机械设计-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章机械零件设计概论 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 。 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 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 ） 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 他 所 有 与 产 品 相 关 的 文 档 资 料 。 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 他 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 他 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 他 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 力 学 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 他 专 用 要 求 其 他 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 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 ： 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%。这 是 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 及 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 大 型 零 件 采 用 组 合 结 构 而 非 整 体 结 构 尽 量 采 用 标 准 件 四 、 质 量 小 的 要 求 减 小 质 量的 好 处 节 约 材 料 ； 减 小 惯 性 ， 改 善 机 器 的 动 力 性 能 。 减 小 质 量 的 措 施 ： 采 用 缓 冲 装 置 来 降 低 零 件 所 受 冲 击 载 荷 减 小 质 量 的 措 施 ： 采 用 缓 冲 装 置 来 降 低 零 件 所 受 冲 击 载 荷 采 用 安 全 装 置 来 限 制 作 用 在 零 件 所 受 最 大 载 荷 从 零 件 应 力 较 小 处 削 减 部 分 材 料 ， 以 改 善 零 件 受 力 的 均 匀 性 ， 提 高 材 料 的 利 用 率 采 用 与 工 作 载 荷 方 向 相 反 的 预 载 荷 ， 以 降 低 零 件 的 工 作 载 荷 采 用 轻 型 薄 璧 冲 压 件 或 焊 接 件 代 替 铸 造 、 锻 压 件 采 用 强 重 比 高 的 材 料 五 、 可 靠 性 要 求 零 件 的 实 效 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 。 2-6 机 械 零 件 的 计 算 准 则 强 度 准 则 刚 度 准 则 设 计 零 件 时 ， 首 先 应 根 据 零 件 的 失 效 形 式 确 定 其设 计 准 则 以 及 相 应 的 设 计 计 算 方 法 。 一 般 来 讲 ， 有 以下 几 种 准 则 ： 寿 命 准 则 振 动 稳 定 性 准 则 可 靠 性 准 则 确 保 零 件 不 发 生 断 裂 破 坏 或 过 大 的 塑 性 变 形 ， 是 最 基 本 的 设 计 准 则确 保 零 件 不 发 生 过 大 的 弹 性 变 形通 常 与 零 件 的 疲 劳 、 磨 损 、 腐 蚀 相 关高 速 运 转 机 械 的 设 计 应 注 重 此 项 准 则当 计 及 随 机 因 素 影 响 时 ， 仍 应 确 保 上 述 各 项 准 则 强 度 准 则 是 指 零 件 中 的 应 力 不 得 超 过 许 用 值 。 即 ： 一 、 强 度 准 则 limlim 材 料 的 极 限 应 力 脆 性 材 料 lim = B (强 度 极 限 )塑 性 材 料 lim = S (屈 服 极 限 )为 了 安 全 起 见 ， 引 入 安 全 系 数 S， 得 lim/S 或 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 三 、 寿 命 准 则 影 响 零 件 使 用 寿 命 的 因 素 主 要 是 腐 蚀 、 磨 损 和 疲劳 。 前 两 者 还 没 有 成 熟 的 计 算 方 法 ， 工 程 中 通 常 是 求出 使 用 寿 命 时 的 疲 劳 极 限 作 为 计 算 的 依 据 。四 、 振 动 稳 定 性 准 则 保 证 机 器 中 受 激 振 零 件 的 固 有 频 率 与 激 振 源 的频 率 错 开 ， 即 要 求 ：0.85 f fp 或 1.15 f fp如 果 不 满 足 条 件 ， 可 采 取 如 下 措 施 ： 改 变 零 件 及 系 统 刚 性 增 减 支 承 调 整 支 承 的 位 置 隔 离 激 振 源 采 用 阻 尼 元 件 以 减 小 零 件 的 振 幅 五 、 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 N dtdNt /)( 失 效 率“ -” 表 示 dN的 增 大 将 使 N减 少 。分 离 变 量 并 积 分 得 RNNNNt NNt lnlnd)( 0 00 即 t teR 0 )( 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 的 关 系 为M=1/ 2-7 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 。 以 受 拉 杆 为 例 ， 强 度 计 算 公 式 为 lim/S 或 F/A lim/S F 拉 力 ， A 截 面 积 。 设 计 计 算 A FS/ lim校 核 计 算 有 四 种 可 选 方 式 = F/A F A Sca = lim / S lim S Sca 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 2-8 机 械 零 件 设 计 的 一 般 步 骤(1) 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 。 潘 存 云 教 授 研 制选 择 零 件 类 型 、 结 构写 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 料一 、 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 料一 、 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 。 潘 存 云 教 授 研 制钢 的 选 用 原 则 ： 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 -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 （ 3342） 1 铸 件 优 质 碳 素 钢 （ 2950） 1.51.8 合 金 结 构 钢 （ 2950） 1.72.5 滚 动 轴 承 钢 （ 2950） 3 合 金 工 具 钢 （ 2950） 320 4Cr9Si2耐 热 钢 （ 2950） 5 灰 铸 铁 铸 件 0.85 碳 素 钢 铸 件 1.7 铜 合 金 、 铝 合 金 铸 件 810 价 格 便 宜 且 供 应 充 分 我 国 资 源 丰 富 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 ： 辗 压 、 铸 造 。应 用 ： 应 用 范 围 广 泛 。高 分 子 材 料复 合 材 料陶 瓷非 金 属材 料 塑 料 、 橡 胶 、 合 成 纤 维 。强 如 钢 、 轻 如 铝 、 硬 如 金 刚 石 。强 度 高 、 弹 性 模 量 大 、 质 量 轻 。橡 胶 橡 胶 富 于 弹 性 ， 能 吸 收 较 多 的 冲 击 能 量 。 常用 作 联 轴 器 或 减 震 器 的 弹 性 元 件 、 带 传 动 的 胶 带 等 。硬 橡 胶 可 用 于 制 造 用 水 润 滑 的 轴 承 衬 。 塑 料 塑 料 的 密 度 小 ， 易 于 制 成 形 状 复 杂 的 零 件 ，而 且 各 种 不 同 塑 料 具 有 不 同 的 特 点 ， 如 耐 蚀 性 、 绝 热性 、 绝 缘 性 、 减 摩 性 、 摩 擦 系 数 大 等 ， 所 以 近 年 来 在机 械 制 造 中 其 应 用 日 益 广 泛 。 载 荷 及 应 力 的 大 小 和 性 质 零 件 的 工 作 情 况 零 件 的 结 构 及 加 工 性 材 料 的 经 济 性 零 件 的 尺 寸 及 重 量 二 、 机 械 零 件 材 料 的 选 用 原 则 适 用 于 制 作 机 械 零 件 的 材 料 种 类 非 常 之 多 ， 在 设计 机 械 零 件 时 ， 如 何 从 各 种 各 样 的 材 料 中 选 择 出 合 适的 材 料 ， 是 一 项 受 多 方 面 因 素 所 制 约 的 复 杂 的 工 作 。设 计 者 应 根 据 零 件 的 用 途 、 工 作 条 件 和 材 料 的 物 理 、化 学 、 机 械 和 工 艺 性 能 以 及 经 济 因 素 等 进 行 全 面 考 虑 。 选 材 的 一 般 原 则 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 的 品 种 及 毛 坯 制取 方 法 有 关 。3.零 件 的 尺 寸 及 质 量 两 配 合 零 件 的 线 膨 胀 系 数 不 能 相 差 过 大 若 相 差 过 大 一 方 面在 ， 温 度 变 化 时 产 生 过 大 热 应 力 或 使 配 合 松 动 ， 另 一 方 面 要 考 虑 材 料 机 械 性 能 随 温 度 而 变 化 的 情 况 零 件 在 工 作 中 可 能 发 生 磨 损 的 表 面 ， 应 提 高 其 表 面 硬 度 ， 增 加 耐 磨 性 ， 因 此 应 选 择 淬 火 钢 、 渗 碳 钢 、 氮 化 钢 用 铸 造 材 料 制 造 毛 坯 时 ， 一 般 可 以 不 受 尺 寸 及 质 量 大 小 的 限 制 而 用 锻 造 材 料 制 造 毛 坯 时 ， 则 须 注 意 锻 压 机 械 及 设 备 的 生 产 能 力 应 尽 可 能 选 用 强 重 比 大 的 材 料 ， 以 便 减 小 零 件 的 尺 寸 和 质 量 材 料 的 加 工 费 用5. 材 料 的 经 济 性 选 材 时 还 应 考 虑 到 当 时 当 地 材 料 的 供 应 状 况 。 为了 简 化 供 应 和 贮 存 的 材 料 品 种 ， 对 于 小 批 制 造 的 零 件 ，应 尽 可 能 地 减 少 同 一 部 机 器 上 使 用 的 材 料 品 种 和 规 格 。6. 材 料 的 供 应 状 况 材 料 的 经 济 性 主 要 表 现 在 以 下 几 方 面 ： 材 料 本 身 的 相 对 价 格 材 料 的 利 用 率 采 用 组 合 结 构 节 约 稀 有 材 料 各 种 材 料 的 化 学 成 分 和 力 学 性 能 可 在 相 关 国 标 、行 标 和 机 械 设 计 手 册 中 查 得 。 为 了 材 料 供 应 和 生 产 管 理 上 的 方 便 ， 应 尽 量 减 少一 台 机 器 所 用 材 料 的 品 种 。 潘 存 云 教 授 研 制表 2-2 常 用 钢 铁 材 料 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 B 屈 服 极 限 S 延 伸 率 % mmQ215 335 410 215 31 碳 素结 构 钢 Q235 375 460 235 26 d 16 Q275 490 610 275 20 20 410 245 25 优 质 碳 素结 构 钢 35 530 315 20 d 25 45 600 355 16 35 SiMn 883 735 15 d 25 合 金结 构 钢 40Cr 981 785 9 d 25 20CrMnTi 1079 834 10 d 15 60Mn 981 785 8 d 80 ZG270-500 500 270 18 铸 钢 ZG310-570 570 310 15 d 100 ZG42SiMn 600 380 12 HT150 145 灰 铸 铁 HT200 195 HT250 240 壁 厚10 20QT400-15 400 250 15 球 墨 铸 铁 QT500-7 500 320 7 QT600-3 600 370 3 壁 厚30 200 (1)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 。 2-10 机 械 零 件 设 计 中 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 ISO GB JB、 HB QB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 通 常 是 相 对 传 统 的 设 计 方 法 而 言 的 。 现 代 设 计 方 法 从 总 体 上 概 括 为 力 求 运 用 现 代 应 用数 学 、 应 用 力 学 、 微 电 子 学 及 信 息 科 学 等 方 面 的 最 新成 果 与 手 段 实 现 下 列 转 换 ： 2-11 机 械 现 代 设 计 方 法 简 介 静 态 的 动 态 的 如 机 器 结 构 动 力 学 计 算 分 部 处 理 法 系 统 工 程 法 如 系 统 工 程 定 性 的 定 量 的 如 有 限 元 计 算 宏 观 的 微 观 的 如 微 纳 米 摩 擦 学 设 计 串 行 设 计 并 行 设 计 如 并 行 设 计 可 行 性 设 计 优 化 设 计 如 优 化 设 计 确 定 量 随 机 量 如 可 靠 性 设 计 人 工 设 计 自 动 化 设 计 如 计 算 机 辅 助 设 计