机械零件设计

常规设计方法 机械零件的 设计方法
理论设计 经验设计 模型实验设计
现代设计方法
经验设计-----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，或根据设计者本人的设计 经验用类比的方法所进行的设计。这对于那些使用 要求变化不大而结构形状已典型化的零件，是很有 效的设计方法。例如：箱体、机架、传动件的结构 要素等。
常规设计方法 机械零件的 设计方法
理论设计 经验设计 模型实验设计
优化设计
现代设计方法 可靠性设计 计算机辅助设计
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。
§2-8 机械零件设计的一般步骤
1) 根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。 为此，必须对各种零件的不同类型、优缺点、特 性和使用范围等，进行综合对比与正确选用。 2) 根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。 3) 根据零件的工作条件及对零件的特殊要求(如高温 环境等)选择适当的材料。
因此，存在一个方案的比较和取舍问题。
方案评价原则：经济性、技术上可行。 经济性----总费用最低。 方案设计阶段要正确处理好 借鉴与创新的关系。 同类机器的成功的先例应 当借鉴，但其中的薄弱环节和 不符合现有任务要求的部分应 当加以改进或替换。
费用 总费用
设计制 造费用
ห้องสมุดไป่ตู้使用费用
复杂程度
坚决反对
保守和照搬原有设计 一味求新而把合理的原有经验弃置不用
来说，对机器都要提出以下的基本要求：
§2-4 机械零件的主要失效形式
机械零件的失效： 机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。
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。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上 如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带 又称为：承载能力。
整体断裂;
零件的失效形式
意义： 1)制造上可以实现专业化大批量生产，既可提高产品 质量，又能降低成本； 2)设计方面可减少设计工作量；
3)管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。
基本特征：统一、简化。 代号为： 标准 性质 ISO
标准化是组织社会化大生产的重要手段，是实施科学 管理的基础，也是对产品设计的基本要求之一。通过 标准化的实施，以获得最佳的社会经济成效。
技术文件
机器设计的一般流程
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
计 划
明确构形要求 结构化 选择材料、确定尺寸 评价
组合几种可能的方案 评价
决策----选定方案
方 案 设 计
决策—确定结构形状与尺寸 技 术 设 计 零件设计 部件设计 总体设计 编制技术文件
§2-3 对机器的主要要求
－××××(为批准年代)
强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。 推荐性国家标准：代号为GB／T ××××－ ××××，这类标准占整个国标中的绝大多数。如无 特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得
事半功倍的效果。
§2-11 机械现代设计方法简介
机械现代设计方法通常是相对传统的设计方法而言的。 现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用 数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新 成果与手段实现下列转换： ▲静态的 动态的 ─如机器结构动力学计算； ▲定性的 定量的 ─如有限元计算； ▲确定量 随机量 ─如可靠性设计； ▲可行性设计 优化设计 ─如优化设计； ▲串行设计 并行设计 ─如并行设计； ▲宏观的 微观的 ─如微－纳米摩擦学设计； ▲分部处理法 系统工程法 ─如系统工程； ▲人工设计 自动化设计 ─如计算机辅助设计。
----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，在预定使用期限内要安全可靠， 操作方便、维修简单。具体要求如下： ▲使用功能要求 设计机器的任务是在当前技术发展所能达到的条件下，根 据生产及生活的需要提出的。不管机器的类型如何，一般 ▲经济性要求 ▲劳动保护要求 ▲可靠性要求 ▲其它专用要求 使用功能要求----机器应具有预定的使用功能。这主要 靠正确地选择机器的工作原理，正确地设计或选用能 够全面实现功能要求的执行机构、传动机构和原动机， 以及合理地配置必要的辅助系统来实现。
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
过大的残余变形; 工作表面的过度磨损或损伤; 破坏正常的工作条件;
例如：发生强烈的振动；联接的松弛; 摩擦传动的打 滑等。
机械零件失效的实例：
齿轮轮齿折断
轴承内圈破裂
轮齿塑性变形
轴承外圈塑性变形
轴瓦磨损
齿面接触疲劳
失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 原因。 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。
§2-1 机器的组成
人们为了满足生产和生活的需要，研制了类型繁多、 功能各异的机器。尤其是蒸汽机出现之后，使机器具有 了完整的形态。 一台完整的机器的组成如下：
润滑、显示、照明等辅助部分 原动机部分 传动部分 执行部分 传感器 统
传感器
传感器
控 制 系
原动部分－机器完成预定功能的动力源，最常见的是 内燃机、电动机。 执行部分－完成预定的动作，位于传动路线的终点。 传动部分－联接原动机和执行部分的中间部分。
常规设计方法 机械零件的 设计方法
理论设计 经验设计 模型实验设计
现代设计方法
模型实验设计-----把初步设计的零、部件或机器做 成小模型或小尺寸样机，经过试验的手段对其特性 进行检验，根据实验结果再对设计进行逐步修改， 达到完善。 这种方法对于那些尺寸巨大而结构又很复杂的重 要零件的设计是一种很有效的方法。
4) 根据零件的失效形式，确定零件的计算准则，通 过计算，确定零件的基本尺寸。
5) 根据工艺性和标准化，进行零件的结构设计。 6) 细节设计完成之后，必要时]进行详细的校核计算， 以判定结构的合理性。 7) 绘制零件工作图，并撰写计算说明书。
零件的设计流程图：
选择零件类型、结构
计算零件上的载荷
确定计算准则 选择零件的材料 确定零件的基本尺寸 结构设计 校核计算
画出零件工作图
写出计算说明书
§2-9 机械零件材料的选用原则
一、常用材料
黑色金属
金属材料
有色金属
灰铸铁 (TH300) 铸铁 球墨铸铁(QT500-5) … 低碳钢 (08F) 中碳钢 (45) 高碳钢 (60) 钢 合金钢 (1Cr18） … 铝合金 (LY12) 铜合金 (ZCuSn10P1)
§2-5 设计机械零件时应满足的基本要求
机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计 的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足 以下要求： ▲ 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 一、避免在预定寿命期内失效的要求 应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。
§2-7 机械零件的设计方法
常规设计方法
机械零件的 设计方法 理论设计 经验设计 模型实验设计
现代设计方法
常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算， 结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、 公式、图表等进行设计的方法。 1) 理论设计 ----根据长期的总结出来的设计理论和实验数据所 进行的设计。
标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准 GB JB、HB QB
强制标准（GB）----必须强制执行；
推荐性标准（GB/T）----鼓励企业自愿采用。
作为设计人员，要求必须熟悉现行的相关标准，学会查询和 使用标准资料。无论设计何种产品，必须遵循相关标准。
强制性国家标准：代号为GB ××××(为标准序号)
铸铁--灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。 特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。
较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。
应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。
§2-10 机械零件设计中的标准化
定义：标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、 材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同 遵守的标准。
4）部件装配草图及总装配草图的设计----结构设计
5）主要零件的校核计算 以结构设计尺寸为依据，对零件进行精确的受力分 析和工作能力校核计算
四、技术文件编制 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。 设计说明书 使用说明书 零件明细表 标准件汇总表 产品验收条件 ………….
§2-6 机械零件的计算准则
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。一般来讲，有以 下几种准则： ▲ 强度准则 ---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。 ▲ 刚度准则 ----确保零件不发生过大的弹性变形。 ▲ 寿命准则 ---通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。 ▲ 振动稳定性准则 ----高速运转机械的设计应注重 此项准则。 ▲ 可靠性准则 ----当计及随机因素影响时，仍应确 保上述各项准则。
机械设计的一般过程： ▲ 计划阶段
▲ 方案设计阶段
▲ 技术设计阶段 ▲ 技术文件编制阶段 一、计划阶段 包括：需求分析、明确功能、制定设计任务书。
设计任务书
机器的功能 经济性估计 制造要求的大致估计 基本使用要求 预计的设计周期
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 实现方案。 在制定功能参数时一定要注意恰当处理需要与可能、 理想与现实、长远目标与当前目标等之间的关系。 一般而言，实现同一个功能，有多种可能的方案。 以螺纹制造为例：有车削、滚压、板牙加工等方法。 方法不同，其执行部分的工作原理也不同。
第 2章
机械零件设计概论
§2-1 机器的组成 §2-2 设计机器的一般程序 §2-3 对机器的主要要求 §2-4 机械零件的主要失效形式 §2-5 设计机械零件时应满足的基本要求 §2-6 机械零件的计算准则 §2-7 机械零件的设计方法 §2-8 机械零件设计的一般步骤 §2-9 机械零件材料的选用原则 §2-10 机械零件设计中的标准化 §2-11 机械现代设计方法简介
1)产品品种规格的系列化 将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构 等依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满 足用户的广泛要求。
2)零部件的通用化 将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等）， 经过统一后实现互换； 3)产品质量标准化 要保证产品产品质量合格和稳定，就必须做好设计、 加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。
三、技术设计阶段 绘制总装配草图、部件装配草图，由草图确定零部 件的外形、基本尺寸和零件工作图。
为了确定零件的基本尺寸，必须完成以下工作：
1）机器的运动学设计 确定原动机的参数（功率、转速、线速度等）。 求解构件的运动参数（转速、速度、加速度等）。 2）机器的动力学设计 计算构件所受公称载荷（名义载荷）的大小和特性。 3）零件的工作能力设计 由公称载荷大小和特性，根据工作能力准则作零 部件的初步设计。通过计算或类比得出零件的基本 尺寸。
以受拉杆为例，强度计算公式为： σ ≤ σlim/S 或 F/A ≤ σlim/S F----拉力， A----截面积。
设计计算： A≥ FS/ σlim
σ = F/A ≤ [σ] F≤ A [σ] Sca = σlim / σ ≥ S σlim ≥ S σ
校核计算有四种可选方式： Sca ----计算安全系数
控制部分－保证机器的启动、停止和正常协调动作。
传感部分－将机器的工作参数，如位移、速度、加速 度、温度、压力等反馈给控制部分。 辅助部分－包括机器的润滑、显示、照明等。也是保 证机器正常工作不可缺少的部分
§2-2 设计机器的一般程序
一般而言，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键一 环。机械设计是一个创造性的工作过程，实践经验是保 证设计质量的重要因素。因此，要求设计者特别注意经 验的积累。 一部完整的机器是一个复杂的系统。要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。