第二章机械设计总论.ppt

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1、1 1、明确本课程的内容、性质、特点以及相应的学、明确本课程的内容、性质、特点以及相应的学习方法，对整个课程有一个大致的了解。习方法，对整个课程有一个大致的了解。基本要求：基本要求：2 2、了解机械零件设计的基本步骤，弄清零件设计、了解机械零件设计的基本步骤，弄清零件设计在机械设计中的在机械设计中的地位。地位。3 3、了解机械设计的基本原则和设计程序。、了解机械设计的基本原则和设计程序。第二章第二章 机械设计总论机械设计总论2021/9/2312-1 2-1 2-1 2-1 机器的组成机器的组成机器的组成机器的组成润滑、显示、照明等辅助系统润滑、显示、照明等辅助系统原动机原动机传动装置传动装置

2、执行机构执行机构控制系统控制系统原动机原动机驱动整部机器完成预定功能的动力源。驱动整部机器完成预定功能的动力源。现代机器动力机：电动机、热力机。现代机器动力机：电动机、热力机。运动特点：旋转运动、直线运动。运动特点：旋转运动、直线运动。人们为了满足生产和生活的需要，研制了类型繁多、功能各异人们为了满足生产和生活的需要，研制了类型繁多、功能各异的机器。尤其是蒸汽机出现之后，使机器具有了完整的形态。的机器。尤其是蒸汽机出现之后，使机器具有了完整的形态。2021/9/232润滑、显示、照明等辅助系统润滑、显示、照明等辅助系统原动机原动机传动装置传动装置执行机构执行机构控制系统控制系统传动装置传动装置

3、在原动机与执行机构之间传递运动、转换运动在原动机与执行机构之间传递运动、转换运动方式的装置。机械传动装置是本课程研究的主要内容之一。方式的装置。机械传动装置是本课程研究的主要内容之一。执行机构执行机构完成机器预定功能的组成部分，位于传动路线的完成机器预定功能的组成部分，位于传动路线的终点。终点。2021/9/233润滑、显示、照明等辅助系统润滑、显示、照明等辅助系统原动机原动机传动装置传动装置执行机构执行机构控制系统控制系统控制系统控制系统保证机器的启动、停止和正常协调动作。保证机器的启动、停止和正常协调动作。传感器传感器传感器传感器将机器的工作参数，如位移、速度、加速度、温度、将机器的工作参

4、数，如位移、速度、加速度、温度、压力等反馈给控制系统。压力等反馈给控制系统。辅助系统辅助系统包括机器的润滑、显示、照明等。也是保证机器包括机器的润滑、显示、照明等。也是保证机器正常工作不可缺少的部分正常工作不可缺少的部分2021/9/2342021/9/2352-2 2-2 2-2 2-2 设计机器的一般程序设计机器的一般程序设计机器的一般程序设计机器的一般程序机械设计的一般过程：机械设计的一般过程：计划阶段计划阶段 方案设计阶段方案设计阶段 技术设计阶段技术设计阶段 技术文件编制阶段技术文件编制阶段 试制阶段试制阶段 投产销售投产销售2021/9/236一、计划阶段一、计划阶段包括：需求分析

5、、明确功能、制定设计任务书。包括：需求分析、明确功能、制定设计任务书。设计任务书设计任务书机器的功能机器的功能 经济性估计经济性估计 制造要求的大致估计制造要求的大致估计 基本使用要求基本使用要求 预计的设计周期预计的设计周期 机械设计的任务是根据生产和市场需求提出的。机械设计的任务是根据生产和市场需求提出的。此时此时,对所要设计的机械只是个模糊的概念。对所要设计的机械只是个模糊的概念。2021/9/237机械厂装配车间输送带传动装置设计1、设计条件1）机器功用由输送带传送机器的零、部件；2）工作条件单向运输，轻度振动，环境温度不超过40；3）运动要求输送带运动速度误差不超过5；4）使用寿命十

6、年，每年300天，每天16小时；5）检修周期一年小修，两年大修；6）生产厂型中型机械厂；7）生产批量中小批生产。2、原始数据题号A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12主动滚筒扭矩（Nm）80080090090010001000110011001200120013001300主动滚筒速度（m/s）1.51.61.51.61.51.61.51.61.51.61.51.6主动滚筒直径（mm）2602602802802803003003003203203203203、设计任务1)设计内容电动机选型 带传动设计 减速器设计 联轴器选型设计2)设计工作 减速器装配图1张 零件图4张（由指导

7、教师指定）设计计算说明书一份4、设计要求1)减速器设计为单级圆柱齿轮减速器2)减速器齿轮设计为标准直齿圆柱齿轮2021/9/238二、二、方案设计阶段方案设计阶段对机器的功能进行综合分析、确定功能参数、提出实现方案。对机器的功能进行综合分析、确定功能参数、提出实现方案。在制定功能参数时一定要注意恰当处理在制定功能参数时一定要注意恰当处理需要与可能、理想与现需要与可能、理想与现实、长远目标与当前目标实、长远目标与当前目标等之间的关系。等之间的关系。一般而言，实现同一个功能，有多种可能的方案。一般而言，实现同一个功能，有多种可能的方案。以螺纹制以螺纹制造为例：有车削、滚压、板牙加工等方法。方法不同

8、，其执造为例：有车削、滚压、板牙加工等方法。方法不同，其执行部分的工作原理也不同。行部分的工作原理也不同。方案评价原则：经济性、技术上可行。方案评价原则：经济性、技术上可行。总费用总费用设计制设计制造费用造费用使用费用使用费用费用费用复杂程度复杂程度2021/9/239三、三、技术设计阶段技术设计阶段 绘制总装配草图、部件装配草图，由草图确定零部件的外形、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。基本尺寸和零件工作图。1 1）机器的运动学设计）机器的运动学设计 2 2）机器的动力学设计）机器的动力学设计 3 3）零件的工作能力设计）零件的工作能力设计 4 4）

9、部件装配草图及总装配草图的设计）部件装配草图及总装配草图的设计-结构设计结构设计 5 5）主要零件的校核计算）主要零件的校核计算 确定原动机的参数（功率、转速、线速度等）。求解构件的确定原动机的参数（功率、转速、线速度等）。求解构件的运动参数（转速、速度、加速度等）。运动参数（转速、速度、加速度等）。计算构件所受公称载荷（名义载荷）的大小和特性。计算构件所受公称载荷（名义载荷）的大小和特性。根据工作能力准则作零部件的初步设计。得出零件的基本尺寸。根据工作能力准则作零部件的初步设计。得出零件的基本尺寸。以结构设计尺寸为依据，对零件进行精确的受力分析和工作能以结构设计尺寸为依据，对零件进行精确的受

10、力分析和工作能力校核计算力校核计算 2021/9/2310四、四、技术文件编制技术文件编制 技术文件技术文件 设计说明书设计说明书 使用说明书使用说明书 零件明细表零件明细表 标准件汇总表标准件汇总表产品验收条件产品验收条件.技术文件技术文件-用来说明产品性能、设计、制造、操作使用、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。维护、或其它所有与产品相关的文档资料。2021/9/2311技技术术设设计计方方案案设设计计计计划划提出任务提出任务分析对机器的要求分析对机器的要求确定任务要求确定任务要求机器功能分析机器功能分析提出可能的解决办法提出可能的解决办法组合几

11、种可能的方案组合几种可能的方案决策决策-选定方案选定方案明确构形要求明确构形要求结构化结构化选择材料、确定尺寸选择材料、确定尺寸零件设计零件设计编制技术文件编制技术文件评价评价决策决策确确定结构形状与尺寸定结构形状与尺寸评价评价部件设计部件设计总体设计总体设计2021/9/2312注意的几个问题注意的几个问题 着重学习零件的着重学习零件的设计方法设计方法以及零件以及零件参数的合理选择参数的合理选择。除了理论分析和计算以外，除了理论分析和计算以外，更应重视零件结构设计的学习更应重视零件结构设计的学习。设计决非只是计算。设计决非只是计算。性能要求与经济性性能要求与经济性 永远是一对矛盾，应学会合理

12、地解决这一对矛盾。永远是一对矛盾，应学会合理地解决这一对矛盾。经验设计与现代设计经验设计与现代设计 二者均重要，前者是后者的基础。二者均重要，前者是后者的基础。2021/9/2313目前世界上有名的多用户群的制图软件：UG,Pro-E,SolidWorks,SolidMAX,Catia,Alias,MasterCAM,AutocadUGCatiaPro/E是以前的三维界三巨头，solider是近几年才出现的，发展势头比较好，简单实用，上手比较快，如果只是做简单的机械设计是足够了，但是作模具，曲面可能有些不足，不过简单易学，和caxa很像。2021/9/2314Pro/E全参（参数化），造型思路

13、严谨，简单零件和装配在后期修改比较方便。曲面方面有Style，从CDRS中吸收了很多自由曲面造型的方法。功能比较强。主要用于消费电子行业及其模具，属于中流。缺点是二维图有点麻烦，复杂零件和复杂装配在前期全参造型速度较慢，后期修改参数很容易导致更新失败，相对UG工资较低。CAE、运动分析、加工不是强项。2021/9/2315UG可全参，可无参，可变参，造型思路灵活，如果应用熟练，复杂零件和装配后期修改非常方便，可去参，可加参，可改参，实在不行对单个零件推倒重来而不影响整体。曲面有Imageware的集成，自由曲面造型效果好，曲面功能更强，做18阶函数以上的曲面更显优势。主要用于汽车、航空航天及相

14、关模具设计、分析、制造。优点：CAE简单集成了NXNastran和I-DEASMasterFEM，运动学分析加入了ADAMS。加工与Cimatron、Delcam齐名，是目前最好的三大软件之一。UG提供了丰富且简便的二次开发工具，可以很轻松的添加功能。他的知识专家系统KF也是CAD中最优秀的。掌握UG更容易进入汽车、模具，以及欧洲机械电子类工厂等高薪行业。2021/9/2316catia做的曲面设计不错，一般都是用了设计飞机。3D软件中是上流，但最近才有针对中小用户的软件，现在设计公司用的不多。catia的参数关联性、曲面、分析、知识专家都是比UG强。同时Catia对硬件的要求也是比UG高的，

15、特别耗内存。ug的特征建模的方法比较简便，2维作图比较容易。2021/9/2317、其他特殊要求、其他特殊要求、寿命与可靠性的要求、寿命与可靠性的要求、劳动保护和环境保护要求、劳动保护和环境保护要求、使用功能的要求、使用功能的要求、经济性要求、经济性要求实现使用功能实现使用功能正确选择工作原理，结构类型正确选择工作原理，结构类型传动方案。传动方案。例：对例：对减速器减速器的传动比、功率、的传动比、功率、转速等的要求；转速等的要求；对对牛头刨床牛头刨床行程、速度变化行程、速度变化系数等系数等经济性要求经济性要求设计设计+制造制造+使用保养使用保养1、设计上：、设计上：a)采用先进的设计手段（例：

16、CAD）b)采用三化零部件（系列化、通用化、标准化）2、制造上：、制造上：a)采用新工艺、新结构、新材料、新技术b)力求改善零件的结构工艺性-减少用料、易加工、装配3、使用保养上：、使用保养上：a)合理提高自动化水平和生产率。b)降低能耗c)适当延长机器寿命（润滑系统、表面保护）d)采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象劳动保护和环境保护要求劳动保护和环境保护要求1、操作方便，省力、舒适、劳动强度低、操作方便，省力、舒适、劳动强度低例：手柄：数量例：手柄：数量+高低高低+转向转向+驱动力驱动力 链条传动防护罩。链条传动防护罩。2、保证人机安全、保证人机安全完善的安全防护、保安、报警装置完善的安全防

17、护、保安、报警装置3、环境保护、环境保护降低噪声（降低噪声（7080dB），净化废水、废气、废液，），净化废水、废气、废液，色彩协调、密封等色彩协调、密封等寿命与可靠性要求寿命与可靠性要求设计的零件、结构合理，满足强度、刚度、耐设计的零件、结构合理，满足强度、刚度、耐磨性、耐热性振动稳定性等磨性、耐热性振动稳定性等其他特殊要求其他特殊要求不同机械有不同的特殊要求不同机械有不同的特殊要求a、经常搬动：易于拆装、运输、经常搬动：易于拆装、运输b、食品、医药：防污染、食品、医药：防污染c、重量（飞机）、精度（机床）、重量（飞机）、精度（机床）2-3 2-3 2-3 2-3 对机器的主要要求对机器的主

18、要要求对机器的主要要求对机器的主要要求2021/9/23182-4 2-4 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主要失效形式机械零件的主要失效形式机械零件的失效：机械零件的失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效失效。工作能力工作能力-在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：承载能力承载能力。例如：发生强烈的振动、联接的松弛、例如：发生强烈的振动、联接的松弛、摩擦传动的打滑等。摩擦传动的打滑等

19、。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；破坏正常的工作条件；破坏正常的工作条件；零件的失效形式零件的失效形式 2021/9/2319机械零件失效的实例：机械零件失效的实例：齿轮轮齿折断齿轮轮齿折断 轴承内圈破裂轴承内圈破裂 轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形轮齿塑性变形轮齿塑性变形2021/9/2320齿面接触疲劳齿面接触疲劳轴瓦磨损轴瓦磨损失效原因失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因。强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因。统计结果显示：统计结果显示：断裂仅占断裂仅占4.79%;腐蚀、磨损、疲劳破坏腐蚀、磨损、疲劳破坏占占73.

20、88%。-主要失效原因。主要失效原因。2021/9/2321 2-5 2-5 2-5 2-5 设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求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：本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：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 结构工艺性要求结构工艺性要求 经济性要求经济性要求 质量小的要求质量小的要求 可靠性要求可靠性要求2021/9/2322应保证零件有

21、足够的强度、刚度、寿命。应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。一、避免在预定寿命期内失效的要求一、避免在预定寿命期内失效的要求提高零件强度的措施有：提高零件强度的措施有：采用高强度的材料；采用高强度的材料；使零件具有足够的截面尺寸；使零件具有足够的截面尺寸；合理设计零件的截面形状，增大惯性矩；合理设计零件的截面形状，增大惯性矩；采用热处理和化学处理方法提高材料的强度性能；采用热处理和化学处理方法提高材料的强度性能；提高零件的制造精度，以减少工作时的动载荷；提高零件的制造精度，以减少工作时的动载荷；合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷。合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷。1.强度要求强度

22、要求 2021/9/23232.刚度要求刚度要求 零件在工作时的弹性变形不能超过允许的范围称为零件的刚度零件在工作时的弹性变形不能超过允许的范围称为零件的刚度要求。要求。提高零件刚度的措施有：提高零件刚度的措施有：增大零件的截面尺寸或增大惯性矩；增大零件的截面尺寸或增大惯性矩；缩短支承的跨距或采用多点支承。缩短支承的跨距或采用多点支承。2021/9/23243.寿命要求寿命要求 影响零件寿命的主要因素有：影响零件寿命的主要因素有：大部分零件工作在变应力下，故疲劳破坏是引起零件破坏大部分零件工作在变应力下，故疲劳破坏是引起零件破坏的主要原因。影响疲劳强度的因素有：的主要原因。影响疲劳强度的因素有

23、：疲劳破坏疲劳破坏腐蚀腐蚀磨损磨损应力集中；应力集中；零件的尺寸大小；零件的尺寸大小；零件表面质量及环境状况：零件表面质量及环境状况：零件处在腐蚀性介质中工作时，可能使材料遭到腐蚀。零件处在腐蚀性介质中工作时，可能使材料遭到腐蚀。抗腐蚀的措施有：抗腐蚀的措施有：表面发兰（发黑）；表面发兰（发黑）；表面镀层；表面镀层；表面涂漆；表面涂漆；表面阳极化。表面阳极化。2021/9/2325二、结构工艺性要求二、结构工艺性要求 零件工艺性良好的标志零件工艺性良好的标志-在具体的生产条件下，零件要便在具体的生产条件下，零件要便于加工而加工费用又很低。于加工而加工费用又很低。1)毛坯选择合理毛坯选择合理制备

24、方法：选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。制备方法：选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。2)结构简单合理结构简单合理最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合；最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合；尽量减少加工面数和加工面积；尽量减少加工面数和加工面积；尽量采用标准件；尽量采用标准件；增加相同形状、相同元素（

25、直径、圆角半径、配合、螺纹、增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、螺纹、键、齿轮模数等）的数量；键、齿轮模数等）的数量；2021/9/23263)合理的制造精度和表面粗糙度合理的制造精度和表面粗糙度 零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下，尽量采决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下，尽量采用较低的精度和表面质量。用较低的精度和表面质量。4)尽量减小零件的加工量尽量减小零件的加工量 毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。力求使毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状

26、和尺寸。力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。少或无切削加工，节约材料、降低成本。尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进工艺满足上述要求。先进工艺满足上述要求。2021/9/2327三、经济性要求三、经济性要求 零件的经济性首先表现在零件的生产制造成本上。零件的经济性首先表现在零件的生产制造成本上。简化零件的结构，降低材料消耗；简化零件的结构，降低材料消耗；采用无余量、少余量的毛坯，减少加工工时；采用无余量、少余量的毛坯，减少加工工时；采用廉价而充足的材料代替昂贵材料；采用廉价而充足的材料代替昂贵材料；大型零件采用组合结

27、构而非整体结构；大型零件采用组合结构而非整体结构；尽量采用标准件。尽量采用标准件。2021/9/2328四、质量小的要求四、质量小的要求 减小质量的措施：减小质量的措施：节约材料；节约材料；减小惯性，改善机器的动力性能。减小惯性，改善机器的动力性能。采用缓冲装置来降低零件所受冲击载荷；采用缓冲装置来降低零件所受冲击载荷；采用安全装置来限制作用在零件所受最大载荷；采用安全装置来限制作用在零件所受最大载荷；从零件应力较小处削减部分材料，以改善零件受从零件应力较小处削减部分材料，以改善零件受 力的均匀性，提高材料的利用率；力的均匀性，提高材料的利用率；采用与工作载荷方向相反的预载荷，以降低零件采用与

28、工作载荷方向相反的预载荷，以降低零件 的工作载荷；的工作载荷；采用轻型薄璧冲压件或焊接件代替铸造、锻压件；采用轻型薄璧冲压件或焊接件代替铸造、锻压件；采用强重比高的材料。采用强重比高的材料。2021/9/2329五、可靠性要求五、可靠性要求 零件的失效是随机发生的，其原因是零件所受的载荷、环零件的失效是随机发生的，其原因是零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和机械性能等因素是随机变化的。为了境温度、零件本身物理和机械性能等因素是随机变化的。为了提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零件性能两个方面使提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零件性能两个方面使其变化尽可能小。其变化尽可能小。2021/

29、9/23302-6 2-6 2-6 2-6 机械零件的计算准则机械零件的计算准则机械零件的计算准则机械零件的计算准则 强度准则强度准则 刚度准则刚度准则 设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则设计零件时，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。一般来讲，有以下几种准则：以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：寿命准则寿命准则 振动稳定性准则振动稳定性准则 可靠性准则可靠性准则-确保零件不发生断裂破坏或过大的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。塑性变形，是最基本的设计准则。-确保零件不发生过大的弹性变形。确保零件不发生过大的弹

30、性变形。-通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。-高速运转机械的设计应注重高速运转机械的设计应注重 此项准则。此项准则。-当计及随机因素影响时，仍应确当计及随机因素影响时，仍应确 保上述各项准则。保上述各项准则。2021/9/2331强度准则是指零件中的应力不得超过许用值。强度准则是指零件中的应力不得超过许用值。一、强度准则一、强度准则 即：即：limlim-材料的极限应力材料的极限应力脆性材料：脆性材料：lim=b(强度极限强度极限)塑性材料：塑性材料：lim=S(屈服极限屈服极限)为了安全起见，引入安全系数为了安全起见，引入安全系数S S，得：，得：lim/S

31、/S或或 S S为为大大于于1 1的的数数，S S过过大大，虽虽安安全全但但浪浪费费材材料料；S S过过小小，虽虽节节省省材料，但趋于危险。材料，但趋于危险。-许用应力许用应力2021/9/2332二、刚度准则二、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。即：是指零件在力作用下的弹性变形量不得超过许用值。即：y yy 三、寿命准则三、寿命准则 影影响响零零件件使使用用寿寿命命的的因因素素主主要要是是腐腐蚀蚀、磨磨损损和和疲疲劳劳，前前两两者者还还没没有有成成熟熟的的计计算算方方法法，工工程程中中通通常常是是求求出出使使用用寿寿命命时时的的疲疲劳劳极限作为计算的依据。极限作为计算

32、的依据。2021/9/2333四、振动稳定性准则四、振动稳定性准则 保证机器中受激振零件的固有频率与激振源的频率错开，保证机器中受激振零件的固有频率与激振源的频率错开，即要求：即要求：0.85 f fp或或 1.15 f fp如果不满足条件，可采取如下措施：如果不满足条件，可采取如下措施：改变零件及系统刚性；改变零件及系统刚性；增减支承；增减支承；调整支承的位置；调整支承的位置；隔离激振源隔离激振源；采用阻尼元件以减小零件的振幅。采用阻尼元件以减小零件的振幅。2021/9/2334五、可靠性准则五、可靠性准则 可靠度的定义：可靠度的定义：对件数为对件数为N0的一批零件进行试验，经过的一批零件进

33、行试验，经过时间时间t之后有之后有N件仍能正常工作，则该零件在该试验环境条件件仍能正常工作，则该零件在该试验环境条件下工作时间下工作时间t的可靠度定义为：的可靠度定义为：R=NR=N /N/N0 0若若t t R R N N-R-R是时间的函数。是时间的函数。若在时间若在时间t+dtt+dt内，又有内，又有dNdN个零件失效，则个零件失效，则dtdt内零件的失效内零件的失效的比率定义为：的比率定义为：-失效率失效率“-”“-”表示表示dNdN的增大将使的增大将使N N减少。减少。分离变量并积分得：分离变量并积分得：2021/9/2335即：即：零件可靠度的另一个指标是两次失效之间的平均无故障零

34、件可靠度的另一个指标是两次失效之间的平均无故障时间时间 M（MTBFMTBF），），M与与的关系为的关系为:M=1/M=1/2021/9/23362-7 2-7 2-7 2-7 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机械零件的设计方法 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。行设计的方法。机械零件的机械零件的设计方法设计方法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理论设计经验设计经验设计

35、模型实验设计模型实验设计2021/9/23371)1)理论设计理论设计-根据长期的总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计。根据长期的总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计。以受拉杆为例，强度计算公式为：以受拉杆为例，强度计算公式为：lim/S/S或或 F/A lim/S/SF-F-拉力，拉力，A-A-截面积。截面积。设计计算：设计计算：A A F FS/S/lim校核计算有四种可选方式：校核计算有四种可选方式：=F/A F A S Scaca=lim/S Slim S SS Sca ca-计算安全系数计算安全系数 2021/9/2338经验设计经验设计-根据对某类零件已有的设计与使用实践而

36、归纳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。例如：箱体、机架、典型化的零件，是很有效的设计方法。例如：箱体、机架、传动件的结构要素等。传动件的结构要素等。机械零件的机械零件的设计方法设计方法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理论设计经验设计经验设计模型实验设计模型实验设计2021/9/2339模型实验设计模型实验设计-把初步设计的零、

37、部件或机器做成小模型把初步设计的零、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。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。设计是一种很有效的方法。机械零件的机械零件的设计方法设计方法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理论设计经验设计经验设计模型实验设计模型实验设计2021/9/2340 现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、现

38、代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。优化设计优化设计可靠性设计可靠性设计计算机辅助设计计算机辅助设计机械零件的设机械零件的设计方法计方法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理论设计经验设计经验设计模型实验设计模型实验设计2021/9/23412-8 2-8 2-8 2-8 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设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤1)1)根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。为此，必须

39、对各种零件的不同类型、优缺点、特性和使用范为此，必须对各种零件的不同类型、优缺点、特性和使用范围等，进行综合对比与正确选用。围等，进行综合对比与正确选用。2)2)根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。3)3)根据零件的工作条件及对零件的特殊要求根据零件的工作条件及对零件的特殊要求(如高温环境等如高温环境等)选择适当的材料。选择适当的材料。4)4)根据零件的失效形式，确定零件的计算准则，通过计算，根据零件的失效形式，确定零件的计算准则，通过计算，确定零件的基本尺寸。确定零件的基本尺寸。5)5)根据工艺性和标准化，进行零件的结构设计。根据工艺性和标

40、准化，进行零件的结构设计。6)6)细节设计完成之后，必要时进行详细的校核计算，以判定结构细节设计完成之后，必要时进行详细的校核计算，以判定结构的合理性。的合理性。7)7)绘制零件工作图，并撰写计算说明书。绘制零件工作图，并撰写计算说明书。2021/9/2342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选择零件的材料选择零件的材料确定零件的基本尺寸确定零件的基本尺寸结结 构构 设设 计计零件的设计流程图：零件的设计流程图：2021/9/2343黑色金属黑色金属有色金属

41、有色金属铸铁铸铁钢钢金属材料金属材料一、常用材料一、常用材料低碳钢低碳钢(08F)中碳钢中碳钢(45)高碳钢高碳钢(60)合金钢合金钢(1Cr18）灰铸铁灰铸铁(TH300)球墨铸铁球墨铸铁(QT500-5)2-9 2-9 2-9 2-9 机械零件材料的选用原则机械零件材料的选用原则机械零件材料的选用原则机械零件材料的选用原则铝合金铝合金(LY12)铜合金铜合金(ZCuSn10P1)铸铁铸铁-灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性

42、（指灰铸铁）、成本低廉。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。2021/9/2344黑色金属黑色金属有色金属有色金属铸铁铸铁钢钢金属材料金属材料一、常用材料一、常用材料低碳钢低碳钢(08F)中碳钢中碳钢(45)高碳钢高碳钢(60)合金钢合金钢(1Cr18）灰铸铁灰铸铁(TH300)球墨铸铁球墨铸铁(QT500-5)铝合金铝合金(LY12)铜合金铜合金(ZCuSn10P1)钢钢-低碳钢低碳钢、中碳钢、中碳钢、高碳钢、高碳钢、合金钢、结构钢、工具钢、合金钢、结构钢、工具钢、特殊钢特殊钢(不

43、锈钢、耐热钢、耐酸钢等不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、铸钢等。、铸钢等。特点特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。理方法改善其力学性能和加工性能。钢制零件钢制零件毛坯毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。应用应用：应用范围极其广泛。：应用范围极其广泛。2021/9/2345钢的选用原则：钢的选用原则：优选碳素钢，其次是优选碳素钢，其次是硅、硅、锰锰、硼、硼、钒类钒类合金合金钢钢。表表3-1 3-1 常用材料的相对价格常用材料的相对价格材材 料料 种种 类类 规规

44、格格 相对价格相对价格热轧圆钢热轧圆钢 碳素结构钢碳素结构钢Q235（3342）1铸铸 件件优质碳素钢优质碳素钢（2950）1.51.8 合金结构钢（合金结构钢（2950）1.72.5 滚动轴承钢（滚动轴承钢（2950）3 合金工具钢（合金工具钢（2950）320 4Cr9Si2耐热钢（耐热钢（2950）5 灰铸铁铸件灰铸铁铸件 0.85 碳素钢铸件碳素钢铸件 1.7 铜合金、铝合金铸件铜合金、铝合金铸件 810 2021/9/2346黑色金属黑色金属有色金属有色金属铸铁铸铁钢钢金属材料金属材料一、常用材料一、常用材料低碳钢低碳钢(08F)中碳钢中碳钢(45)高碳钢高碳钢(60)合金钢合金钢(

45、1Cr18）灰铸铁灰铸铁(TH300)球墨铸铁球墨铸铁(QT500-5)铝合金铝合金(LY12)铜合金铜合金(ZCuSn10P1)2021/9/2347黑色金属黑色金属有色金属有色金属铸铁铸铁钢钢金属材料金属材料一、常用材料一、常用材料低碳钢低碳钢(08F)中碳钢中碳钢(45)高碳钢高碳钢(60)合金钢合金钢(1Cr18）灰铸铁灰铸铁(TH300)球墨铸铁球墨铸铁(QT500-5)铝合金铝合金(LY12)铜合金铜合金(ZCuSn10P1)铜合金铜合金-铜锌合金，并含有少量的铜锌合金，并含有少量的锰锰、铝铝、镍镍特点特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的：具有良好的塑性和液态流动

46、性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。减摩性和抗腐蚀性。青铜青铜黄铜黄铜轴承合金（巴氏合金）轴承合金（巴氏合金）-含锡青铜、不含锡青铜含锡青铜、不含锡青铜零件零件毛坯毛坯获取方法：辗压、铸造。获取方法：辗压、铸造。应用范围广泛。应用范围广泛。2021/9/2348高分子材料高分子材料复合材料复合材料陶瓷陶瓷非金属材料非金属材料-塑料、橡胶、合成纤维。塑料、橡胶、合成纤维。-强如钢、轻如铝、硬如金刚石。强如钢、轻如铝、硬如金刚石。-强度高、弹性模量大、质量轻。强度高、弹性模量大、质量轻。橡胶橡胶-橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器

47、或减震器的弹性元件、带传动的胶带或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用等。硬橡胶可用于制造用水水润润滑的滑的轴轴承承衬衬。塑料塑料-塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热热性、性、绝缘绝缘性、减摩性、性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应应用日益广泛。用日益广泛。2021/9/2349载荷及应力的大小和性质载荷及应力的大小和性质 零件的工作情况零件的工作情况 零件的结构及材料加工性零件的结构及材料加工

48、性 材料的经济性材料的经济性 零件的尺寸及重量零件的尺寸及重量 二、机械零件材料的选用原则二、机械零件材料的选用原则 适用于制作机械零件的材料种类非常之多，在设计机械零件适用于制作机械零件的材料种类非常之多，在设计机械零件时，如何从各种各样的材料中选择出合适的材料，是一项受多时，如何从各种各样的材料中选择出合适的材料，是一项受多方面因素所制约的复杂的工作。方面因素所制约的复杂的工作。设计者应根据零件的用途、工设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。进行全面考虑。选材的一般原则选材的一般原

49、则 材料的供应状况材料的供应状况 2021/9/2350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；1.1.载荷及应力的大小和性质载荷及应力的大小和性质 金属材料的性能一般可以通过热处理加以提高和改善，因此，金属材料的性能一般可以通过热处理加以提高和改善，因此，要充分利用热处理手段来发挥材料的潜力。对于常用的调质钢，要充分利用热处理手段来发挥材料的潜力。对于常用的调质钢，由于其回火温度的不同，可得到机械性能不同的毛坯。由于其回火温度的不同，可得到机械性能不同的毛坯。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。2.2

50、.零件的工作情况零件的工作情况-指零件所处的环境特点、工作温度、摩擦磨损程度等。指零件所处的环境特点、工作温度、摩擦磨损程度等。在湿热环境下工作的零件，其材料应具有良好防腐蚀能力，在湿热环境下工作的零件，其材料应具有良好防腐蚀能力，可选用不锈钢、铜合金等。可选用不锈钢、铜合金等。两配合零件的线性膨胀系数不能相差过大，一面在温度变化两配合零件的线性膨胀系数不能相差过大，一面在温度变化时产生过大热应力或使配合松动，另一方面要考虑材料机械性时产生过大热应力或使配合松动，另一方面要考虑材料机械性能随温度而变化的情况。能随温度而变化的情况。2021/9/2351零件在工作中可能发生磨损的表面，应提高其表