机械零件设计总论综述

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1、2-1 机器的组成,2-2 设计机器的一般程序,2-3 对机器的主要要求,2-4 机械零件的主要失效形式,2-5 设计机械零件时应满足的基本要求,2-6 机械零件的计算准则,2-7 机械零件的设计方法,2-8 机械零件设计的一般步骤,2-9 机械零件材料的选用原则,2-10 机械零件设计中的标准化,2-11 机械现代设计方法简介,第2章 机械零件设计概论,潘存云教授研制,人们为了满足生产和生活的需要，研制了类型繁多、功能各异的机器。尤其是蒸汽机出现之后，使机器具有了完整的形态。,一台完整的机器的组成如下：,原动机部分,2-1 机器的组成,原动部分机器完成预定功能的动力源，最常见的是 内燃机、电

2、动机。,执行部分完成预定的动作，位于传动路线的终点。,传动部分联接原动机和执行部分的中间部分。,控制部分保证机器的启动、停止和正常协调动作。,传感部分将机器的工作参数，如位移、速度、加速 度、温度、压力等反馈给控制部分。,辅助部分包括机器的润滑、显示、照明等。也是保 证机器正常工作不可缺少的部分,2-2 设计机器的一般程序,一般而言，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键一环。机械设计是一个创造性的工作过程，实践经验是保证设计质量的重要因素。因此，要求设计者特别注意经验的积累。,机械设计的一般过程：, 计划阶段, 方案设计阶段, 技术设计阶段, 技术文件编制阶段,一、计划阶段,包括：需求分析、明确

3、功能、制定设计任务书。,设计任务书,机器的功能,经济性估计,制造要求的大致估计,基本使用要求,预计的设计周期,二、方案设计阶段,对机器的功能进行综合分析、确定功能参数、提出实现方案。,在制定功能参数时一定要注意恰当处理需要与可能、理想与现实、长远目标与当前目标等之间的关系。,一般而言，实现同一个功能，有多种可能的方案。,以螺纹制造为例：有车削、滚压、板牙加工等方法。,方法不同，其执行部分的工作原理也不同。,潘存云教授研制,方案评价原则：经济性、技术上可行。,经济性-总费用最低。,方案设计阶段要正确处理好借鉴与创新的关系。,同类机器的成功的先例应当借鉴，但其中的薄弱环节和不符合现有任务要求的部分

4、应当加以改进或替换。,三、技术设计阶段,绘制总装配草图、部件装配草图，由草图确定零部件的外形、基本尺寸和零件工作图。,为了确定零件的基本尺寸，必须完成以下工作：,1）机器的运动学设计,2）机器的动力学设计,3）零件的工作能力设计,4）部件装配草图及总装配草图的设计-结构设计,5）主要零件的校核计算,确定原动机的参数（功率、转速、线速度等）。求解构件的运动参数（转速、速度、加速度等）。,计算构件所受公称载荷（名义载荷）的大小和特性。,由公称载荷大小和特性，根据工作能力准则作零部件的初步设计。通过计算或类比得出零件的基本尺寸。,以结构设计尺寸为依据，对零件进行精确的受力分析和工作能力校核计算,四、

5、技术文件编制,技术文件,设计说明书,使用说明书,零件明细表,标准件汇总表,产品验收条件 .,技术文件-用来说明产品性能、设计、制造、操作使用、维护、或其它所有与产品相关的文档资料。,潘存云教授研制,潘存云教授研制,提出任务,明确构形要求,机器设计的一般流程,使用功能要求,2-3 对机器的主要要求,使用功能要求-机器应具有预定的使用功能。这主要靠正确地选择机器的工作原理，正确地设计或选用能够全面实现功能要求的执行机构、传动机构和原动机，以及合理地配置必要的辅助系统来实现。,-在满足预期功能的前提下，要求性能好、效率高、成本低，造型美观，在预定使用期限内要安全可靠，操作方便、维修简单。具体要求如下

6、：,经济性要求,劳动保护要求,可靠性要求,其它专用要求,经济性要求-机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，设计机器时就要全面综合地进行考虑。设计制造的经济性表现为机器的成本低，使用经济性表现为高生产率，高效率，低能耗，以及低的管理和维护费用等。,使用功能要求 经济性要求 劳动保护要求 可靠性要求 其它专用要求,提高设计和制造经济性指标的主要途径有:,1）采用先进的现代设计方法(CAD)，使设计参数最 优化,达到尽可能精确的计算结果,保证机器足够 的可靠性。,2）最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零、 部件。,3）尽可能采用新技术、新工艺、新结构和新材料。,4）合理地组织设计和制造过

7、程。,5）力求改善零件的结构工艺性，使其用料少、易加 工、易装配。,1）合理地提高机器的机械化和自动化水平，以期提 高机器的生产率。,提高使用经济性指标的主要途径有:,2）选用高效率的传动系统，尽可能减少传动的中间 环节，以期降低能源消耗。,3）适当地采用防护及润滑，以延长机器的使用寿命。,4）采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象。,1)要使机器的操作者方便和安全。因此设计时要按照人机工程学的观点布置各种按钮、手柄，使操作方式符合人们的 心理和习惯。同时，设置完善的安全装置、报警装置、显示装置等。,2）改善操作者及机器的环境。所设计的机器应符合劳动保护法规的要求。降低机器运转时的噪声水平，防止有

8、毒、有害介质的渗漏，对废水、废气和废液进行治理。,使用功能要求 经济性要求 劳动保护要求 可靠性要求 其它专用要求,机器的可靠度-指在规定的使用时间内和预定的环境下机器能够正常工作的概率。,机器由于某种故障而不能完成预定的功能称为失效，它是随机发生的，其原因是零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和机械性能等因素是随机变化的。为了提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零件性能两个方面使其变化尽可能小。,使用功能要求 经济性要求 劳动保护要求 可靠性要求 其它专用要求,其它专用要求-针对不同机器所特有的要求。例如： 1)对机床有长期保持精度的要求；,2)对飞机有质量小，飞行阻力小而运载能力大的要求

9、；,3)对流动使用的机器有便于安装和拆卸的要求；,4)对大型机器有便于运输的要求等等。,使用功能要求 经济性要求 劳动保护要求 可靠性要求 其它专用要求,机械零件的失效： 机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。,工作能力-在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：,承载能力。,例如：发生强烈的振动；联接的松弛; 摩擦传动的打滑等。,2-4 机械零件的主要失效形式,整体断裂;,过大的残余变形;,工作表面的过度磨损或损伤;,破坏正常的工作条件;,零件的失效形式,机械零件失效的实例：,失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 原因。,统

10、计结果显示： 断裂仅占4.79%; 腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%。,-主要失效原因。, 避免在预定寿命期内失效的要求, 结构工艺性要求, 经济性要求, 质量小的要求, 可靠性要求,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：,应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。,2-5 设计机械零件时应满足的基本要求,一、避免在预定寿命期内失效的要求,提高零件强度的措施有：,采用高强度的材料；,使零件具有足够的截面尺寸；,合理设计零件的截面形状，增大惯性矩；,采用热处理和化学处理方法提高材料的强度性能；,提高零件的制造精度，以减少工作时的动载荷；,合

11、理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷。,1.强度要求,2. 刚度要求,零件在工作时的弹性变形不能超过允许的范围称为零件的刚度要求。,提高零件刚度的措施有：,增大零件的截面尺寸或增大惯性矩；,缩短支承的跨距或采用多点支承。,3. 寿命要求,影响零件寿命的主要因素有：,大部分零件工作在变应力下，故疲劳破坏是引起零件破坏的主要原因。影响疲劳强度的因素有：,疲劳破坏,腐蚀,磨损,应力集中； 零件的尺寸大小； 零件表面质量及环境状况：,零件处在腐蚀性介质中工作时，可能使材料遭到腐蚀。,抗腐蚀的措施有：,表面发兰（发黑）；,表面镀层；,表面涂漆；,表面阳极化。,二、结构工艺性要求,零件工艺性良好的标志-

12、 在具体的生产条件下，零件要便于加工而加工费用又很低。,工艺性的基本要求： 1) 毛坯选择合理,制备方法：选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。,毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。,单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。,大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。,2) 结构简单合理,最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合；,尽量减少加工面数和加工面积；,3) 合理的制造精度和表面粗糙度,零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下，尽量采用较低的精度和表面质量。,尽量采用标准件；,增加相同形状、相同元素（直径、

13、圆角半径、配合、 螺纹、键、齿轮模数等）的数量；,4) 尽量减小零件的加工量,毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。,尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进工艺满足上述要求。,三、经济性要求,零件的经济性首先表现在零件的生产制造成本上。,简化零件的结构，降低材料消耗；,采用无余量、少余量的毛坯，减少加工工时；,采用廉价而充足的材料代替昂贵材料；,大型零件采用组合结构而非整体结构；,尽量采用标准件。,四、质量小的要求,减小质量的好处：,节约材料；,减小惯性，改善机器的动力性能。,减小质量的措施：,采用缓冲装置来降低零件所受冲击载

14、荷；,减小质量的措施：,采用缓冲装置来降低零件所受冲击载荷；,采用安全装置来限制作用在零件所受最大载荷；,从零件应力较小处削减部分材料，以改善零件受 力的均匀性，提高材料的利用率；,采用与工作载荷方向相反的预载荷，以降低零件 的工作载荷；,采用轻型薄璧冲压件或焊接件代替铸造、锻压件；,采用强重比高的材料。,五、可靠性要求,零件的实效是随机发生的，其原因是零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和机械性能等因素是随机变化的。为了提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零件性能两个方面使其变化尽可能小。,2-6 机械零件的计算准则, 强度准则, 刚度准则,设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准

15、则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：, 寿命准则, 振动稳定性准则, 可靠性准则,-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。,-确保零件不发生过大的弹性变形。,-通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。,-高速运转机械的设计应注重 此项准则。,-当计及随机因素影响时，仍应确 保上述各项准则。,强度准则是指零件中的应力不得超过许用值。,一、强度准则,即： lim,lim -材料的极限应力,脆性材料： lim = B (强度极限),塑性材料： lim = S (屈服极限),为了安全起见，引入安全系数S，得：, lim/S,或 ,S为大于1的数，S过大，虽安全但浪费材料；S过小，虽节省材料，但趋于危险。,-许用应力,二、刚度准则,-是指零件在力作用下的弹性变形量不得超过许用值。即：,y y,三、寿命准则,影响零件使用寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲劳，前两者还没有成熟的计算方法，工程中通常是求出使用寿命时的疲劳极限作为计算的依据。,四、振动稳定性准则,保证机器中受激振零件的固有频率与激振源的频率错开， 即要求：,0.85 f fp,或 1.15 f fp,如果不满足条件，可采取如下措施：,改变零件及系统刚性；,增减支承；,调整支承的位置；,隔离激振源 ；,采用阻尼元件以减小零件的振幅。,五、可靠性准则,可靠度的定义： 对件数为N0的一批零件进行