第2章機械設計總論1§2-1機器的組成動力系統

傳動系統

執行系統

操作系統和控制系統其它輔助系統（潤滑、顯示、照明等）2023/10/152

一般都由原動機、傳動系統和執行系統組成。隨著功能越來越復雜,機器不斷增加其它部分，如控制系統和輔助系統等。§2-1機器的組成32023/10/154機器實例/dzjc/jixiesheji/ch01/html/c1.htm現代機器的特點：（1）功能增加，柔性提高。（2）結構簡化，精度提高。（3）效率提高，成本降低。2023/10/155§2-2設計機器的一般程序

機器質量取決于設計，制造過程是實現設計時所規定的質量。因此設計是關鍵。

設計是繼承與創新的結合。設計必須有科學的設計程序。而機器是各種各樣的，因此不可能有唯一的設計程序。

設計大致分幾個階段：▲計劃階段▲

方案設計階段▲技術設計階段▲編制技術文件階段2023/10/156一、計劃階段包括：需求分析、明確功能、制定設計任務書。

根據需要，全面調查分析；寫出設計任務書：

機器功能、經濟性估價、制造要求估計、基本使用要求及設計期限。二、方案設計階段

對設計的成敗起關鍵作用。

同一功能的機器，可采取不同工作原理，如加工齒輪機器，再如加工螺紋機器。同一工作原理，結構方案可以不同。

2023/10/157經分析:原動機方案有N1個，傳動系統方案有N2

，執行系統方案有N3

，所以，總方案數N=N1×N2×N3諸多方案中，技術上可行的可能只有幾個。對功能綜合分析、確定參數、提出方案。確定參數注意：恰當處理需要與可能、理想與現實、長遠與當前目標等的關系。2023/10/158

如圖，經濟評價時，考慮設計制造費用、使用的經濟性。可借鑒同類機器的成功點，對其薄弱和不符合現任務的部分改進或替換。總費用設計制造費用使用費用費用復雜程度反對一味求新而把合理的原經驗棄置不用。經濟最佳方案2023/10/159

針對幾個可行方案分析，再從技術、經濟方面綜合，確定最后方案。三、技術設計階段繪裝配草圖；再確定各零、部件的工作圖（零部件外形、尺寸及鄰件間的連接）---設計中最大的工作量。確定零部件基本尺寸的5項工作：1、

運動學設計

——確定原動機的（功率）、（轉速）及各運動件的（轉速或速度、加速度）。2、

動力學的計算

——計算各零件的載荷（理想狀態的名義載荷）。2023/10/15103、零件工作能力的計算

——強度、剛度、壽命、振動穩定性等。通過計算或類比，確定零件的基本尺寸。4、部件的裝配草圖

——根據基本尺寸，確定零部件關聯的外廓尺寸，并進行結構設計。5、主要零件的校核——根據校核結果，修改零件結構、尺寸，直到合理。6、確定裝配圖。7、零件圖設計。2023/10/1511在壽命周期內不失效結構工藝性好經濟性特殊要求(如飛機要輕、軸承耐磨等）

零件設計內容選擇材料主要幾何尺寸計算結構設計技術要求零件圖

要求零件2023/10/1512四、編寫技術文件

設計計算說明書、零部件、標準件明細表、驗收條件、使用說明書等。計算機應用于機械設計中---高效△§2-3對機器的主要要求

4~5項

一、使用功能要求正確選擇工作原理，設計或選用原動機、

執行機構、傳動機構及合理配置輔助系統實現預定功能。2023/10/1513二、經濟性要求：

綜合考慮設計、制造和使用過程。1、提高設計、制造經濟性：⑴采用現代設計方法，參數最優化,保證可靠性。⑶盡量采用新工藝、新技術、新結構、新材料；⑵盡量采用標準化、系列化、通用化的零部件；2023/10/15142、提高使用的經濟性

---高效，低耗，及低的管護費。⑴合理提高機械化和自動化水平，以提高生產率。

⑵選用高效的傳動系統，

減少中間環節，降低能耗。⑶適當防護、潤滑，延長使用壽命。⑷采用可靠密封，減少或消除滲漏。⑸結構工藝合理，用料少，易加工、易裝配。⑷合理組織設計和制造過程；三、勞保、環保要求1、勞動保護:

人身安全及機器安全。按人機工程學的觀點設計布置各種按鈕、手柄，操作方式符合人的心理和習慣。同時，設置安全裝置、報警裝置、顯示裝置等。2023/10/1515

降低機器噪聲，治理廢水、廢氣和廢液，防有毒、有害介質的滲漏。

降低噪聲，治理廢水、廢氣和廢液，防有毒、有害介質的滲漏。2、環保達標:四、壽命與可靠性的要求任何機器都要求在一定的壽命下可靠的工作。1、設計制造的可靠性（出廠時已確定）。2、使用的可靠性（由用戶決定---維修技術及使用經驗）。

可靠度R：在規定的使用壽命內和預定工況下，機器能夠正常工作的概率。不能正常工作為失效率F。F=1－R。

2023/10/1516五、其他專用要求

⑴機床---長期保持精度的要求；⑵飛機---質量小，飛行阻力小而運載能力大的要求；⑶流動機器（如鉆探機）---便于裝拆；⑷大型機器---便于運輸。§2-4零件的主要失效形式失效：零件喪失工作能力或達不到設計的性能，稱為~。工作能力：不發生失效的前提下，零件安全工作的限度。一般指承載能力

。機械零件的主要失效形式：2023/10/1517（1）整體斷裂（2）過大的殘余變形（3）零件的表面破壞（4）破壞正常工作條件引起的失效軸承內圈裂紋18一、整體斷裂

受到拉、壓、彎、扭時，危險截面的應力超過強度極限而斷裂，或受變應力作用時，危險截面上的疲勞斷裂。如螺栓的斷裂、齒輪的齒根斷裂。二、過大的殘余變形

危險截面的應力超過屈服極限，產生塑性變形。

如:機床的定位夾緊零件：過大殘余變形降低加工精度。

汽缸蓋螺栓組的拉應力超過屈服極限，螺栓變形過大，降低密封性。2023/10/1519---塑性變形三、零件表面的破壞

主要是腐蝕、磨損及疲勞。發生在金屬表面的電化學或化學腐蝕，使零件表面生銹，從而發生破壞。對于承受交變應力的零件，引起腐蝕疲勞。

磨損:兩接觸表面，相對運動中，發生物質喪失或轉移的現象。2023/10/1520齒面接觸疲勞接觸疲勞:長期受到接觸應力，表面產生裂紋和微粒剝落的現象。

據統計：斷裂占5%;

腐蝕、磨損、疲勞破壞占74%。四、破壞正常工作條件引起的失效

有些零件只有在一定的工作條件下才能正常工作，一旦破壞條件就要造成失效。2023/10/1521

如液體摩擦滑動軸承，只有潤滑油膜完整時，才能正常工作，否則軸承發熱，引起嚴重磨損、膠合等。

軸瓦磨損一、避免在預期壽命期內失效強度、剛度、壽命二、結構工藝性的要求便于生產和裝配三、經濟性要求降低成本四、質量小的要求節約材料、減小慣性、增加運載量五、可靠性要求工作條件和零件性能隨機變化盡可能小；監測維護§2-5設計機械零件時應滿足的基本要求一、避免在預期壽命內失效

1、強度：載荷作用下，零件抵抗斷裂、塑性變形及表面失效(磨損、腐蝕除外)的能力，是設計零件首要的基本要求。

零件具有足夠強度，工作中可避免斷裂及過大殘余變形。2023/10/1523車床主軸要求剛度高2、剛度：載荷作用下，零件抵抗彈性變形的能力。

工作中

零件的彈性變形不超過允許限度。彈性變形過大，影響機器工作性能。分：整體剛度、表面接觸剛度3、壽命

影響主因：材料疲勞、腐蝕及磨損。2023/10/1524疲勞壽命---材料疲勞失效前，所經歷的應力循環次數N。多數零件在變應力下工作，因而疲勞破壞是失效的主因。措施：降低應力集中、增加尺寸及提高表面質量。2023/10/15

影響因素：應力集中、零件大小、表面品質及工況。處于腐蝕介質中的零件，應選擇耐蝕材料或表面處理。二、結構工藝性要求

結構工藝性

良好：既定的生產條件下，生產零件方便而經濟，并便于裝配成機器。零件的結構工藝性應從毛坯制造、機械加工過程及裝配工藝過程等綜合考慮。2023/10/1525三、經濟性要求

減少材料消耗、低價材料、減少制造工時---以降低零件本身的成本；減少其他消耗、降低勞動強度等。措施：采用少余量或無余量毛坯、簡化結構---以降低加工工時。材料用平價代替貴重。盡量多選用標準件。減少零件重量---節省材料，減少慣性。運輸機械----減少自重，可提高運載量。四、質量小的要求措施：（1）采用緩沖裝配降沖擊載荷；采用安全裝置限制主要零件上的最大載荷。（2）從零件上應力較小處削減材料。施加預載荷（與工作載荷反向），以降低工作載荷。（3）采用薄壁沖壓件或焊件代替鑄、鍛件；采用強重比高的材料。2023/10/1526

多數零件失效是隨機的，原因：工作環境、溫度、載荷等隨機變化；零件的機械、物理性能隨機變化。

措施：使零件性能和工作條件隨機變化盡可能小；使用中加強維護和對工作條件監測。

2023/10/1527五、可靠性的要求

衡量：可靠度（復習：在規定的使用壽命及預定工況下，零件正常工作的概率。）§2-6機械零件的設計準則根據失效形式提出。一、強度準則

零件的應力不得超過允許的限度。2023/10/1528

一次性斷裂，應力≤材料強度極限；疲勞破壞，應力≤疲勞極限；殘余變形,應力≤屈服極限。（2-1）考慮到偶然性和難以精確的影響，除以安全系數S。（2-2）二、剛度準則

零件在載荷作用下的彈性變形量y≤機器工作性能允許的極限值[y]。（2-3）2023/10/1529y:用力學方法或實驗確定，[y]:隨不同的應用場合，根據理論或經驗確定。三、壽命準則

工程中,求使用壽命時的疲勞極限,作為計算的依據。四、振動穩定性準則

機器中有許多周期性的激振源。如齒輪嚙合、滾動軸承振動。

零件固有頻率與激振源相近時，發生共振。共振破壞零件甚至設備，因此對高速機械、高速零件作振動計算。2023/10/1530

振動穩定性----使受激振作用的零件固有頻率與激振源頻率錯開。0.85f＞fp

或1.15f＜fp

(2-4)

否則，改變f---改變零件及系統的剛度，改變支承位置，增加或減少輔助支承等。f：固有頻率，fp：激振源頻率。

若時間延長，

t→t+dt

中，又有dN

件失效，則在dt

時間內，破壞的比率稱為失效率

即2023/10/1531五、可靠性準則零件數量為N0，一定工況下、在時間t后，有N件正常工作，則此零件的可靠度(2-5)分3階段：

長時間使用，零件磨損大，失效率急劇增加。失效率λ(t)與時間t的關系----“浴盆曲線。2023/10/1532tλ(t)IIIIIIⅢ→損壞階段。Ⅰ→早期失效階段。

失效率急劇下降到某一穩定值。原因：零件原始缺陷，未經跑合等。Ⅱ→正常使用階段。失效率緩慢增長。(若失效，一般是偶然原因引起。)失效率曲線表示，可靠性的另一指標：零件的平均工作時間m。可修復的零件---指平均故障間隔時間。工程中，用統計法求得平均壽命。機械零件的設計準則小結§2-7機械零件的設計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法經驗設計法模型試驗設計法2023/10/1534見2-11

常規設計方法:

采用一定的理論分析和計算，結合長期設計和生產中總結的方法、公式、圖表等進行設計的方法。一、理論設計：

根據設計理論及實驗數據進行的設計，稱為~以拉桿為例，強度計算（2-7）F

—拉桿上的外載；A

—拉桿橫截面積；σlim—材料的極限應力；

S

—安全系數1、設計計算：（2-7a）2023/10/15352、校核計算：（2-7b）（2-7c）（2-7d）（2-7e）二、經驗設計：

根據某類件已有設計與使用歸納的經驗公式；或設計者根據經驗用類比法設計。

適合使用要求變化不大、結構形狀已典型化的零件的設計。如：箱體、機架、傳動件。2023/10/1536三、模型試驗設計：

把初步的設計做成小模型或小樣機，進行試驗對特性進行檢驗，逐步完善。---對尺寸巨大、結構復雜的重要零件很有效。§2-8機械零件設計的一般步驟1、根據使用要求，選擇類型、結構。對各種不同零件綜合比較。2、根據工作要求，計算零件上的載荷。

4、根據工作條件及特殊需要選擇材料。

3、根據失效，確定設計準則。5、計算零件基本尺寸。6、根據工藝、標準化，進行零件的結構設計。377、必要時，詳細校核以判斷結構合理性。

8、畫零件工作圖，并整理編寫設計計算說明書。⑴鑄鐵：灰鐵熔點低，流動性好，強度高、韌性低。

球鐵強度高，加工性能好，韌性有所提高，可代替鋼。

⑵鑄鋼：鑄造性比鑄鐵差、比鍛鋼和軋制鋼好。強度比鑄鐵好、比鍛鋼和軋制鋼差§2-9機械零件的材料及選用

合理選材：提高零件質量和降低制造成本。1、金屬

一、常用材料⑶碳鋼與合金鋼：應用最廣碳鋼：強度高、韌性好。摻入鎳、鎢、鉬、釩、銅、鈦、鋁、鈷、硅…得合金鋼。合金使鋼的性質發生質躍----性能優異。⑷有色金屬：除鋼鐵外的金屬。

鋁及合金----重量輕、導熱、導電性較好、塑性好、抗氧化，高強度鋁合金強度近碳鋼---設備減重，強度高，不怕腐蝕，用途廣。銅及合金——耐蝕性強，導電、導熱性好，減摩、耐蝕。許多零件難用其它材料代替。2023/10/1539黃銅：Cu與Zn合金青銅：Cu與Sn合金無錫青銅：Cu與鋁、硅、錳、鎳的合金。2、高分子材料

高分子量，分子間細長鏈相互糾纏，分子間力非常強----強度不高和彈性高。長鏈不易傳熱，熔前有軟化過程----可塑性好；絕緣性高。

氮化硅陶瓷：精密陶瓷。

高的強度和硬度，耐高溫、耐蝕性和抗急冷急熱，用途廣。3、陶瓷材料2023/10/1540

碳化硅陶瓷：精密陶瓷---堅硬，可代金剛石。在1400℃，抗彎強度50～60Kg/㎜

2，是高溫燃氣渦輪發動機的理想材料。

強度較高，耐高溫和低溫，可制造輕載零件。如：聚碳酸脂、聚酰胺、聚甲醛。

工程塑料：主要成分為合成樹脂，加入添加劑---較日用的4、復合材料

金屬多不耐蝕，無機非金屬較脆，有機高分子不耐高溫。行之有效的辦法:兩種或多種材料復合，取長補短，以獲得工程技術所需的綜合性能----復合材料。二、零件選材5原則1、載荷大小和性質

脆