第一章機(jī)械設(shè)計(jì)概論

1、課課 前前 須須 知知 這門(mén)課程是同學(xué)們初次接觸的第一 門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，為了幫助同學(xué)們更好地 了解和學(xué)習(xí)這一門(mén)課程，在我們的共同 努力下，順利地完成教學(xué)計(jì)劃，在正式 上課以前，首先給大家介紹一些在學(xué)習(xí) 中應(yīng)該注意的地方。 本課程的主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生本課程的主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生 1、掌握常用機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、特性等基本知識(shí)， 并初步具有運(yùn)用、分析基本機(jī)構(gòu)的能力。 2、掌握通用機(jī)械零件的工作原理、特點(diǎn)、 應(yīng)用和簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并初步具有選用 和分析簡(jiǎn)單機(jī)械傳動(dòng)裝置的能力。 3、具有運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)等 有關(guān)技術(shù)資料的能力。 本課程從內(nèi)容上主要包括兩大部?jī)纱蟛?分分：原理和設(shè)計(jì)，作為本課程的完整教

2、學(xué)內(nèi)容，在理論課程的學(xué)習(xí)之后，同學(xué) 們還必須進(jìn)行為時(shí)2周的課程設(shè)計(jì)，這 是一個(gè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，鍛煉大家具體 應(yīng)用本課程理論和方法的能力。關(guān)于這 門(mén)課程的學(xué)習(xí)方法問(wèn)題，在緒論中再講， 這里需要將的是有關(guān)學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的地 方，也是為保證我們順利完成教學(xué)任務(wù) 的要求： 1 1紀(jì)律：紀(jì)律：這門(mén)課程的學(xué)習(xí)和其它各個(gè) 學(xué)科一樣，都需要大家認(rèn)真上課、聽(tīng) 講。如果放棄聽(tīng)課的機(jī)會(huì)，完全寄希 望于在考前突擊復(fù)習(xí)，將需要付出雙 倍、甚至更大的努力。 2 2作業(yè)：作業(yè)：做作業(yè)是學(xué)習(xí)過(guò)程中一個(gè)十 分重要的過(guò)程，只有做作業(yè)才能檢驗(yàn) 我們是否掌握了課堂的學(xué)習(xí)，也是對(duì) 課堂聽(tīng)課內(nèi)容的及時(shí)復(fù)習(xí)和鞏固。希 望同學(xué)們要獨(dú)立完成。

3、3 3筆記：筆記：本課程不同于純理論課，它具有 理論性和實(shí)踐性兩大特點(diǎn)。同時(shí)課時(shí)少， 內(nèi)容多，我們不可能完全按照教材講授， 同時(shí)講授次序也不可能完全按照教材的 編排順序。希望同學(xué)們從現(xiàn)在開(kāi)始就要 養(yǎng)成作筆記的習(xí)慣和能力，以便掌握講 授的主線，便于同學(xué)在復(fù)習(xí)時(shí)使用。同 時(shí)，作筆記也是大學(xué)生必備的素質(zhì)之一。 做筆記可以分為兩個(gè)步驟：課堂速記： 字跡可以盡可能的潦草，以自己能夠辨 認(rèn)為原則；課后整理：課后要及時(shí)整 理，補(bǔ)充和完善，要規(guī)范。 4 4預(yù)習(xí)：預(yù)習(xí)：希望同學(xué)們要預(yù)習(xí)下次上課的內(nèi)容，不求 完全弄懂，只需要知道講授的主要內(nèi)容，便于聽(tīng) 課和作筆記。 5 5思考：思考：本課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，許多問(wèn)

4、題的解 決方法不是唯一的，那么答案也不是唯一的。作為 課堂講授，我們只能介紹比較成熟、常用的方法， 這一點(diǎn)同學(xué)們要特別注意，要對(duì)課堂所講授的內(nèi)容 抱有“合理懷疑”的態(tài)度，要大膽第提問(wèn)和質(zhì)疑， 在以后專業(yè)課的學(xué)習(xí)中更是如此。在將來(lái)的工作崗 位上，對(duì)原有機(jī)構(gòu)、方法和理論進(jìn)行“合理懷疑” 而作出大量的創(chuàng)新活動(dòng)，是一名科技工作者的必備 素質(zhì)之一。 第一章第一章 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)概論機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)概論 教教 學(xué)學(xué) 目目 標(biāo)標(biāo) 1）使學(xué)生了解本課程研究的對(duì)象、內(nèi)容 以及其在培養(yǎng)高級(jí)機(jī)械工程技術(shù)人才全局 中的地位、作用和任務(wù)，從而明確學(xué)習(xí)本 課程的目的。 2）使學(xué)生對(duì)機(jī)械原理和設(shè)計(jì) (Mechanisms （2）

5、 機(jī)器的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì); （3）機(jī)器的動(dòng)力）機(jī)器的動(dòng)力 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) （1）機(jī)器工作原理選擇）機(jī)器工作原理選擇 工作原理是實(shí)現(xiàn)預(yù)期職能的基本依據(jù)。我 們聽(tīng)說(shuō)過(guò)“條條道路通羅馬”的話，實(shí)現(xiàn) 同樣的預(yù)期職能，可以采用不同的工作原 理、方法和途徑。所以，在研制新機(jī)器時(shí)， 應(yīng)結(jié)合具體情況提出多種不同的工作原理， 通過(guò)全面分析比較，從中選擇最滿意的一 種。例如采煤，可以使用風(fēng)鎬，也可以使 用高壓水柱沖擊煤層開(kāi)采，也可以采用割 煤機(jī)進(jìn)行開(kāi)采等。 （2）機(jī)器的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)）機(jī)器的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 就是根據(jù)上一步確定的機(jī)器工作原 理，確定機(jī)器執(zhí)行部分的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。例 如牛頭刨床，要求工作行程要慢、而返 回行程要快。這一

6、步主要依據(jù)我們前面 所述的機(jī)械原理知識(shí)來(lái)完成。這里，必 須同時(shí)考慮選擇適當(dāng)?shù)脑瓌?dòng)機(jī)，妥善考 慮和設(shè)計(jì)機(jī)械的傳動(dòng)部分實(shí)現(xiàn)方法，并 考慮運(yùn)動(dòng)參數(shù)調(diào)整的必要性于可能性。 （3）機(jī)器的動(dòng)力設(shè)計(jì)）機(jī)器的動(dòng)力設(shè)計(jì) 根據(jù)機(jī)器的工作原理和運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié) 果，按照機(jī)器的總體性能要求，根據(jù)其運(yùn) 動(dòng)特性、工作阻力、速度、傳動(dòng)效率等， 計(jì)算機(jī)器所需的驅(qū)動(dòng)功率，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)的 選擇。同時(shí)也要考慮調(diào)節(jié)于控制的必要性 于可能性，也可以利用機(jī)械原理和電工學(xué) 知識(shí)來(lái)完成。 3）技術(shù)設(shè)計(jì)階段）技術(shù)設(shè)計(jì)階段 主要是依據(jù)原動(dòng)機(jī)的特性和運(yùn)轉(zhuǎn)特性或根據(jù) 零部件的工作載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般采用前一種方 法，選擇設(shè)計(jì)出各零部件。 在工作原理確定之后的

7、工作，就是將前面選 定的設(shè)計(jì)方案通過(guò)必要的分析計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 用圖面（裝配圖、零件圖等）及技術(shù)文件的形式 來(lái)加以具體表示。包括：運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、動(dòng)力分析、 整體布局、零件結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、精度和其它 參數(shù)的確定以及必要的強(qiáng)度和剛度計(jì)算等。反映 在實(shí)際工作的成果圖紙上，大體可以分為四 個(gè)步驟： （一）總體設(shè)計(jì)階段（一）總體設(shè)計(jì)階段：根據(jù)工作原理繪制 機(jī)器的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，這是圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的第 一階段。在這個(gè)階段，要考慮各個(gè)機(jī)構(gòu)主 要零件的大體位置。同時(shí)，為了擬訂機(jī)器 的總體布置，需要分析比較各種可能的傳 動(dòng)方案。 （二）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段：（二）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段：考慮和決定各部分 的相對(duì)位置和聯(lián)接方法，零件的具體形

8、狀、 尺寸、安裝等一系列問(wèn)題，把機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn) 圖變成具體的裝配圖（或結(jié)構(gòu)圖），這是 圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的第二個(gè)階段。 （三）零件設(shè)計(jì)階段：（三）零件設(shè)計(jì)階段：裝配圖只確定了機(jī) 器的總體尺寸、各個(gè)零部件的相對(duì)位置及 配合關(guān)系，而沒(méi)有反映出各個(gè)零件的全部 尺寸、結(jié)構(gòu)等。零件設(shè)計(jì)階段就是把機(jī)器 的所有零件（標(biāo)準(zhǔn)件除外）拆分出來(lái)，繪 制成零件圖，為加工提供依據(jù)。 （四）技術(shù)文件制定：（四）技術(shù)文件制定：完成圖紙滯后，必 須完成一系列的技術(shù)文件，應(yīng)包括各種明 細(xì)表、系統(tǒng)圖、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)和使用說(shuō)明書(shū) 等。 4）施工設(shè)計(jì)階段（工藝設(shè)計(jì)）施工設(shè)計(jì)階段（工藝設(shè)計(jì)） 本階段是將設(shè)計(jì)與制造聯(lián)接起來(lái)的重 要環(huán)節(jié)，即規(guī)劃零件的制造工

9、藝流程，確 定工藝參數(shù)、檢測(cè)手段、夾具、模具設(shè)計(jì) 等工作。這些屬于機(jī)制工藝學(xué)課程的內(nèi)容。 由于在很大程度上取決于經(jīng)驗(yàn)、依賴于實(shí) 踐經(jīng)驗(yàn)，所以計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì) （CAPP）未能像機(jī)械CAD一樣獲得突破 性進(jìn)展和廣泛應(yīng)用。 一個(gè)完整的設(shè)計(jì)過(guò)程不但包含以上四個(gè) 階段，還包括制造、裝配、試車(chē)、生產(chǎn)等 所有環(huán)節(jié)，對(duì)圖紙和技術(shù)文件進(jìn)行完善和 修改，直到定型投入正式生產(chǎn)的全過(guò)程。 實(shí)際工作中，上述的幾個(gè)階段是交叉反復(fù) 進(jìn)行的。 隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真技 術(shù)、三維圖形技術(shù)以及虛擬裝配制造技術(shù) 的迅速發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)方法有了極大的變 革，借助這些技術(shù)我們可以極大地降低設(shè) 計(jì)和試制成本，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

10、 2.3 機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求 一）機(jī)器應(yīng)該滿足的基本要求一）機(jī)器應(yīng)該滿足的基本要求 1使用性要求（實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，滿足運(yùn)動(dòng)和使用性要求（實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，滿足運(yùn)動(dòng)和 動(dòng)力性能的要求）（功能性要求）動(dòng)力性能的要求）（功能性要求） 機(jī)器必須能夠保證在預(yù)定壽命期間內(nèi)，按照 規(guī)定的技術(shù)條件順利而有效地實(shí)現(xiàn)全部預(yù)期職能 的要求，不能失效。它是設(shè)計(jì)的最基本的出發(fā)點(diǎn)。 這是依靠正確選擇機(jī)器的工作原理、機(jī)構(gòu)類型、 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案，以及正確設(shè)計(jì)零部件的機(jī)構(gòu) 組合來(lái)保證。 2經(jīng)濟(jì)性要求經(jīng)濟(jì)性要求 這是一個(gè)綜合性指標(biāo)，表現(xiàn)在設(shè)計(jì)制 造和使用兩個(gè)方面。提高設(shè)計(jì)制造的經(jīng)濟(jì) 性的途徑有三條：1）使產(chǎn)品系

11、列化、標(biāo) 準(zhǔn)化、通用化；2）運(yùn)用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)制造 方法；3）科學(xué)管理。 提高使用經(jīng)濟(jì)性的途徑有四條：1） 提高機(jī)械化、自動(dòng)化水平；2）提高機(jī)械 效率；3）延長(zhǎng)使用壽命；4）防止無(wú)意義 的損耗。 3安全性要求安全性要求 有三個(gè)含義：1）設(shè)備本身不因過(guò)載、失電 以及其它偶然因素而損壞；2）切實(shí)保障操作者 的人身安全（勞動(dòng)保護(hù)性）；3）不會(huì)對(duì)環(huán)境造 成破壞。 勞動(dòng)保護(hù)性有三個(gè)方面：1）提高操作安全性，在 外露的旋轉(zhuǎn)部件應(yīng)添加安全罩，某些需要的地方需設(shè)立 安全報(bào)警裝置，例如煤氣、鍋爐等；2）降低體力及腦 力損耗，從操作力、過(guò)程的復(fù)雜程度、操縱數(shù)目等方面 進(jìn)行考慮；例如在具有集中潤(rùn)滑的大型設(shè)備中，采用如

12、圖所示的聯(lián)鎖裝置，以降低操作者的精神負(fù)擔(dān)。3）改 善操作環(huán)境，增加操作的舒適性，例如乘座的振動(dòng)、機(jī) 器外觀的色彩搭配等等。 4工藝性要求工藝性要求 這包含兩個(gè)方面1）裝配工藝性2） 零件加工工藝性。在不影響工作性能 的前提下，應(yīng)使機(jī)構(gòu)盡可能地簡(jiǎn)化， 力求用簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)裝置取代復(fù)雜的裝 置去完成同樣的職能，便于拆裝，盡 量使用標(biāo)準(zhǔn)件。零件的結(jié)構(gòu)合理，很 好的處理設(shè)計(jì)與制造的矛盾，滿足加 工制造的需要。 5可靠性要求可靠性要求 隨著機(jī)械系統(tǒng)日益復(fù)雜化、大型化、 自動(dòng)化及集成化，要求機(jī)械系統(tǒng)在預(yù)定的 環(huán)境條件下和壽命期限內(nèi)，具有保持正常 工作狀態(tài)的性能，這就稱為可靠性。 6其它特殊要求其它特殊要求 針

13、對(duì)某一具體的機(jī)器，都有一些特殊 的要求。例如：飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量要輕、食品 等機(jī)械、紡織機(jī)械等不得對(duì)產(chǎn)品造成污染 等。 二）機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則及一般步驟二）機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則及一般步驟 1、設(shè)計(jì)機(jī)械零件的基本要求、設(shè)計(jì)機(jī)械零件的基本要求 機(jī)械零件的設(shè)計(jì)，必須依據(jù)其在機(jī) 器中的作用及工作情況，滿足強(qiáng)度、剛 度、壽命、工藝性、可靠性以及某些特 殊的要求的一部分或全部?jī)?nèi)容。具體有 以下幾個(gè)方面： 1）在預(yù)定壽命期限內(nèi)不失效）在預(yù)定壽命期限內(nèi)不失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 機(jī)械零件應(yīng)某種原因不能正常工作的現(xiàn)象 稱為失效失效。機(jī)械零件的主要失效形式有斷裂、 表面破壞（腐蝕、磨損和接觸疲勞等）、過(guò)量 殘余變形和

14、正常工作條件的破壞。維避免這些 失效，設(shè)計(jì)中需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題。 a.強(qiáng)度要求強(qiáng)度要求 零件在工作時(shí)，在額定的工作條件 下，既不發(fā)生任何形式的破壞，也不產(chǎn)生超過(guò) 容許限度的殘余變形，能保證機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn) 和工作，我們就認(rèn)為該零件滿足了強(qiáng)度要求。 強(qiáng)度不足是零件在工作中斷裂或過(guò)量殘余變形 的直接原因。 零件的強(qiáng)度分為體積強(qiáng)度和表面接觸 強(qiáng)度。零件在載荷作用下，如果產(chǎn)生的應(yīng) 力在較大的體積內(nèi)，則這種應(yīng)力狀態(tài)下的 零件強(qiáng)度稱為體積強(qiáng)度體積強(qiáng)度（簡(jiǎn)稱強(qiáng)度，即平 常我們所說(shuō)的強(qiáng)度）。若兩個(gè)零件在受載 前后由點(diǎn)接觸或線接觸變?yōu)樾”砻娣e接觸， 且其表面產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力（稱為接觸 應(yīng)力），這時(shí)零件的強(qiáng)度稱

15、為表面接觸強(qiáng)表面接觸強(qiáng) 度度（簡(jiǎn)稱接觸強(qiáng)度）。 在設(shè)計(jì)中，除了部分受力較小或形狀復(fù)雜 無(wú)法計(jì)算的零件靠經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)確定外，大多數(shù) 重要零件都是利用強(qiáng)度條件式來(lái)校核的（材料（材料 力學(xué)中的相關(guān)強(qiáng)度理論）力學(xué)中的相關(guān)強(qiáng)度理論）。 若零件的強(qiáng)度不夠，就會(huì)出現(xiàn)整體斷裂， 表面接觸疲勞或塑性變形等失效而喪失工作能 力，所以設(shè)計(jì)零件時(shí)必須滿足強(qiáng)度要求。其設(shè) 計(jì)準(zhǔn)則是： = F P S lim 其中: 稱作計(jì)算應(yīng)力； 稱作許用抗拉應(yīng)力 P拉力載荷； F面積尺寸； 極限應(yīng)力； S安全系數(shù) 其含義是：零件中的應(yīng)力應(yīng)當(dāng)小于或等于其許 用應(yīng)力 才能滿足強(qiáng)度要求。該公式由于是 用來(lái)校核零件的初定剖面F是否滿足強(qiáng)度要求

16、的，所以稱為校核公式校核公式。 要注意的是：要注意的是：如果零件剖面上承受的載荷是剪 載荷，分別可以用剪應(yīng)力和許用剪應(yīng)力等代 入上面的式中進(jìn)行計(jì)算。 lim 可以看出：強(qiáng)度準(zhǔn)則就是把對(duì)零件起損傷作用強(qiáng)度準(zhǔn)則就是把對(duì)零件起損傷作用 的一方（例如載荷和應(yīng)力）與零件對(duì)損傷起抵的一方（例如載荷和應(yīng)力）與零件對(duì)損傷起抵 抗作用的一方進(jìn)行比較來(lái)判斷零件強(qiáng)度的抗作用的一方進(jìn)行比較來(lái)判斷零件強(qiáng)度的。 通過(guò)上面的強(qiáng)度條件式，可以發(fā)現(xiàn)，提高提高 零件強(qiáng)度的措施有零件強(qiáng)度的措施有：1）增大零件危險(xiǎn)剖面的尺 寸、合理設(shè)計(jì)剖面形狀，以增大剖面面積的慣 性矩；2）采用高強(qiáng)度材料，對(duì)材料進(jìn)行提高強(qiáng) 度及降低內(nèi)應(yīng)力的熱處理，

17、控制加工工藝以減 小或消除微觀缺陷等；3）力求降低零件上的載 荷，例如減小軸的支承跨距以降低作用在其上 的彎矩，采用減振結(jié)構(gòu)以降低沖擊載荷等；4） 妥善設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)以降低應(yīng)力集中程度等。 b.剛度要求剛度要求 在機(jī)器工作時(shí)，有時(shí)機(jī)器并沒(méi)有破壞，但是 由于零件的變形而導(dǎo)致機(jī)器的失效或不能正常 的工作或完成預(yù)定的工作任務(wù)。這就是剛度失 效。對(duì)于這類情況，我們不但要求進(jìn)行強(qiáng)度的 計(jì)算，同時(shí)要進(jìn)行剛度的計(jì)算。 零件的剛度要求是指工作時(shí)，零件所產(chǎn)生的 彈性變形不超過(guò)規(guī)定的限度。剛度的計(jì)算是利 用剛度條件式來(lái)判定的。針對(duì)彈性變形的二種 情況（彎曲和扭轉(zhuǎn)），剛度條件式分別為： yy 或； 有時(shí)也可以直接利用

18、剛度要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 一般來(lái)說(shuō)滿足剛度要求的零件都滿足強(qiáng)度要求一般來(lái)說(shuō)滿足剛度要求的零件都滿足強(qiáng)度要求。 剛度分為兩類：體積剛度和表面接觸剛度。 上面所述的剛度都屬于體積剛度。 兩個(gè)比較粗糙的接觸表面，在大的壓力作 用下，接觸表面的微觀凸峰將會(huì)被壓平，就會(huì) 引起兩零件的相對(duì)位置發(fā)生超過(guò)容許限度的變 化，就產(chǎn)生不能滿足接觸剛度的情況。在設(shè)計(jì) 時(shí)也應(yīng)該給予充分的注意。 提高零件整體剛度的原則措施有提高零件整體剛度的原則措施有：1） 適當(dāng)增加零件的剖面尺寸；2）合理設(shè)計(jì) 零件的剖面形狀；3）合理添置加強(qiáng)筋， 采用多支點(diǎn)結(jié)構(gòu)；4）提高零件接觸表面 的加工精度或經(jīng)適度跑合，以降低表面粗 糙度；5）適當(dāng)增

19、大接觸面積，以降低單 位壓力等。 c.壽命要求壽命要求 壽命要求就是要求零件在預(yù)定工作期間保持 正常工作而不致報(bào)廢。主要是針對(duì)那些在變應(yīng)力 下工作和工作時(shí)受到磨損或腐蝕的零件提出的。 提高零件壽命的措施主要有：提高零件壽命的措施主要有：1）妥善設(shè)計(jì) 零件結(jié)構(gòu)以降低應(yīng)力集中程度；2）采用精加工 或表面強(qiáng)化處理以提高零件工作表面的質(zhì)量；3） 合理選擇摩擦副配對(duì)材料、潤(rùn)滑劑與潤(rùn)滑方法以 提高零件抗磨損能力；4）選用耐腐蝕材料制造 在腐蝕介質(zhì)中工作的零件；5）利用熱處理提高 零件材料的機(jī)械性能或利用滾壓、噴丸等工藝使 零件表面產(chǎn)生有利的殘余預(yù)應(yīng)力等等。 d.振動(dòng)性和噪聲要求振動(dòng)性和噪聲要求 隨著機(jī)械向

20、高速發(fā)展和人們對(duì)環(huán)境舒 適性要求的提高，對(duì)機(jī)械振動(dòng)和噪聲的要 求也越來(lái)越高。當(dāng)機(jī)械或零件的固有振動(dòng) 頻率等于或接近受激振源作用所引起的強(qiáng) 迫振動(dòng)頻率時(shí)，將產(chǎn)生共振。這不但影響 機(jī)器的正常工作，甚至?xí)斐善茐男允鹿省?因此，對(duì)于高速機(jī)械應(yīng)該進(jìn)行振動(dòng)分析和 計(jì)算，采取降低振動(dòng)和噪聲的措施。 具體來(lái)說(shuō)，并不是每一類型的零件 都需要進(jìn)行所有上述的計(jì)算，而是從實(shí) 際載荷的工作條件出發(fā)，分析其主要的 失效形式，再確定其計(jì)算準(zhǔn)則，必要時(shí) 再按其它要求進(jìn)行校核。例如，機(jī)床主 軸，首先根據(jù)剛度確定尺寸，再校核其 強(qiáng)度、振動(dòng)穩(wěn)定性。 2) 工藝性要求工藝性要求 所謂機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性，是指在一 定生產(chǎn)條件下，能

21、夠方便經(jīng)濟(jì)地制造和裝配， 即零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)使之易于加工。工藝性 要求也是零件設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，必須要 從生產(chǎn)批量、材料、毛坯制作、加工方法、 裝配過(guò)程等方面進(jìn)行全面的考慮。由于制造 費(fèi)用一般要占產(chǎn)品成本的80以上，所以 工藝性的好壞直接影響著零件的經(jīng)濟(jì)性。有 人說(shuō)：一個(gè)好的設(shè)計(jì)人員應(yīng)該首先是一個(gè)工 藝師。 3） 經(jīng)濟(jì)性要求經(jīng)濟(jì)性要求 零件的經(jīng)濟(jì)性要求就是要用最低的 成本和最少的工時(shí)制造出滿足技術(shù)要求的 零件。我們?cè)谶M(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須時(shí)刻牢記， 要從降低材料消耗、盡可能利用廉價(jià)材料 代替昂貴的材料、盡可能多使用標(biāo)準(zhǔn)件等 等方面入手，努力提高經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。 4） 可靠性可靠性 零件可靠性的概念與機(jī)

22、械系統(tǒng)可靠性 相似，并且用零件的可靠度來(lái)衡量。零件 可靠度定義為：在預(yù)定的環(huán)境條件下和使 用時(shí)間（壽命）內(nèi)，零件能夠正常工作而 不會(huì)失效的概率（可能性）。 5） 標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化 機(jī)械設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化是指對(duì)零件的特征參數(shù) 及其結(jié)構(gòu)尺寸、檢驗(yàn)方法和制圖的規(guī)范化要求。 機(jī)械零件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)分為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB）、部 頒標(biāo)準(zhǔn)（如JB、YB等）和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等三級(jí)，這 些標(biāo)準(zhǔn)（特別是國(guó)家和有關(guān)部頒標(biāo)準(zhǔn)）是在機(jī)械 設(shè)計(jì)中必須嚴(yán)格遵守的。此外，進(jìn)出口產(chǎn)品一般 還應(yīng)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）。 習(xí)慣上，又把零件的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化稱零件的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化稱 作作“三化三化”。這是縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期

23、、提高產(chǎn)品 質(zhì)量合生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的重要途徑。 6） 其它要求其它要求 設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)，在滿足上述的前提 下還應(yīng)力圖減小質(zhì)量，減小材料消耗和慣 性載荷，對(duì)于行走機(jī)械可以增大其有效的 工作能力，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。此外，對(duì) 于一些專門(mén)用途或在特殊環(huán)境下工作的機(jī) 械零件，還需要考慮諸如耐高溫或低溫、 耐腐蝕、表面裝飾和造型應(yīng)美觀等要求。 2、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟 1）根據(jù)零件的使用要求（如功率、轉(zhuǎn)速等），選擇零 件的類型及結(jié)構(gòu)型式，并擬定計(jì)算簡(jiǎn)圖。 2）分析作用在零件上的載荷（拉、壓力，剪切力）。 3）根據(jù)零件的工作條件，按照相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，確定 許用應(yīng)力。 4）分析

24、零件的主要失效形式，按照相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則， 確定零件的基本尺寸。 5）按照結(jié)構(gòu)工藝性、標(biāo)準(zhǔn)化的要求，設(shè)計(jì)零件的結(jié)構(gòu) 及其尺寸。 6）繪制零件的工作圖，擬定必要的技術(shù)條件，編寫(xiě)計(jì) 算說(shuō)明書(shū)。 在實(shí)際工作中，有時(shí)采用與上述設(shè)計(jì) 步驟相反的校核計(jì)算：即先參照已有的實(shí) 物或圖樣，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用類比法來(lái)初步確 定零件的結(jié)構(gòu)尺寸；再根據(jù)載荷應(yīng)力分析 來(lái)確定有關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并驗(yàn)算零件中的工 作應(yīng)力（或計(jì)算應(yīng)力）是否小于或等于許 用應(yīng)力，或者驗(yàn)算其安全系數(shù)是否大于或 等于許用安全系數(shù)。 第三節(jié)第三節(jié) 許用應(yīng)力和安全系數(shù)許用應(yīng)力和安全系數(shù) 載荷是指構(gòu)件或零件工作時(shí)所承受的外力。 根據(jù)載荷性質(zhì)不同，可以分為靜載荷和變載

25、荷兩 類。不隨時(shí)間變化的或變化很小的載荷稱為靜載靜載 荷荷，在靜載荷作用下產(chǎn)生的不隨時(shí)間變化或 變化很小的應(yīng)力稱為靜應(yīng)力靜應(yīng)力 （如圖（如圖14所示）所示）。如鍋爐 中的壓力、擰緊螺栓引起的 應(yīng)力等。 圖 14 大小和方向隨 時(shí)間而變化的載荷 稱為變載荷變載荷。在變 載荷作用下產(chǎn)生的 隨時(shí)間變化的應(yīng)力 稱為變應(yīng)力變應(yīng)力（例如 齒輪傳動(dòng)中輪齒的 應(yīng)力）。典型的有： 非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力、 對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力和 脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力三 類。 圖圖15 如圖15所示， 穩(wěn)定變應(yīng)力的最 大應(yīng)力為 最小應(yīng)力為 其平均應(yīng)力和應(yīng) 力幅分別為： max min 2 minmax m 2 minmax a 圖圖15 最小應(yīng)力

26、 與最大應(yīng)力 之比稱為循環(huán)特征 r，即： 由上述可知，變應(yīng)力參數(shù)共有五個(gè)， 即： 、 、r、 、 。 已知其中兩個(gè)參數(shù)便可以求出其余參數(shù)。而循環(huán) 特征參數(shù)r可以用來(lái)表示變應(yīng)力的變化情況。 min max max min r min max m a 圖圖 16 圖圖15 圖圖 17 機(jī)械零件中的變應(yīng)力多數(shù)情況下可以按照對(duì) 稱循環(huán)（r=1）或脈動(dòng)循環(huán)（r0）來(lái)處理。 例如：轉(zhuǎn)軸中的彎曲應(yīng)力可以看作對(duì)稱循環(huán) （r=1），單向轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸中的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力r 0；而一般情況下是1r2%）的鐵碳合金。其 碳大部分以石墨的形式存在于組織中，所以， 一般情況下其強(qiáng)度、韌性及硬度較低。但由于 石墨的存在，其耐磨性較

27、好，同時(shí)具有良好的 減振性能，而且價(jià)格低廉。鑄鐵也有多種，但 工程上常用的主要是灰鑄鐵和球墨鑄鐵。 灰鑄鐵主要用來(lái)制造機(jī)座類零件和其它 一些常見(jiàn)的不重要零件。球墨鑄鐵由于石墨經(jīng) 過(guò)處理，成為球狀，使得其機(jī)械性能得到極大 的提高，在很多場(chǎng)合下成功地取代了某些碳素 鋼及合金鋼。其典型的使用例如發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸 3）銅合金）銅合金 在機(jī)械中，各部分的聯(lián)接是靠運(yùn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn) 的。而在運(yùn)動(dòng)副中，為了提高結(jié)構(gòu)的可靠性、 耐磨性、降低成本（維修）等原因，大量使用 襯套、或軸瓦等零件。而這些零件的材料大多 是銅合金。 銅合金主要有：銅鋅合金、含錫青銅、無(wú) 錫青銅。 4）非金屬材料）非金屬材料 非金屬材料的種類繁多，在工程上也發(fā)揮著重 要的作用。例如橡膠密封墊、傳動(dòng)帶、樹(shù)脂材 料制作摩擦片、塑料手柄等等。 3.1材料選擇原則材料選擇原