1、2-1 機器的組成,2-2 設計機器的一般程序,2-3 對機器的主要要求,2-4 機械零件的主要失效形式,2-5 機械零件設計時應滿足的基本要求,2-6 機械零件的設計準則,2-7 機械零件的設計方法,2-8 機械零件設計的一般步驟,2-9 機械零件的材料及其選用,2-10 機械零件設計中的標準化,第2章 機械設計總論,一臺完整的機器組成如下,2-1 機器的組成,輔助系統，例如：潤滑、顯示、照明等,原動機部分,傳動部分,控制系統,執行部分,原動部分機器完成預定功能的動力源，最常見的是 內燃機、電動機等,執行部分完成預定的動作，位于傳動路線的末端,傳動部分聯接原動機和執行部分的中間部分,控制部分

2、保證機器的啟動、停止和正常協調動作,輔助部分包括機器的潤滑、顯示、照明等，是保證 機器正常工作不可缺少的部分,2-2 設計機器的一般程序,機械設計是一個創造性的工作過程，實踐經驗是保證設計質量的重要因素,機械設計的一般步驟,計劃階段,方案設計階段,技術設計階段,技術文件編制階段,1、計劃階段,包括：需求分析、明確功能、制定設計任務書,設計任務書包括： 機器的功能分析； 經濟性估算； 基本使用要求； 預計的設計周期等,2、方案設計階段,對機器的功能進行綜合分析，確定功能參數，提出實現方案,實現同一個功能 ，往往有多種可能的方案，如螺紋加工：有車削、滾壓、板牙加工等方法,方案評價原則： 經濟性好、

3、技術上可行,3、技術設計階段,繪制總裝配圖、部件裝配圖，由裝配圖確定零部件的外形、基本尺寸和零件工作圖,經濟性-總費用最低,方案設計做到： 創新與經驗設計相結合,技術設計階段的主要過程,1）機器的運動學設計,確定原動機的參數(功率、轉速等)，計算轉動構件的運動參數(轉速、速度、加速度等,2）構件的動力學計算,3）零件的工作能力設計,4）部件裝配圖及總裝配圖的設計-結構設計,5）主要零件的校核計算,計算構件所受載荷的大小和特性,根據工作能力準則進行零部件的初步設計，通過計算或類比得出零件的基本尺寸,對零件進行精確的受力分析和工作能力校核計算,4、技術文件編制,技術文件包括,設計說明書,使用說明書

4、,零件明細表,標準件匯總表,產品驗收條件,技術文件-用來說明產品性能、設計、制造、操作使用、維護、或其它所有與產品相關的文檔資料,潘存云教授研制,潘存云教授研制,提出任務,明確構形要求,機器設計的一般流程,2-3 對機器的主要要求,1、使用功能要求 機器應具有預定的使用功能。 正確地設計或選用能夠全面實現功能要求的執行機構、傳動機構和原動機，合理地配置必要的輔助系統來實現,在滿足預期功能的前提下，要求性能好、效率高、成本低、造型美觀，在預定使用期限內要安全可靠、操作方便、維修簡單。具體要求如下,經濟性要求-從設計、制造到使用的全過程中， 設計時要全面綜合考慮。 1）設計制造的經濟性： 采用先進

5、的現代設計方法，使設計參數最優化； 最大限度地采用標準化、系列化及通用化的零部件； 盡可能采用新技術、新工藝、新結構和新材料。 2）使用經濟性： 生產率和工作效率高； 能耗低； 管理和維護費用低等,2、經濟性要求,1）操作方便和安全 設計時要按照人機工程學的觀點布置各種按鈕、手柄，使操作方式符合人們的心理和習慣。 設置完善的安全裝置、報警裝置、顯示裝置等,2）改善操作者及機器的環境 設計的機器應符合勞動保護法規的要求。 降低機器運轉時的噪聲，對機器易出現危險的部位設置防護措施。 防止有毒、有害介質滲漏，對廢水、廢氣和廢液進行治理,3、勞動保護要求,在規定的使用時間內和預定的環境下機器能夠正常工

6、作,應在工作條件和零件性能兩個方面考慮,4、可靠性要求,針對不同機器所特有的要求。 要求機床長期保持所需的精度； 對流動使用的機器要求便于安裝和拆卸； 大型機器要求便于運輸等,5、其它專用要求,機械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效,2-4 機械零件的主要失效形式,整體斷裂， 如齒輪輪齒折斷,零件的失效形式,過大的殘余變形， 如軸承塑性變形,破壞正常的工作條件，如螺紋聯接的松弛，帶傳動的打滑等,工作表面的過度磨損，如軸瓦表面磨損,統計結果表明：斷裂僅占4.8%；腐蝕、磨損、疲勞破壞占74%-主要失效原因,2-5 機械零件設計時應滿足的基本要求,一、避免在預定壽命期內失效的要求,應保證零件

7、有足夠的強度、剛度、壽命等,1、強度要求,零件不發生斷裂、塑性變形、過大磨損等,2、剛度要求,零件工作時的彈性變形不能超過允許的范圍,3、壽命要求,影響零件壽命的主要因素有：疲勞破壞、磨損、腐蝕,大部分零件工作在變應力下，易發生疲勞破壞,二、結構工藝性要求,在一定的生產條件下，零件應便于加工且費用低,1、 毛坯選擇合理,毛坯選擇與生產批量、材料性能和加工方法有關。 單件或小批量生產時，選用棒料、板材、型材或焊件。 大批量生產時，常選用鑄造、鍛造、沖壓等方法,2、結構簡單合理,最好采用平面、柱面等簡單表面及其組合； 盡量減少加工面數和加工面積； 增加相同形狀、相同元素（直徑、圓角半徑、鍵、 齒輪

8、模數等）的數量； 盡量采用標準零部件,3、合理的制造精度和表面粗糙度,應在滿足使用要求的前提下，盡量采用較低的精度 和表面質量,4、盡量減小零件的加工量,毛坯形狀和尺寸應盡量接近零件本身的形狀和尺 寸，力求使少切削加工，節約材料、降低成本。 盡量采用精密鑄造、精密鍛造、冷軋、冷擠壓、 粉末冶金等先進工藝,三、經濟性要求 主要是制造成本,簡化零件的結構； 采用無余量、少余量的毛坯，減少加工,采用價格低而充足的材料代替昂貴材料； 大型零件采用組合結構； 盡量采用標準件,四、質量小的要求,零件質量小可以節約材料，減小慣性，改善機器的動力性能,五、可靠性要求,由于零件所受的載荷、環境溫度、零件本身物理

9、和機械性能等因素是隨機變化的，故零件的失效是隨機發生的。為了提高零件的可靠性，就應當在工作條件和零件性能兩個方面使其變化盡可能小,2-6 機械零件的設計準則,強度準則-確保零件不發生斷裂破壞或過大的 塑性變形，是最基本的設計準則。 剛度準則-確保零件不發生過大的彈性變形。 壽命準則-通常與零件的疲勞、磨損、腐蝕相關。 振動穩定性準則-高速運轉的機械設計應考慮。 可靠性準則-當考慮隨機因素影響時，應進行可 靠性計算,根據零件的失效形式，確定其設計準則以及相應的設計計算方法,強度準則是指零件中的應力不得超過許用值,一、強度準則,lim -材料的極限應力,脆性材料：lim = B (強度極限) 塑性

10、材料：lim = S (屈服極限,=lim/S -許用應力,S為大于1的數。 S過大，雖安全但浪費材料； S過小，雖節省材料，但趨于危險,二、剛度準則,零件在力作用下的彈性變形量不得超過許用值。即： y y,三、壽命準則,影響零件使用壽命的因素主要是腐蝕、磨損和疲勞，前兩者還沒有成熟的計算方法，工程中常求出該壽命時的疲勞極限，作為計算的依據,四、振動穩定性準則,保證機器中受激振零件的固有頻率與激振源的頻率錯開， 即要求： 0.85 f fp 或 1.15 f fp f零件的固有頻率； fp 激振源的頻率,五、可靠性準則,2-7 機械零件的設計方法,常規設計方法是指采用一定的理論分析和計算，結合

11、長期的設計和生產實踐中總結出的方法、公式、圖表等進行設計的方法,機械零件的設計方法,常規設計方法,現代設計方法,理論設計,經驗設計,模型實驗設計,1、 理論設計,根據長期設計和實踐總結出來的設計理論和實驗數據所進行的設計,以受拉桿為例，強度計算公式為,設計計算： A FS/ lim,= F/A =lim / S,2、經驗設計 根據已有的設計和使用實踐而歸納出的經驗公式，或根據設計者的設計經驗用類比的方法進行的設計。 對于使用要求變化不大而結構形狀已典型化的零件，是有效的設計方法，例如：箱體、機架、傳動件的結構要素等,3、模型實驗設計 把初步設計的零、部件或機器做成小模型或小尺寸樣機，經過試驗的

12、手段對其特性進行檢驗，根據實驗結果再對設計進行逐步修改，達到完善。 對于尺寸巨大、結構又很復雜的重要零件的設計，是一種有效的方法,4、現代設計方法 是指在近二、三十年發展起來的較為完善、科學、 計算精度高、設計與計算速度更快的機械設計方法,潘存云教授研制,選擇零件類型、結構,機械零件的設計步驟,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 (30CrMnSi）,灰鑄鐵 (HT200) 球墨鑄鐵(QT600-2),2-9 機械零件材料的選用原則,鋁合金 (LY12,銅合金 (ZCuSn10P1,1、鑄鐵 灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可

13、鍛鑄鐵、合金鑄鐵等,特點：良好的液態流動性，可鑄成形狀復雜的零 件。較好的減振性、耐磨性、切削性（指 灰鑄鐵）、成本低,2、鋼 低碳鋼 、中碳鋼 、高碳鋼、合金鋼、結構鋼、工具鋼、鑄鋼等,特點：與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性。可用熱處理方法改善其力學性能和加工性能,鋼制零件毛坯獲取方法： 鍛造、沖壓、焊接等。 應用：應用范圍極其廣泛。 鋼的選用原則： 優選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼,應用：應用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之,3、銅合金,青銅-含錫青銅、不含錫青銅。 黃銅-銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳。 特點：具有良好的塑性和液態流動性； 青銅合金還具有良好的減摩性和

14、抗腐蝕性。 零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造。 應用：應用范圍廣泛,高分子材料- 塑料、橡膠、合成纖維。 陶瓷-強度如鋼、重量如鋁、硬度如金剛石。 復合材料-強度高、彈性模量大、質量輕,4、非金屬材料,橡膠-橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯,塑料-塑料的比重小，易于制成形狀復雜的零件， 各種不同塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數大等，在機械制造中應用日益廣泛,選材的一般原則： 載荷及應力的大小和性質 零件的工作情況 零件的尺寸及重量 零件的結構及加工性 材料的經濟性,二、機械零件材料的選

15、用原則,根據零件的用途、工作條件和材料的力學和工藝性能以及經濟因素等進行全面考慮,1、產品品種規格的系列化 將同一類產品的主要參數、型式、尺寸、基本結構等依次分檔，制成系列化產品，以較少的規格品種滿足用戶的廣泛要求（如：壓力機、機床等,對零部件的尺寸、結構要素、材料性能、設計方法、制圖要求等，制定出大家共同遵守的標準,2、零部件的通用化 將用途、結構相近的零部件（如軸承、螺栓等）制成通用件，實現互換,3、產品質量標準化 要保證產品質量合格和穩定，必須做好設計、 加工工藝、裝配檢驗、包裝儲運等環節的標準化,2-10 機械零件設計中的標準化,機械零件標準化的意義 1）制造上：可以實現專業化大批量生產，既可 提高產品質量，又能降低成本； 2