第二章 机械设计总论

第二章
机械设计总论
§2-1 机器的组成
控制部分（启动、停止、保护等）。功能： 控制部分（启动、停止、保护等）。功能：使各部分协调动作 ）。功能 辅助系统，例如：润滑、显示、 辅助系统，例如：润滑、显示、照明等
基本部分
原动机部分
传动部分
控制系统
执行部分
动力部分（人力、 传动部分（机械传动、 动力部分（人力、畜 传动部分（机械传动、电 工作部分（具体实 工作部分（ 风力、水力、 力传动、流体传动等） 力、风力、水力、电 力传动、流体传动等） 施做工的部分） 施做工的部分） 内燃机等） 机、内燃机等） 功能： 功能：直接完 功能：减速、变速、 功能：减速、变速、 功能：提供动力、 传递动力、改变运动规律、 功能：提供动力、 传递动力、改变运动规律、 成预定任务的装置 实施能量转换 多驱动
§2-5 机械零件设计的基本要求
一、避免在预定寿命期限内失效的要求： 避免在预定寿命期限内失效的要求：
1.强度： 1.强度： 强度 体积强度：塑性变形、脆断、 体积强度：塑性变形、脆断、疲劳断裂 表面强度： 压溃、 表面强度：面 接 触 —— 压溃、磨损 点、线接触 —— 疲劳点蚀 、磨损 2.刚度： 2.刚度：弹性变形过大 刚度 3.稳定性： 压杆； 3.稳定性：静态稳定 → 压杆；动态稳定 → 转轴 稳定性 4.其他：局部胶合；摩擦传动打滑； 4.其他：局部胶合；摩擦传动打滑；联接松动等 其他
F
A≥
[σ ]
F
F
二、现代设计方法： 现代设计方法：
1.优化设计 优化设计 2.计算机辅助设计 计算机辅助设计(CAD) 计算机辅助设计 3.可靠性设计 可靠性设计 4.虚拟设计 虚拟设计——虚拟样机 虚拟样机——分析、实验、修改、定型 分析、 虚拟设计 虚拟样机 分析 实验、修改、定型——产品制造 产品制造 5.网络协同设计 网络协同设计 6.绿色设计 绿色设计
铝合金强密比高，宜作高速、轻质零件，多用铸铝； 4. 有色金属 铝合金强密比高，宜作高速、轻质零件，多用铸铝； 铜合金导热、导电性好，减摩、耐磨、抗胶合性能好， 铜合金导热、导电性好，减摩、耐磨、抗胶合性能好，宜作电器接插 轴瓦、蜗轮等；轴承合金专门用来做轴承。 件、轴瓦、蜗轮等；轴承合金专门用来做轴承。 5. 非金属 橡胶宜做密封件、缓冲减震件、传动带等； 橡胶宜做密封件、缓冲减震件、传动带等；塑料一 般用作减摩材料或复杂轻载件。 般用作减摩材料或复杂轻载件。
§2-6 机械零件的设计准则
§2-7 机械零件的设计方法
一、常规设计： 常规设计：
1.理论设计： 1.理论设计： 理论设计 校核计算： 1）校核计算： 2）设计计算： 设计计算： 2.经验设计 经验设计： 2.经验设计： 3.模型实验设计 模型实验设计： 3.模型实验设计：
σ=
F ≤ [σ ] A
2.装配零件的工艺性 2.装配零件的工艺性 1）能装能卸 轴承定位台阶、 轴承定位台阶、 螺栓、定位销例。 螺栓、定位销例。 2）提高效率 避免过定位和 辅助加工。 辅助加工。 3）保证装配质量 合理的定位结构， 合理的定位结构， 要能调整间隙。 要能调整间隙。 3.热处理件的工艺性 3.热处理件的工艺性 尽可能使受热变型一致： 尽可能使受热变型一致： 要求避免尖角、壁厚均匀、 要求避免尖角、壁厚均匀、 形状对称，少用细长杆、 形状对称，少用细长杆、大 薄板。 薄板。
2）操作者及机器的环境要得到改善 ）
四、可靠性要求： 可靠性要求： 五、其它专用要求： 其它专用要求：
机械零件的设计 工作情况 失效形式 强度计算 设计准则
§2-4 机械零件的主要失效形式
失效
机 械 零 件 的 主 要 失 效 形 式 工作 件 失效 零件 力 —— 零件失去其工作能力。 零件失去其工作能力。
§2-3
对机器的主要要求
一、使用功能的要求：要满足预期的使用要求 使用功能的要求： 经济性要求： ）设计制造经济性——成本低 二、 经济性要求：1）设计制造经济性 成本低
2）使用经济性——高生产率、高效率、 ）使用经济性 高生产率、 高生产率 高效率、 低消耗、 低消耗、低维护和管理费用
三、劳动保护要求： 1）机器的操作要方便、安全 劳动保护.淬火 1.淬火 加热至临界温度，保温，急冷。提高硬度、耐磨性。 加热至临界温度，保温，急冷。提高硬度、耐磨性。 以表面淬火常用。 以表面淬火常用。 渗碳然后淬火。使零件外硬内韧，耐磨、 渗碳然后淬火。使零件外硬内韧，耐磨、耐冲 击。 亦称氰化，目的同上。现在应用不多。 亦称氰化，目的同上。现在应用不多。
6.正火（常化） 调整硬度、细化晶粒、便于切削。 6.正火（常化） 调整硬度、细化晶粒、便于切削。不重要 正火 的零件可作为最终热处理。 的零件可作为最终热处理。 7.退火 7.退火 降低硬度、均匀组织、消除内应力。对铸、 降低硬度、均匀组织、消除内应力。对铸、锻、焊 零件是常用的消除内应力的方法。 零件是常用的消除内应力的方法。
2.渗碳淬火 2.渗碳淬火 3.碳氮共渗 3.碳氮共渗 4.渗氮 4.渗氮 5.调质 5.调质
热处理温度低，表面硬度大于渗碳淬火， 热处理温度低，表面硬度大于渗碳淬火，适于硬化 后不磨削的零件，不耐冲击。 后不磨削的零件，不耐冲击。 淬火后高温回火；综合机械性能较好，也便于切削。 淬火后高温回火；综合机械性能较好，也便于切削。 最常用的热处理方法之一。 最常用的热处理方法之一。
类型选择 受力分析 选择材料 确定失效分析、 确定失效分析、建立计算准则 确定基本尺寸 结构设计（工艺性、标准化） 结构设计（工艺性、标准化） 校核计算
N
合理? 合理?
Y
画零件图、 画零件图、写说明书
§2-9 常用材料及其选择
一、常用材料
性脆、不能碾压或锻造；易熔、液态流动性好；减震性、 1. 铸铁 性脆、不能碾压或锻造；易熔、液态流动性好；减震性、耐 磨性好；有的易切削，有的强度高，广泛用作机架等复杂零件。 磨性好；有的易切削，有的强度高，广泛用作机架等复杂零件。分为 灰铁、球铁、蠕铁、可锻铸铁、合金铸铁等。 灰铁、球铁、蠕铁、可锻铸铁、合金铸铁等。 有较好的机械、热处理和切削性能；分为碳钢和合金钢， 2. 钢 有较好的机械、热处理和切削性能；分为碳钢和合金钢，含碳 量有高、 低之分；一般含碳量↑强度、硬度↑塑性、韧性↓ 量有高、中、低之分；一般含碳量↑强度、硬度↑塑性、韧性↓，可 通过热处理改善性能；常用中碳钢、 中碳合金钢。 通过热处理改善性能；常用中碳钢、 中碳合金钢。 3. 铸钢 强度、切削性优于铸铁，易熔性、流动性较铸铁差， 强度、切削性优于铸铁，易熔性、流动性较铸铁差， 适合作大尺寸零件。 适合作大尺寸零件。
传动系统 动力系统 执行系统
操纵及控制系统
以汽车为例 － 机械系统的组成
辅助装置 冷却、润滑、记数、 冷却、润滑、记数、照明 MAZDA 新车型设计
§2-2 设计机器的一般程序
计划阶段 可行性报告设计任务书 方案设计阶段 技术设计阶段 总装图、部装图、 总装图、部装图、零件图 技术文件编制阶段 试制、批量生产、 试制、批量生产、销售 技术说明书、使用说明书、 技术说明书、使用说明书、 标准件明细表 原理方案图
三、材料选用原则
1.使用要求 有强度和重量要求，选强密比高的；有刚度要求， 有强度和重量要求，选强密比高的；有刚度要求，选弹性模量 大的,有接触强度和耐磨要求，选表面可强化处理的。 大的,有接触强度和耐磨要求，选表面可强化处理的。 2.工艺要求 2.工艺要求 毛坯要与生产规模相适应，大批量宜用铸造、模锻， 毛坯要与生产规模相适应，大批量宜用铸造、模锻，小批量 宜用焊接、自由锻。相应的：铸件要求液态流动性好、 宜用焊接、自由锻。相应的：铸件要求液态流动性好、缩孔和偏 析倾向小；焊件要求可焊性好、不易开裂；锻件要求延展性好、 析倾向小；焊件要求可焊性好、不易开裂；锻件要求延展性好、 热脆性小；切削加工件要便于切削、表面要光整； 热脆性小；切削加工件要便于切削、表面要光整；热处理件要求 可淬性、淬透性好，变形倾向小。 可淬性、淬透性好，变形倾向小。 3.经济性 3.经济性 相对价格要低、材料利用率要高、加工费用要少， 相对价格要低、材料利用率要高、加工费用要少，最终要与生 产规模相适应。 产规模相适应。
§2-8 机械零件的设计步骤
机械零件的设计步骤： 机械零件的设计步骤：
1.根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构； 1.根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构； 根据零件的使用要求 2.计算其作用载荷 计算其作用载荷； 2.计算其作用载荷； 3.根据零件类型 结构和所受载荷，分析失效形式， 根据零件类型、 3.根据零件类型、结构和所受载荷，分析失效形式，确定 设计准则； 设计准则； 4.选材 选材； 4.选材； 5.根据设计准则 确定出零件的基本尺寸； 根据设计准则， 5.根据设计准则，确定出零件的基本尺寸； 6.根据工艺性及标准化等原则 进行结构设计； 根据工艺性及标准化等原则， 6.根据工艺性及标准化等原则，进行结构设计； 7.必要的校核计算 必要的校核计算； 7.必要的校核计算； 8.画零件图 写说明书。 画零件图， 8.画零件图，写说明书。
二、经济性要求 三、质量小的要求 四、可靠性要求 五、结构工艺性的要求： 结构工艺性的要求：
良好的工艺性 —— 便于加工，便于装拆，便于使用、维护。 便于加工，便于装拆，便于使用、维护。
1.机加工零件的工艺性 1.机加工零件的工艺性 1）要能加工 加工不出来一切免谈。 加工不出来一切免谈。 2）便于加工 减小辅助时间 减少装夹和换刀）， （减少装夹和换刀）， 减少机动时间。 减少机动时间。 3）保证精度 越程槽， 越程槽，减少变 车工怕长杠、 形(车工怕长杠、刨工 怕大板) 减少装夹。 怕大板)，减少装夹。 4）提高刀具寿命 退刀槽， 退刀槽，避免钻斜 深孔和盲孔。 孔、深孔和盲孔。