?！M量采用標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)盡量接近零件本身的形狀和尺寸。力求使少或無(wú)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(jìn)工藝滿足上述要求欲設(shè)計(jì)出工藝性良好的零件，設(shè)計(jì)者必須虛心向工藝技術(shù)人員和一線工人學(xué)習(xí)，在實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)。北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授三、經(jīng)濟(jì)性要求零件的經(jīng)濟(jì)性首先表現(xiàn)在零件的生產(chǎn)制造成本上。▲簡(jiǎn)化零件的結(jié)構(gòu)，降低材料消耗▲采用無(wú)余量、少余量的毛坯，減少加工工時(shí)▲采用廉價(jià)而充足的材料代替昂貴材料▲大型零件采用組合結(jié)構(gòu)而非整體結(jié)構(gòu)▲盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件四、質(zhì)量小的要求減小質(zhì)量的好處節(jié)約材料；減小慣性，改善機(jī)器的動(dòng)力性能。減小質(zhì)量的措施：▲采用緩沖裝置來(lái)降低零件所受沖擊載荷北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授減小質(zhì)量的措施：▲采用緩沖裝置來(lái)降低零件所受沖擊載荷▲采用安全裝置來(lái)限制作用在零件所受最大載荷▲從零件應(yīng)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(yù)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(qiáng)重比高的材料五、可靠性要求零件的實(shí)效是隨機(jī)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(jī)械性能等因素是隨機(jī)變化的。為了提高零件的可靠性，就應(yīng)當(dāng)在工作條件和零件性能兩個(gè)方面使其變化盡可能小。北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授§2-6

機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則

▲強(qiáng)度準(zhǔn)則▲

剛度準(zhǔn)則設(shè)計(jì)零件時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)零件的失效形式確定其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。一般來(lái)講，有以下幾種準(zhǔn)則：▲

壽命準(zhǔn)則▲

振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則▲

可靠性準(zhǔn)則——確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過(guò)大的塑性變形，是最基本的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則——確保零件不發(fā)生過(guò)大的彈性變形——通常與零件的疲勞、磨損、腐蝕相關(guān)——高速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)應(yīng)注重此項(xiàng)準(zhǔn)則——當(dāng)計(jì)及隨機(jī)因素影響時(shí)，仍應(yīng)確保上述各項(xiàng)準(zhǔn)則北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授強(qiáng)度準(zhǔn)則是指零件中的應(yīng)力不得超過(guò)許用值。即：一、強(qiáng)度準(zhǔn)則

σ

≤

σlimσlim

——材料的極限應(yīng)力脆性材料σlim

=σB(強(qiáng)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(guò)大，雖安全但浪費(fèi)材料；S過(guò)小，雖節(jié)省材料，但趨于危險(xiǎn)。——許用應(yīng)力二、剛度準(zhǔn)則

是指零件在力作用下的彈性變形量不得超過(guò)許用值。即y

≤[y]

北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授三、壽命準(zhǔn)則

影響零件使用壽命的因素主要是腐蝕、磨損和疲勞。前兩者還沒(méi)有成熟的計(jì)算方法，工程中通常是求出使用壽命時(shí)的疲勞極限作為計(jì)算的依據(jù)。四、振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則

保證機(jī)器中受激振零件的固有頻率與激振源的頻率錯(cuò)開，即要求：0.85f>fp或1.15f<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(diào)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北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授五、可靠性準(zhǔn)則

可靠度的定義：對(duì)件數(shù)為N0的一批零件進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)時(shí)間t之后有N件仍能正常工作，則該零件在該試驗(yàn)環(huán)境條件下工作時(shí)間t的可靠度定義為R=N

/N0若t↑

R

↓

N↓——R是時(shí)間的函數(shù)。若在時(shí)間t+dt內(nèi)，又有dN個(gè)零件失效，則dt內(nèi)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。分離變量并積分得北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授即零件可靠度的另一個(gè)指標(biāo)是兩次失效之間的平均無(wú)故障時(shí)間m（MTBF），m與λ的關(guān)系為M=1/λ

北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授§2-7

機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法常規(guī)設(shè)計(jì)方法是指采用一定的理論分析和計(jì)算，結(jié)合人們?cè)陂L(zhǎng)期的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出的方法、公式、圖表等進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。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)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(1)理論設(shè)計(jì)

根據(jù)長(zhǎng)期實(shí)踐總結(jié)出來(lái)的設(shè)計(jì)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所進(jìn)行的設(shè)計(jì)。北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授以受拉桿為例，強(qiáng)度計(jì)算公式為σ

≤

σlim/S或

F/A

≤

σlim/SF

——拉力，A

——截面積。設(shè)計(jì)計(jì)算A≥

FS/σlim校核計(jì)算有四種可選方式σ=F/A

≤[σ]

F≤

A

[σ]Sca=σlim/σ≥

Sσlim

≥

SσSca

——計(jì)算安全系數(shù)北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)——根據(jù)對(duì)某類零件已有的設(shè)計(jì)與使用實(shí)踐而歸納出的經(jīng)驗(yàn)公式，或根據(jù)設(shè)計(jì)者本人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)用類比的方法所進(jìn)行的設(shè)計(jì)。這對(duì)于那些使用要求變化不大而結(jié)構(gòu)形狀已典型化的零件，是很有效的設(shè)計(jì)方法。例如箱體、機(jī)架、傳動(dòng)件的結(jié)構(gòu)要素等。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)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)——把初步設(shè)計(jì)的零、部件或機(jī)器做成小模型或小尺寸樣機(jī)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)的手段對(duì)其特性進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果再對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行逐步修改，達(dá)到完善。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)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)這種方法對(duì)于那些尺寸巨大而結(jié)構(gòu)又很復(fù)雜的重要零件的設(shè)計(jì)是一種很有效的方法。北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是指在近二三十年發(fā)展起來(lái)的更為完善、科學(xué)、計(jì)算精度高、設(shè)計(jì)與計(jì)算速度更快的機(jī)械設(shè)計(jì)方法。優(yōu)化設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授§2-8

機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟(1)

根據(jù)零件的使用要求，選擇零件的類型和結(jié)構(gòu)。為此，必須對(duì)各種零件的不同類型、優(yōu)缺點(diǎn)、特性和使用范圍等，進(jìn)行綜合對(duì)比與正確選用。(2)

根據(jù)機(jī)器的工作要求，計(jì)算作用在零件上的載荷。(3)

根據(jù)零件的工作條件及對(duì)零件的特殊要求(如高溫環(huán)境等)選擇適當(dāng)?shù)牟牧稀?4)

根據(jù)零件的失效形式，確定零件的計(jì)算準(zhǔn)則，通過(guò)計(jì)算，確定零件的基本尺寸。(5)

根據(jù)工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(6)

細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)完成之后，必要時(shí)]進(jìn)行詳細(xì)的校核計(jì)算，以判定結(jié)構(gòu)的合理性。(7)

繪制零件工作圖，并撰寫計(jì)算說(shuō)明書。北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授潘存云教授研制選擇零件類型、結(jié)構(gòu)寫出計(jì)算說(shuō)明書畫出零件工作圖校核計(jì)算計(jì)算零件上的載荷確定計(jì)算準(zhǔn)則選擇零件的材料確定零件的基本尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)零件的設(shè)計(jì)流程圖北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼金屬材料一、常用材料低碳鋼(08F)中碳鋼(45)高碳鋼(60)合金鋼(1Cr18）……灰鑄鐵(TH300)球墨鑄鐵(QT500-5)……§2-9

機(jī)械零件材料的選用原則鋁合金(LY12)銅合金(ZCuSn10P1)鑄鐵——灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。特點(diǎn)：良好的液態(tài)流動(dòng)性，可鑄造成形狀復(fù)雜的零件。較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低廉。應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼金屬材料一、常用材料低碳鋼(08F)中碳鋼(45)高碳鋼(60)合金鋼(1Cr18）…灰鑄鐵(TH300)球墨鑄鐵(QT500-5)…§2-9機(jī)械零件材料的選用原則鋁合金(LY12)銅合金(ZCuSn10P1)鋼——低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼、結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼(不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)、鑄鋼等。特點(diǎn)：與鑄鐵相比，鋼具有高的強(qiáng)度、韌性和塑性?？捎脽崽幚矸椒ǜ纳破淞W(xué)性能和加工性能。北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授潘存云教授研制鋼的選用原則：優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。鋼制零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。應(yīng)用：應(yīng)用范圍極其廣泛。表２-1常用材料的相對(duì)價(jià)格材料種類規(guī)格相對(duì)價(jià)格熱軋圓剛碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235（φ33~42）1鑄件優(yōu)質(zhì)碳素鋼（φ29~50）1.5~1.8合金結(jié)構(gòu)鋼（φ29~50）

1.7~2.5滾動(dòng)軸承鋼（φ29~50）

3合金工具鋼（φ29~50）

3~204Cr9Si2耐熱鋼（φ29~50）

5灰鑄鐵鑄件0.85碳素鋼鑄件1.7銅合金、鋁合金鑄件8~10價(jià)格便宜且供應(yīng)充分我國(guó)資源豐富

北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼金屬材料低碳鋼(08F)中碳鋼(45)高碳鋼(60)合金鋼(1Cr18）…灰鑄鐵(TH300)球墨鑄鐵(QT500-5)…鋁合金(LY12)銅合金(ZCuSn10P1)銅合金——銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳特點(diǎn)：具有良好的塑性和液態(tài)流動(dòng)性。青銅合金還具有良好的減摩性和抗腐蝕性。青銅黃銅軸承合金（巴氏合金）——含錫青銅、不含錫青銅北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造。應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣泛。高分子材料復(fù)合材料陶瓷非金屬材料——塑料、橡膠、合成纖維?！獜?qiáng)如鋼、輕如鋁、硬如金剛石。——強(qiáng)度高、彈性模量大、質(zhì)量輕。橡膠——橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動(dòng)的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤(rùn)滑的軸承襯。塑料——塑料的密度小，易于制成形狀復(fù)雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點(diǎn)，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來(lái)在機(jī)械制造中其應(yīng)用日益廣泛。

北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授▲載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì)▲零件的工作情況

▲零件的結(jié)構(gòu)及加工性

▲材料的經(jīng)濟(jì)性

▲零件的尺寸及重量

二、機(jī)械零件材料的選用原則

適用于制作機(jī)械零件的材料種類非常之多，在設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)，如何從各種各樣的材料中選擇出合適的材料，是一項(xiàng)受多方面因素所制約的復(fù)雜的工作。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、化學(xué)、機(jī)械和工藝性能以及經(jīng)濟(jì)因素等進(jìn)行全面考慮。

選材的一般原則

北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授脆性材料——只適用于制造在靜載荷下工作的零件；1.載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì)2.零件的工作情況

指零件所處的環(huán)境特點(diǎn)、工作溫度、摩擦磨損程度等。這方面的因素主要是從強(qiáng)度觀點(diǎn)來(lái)考慮的，應(yīng)在充分了解材料的機(jī)械性能的前提下來(lái)進(jìn)行選擇。金屬材料的性能一般可以通過(guò)熱處理加以提高和改善，因此要充分利用熱處理手段來(lái)發(fā)揮材料的潛力。對(duì)于常用的調(diào)質(zhì)鋼，由于其回火溫度的不同，可得到力學(xué)性能不同的毛坯。塑性材料——適用于在有沖擊情況下工作的零件?！跐駸岘h(huán)境下工作的零件，其材料應(yīng)具有良好防腐蝕能力，可選用不銹鋼、銅合金等北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授零件的尺寸及質(zhì)量的大小與材料的品種及毛坯制取方法有關(guān)。3.零件的尺寸及質(zhì)量▲兩配合零件的線膨脹系數(shù)不能相差過(guò)大若相差過(guò)大一方面在，溫度變化時(shí)產(chǎn)生過(guò)大熱應(yīng)力或使配合松動(dòng)，另一方面要考慮材料機(jī)械性能隨溫度而變化的情況▲零件在工作中可能發(fā)生磨損的表面，應(yīng)提高其表面硬度，增加耐磨性，因此應(yīng)選擇淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼▲用鑄造材料制造毛坯時(shí)，一般可以不受尺寸及質(zhì)量大小的限制▲而用鍛造材料制造毛坯時(shí)，則須注意鍛壓機(jī)械及設(shè)備的生產(chǎn)能力▲應(yīng)盡可能選用強(qiáng)重比大的材料，以便減小零件的尺寸和質(zhì)量北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授▲

材料的加工費(fèi)用5.材料的經(jīng)濟(jì)性選材時(shí)還應(yīng)考慮到當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)夭牧系墓?yīng)狀況。為了簡(jiǎn)化供應(yīng)和貯存的材料品種，對(duì)于小批制造的零件，應(yīng)盡可能地減少同一部機(jī)器上使用的材料品種和規(guī)格。6.材料的供應(yīng)狀況材料的經(jīng)濟(jì)性主要表現(xiàn)在以下幾方面：

▲

材料本身的相對(duì)價(jià)格▲

材料的利用率▲

采用組合結(jié)構(gòu)▲

節(jié)約稀有材料各種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能可在相關(guān)國(guó)標(biāo)、行標(biāo)和機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得。為了材料供應(yīng)和生產(chǎn)管理上的方便，應(yīng)盡量減少一臺(tái)機(jī)器所用材料的品種。北京林業(yè)大學(xué)專用作者：潘存云教授潘存云教授研制表2-2常用鋼鐵材料的牌號(hào)及力學(xué)性能材料力學(xué)性能試件尺寸類別牌號(hào)強(qiáng)度極限σB

屈服極限σS

延伸率%mmQ215335～41021531碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235375～46023526d≤16Q275490～610275202041024525優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr9817859d≤2520CrMnTi107983410d≤1560Mn9817858d≤80ZG270-50050027018鑄鋼ZG310-57057031015d≤100ZG42SiMn60038012HT150145—

—灰鑄鐵HT200195—

—

HT250240—

—

壁厚