第02章机械零件设计总论.docx

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第02章机械零件设计总论

第2章　机械零件设计概论

内容提要：

本章主要分为两部分：

关于机器总体设计的概述和关于机械零件设计的概述。

机器总体设计包括：

机器的组成、设计机器的一般程序、对机器的主要要求等；机械零件设计包括：

机械零件的主要失效形式、设计机械零件时应满足的基本要求、机械零件的计算准则、机械零件的设计方法、机械零件设计的一般步骤、机械零件材料的选用原则、机械零件设计中的标准化等。

学习目标：

首先要从总体上建立起机器设计，尤其是机械零件设计的总括性的概念，即从机器的总体要求出发，引出对机械零件的要求，根据零件的失效形式，拟订出设计准则，在选择出适用的材料后，按一定的步骤，用理论设计或经验设计的方法，设计出零件来。

其次，还要掌握对机器和机械零件的基本要求，即：

提高机器总体效益和避免失效。

§2-1　机器的组成

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。

一台完整的机器的组成如下：

原动部分——是驱动整部机器以完成预定功能的动力源。

一般来说，它是把其它形式的能量转换为机械能。

原动机的动力输出绝大多数呈旋转运动的状态，输出一定的转矩。

原动机经历了如下发展过程：

人力、畜力—→水力机、风力机—→蒸汽机、内燃机、汽轮机、电动机。

现在最常见的是内燃机、电动机。

执行部分——是用来完成机器预定功能的组成部分。

一部机器可以只有一个执行部分，也可以把机器的功能分解成好几个执行部分，位于传动路线的终点。

传动部分——联接原动机和执行部分的中间部分，用来连接原动机部分和执行部分，用来将原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数。

例如：

把旋转运动转换为直线运动；高转速变为低转速；小转矩变为大转矩等。

机器的传动部分大多数采用机械传动系统，有时也采用液压或电力传动系统。

机械传动系统是绝大多数机器不可缺少的重要组成部分。

控制部分——保证机器的启动、停止和正常协调动作。

传感部分——将机器的工作参数，如位移、速度、加速度、温度、压力等反馈给控制部分。

辅助部分——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

以汽车为例：

§2-2　设计机器的一般程序

一般而言，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键一环。

机械设计是一个创造性的工作过程，实践经验是保证设计质量的重要因素。

因此，要求设计者特别注意经验的积累。

一部完整的机器是一个复杂的系统，要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。

机械设计的一般过程：

▲计划阶段

▲方案设计阶段

▲技术设计阶段

▲技术文件编制阶段

一、计划阶段

包括：

需求分析、明确功能、制定设计任务书。

设计任务书：

机器的功能

经济性估计

制造要求的大致估计

基本使用要求

预计的设计周期

二、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。

在制定功能参数时一定要注意恰当处理需要与可能、理想与现实、长远目标与当前目标等之间的关系。

一般而言，实现同一个功能，有多种可能的方案。

以螺纹制造为例，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。

因此，存在一个方案的比较和取舍问题。

方案评价原则：

经济性、技术上可行。

经济性——总费用最低。

方案设计阶段要正确处理好借鉴与创新的关系。

同类机器的成功先例应当借鉴，但其中的薄弱环节和不符合现有任务要求的部分应当加以改进或替换。

坚决反对：

1．保守和照搬原有设计

2．一味求新而把合理的原有经验弃置不用

三、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、基本尺寸和零件工作图。

为了确定零件的基本尺寸，必须完成以下工作：

（1）机器的运动学设计

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）。

（2）机器的动力学设计

计算构件所受公称载荷（名义载荷）大小和特性。

（3）零件的工作能力设计

由公称载荷大小和特性，根据工作能力准则作零部件的初步设计。

通过计算或类比得出零件的基本尺寸。

（4）部件装配草图及总装配草图的设计——结构设计

（5）主要零件的校核计算

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力校核计算。

四、技术文件编制

技术文件——用来说明产品性能、设计、制造、操作使用、维护或其他所有与产品相关的文档资料。

技术文件包括：

①设计说明书

②使用说明书

③零件明细表

④标准件汇总表

⑤产品验收条件

⑥……

机器设计的一般流程

§2-3　对机器的主要要求

在满足预期功能的前提下，要求性能好、效率高、成本低，造型美观，在预定使用期限内要安全可靠，操作方便、维修简单。

设计机器的任务是在当前技术发展所能达到的条件下，根据生产及生活的需要提出的。

不管机器的类型如何，一般来说，对机器都要提出以下的基本要求：

具体要求如下：

▲使用功能要求

▲经济性要求

▲劳动保护要求

▲可靠性要求

▲其他专用要求

使用功能要求——机器应具有预定的使用功能。

这主要靠正确地选择机器的工作原理，正确地设计或选用能够全面实现功能要求的执行机构、传动机构和原动机，以及合理地配置必要的辅助系统来实现。

经济性要求——机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，设计机器时就要全面综合地进行考虑。

设计制造的经济性表现为机器的成本低，使用经济性表现为高生产率高效率、低能耗、以及低的管理和维护费用等。

提高设计和制造经济性指标的主要途径有:

（1）采用先进的现代设计方法（CAD），使设计参数最优化,达到尽可能精确的计算结果,保证机器足够的可靠性。

（2）最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零、部件。

（3）尽可能采用新技术、新工艺、新结构和新材料。

（4）合理地组织设计和制造过程。

（5）力求改善零件的结构工艺性，使其用料少、易加工、易装配。

提高使用经济性指标的主要途径有

（1）合理地提高机器的机械化和自动化水平，以期提高机器的生产率。

（2）选用高效率的传动系统，尽可能减少传动的中间环节，以期降低能源消耗。

（3）适当地采用防护及润滑，以延长机器的使用寿命。

（4）采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象。

劳动保护要求

（1）要使机器的操作者方便和安全。

因此设计时要按照人机工程学的观点布置各种按钮、手柄，使操作方式符合人们的心理和习惯，同时，设置完善的安全装置、报警装置、显示装置等。

（2）改善操作者及机器的环境。

所设计的机器应符合劳动保护法规的要求。

降低机器运转时的噪声水平，防止有毒、有害介质的渗漏，对废水、废气和废液进行治理。

机器的可靠度——指在规定的使用时间内和预定的环境下机器能够正常工作的概率。

机器由于某种故障而不能完成预定的功能称为失效，它是随机发生的，其原因是零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和力学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其变化尽可能小。

其他专用要求——针对不同机器所特有的要求。

例如：

（1）对机床有长期保持精度的要求；

（2）对飞机有质量小，飞行阻力小而运载能力大的要求；

（3）对流动使用的机器有便于安装和拆卸的要求；

（4）对大型机器有便于运输的要求等等。

§2-4　机械零件的主要失效形式

机械零件的失效：

机械零件在预定的时间内和规定的条件下，不能完成正常的功能，称为失效。

工作能力——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：

承载能力。

零件如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。

机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为：

（1）整体断裂

（2）过大的残余变形

（3）工作表面的过度磨损或损伤　

（4）破坏正常的工作条件　例如，发生强烈的振动，联接的松弛，摩擦传动的打滑等。

机械零件失效实例：

齿轮点蚀实例滚动轴承点蚀实例滚动轴承磨损实例

齿轮轮齿折断实例齿轮磨损实例

失效原因:

强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因。

统计结果显示：

断裂仅占4.79%;

腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%。

这是主要失效原因。

§2-5　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本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：

1.避免在预定寿命期内失效的要求

2.结构工艺性要求

3.经济性要求

4.质量小的要求

5.可靠性要求

一、避免在预定寿命期内失效的要求

应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。

1.强度要求

a）提高零件强度的措施有：

b）采用高强度的材料　

c）使零件具有足够的截面尺寸

d）合理设计零件的截面形状，增大惯性矩

e）采用热处理和化学处理方法提高材料的强度性能

f）提高零件的制造精度，以减少工作时的动载荷

g）合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷

2.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要求。

提高零件刚度的措施有：

a）增大零件的截面尺寸或增大惯性矩；

b）缩短支承的跨距或采用多点支承。

3.寿命要求

影响零件寿命的主要因素有：

1）疲劳破坏、

2）腐蚀、

3）磨损

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①应力集中，②零件的尺寸大小，③零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。

1）抗腐蚀的措施有

2）表面发兰（发黑）

3）表面镀层

4）表面涂漆　

5）表面阳极化

二、结构工艺性要求

零件工艺性良好的标志——在具体的生产条件下，零件要便于加工而加工费用又很低。

工艺性的基本要求：

1）毛坯选择合理

（1）制备方法：

选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。

（2）毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。

（3）单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。

（4）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

（1）最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面及其组合

（2）尽量减少加工面数和加工面积

（3）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

（4）尽量采用标准件

3）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。

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。

4）尽量减小零件的加工量

（1）毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。

力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本

（2）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

欲设计出工艺性良好的零件，设计者必须虚心向工艺技术人员和一线工人学习，在实践中积累经验。

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。

（1）简化零件的结构，降低材料消耗

（2）采用无余量、少余量的毛坯，减少加工工时

（3）采用廉价而充足的材料代替昂贵材料

（4）大型零件采用组合结构而非整体结构

（5）尽量采用标准件

四、质量小的要求

减小质量的好处：

节约材料；减小惯性，改善机器的动力性能。

减小质量的措施：

（1）采用缓冲装置来降低零件所受冲击载荷

（2）采用安全装置来限制作用在零件所受最大载荷　

（3）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

（4）采用与工作载荷方向相反的预载荷，以降低零件的工作载荷

（5）采用轻型薄璧冲压件或焊接件代替铸造、锻压件　

（6）采用强重比高的材料　

五、可靠性要求

零件的实效是随机发生的，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。

§2-6　机械零件的计算准则

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：

强度准则——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

刚度准则——确保零件不发生过大的弹性变形

寿命准则——通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关

振动稳定性准则——高速运转机械的设计应注重此项准则

可靠性准则——当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则

一、强度准则

强度准则是指零件中的应力不得超过许用值。

即：

σ≤σlim

σlim——材料的极限应力

对于：

脆性材料σlim=σB（强度极限）

塑性材料σlim=σS（屈服极限）

为了安全起见，引入安全系数S，得

σ≤σlim/S

或σ≤[σ]

其中[σ]——许用应力

S为大于1的数，S过大，虽安全但浪费材料；

S过小，虽节省材料，但趋于危险。

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：

y≤[y]

三、寿命准则

影响零件使用寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲劳。

前两者还没有成熟的计算方法，工程中通常是求出使用寿命时的疲劳极限作为计算的依据。

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，即要求：

0.85f>fp或1.15f

如果不满足条件，可采取如下措施：

（1）改变零件及系统刚性

（2）调整支承的位置

（3）增减支承

（4）隔离激振源　

（5）采用阻尼元件以减小零件的振幅

五、可靠性准则

可靠度的定义：

对件数为N0的一批零件进行试验，经过时间t之后有N件仍能正常工作，则该零件在该试验环境条件下工作时间t的可靠度定义为：

R=N/N0

若t↑→N↓→R↓――――R是时间的函数。

§2-7　机械零件的设计方法

机械零件的设计方法

1）常规设计方法

2）现代设计方法

1）常规设计方法

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。

（1）理论设计：

根据长期实践总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计。

（2）经验设计：

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、传动件的结构要素等。

（3）模型实验设计：

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设计是一种很有效的方法。

2）现代设计方法

现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。

（1）有限元法

（2）优化设计

（3）可靠性设计

（4）计算机辅助设计

§2-8　机械零件设计的一般步骤

1）根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。

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。

2）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。

3）根据零件的工作条件及对零件的特殊要求（如高温环境等）选择适当的材料。

4）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。

5）根据工艺性和标准化，进行零件的结构设计。

6）细节设计完成之后，必要时]进行详细的校核计算，以判定结构的合理性。

7）绘制零件工作图，并撰写计算说明书。

零件的设计流程图

§2-9　机械零件材料的选用原则

一、常用材料

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。

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进行全面考虑。

选材的一般原则

1）载荷及应力的大小和性质

（1）脆性材料——只适用于制造在静载荷下工作的零件；

（2）塑性材料——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，由于其回火温度的不同，可得到力学性能不同的毛坯。

2）零件的工作情况

（1）指零件所处的环境特点、工作温度、摩擦磨损程度等。

（2）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

（3）两配合零件的线膨胀系数不能相差过大（若相差过大一方面在，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能随温度而变化的情况）

（4）零件在工作中可能发生磨损的表面，应提高其表面硬度，增加耐磨性，因此应选择淬火钢、渗碳钢、氮化钢

3）零件的尺寸及重量

零件的尺寸及质量的大小与材料的品种及毛坯制取方法有关。

（1）用铸造材料制造毛坯时，一般可以不受尺寸及质量大小的限制

（2）而用锻造材料制造毛坯时，则须注意锻压机械及设备的生产能力

（3）应尽可能选用强重比大的材料，以便减小零件的尺寸和质量

4）零件的结构及加工性

5）材料的经济性

材料的经济性主要表现在以下几方面：

（1）材料本身的相对价格

（2）材料的加工费用

（3）材料的利用率

（4）采用组合结构

（5）节约稀有材料

6）材料的供应状况

（1）选材时还应考虑到当时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，应尽可能地减少同一部机器上使用的材料品种和规格。

（2）各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。

（3）为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量减少一台机器所用材料的品种。

§2-10机械零件设计中的标准化

定义：

标准化就是要通过对零件的尺寸、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。

标准化是组织社会化大生产的重要手段，是实施科学管理的基础，也是对产品设计的基本要求之一。

通过标准化的实施，以获得最佳的社会经济成效。

1）产品品种规格的系列化

将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。

2）零部件的通用化

将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现互换。

3）产品质量标准化

要保证产品质量合格和稳定，就必须做好设计、加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。

意义：

（1）制造上可以实现专业化大批量生产，既可提高产品质量，又能降低成本；

（2）设计方面可减少设计工作量；

（3）管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。

基本特征：

统一、简化。

标准层次：

国际标准、国家标准、行业标准、企业标准

代号为　ISO　　　GB　　JB、HB　　QB

标准性质

强制标准（GB）——必须强制执行；代号为GB××××（为标准序号）－××××（为批准年代）

强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。

推荐性标准（GB/T）——鼓励企业自愿采用。

代号为GB／T××××－××××，这类标准占整个国标中的绝大多数。

如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的效果。

作为设计人员，要求必须熟悉现行的相关标准，学会查询和使用标准资料。

无论设计何种产品，必须遵循相关标准。

§2-11机械现代设计方法简介

有限元

有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。

它是50年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。

有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下：

1）物体离散化

将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。

离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定（一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大）。

所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。

这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。

如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。

2）单元特性分析

A、选择位移模式

在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。

位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。

当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元总的一些物理量如位移，应变和应力等由节点位移来表示。

这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。

通常，有限元法我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。

这种函数称为位移模式或位移函数，如y=其中是待定系数，是与坐标有关的某种函数。

B、分析单元的力学性质

根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。

此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。

C、计算等效节点力

物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。

但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。

因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上得力。

3）单元组集

利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程

（1-1）

式中，K是整体结构的刚度矩阵；q是节点位移列阵；f是载荷列阵。

4）求解未知节点位移

解有限元方程式（1-1）得出位移。

这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。

通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是"一分一合"，分是为了就进行单元分析，合则为了对整体结构进行综合分析。

有限元的发展概况

  1943年courant在论文中取定义在三角形域上分片连续函数，利用最小势能原理研究St.Venant的扭转问题。

　1960年clough的平面弹性论文中用“有限元法”这个名称。

　1970年随着计算机和软件的发展，有限元发展起来。

　涉及的内容：

有限元所依据的理论，单元的划分原则，形状函数的选取及协调性。

有限元法涉及：

数值计算方法及其误差、收敛性和稳定性。

应用范围：

固体力学、流体力学、热传导、电磁学、声学、生物力学

求解的情况：

杆、梁、板、壳、块体等各类单元构成的弹性（线性和非线性）、弹塑性或塑性问题（包括静力和动力问题）。

能求解各类场分布问题（流体场、温度场、电磁场等的稳态和瞬态问题），水流管路、电路、润滑、噪声以及固体、流体、温度相互作用的问题。