机械设计(部分)

东成西就

第一章  机械设计概论
（一）教学要求
了解机械设计一般步骤和方法，掌握机械零件常见失效形式和计算准则
（二）教学的重点与难点
失效形式和计算准则
（三）教学内容
§1—1  机械设计课程的性质与任务
一、本课程的研究对象
机械系统-主体  机架 零件
电气系统       各种机构  部件                通用零件
机器（机械）                                  机械零件
液压气动系统             构件零件            专用零件
控制监测系统

          标准零件
机械零件            ，“三化”一系列化、标准化、通用化—三化程度是衡量产品优劣的
          非标准件                                                     重要指标
机械设计：是为了机器的某些特定功能要求而进行的创造性工作。
本课程的研究对象：为一般参数的通用零件的设计理论与设计方法
本课程的性质：是以一般通用零件的设计计算为核心的设计性课程，是一门设计性、综合性和实践性都很强的技术基础课。
             见教材
本课程的任务：1）树立正确的设计思想
2）掌握通用机械零部件的设计原理、方法和一般规律。
3）掌握一定的设计技能（查阅资料，运用标准、规范。）
4）掌握典型机械零件的实验方法，获得基本的实验技能。
5）了解机械设计的最新动态。
学习本课程的注意事项：1）注意理论联系实际，将机械零件的设计放到整个机械系统中加以考虑。
2）注意掌握零部件的共性
3）掌握机械零部件设计的一般思路
§1—2  机械设计的基本要求及设计程序
一、机械设计的基本要求
1、对机械设计的要求
a) 对机器使用功能方面的要求    要注意协调、平衡！
b) 对机器经济性的要求  设计经济性，
                       使用经济性   要有最佳的性能价格比
2、对机械零件设计的基本要求
a) 在预定工作期限内正常、可靠地工作，保证机器的各种功能
b) 要尽量降低零件的生产、制造成本
对机器的设计要求和对机械零件的要求、两者相互联系、相互影响
二、机械设计的一般程序
1、机器设计的一般程序，如表1-1




   设计任务书       定出最佳方案     装配图零件图      样机评价      考核工艺性   产品
                                     及其它技术文件      改进        收集用户意见  销售

对具体的机器，其设计程序可能各不相同。
2、机械零件设计的一般步骤
1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷 —名义载荷（公称载荷、额定载荷）                                            K——载荷系数
2）选择零件的类型与结构
3）选择零件的材料
4）按可能的失效形式确定零件的计算准则，并确定零件的基本尺寸，并加于标准化和圆整
5）零件的结构设计
6）绘制零件的工作图，并编写计算说明书。
                设计计算
机械零件计算                交替进行
                校核计算
§1—3  机械零件的主要失效形式和设计计算准则
一、机械零件的失效形式
失效：（定义）零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能时，称为失效
失效形式       强度失效    整体强度
               刚度失效    表面强度
               磨损失效
               振动、噪声失效
               精度失效
               可靠性
二、机械零件的计算准则
工作能力：零件不发生失效时的安全工作限度称为~
计算准则：以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件工作能力计算依据的基本原则，称为~
1、强度准则            
——极限应力     ——计算安全系数   ——静强度
2、刚度准则
刚度：零件在载荷作用下抵抗变形的能力
按强性力学或材料力学方法计算
  
变形量   许用变形量
y——可以是挠度、偏转角或扭转角
3、耐磨性准则
耐磨性——是指作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力
磨损的后果：表面形状破坏，强度削弱、精度下降、振动、噪音→破坏
            80%零件失效的基本原因是磨损。
准则：
4、振动和噪声准则（环保）——高速机械或对噪声有特别要求的机械振动是噪声产生的原因
要求机械振动频率 远离机械的固有频率，特别是一阶固有频率f，即

如不满足可采取的措施：1）改变机械及零件的刚度；2）采取减振措施
5、热平衡准则
温升过度→润滑失效→磨损、胶合→失效
准则：       ——温升
不满足时措施：1）改进润滑；2）冷却
6、可靠性准则
可靠性表示系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力
指标：可靠度     表示零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率
N个相同零件在同样条件下工作（同时），在规定的时间内有 个失效，剩下 个仍继续工作，则
不可靠度（失效概率）：

n个零件组成的串联系统，单个零件的可靠度分别为R1、R2，…，Rn，则系统的可靠度为Rf=R1、R2…Rn
并联系统，如图，其可靠度
R=1-(1-R1)(1-R2)…（1-Rn）
∴对可靠性要求较高的系统与机械要求进行可靠性设计，而机械零件可靠性水平的高低，直接影响到机械系统的可靠性，另外高可靠性的系统一般要有一些备用系统，并经常维护，保养。
§1—4  机械零件常用的材料及其选择原则
一、机械零件的常用材料
1、黑色金属
铸铁：灰~——良好的切削加工性和减震性，常用作机座和机架
      球墨~——强度高、耐磨性好，减震性，抗冲击→曲轴、齿轮
      可锻铸铁——马口铁，强度和塑性较高，当零件尺寸小，形状复杂，而不能用铸钢或锻钢制造时
铸钢——铸造性比铸铁差，但比锻钢和轧制钢好，用于重载零件铸造。
        强度性比铸铁好，但比锻钢和轧制钢差（组织没那么致密）
铸钢：碳素铸钢；低合金铸钢；中合金铸钢；高合金铸钢
碳钢与合金钢——应用最广泛
碳钢：普通~；优质~（化学成份比较稳定）
2、有色金属——有减摩、抗腐蚀、耐热性、电磁性等较好
a) 铝合金——重量轻、导热导电性较好、塑性好、抗氧化性好
高强度铝合金强度可与碳素钢相近，可作承载零件，在飞机、汽车及其他行走机械上有广泛应用。
b) 铜合金——耐磨、耐腐蚀和自润滑性：  黄铜——Cu与Zn合金
                                       青铜——Cu与Sn的合金
                                       无锡青铜——Cu与铝、硅、锰、镍的合金。
其他合金（镁合金、钛合金、轴承合金等）
3、非金属材料  
橡胶——弹性、绝缘性好，常用作弹性元件和密封元件、减震元件
塑料——轻、易加工成形、减摩性好，强度低，可作为普通机械零件、绝缘体
陶瓷——电热性好，硬度高
4、复合材料
二、机械零件材料选用的原则
要考虑三个方面的要求
1、使用要求（首要考虑）：
1）零件的工况；2）对零件尺寸和质量的限制；3）零件的重要程度
2、工艺要求：1）毛坯制造；2）机械加工；3）热处理
3、经济性要求：
1）材料价格；2）加工批量和加工费用；3）材料的利用率；4）局部品质原则
5）替代（尽量用廉价材料来代替价格相对昂贵的稀有材料）。
另外，还要考虑当地材料的供应情况
§1—5  机械设计的最新进展
1、设计理论的不断完善与发展
2、设计手段和方法的不断更新
3、机械设计的综合程度越来越高，与其它学科交叉越来越广泛和深入——机电一体化
4、机械设计的实验研究技术有了很大的发展和提高，实验与理论相互促进