第2章 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

1第2章機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)

2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求2.2機(jī)械零件的一般程序和方法2.3機(jī)械零件設(shè)計(jì)2.4機(jī)械零件材料及選擇2.5機(jī)械零件的標(biāo)準(zhǔn)化2.6機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求；機(jī)械零件的一般程序；機(jī)械零件設(shè)計(jì)機(jī)械零件主要的失效形式；機(jī)械零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則教學(xué)內(nèi)容本章重點(diǎn)本章難點(diǎn)2對機(jī)器的基本要求

設(shè)計(jì)機(jī)器的任務(wù)是在當(dāng)前技術(shù)發(fā)展所能達(dá)到的條件下，根據(jù)生產(chǎn)及生活的需要提出的。不管機(jī)器的類型如何，一般來說，對機(jī)器都要提出以下的基本要求：

使用功能要求經(jīng)濟(jì)性要求壽命與可靠性要求社會(huì)要求其它專用要求

2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求1.使用要求。機(jī)器應(yīng)在規(guī)定的使用期限內(nèi)保證實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，達(dá)到規(guī)定的性能。這項(xiàng)要求主要靠合理地選擇機(jī)器的工作原理，正確地設(shè)計(jì)傳動(dòng)方案，合理配置輔助系統(tǒng)等來實(shí)現(xiàn)。2.經(jīng)濟(jì)性要求。機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性應(yīng)體現(xiàn)并貫穿在設(shè)計(jì)、制造和使用的全過程，以求獲得最高的經(jīng)濟(jì)效益。在設(shè)計(jì)階段，采用先進(jìn)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，使設(shè)計(jì)參數(shù)精確并最優(yōu)化。應(yīng)用CAD技術(shù)，加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，降低設(shè)計(jì)成本。選用高效傳動(dòng)系統(tǒng)，以降低能耗。適當(dāng)考慮機(jī)器的機(jī)械化和自動(dòng)化水平，以提高機(jī)器的生產(chǎn)率等。在制造過程中，合理地組織生產(chǎn)過程，盡量采用各種新工藝，縮短制造周期，降低生產(chǎn)成本。3.可靠性要求。機(jī)器的可靠性是指在規(guī)定的使用壽命和工況條件下機(jī)器完成規(guī)定功能的能力?？煽啃允呛饬繖C(jī)械產(chǎn)品的一個(gè)重要指標(biāo)。機(jī)器的可靠性取決于零件的可靠性和零件的組合關(guān)系。機(jī)器的設(shè)計(jì)、制造、管理、使用等環(huán)節(jié)都影響機(jī)器的可靠性，而起決定性作用的則是設(shè)計(jì)階段。4.社會(huì)性要求。機(jī)器的社會(huì)要求有以下幾個(gè)方面：應(yīng)滿足人機(jī)工程學(xué)要求；應(yīng)滿足安全運(yùn)行要求，保證人、機(jī)安全，如設(shè)置安全防護(hù)裝置、連鎖裝置、預(yù)警信號(hào)系統(tǒng)等；應(yīng)滿足工藝美學(xué)要求，機(jī)器造型美觀、色彩協(xié)調(diào)、雅致精巧，如消防機(jī)械用紅色，給人以緊迫、警示感；醫(yī)療、食品機(jī)械多用淺色，給人以潔凈感等；應(yīng)符合環(huán)保要求，降低噪聲，最好在80dB以下；防止有毒有害介質(zhì)的泄漏。

5.其它特殊要求。在滿足以上基本要求的前提下，不同機(jī)械還有其特殊要求，如機(jī)床有長期保持精度的要求；食品機(jī)械有防止污染的要求；大型設(shè)備有便于安裝和運(yùn)輸?shù)囊蟮?。設(shè)計(jì)的機(jī)械產(chǎn)品規(guī)格、參數(shù)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，零部件應(yīng)最大限度的與同類產(chǎn)品互換通用，產(chǎn)品應(yīng)成系列發(fā)展，推行標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化，提高標(biāo)準(zhǔn)化程度和水平。4

1、機(jī)械設(shè)計(jì)的一般步驟

2.2機(jī)械設(shè)計(jì)的一般程序和方法產(chǎn)品規(guī)劃階段（需求分析；設(shè)計(jì)任務(wù)書）

方案設(shè)計(jì)階段（功能分析；工作原理設(shè)計(jì)）

技術(shù)設(shè)計(jì)階段（零部件設(shè)計(jì)；草圖；校核；定圖）

技術(shù)文件編制階段一部機(jī)器的質(zhì)量基本上決定于設(shè)計(jì)質(zhì)量，機(jī)器的設(shè)計(jì)階段是決定機(jī)器好壞的關(guān)鍵。它是一個(gè)創(chuàng)造性的工作過程，同時(shí)也是一個(gè)盡可能多地利用已有的成功經(jīng)驗(yàn)的工作。作為一部完整的機(jī)器，它是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。要提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，必須有一個(gè)科學(xué)的設(shè)計(jì)程序。（圖2.1)機(jī)械設(shè)計(jì)的一般步驟：52、機(jī)械設(shè)計(jì)的方法

2.2機(jī)械設(shè)計(jì)的一般程序和方法理論設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)便可以理解為將人們頭腦中的思考的物體變成實(shí)際物體的形式，為此而作出的全部信息數(shù)據(jù)的工作就是設(shè)計(jì)。

機(jī)械設(shè)計(jì)是研究機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)、改造，以滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)需要的科學(xué)，是一項(xiàng)創(chuàng)造性勞動(dòng)。

常規(guī)的設(shè)計(jì)方法：新的設(shè)計(jì)方法:優(yōu)化設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)有限元法CAD等61、設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足的基本要求強(qiáng)度、剛度及壽命的要求（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

經(jīng)濟(jì)性要求

質(zhì)量小的要求

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)器滿足基本要求，就必須使組成機(jī)器的零件滿足以下要求：應(yīng)保證零件有足夠的強(qiáng)度、剛度、壽命。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)便于加工和裝配。

零件應(yīng)有合理的生產(chǎn)加工和使用維護(hù)的成本。

質(zhì)量小則可節(jié)約材料，質(zhì)量小則靈活、輕便。應(yīng)降低零件發(fā)生故障的可能性（概率）。

2.3機(jī)械零件設(shè)計(jì)7機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟2、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟選擇類型

受力分析選擇材料確定計(jì)算準(zhǔn)則理論設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核計(jì)算繪制零件工作圖編寫計(jì)算說明書

8機(jī)械零件的主要失效形式12.3機(jī)械零件設(shè)計(jì)

3、機(jī)械零件主要的失效形式：整體斷裂、過大的殘余變形、零件的表面破壞以及破壞正常工作條件引起的失效等。（1）整體斷裂整體斷裂是指零件在載荷作用下，其危險(xiǎn)截面的應(yīng)力超過零件的強(qiáng)度極限而導(dǎo)致的斷裂，或在變應(yīng)力作用下，危險(xiǎn)截面發(fā)生的疲勞斷裂。齒輪輪齒斷裂

軸承內(nèi)圈斷裂9機(jī)械零件的主要失效形式2（2）過大的殘余變形

當(dāng)作用于零件上的應(yīng)力超過了材料的屈服極限，零件將產(chǎn)生殘余變形。齒輪齒面塑形變形軸承外圈塑性變形

10機(jī)械零件的主要失效形式3（3）零件的表面破壞

零件的表面破壞主要是腐蝕、磨損和接觸疲勞（點(diǎn)蝕）。齒面接觸疲勞軸瓦磨損

11機(jī)械零件的主要失效形式4（4）破壞正常工作條件引起的失效

有些零件只有在一定的工作條件下才能正常的工作，如：

液體摩擦的滑動(dòng)軸承，只有在存在完整的潤滑油膜時(shí)才能正常工作。帶傳動(dòng)只有在傳遞的有效圓周力小于臨界摩擦力時(shí)才能正常工作。高速轉(zhuǎn)動(dòng)的零件，只有在轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動(dòng)件系統(tǒng)的固有頻率避開一個(gè)適當(dāng)?shù)拈g隔才能正常工作。零件在工作時(shí)會(huì)發(fā)生那一種失效，這與零件的工作環(huán)境、載荷性質(zhì)等很多因素有關(guān)。有統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，一般機(jī)械零件的失效主要是由于疲勞、磨損、腐蝕等因素引起。12機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則14、機(jī)械零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

強(qiáng)度準(zhǔn)則

剛度準(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)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：

壽命準(zhǔn)則

振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則

可靠性準(zhǔn)則：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。：確保零件不發(fā)生過大的彈性變形。：通常與零件的疲勞、磨損、腐蝕相關(guān)。：高速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)應(yīng)注重此項(xiàng)準(zhǔn)則。：當(dāng)計(jì)及隨機(jī)因素影響時(shí)，仍應(yīng)確保上述各項(xiàng)準(zhǔn)則。

13機(jī)械零件材料的選用原則12.4機(jī)械零件的材料及選擇：鋁(LY12)、銅(ZCuSn10P1)…...黑色金屬有色金屬鐵鋼高分子材料復(fù)合材料陶瓷金屬材料非金屬材料使用要求工藝要求經(jīng)濟(jì)性要求1、常用材料2、機(jī)械零件材料的選用原則：塑料、橡膠、合成纖維

：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼…(如：08F

45

60

1Cr18）

：灰鑄鐵、球墨鑄鐵…(如：TH300QT500-5)：強(qiáng)如鋼、輕如鋁、硬如金剛石：強(qiáng)度高、彈性模量大、質(zhì)量輕

14機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化12.5機(jī)械零件的標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)化的益處：

國標(biāo)分為：強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)和推薦標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量，減輕設(shè)計(jì)工作量，便于零部件的互換和組織專業(yè)化的大生產(chǎn)，以降低生產(chǎn)成本。強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)：代號(hào)為GB××××(為標(biāo)準(zhǔn)序號(hào))－××××(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。推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)：代號(hào)為GB／T××××－××××，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)，以期取得事半功倍的效果。

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)計(jì)方法、制圖要求等，制定出大家共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)。

（包括標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化）

151、零件形狀簡單合理2、合理選用毛胚類型3、鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性4、切削加工的工藝性5、零部件的裝配工藝性6、零部件的維修工藝性2.6機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)良好的結(jié)構(gòu)工藝性：在一定的生產(chǎn)條件和生產(chǎn)規(guī)模下，花費(fèi)最少的勞動(dòng)量和最低的生產(chǎn)成本，把零部件制造和裝配出來。161、設(shè)計(jì)理論的不斷完善與發(fā)展；2、設(shè)計(jì)手段和方法的不斷更新；3、機(jī)械設(shè)計(jì)的綜合程度越來越高，與其它學(xué)科交叉越來越廣泛和深入——機(jī)電一體化；4、機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)研究技術(shù)有了很大的發(fā)展和提高，實(shí)驗(yàn)與理論相互促進(jìn)。機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的最新進(jìn)展173.1機(jī)械零件的載荷和應(yīng)力靜應(yīng)力→不隨時(shí)間變化，Ｎ≤103變應(yīng)力→不斷隨時(shí)間變化當(dāng)σmax、σmin均維持常數(shù)→穩(wěn)定交變應(yīng)力當(dāng)σmax和σmin的數(shù)值隨時(shí)間而改變→不穩(wěn)定的變應(yīng)力交變應(yīng)的特征及典型交變應(yīng)力

交變應(yīng)力－隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力穩(wěn)定變應(yīng)力不穩(wěn)定變應(yīng)力2、應(yīng)力及分類1、載荷及分類靜載荷變載荷名義載荷計(jì)算載荷→18

最大應(yīng)力σmax

最小應(yīng)力σmin

應(yīng)力幅

σa

＝(σmax-σmin)／2平均應(yīng)力σm

＝

(σmax+σmin)／2應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Ｎ應(yīng)力循環(huán)特性

σmin/σmax=r⑴當(dāng)σm＝0(σmax＝-σmin)⑵當(dāng)σmin＝0(或σmax＝0)r=0→脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力r=-1→對稱循環(huán)變應(yīng)力19⑶當(dāng)σmax＝σmin

r=+1

→靜應(yīng)力r（-1，+1）非對稱循環(huán)變應(yīng)力20——疲勞極限，循環(huán)變應(yīng)力下,應(yīng)力循環(huán)N次后材料不發(fā)生疲勞破壞時(shí)的最大應(yīng)力稱為材料的疲勞極限。疲勞壽命（N）——材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1、疲勞曲線：應(yīng)力循環(huán)特性一定時(shí)，材料的疲勞極限與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系的曲線。N0

—循環(huán)基數(shù)

—持久極限1）有限壽命區(qū)當(dāng)N<103—低周疲勞，疲勞極限接近于屈服極限，按靜強(qiáng)度計(jì)算。3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度21當(dāng)N>103——高周循環(huán)疲勞隨循環(huán)次數(shù)↑疲勞極限↓

注意：有色金屬和高強(qiáng)度合金鋼無無限壽命區(qū)2）無限壽命區(qū)——持久極限3）疲勞曲線方程22——壽命系數(shù)∴疲勞極限幾點(diǎn)說明：

①N0

硬度≤350HBS鋼，N0=107≥350HBS鋼，

N0=(10-25)x10

有色金屬(無水平部分)，規(guī)定當(dāng)N0>25x107時(shí),近似為無限壽命區(qū)②m—指數(shù):與應(yīng)力、材料的種類有關(guān)。鋼m=9——拉、彎應(yīng)力、剪應(yīng)力m=6——接觸應(yīng)力青銅m=9——彎曲應(yīng)力m=8——接觸應(yīng)力232、材料的極限應(yīng)力線圖

機(jī)械零件材料的疲勞特性除用s－N曲線表示外，還可用等壽命曲線來描述。該曲線表達(dá)了不同應(yīng)力比時(shí)疲勞極限的特性。用A'Ｇ'C折線表示零件材料的極限