页数：59页文件大小：1.43 MB来源： 机械设计ppt课件
本课件讲述机械零件设计概论，从机器的组成与设计机器的一般程序入手，说明对机器的主要要求、机械零件的主要失效形式与应满足的基本要求，并系统给出零件的计算准则、设计方法、材料选用原则与标准化要求。
第2章 机械零件设计概论：§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章机械零件设计概论
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
原动部分
设计机器的一般程序：设计问题的综合性一般而言，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。
设计机器：并没有一个固定不变的程序，须视具体情况而定，在此仅介绍较为典型的一般设计程序。计划阶段方案设计技术设计技术文件的编制信息反馈、修改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
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。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：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）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。
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、维护或其他所有与产品相关的文档资料。
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
经济性要求
提高设计制造经济性的途径：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。
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。
要使机器
机器的可靠度
其他专用要求
机械零件的失效：机械零件由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
机械零件失效实例：轮齿塑性变形齿轮轮齿折断轴承内圈破裂轴承外圈塑性变形
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%。这是主要失效原因。齿面接触疲劳轴瓦磨损
避免在预定寿命期内失效的要求
提高零件强度的措施
提高零件刚度的措施
抗腐蚀的措施
结构简单合理
经济性要求零件的经济性
减小质量的措施
机械零件的计算准则
强度准则：σ≤σlimσlim——材料的极限应力脆性材料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]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。
——许用应力二、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]
寿命准则影响零件
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↑R↓N↓——R是时间的函数。若在时间t+dt内，又有dN个零件失效，则dt内零件的失效的比率定义为——失效率“-”表示dN的增大将使N减少。
分离变量并积分得
即零件可靠度的另一个指标：是两次失效之间的平均无故障时间m（MTBF），m与λ的关系为M=1/λ
机械零件的设计方法：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。机械零件的设计方法常规设计方法现代设计方法理论设计经验设计模型实验设计(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。
受拉杆的强度计算：计算公式为σ≤σlim/S或F/A≤σlim/SF——拉力，A——截面积。设计计算A≥FS/σlim校核计算有四种可选方式σ=F/A≤[σ]F≤A[σ]Sca=σlim/σ≥Sσlim≥SσSca——计算安全系数
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。
机械零件的设计方法常规设计方法现代设计方法理论设计经验设计模型实验设计
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。机械零件的设计方法常规设计方法现代设计方法理论设计经验设计模型实验设计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。
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。优化设计可靠性设计计算机辅助设计机械零件的设计方法常规设计方法现代设计方法理论设计经验设计模型实验设计
机械零件设计的一般步骤：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。
机械零件设计的内容：和一般程序分析工作原理类型选择受力分析绘制零件图结果分析与结构设计失效分析建立计算准则选择材料和热处理方式理论设计计算机械零件设计的一般程序
机械零件设计的一般流程：写出计算说明书画出零件工作图校核计算计算零件上的载荷确定计算准则选择零件的材料确定零件的基本尺寸结构设计零件的设计流程图
黑色金属有色金属铸铁钢金属材料：常用材料低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)合金钢(1Cr18）……灰铸铁(TH300)球墨铸铁(QT500-5)……§2-9机械零件材料的选用原则铝合金(LY12)铜合金(ZCuSn10P1)铸铁——灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。
特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。
黑色金属有色金属铸铁钢金属材料：常用材料低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)合金钢(1Cr18）…灰铸铁(TH300)球墨铸铁(QT500-5)…§2-9机械零件材料的选用原则铝合金(LY12)铜合金(ZCuSn10P1)钢——低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢、结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、铸钢等。
特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。
表2-1 常用材料的相对价格
| 材料种类 | 规格 | 相对价格 |
|---|---|---|
| 热轧圆钢 | 碳素结构钢Q235（φ33~42） | 1 |
| 铸件 | 优质碳素钢（φ29~50） | 1.5~1.8 |
| 铸件 | 合金结构钢（φ29~50） | 1.7~2.5 |
| 铸件 | 滚动轴承钢（φ29~50） | 3 |
| 铸件 | 合金工具钢（φ29~50） | 3~20 |
| 铸件 | 4Cr9Si2耐热钢（φ29~50） | 5 |
| 铸件 | 灰铸铁 | 0.85 |
| 铸件 | 碳素钢 | 1.7 |
| 铸件 | 铜合金、铝合金 | 8~10 |
注：原文“材料种类”列仅首行标注“热轧圆钢”，其余各行的“铸件”按规格栏与原文版式归并推断，建议对照原课件图片核对。
优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。钢制零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。应用：应用范围极其广泛。表２-1常用材料的相对价格材料种类规格相对价格热轧圆刚碳素结构钢Q235（φ33~42）1铸件优质碳素钢（φ29~50）1.5~1.8合金结构钢（φ29~50）1.7~2.5滚动轴承钢（φ29~50）3合金工具钢（φ29~50）3~204Cr9Si2耐热钢（φ29~50）5灰铸铁铸件0.85碳素钢铸件1.7铜合金、铝合金铸件8~10价格便宜且供应充分我国资源丰富
为了充分发挥钢材的潜力：提高机械零件的工作能力，通常大多数钢制零件都要进行热处理。钢的热处理就是将钢在固态范围内以不同的形式加热、保温和冷却，从而改变材料的机械性能。常用热处理方法有；退火、正火、淬火、回火、表面热处理等。
1.退火退火是将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后工件随炉温缓慢冷却。退火可消除因锻造、焊接等产生的内应力，降低硬度以改善切削加工性能。2.正火正火与退火相似，只是在保温后以较快的速度冷却。
正火后钢的硬度和强度都有所提高，但消除内应力效果不如退火好。低碳钢大多采用正火代替退火。对于要求不太高的零件，常只采用正火来提高其力学性能，而不再进行其他热处理
淬火淬火是将钢加热到一定温度：保温一定时间，而后急速冷却。淬火后钢的硬度急剧增加，但存在很大的内应力，脆性也相应增加。淬火的主要目的是提高材料的硬度，以提高零件的耐磨性及疲劳强度等。
回火：回火回火是将淬火钢重新加热到一定温度，保温一段时间，然后冷却。根据加热温度不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。低温回火的加热温度为150~250ºC，淬火钢经低温回火后，可以减小内应力和脆性，保持淬火钢的高硬度和耐磨性，适用于刀具、量具、滚动轴承等。
中温回火的加热温度为300~450ºC，淬火后的工件经中温回火后，提高了弹性，减小了内应力和脆性，但硬度有所下降，适用于有弹性要求的零件，如弹簧等。高温回火的加热温度为450~650ºC，淬火工件经高温回火后，可以获得强度、硬度、塑性和韧性等都较好的综合力学性能，适用于各种重要的机械零件，如齿轮、轴、重要螺栓等。
习惯上把淬火后高温回火的热处理方法称为调质。
表面热处理：是强化零件表面的重要手段，常用的方法有表面淬火和化学热处理两种。表面淬火是将机械零件需要强化的表面迅速加热到淬火温度，随即快速将该表面冷却的热处理方法。化学热处理是将机械零件放在含有某种化学元素介质中加热保温，使该元素的活性原子渗入到零件表面的热处理方法。
它包含渗碳、氮化和氰化等。
黑色金属有色金属铸铁钢金属材料：低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)合金钢(1Cr18）…灰铸铁(TH300)球墨铸铁(QT500-5)…铝合金(LY12)铜合金(ZCuSn10P1)铜合金——铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍特点：具有良好的塑性和液态流动性。
青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。青铜黄铜轴承合金（巴氏合金）——含锡青铜、不含锡青铜
零件毛坯获取方法
载荷及应力的大小和性质
脆性材料：只适用于制造在静载荷下工作的零件；1.载荷及应力的大小和性质2.零件的工作情况指零件所处的环境特点、工作温度、摩擦磨损程度等。这方面的因素主要是从强度观点来考虑的，应在充分了解材料的机械性能的前提下来进行选择。
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。塑性材料——适用于在有冲击情况下工作的零件。
▲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
零件的尺寸及质量的大小与材料
材料的加工费用与供应状况
表2-2 常用钢铁材料的牌号及力学性能
| 类别 | 牌号 | 强度极限σB/MPa | 屈服极限σS/MPa | 延伸率/% | 试件尺寸/mm |
|---|---|---|---|---|---|
| 碳素结构钢 | Q215 | 335~410 | 215 | 31 | — |
| 碳素结构钢 | Q235 | 375~460 | 235 | 26 | d≤16 |
| 碳素结构钢 | Q275 | 490~610 | 275 | 20 | — |
| 优质碳素结构钢 | 20 | 410 | 245 | 25 | — |
| 优质碳素结构钢 | 35 | 530 | 315 | 20 | d≤25 |
| 优质碳素结构钢 | 45 | 600 | 355 | 16 | — |
| 合金结构钢 | 35SiMn | 883 | 735 | 15 | d≤25 |
| 合金结构钢 | 40Cr | 981 | 785 | 9 | d≤25 |
| 合金结构钢 | 20CrMnTi | 1079 | 834 | 10 | d≤15 |
| 合金结构钢 | 60Mn | 981 | 785 | 8 | d≤80 |
| 铸钢 | ZG270-500 | 500 | 270 | 18 | — |
| 铸钢 | ZG310-570 | 570 | 310 | 15 | d≤100 |
| 铸钢 | ZG42SiMn | 600 | 380 | 12 | — |
| 灰铸铁 | HT150 | 145 | — | — | 壁厚10~20 |
| 灰铸铁 | HT200 | 195 | — | — | 壁厚10~20 |
| 灰铸铁 | HT250 | 240 | — | — | 壁厚10~20 |
| 球墨铸铁 | QT400-15 | 400 | 250 | 15 | 壁厚30~200 |
| 球墨铸铁 | QT500-7 | 500 | 320 | 7 | 壁厚30~200 |
| 球墨铸铁 | QT600-3 | 600 | 370 | 3 | 壁厚30~200 |
注：类别与试件尺寸按牌号及原文标注位置归并，原文未标注的试件尺寸以“—”表示；灰铸铁原文未列屈服极限与延伸率。
的牌号及力学性能材料力学性能试件尺寸类别牌号强度极限σB屈服极限σS延伸率% mmQ215 335～410 215 31碳素结构钢Q235 375～460 235 26 d≤16Q275 490～610 275 2020 410 245 25优质碳素结构钢35 530 315 20 d≤2545 600 355 1635 SiMn 883 735 15 d≤25合金结构钢40Cr 981 785 9 d≤2520CrMnTi 1079 834 10 d≤1560Mn 981 785 8 d≤80ZG270-500 500 270 18铸钢ZG310-570 570 310 15 d≤100ZG42SiMn 600 380 12HT150 145——灰铸铁HT200 195——HT250 240——壁厚10～20QT400-15 400 250 15球墨铸铁QT500-7 500 320 7QT600-3 600 370 3壁厚30～200
机械零件设计中的标准化：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。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。
(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。
基本特征：统一、简化。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。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。标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准代号为ISOGBJB、HBQB推荐性标准（GB/T）——鼓励企业自愿采用。标准性质强制标准（GB）——必须强制执行；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。
强制性国家标准：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。推荐性国家标准：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。
机械现代设计方法
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