机械相关设计总论讲义

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1、第二章 机械设计总论 2-1 设计机器的一般程序 2-2 对机器的主要要求 2-3 机械零件的主要失效形式 2-4 设计机械零件时应满足的基本要求 2-5 机械零件的设计准则 2-6 机械零件的设计方法 2-7 机械零件设计的一般步骤 2-8 机械零件的材料及其选用 2-10 机械现代设计方法简介 2-9 机械零件设计中的标准化 2-1 设计机器的一般程序 一部机器的质量基本上决定于设计质量。因此，机器 的设计阶段是决定机器好坏的关键。 机器设计的一般过程 ： 计划阶段 方案设计阶段 技术设计阶段 技术文件编制阶段 设计任务书 机器的功能 经济性估计 制造要求方面的大致估计 基本使用要求 完成

2、设计任务的预计期限 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 可能采用的方案。 投资、价格、成本和利润等经济性 方面的估计 一、计划阶段 分析需求、明确功能、制定设计任务书。 （新产品开发计划书） 2-1 设计机器的一般程序 三、技术设计阶段 2-1 设计机器的一般程序 绘制总装配草图、部件装配草图 确定零部件的外形及基本尺寸 绘制零件工作图和总装配图 四、技术文件编制阶段 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。 技术文件 设计计算说明书 使用说明书 标准件明细表 产品验收条件 . 向用户介绍机器的性能参数范围、操作使用

3、 方法、日常保养及简单地维修方法等。 包括方案的选择、技术设计的过程步骤 以及结论数据等。 2-1 设计机器的一般程序 技 术 设 计 方 案 设 计 计 划 提出任务 分析对机器的要求 确定任务要求 机器功能分析 提出可能的解决办法 组合几种可能的方案 决策-选定方案 明确构形要求 结构化 选择材料、确定尺寸 零件设计 编制技术文件 评价 决策确定结构形状与尺寸 评价 部件设计 总体设计 机器设计的一般流程 不管机器的类型如何，一般来说，对机器都要提出以下的 基本要求： 使用功能要求 2-2 对机器的主要要求 -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

4、要安 全可靠，操作方便、维修简单。 经济性要求 劳动保护和环境保护要求 寿命与可靠性要求 其它专用要求 具体要求如下： -表现为机器的成本低 -表现为高生产率，高效率，低能耗 及管理和维护费用较低等 设计制造的经济性 使用经济性 2-2 对机器的主要要求 （一）使用功能要求 （二）经济性要求 -能有效地实现预期的功能 1）为机器的操作者提供方便和安全的条件 2）改善操作者及机器的环境条件 操作手柄及按钮等应放置在便于操作的位置 操作方式要符合人们的心理和习惯 设置完善的安全装置、报警装置、显示装置等 应降低机器运转时的噪声水平 防止有毒、有害介质的渗漏 对废水、废气和废液进行治理 2-2 对机

5、器的主要要求 （三）劳动保护和环境保护要求 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其预定功能时称为 失效，它是随机发生的。 2-2 对机器的主要要求 （四）寿命与可靠性要求 （五）其它专用要求 对机床有长期保持精度的要求 对食品、纺织机械有不得污染产品的要求 对大型机器有便于起重、运输的要求等 机械零件的失效： -零件由于某种原因不能正常工作时 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。通常是对载荷而言，故习惯上又称：承载能力 2-3 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

6、破坏正常的工作条件 零件的失效形式 如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带 传动等。机械零件虽然有多种可能的 失效形式，归纳起来最主要的为 （自学） 机械零件失效的实例： 轮齿塑性变形 齿轮轮齿折断 轴承内圈破裂 轴承外圈塑性变形 失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 统计结果显示： 断裂仅占4.79%; 腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%。 -主要失效原因。 齿面接触疲劳轴瓦磨损 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 2-4 设计零件时应满足的基本要求 提高零件强度的措施： 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

7、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力学性能； 提高零件的制造精度，以减少工作时的动载荷； 合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷。 1. 强度 - 载荷作用下零件抵抗断裂或不允许的残余变形的能力 一、避免在预定寿命期内失效的要求 合理地设计零件的截面形状，增大截面惯性矩 由材料力学知： 强度条件： 当弯矩已定时， 故越容易满足强度条件 2-4 设计零件时应满足的基本要求 输出输出输入 输出输出输入 Tmax= T1+T2 Tmax = T1 当轴上有两处动力输出时，为了减小轴上的载荷，应将输入轮布置在中间。 T2 T1 T1+T2 T1 T1+T2 T2 合理不合理 合

8、理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷 2-4 设计零件时应满足的基本要求 2. 刚度 -载荷作用下零件抵抗弹性变形的能力 2-4 设计零件时应满足的基本要求 3. 寿命 影响零件寿命的主要因素有： 疲劳破坏 腐蚀 磨损 机械制造包括毛坯生产、切削加工和装配等生产过 程。设计时，必须使结构在各个生产过程中都具有良 好的工艺性。 二、结构工艺性要求 零件工艺性良好的标志 -在具体的生产条件下，零件便于加工和装配， 同时加工费用又很低。 二、结构工艺性要求 1、便于制造毛坯 当毛坯制造方法确定后，须充分考虑其工艺特点，设计出相 应的零件结构，以便容易地制造出来。 铸件壁厚的均匀性 壁厚相差悬殊，容

9、 易在厚壁处形成缩孔 自由锻件的结构工艺性 采用自由锻造的 毛坯形状不宜复杂。 圆锥体、圆柱体 与圆柱体交接处、加 强肋和凸台等结构， 锻造都较困难，应设 法避免。 二、结构工艺性要求 2、便于切削加工 机械零件的结构设计应便于机械零件的切削加工 减少加工面积用钻头加工的孔 便于装夹工件便于刀具进入 便于刀具退出 二、结构工艺性要求 3、便于装拆和维修 留出装入螺钉空间 留出扳手工作空间 对于具有配合要求的零件，应避免同时存在两组 以上的表面接合。 接合面不宜过多 三、经济性要求 用料少 加工工时少 材料的价格低 尽量采用标准化零部件 四、质量小的要求 好处： 节约材料； 减小惯性，改善机器的

10、动力性能 2-4 设计零件时应满足的基本要求 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上的最大载荷 从零件上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 采用轻型薄璧冲压件或焊接件代替铸造、锻压件 五、可靠性要求 2-4 设计零件时应满足的基本要求 从零件上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 2-4 设计零件时应满足的基本要求 从零件上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 滚子链的结构 实例： 2-4 设计零件时应满足的基本要求 2-5 机械零件的设计准则（自学） 强度

11、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 设计准则以及相应的设计计算方法。一般有以下几种 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 -当考虑随机因素影响时，确保零件 具有所要求的可靠度 -零件中的应力不得超过允许的限度 一、强度准则 即： lim -材料的极限应力 断裂破坏：lim =B (强度极限) 引入安全系数 S，得： lim / S或 -许用应力 疲劳破坏：lim =r (疲劳极限) 残余变形：l

12、im =S (屈服极限) 2-5 机械零件的设计准则 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。 或 lim SA F A SF lim lim S 因为 ： 2-5 机械零件的设计准则 二、刚度准则 -零件在载荷作用下产生的弹性变形量不得超过机 器工作性能所允许的极限值。即： y y 零件的实际变形量 许用变形量 三、寿命准则 影响零件寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲劳，前 两者还没有实用有效的计算方法。 关于疲劳寿命，通常是求出使用寿命时的疲劳极限 作为计算的依据。这将在第三章中作介绍。 2-5 机械零件的

13、设计准则 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 为满足条件可采取的措施： 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。 零件的固 有频率 激振源的频率 2-5 机械零件的设计准则 五、可靠性准则 可靠度的定义： 对件数为N0的一批零件进行试验 ，经过时间 t 之后有 N 件仍能正常工作，则该零件在 该试验环境条件下工作时间 t 的可靠度定义为： R = N / N0 若 t R N-R 是时间的函数。 为保证所设计的零件具有所要求的可靠度，需要对 零件进

14、行了可靠性设计。关于这点，在机械可靠性设 计课程中有详细的介绍。 2-5 机械零件的设计准则 2-6 机械零件的设计方法（自学） 机械零件的 设计方法 常规设计方法 现代设计方法 理论设计 经验设计 模型实验设计 （一) 理论设计 -根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行 的设计 (传统设计方法) lim S 以受拉杆为例，强度计算公式为： 式中: F-作用在拉杆上的外载荷 1. 设计计算： 2. 校核计算有四种可选方式： Sca -计算安全系数 或 lim SA F A-拉杆截面积 (2-7) A SF lim lim S = A F F lim S A Sca = S lim 2-6

15、机械零件的设计方法 -根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的 经验公式，或根据设计者的经验用类比的方法所进行 的设计。 机械零件的 设计方法 常规设计方法 现代设计方法 理论设计 经验设计 模型实验设计 适用于那些使用要求变化不大而结构形状已典型化 的零件。如：箱体、机架、传动零件的各结构要素等 。 2-6 机械零件的设计方法 （二）经验设计 dh = 1.6 ds ; lh= (1.2 1.5) ds , 并使lh b c = 0.3b ; = (2.5 4) mn , 但不小于8 mm d0 和 d 按结构取定，当d 较小时可不开孔 腹板式齿轮 d d0 b ds dh da 斜度1:10 lh c -把初步设计的零、部件或机器做成小模型或小尺 寸样机，经过试验对其特性进行检验，根据实验结果再 对原设计进行修改，以达到完善。 机械零件的 设计方法 常规设计方法 现代设计方法 理论设