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1、第2课第二章 机械设计概述一、 设计机器应满足的要求由于技术的进步及社会和人们对生产和生活日益增长的需要，要求不断地设计出新的机器。机器的性能与组成机器的机械零件的性能紧密相关。只有了解机器应满足哪些性能要求，才能从设计角度出发更好地了解机械零件应满足哪些要求。比如说飞机，首先了解飞机应满足重量轻、能飞上天的要求，才能更好地了解飞机零件应满足什么样的要求。设计机器时，应满足下列要求：1、 具有预定功能的要求：刚才提到，为了解决生产、生活中存在的特定问题，需要设计机器，所以说机器具有预定功能。设计阶段中，应根据机器的预定功能，来选择机器的工作原理。 例如：某厂建一发电机组，额定发电机，选定原动机
2、（如柴油机）。可以看出，原动机与发电机之间需要减速，那么就需要设计一个具有减速功能的机器。2、 具有经济性要求：即要求设计、制造和使用机器的费用少。机器的经济性要求是一个综合性指标。在设计过程中，自始至终都要研究经济核算、经济效果、经济效率。可以采用下列措施保证经济性要求：P9（1）、从提高设计制造经济性指标入手；（2）、从提高使用经济性指标入手；设计时，要进行多个方案的经济分析和价格对比。 每件成本例如：对于螺栓加工，我们来看一下它的每件成本和生产总件数之间的关系：1、用普通车床加工螺栓，关系在图中用直线表示，每件 A总成本并不随件数的增加而变化，； 12、若采用滚丝机加工，关系用曲线表示，
3、则有生产率得以提高，随着总件数的增加，成本会下降。2曲线与直线的交点A为等价点，即成本相同的总件数。可以看出，在A点左方的生产规模，采用滚 总件数 丝机生产是不经济的。 机器的经济性必须与其它要求相联系，并不孤立，要综合考虑，不能单纯地追求降价，更不能放弃可靠性的要求。3、 安全性要求：安全，是指操作者及机器工作时本身的安全。在机器中，必须配备各种防护装置和措施，如防护罩，安全联轴器等。4、 可靠性要求：在机器设计中，必须需要十分注意可靠性要求。随着科技发展，机器的可靠性评价，由定性发展为定量，可靠性用可靠度来表示。（）、可靠度：指在规定的使用时间内和预定的环境条件下，机器能够正常地完成其功能
4、的概率。或说：大量的零件在规定的使用寿命内和预定的环境条件下，能连续工作件数占总件数的百分数。（）零件可靠度的计算公式：失效概率：，为失效件数；根据该公式我们来看一个例题。例如：一批轴承，装到转时，由的轴承失效，则这批轴承的可靠度。（3）、机器的可靠度：因机器由各种零件组成，故取决于。但不管机器多复杂，基本上分两种：ABCN、构件串联，如减速传动装置 、构件并联，如车床变速机构。若失效，则系统功能由构件完成。所以，只有所有构件都失效时，整个系统才失效。，为各零件的失效概率，则整个机器失效概率：ABCD可靠度 （4）、提高机器可靠度的措施：、 最好由等可靠的零件组成机器；， 其中最小者。、 减少
5、系统的组成单元；单元数 ，R ；若由100个等的零件串联成一部机器，则，也就无使用价值了。、 采用技术措施，提高耐磨性、疲劳强度，使R 。、 工作时，出现短期过载时，加安全装置；对于重要机器，加监视装置；由冲击载荷时，加消振装置。、 对零件进行科学的检测，并采用技术措施，避免由于材料、工艺缺陷造成的早期失效和偶然失效。、 尽量将机器分成合理部件，以便独立更换或维修，合理地安排检修期。、 根据可靠性要求，来选择安全系数。机器的各零件可靠度R不同，即使其它条件相同，其安全系数应有不同值。例如：一对齿轮，在飞机和机床上用，其可靠度R不同，所以其全系数也不同。（5）、可靠度的产品不存在。因为，不论同一
6、工厂，同一时间，同一台设备，同一种方法制造出来的零件；也不论工厂的设备多么先进，工艺多么合理，技术水平多么高，由于材料、人为因素等原因，使得各零件质量不同，所以，。二、 设计机器的一般顺序一部机器的质量基本上取决于设计质量。要想使机器满足预定功能、经济性、安全性等要求，就得搞好设计，把好设计质量是决定机器优劣的关键。这里，我们说的“设计”，指的是技术性的设计过程。它是一个创造性的工作过程，同时又是个充分利用已有经验的工作。要提高设计质量，除了有一个正确的设计方法外，还必须有一个科学的设计程序。设计机器并没有固定不定的程序，须视具体情况而定。在此，介绍较为典型的一般程序。1、 计划阶段这只是个预
7、备阶段，其目标是给出设计任务书。此阶段主要由三项工作要做：（1）、调研：了解同类产品生产、使用情况、优缺点、材料、标准件有哪些及采用先进技术的可能性。（2）、分析：机器的功能、经济性、加工等约束条件。（3）、写出任务书：内容包括机器的功能、经济性估计、制造要求估计、基本使用要求及预计期限等。注意；对这些要求和条件，只是给出一个合理范围，而非准确数字。2、 方案设计阶段这个阶段对设计的成败很关键。此阶段的目的是：提出原理性的设计方案、原理图或机构运动简图。（1）、第一步对机器的功能分析，指对设计任务书中提出的机器功能中必须达到的要求进行综合分析，也就是这些功能能否达到，相互间有没有矛盾等。提出任
8、务（2）、第二步提出可解决问题的办法。（3）、第三步是组合多种方案。尤其是在选工作原理分析对机器的要求计划阶 段时，先从执行部分开始，假定有个方案，确定任务书然后是传动部分，设有方案个，再是原机器功能分析动机，方案有个，那么可能的方案数就为： 提出可能解决的办法（4）、第四步进行综合评价。以经济性评价为例。方案设计阶 段既要考虑设计及制造时的经济性，也要组合多种方案考虑使用时的经济性。如果机器的结构方案较为复杂，则其设计制造成本就要相对增大，但是随着机器机构的健全，其功能将更为齐评 价全，生产率也较高，则使用的经济性较好；反之，若结构较为简单，功能不够齐全，虽选定方案然机器的设计及制造费用低，
9、但使用费用却会增多。作图表示： 明确构形要求 总费用结构化 设计费用选材料、定尺寸 使用费用 最优评 价把设计制造费用和使用费用加起来，得到总费用。费用曲线最低处所对应的机器复技术设计阶段杂程度即最优的复杂程度，相应于此复杂程度定结构形状及尺寸的机器结构方案即经济最佳方案。（5）、选定方案零件设计3、 技术设计阶段这一阶段目标是产生总装配图和部件装配图。此阶段共分8步，（见右图中）在这部件设计个阶段应该做的工作有：（1）、对机器的运动学设计总体设计指根据确定的结构方案 确定原动机参数（如功率、转速n、线速度v等） 写总体设计说明书 做运动学计算 确定各运动构件的运动参数（如转速n、速度v、加速
10、度等）。（2）、机器的动力学设计要根据结合部分的结构及运动参数，计算各主要零件上所受载荷P的大小及特性。（3）、零件的工作能力设计根据零件上所受载荷P的大小与特征，参照零、部件的一般失效情况、工作特性、环境等，采用强度、刚度、振动稳定性、寿命等准则，进行计算或类比，从而决定零、部件的基本尺寸。（4）、部件装配图及总装图的设计在草图上，需要对所有零件的外形及尺寸进行结构设计。这个步骤中，要很好地协调各零件的结构及尺寸，同时考虑结构工艺性，得以合理的构形。（5）、主要零件校核因为在初步计算设计时，零件外形、结构还未定，因此不能进行详细的工作能力的计算。绘出草图以后，所有的零件尺寸均已知，才能进行较
11、为精确地校核，再根据校核结果，反复修改零件的结构及尺寸，直至满意。（6）、设计零件工作图此时，要充分考虑靠零件加工和装配工艺性等细节，绘制零件的工作图。最后，按定性的零件工作图上的结构及尺寸，重新绘制部件装配图及总装图。4、 技术文件编制阶段编制设计计算说明书，包括方案选择及技术设计的全部结论性内容。编制使用说明书，向用户介绍机器的性能参数范围、使用操作方法、日常保养及简单的维修方法、备用件目录等。三、 机械零件的主要失效形式：1、 失效的定义： 零件丧失应有的功能，如承受某种载荷，传递能量、完成某种动作等，这些功能没有了，就称为之失效。2、 分类（1）、断裂虽然由于断裂所引起的失效只占4.7
12、9%，但是这种失效形式往往造成灾难性后果。比如在19世纪后期，火车轴断裂，使新兴的铁路交通陷入危机，使得当时英皇家学院不得不悬重金攻关；再如第一次世界打仗中曾多次发生炮炸膛事故，及二次世界大战中出现轮船船体断裂事故等。、 定义：在机械载荷或应力作用下，有时还兼有各种热、腐蚀和其它因素的作用，而使物体分成几个部分的现象，通常定义为固体完全断裂，简称断裂。、 分类：在实际中，广泛存在一下两种断裂：a、 韧性断裂：韧性材料中，由于超过静强度而致；b、 脆性断裂：是脆性材料中，由高温引起的脆性断裂，如陶瓷。这是近几十年来，新兴起的一门专门研究断裂机理、断裂过程及规律的学科（断裂力学），用于解决工程力学
13、问题。（2）、过大残余变形这也是零件的主要失效形式之一。其结果能使电机轴变形、电机扫膛，无法进行正常工作，使机床主轴、定位零件变形，降低加工精度等。、 原因：是由于作用零件上的应力超过了材料的屈服极限。、 分类：扭曲，此种变形在花键中常见；胀大超限，如油嘴孔过大；拉长，如螺栓的伸长；弹性元件发生永久变形，如弹簧无弹力；高温低温下的蠕变等。这在动力机械中会遇到。（3）、零件的表面破坏：零件的表面破坏了，使机械零件大量丧失其功能，这种失效的数量远远大于断裂和过大残余变形，大约占了73.88%。、 分类：a、 磨损：指两个接触表面在作相对运动的过程中表面物质丧失或转移的现象。主要分为：b、 腐蚀：这
14、是发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象。如锈蚀、起氧化皮、组织疏松等。c、 接触疲劳：这是零件表面在受到接触变应力的长期作用，表面产生裂纹或微粒剥落的现象，如点蚀（我们将在后面齿轮处讲到）。、 产生原因：表面破坏的发展过程表明，表面破坏与表面层内状态发生变化有密切的联系。a、 表面层几何形状：为微观几何形状，如不圆度、凸度、扭曲度，易发生磨损和应力集中。一旦有裂纹产生，此处就易发生点蚀。b、 表面层的应力状态：若为局部接触应力，会因有不平度存在产生表面破坏；如为应力集中，会在结构圆角、孔、槽处，产生划伤、裂纹。c、 表面结构与金属本体有很大差别：零件表面上留有加工痕迹；那么其金属组织就有了扭曲与缺陷。使用中，因力、温度、氧化影响，发生变化，引起表面破坏。而对有润滑油的表面，表面活性介质会影响其破坏过程和变形过程。（4）、破化正常工作条件而引起的失效有些零件在一定的工作条件下，才能正常工作。比如，滑动轴承必须
