第二章 机械设计总论
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第一节 机器的组成
润滑、显示、 润滑、显示、照明等辅助部分 原动机部分 传感器 传动部分 传感器 控 制 系 统 执行部分 传感器
第二章 机械设计总论
第二章 机械设计总论
第二节 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
第二章 机械设计总论
第九节 机械零件的材料及其选用
铸铁 黑色金属 (TH300 300) 灰铸铁 (TH300) 球墨铸铁(QT500(QT500 球墨铸铁(QT500-5) …
灰铸铁 (TH300) 球墨铸铁(QT500-5) …
金属材料
有色金属
08F) 低碳钢 (08F) 钢 45) 中碳钢 (45) 60) 高碳钢 (60) Cr18 18） 合金钢 (1Cr18） … (LY12 12) 铝合金 (LY12) (ZCuSn10 10P 铜合金 (ZCuSn10P1)
第二章 机械设计总论
第六节 机械零件的设计准则
在设计中，应保证所设计的机械零件在正常工 作中不发生任何失效。为此对于每种失效形式都制 定了防止这种失效应满足的条件，这样的条件就是 所谓的工作能力计算准则。它是设计机械零件的理 论依据。所以设计零件时，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。
第二章 机械设计总论
第二章 机械设计总论
2、结构工艺性要求（便于加工、装配） 零件工艺性良好的标志：在具体的生产条件下， 零件要便于加工、便于装配，而且加工费用低。
第二章 机械设计总论
第二章 机械设计总论
3、经济性要求（材料、加工方法、精度等级） 4、质量小的要求（节约材料、↓惯性力） 5、可靠性要求
过大的残余变形：如果作用在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，若变形过 大，也会使零件失效而失去工作能力。
轴承外圈塑性变形 轮齿塑性变形
第二章 机械设计总论
零件的表面破坏：零件的表面破坏住要是腐蚀、磨 损和接触疲劳，是随工作时间的延续而逐渐发生的 失效形式。
第二章 机械设计总论
y ≤ [y]
第二章 机械设计总论
寿命准则：通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关， 影响零件使用寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲劳， 前两者还没有成熟的计算方法，工程中通常是求出 使用寿命时的疲劳极限作为计算的依据。针对的失 效形式有：疲劳、磨损、腐蚀。
第二章 机械设计总论
振动稳定性准则:就是保证机器中受激振作用的零件 的固有频率与激振源的频率错开，即要求：
第二章 机械设计总论
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。所谓强度指机械零 件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。具 体讲强度准则是指零件中的应力不得超过许用值。 针对的失效形式有：断裂、疲劳破坏、残余变形。 σ lim为材料的极限应力:
σ ≤ σ lim
σ ≤ [σ ]
破坏正常工作条件引起的失效：有些零件只有在 一定的条件下才能正常工作，如带传动，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， 否则将引起打滑。 失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、 温度等原因,据统计，断裂仅占4.79%; 腐蚀、 磨损、疲劳破坏占73.88%。腐蚀、磨损、疲劳是主 要失效原因。
第二章 机械设计总论
标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准 代号为： ISO GB JB、HB QB 标准性质： 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。
第二章 机械设计总论
第七节 机械零件的设计方法
机械零件的设计方法可分为常规的设计方法，也称 传统的设计方法，以及近十年发展起来的现代设计方 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。 常规设计方法又可分为以下几种：理论设计、经 验设计以及模型实验设计。
第二章 机械设计总论
第八节 机械零件设计的一般步骤
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； 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，确定设计准则； 4.选材； 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； 7.必要的校核计算； 8.画零件图，写说明书。
σ≤ σ lim
S
对于一次断裂来讲（一般指脆性材 σ 料），lim 为材料的强度极限， 对于残余变形来讲（一般指塑性材 σ 料），lim 为材料的屈服极限， 对于疲劳破坏来讲， lim σ 为材料的疲劳 极限。
第二章 机械设计总论
刚度准则：确保零件不发生过大的弹性变形，所谓 刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能 力，具体地讲刚度准则是指零件在力作用下的弹性 变形量不得超过许用值。针对的失效形式：弹性变 形。
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。 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。
第二章 机械设计总论
基本内容： (1)机器的组成； (2)设计机器的一般 方法； (3)对机器的主要要求； (4)机械零件的主 要失效形式； (5)设计机械零件的时满足的基本要 求； (6)机械零件的设计准则； (7)机械零件的设 计方法； (8)机械零件的设计一般步骤； (9)机械 零件的材料及其选用； (10)机械零件设计中的标 准化； (11)机械现代设计方法简介；
第二章 机械设计总论
计划阶段：对所设计的机器进行市场调研，可行性 分析，明确机器具有的功能，并形成设计任务书。 方案设计阶段：对设计任务书中所提出的机器功能 必须进行分析，也就是对机器进行功能分析（如功 能能否实现等等），并确定出功能参数，提出达到 这些功能应该采用工作原理方案。
第二章 机械设计总论
第二章 机械设计总论
第四节 机械零件的主要失效形式
机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失 效。机械零件的失效形式主要有： 整体断裂：零件在受拉、压、弯、剪、扭等外 载荷作用下，零件某一危险截面上的应力超过零件 的强度极限而发生断裂。
第二章 机械设计总论
齿轮轮齿折断
轴承内圈破裂
第二章 机械设计总论
第二章 机械设计总论
第五节 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：
1、避免在预期寿命内失效的要求（强度、刚度、寿命） 零件在工作中不发生断裂或不出现过大的残余变形， 就叫满足了强度要求。 零件在工作时所产生的弹性变形不超过允许的限度， 就叫满足了刚度要求 零件正常工作的时间就叫零件的寿命。影响零件寿命的 主要因素有： 疲劳破坏、腐蚀和磨损。
非金属材料
高分子材料 陶瓷材料 复合材料
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第十节 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、制图要求等，制定出大家共同遵守 的标准。 1)产品品种规格的系列化 2)零部件的通用化 3)产品质量标准化
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标准化的意义： 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。
第二章 机械设计总论
基本要求： (1)掌握设计机器和零件应满足的要求； Hale Waihona Puke Baidu计机器和零件的一般步骤以及常用的设计方法等 基本知识； (2)掌握机械零件的主要失效形式和机 械零件设计和计算的基本准则； (3)了解一些现代 设计方法。 重点难点：机械零件的主要失效形式和机械零件设 计和计算的基本准则。
第二章 机械设计总论
dN
λ (t ) = −
dt N
第二章 机械设计总论
将上式分离变量并积分，
− ∫ λ (t )dt = ∫
0 t N N0
dN N = ln = ln R N N0
R = e ∫0
− λ ( t ) dt
t
这就是可靠度和失效率的关系. 零件可靠度可用另一个指标表示，即零件的平均 工作时间（也称零件的平均寿命）。
第二章 机械设计总论
上世纪60年代末开始，设计领域中相继出现了 一系列新兴理论和方法，运用到了现代数学、力学、 计算机科学、信息科学等方面的最新成果。是过去 长期的传统设计活动的延伸和发展。 常见的方法有：计算机辅助设计、虚拟样机设 计、优化设计、可靠性设计、智能设计、并行设计、 动态设计、反求工程设计、摩擦学设计、人机工程 学、相似性设计等等。 实现了动态取代静态、定量取代定性、优化设 计取代可行性设计、自动化设计取代人工设计等等 方面的转化。
在众多的方案中，要从技术方面、可行性方面、 经济方面和环保方面进行综合评价。
总费用
费用
使用 费用
设计制 造费用
复杂程度
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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 2）机器的动力学设计 3）零件的工作能力设计 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
0.85 f > f p
或 1.15 f < f p
f 代表零件的固有频率，
f p 代表激振源的频率。
第二章 机械设计总论
可靠性准则： 可靠度：对件数为 N 的一批零件进行试验，经过时 间 t 之后有 N件仍能正常工作，则该零件在该试验 环境条件下工作时间 t 的可靠度定义为：
0
N R= N0
若在时间 t + dt 内，又有 dN个零件失效，则 dt 内零 件失效的比率定义为失效率，即：
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理论设计：根据长期总结出来的设计理论和实验 数据所进行的设计。
σ= σ F ≤ [σ ] = lim A S
F
设计计算: 校核计算:
A≥
σ =
SF
σ lim
F ≤ [σ ] A
F
S σ S ca = lim ≥ S σ
F≤
σ lim A
σ lim ≥ σS
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第二章 机械设计总论
第三节 对机器的要求
在满足预期功能的前提下，要求性能好、 在满足预期功能的前提下，要求性能好、效率 成本低，造型美观， 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： 可靠，操作方便、维修简单。具体要求如下：
1）使用要求 2）经济性要求 3）劳动保护和环境保护要求 4）可靠性要求 5）对外观造型的要求 6）其它专用要求
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技术文件编制阶段：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。包括：设计说明书、使用说 明书、零件明细表、标准件汇总、产品验收条件等 等。 试制、试验、生产、销售：对样机进行评价、考 核工艺性、收集用户意见、改进设计，最后投产销 售。
润滑、显示、 润滑、显示、照明等辅助部分 原动机部分 传感器 传动部分 传感器 控 制 系 统 执行部分 传感器
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第二节 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
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第九节 机械零件的材料及其选用
铸铁 黑色金属 (TH300 300) 灰铸铁 (TH300) 球墨铸铁(QT500(QT500 球墨铸铁(QT500-5) …
灰铸铁 (TH300) 球墨铸铁(QT500-5) …
金属材料
有色金属
08F) 低碳钢 (08F) 钢 45) 中碳钢 (45) 60) 高碳钢 (60) Cr18 18） 合金钢 (1Cr18） … (LY12 12) 铝合金 (LY12) (ZCuSn10 10P 铜合金 (ZCuSn10P1)
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第六节 机械零件的设计准则
在设计中，应保证所设计的机械零件在正常工 作中不发生任何失效。为此对于每种失效形式都制 定了防止这种失效应满足的条件，这样的条件就是 所谓的工作能力计算准则。它是设计机械零件的理 论依据。所以设计零件时，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。
第二章 机械设计总论
第二章 机械设计总论
2、结构工艺性要求（便于加工、装配） 零件工艺性良好的标志：在具体的生产条件下， 零件要便于加工、便于装配，而且加工费用低。
第二章 机械设计总论
第二章 机械设计总论
3、经济性要求（材料、加工方法、精度等级） 4、质量小的要求（节约材料、↓惯性力） 5、可靠性要求
过大的残余变形：如果作用在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，若变形过 大，也会使零件失效而失去工作能力。
轴承外圈塑性变形 轮齿塑性变形
第二章 机械设计总论
零件的表面破坏：零件的表面破坏住要是腐蚀、磨 损和接触疲劳，是随工作时间的延续而逐渐发生的 失效形式。
第二章 机械设计总论
y ≤ [y]
第二章 机械设计总论
寿命准则：通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关， 影响零件使用寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲劳， 前两者还没有成熟的计算方法，工程中通常是求出 使用寿命时的疲劳极限作为计算的依据。针对的失 效形式有：疲劳、磨损、腐蚀。
第二章 机械设计总论
振动稳定性准则:就是保证机器中受激振作用的零件 的固有频率与激振源的频率错开，即要求：
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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。所谓强度指机械零 件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。具 体讲强度准则是指零件中的应力不得超过许用值。 针对的失效形式有：断裂、疲劳破坏、残余变形。 σ lim为材料的极限应力:
σ ≤ σ lim
σ ≤ [σ ]
破坏正常工作条件引起的失效：有些零件只有在 一定的条件下才能正常工作，如带传动，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， 否则将引起打滑。 失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、 温度等原因,据统计，断裂仅占4.79%; 腐蚀、 磨损、疲劳破坏占73.88%。腐蚀、磨损、疲劳是主 要失效原因。
第二章 机械设计总论
标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准 代号为： ISO GB JB、HB QB 标准性质： 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。
第二章 机械设计总论
第七节 机械零件的设计方法
机械零件的设计方法可分为常规的设计方法，也称 传统的设计方法，以及近十年发展起来的现代设计方 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。 常规设计方法又可分为以下几种：理论设计、经 验设计以及模型实验设计。
第二章 机械设计总论
第八节 机械零件设计的一般步骤
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； 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，确定设计准则； 4.选材； 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； 7.必要的校核计算； 8.画零件图，写说明书。
σ≤ σ lim
S
对于一次断裂来讲（一般指脆性材 σ 料），lim 为材料的强度极限， 对于残余变形来讲（一般指塑性材 σ 料），lim 为材料的屈服极限， 对于疲劳破坏来讲， lim σ 为材料的疲劳 极限。
第二章 机械设计总论
刚度准则：确保零件不发生过大的弹性变形，所谓 刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能 力，具体地讲刚度准则是指零件在力作用下的弹性 变形量不得超过许用值。针对的失效形式：弹性变 形。
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。 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。
第二章 机械设计总论
基本内容： (1)机器的组成； (2)设计机器的一般 方法； (3)对机器的主要要求； (4)机械零件的主 要失效形式； (5)设计机械零件的时满足的基本要 求； (6)机械零件的设计准则； (7)机械零件的设 计方法； (8)机械零件的设计一般步骤； (9)机械 零件的材料及其选用； (10)机械零件设计中的标 准化； (11)机械现代设计方法简介；
第二章 机械设计总论
计划阶段：对所设计的机器进行市场调研，可行性 分析，明确机器具有的功能，并形成设计任务书。 方案设计阶段：对设计任务书中所提出的机器功能 必须进行分析，也就是对机器进行功能分析（如功 能能否实现等等），并确定出功能参数，提出达到 这些功能应该采用工作原理方案。
第二章 机械设计总论
第二章 机械设计总论
第四节 机械零件的主要失效形式
机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失 效。机械零件的失效形式主要有： 整体断裂：零件在受拉、压、弯、剪、扭等外 载荷作用下，零件某一危险截面上的应力超过零件 的强度极限而发生断裂。
第二章 机械设计总论
齿轮轮齿折断
轴承内圈破裂
第二章 机械设计总论
第二章 机械设计总论
第五节 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：
1、避免在预期寿命内失效的要求（强度、刚度、寿命） 零件在工作中不发生断裂或不出现过大的残余变形， 就叫满足了强度要求。 零件在工作时所产生的弹性变形不超过允许的限度， 就叫满足了刚度要求 零件正常工作的时间就叫零件的寿命。影响零件寿命的 主要因素有： 疲劳破坏、腐蚀和磨损。
非金属材料
高分子材料 陶瓷材料 复合材料
第二章 机械设计总论
第十节 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、制图要求等，制定出大家共同遵守 的标准。 1)产品品种规格的系列化 2)零部件的通用化 3)产品质量标准化
第二章 机械设计总论
标准化的意义： 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。
第二章 机械设计总论
基本要求： (1)掌握设计机器和零件应满足的要求； Hale Waihona Puke Baidu计机器和零件的一般步骤以及常用的设计方法等 基本知识； (2)掌握机械零件的主要失效形式和机 械零件设计和计算的基本准则； (3)了解一些现代 设计方法。 重点难点：机械零件的主要失效形式和机械零件设 计和计算的基本准则。
第二章 机械设计总论
dN
λ (t ) = −
dt N
第二章 机械设计总论
将上式分离变量并积分，
− ∫ λ (t )dt = ∫
0 t N N0
dN N = ln = ln R N N0
R = e ∫0
− λ ( t ) dt
t
这就是可靠度和失效率的关系. 零件可靠度可用另一个指标表示，即零件的平均 工作时间（也称零件的平均寿命）。
第二章 机械设计总论
上世纪60年代末开始，设计领域中相继出现了 一系列新兴理论和方法，运用到了现代数学、力学、 计算机科学、信息科学等方面的最新成果。是过去 长期的传统设计活动的延伸和发展。 常见的方法有：计算机辅助设计、虚拟样机设 计、优化设计、可靠性设计、智能设计、并行设计、 动态设计、反求工程设计、摩擦学设计、人机工程 学、相似性设计等等。 实现了动态取代静态、定量取代定性、优化设 计取代可行性设计、自动化设计取代人工设计等等 方面的转化。
在众多的方案中，要从技术方面、可行性方面、 经济方面和环保方面进行综合评价。
总费用
费用
使用 费用
设计制 造费用
复杂程度
第二章 机械设计总论
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 2）机器的动力学设计 3）零件的工作能力设计 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
0.85 f > f p
或 1.15 f < f p
f 代表零件的固有频率，
f p 代表激振源的频率。
第二章 机械设计总论
可靠性准则： 可靠度：对件数为 N 的一批零件进行试验，经过时 间 t 之后有 N件仍能正常工作，则该零件在该试验 环境条件下工作时间 t 的可靠度定义为：
0
N R= N0
若在时间 t + dt 内，又有 dN个零件失效，则 dt 内零 件失效的比率定义为失效率，即：
第二章 机械设计总论
理论设计：根据长期总结出来的设计理论和实验 数据所进行的设计。
σ= σ F ≤ [σ ] = lim A S
F
设计计算: 校核计算:
A≥
σ =
SF
σ lim
F ≤ [σ ] A
F
S σ S ca = lim ≥ S σ
F≤
σ lim A
σ lim ≥ σS
第二章 机械设计总论
第二章 机械设计总论
第三节 对机器的要求
在满足预期功能的前提下，要求性能好、 在满足预期功能的前提下，要求性能好、效率 成本低，造型美观， 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： 可靠，操作方便、维修简单。具体要求如下：
1）使用要求 2）经济性要求 3）劳动保护和环境保护要求 4）可靠性要求 5）对外观造型的要求 6）其它专用要求
第二章 机械设计总论
技术文件编制阶段：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。包括：设计说明书、使用说 明书、零件明细表、标准件汇总、产品验收条件等 等。 试制、试验、生产、销售：对样机进行评价、考 核工艺性、收集用户意见、改进设计，最后投产销 售。