第一章 机械零件设计的基本知识

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(4)力求改善零件的工艺性，合理组织生产过程。 3、劳动保护要求 (1)要使机器的操作者安全方便和安全。 (2)改善操作者机器的环境 4、可靠性要求 可靠性是由可靠度 R 来衡量，机器的可靠度是指在规定的使用时间内 （寿命）和工作环境下，器能够正常工作的概率，不能工作称失效，所以失效 的概率和可靠度相加应等于 1。 随着机器的日益复杂化，所用零件越来截止多，有时其中某一个零件的 失效可能导致整个机器的失效， 因此， 可靠性要求起来越受到重视， 对于飞机， 火箭，航空，航天，卫星及核反应设施等装置，其可靠性尤为需要，因为它的 失效可能导致重大的人员伤亡及财产损失， 而对一些失效不会导致重大损失的 机器可靠性可以小些。 5、其它要求 对于不同的机器，还有一些特定的要求，如对机床，有长期保持精度的 要求，对飞机，有质量小，飞机阻力小的要求。对流动使用的机器（钻探机械） 有便于安装和拆卸的要求。 第 二 节 机械零件的主要失效形式及计算准则
一、机械零件材料的选择原则 制造机械零件的材料是多种多样的，主要有钢、铸铁、铜合金、非金属材 料及复合材料等。 正确选择材料是设计中一个非常重要的环节。 各种通用零件 的常用材料及其牌号将在以后各章节中详细介绍。下面仅就材料的选择原则， 加以介绍： 1、使用要求 满足使用要求是选择零件材料的最基本原则。 使用要求一般是指零件的工 作状况、受载情况、零件的重要性及对零件尺寸和重量的限制等。 零件的工作状况是指零件所处的环境、 工作温度、 摩擦性质、 介质种类等。 在湿热环境下工作的零件， 其材料应有良好的防锈和耐腐蚀的能力， 因此要选 用不锈钢或铜合金等材料。 工作温度对材料的选择有很大影响， 一方面要考虑
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完成作业， 有助于复习巩固， 本课程特点一听就懂， 一做题没门， 通过做作业， 及时复习所学的内容。可以帮你解决。 三、设计机器的一般程序 1、调查决策阶段本阶段包括： （1）任务的提出（生产，生活需要。国家建设等需要） （2）分析对新设计机器的需要（如产量，产品性能，加工物料等）其他要求， 如使用环境，经济性，加工性及时间限制等。 （3）最后写成任务书的形式（应对新设计的机器在工作原理及应用前景，有 关技术情报和专利、用户意见和要求、市场供销的基础上，制定新产品开发计 划书。 ） 2 、设计阶段。 （1）功能设计研究 （2）新产品的技术设计 包括机器的运动学设计，动力学计算，零部件的工 作能力计算部分或整机的装配因设计， 零件草图的设计及主要零件的校核。 最 后绘制零件的工作图。然后根据那些零件的工作图，重新绘制其总装图。 技术文件的编制阶段 技术文件应包括：设计计算说明书、使用说明书、明细表及验收质量标 准等文件。 实际当中很可能就不那么理想，有可能边干边改一干好几年 3、样机的试制评定阶段 4、生产 、销售服务阶段一部机器的质量关键取决于设计质量，设计阶段是决 定机器好坏的关键。 四 、机器应满足的基本要求 不管什么机器，必须满足下列要求： 1、具有预定使用功能的要求 即必须预期的使用要求，如汽车的速度要求， 载重量要求，生产机器的 生产能力要求 2、经济性要求 机器的经济性体现在设计制造和使用安全过程，设计制造的经济性表现 为成本低，使用的经济性表现为生产率、高效率、消耗的能源、原材料及辅助 材料少，管理及维护费用低等。日本轿车就是靠这点赢得市场的。 提高设计制造的经济性的途径： (1)用先进的设计方法手段，达到尽可能精的结果，加快设计进程。 (2)大限度地标准化、系列化、通用化产品。 (3)尽可能采用新带轮等。 （4）轴系部分：滑动轴承、滚动轴承、轴等。 理论教学 60 学时，三个实验，三周课程设计。 通过本课程学习后，学生能达到如下要求： （1）掌握通用机械的设计原理，方法，具有设计一般机械的能力。 （2）具有应用标准，规范，手册，图册及查阅有关技术资料的能力。 （3）掌握典型机械零件的设计方法。 （4）对机械设计新方法有所了解。 2 、本课程的性质 本课程的性质是以一般通用零件的设计为核心的设计性课程，从承载能 力出发，考虑零件的材料、结构、强度及工艺性。 从传统意义及时间安排上是一门技术基础课。 从教学要求上是一门重中之 重的考试课。 3、本课程特点 （1）工程设计性 a 设计出来的东西除满足理论计算的要求外， 更应注意其加工性， 装配 性，经济性等。 b 没有统一的理论，大量地使用图表，标准，经验。数据及经验公式等， 很多人高数拿高分，这门就不见得。 （2）综合性 要用到以前学过的几乎所有课程知识。 如用到理论力学和机械原理的知识分析零件工作时的力， 速度， 加速度分 析； 要用材料力学的知识计算危险截面上的应力； 在选材时要用金属学及热处 理；在完成理论计算之后，需要画出零件图，要用到制图知识，要标注尺寸公 差及表面粗糙度，所以要用到公差知识，要确定其结构，还要用到加工工艺性 的知识，由此可见，是一门综合性很强的课。 （3）实践性 4、学习方法提示 （1） 、少问为什么，多问怎么样。 对于一些设计公式，着重明白其出发点，如齿轮设计时，出发点是齿的 折断及齿面的点蚀，而对其设计公式的推导过程，某些经验数据的取得，某些 曲线的来历不必深究， 把重点放在应用现有的公式， 数据来解决实际的问题上。 （2） 、注意使用设计手册，设计资料，机械设计离不开手册，标准及各 种经验资料，尽可能地查阅这些资料是机械零件课的任务之一，尽可能地多 阅读各种类型结构。 (3） 、记好笔记，及时完成作业。 机械零件被同学称为“机械零碎” ，因为其内容多、而杂，各部分内容之 间又缺少联系，若不及时归纳，很易忘记。考试现复习，现抓不行。及时独立
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接触应力的表面则可能发生疲劳。 4、破坏正常工作条件而失效 很多元件必须在一定的工作条件下才能正常地工作。 如， 液体磨擦的滑动 轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常地工作，带传动和摩擦轮传动， 只有在传递的有效圆周力小于临界磨擦力时才能正常地工作。 二、 设计机械零件时应满足的计算准则 所谓计算准则： 就是为了防止某种失效形式的出现， 设计零件时所必须遵 循的要求。 针对具体的零件，要根据其主要的失效形式，采用相应的计算准则。主要 计算准则有： 1、强度准则 强度是指零件抵抗破坏的能力。破坏是指整体断裂、表面接触疲劳、塑性 变形等。强度不足，零件根本无法工作，因此是最基本的计算准则。 强度准则的一般表达式为： σ≤〔σ〕 2、刚度准则 刚度是指零件抵抗弹性变形的能力， 如果零件刚度不足， 将改变其工作中 允许的几何尺寸和形位， 从而改变零件的受力状态而影响零件的正常工作， 凡 是对弹性变形， 变形稳定性、 精度或振动有要求的零件， 都应具有足够的刚度。 例如： 受压的长杆， 受外压力的容器， 其承载能力取决于它们对变形的稳定性， 所以要提高其承载能力， 一般要从提高其刚度着手。 零件在载荷作用下产生弹 性变形量 y （它广义地代表任何形式的弹性变形量） ，小于或等于机器工作性 能所允许的极限值[y] （即许用变形量） ， 就叫做满足刚度要求或符合了刚度计 算准则。其表达式为： y≤[y] 3、寿命准则 影响零件寿命的主要因素有疲劳、磨损和腐蚀。疲劳、磨损和腐蚀从它们 产生的机理到发展规律完全不同， 因而属于三个不同的范畴。 疲劳寿命的计算， 通常是求出使用寿命时的疲劳极限来作为计算依据。 迄今为止， 还没有提出实 用有效的腐蚀寿命的计算方法， 因而也无法列出腐蚀的计算准则。 可能产生磨 损的原因很多，影响因素也很多，并且其产生的机理还没有完全搞清楚，因而 还没有能够进行定量计算的方法。 4、振动稳定性准则 机器中许多运动的零件（齿轮、轴）都是振动源，如果激振频率 fp 接近 共振频率 f 时， 易发生共振， 致使机器或零件发生失效。 所谓振动稳定性准则，
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就是设计时使机械零件的激振频率 fp 远离其共振频率 f。 fp＜0.87f 或 fp＞1.18f 若不能满足上述条件， 则必须采取措施减振。 主要措施有： 提高系统刚度； 提高零件制造精度；增加阻尼系统；采取减振隔离措施；对回转件进行动平衡 试验等。 5、耐磨性准则 磨损将改变零件的形状及尺寸。因此，在满足设计要求的前提下，应力求 提高零件的耐磨性或尽量降低磨损。对于磨损，目前还没有理论计算公式，通 常是采取条件性限制。 ① 限制压强不超过许用值，以防止压强过大，使零件工作表面油膜破坏而 产生过快磨损，其验算式为： P ≤[p] (MPa) ② 对相对滑动速度较大的摩擦表面，还要控制摩擦表面的温度，以防止润 滑油出现解析现象从而导致磨损加剧。 因此， 要限制单位接触面上单位时间产 生的摩擦力不要过大， 当摩擦系数 f 为常数时， 则可验算 pv 值不超过许用值， 即： pv≤[pv] (MPa m/s) 6.可靠性准则 根据产品的类型与用途确定可靠性指标， 即可靠度值， 再根据可靠度值确 定机器与零件的安全系数。 机械系统组成的单元越多，零件越多，可靠性越低，因此要尽量减少机器 的组成单元。 零件的可靠性与工作寿命密切相关， 可靠性要求越高， 寿命越短。 对零件的可靠性计算是在统计与概率的基础上发展起来的， 是机械设计的 一个新的分枝。 第三节 机械零件的材料及制造工艺性
所谓失效是指机械零件丧失工作能力或不能按设计要求进行工作。 一、 机械零件的主要失效形式 1、整体断裂 当零件受拉、压、弯、剪等外载荷作用时，由于某危险栽面上的超过零 件的强度而发生断裂， 或者零件受变应力作用时， 危险截面上发生的断裂均属 此类。 2、过大的残余变形 如果作用于零件上的压力超过了材料的屈服极限，则零件将产生残余变 形。如：机床上的夹持零件出现残余变形，将降低加工精度。 3、零件的表面破坏 零件的表面破坏，主要是腐蚀、 磨蚀和接触疲劳。腐蚀的结果是使表面 生锈， 它是指金属表面发生的化学侵蚀现象， 磨蚀是指两表面由于相对运动使 物质丧失或转移的现象。 零件表面的疲劳是指长期是受接触变压力的零件表面产生裂纹微粒剥落 的现象。 它们均是随工作时间的增加而逐渐发生的失效形式。 处于潮湿空气中或与 水、 汽长期接触的零件易受腐蚀作相对运动的零件均可能发生磨损， 而受交变
第一章
机械设计的基本知识
机械设计概述
第 一 节 一、机器和机械零件
机械（机器）是人类进行生产时为了减轻劳动强度，提高生产效率，提高 产品质量而设计制造出来的工具。 人类对生活的要求总是不断提高， 为了满足人们为不断增长的物质文化需 要，人们总是不停地改进生产工具，可以说，人类的文明史， 就是生产工具 的发展史，进步史，人们开始运输东西用手搬、肩挑， 后来采用马车，人力 车继而又出现汽车，火车，飞机等。 一个国家的强大与发达与否，很大程度上取决于其机械工业的发展，如英 国之所以上世纪能强大是因为它领导了工业革命，首先制造了蒸汽机，发明了 纺织机械， 我国之所以落后、 穷， 在某种程度上就是我们的机械化程度跟不上。 为了提高生产率，提高产品质量，各行业都出现了大量的生产机械、如运 输机械、化工机械、冶金机械、矿山机械、煤矿机械、食品机械水泥、建筑机 械等，而且各种机械都有复杂化、大型化的趋势，尤其实现高度的机械化，电 气化和自动化。面对着众多的机械，我们咋一看，这些机构真有“老虎吃天， 无从下手”的感觉。 其实，任何机械都是由成千上万的基本要素按一定位置相互联接而成，各 要素之间又按一定规律相联接而成， 各要素之间又按一定规律作相对运动， 这 些基本要素称为机械零件。 零件：组成机器的最小单元。 分类 （1）通用零件：一般机器中经常出现的零件。螺钉、齿轮、键。本课 程解决。 （2）专用零件：特殊类型机械有：曲轴、叶片、螺旋浆。 专业课解决。 二、课程的内容、性质、特点及学习方法提示 1、内容：是研究普遍工作条件下一般尺寸、一般参数的通用零件的设计 计算问题。 一般尺寸（不是太大，太小）重型机的一个地脚螺栓 180 公斤，矿山卷扬 机齿轮直径 10 m，而有些仪器仪表的重量以克表示，这些均不是研究范围。 一般参数（速度在中低转速在 100m/s 以下，功率中等以下） 具体内容： （1）总论部分：机器及零件设计的基本准则（设计计算理论，材料选 择，结构要求，以及 摩擦，磨损，润滑等方面的）基本知识。 （2）联接部分：螺纹、键、销联接、铆接、焊接等。