第一章機械設(shè)計基礎(chǔ)概論§1.1機械設(shè)計的基本要求§1.2機械設(shè)計一般過程§1.3機械零件的失效形式§1.4機械零件設(shè)計的基本準(zhǔn)則及步驟§1.5機械制造常用材料及選擇原則返回結(jié)束教學(xué)目的了解機械設(shè)計的內(nèi)容與步驟;

掌握機械零件常見失效形式、計算準(zhǔn)則及設(shè)計步驟。教學(xué)重點與難點機械零件失效形式、計算準(zhǔn)則、及設(shè)計步驟教學(xué)內(nèi)容§1.1機械設(shè)計的基本要求一、機器應(yīng)該滿足的基本要求1．使用性要求（實現(xiàn)預(yù)定的功能，滿足運動和動力性能的要求）（功能性要求）機器必須能夠保證在預(yù)定壽命期間內(nèi)，按照規(guī)定的技術(shù)條件順利而有效地實現(xiàn)全部預(yù)期職能的要求，不能失效。它是設(shè)計的最基本的出發(fā)點。這是依靠正確選擇機器的工作原理、機構(gòu)類型、機械傳動系統(tǒng)方案，以及正確設(shè)計零部件的機構(gòu)組合來保證。3．安全性要求

有三個含義：1）設(shè)備本身不因過載、失電以及其它偶然因素而損壞；2）切實保障操作者的人身安全（勞動保護(hù)性）；3）不會對環(huán)境造成破壞。勞動保護(hù)性有三個方面：1）提高操作安全性，在外露的旋轉(zhuǎn)部件應(yīng)添加安全罩，某些需要的地方需設(shè)立安全報警裝置，例如煤氣、鍋爐等；2）降低體力及腦力損耗，從操作力、過程的復(fù)雜程度、操縱數(shù)目等方面進(jìn)行考慮；例如在具有集中潤滑的大型設(shè)備中，采用聯(lián)鎖裝置;3）改善操作環(huán)境，增加操作的舒適性，例如乘座的振動、機器外觀的色彩搭配等等。4．工藝性要求這包含兩個方面1）裝配工藝性2）零件加工工藝性。在不影響工作性能的前提下，應(yīng)使機構(gòu)盡可能地簡化，力求用簡單的機構(gòu)裝置取代復(fù)雜的裝置去完成同樣的職能，便于拆裝，盡量使用標(biāo)準(zhǔn)件。零件的結(jié)構(gòu)合理，很好的處理設(shè)計與制造的矛盾，滿足加工制造的需要。5．可靠性要求隨著機械系統(tǒng)日益復(fù)雜化、大型化、自動化及集成化，要求機械系統(tǒng)在預(yù)定的環(huán)境條件下和壽命期限內(nèi)，具有保持正常工作狀態(tài)的性能，這就稱為可靠性。6．其它特殊要求針對某一具體的機器，都有一些特殊的要求。例如：飛機結(jié)構(gòu)重量要輕、食品等機械、紡織機械等不得對產(chǎn)品造成污染等。§1.2機械設(shè)計一般過程

機械設(shè)計過程一般包括四個階段，即：1）計劃階段；2）方案設(shè)計階段；3）技術(shù)設(shè)計階段；4）技術(shù)文件編制階段。1、計劃階段在實際工作中，我們知道有各種各樣的、用途各不相同的機器。但是，所有這些機器的設(shè)計過程都有一個共同的特點，即都是從提出設(shè)計任務(wù)開始的。而設(shè)計任務(wù)的提出主要是依據(jù)工作和生產(chǎn)的需要。

2、方案設(shè)計階段

設(shè)計部門和設(shè)計人員首先要認(rèn)真研究任務(wù)書，在全面明確上述要求后，在調(diào)查研究、分析資料的基礎(chǔ)上，擬訂設(shè)計計劃，按照下述的步驟進(jìn)行設(shè)計：（1）機器工作原理選擇;（2）機器的運動設(shè)計;（3）機器的動力設(shè)計（1）機器工作原理選擇工作原理是實現(xiàn)預(yù)期職能的基本依據(jù)。我們聽說過“條條道路通羅馬”的話，實現(xiàn)同樣的預(yù)期職能，可以采用不同的工作原理、方法和途徑。所以，在研制新機器時，應(yīng)結(jié)合具體情況提出多種不同的工作原理，通過全面分析比較，從中選擇最滿意的一種。例如采煤，可以使用風(fēng)鎬，也可以使用高壓水柱沖擊煤層開采，也可以采用割煤機進(jìn)行開采等。(2)機器的運動設(shè)計就是根據(jù)上一步確定的機器工作原理，確定機器執(zhí)行部分的運動規(guī)律。例如牛頭刨床，要求工作行程要慢、而返回行程要快。這一步主要依據(jù)我們前面所述的機械原理知識來完成。這里，必須同時考慮選擇適當(dāng)?shù)脑瓌訖C，妥善考慮和設(shè)計機械的傳動部分實現(xiàn)方法，并考慮運動參數(shù)調(diào)整的必要性于可能性。

（3）機器的動力設(shè)計根據(jù)機器的工作原理和運動設(shè)計結(jié)果，按照機器的總體性能要求，根據(jù)其運動特性、工作阻力、速度、傳動效率等，計算機器所需的驅(qū)動功率，進(jìn)行運動機的選擇。同時也要考慮調(diào)節(jié)于控制的必要性于可能性，也可以利用機械原理和電工學(xué)知識來完成。3、技術(shù)設(shè)計階段主要是依據(jù)原動機的特性和運轉(zhuǎn)特性或根據(jù)零部件的工作載荷進(jìn)行設(shè)計，一般采用前一種方法，選擇設(shè)計出各零部件。在工作原理確定之后的工作，就是將前面選定的設(shè)計方案通過必要的分析計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計，用圖面（裝配圖、零件圖等）及技術(shù)文件的形式來加以具體表示。包括：運動設(shè)計、動力分析、整體布局、零件結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、精度和其它參數(shù)的確定以及必要的強度和剛度計算等。反映在實際工作的成果——圖紙上，大體可以分為四個步驟：（三）零件設(shè)計階段：裝配圖只確定了機器的總體尺寸、各個零部件的相對位置及配合關(guān)系，而沒有反映出各個零件的全部尺寸、結(jié)構(gòu)等。零件設(shè)計階段就是把機器的所有零件（標(biāo)準(zhǔn)件除外）拆分出來，繪制成零件圖，為加工提供依據(jù)。（四）技術(shù)文件制定：完成圖紙滯后，必須完成一系列的技術(shù)文件，應(yīng)包括各種明細(xì)表、系統(tǒng)圖、設(shè)計說明書和使用說明書等。4、技術(shù)文件編制階段

技術(shù)文件的種類較多，常用的有：機器的設(shè)計計算說明書；機器使用說明書；標(biāo)準(zhǔn)件明細(xì)表；其它技術(shù)文件，如檢驗合格單、外購明細(xì)表、驗收條件等.一個完整的設(shè)計過程不但包含以上四個階段，還包括制造、裝配、試車、生產(chǎn)等所有環(huán)節(jié)，對圖紙和技術(shù)文件進(jìn)行完善和修改，直到定型投入正式生產(chǎn)的全過程。實際工作中，上述的幾個階段是交叉反復(fù)進(jìn)行的。隨著計算機輔助設(shè)計、計算機仿真技術(shù)、三維圖形技術(shù)以及虛擬裝配制造技術(shù)的迅速發(fā)展，機械設(shè)計方法有了極大的變革，借助這些技術(shù)我們可以極大地降低設(shè)計和試制成本，提高產(chǎn)品的競爭力?！?.3機械零件的失效形式

一、機械零件的失效

失效：機械零件喪失正常工作能力或達(dá)不到設(shè)計要求的性能時稱失效。二、機械零件常見的失效形式1、整體斷裂2、過大的殘余變形3、零件的表面破壞4、破壞正常工作條件引起的失效

a.強度要求

零件在工作時，在額定的工作條件下，既不發(fā)生任何形式的破壞，也不產(chǎn)生超過容許限度的殘余變形，能保證機器的正常運轉(zhuǎn)和工作，我們就認(rèn)為該零件滿足了強度要求。強度不足是零件在工作中斷裂或過量殘余變形的直接原因。在設(shè)計中，除了部分受力較小或形狀復(fù)雜無法計算的零件靠經(jīng)驗、實驗確定外，大多數(shù)重要零件都是利用強度條件式來校核的（材料力學(xué)中的相關(guān)強度理論）。若零件的強度不夠，就會出現(xiàn)整體斷裂，表面接觸疲勞或塑性變形等失效而喪失工作能力，所以設(shè)計零件時必須滿足強度要求。其設(shè)計準(zhǔn)則是：

其中: ——稱作計算應(yīng)力；[]——稱作許用抗拉應(yīng)力P——拉力載荷；F——面積尺寸；——極限應(yīng)力；S——安全系數(shù)其含義是：零件中的應(yīng)力應(yīng)當(dāng)小于或等于其許用應(yīng)力[]才能滿足強度要求。該公式由于是用來校核零件的初定剖面F是否滿足強度要求的，所以稱為校核公式。要注意的是：如果零件剖面上承受的載荷是剪載荷，分別可以用剪應(yīng)力和許用剪應(yīng)力[]等代入上面的式中進(jìn)行計算。<[]=可以看出：強度準(zhǔn)則就是把對零件起損傷作用的一方（例如載荷和應(yīng)力）與零件對損傷起抵抗作用的一方進(jìn)行比較來判斷零件強度的。通過上面的強度條件式，可以發(fā)現(xiàn)，提高零件強度的措施有：1）增大零件危險剖面的尺寸、合理設(shè)計剖面形狀，以增大剖面面積的慣性矩；2）采用高強度材料，對材料進(jìn)行提高強度及降低內(nèi)應(yīng)力的熱處理，控制加工工藝以減小或消除微觀缺陷等；3）力求降低零件上的載荷，例如減小軸的支承跨距以降低作用在其上的彎矩，采用減振結(jié)構(gòu)以降低沖擊載荷等；4）妥善設(shè)計零件結(jié)構(gòu)以降低應(yīng)力集中程度等。

提高零件整體剛度的原則措施有：1）適當(dāng)增加零件的剖面尺寸；2）合理設(shè)計零件的剖面形狀；3）合理添置加強筋，采用多支點結(jié)構(gòu)；4）提高零件接觸表面的加工精度或經(jīng)適度跑合，以降低表面粗糙度；5）適當(dāng)增加接觸面積，以降低單位壓力等。c.壽命要求

壽命要求就是要求零件在預(yù)定工作期間保持正常工作而不致報廢。主要是針對那些在變應(yīng)力下工作和工作時受到磨損或腐蝕的零件提出的。

提高零件壽命的措施主要有:1）妥善設(shè)計零件結(jié)構(gòu)以降低應(yīng)力集中程度；2）采用精加工或表面強化處理以提高零件工作表面的質(zhì)量；3）合理選擇摩擦副配對材料、潤滑劑與潤滑方法以提高零件抗磨損能力；4）選用耐腐蝕材料制造在腐蝕介質(zhì)中工作的零件；5）利用熱處理提高零件材料的機械性能或利用滾壓、噴丸等工藝使零件表面產(chǎn)生有利的殘余預(yù)應(yīng)力等等。

d.振動性和噪聲要求隨著機械向高速發(fā)展和人們對環(huán)境舒適性要求的提高，對機械振動和噪聲的要求也越來越高。當(dāng)機械或零件的固有振動頻率等于或接近受激振源作用所引起的強迫振動頻率時，將產(chǎn)生共振。這不但影響機器的正常工作，甚至?xí)斐善茐男允鹿?。因此，對于高速機械應(yīng)該進(jìn)行振動分析和計算，采取降低振動和噪聲的措施。具體來說，并不是每一類型的零件都需要進(jìn)行所有上述的計算，而是從實際載荷的工作條件出發(fā)，分析其主要的失效形式，再確定其計算準(zhǔn)則，必要時再按其它要求進(jìn)行校核。例如，機床主軸，首先根據(jù)剛度確定尺寸，再校核其強度、振動穩(wěn)定性。

3）經(jīng)濟(jì)性要求零件的經(jīng)濟(jì)性要求就是要用最低的成本和最少的工時制造出滿足技術(shù)要求的零件。我們在進(jìn)行設(shè)計時，必須時刻牢記，要從降低材料消耗、盡可能利用廉價材料代替昂貴的材料、盡可能多使用標(biāo)準(zhǔn)件等等方面入手，努力提高經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

4）可靠性零件可靠性的概念與機械系統(tǒng)可靠性相似，并且用零件的可靠度來衡量。零件可靠度定義為：在預(yù)定的環(huán)境條件下和使用時間（壽命）內(nèi)，零件能夠正常工作而不會失效的概率（可能性）。5）標(biāo)準(zhǔn)化機械設(shè)計中的標(biāo)準(zhǔn)化是指對零件的特征參數(shù)及其結(jié)構(gòu)尺寸、檢驗方法和制圖的規(guī)范化要求。機械零件設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)分為國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）、部頒標(biāo)準(zhǔn)（如JB、YB等）和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等三級，這些標(biāo)準(zhǔn)（特別是國家和有關(guān)部頒標(biāo)準(zhǔn)）是在機械設(shè)計中必須嚴(yán)格遵守的。此外，進(jìn)出口產(chǎn)品一般還應(yīng)符合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）。習(xí)慣上，又把零件的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化稱作“三化”。這是縮短產(chǎn)品設(shè)計周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量合生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的重要途徑。a）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：這類鋼按供應(yīng)條件分主要有甲、乙兩類，機械制造中則使用甲類。供應(yīng)時只按機械性能，使用時不作熱處理，主要用于制造一般機械零件和工程結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。b）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：具有較好的機械性能，可以使用熱處理在較大范圍內(nèi)提高機械性能，應(yīng)用最為廣泛。常用于制造要求較高的螺栓、扳手、齒輪、凸輪等。c）合金結(jié)構(gòu)鋼：由于碳素結(jié)構(gòu)鋼在某些特殊的地方無法使用、或由于其綜合機械性能不能令人滿意，不能滿足一些特殊的需要，這時就需要使用合金結(jié)構(gòu)鋼。注意：合金鋼必須進(jìn)行合適的熱處理，才能充分發(fā)揮其作用。d）鑄鋼主要用在零件形狀比較復(fù)雜、強度要求較高的零件制作。對于碳素鋼而言，含碳量高則強度、硬度較高，但是塑性隨之降低。對于高碳鋼，其熱處理更需嚴(yán)格控制。2）鑄鐵鑄鐵是含碳量高（>2%）的鐵碳合金。其碳大部分以石墨的形式存在于組織中，所以，一般情況下其強度、韌性及硬度較低。但由于石墨的存在，其耐磨性較好，同時具有良好的減振性能，而且價格低廉。鑄鐵也有多種，但工程上常用的主要是灰鑄鐵和球墨鑄鐵?；诣T鐵主要用來制造機座類零件和其它一些常見的不重要零件。球墨鑄鐵由于石墨經(jīng)過處理，成為球狀，使得其機械性能得到極大的提高，在很多場合下成功地取代了某些碳素鋼及合金鋼。其典型的使用例如發(fā)動機的曲軸

3）銅合金在機械中，各部分的聯(lián)接是靠運動副實現(xiàn)的。而在運動副中，為了提高結(jié)構(gòu)的可靠性、耐磨性、降低成本（維修）等原因，大量使用襯套、或軸瓦等零件。而這些零件的材料大多是銅合金。銅合金主要有：銅鋅合金、含錫青銅、無錫青銅。2、非金屬材料非金屬材料的種類繁多，在工程上也發(fā)揮著重要的作用。例如橡膠密封墊、傳動帶、樹脂材料制作摩擦片、塑料手柄等等。二、材料選擇原則

通過前面的介紹，可以了解到：同一個零件可以用多種材料制作，并且可以實現(xiàn)同樣的預(yù)期職能。那么，這時判別材料的選擇是否合理就取決于除功能以外的一些因素，例如經(jīng)濟(jì)性要求。所以為了準(zhǔn)確理解材料選擇的基本原則，我們必須首先了解實際工作中，選擇材料時應(yīng)該考慮那些影響因素。這實際上就是前面有關(guān)內(nèi)容的總結(jié)1．功能、使用方面的因素1）零件的受力大小和性質(zhì)、應(yīng)力的大小、性質(zhì)、分布情況；2）零件的工作情況（工作特點、環(huán)境等）；3）零件的重要性，例如農(nóng)用車和航天飛機比較、農(nóng)用車中變速箱齒輪和操縱手球比較等等；4）安裝部位對零件尺寸和質(zhì)量的限制，例如