第02章機(jī)械零件設(shè)計(jì)總論

1、武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 1主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 1 1機(jī)械零件的失效形式、工作能力設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)械零件的失效形式、工作能力設(shè)計(jì)計(jì)算 準(zhǔn)則等。準(zhǔn)則等。 2. 2. 機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法及一般步驟機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法及一般步驟 3. 3. 機(jī)械零件的材料選用原則機(jī)械零件的材料選用原則 重點(diǎn)內(nèi)容：重點(diǎn)內(nèi)容： 1. 1. 機(jī)械零件的主要失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)機(jī)械零件的主要失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則則 2. 2. 機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法及一般步驟機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法及一般步驟 第第2章章 機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 2機(jī)械零件的失效：機(jī)械零件的失效：機(jī)

2、械零件由于某種原因不能正常工作時(shí)，稱為機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作時(shí)，稱為失效。失效。工作能力工作能力-在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是對載荷而言，所以習(xí)慣上工作的限度。通常此限度是對載荷而言，所以習(xí)慣上又稱為：又稱為：承載能力。承載能力。例如：發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)；聯(lián)接的松弛；摩擦傳動(dòng)的打例如：發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)；聯(lián)接的松弛；摩擦傳動(dòng)的打滑等?；?。2-4 機(jī)械零件的主要失效形式機(jī)械零件的主要失效形式整體斷裂整體斷裂; ; 過大的殘余變形過大的殘余變形; ; 工作表面的過度磨損或損傷工作表面的過度磨損或損傷; ;破壞正常的工作條件。破壞正

3、常的工作條件。零件的失效形式零件的失效形式 如軸、齒輪、軸瓦、軸頸、螺栓、帶傳動(dòng)等。機(jī)械零件雖然有多種可能的失效形式，歸納起來最主要的為武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 3機(jī)械零件失效的實(shí)例：機(jī)械零件失效的實(shí)例：潘存云教授研制輪齒塑性變形輪齒塑性變形潘存云教授研制齒輪輪齒折斷齒輪輪齒折斷 潘存云教授研制軸承內(nèi)圈破裂軸承內(nèi)圈破裂 潘存云教授研制軸承外圈塑性變形軸承外圈塑性變形武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 4失效原因失效原因: 強(qiáng)度、剛度、耐磨性、振動(dòng)穩(wěn)定性、溫度等強(qiáng)度、剛度、耐磨性、振動(dòng)穩(wěn)定性、溫度等 原因。原因。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示： 斷裂僅占斷裂僅占4.79%; 腐蝕、磨損、

4、疲勞破壞占腐蝕、磨損、疲勞破壞占73.88%。 -主要失效原因。主要失效原因。潘存云教授研制齒面接觸疲勞齒面接觸疲勞潘存云教授研制軸瓦磨損軸瓦磨損武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 5 避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求 結(jié)構(gòu)工藝性要求結(jié)構(gòu)工藝性要求 經(jīng)濟(jì)性要求經(jīng)濟(jì)性要求 質(zhì)量小的要求質(zhì)量小的要求 可靠性要求可靠性要求 機(jī)器是由各種各樣的零部件組成的，要使所設(shè)計(jì)的機(jī)器是由各種各樣的零部件組成的，要使所設(shè)計(jì)的機(jī)器滿足基本要求，就必須使組成機(jī)器的零件滿足以機(jī)器滿足基本要求，就必須使組成機(jī)器的零件滿足以下要求：下要求：2-5 設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足的基本要求設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足

5、的基本要求武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 62-6 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則 設(shè)計(jì)零件時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)零件的失效形式確定其設(shè)計(jì)零件時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)零件的失效形式確定其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。一般來講，有以設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。一般來講，有以下幾種準(zhǔn)則：下幾種準(zhǔn)則：強(qiáng)度準(zhǔn)則是指零件中的應(yīng)力不得超過許用值。強(qiáng)度準(zhǔn)則是指零件中的應(yīng)力不得超過許用值。一、強(qiáng)度準(zhǔn)則一、強(qiáng)度準(zhǔn)則 -確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過大的確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過大的 塑性變形，是最基本的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。塑性變形，是最基本的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 即：即： = lim/S/Slim -材料的極限應(yīng)力材料的極限應(yīng)力脆性材

6、料：脆性材料： lim = = B ( (強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限) )塑性材料：塑性材料： lim = = S ( (屈服極限屈服極限) )武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 7二、剛度準(zhǔn)則二、剛度準(zhǔn)則-是指零件在力作用下的彈性變形量是指零件在力作用下的彈性變形量不得超過許用值不得超過許用值即：即：y yy 三、壽命準(zhǔn)則三、壽命準(zhǔn)則 影響零件使用壽命的因素主要是腐蝕、磨損和疲影響零件使用壽命的因素主要是腐蝕、磨損和疲勞，前兩者還沒有成熟的計(jì)算方法，工程中通常是求勞，前兩者還沒有成熟的計(jì)算方法，工程中通常是求出使用壽命時(shí)的疲勞極限作為計(jì)算的依據(jù)。出使用壽命時(shí)的疲勞極限作為計(jì)算的依據(jù)。四、振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)

7、則四、振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則 保證機(jī)器中受激振零件的固有頻率保證機(jī)器中受激振零件的固有頻率f與激振源的頻與激振源的頻率率fp錯(cuò)開，即要求：錯(cuò)開，即要求：0.85 f fp或或 1.15 f fp武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 8五、可靠性準(zhǔn)則五、可靠性準(zhǔn)則 可靠度的定義：可靠度的定義： 對件數(shù)為對件數(shù)為N0的一批零件進(jìn)行試的一批零件進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過時(shí)間驗(yàn)，經(jīng)過時(shí)間t之后有之后有N件仍能正常工作，則該零件件仍能正常工作，則該零件在該試驗(yàn)環(huán)境條件下工作時(shí)間在該試驗(yàn)環(huán)境條件下工作時(shí)間t的可靠度定義為：的可靠度定義為：R= NR= N / N/ N0 0若若t t R R N N-R R是時(shí)間的函數(shù)。是時(shí)

8、間的函數(shù)。 武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 92-7 機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法 常規(guī)設(shè)計(jì)方法常規(guī)設(shè)計(jì)方法是指采用一定的理論分析和計(jì)算，是指采用一定的理論分析和計(jì)算，結(jié)合人們在長期的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出的方法、結(jié)合人們在長期的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出的方法、公式、圖表等進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。公式、圖表等進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。機(jī)械零件的機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法常規(guī)設(shè)計(jì)方法常規(guī)設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法理論設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1) 1) 理論設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)-根據(jù)長期的總結(jié)出來的設(shè)計(jì)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所根據(jù)長期的總結(jié)出來的設(shè)計(jì)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所進(jìn)行的設(shè)計(jì)。進(jìn)行的設(shè)

9、計(jì)。武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 10以受拉桿為例，強(qiáng)度計(jì)算公式為：以受拉桿為例，強(qiáng)度計(jì)算公式為： lim/S/S或或 F/A lim/S/SF-F-拉力，拉力， A-A-截面積。截面積。 設(shè)計(jì)計(jì)算：設(shè)計(jì)計(jì)算： A FS/ A FS/ limlim校核計(jì)算有四種可選方式：校核計(jì)算有四種可選方式： F/A F A S Scaca = = lim / / S Slim S S S Scaca -計(jì)算安全系數(shù)計(jì)算安全系數(shù) 武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 11經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)-根據(jù)對某類零件已有的設(shè)計(jì)與使用實(shí)根據(jù)對某類零件已有的設(shè)計(jì)與使用實(shí)踐而歸納出的經(jīng)驗(yàn)公式，或根據(jù)設(shè)計(jì)者本人的設(shè)計(jì)踐而

10、歸納出的經(jīng)驗(yàn)公式，或根據(jù)設(shè)計(jì)者本人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)用類比的方法所進(jìn)行的設(shè)計(jì)。這對于那些使用經(jīng)驗(yàn)用類比的方法所進(jìn)行的設(shè)計(jì)。這對于那些使用要求變化不大而結(jié)構(gòu)形狀已典型化的零件，是很有要求變化不大而結(jié)構(gòu)形狀已典型化的零件，是很有效的設(shè)計(jì)方法。例如：箱體、機(jī)架、傳動(dòng)件的結(jié)構(gòu)效的設(shè)計(jì)方法。例如：箱體、機(jī)架、傳動(dòng)件的結(jié)構(gòu)要素等。要素等。機(jī)械零件的機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法常規(guī)設(shè)計(jì)方法常規(guī)設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法理論設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 12模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)-把初步設(shè)計(jì)的零、部件或機(jī)器做把初步設(shè)計(jì)的零、部件或機(jī)器做成小模型或小尺寸

11、樣機(jī)，經(jīng)過試驗(yàn)的手段對其特性成小模型或小尺寸樣機(jī)，經(jīng)過試驗(yàn)的手段對其特性進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果再對設(shè)計(jì)進(jìn)行逐步修改，進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果再對設(shè)計(jì)進(jìn)行逐步修改，達(dá)到完善。達(dá)到完善。機(jī)械零件的機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法常規(guī)設(shè)計(jì)方法常規(guī)設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法理論設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 這種方法對于那些尺寸巨大而結(jié)構(gòu)又很復(fù)雜的重這種方法對于那些尺寸巨大而結(jié)構(gòu)又很復(fù)雜的重要零件的設(shè)計(jì)是一種很有效的方法。要零件的設(shè)計(jì)是一種很有效的方法。武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 13 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是指在近二、三十年發(fā)展起來的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是指在近二、三十年發(fā)展起來的更為完

12、善、科學(xué)、計(jì)算精度高、設(shè)計(jì)與計(jì)算速度更更為完善、科學(xué)、計(jì)算精度高、設(shè)計(jì)與計(jì)算速度更快的機(jī)械設(shè)計(jì)方法快的機(jī)械設(shè)計(jì)方法(見見P20)。優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)機(jī)械零件的機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法常規(guī)設(shè)計(jì)方法常規(guī)設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法理論設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 14潘存云教授研制選擇零件類型、結(jié)構(gòu)選擇零件類型、結(jié)構(gòu)寫出計(jì)算說明書寫出計(jì)算說明書畫出零件工作圖畫出零件工作圖校校 核核 計(jì)計(jì) 算算 計(jì)算零件上的載荷計(jì)算零件上的載荷確定計(jì)算準(zhǔn)則確定計(jì)算準(zhǔn)則選擇零件的材料選擇零件的材料確定零件的

13、基本尺寸確定零件的基本尺寸結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì)2-8 機(jī)械零件機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟設(shè)計(jì)的一般步驟武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 15黑色金屬黑色金屬有色金屬有色金屬鑄鐵鑄鐵鋼鋼金屬材料金屬材料一、常用材料一、常用材料低碳鋼低碳鋼 (08F)中碳鋼中碳鋼 (45)高碳鋼高碳鋼 (60)合金鋼合金鋼 (1Cr18）灰鑄鐵灰鑄鐵 (HT300)球墨鑄鐵球墨鑄鐵(QT500-5)2-9 機(jī)械零件材料的選用原則鋁合金鋁合金 (LY12)銅合金銅合金 (ZCuSn10P1)武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 16載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì)載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì) 零件的工作情況零件的工作情況 零件的

14、結(jié)構(gòu)及加工性零件的結(jié)構(gòu)及加工性 材料的經(jīng)濟(jì)性材料的經(jīng)濟(jì)性 零件的尺寸及重量零件的尺寸及重量 二、機(jī)械零件材料的選用原則二、機(jī)械零件材料的選用原則 P18P18選材的一般原則選材的一般原則 武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 171)1)產(chǎn)品品種規(guī)格的系列化產(chǎn)品品種規(guī)格的系列化 將同一類產(chǎn)品的主要參數(shù)、型式、尺寸、基本結(jié)構(gòu)將同一類產(chǎn)品的主要參數(shù)、型式、尺寸、基本結(jié)構(gòu)等依次分檔，制成系列化產(chǎn)品，以較少的規(guī)格品種滿等依次分檔，制成系列化產(chǎn)品，以較少的規(guī)格品種滿足用戶的廣泛要求；足用戶的廣泛要求；定義：定義：標(biāo)準(zhǔn)化就是要通過對零件的尺寸、結(jié)構(gòu)要素、標(biāo)準(zhǔn)化就是要通過對零件的尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料性能、設(shè)

15、計(jì)方法、制圖要求等，制定出大家共同材料性能、設(shè)計(jì)方法、制圖要求等，制定出大家共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)。遵守的標(biāo)準(zhǔn)。2)2)零部件的通用化零部件的通用化 將用途、結(jié)構(gòu)相近的零部件（如軸承、螺栓等），將用途、結(jié)構(gòu)相近的零部件（如軸承、螺栓等），經(jīng)過統(tǒng)一后實(shí)現(xiàn)互換；經(jīng)過統(tǒng)一后實(shí)現(xiàn)互換；3)3)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化 要保證產(chǎn)品產(chǎn)品質(zhì)量合格和穩(wěn)定，就必須做好設(shè)計(jì)、要保證產(chǎn)品產(chǎn)品質(zhì)量合格和穩(wěn)定，就必須做好設(shè)計(jì)、加工工藝、裝配檢驗(yàn)、包裝儲(chǔ)運(yùn)等環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化。加工工藝、裝配檢驗(yàn)、包裝儲(chǔ)運(yùn)等環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化。2-10 機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 18基本特征：基本特

16、征：統(tǒng)一、簡化。統(tǒng)一、簡化。意義：意義： 1)制造上可以實(shí)現(xiàn)專業(yè)化大批量生產(chǎn)，既可提高產(chǎn)品制造上可以實(shí)現(xiàn)專業(yè)化大批量生產(chǎn)，既可提高產(chǎn)品質(zhì)量，又能降低成本；質(zhì)量，又能降低成本；2)設(shè)計(jì)方面可減少設(shè)計(jì)工作量；設(shè)計(jì)方面可減少設(shè)計(jì)工作量；3)管理維修方面可減少庫存量，便于更換損壞的零件。管理維修方面可減少庫存量，便于更換損壞的零件。標(biāo)準(zhǔn)化是組織社會(huì)化大生產(chǎn)的重要手段，是實(shí)施科學(xué)管理的基礎(chǔ)，也是對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本要求之一。通過標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)施，以獲得最佳的社會(huì)經(jīng)濟(jì)成效。標(biāo)準(zhǔn)層次：標(biāo)準(zhǔn)層次：國際標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為： ISOGB JB、HBQB推薦性標(biāo)準(zhǔn)

17、（推薦性標(biāo)準(zhǔn)（GB/T）-鼓勵(lì)企業(yè)自愿采用。鼓勵(lì)企業(yè)自愿采用。標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì)性質(zhì)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)（強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)（GB）-必須強(qiáng)制執(zhí)行；必須強(qiáng)制執(zhí)行； 作為設(shè)計(jì)人員，要求必須熟悉現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)會(huì)查詢和使用標(biāo)準(zhǔn)資料。無論設(shè)計(jì)何種產(chǎn)品，必須遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 19強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)：代號(hào)為強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)：代號(hào)為GB GB ( (為標(biāo)準(zhǔn)序號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)序號(hào)) ) ( (為批準(zhǔn)年代為批準(zhǔn)年代) )強(qiáng)制性國標(biāo)必須嚴(yán)格遵照執(zhí)行，否則就是違法。強(qiáng)制性國標(biāo)必須嚴(yán)格遵照執(zhí)行，否則就是違法。 推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)：代號(hào)為推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)：代號(hào)為GBGBT T ，這類標(biāo)準(zhǔn)占整個(gè)國標(biāo)中的絕大多數(shù)。如無，這類標(biāo)準(zhǔn)占整個(gè)國標(biāo)中的絕大多數(shù)。如無特殊理由和特殊需要，必須遵守這些國標(biāo)，以期取得特殊理由和特殊需要，必須遵守這些國標(biāo)，以期取得事半功倍的效果。事半功倍的效果。 武漢科技大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 201 1。什么是通