第一章 机械设计概论

第一章 机械设计基础概论§1.1 机械设计的基本要求 §1.2 机械设计一般过程 §1.3机械零件的失效形式 §1.4机械零件设计的基本准则及步骤 §1.5机械制造常用材料及选择原则返回新余高等专科学校 结束 作者 朱双霞副教授

第一章 机械设计概论

教学目的

了解机械设计的内容与步骤; 掌握机械零件常见失效形式、计算准则 及设计步骤。 教学重点与难点

机械零件失效形式、计算准则、及 设计步骤 教学内容新余高等专科学校 作者 朱双霞副教授

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§1.1 机械设计的基本要求一、机器应该满足的基本要求 1.使用性要求(实现预定的功能，满足运动和 动力性能的要求)(功能性要求) 机器必须能够保证在预定寿命期间内，按照 规定的技术条件顺利而有效地实现全部预期职能 的要求，不能失效。它是设计的最基本的出发点。 这是依靠正确选择机器的工作原理、机构类型、 机械传动系统方案，以及正确设计零部件的机构 组合来保证。新余高等专科学校 作者 朱双霞副教授

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2.经济性要求 这是一个综合性指标，表现在设计制 造和使用两个方面。提高设计制造的经济性 的途径有三条：1)使产品系列化、标准化、 通用化；2)运用现代化设计制造方法；3) 科学管理。 提高使用经济性的途径有四条：1)提 高机械化、自动化水平；2)提高机械效率； 3)延长使用寿命；4)防止无意义的损耗。新余高等专科学校 作者 朱双霞副教授

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3.安全性要求有三个含义：1)设备本身不因过载、失电 以及其它偶然因素而损坏；2)切实保障操作者的 人身安全(劳动保护性);3)不会对环境造成破 坏。 劳动保护性有三个方面：1)提高操作安全 性，在外露的旋转部件应添加安全罩，某些需要 的地方需设立安全报警装臵，例如煤气、锅炉等； 2)降低体力及脑力损耗，从操作力、过程的复杂 程度、操纵数目等方面进行考虑；例如在具有集 中润滑的大型设备中，采用联锁装臵; 3)改善操 作环境，增加操作的舒适性，例如乘座的振动、 机器外观的色彩搭配等等。 新余高等专科学校 作者 朱双霞副教授

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4.工艺性要求这包含两个方面1)装配工艺性2)零件加工工艺性。 在不影响工作性能的前提下，应使机构尽可能地简化， 力求用简单的机构装臵取代复杂的装臵去完成同样的职 能，便于拆装，尽量使用标准件。零件的结构合理，很 好的处理设计与制造的矛盾，满足加工制造的需要。

5.可靠性要求随着机械系统日益复杂化、大型化、自动化及集成 化，要求机械系统在预定的环境条件下和寿命期限内， 具有保持正常工作状态的性能，这就称为可靠性。

6.其它特殊要求

针对某一具体的机器，都有一些特殊的要求。例如： 飞机结构重量要轻、食品等机械、纺织机械等不得对产 品造成污染等。新余高等专科学校 作者 朱双霞副教授

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§1.2 机械设计一般过程机械设计过程一般包括四个阶段，即：1) 计划阶段；2)方案设计阶段；3)技术设计阶 段；4)技术文件编制阶段。

1、计划阶段在实际工作中，我们知道有各种各样的、 用途各不相同的机器。但是，所有这些机器的 设计过程都有一个共同的特点，即都是从提出 设计任务开始的。而设计任务的提出主要是依 据工作和生产的需要。新余高等专科学校 作者 朱双霞副教授

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设计任务一般是以任务书的形式下达 的，其中明确规定有：机器的用途、主要 性能参数范围、工作环境条件、特殊要求、 生产批量、预期成本、完成期限、承制单 位等内容。一般是由主管单位、用户提出。 对这些要求及条件一般也只能给出一 个合理的范围，而不是准确的数字。例如 可以用必须达到的要求、最低要求、希望 达到的要求等方式予以确定。新余高等专科学校 作者 朱双霞副教授

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2、方案设计阶段设计部门和设计人员首先要认真研究任务书，在 全面明确上述要求后，在调查研究、分析资料的基础上， 拟订设计计划，按照下述的步骤进行设计：(1)机器 工作原理选择; (2)机器的运动设计; (3)机器的动 力设计 (1)机器工作原理选择 工作原理是实现预期职能的基本依据。我们听说过 “条条道路通罗马”的话，实现同样的预期职能，可以 采用不同的工作原理、方法和途径。所以，在研制新机 器时，应结合具体情况提出多种不同的工作原理，通过 全面分析比较，从中选择最满意的一种。例如采煤，可 以使用风镐，也可以使用高压水柱冲击煤层开采，也可 以采用割煤机进行开采等。新余高等专科学校 作者 朱双霞副教授

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( 2) 机器的运动设计 就是根据上一步确定的机器工作原理，确定机器执 行部分的运动规律。例如牛头刨床，要求工作行程要慢、 而返回行程要快。这一步主要依据我们前面所述的机械 原理知识来完成。这里，必须同时考虑选择适当的原动 机，妥善考虑和设计机械的传动部分实现方法，并考虑 运动参数调整的必要性于可能性。 (3)机器的动力设计 根据机器的工作原理和运动设计结果，按照机器的 总体性能要求，根据其运动特性、工作阻力、速度、传 动效率等，计算机器所需的驱动功率，进行运动机的选 择。同时也要考虑调节于控制的必要性于可能性，也可 以利用机械原理和电工学知识来完成。新余高等专科学校 作者 朱双霞副教授

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3、技

术设计阶段主要是依据原动机的特性和运转特性或根据 零部件的工作载荷进行设计，一般采用前一种方 法，选择设计出各零部件。 在工作原理确定之后的工作，就是将前面选 定的设计方案通过必要的分析计算和结构设计， 用图面(装配图、零件图等)及技术文件的形式 来加以具体表示。包括：运动设计、动力分析、 整体布局、零件结构、材料、尺寸、精度和其它 参数的确定以及必要的强度和刚度计算等。反映 在实际工作的成果——图纸上，大体可以分为四 个步骤： 新余高等专科学校 作者 朱双霞副教授

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(一)总体设计阶段：根据工作原理绘制 机器的机构运动简图，这是图纸设计的第一 阶段。在这个阶段，要考虑各个机构主要零 件的大体位臵。同时，为了拟订机器的总体 布臵，需要分析比较各种可能的传动方案。 (二)结构设计阶段：考虑和决定各部分 的相对位臵和联接方法，零件的具体形状、 尺寸、安装等一系列问题，把机构运动简图 变成具体的装配图(或结构图),这是图纸 设计的第二个阶段。新余高等专科学校 作者 朱双霞副教授

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(三)零件设计阶段：装配图只确定了机器 的总体尺寸、各个零部件的相对位臵及配合关 系，而没有反映出各个零件的全部尺寸、结构 等。零件设计阶段就是把机器的所有零件(标 准件除外)拆分出来，绘制成零件图，为加工 提供依据。 (四)技术文件制定：完成图纸滞后，必 须完成一系列的技术文件，应包括各种明细表、 系统图、设计说明书和使用说明书等。新余高等专科学校 作者 朱双霞副教授

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4、技术文件编制阶段技术文件的种类较多，常用的有： 机器的设计计算说明书；机器使用说明书； 标准件明细表；其它技术文件，如检验合格单、外购明 细表、验收条件等. 一个完整的设计过程不但包含以上四个阶段，还包 括制造、装配、试车、生产等所有环节，对图纸和技术 文件进行完善和修改，直到定型投入正式生产的全过程。 实际工作中，上述的几个阶段是交叉反复进行的。 随着计算机辅助设计、计算机仿真技术、三维图形 技术以及虚拟装配制造技术的迅速发展，机械设计方法 有了极大的变革，借助这些技术我们可以极大地降低设 计和试制成本，提高产品的竞争力。新余高等专科学校 作者 朱双霞副教授

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§1.3机械零件的失效形式一、机械零件的失效 失效：机械零件丧失正常工作能力或达不到设计 要求的性能时称失效。 二、机械零件常见的失效形式 1、整体断裂 2、过大的残余变形 3、零件的表面破坏 4、破坏正常工作条件引起的失效

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作者 朱双

霞副教授

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§1.4机械零件设计的准则及步骤一、设计机械零件的基本要求 机械零件的设计，必须依据其在机器中的 作用及工作情况，满足强度、刚度、寿命、工 艺性、可靠性以及某些特殊的要求的一部分或 全部内容。具体有以下几个方面： 1)在预定寿命期限内不失效——设计准则 机械零件应某种原因不能正常工作的现象 称为失效。机械零件的主要失效形式有断裂、 表面破坏(腐蚀、磨损和接触疲劳等)、过量 残余变形和正常工作条件的破坏。为避免这些 失效，设计中需要考虑以下几个问题。 作者 朱双霞副教授 新余高等专科学校

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a.强度要求 零件在工作时，在额定的工作 条件下，既不发生任何形式的破坏，也不产生 超过容许限度的残余变形，能保证机器的正常 运转和工作，我们就认为该零件满足了强度要 求。强度不足是零件在工作中断裂或过量残余 变形的直接原因。 在设计中，除了部分受力较小或形状复杂 无法计算的零件靠经验、实验确定外，大多数 重要零件都是利用强度条件式来校核的(材料 力学中的相关强度理论)。若零件的强度不够， 就会出现整体断裂，表面接触疲劳或塑性变形 等失效而丧失工作能力，所以设计零件时必须 满足强度要求。其设计准则是： 新余高等专科学校 作者 朱双霞副教授

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lim P < [ ]= S F

其中: ——称作计算应力； [ ]——称作许用抗拉应力 P——拉力载荷； F——面积尺寸； lim——极限应力； S——安全系数 其含义是：零件中的应力应当小于或等于其许用应力[ ] 才能满足强度要求。该公式由于是用来校核零件的初定 剖面F是否满足强度要求的，所以称为校核公式。 要注意的是：如果零件剖面上承受的载荷是剪载荷，分 别可以用剪应力和许用剪应力[]等代入上面的式中进行 计算。新余高等专科学校 作者 朱双霞副教授

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可以看出：强度准则就是把对零件起损伤作用 的一方(例如载荷和应力)与零件对损伤起抵 抗作用的一方进行比较来判断零件强度的。 通过上面的强度条件式，可以发现，提高零 件强度的措施有：1)增大零件危险剖面的尺寸、 合理设计剖面形状，以增大剖面面积的惯性矩； 2)采用高强度材料，对材料进行提高强度及降 低内应力的热处理，控制加工工艺以减小或消除 微观缺陷等；3)力求降低零件上的载荷，例如 减小轴的支承跨距以降低作用在其上的弯矩，采 用减振结构以降低冲击载荷等；4)妥善设计零 件结构以降低应力集中程度等。 新余高等专科学校 作者 朱双霞副教授

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b.刚度要求在机器工作时，有时机器并没有破坏，但是 由于零件的变

形而导致机器的失效或不能正常的 工作或完成预定的工作任务。这就是刚度失效。 对于这类情况，我们不但要求进行强度的计算， 同时要进行刚度的计算。 零件的刚度要求是指工作时，零件所产生的 弹性变形不超过规定的限度。刚度的计算是利用 刚度条件式来判定的。针对弹性变形的二种情况 (弯曲和扭转),刚度条件式分别为： y [ y ] 或 [ ] ; [ ]新余高等专科学校 作者 朱双霞副教授

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提高零件整体刚度的原则措施有：1)适当 增加零件的剖面尺寸；2)合理设计零件的剖面 形状；3)合理添臵加强筋，采用多支点结构； 4)提高零件接触表面的加工精度或经适度跑合， 以降低表面粗糙度；5)适当增加接触面积，以 降低单位压力等。

c.寿命要求寿命要求就是要求零件在预定工作期间保 持正常工作而不致报废。主要是针对那些在变 应力下工作和工作时受到磨损或腐蚀的零件提 出的。新余高等专科学校 作者 朱双霞副教授