(1)--第1章 机械设计总论机械设计.pdf

1.1.课程的研究对象：课程的研究对象：机械机械皮带运输机皮带运输机机械设计课程的研究对象、性质和任务1.1.课程的研究对象：课程的研究对象：机械机械机械设计课程的研究对象、性质和任务2.2.机器的组成机器的组成:原动机原动机工作机工作机传动系统传动系统控制系统控制系统从功能角度来看：从功能角度来看：辅助系统辅助系统机械设计课程的研究对象、性质和任务2.2.机器的组成机器的组成:机械零件机械零件:最小的基本制造单元，简称零件。最小的基本制造单元，简称零件。从制造和装配的角度来看：从制造和装配的角度来看：机械设计课程的研究对象、性质和任务机械零件的分类机械零件的分类通用零件通用零件专用零件专用零件本课程的本课程的研究对象研究对象：典型通用零件的设计理论和方法。典型通用零件的设计理论和方法。机械设计课程的研究对象、性质和任务机械设计课程的研究对象、性质和任务3.3.机械设计课程的内容、性质和任务机械设计课程的内容、性质和任务:本课程研究的具体内容有：本课程研究的具体内容有：第一篇第一篇 总论总论第二篇第二篇 连接连接第三篇第三篇 机械传动机械传动第四篇第四篇 轴系零、部件轴系零、部件机械设计课程的研究对象、性质和任务3.3.机械设计课程的内容、性质和任务机械设计课程的内容、性质和任务:本课程研究的本课程研究的性质性质：以一般通用零件的设计为核心的以一般通用零件的设计为核心的设计课设计课程程，论述它们的基本设计理论和设计方，论述它们的基本设计理论和设计方法的法的技术基础课技术基础课。机械设计课程的研究对象、性质和任务3.3.机械设计课程的内容、性质和任务机械设计课程的内容、性质和任务:本课程的主要任务是：本课程的主要任务是：1)1)掌握通用零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，能掌握通用零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，能进行一般机械传动部件和简单机械装置的设计；进行一般机械传动部件和简单机械装置的设计；2)2)树立正确的设计思想和创新意识，具有一定的机械设计创新树立正确的设计思想和创新意识，具有一定的机械设计创新能力；能力；机械设计课程的研究对象、性质和任务3)3)具有运用标准、规范、手册、图册及网络信息等技术资料的具有运用标准、规范、手册、图册及网络信息等技术资料的能力，提高计算机应用能力；能力，提高计算机应用能力；4)4)掌握典型零件的实验方法，进行可获得实验技能的基本训练；掌握典型零件的实验方法，进行可获得实验技能的基本训练；5)5)养成关注国家当前的有关技术政策和国内外发展的习惯。养成关注国家当前的有关技术政策和国内外发展的习惯。机械设计课程的研究对象、性质和任务4.4.机械设计课程的特点机械设计课程的特点:1 1）设计性强）设计性强2 2）综合性强）综合性强3 3）实践性强）实践性强设计结果不唯一设计结果不唯一涉及了多学科综合知识的应用涉及了多学科综合知识的应用课程内容更接近于工程实际课程内容更接近于工程实际一、机械设计的基本要求一、机械设计的基本要求机械设计的基本要求机械设计的基本要求及设计程序使用功能要求使用功能要求可靠性要求可靠性要求经济性的要求经济性的要求安全性要求安全性要求其它其它专用专用要求要求1.1.使用功能要求使用功能要求满足用户提出的使用上的特性和能力满足用户提出的使用上的特性和能力。这是这是机器机器最基本最基本的要求的要求。机械零件的基本要求2.2.可靠性要求可靠性要求可靠性是指产品在可靠性是指产品在规定的条件下规定的条件下和和规定的时间内规定的时间内完成完成规定功规定功能能的能力。的能力。它是衡量产品质量的一个很重要的指标。它是衡量产品质量的一个很重要的指标。3.3.经济性的要求经济性的要求 提高产品的经济性，既可以提高产品竞争力、赢得用户，提高产品的经济性，既可以提高产品竞争力、赢得用户，又可以节约社会劳动、提高社会效益。又可以节约社会劳动、提高社会效益。机械零件的基本要求注意注意：经济性要求是体现在经济性要求是体现在设计、制造和使用设计、制造和使用的全过程的全过程。设计制造经济性设计制造经济性：使用机器的经济性：使用机器的经济性：主要体现在设计制造的成本低主要体现在设计制造的成本低表现在机器的生产效率高，能源和原表现在机器的生产效率高，能源和原材料的损耗小，机器的维护成本低材料的损耗小，机器的维护成本低4.4.安全性的要求安全性的要求机械零件的基本要求机器的安全性包括两个方面：机器的安全性包括两个方面：1 1）设计的机器应该符合劳动安全性，要符合劳动保护法规）设计的机器应该符合劳动安全性，要符合劳动保护法规的要求。的要求。2 2）要注意环境保护，满足环境保护法规的要求。）要注意环境保护，满足环境保护法规的要求。5.5.其它专用要求其它专用要求机械零件的基本要求 有些机械由于工作环境和要求的不同，会对设计提出某有些机械由于工作环境和要求的不同，会对设计提出某些特殊要求。些特殊要求。机床有要长期保持精度的要求；机床有要长期保持精度的要求；勘探机械等流动性强的机器要有便于安装和拆卸的要求；勘探机械等流动性强的机器要有便于安装和拆卸的要求；大型的机器要有要便于运输的要求。大型的机器要有要便于运输的要求。二、机械设计的一般设计程序二、机械设计的一般设计程序械设机械设计的基本要求及设计程序计划阶段计划阶段方案设计阶段阶段方案设计阶段阶段技术设计阶段技术设计阶段技术文件编制技术文件编制一、机械零件的基本要求一、机械零件的基本要求机械零件的基本要求避免在预定寿命期内失效的要求避免在预定寿命期内失效的要求结构工艺性的要求结构工艺性的要求经济性的要求经济性的要求质量小的要求质量小的要求可靠性的要求可靠性的要求1.1.避免在预定寿命期内失效的要求避免在预定寿命期内失效的要求强度要求强度要求：避免避免零件在工作中发生断裂或过大的残余变形零件在工作中发生断裂或过大的残余变形。刚度要求：刚度要求：指工作时零件受载荷作用产生的弹性变形不超过指工作时零件受载荷作用产生的弹性变形不超过允许的限度允许的限度。寿命要求：寿命要求：零件正常工作延续的时间我们称之为零件的寿命。零件正常工作延续的时间我们称之为零件的寿命。满足寿命要求是要求零件在整个寿命期内不失效。满足寿命要求是要求零件在整个寿命期内不失效。机械零件的基本要求2.2.结构工艺性的要求结构工艺性的要求 零件具有良好的结构工艺性，是指在一定的生产条件零件具有良好的结构工艺性，是指在一定的生产条件下，以下，以最小劳动量最小劳动量、花最少加工费用花最少加工费用制成能满足使用要求制成能满足使用要求的零件，并能以的零件，并能以最简单的方法最简单的方法在机器中进行装拆与维修。在机器中进行装拆与维修。机械零件的基本要求3.3.经济性的要求经济性的要求 所谓经济性的要求指的就是设计出所谓经济性的要求指的就是设计出耗费最少耗费最少的零件，这的零件，这个耗费包括个耗费包括材料耗费材料耗费和和人工耗费人工耗费。机械零件的基本要求提高零件经济性有这样的途径：提高零件经济性有这样的途径：1 1）零件的结构应简单。）零件的结构应简单。2 2）减少材料费用和降低材料消耗。）减少材料费用和降低材料消耗。3 3）注重结构工艺性。）注重结构工艺性。4.4.质量小的要求质量小的要求机械零件设计时应机械零件设计时应力求减轻重量力求减轻重量。机械零件的基本要求 除了可以节约材料外，还可以除了可以节约材料外，还可以减小零件的惯性作用减小零件的惯性作用，改善机器的动态性能改善机器的动态性能。5.5.可靠性要求可靠性要求机械零件的基本要求 一台机器的可靠性是依靠组成它的零部件的可靠性及一台机器的可靠性是依靠组成它的零部件的可靠性及系统构成来保证的系统构成来保证的。一般来讲，一般来讲，零件的可靠性高零件的可靠性高，机器的机器的可靠性也就高些可靠性也就高些。一、一、机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式机械零件的失效形式和设计准则整体断裂整体断裂过大的残余变形过大的残余变形零件的表面破坏零件的表面破坏破坏了正常工作条件引起的失效破坏了正常工作条件引起的失效失效失效：是指机械零件因为某种原因不能正常工作或丧失是指机械零件因为某种原因不能正常工作或丧失了工作的能力。了工作的能力。1.1.整体断裂整体断裂 整体断裂是指零件在载荷作用下，由于危险截面上所受整体断裂是指零件在载荷作用下，由于危险截面上所受到的到的应力超过了零件的强度极限应力超过了零件的强度极限而发生的断裂而发生的断裂；或者零件在承受或者零件在承受变应力变应力作用下而发生的作用下而发生的疲劳断裂疲劳断裂。潘存云教授研制轴轴承承内内圈圈破破裂裂 齿齿轮轮轮轮齿齿折折断断 机械零件的失效形式和设计准则2.2.过大的残余变形过大的残余变形 残余变形是指当作用在零件上的残余变形是指当作用在零件上的应力超过了材料的屈服应力超过了材料的屈服极限极限而产生的永久的而产生的永久的塑性变形塑性变形。潘存云教授研制轮齿塑性变形轮齿塑性变形潘存云教授研制轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形机械零件的失效形式和设计准则3.3.零件的表面破坏零件的表面破坏表面破坏是发生在机械零件工作表面上的一种失效。表面破坏是发生在机械零件工作表面上的一种失效。零件的表面破坏主要是零件的表面破坏主要是腐蚀腐蚀、磨损磨损和和接触疲劳接触疲劳。潘存云教授研制齿齿面面接接触触疲疲劳劳潘存云教授研制轴轴瓦瓦磨磨损损机械零件的失效形式和设计准则4.4.破坏了正常工作条件引起的失效破坏了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，当当工作条件遭到破坏工作条件遭到破坏，零件将发生不同类型的失效。，零件将发生不同类型的失效。机械零件的失效形式和设计准则二、二、机械零件的设计准则机械零件的设计准则机械零件的失效形式和设计准则1.1.强度准则强度准则 强度准则是针对零件的强度准则是针对零件的整体断裂失效整体断裂失效，塑性变形失效塑性变形失效和和点蚀失效点蚀失效而言的。而言的。要求零件中的要求零件中的应力不得超过允许的限度应力不得超过允许的限度。强度准则的强度准则的表达式：表达式：lim机械零件的失效形式和设计准则 lim零件的工作应力材料的极限应力塑性材料：屈服极限s脆性材料：强度极限b为了安全起见，引入为了安全起见，引入安全系数安全系数S，得：，得：lim/S=2.2.刚度准则刚度准则 刚度准则是指零件在载荷作用下产生的刚度准则是指零件在载荷作用下产生的弹性变形量小弹性变形量小于或等于于或等于机器工作性能允许的极限值。机器工作性能允许的极限值。机械零件的失效形式和设计准则刚刚度准则的度准则的表达式：表达式：y y扭转角转角挠度3.3.寿命准则寿命准则 影响零件寿命的主要因素是影响零件寿命的主要因素是腐蚀腐蚀、磨损磨损和和疲劳疲劳。机械零件的失效形式和设计准则对于对于腐蚀、磨损腐蚀、磨损还没有成熟的计算方法。还没有成熟的计算方法。疲劳疲劳寿命寿命通常是求出使用寿命时的疲劳极限或额定载荷作通常是求出使用寿命时的疲劳极限或额定载荷作为计算依据为计算依据。机械零件的失效形式和设计准则4.4.振动稳定性准则振动稳定性准则 保证机器中受激振零件的保证机器中受激振零件的固有频率固有频率与与激振源的频率激振源的频率错开，错开，0.85 f fp或或 1.15 f fp即要求：即要求：零件的固有频率激振源的频率一、一、机械零件的设计方法机械零件的设计方法机械零件的设计方法与设计步骤常规设计方法常规设计方法现代设计方法现代设计方法理论设计方法理论设计方法经验设计方法经验设计方法模型试验设计方法模型试验设计方法1.1.理论设计方法理论设计方法 理论设计方法是指根据长期总结出来的设计理论和实验理论设计方法是指根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计。数据所进行的设计。机械零件的设计方法与设计步骤校核计算式：校核计算式：=F/A F A Sca=lim/Slim S Sca-计算安全系数计算安全系数 设计计算式：设计计算式：A FS/lim2.2.经验设计方法经验设计方法 经验设计是指根据对某类零件已有的设计与使用实践而经验设计是指根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的归纳出的经验关系式经验关系式，或根据设计者本人的，或根据设计者本人的工作经验工作经验，用，用类类比的方法比的方法所进行的设计。所进行的设计。机械零件的设计方法与设计步骤 经验设计方法多用于经验设计方法多用于使用要求变动不大使用要求变动不大且且结构形状已经结构形状已经典型化典型化的零件的设计。的零件的设计。机械零件的设计方法与设计步骤3.3.模型实验设计方法模型实验设计方法 对于尺寸巨大而结构又很复杂的重型整体机械零件，将对于尺寸巨大而结构又很复杂的重型整体机械零件，将初步设计尺寸的零件依比例或全尺寸制成小模型或全尺寸模初步设计尺寸的零件依比例或全尺寸制成小模型或全尺寸模型，进行模型特性实验，以检验、修改和完善实际零件性能型，进行模型特性实验，以检验、修改和完善实际零件性能，我们把这样的一种设计称为模型实验设计。，我们把这样的一种设计称为模型实验设计。机械零件的设计方法与设计步骤 这种方法费时，昂贵，多用于一些这种方法费时，昂贵，多用于一些特别重要的设计中特别重要的设计中。4.4.现代设计方法现代设计方法 随着科学的发展，新材料、新工艺、新技术的不断出现随着科学的发展，新材料、新工艺、新技术的不断出现，产品的更新换代周期日益缩短，促使机械设计方法和技术，产品的更新换代周期日益缩短，促使机械设计方法和技术现代化，以适应新产品的加速开发。这种形势下，传统的机现代化，以适应新产品的加速开发。这种形势下，传统的机械设计方法已不能完全适应需要，产生和发展了以动态、优械设计方法已不能完全适应需要，产生和发展了以动态、优化、计算机为核心的现代设计方法。化、计算机为核心的现代设计方法。机械零件的设计方法与设计步骤4.4.现代设计方法现代设计方法机械零件的设计方法与设计步骤计算机辅助设计计算机辅助设计优化设计优化设计可靠性设计可靠性设计并行设计并行设计虚拟产品设计虚拟产品设计智能设计智能设计动态设计动态设计绿色设计绿色设计4.4.现代设计方法现代设计方法机械零件的设计方法与设计步骤静态的静态的 如机器结构动力学计算；如机器结构动力学计算；动态的动态的定性的定性的 如有限元计算；如有限元计算；定量的定量的确定量确定量 如可靠性设计；如可靠性设计；随机量随机量可行性设计可行性设计 如优化设计；如优化设计；优化设计优化设计二、二、机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤机械零件的设计方法与设计步骤选择零件类型、结构选择零件类型、结构写出计算说明书写出计算说明书画出零件工作图画出零件工作图校校 核核 计计 算算计算零件上的载荷计算零件上的载荷确定计算准则确定计算准则确定零件的基本尺寸确定零件的基本尺寸结结 构构 设设 计计零零件件的的设设计计流流程程图图选择零件的材料选择零件的材料一、一、机械零件的常用材料机械零件的常用材料机械零件的常用材料和选择原则复合材料复合材料金属材料金属材料高分子材料高分子材料陶瓷材料陶瓷材料1.1.金属材料金属材料黑色金属黑色金属钢钢铸铁铸铁碳素结构钢碳素结构钢合金结构钢合金结构钢弹簧钢弹簧钢铸钢铸钢灰铸铁灰铸铁球墨铸铁球墨铸铁机械零件的常用材料和选择原则有色金属有色金属 铝、铜及其合金铝、铜及其合金1.1.金属材料金属材料机械零件的常用材料和选择原则 金属材料之所以应用广泛，是和它具有较好的力学性能金属材料之所以应用广泛，是和它具有较好的力学性能，能满足多种性能和用途的要求，及价格相对便宜和容易获，能满足多种性能和用途的要求，及价格相对便宜和容易获得等因素有很大的关系的。得等因素有很大的关系的。在各类工程材料中，钢铁材料占到在各类工程材料中，钢铁材料占到90%90%以上，其余为以上，其余为铝、铜及其合金等有色金属。铝、铜及其合金等有色金属。2.2.高分子高分子材料材料机械零件的常用材料和选择原则高分子材料按照特性常分为高分子材料按照特性常分为塑料塑料、橡胶橡胶及及纤维纤维等类型。等类型。优点：优点：原料比较丰富原料比较丰富；密度小密度小；密度小密度小；耐腐蚀性耐腐蚀性好好；在适当的温度范围内有很好的弹性在适当的温度范围内有很好的弹性等等；缺缺点：点：容易老化容易老化；阻燃性比较差阻燃性比较差；耐热性不好耐热性不好。3.3.陶瓷陶瓷材料材料机械零件的常用材料和选择原则工程结构中的陶瓷材料，有工程结构中的陶瓷材料，有高温结构陶瓷高温结构陶瓷和和刀具结构陶瓷刀具结构陶瓷。优点：优点：硬度极高硬度极高；耐磨性、耐腐蚀性都比较好耐磨性、耐腐蚀性都比较好；熔点高熔点高；刚度大刚度大；密度比钢铁低等密度比钢铁低等；缺缺点：点：比较脆比较脆；断裂韧度低断裂韧度低；价格昂贵价格昂贵；加工工艺性差加工工艺性差。4.4.复合材料复合材料机械零件的常用材料和选择原则 复合材料是由复合材料是由两种或两种以上两种或两种以上具有明显不同的物理和力具有明显不同的物理和力学性能的材料复合制成的，不同的材料分别作为复合材料的学性能的材料复合制成的，不同的材料分别作为复合材料的基体相基体相和和增强相增强相。优点：优点：强度和弹性模量高而质量特别小；强度和弹性模量高而质量特别小；缺点：缺点：耐热性差；耐热性差；导热、导电性能较差。导热、导电性能较差。二、二、材料的选用原则材料的选用原则机械零件的常用材料和选择原则1.1.载荷及应力的大小及性质载荷及应力的大小及性质脆性材料脆性材料-只适用于制造在静载荷下工作的零件。只适用于制造在静载荷下工作的零件。塑性材料塑性材料-适用于在有冲击情况下工作的零件；适用于在有冲击情况下工作的零件；金属材料的性能一般可以通过金属材料的性能一般可以通过热处理热处理加以加以提高和改善提高和改善。机械零件的常用材料和选择原则2 2.零件的工作情况零件的工作情况指零件所处的指零件所处的环境特点环境特点、工作温度工作温度、摩擦磨损程度摩擦磨损程度等。等。在选择材料的时候还要注意材料的在选择材料的时候还要注意材料的配偶性配偶性，使得它们在一，使得它们在一起配合的时候有比较低的磨损。起配合的时候有比较低的磨损。零件在工作中可能发生磨损的表面，应零件在工作中可能发生磨损的表面，应提高其表面硬度提高其表面硬度，增加耐磨性，因此应选择淬火钢、渗碳钢、氮化钢。增加耐磨性，因此应选择淬火钢、渗碳钢、氮化钢。机械零件的常用材料和选择原则3 3.零件的尺寸和重量零件的尺寸和重量 零件的尺寸和质量的大小与零件的尺寸和质量的大小与材料的品种材料的品种和和毛坯的制取方法毛坯的制取方法有关。有关。机械零件的常用材料和选择原则4 4.零件的结构和加工性零件的结构和加工性 结构比较复杂的、尺寸比较大的零件，宜选用结构比较复杂的、尺寸比较大的零件，宜选用铸造铸造毛坯；毛坯；或将板材冲压出结构件再经或将板材冲压出结构件再经焊接焊接来形成。来形成。结构简单的零件可用结构简单的零件可用锻造法锻造法制取毛坯。制取毛坯。机械零件的常用材料和选择原则5 5.材料的经济性材料的经济性1 1）材料本身的相对价格；）材料本身的相对价格；2 2）材料的加工费用；）材料的加工费用；3 3）材料的利用率；）材料的利用率；4 4）材料的供应情况等。材料的供应情况等。机械零件的常用材料和选择原则6 6.材料的供应情况材料的供应情况 选材时还应考虑到当时选材时还应考虑到当时当地材料的供应状况当地材料的供应状况。为了简化供应和贮存的材料品种，对于小批制造的零件，为了简化供应和贮存的材料品种，对于小批制造的零件，应尽可能地应尽可能地减少同一部机器上使用的材料品种和规格减少同一部机器上使用的材料品种和规格。机械零部件设计中的标准化 机械产品标准化的主要内容包括机械产品标准化的主要内容包括零件标准化零件标准化、部件系列化部件系列化和和产品通用化产品通用化，简称，简称“三化三化”原则。原则。一、一、零件的标准化零件的标准化 所谓的标准化就是通过对零件的尺寸、结构要素、材料性所谓的标准化就是通过对零件的尺寸、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。能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。机械零部件设计中的标准化常用的标准包括：常用的标准包括：1.1.各种机械零部件标准各种机械零部件标准2.2.机械零件的参数标准机械零件的参数标准3.3.材料标准材料标准机械零部件设计中的标准化标准化的优越性表现在：标准化的优越性表现在：1.1.制造上可以制造上可以实现专业化大批量生产实现专业化大批量生产，既可提高产品质量，又，既可提高产品质量，又能降低成本；能降低成本；2.2.可以可以对材料和零件的性能指标进行统一对材料和零件的性能指标进行统一，也提高了零件的性，也提高了零件的性能能；3.3.采用标准结构和标准零件，采用标准结构和标准零件，简化了设计工作简化了设计工作，缩短了设计周缩短了设计周期期，也可以提高设计质量。，也可以提高设计质量。机械零部件设计中的标准化标准层次：标准层次：代号为：代号为：国际标准国际标准、国家标准、国家标准、行业标准、行业标准、企业标准、企业标准ISOGBJB推荐性标准（推荐性标准（GB/T）-鼓励企业自愿采用。鼓励企业自愿采用。标准性质标准性质强制标准（强制标准（GB）-必须强制执行；必须强制执行；机械零部件设计中的标准化二、二、部件的系列化部件的系列化 对同一产品，为了符合不同的使用要求，在同一基本结构对同一产品，为了符合不同的使用要求，在同一基本结构和基本尺寸条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品，称和基本尺寸条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品，称之为不同系列。这就是系列化的含义。之为不同系列。这就是系列化的含义。机械零部件设计中的标准化三、三、产品的通用化产品的通用化 在系列产品内部或在跨系列的产品之间采用同一结构和尺在系列产品内部或在跨系列的产品之间采用同一结构和尺寸的零部件，就称为通用化。寸的零部件，就称为通用化。