机械设计的准则及一般步骤

２．铸铁
１．钢
常用 材料
３．有色金属合金
４．非金属材料
性能：根据材料品种的不同， 性能：根据材料品种的不同， 具有一些特殊的性能， 具有一些特殊的性能，如耐腐蚀 、绝缘、耐磨等； 绝缘、耐磨等； 品种：工程塑料、橡胶、 品种：工程塑料、橡胶、石 木材、陶瓷、复合材料等； 墨、木材、陶瓷、复合材料等；
机器的组成
润滑、显示、 润滑、显示、照明等辅助系统 原动机部分
传感器
传动部分
传感器
执行部分
传感器
控 制 系 统
设计机器的一般程序
明确构形要求
技术设计
计划阶段
提出任务 总体结构设计 需求分析 评价
Biblioteka Baidu
设计任务书
确定任务要求 确定总体方案 机器功能分析 部装图 功能原理设计 评价 编制技术文件 零部件设计 零件图 总装图
机械零件设计中的标准化
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、 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。 求等，制定出大家共同遵守的标准。 标准化的益处： 标准化的益处： 标准化有利于保证产品质量，减轻设计工作量， 标准化有利于保证产品质量，减轻设计工作量，便于零部件的互换和组织 专业化的大生产，以降低生产成本。 专业化的大生产，以降低生产成本。 与设计有关的标准: 与设计有关的标准 国际标准 国家标准 行业标准 企业标准等 GB JB、HB 、 QB 如： ISO 国标分为： 国标分为：强制标准和推荐标准 强制性国家标准：代号为 为标准序号) 为批准年代) 强制性国家标准：代号为GB ××××(为标准序号 －××××(为批准年代 为标准序号 为批准年代 强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。 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 ／ 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， 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。 功倍的效果。
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 机器是由各种各样的零部件组成的， 本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求： 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 应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。 应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。 结构工艺性要求 设计的结构应便于加工和装配。 设计的结构应便于加工和装配。 经济性要求 零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。 零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。 质量小的要求 质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。 质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。 可靠性要求 应降低零件发生故障的可能性（概率）。 应降低零件发生故障的可能性（概率）。
机械零件的设计准则
设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计 设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计 失效形式确定其 准则以及相应的设计计算方法。 准则以及相应的设计计算方法。 以及相应的设计计算方法
设计准则 强度准则 刚度准则 寿命准则 振动稳定性 准则 可靠性准则 计算公式 σ≤σlim/S y≤[y] 满足额定寿命 0.85f >fp或 1.15f<fp R=N/N0 失效形式 典型零部件 断裂、疲劳破坏、 齿轮、 断裂、疲劳破坏、残 轴、齿轮、带 余塑性变形 轮等 弹性变形 腐蚀、磨损、 腐蚀、磨损、 表面疲劳 共振产生的 工作失常 轴、蜗杆等 滚动轴承等 滚动轴承、 滚动轴承、齿 轮、滑动轴承
方案设计
文件编制
原理图
评价—选定方案 评价 选定方案 说明书、明细表 说明书、
对机器的主要要求
使用功能要求 经济性要求 劳动保护要求 可靠性要求 其它专用要求
提高使用经济指标的主要途径： 提高设计和制造经济指标的主要途径： 提高使用经济指标的主要途径： 提高设计和制造经济指标的主要途径： 机器的可靠度R， 机器的可靠度 ，指在规定的使用时间 1）合理提高机械化、，优化设计， 采用现代设计方法，优化设计， ）合理提高机械化、自动化水平 采用现代设计方法自动化水平， 寿命）内和预定的环境条件下， （寿命）内和预定的环境条件下，机器 提高机器的生产效率。 保证可靠性。 提高机器的生产效率。 保证可靠性。 能够正常工作的概率。 能够正常工作的概率。 劳动保护有两层含义： 劳动保护有两层含义： 2）选用高效传动系统，减少中间环” 提高“标准化、 ）选用高效传动系统， 提高“标准化 为： 机器失效的概率F为系列化、通用化” 机器失效的概率 、系列化、通用化 的程度。 降低能源消耗。 节，降低能源消耗。 的程度。 1）使机器的操作者方便和安全。 ）使机器的操作者方便和安全。 F=1-R 3）采用新技术、新工艺、新结构、 适当采用防护和润滑， ）采用新技术、新工艺、新结构、 适当采用防护和润滑，延长机器 2）改善操作者及机器的环境。 ）改善操作者及机器的环境。 机器出厂时已经存在的可靠性叫做机器 新材料。 的使用寿命。 新材料。 。 的使用寿命 固有可靠性。 的固有可靠性。 4）合理组织设计和制造过程。 采用可靠的密封， ）合理组织设计和制造过程。 采用可靠的密封，减少或消除渗 考虑到用户的人为因素， 考虑到用户的人为因素，已出厂的机器 漏现象。 漏现象。 5）改善零件结构工艺性，使其用料 ）改善零件结构工艺性， 正确地完成预定功能的概率， 正确地完成预定功能的概率，叫做机器 易加工、。 少、易加工、易装配。 使用可靠性。 的使用可靠性易装配。
防止失效的判定条件是： 防止失效的判定条件是：
计算量< ----工作能力计算准则 工作能力计算准则。 计算量<许用量 ----工作能力计算准则。
机械零件设计的一般步骤
选择零件类型、 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.机械设计基本准则及一般步骤 2.机械设计基本准则及一般步骤
§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 机械常用材料及选用原则
机械零件常用材料及其选用
一、常用材料
性能：强度很高、 性能：强度很高、塑 性较好、 性较好、可承受很大载荷 ，且可进行热处理以提高 和改善其机械性能 ； 品种：碳钢、 品种：碳钢、合金钢 铸钢、 、铸钢、锻钢等 性能：良好的铸造、 性能：良好的铸造、切削 加工、抗末、 加工、抗末、抗压和件镇性能 且价格低廉； ，且价格低廉； 品种：灰铸铁、 品种：灰铸铁、球墨铸铁 及特殊性能铸铁等
机械零件的主要失效形式
（一）整体断裂 整体断裂是指零件在载荷作用下， 整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的 强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下， 强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断 裂。
齿轮轮齿断裂
轴承内圈断裂
机械零件的主要失效形式
（二）过大的残余变形 当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限， 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。 变形。
可靠性设计(Reliability design) 可靠性设计 工业艺术造型设计(Visual design) 工业艺术造型设计 模块化设计(Modular design) 模块化设计 反求工程(Inverse 反求工程(Inverse engineering) 有限元法(Finite element method) 有限元法 机械动态设计(Dynamic design) 机械动态设计 等等。 等等。
齿轮齿面塑形变形
轴承外圈塑性变形
机械零件的主要失效形式
（三）零件的表面破坏 零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。 零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。
轴瓦磨损
齿面接触疲劳
机械零件的主要失效形式
（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， 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。 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。 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。 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。 高速转动的零件， 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。 的间隔才能正常工作。 零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境、 零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境、载荷性 质等很多因素有关。 质等很多因素有关。 有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、 有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、 腐蚀等因素引起。 腐蚀等因素引起。
性能：具有某些特殊性能， 性能：具有某些特殊性能， 如良好的减摩性、耐腐蚀性、 如良好的减摩性、耐腐蚀性、导 电导热性等； 电导热性等； 品种：铜合金、 品种：铜合金、铝合金等
机械零件材料的选择原则
１．使用要求
主要包括机械性能 物理性能、 、物理性能、化学性能 和吸振性能等； 和吸振性能等；选择时 应根据使用的要求， 应根据使用的要求，满 足主要、 足主要、兼顾一般
２．制造工艺要求
应使零件的制 造加工方法简便、 造加工方法简便、 易于实现， 易于实现，如铸造 件应选择热熔状态 时易于流动等性能
３．经济性要求
在满足使用要求的 前提下， 前提下，尽量选用价格 低廉的材料， 低廉的材料，同时还应 考虑到使用和维护简便 、费用低等问题
现代机械设计方法
由于设计方法学(Design methodology)和 由于设计方法学 和 创造方法学(Creation methodology)的迅速 创造方法学 的迅速 发展， 发展，机械产品的设计工作发生了质的变 出现了一系列新兴学科分支，主要有： 化，出现了一系列新兴学科分支，主要有： 设计方法学 优化设计(Optimal design) 优化设计 价值工程(Value engineering) 价值工程 计算机辅助设计(CAD)、 计算机辅助设计 、