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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,
2、完成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,提出任务,明确构形要求,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
3、用期限内要安全可靠，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
4、进行治理,2-2 对机器的主要要求,（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,如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传
5、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,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
6、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，,2-4 设计零件时应满足的基本要求,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。,合理,不合理, 合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,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
7、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,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，
8、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：,2-4 设计零件时应满足的基本要求,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,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
9、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),2-5 机械零件的设计准则,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
10、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,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。,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
11、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),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
12、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,A-拉杆截面积,(2-7),2-6 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
13、mm d0 和 d 按结构取定，当d 较小时可不开孔,腹板式齿轮,-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,理论设计,经验设计,模型实验设计,常用于那些尺寸巨大而结构又很复杂的重要零件,2-6 机械零件的设计方法,（三）模型实验设计,现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。,优化设计,可靠性设计,计算机辅助设计,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,2-6 机械零件的设计方法,自学,复习思考题：,1、为什么说机械零件是组成机器的基本要素？根据什 么原则把机械零件划分为通用零件和专用零件？ 2、什么叫做一般尺寸和参数的通用零件？,3、本课程的性质与任务是什么？与前面学过的几门技 术基础课程相比，本课程有什么特点？应采用怎样 的学习方法？,复习思考题：,1、机械零件的设计准则有哪几项？各项准则在设计 中起着什么作用？ 2、机械零件的常规设计方法分哪几种？ 3、为什么在零件的设计中要尽量采用标准化？ 4、选择机械零件的材料时，应考虑哪些原则？,
