1.机械设计概述(《机械设计基础》陈立德第3版)

机械零件的主要失效形式
（一）断裂
1、极限断裂：零件某一危险剖面上的应力超过零件 的强度极限时发生的断裂。 外载（拉、压、弯、剪、扭）作用，σ>σB
2、疲劳断裂：零件在长时间的变应力作用之下 发生的断裂，是大多数机械零件的失效形式。 变应力作用，σ>σr
例子1
例子2
断裂实例
轴承内圈断裂
将核心工作放在本企业，两头在内，中间在外
必须采用先进的设计方法和手段
激烈的竞争 激烈的竞争 传统的手段 传统的手段
碰撞 碰撞
CAD CAE
简单的计算 常规的计算 手工绘图 工具 工具 方法 方法
1.1 机械设计的基本要求
机械设计包括以下两种设计:
应用新技术、新方法开发创造新机械； 在原有机械的基础上重新设计或进行局部改造。
机械零件的设计准则
工作能力—不失效条件下零件的安全工作限度。
这个限度通常是以零件承受载荷的大小 来表示， 所以又常称为“承载能力”
吊钩最大起重量——50 kN
工作能力或承载能力——50 kN 50 kN
机械零件的失效形式及设计计算准则
二、设计计算准则 同一零件对于不同失效形式的承载能力也各不相同。根据不同的 失效原因建立起来的工作能力判断条件，称为设计计算准则。主要包 括以下几种：
一、设计机械零件的基本要求
工作可靠并且成本低廉; 零件的工作能力是指零件在一定的工作条件下抵抗可能 出现的失效的能力，对载荷而言称为承载能力。 设计机械零件要注意以下几点： （1）合理选择材料，降低材料费用；
（2）保证良好的工艺性，减少制造费用；
（3）尽量采用标准化、通用化设计，简化设计过程从而 降低成本。
4. 竞争的焦点之一是设计 成功的设计赢得了市场 设计是科技成果转化为生产力的纽带 设计是引进技术实现国产化的重要环节
没有现代化设计就没有现代化产品
5. 设计在生产中的地位 设计是影响产品技术与经济指标的关键
设计占成本 5% 设计决定成本75%
0
20
40
60
80
现代企业三部分 开发设计 制造
市场销售
三、接触疲劳失效形式
机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作 用下，首先在表层内约 15～25μm 处产生初始疲劳裂纹，在两接触表面 的相互运动中，润滑油被挤入裂纹内，运动表面将裂纹口封死，形成高 压油，促使裂纹扩展。当裂纹扩展到一定深度以后，就导致表层金属呈 小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑。这种现象称为疲劳点蚀 (fatigue pitting)。
例子：齿面疲劳点蚀
齿面上的疲劳点蚀
发生疲劳点蚀后 ，减 少了接触面积，损坏了零件的 光滑表面，因而也降低了承载 能力，并引起振动和噪音。疲 劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等 零件的主要失效形式。
四、接触应力的计算公式：
F 1 1 B 1 2 H 2 1 12 1 2 E E 2 1
§1-4 机械零件的接触强度
零件强度的范畴
静应力（静强度）：材料力学基础。 1)按工作条件 不同 变应力（疲劳强度）：大部分零件工作 在变应力下→ 疲劳寿命设计。
整体强度：受载时在零件内部产生应力。
2)按破坏部位 和形式不同 表面强度：受载时在零件表面产生的应力， 如接触应力。
一、接触应力
机机械零件的接触强度
式中：F—作用于接触面上的总压力
赫兹(Hertz)公式
F
H —最大接触应力(contact stress)
B
按照弹性力学，对线接 或赫兹应力； 触的情况，当两个半径 B—初始接触线长度；
为 1 、 2 的圆柱体在压 ρ 1和ρ 2 —分别为两零件初始接触线 力 F 作用下接触时，其接 处的曲率半径, “＋”号用于外接触， 触区为一狭长矩形，最 “－”号用于内接触； 大接触应力发生在接触 E1、E2—分别为两圆柱体材料的弹性 区中线的各点上 模量； 、 —分别为两圆柱体材料
市场调查 可行性研究 …… 功能分析 原理方案设计 …… 主参数匹配设计 主结构构形设计 …… 总体布局设计 人机工程设计 外观设计 …… 产品部件设计 产品零件设计 ……
产品规划
可行性报告 设计任务书
原理方案图
原理方案设计
结构方案设计 结构设计草图 总体设计 总装配图
施工设计
部装图、零件图 技术文档 试制、实验、批 量生产、销售
第1章 机械设计概述
§1.1 机械设计的基本要求 §1.2 机械设计的内容与过程 §1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则 §1.4 机械零件的接触强度 §1.5 机械零件的标准化 §1.6 现代机械设计理论概述
自动洗衣机的组成：
上盖
进水口 控制面板
外箱体
排水管
潘存云教授研制
盛水桶 支撑拉杆 脱水桶 电动机 带传动
1.强度准则（整体强度和表面强度）
整体强度的判断准则表示为： 应力表示法：

或

安全系数表示法：
S S
表面接触强度的判断准则表示为： 接触应力表示法： 挤压应力表示法：
H H
P P
二、刚度准则——确保零件不发生过大的弹性变形
1.2 机械设计的内容与过程
现代设计方法： 优化设计、可靠性设计、有限元设计、 模块设计、计算机辅助设计
常规设计方法： 理论设计、经验设计和模型实验设计等。
机械设计的内容与过程
机械设计的过程通常可分为以下几个阶段：
（1）产品规划 产品规划的主要工作是提出设计任务和明确设计要求。 （2）方案设计 由设计人员构思出多种可行方案进行分析比较，从中优选 出一种方案。 （3）技术设计 设计结果以工程图及计算书的形式表达出来。 （4）制造及试验 经过加工、安装及调试制造出样机，对样机进行试运行或 在生产现场试用。
五、可靠性准则：
可靠性由可靠度来度量 可靠度R：在规定工作条件下和规定的工作时间内， 零部件或机械系统无故障地完成规定功能的概率。可 靠度是衡量机器在寿命方面的质量指标。 可靠性准则就是将常规设计中视为常量的设计参数如 实地作为随机变量对待，把概率统计理论应用到机械 设计中来，按照零部件或机械系统应有的定量的可靠 度来设计它们。
机械设计的基本要求
二、机械设计的基本要求
使用功能要求 经济性要求 可靠性要求 劳动保护要求－操作方便、工作安全 造型美观、减少污染 其它专用要求
一部机器的质量基本上决定于设计质量，机器的设 计阶段是决定机器好坏的关键。它是一个创造性的工作 过程，同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的 工作。
设计的地位与作用
1. 经济竞争归根结底是设计和制造能力竞争 工业化国家的财富60~80%是制造业创造的 制造是将科技转化为财富的最后环节
各发达国家重新重视制造业
3. 制造业市场竞争围绕 TQCSF 展开
竞争的焦点
上市时间 T T 质量 Q Q 产品成本 C C 服务 S S 灵活性 F 灵活性 F
波轮
减速器
自动洗衣机的工作原理：
波轮 A
脱水桶
B
带传动
洗涤： A制动，B放开，运动经电机、带传动、中心齿轮、 行星轮、行星架、波轮 脱水： A放开，B制动，运动经电机、带传动、内齿圈（脱水 桶）、中心齿轮、行星架、波轮与脱水桶等速旋转。
洗衣机系统简图
典型机械实例： １．全自动洗衣机 ２．减速器
３．工业机器人
样机试制 性能试验 定型批产 ……
1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则
机械零件的失效： 机械零件丧失预定功能或预定功能指标降低到 许用值以下的现象。 进行机械零件设计时必须根据零件的失效形式分析失效的原因， 提出防止或减轻失效的措施，根据不同的失效形式提出不同的设计计 算准则。 一、失效形式 机械零件常见的失效形式有如下几种： 1.断裂 2.过量变形 3.表面失效 4.破坏正常工作条件引起的失效
齿轮轮齿断裂
（二）过大的残余变形
机械零件的主要失效形式
机械零件的主要失效形式2
当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产 生残余变形。σ>σS（塑性材料）
齿轮齿面塑形变形
轴承滚动体塑性变形
机械零件的主要失效形式
（三）零件的表面破坏
机械零件的主要失效形式3
——腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。
[源自文库]
p p t t
R N S / NT
4.散热性准则
5.可靠性准则
机械零件的失效形式及设计计算准则
三、设计机械零件的一般步骤如下：
（1）根据机器的具体运转情况和简化的计算方案确定零件 的载荷。 （2）根据零件工作情况的分析，判定零件的失效形式，从 而确定其计算准则。 （3）进行主要参数选择，选定材料，根据计算准则求出零 件的主要尺寸，考虑热处理及结构工艺性要求等。 （4）进行结构设计。 （5）绘制零件工作图，制订技术要求，编写计算说明书及 有关技术文件。
潘存云教授研制
典型机械实例： １．全自动洗衣机 ２．减速器
３．工业机器人
典型机械实例： １．全自动洗衣机 ２．减速器
３．工业机器人
潘存云教授研制
典型机械实例： １．全自动洗衣机 ２．减速器
３．工业机器人
潘存云教授研制
典型机械实例： １．全自动洗衣机 ２．减速器
３．工业机器人
潘存云教授研制
典型机械实例： １．全自动洗衣机 ２．减速器
轴瓦磨损
齿面接触疲劳
机械零件的主要失效形式
机械零件的主要失效形式4
（四）破坏正常工作条件引起的失效
有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如： 液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时
才能正常工作(胶合)。
带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才 能正常工作（打滑）。 高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频 率避开一个适当的间隔才能正常工作（共振）。
零件在载荷作用下产生的变形量小于或等于机器 工作性能允许的极限值。
表达式为：y ≤ [y]
f ≤ [f ]
轴的挠度和转角
轴的扭角
机械零件的失效形式及设计计算准则
2.刚度准则 零件在载荷作用下产生的弹性变形量应小于或等于机器工作性能 允许的极限值。
挠度
y≤[y]
偏转角 扭转角
3.耐磨性准则
θ≤[θ]
３．工业机器人
潘存云教授研制
工业机器人的组成:
操作手 控制系统 示教盒（编程器）
潘存云教授研制
潘存云教授研制
示教盒用于输 入控制命令或 控制程序。
控制系统用于控制 操作机各关节内伺 服电机的运动。
操作手在控制系统 的指挥下，完成各 种复杂作业。
典型机械实例： １．全自动洗衣机 ２．减速器
３．工业机器人
接触应力:两零件以点、线相接处时，初始接触线的压应力
二、接触强度 若两个零件在受载前是点接触或线接触，受载 后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚 小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接 触应力(contact stress)。这时零件强度称为接触 强度。 如齿轮、滚动轴承等机械零件，都是通过很 小的接触面积传递载荷的，因此它们的承载能力不 仅取决于整体强度，还取决于表面的接触强度。
设计机器的一般程序
设计是影响产品技术与经济指标的关键
应用新技术、新方法开发创造新 机械
机械设计
在原有机械基础上重新设计或进 行局部改造，从而改变或提高原 有机械的性能
本课程中“设计”的含义
是指机械装置的实体设计，涉及零件的应力、强度的分 析计算，材料的选择、结构设计，考虑加工工艺性、标准化 以及经济性、环境保护等。
机械零件失效的实例：
潘存云教授研制
潘存云教授研制
齿轮轮齿折断
轴承内圈破裂
潘存云教授研制
潘存云教授研制
轮齿塑性变形
轴承外圈塑性变形
潘存云教授研制 潘存云教授研制
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。
由以上实例，可归纳得以下几点： 1. 一个机械系统包含着机械结构系统、驱动动力系统、 检测与控制系统； 2. 现代机器不仅可以代替人类的体力劳动，还可以部 分的脑力劳动。 3. 一台机器的机械结构总是由一些机构组成的，每 个机构又是由若干零件组成的。有些零件是在各种 机器中常用的，称之为通用零件，如：螺钉、齿轮、 轴承等；有些零件只有在特定的机器中才用到，称 之为专用零件，如：洗衣机中的波轮、工业机器人 的末端执行器、军械中的枪栓等。
的泊松比。
1 2
F
五、接触疲劳强度条件
判断金属接触疲劳强度的指标是接触疲劳极限， 即在规定的应力循环次数下不发生疲劳点蚀的 接触疲劳极限 最大接触应力。 应力 接触疲劳强度计算准则为：