第二章 机械设计总论

§2-3
二、 经济性要求： 经济性要求：
对机器的主要要求
一、使用功能的要求：要满足预期的使用要求 使用功能的要求：
1）设计制造经济性——成本低 设计制造经济性——成本低
最大限度地采用标准化 系列化及通用化的零 部件。 最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零、部件。 标准化、 的零、 采用现代设计方法，使设计参数最优化。 采用现代设计方法，使设计参数最优化。 尽可能采用新技术、新工艺、新结构和新材料。 尽可能采用新技术、新工艺、新结构和新材料。 改善零件的结构工艺性，使其用料少、易加工、易装配。 改善零件的结构工艺性，使其用料少、易加工、易装配。
失 共振 胶合 效 (打滑) 打滑) (脱链) 脱链)
零件本身的 固有频率与 激振源的频 率重合或成 整数倍关系
摩擦功在接触 表面间产生瞬 时高温, 时高温,将表面 油膜破坏， 油膜破坏 ， 使 得接触表面间 材料微观熔化 后粘焊现象
带传动中由于 过载导致带与 轮之间发生全 面相对滑动的 现 象
链传动中由于 铰链销轴磨损 导致链节距过 长产生脱链的 现 象
机器可靠性的高低是用可靠度来衡量的。机器的可靠度R， 机器可靠性的高低是用可靠度来衡量的 。 机器的可靠度 ， 是指在规定的使用 时间内和预定的环境条件下机器能够正常工作的概率。机器不能正常工作， 时间内和预定的环境条件下机器能够正常工作的概率。 机器不能正常工作，即机器 由于某种故障而不能完成其预定的功能叫做失效。 由于某种故障而不能完成其预定的功能叫做失效。失效和正常工作是相互独立的一 对互斥事件。因此机器失效的概率F应当为 应当为： 对互斥事件。因此机器失效的概率 应当为：F=1-R。机器的可靠性也是机器的一种 。 固有属性。作为机器的设计者，当然对机器的可靠性能起到决定性的作用。 固有属性。作为机器的设计者，当然对机器的可靠性能起到决定性的作用。
2）使用经济性——高生产率高效率、低消耗低维护和管理费用 使用经济性——高生产率高效率 高生产率高效率、
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。 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。 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。 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。 适当地采用防护及润滑，以延长机器的使用寿命。 适当地采用防护及润滑，以延长机器的使用寿命。 采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象。 采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象。
同一种零件会有多种失效形式！ 同一种零件会有多种失效形式！

1.整体断裂 1.整体断裂 —— 拉、压、弯、扭等体积应力产生
由于某一危险截面上的应力超过零件的强度极限而发生的 （静强度）断裂，或者零件在受变应力作用时，危险截面上发 静强度）断裂，或者零件在受变应力作用时， 疲劳断裂。 生的疲劳断裂 生的疲劳断裂。
三、劳动保护要求： 劳动保护要求：
1）机器的操作要方便、安全。 ）机器的操作要方便、安全。
设计时要按照人机工程学观点布置各种按钮、手柄， 设计时要按照人机工程学观点布置各种按钮 、 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。 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。
五、其它专用要求： 其它专用要求：
对不同的机器，有其特殊要求。例如：对机床有长期保持精度的要求； 对不同的机器，有其特殊要求。例如：对机床有长期保持精度的要求；对飞机有质 量小，飞行阻力小而运载能力大的要求； 量小，飞行阻力小而运载能力大的要求；对流动使用的机器有便于安装和拆卸的要 对大型机器有便于运输的要求等等。 求；对大型机器有便于运输的要求等等。
2）改善操作者及机器的环境。 ）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， 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，对废气和废液进行治理。 止有毒、有害介质的渗漏，对废气和废液进行治理。
四、可靠性要求： 可靠性要求：
滚动轴承内圈疲劳断裂 齿轮轮齿疲劳断裂
轴的整体扭转疲劳断裂
2. 变形
弹性变形 塑性变形——当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限， 塑性变形——当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件
将产生不可恢复的塑性永久变形。 将产生不可恢复的塑性永久变形。
从动齿轮的齿面塑变
轮齿的齿体塑变
3.零件表面的破坏 3.零件表面的破坏—— 高副接触的Hertz应力产生 零件表面的破坏—— 高副接触的Hertz应力产生
y ≤ [ y ] ; θ ≤ [θ ]
σH ≤ σHr S ; N ≥ [N]
IV ≤ [IV ] ; hmin ≥ [hmin]
σ ≤σS S
T ≤ [T ] ; σ t ≤ [σ t ]
Fe ≤ [Fe ]
v ≤ [v]
§2-7 机械零件的设计方法
一、常规设计
1.理论设计： 1.理论设计： 理论设计
改进与发展
机械设计的内容
失效分析
结果分析与设计
建立计算准则
建立模型
§2-2
计划阶段
设计机器的一般程序
可行性报告设计任务书 原理方案图 总装图、部装图、零件图 总装图、部装图、 技术说明书、使用说明书、 技术说明书、使用说明书、 标准件明细表
方案设计阶段 技术设计阶段 技术文件编制阶段
试制、批量生产、 试制、批量生产、销售
1.机加工零件的工艺性 1.机加工零件的工艺性
1）要能加工 2）便于加工 减小辅助时间（减 少装夹和换刀） 少装夹和换刀 ） ， 减少 机动时间。 机动时间。 3）保证精度 越程槽 ， 减少变 形 ， 减少装夹。 减少装夹。 4）提高刀具寿命 退刀槽， 避免钻斜孔、 退刀槽 ， 避免钻斜孔 、 深孔和盲孔。 深孔和盲孔。
二、经济性要求——可采用标准化的零、部件，简化零件结构。 经济性要求——可采用标准化的零、部件，简化零件结构。 小质量要求——节约材料，减小惯性。 三、小质量要求——节约材料，减小惯性。 四、可靠性要求 五、结构工艺性要求
良好的工艺性 —— 便于加工，便于装拆，便于使用、维护。 便于加工，便于装拆，便于使用、维护。
3.碳氮共渗 亦称氰化，目的同上。现在应用不多。 3.碳氮共渗 亦称氰化，目的同上。现在应用不多。 4.渗氮 热处理温度低，表面硬度大于渗碳淬火， 4.渗氮 热处理温度低，表面硬度大于渗碳淬火，适于硬化后不磨削
的零件，不耐冲击。 的零件，不耐冲击。
5.调质 淬火后高温回火；综合机械性能较好，也便于切削。最常用 5.调质 淬火后高温回火；综合机械性能较好，也便于切削。
1）校核计算： 校核计算： 2）设计计算： 设计计算：
σ=
F ≤ [σ ] A
F
A≥
2.经验设计： 2.经验设计： 经验设计 3.模型实验设计： 3.模型实验设计： 模型实验设计
[σ ]
F
F
二、现代设计方法
1.优化设计 优化设计 2.计算机辅助设计 计算机辅助设计(CAD) 计算机辅助设计 3.可靠性设计 可靠性设计 4.虚拟设计 虚拟设计——虚拟样机 虚拟样机——分析、实验、修改、定型 分析、 虚拟设计 虚拟样机 分析 实验、修改、定型——产品制造 产品制造 5.网络协同设计 网络协同设计 6.绿色设计 绿色设计
§2-8
类型选择 受力分析 选择材料
机械零件的设计步骤
确定失效分析、建立计算准则 确定失效分析、 确定基本尺寸 结构设计（工艺性、标准化） 结构设计（工艺性、标准化） 校核计算
N
合理? 合理?
Y
画零件图、写说明书 画零件图、
§2-9 常用材料及其选择
一、常用材料
性脆、不能碾压或锻造；易熔、液态流动性好；减震性、 1. 铸铁 性脆、不能碾压或锻造；易熔、液态流动性好；减震性、耐磨 性好；广泛用作机架等复杂零件。 分为灰铁、 球铁、蠕铁、 性好 ； 广泛用作机架等复杂零件 。 分为灰铁 、 球铁 、 蠕铁 、 可锻铸铁、合金铸铁等。 可锻铸铁、合金铸铁等。 有较好的机械、热处理和切削性能；分为碳钢和合金钢， 2. 钢 有较好的机械、热处理和切削性能；分为碳钢和合金钢，含碳量 有高、中 、 低之分；一般含碳量↑强度、硬度↑塑性、韧性↓ ， 有高、 低之分； 一般含碳量↑ 强度、 硬度↑ 塑性、 韧性↓ 可通过热处理改善性能；常用中碳钢、 中碳合金钢。 可通过热处理改善性能；常用中碳钢、 中碳合金钢。 强度、切削性优于铸铁，易熔性、流动性较铸铁差， 3. 铸钢 强度、切削性优于铸铁，易熔性、流动性较铸铁差，适合作大 尺寸零件。 尺寸零件。 铝合金强密比高，宜作高速、轻质零件，多用铸铝； 4. 有色金属 铝合金强密比高，宜作高速、轻质零件，多用铸铝；铜合 金导热、导电性好，减摩、耐磨、抗胶合性能好， 金导热、导电性好，减摩、耐磨、抗胶合性能好，宜作电 器接插件、轴瓦、蜗轮等；轴承合金专门用来做轴承。 器接插件、轴瓦、蜗轮等；轴承合金专门用来做轴承。
5. 非金属
橡胶宜做密封件、缓冲减震件、传动带等； 橡胶宜做密封件、缓冲减震件、传动带等；塑料一般用作 减摩材料或复杂轻载件。 减摩材料或复杂轻载件。
二、常用热处理方法
加热至临界温度，保温，急冷。提高硬度、耐磨性。 1.淬火 加热至临界温度，保温，急冷。提高硬度、耐磨性。以表面 淬火常用。 淬火常用。 渗碳然后淬火。使零件外硬内韧，耐磨、耐冲击。 2.渗碳淬火 渗碳然后淬火。使零件外硬内韧，耐磨、耐冲击。
零件表面的破坏 压溃 接触疲劳 磨损 腐蚀
发生在金属 表面的一种 电化学或化 学侵蚀现象
高副接触应 力超过其静 强度极限
受到接触变应 力长期作用的 表面产生裂纹 或微粒剥落的 现 象
两个接触表面 在作相对运动 的过程中表面 物质丧失或转 移 的 现 象