第2章机械零件设计总论

§2-1机器的组成§2-2设计机器的一般程序§2-3对机器的主要要求§2-4机械零件的主要失效形式§2-5设计机械零件时应满足的基本要求§2-6机械零件的计算准则§2-7机械零件的设计方法§2-8机械零件设计的一般步骤§2-9机械零件材料的选用原则§2-10机械零件设计中的标准化§2-11机械现代设计方法简介第2章机械设计总论潘存云教授研制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：原动机部分传动部分执行部分润滑、显示、照明等辅助部分控制系统传感器传感器传感器§2-1机器的组成原动部分－机器完成预定功能的动力源，最常见的是内燃机、电动机。执行部分－完成预定的动作，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。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§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。•技术任务书或技术建议书•这是设计单位向上级或需方提出的计划任务书或技术协议书，经上级批准或需方同意后，作为产品技术设计的依据。•该文件包括：设计理由及依据：产品用途及使用范围：主要技术规格；产品整体布局草图，传动系统图和原理图，结构概述，标准化综合要求和方案论证，先行试验结果，发展新产品的基本条件（生产技术及经济条件），新产品预期达到的性能目标，质量指标及用户要求，（包括精度、质量、生产率、价格、使用性、可靠性、重量、体积、外观、能源消耗、噪声、寿命、环境保护要求等）新产品制造工艺性和主要配套件，外协件供应可能性分析，采用国内外技术集成的可能性和条件等。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。潘存云教授研制方案评价原则：经济性、技术上可行。总费用设计制造费用使用费用费用复杂程度经济性----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。同类机器的成功的先例应当借鉴，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。一味求新而把合理的原有经验弃置不用保守和照搬原有设计坚决反对三、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2）机器的动力学设计3）零件的工作能力设计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）。计算构件所受公称载荷（名义载荷）的大小和特性。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。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设计说明书使用说明书零件明细表标准件汇总表产品验收条件………….技术文件----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。•机械产品计算书•计算书是对机械产品的性能，主要结构、系统等方面的理论计算的文件•内容包括：计算目的、采用的计算方法、公式来源和公式符号说明，计算过程及结果等。•技术经济分析报告•技术经济分析报告是运用价值分析方法分析机械产品及组成部分在技术经济上的合理性文件•内容包括：研究确定对机械产品的性能，质量及成本费用有较大的影响的主要零部件，同类型产品相应零部件的技术经济分析比较，运用价值分析方法，从成本与功能相互关系，分析产品达到技术先进和经济合理的结构方案，预计达到的经济指标。•机器的使用说明书•使用说明书供用户了解产品，正确吊运，安装，调整，使用和维修产品的文件•内容包括：型号，名称，外形尺寸（外形图）用途和实用范围，主要规格及技术参数，主要结构及工作原理，吊运安装和调整安装图，操作与使用，维修，保养及故障排除，产品附件，备件的图样代号，名称，并附有易损件图和标明各件在产品上位置的示意图等。•标准化审查报告•标准化审查报告是对机械产品设计全过程贯彻执行标准情况的审查意见而编制的文件。•内容包括：产品种类，主要用途和生产批量。产品图样设计文件的质量及完整性。产品标准化系数。预测标准化经济效果。产品基本参数及性能指标符合产品标准情况、贯彻各类标准情况以及未贯彻原因。对机械新产品标准化情况的综合评价。标准化审查的结论性意见。潘存云教授研制潘存云教授研制技术设计方案设计计划提出任务分析对机器的要求确定任务要求机器功能分析提出可能的解决办法组合几种可能的方案决策----选定方案明确构形要求结构化选择材料、确定尺寸零件设计编制技术文件评价决策—确定结构形状与尺寸评价部件设计总体设计机器设计的一般流程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：▲使用功能要求§2-3对机器的主要要求使用功能要求----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。----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。具体要求如下：▲经济性要求▲劳动保护要求▲可靠性要求▲其它专用要求经济性要求----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。▲使用功能要求▲经济性要求▲劳动保护要求▲可靠性要求▲其它专用要求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。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。提高使用经济性指标的主要途径有: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。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。▲使用功能要求▲经济性要求▲劳动保护要求▲可靠性要求▲其它专用要求机器的可靠度----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。▲使用功能要求▲经济性要求▲劳动保护要求▲可靠性要求▲其它专用要求其它专用要求----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。▲使用功能要求▲经济性要求▲劳动保护要求▲可靠性要求▲其它专用要求机械零件的失效：机械零件曲于某种原因不能正常工作时，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。例如：发生强烈的振动；联接的松弛;摩擦传动的打滑等。§2-4机械零件的主要失效形式整体断裂;过大的残余变形;工作表面的过度磨损或损伤;破坏正常的工作条件;零件的失效形式如轴、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机械零件失效的实例：潘存云教授研制轮齿塑性变形潘存云教授研制齿轮轮齿折断潘存云教授研制轴承内圈破裂潘存云教授研制轴承外圈塑性变形失效原因: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%。--主要失效原因。潘存云教授研制齿面接触疲劳潘存云教授研制轴瓦磨损▲避免在预定寿命期内失效的要求▲结构工艺性要求▲经济性要求▲质量小的要求▲可靠性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：应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。§2-5设计机械零件时应满足的基本要求一、避免在预定寿命期内失效的要求提高零件强度的措施有：▲采用高强度的材料；▲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；▲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；▲合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷。1.强度要求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：▲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。3.寿命要求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的主要原因。影响疲劳强度的因素有：疲劳破坏腐蚀磨损▲应力集中；▲零件的尺寸大小；▲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。抗腐蚀的措施有：▲表面发兰（发黑）；▲表面镀层；▲表面涂漆；▲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。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。2)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；▲尽量减少加工面数和加工面积；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。▲尽量采用标准件；▲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。▲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；▲采用廉价而充足的材料代替昂贵材料；