第4章 机械设计概述 1、教学目的： 了解机械设计的基本要求、掌握设计计算准则，学会应用结构设计的基本原则 2、重点与难点： 重点：设计计算准则的确立和常见结构应注意事项 难点：设计计算准则的确立 3、教学手段与方法：多媒体 4、教学时间：1学时 一、机械设计的种类： 机械设计包括以下两种设计：应用新技术、新方法开发创造新机械；在原有机械的基础上重新设计或进行局部改造，从而改变或提高原有机械的性能。设计质量的高低直接关系到机械产品的性能、价格及经济效益。 二、机械设计的基本要求： 机械产品设计应满足以下几方面的基本要求。 实现预定功能 设计的机器能实现预定的功能，并在规定的工作条件下能正常运行，并有一定的寿命。 满足可靠性要求 机器由许多零件及部件组成，其可靠度取决于零、部件的可靠度。机械系统的零、部件越多其可靠度也就越低，因此在设计机器时应尽量减少零件数目。但就目前而言，对机械产品的可靠度难以提出统一的考核指标， 3．满足经济性要求 经济性指标是一项综合性指标，要求设计及制造成本低，生产效率高，能源和材料消耗少、维护及管理费用低等。 4．操作方便、工作安全 操作系统要简便可靠，有利于减轻操作人员的劳动强度。要有各种保险装置以消除由于误操作而引起的危险，避免人身伤害及设备事故的发生。 5．造型美观、减少污染 运用工业艺术造型设计方法对机械产品进行工业造型设计，使所设计的机器不仅使用性能好、尺寸小、价格低廉，而且外形美观，富有时代特点。机械产品的造型直接影响到产品的销售和竞争力，当前在机械设计中是一个不容忽视的环节。 此外，还必须尽可能地降低噪声，减轻对环境的污染。从某种意义上来说，噪声也是反映机械质量的一种综合指标。 三、机械设计的内容与步骤 常规设计方法又可分为理论设计、经验设计和模型实验设计等。 机械设计的过程通常可分为以下几个阶段： (1)产品规划 产品规划的主要工作是提出设计任务和明确设计要求，通常是人们根据市场需求提出设计任务，通过可行性分析后才能进行产品规划。 (2)方案设计 在满足设计任务书中设计具体要求的前提下，由设计人员构思出多种可行性方案并进行分析论证，从中优选出一种能完成预定功能、工作性能可靠、结构设计可行、成本低廉的方案。 (3)技术设计 在既定设计方案的基础上，完成机械产品的总体设计、部件设计、零件设计等，设计结果以工程图及计算书的形式表达出来。 (4)制造及试验 经过加工、安装及调试制造出样机，对样机进行试运行或在生产现场试用，将试验过程中发现的问题反馈给设计人员，经过修改完善，最后通过鉴定。 与设计机器时一样，设计机械零件也常需拟定出几种不同方案，经过认真比较选用其中最好的一种。设计机械零件的一般步骤如下： (1)根据机器的具体运转情况和简化的计算方案确定零件的载荷。 (2)根据零件工作情况的分析，判定零件的失效形式，从而确定其计算准则。 (3)进行主要参数选择，选定材料，根据计算准则求出零件的主要尺寸，考虑热处理及结构工艺性要求等。 (4)进行结构设计。 (5)绘制零件工作图，制订技术要求，编写计算说明书及有关技术文件。 对于不同的零件和工作条件，以上这些设计步骤可以有所不同。此外，在设计过程中这些步骤又是相互交错、反复进行的。 四、机械零件的失效形式及设计计算准则 机械零件丧失预定功能或预定功能指标降低到许用值以下的现象，称为机械零件的失效。由于强度不够引起的破坏是最常见的零件失效形式，但并不是零件失效的惟一形式。进行机械零件设计时必须根据零件的失效形式分析失效的原因，提出防止或减轻失效的措施，根据不同的失效形式提出不同的设计计算准则。 （一）失效形式 机械零件最常见的失效形式大致有以下几种。 1.断裂 机械零件的断裂通常有以下两种情况：(1)零件在外载荷的作用下，某一危险截面上的应力超过零件的强度极限时将发生断裂(如螺栓的折断)；(2)零件在循环变应力的作用下，危险截面上的应力超过零件的疲劳强度而发生疲劳断裂（如轮齿的折断）。 2．过量变形 当零件上的应力超过材料的屈服极限时，零件将发生塑性变形。当零件的弹性变形量过大时也会使机器不能正常工作，如机床主轴的过量弹性变形会降低机床的加工精度。 3．表面失效 表面失效主要有疲劳点蚀、磨损、压溃和腐蚀等形式。表面失效后通常会增加零件的摩损，使零件尺寸发生变化，最终造成零件的报废。 4.破坏正常工作条件引起的失效 有些零件只有在—定的工作条件下才能正常工作，否则就会引起失效，如皮带传动因过载会打滑，使传动不能正常地工作。 （二）设计计算准则 同一零件对于不同失效形式的承载能力也各不相同。根据不同的失效原因建立起来的工作能力判定条件，称为设计计算准则，主要包括以下几种。 1．强度准则 强度是零件应满足的基本要求。强度是指零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及表面失效(磨粒磨损、腐蚀除外)的能力。强度可分为整体强度和表面强度(接触与挤压)两种。 整体强度的判定准则为：零件在危险截面处的最大应力（、τ ）不应超过允许的限度(即许用应力，用[σ]或[τ]表示，)，即  或  表面接触强度的判定准则为：在反复的接触应力作用下，零件在接触处的接触应力σH应该小于或等于许用接触应力值[σH]，即  对于受挤压的表面，挤压应力不能过大，否则会发生表面塑性变形、表面压溃等。挤压强度的判定准则为：挤压应力σbs 应小于或等于许用挤压应力[σbs]，即  2．刚度准则 刚度是指零件受载后抵抗弹性变形的能力，其设计计算准则为：零件在载荷作用下产生的弹性变形量应小于或等于机器工作性能允许的极限值。各种变形量计算第2章已经讲述，这里不再赘述。 3．耐磨性准则 设计时应使零件的磨损量在预定期限内不超过允许量。由于磨损机理比较复杂，通常采用条件性的计算准则，即零件的压强p不大于零件的许用压强[p]：  4．散热性准则 零件工作时如果温度过高将导致润滑剂失去作用，材料的强度极限下降引起热变形及附加热应力等，从而使零件不能正常工作。散热性准则为：根据热平衡条件，工作温度t不应超过许用工作温度[t]，即  5．可靠性准则 可靠性用可靠度表示，对那些大量生产而又无法逐件试验或检测的产品，更应计算其可靠度。零件的可靠度用零件在规定的使用条件下、在规定的时间内能正常工作的概率来表示，即用在规定的寿命时间内能连续工作的件数占总件数的百分比表示。如有NT个零件，在预期寿命内只有NS个零件能连续正常工作，则其系统的可靠度为  五、机械零件的结构工艺性 机械零件良好的工艺性是指：在一定的生产规模和生产条件下，能用最少的时间和最小的劳动量以及用一般的加工方法将零件制造出来，而且装配方便。机械零件工艺性能的好坏取决于零件的结构，所以又称为结构工艺性。零件的制造过程一般包括毛坯生产、切削加工、热处理和装配等阶段，各阶段对零件的结构要求互相联系、互相影响。所以，在设计零件的结构时必须全面考虑，应使所设计的零件具有良好的工艺性。 （一）机械零件结构工艺性的基本原则 在设计机械零件的结构时，从工艺性方面应考虑的基本原则如下： 1、与生产条件、批量大小及获得毛坯的方法相适应 2、造型简单化 3、加工的可能性、方便性、精确性和经济性 4、装拆的可能性和方便性 （二）良好的工艺性对机械零件结构的具体要求 铸造工艺性对零件结构的要求 进行铸造零件的结构设计时应注意以下方面： （1）应使造型方便、砂箱和型芯尽量少，具有必要的拔模斜度. （2）为防止浇铸不足，铸件壁厚应有一允许的最小值，砂型铸件壁厚的最小值见表4.1。 表4.1砂型铸件壁厚的最小值 材料 最小壁厚/mm   小型 中型 大型  灰铸铁 6 10 15  球墨铸铁 6 12   铸钢 8 12 20  有色金属 3 6        （3）零件箱壁交叉部分应有过渡圆角，以免尖角处产生裂纹（如图4.1a）。但圆角不能过大，以免交叉处尺寸过大，造成金属堆积出现缩松（如图4.1b），一般取D≈1.3d（如图4.1c）  图4.1 铸件过渡圆角 （4）铸件应有明显的分型面（见图4.2），且垂直于分型面的表面应有斜度；  图4.2 铸件分型面 （5）应尽量避免铸造水平位置的较大的薄板，在浇注过程中液态金属不易充满铸型，产生浇注不足、冷隔等缺陷。图4.3b将水平薄板设计成倾斜的可避免这些缺陷；  图4.3 铸件应避免水平薄板 （6）为避免采用活块，可以将凸台加长至分型面（见图4.4b），如加工方便，也可以不设计凸台，采用锪平措施（见图4.4c）；  图4.4 铸件凸台 （7）铸铁抗拉强度差而抗压强度高，在设计铸件形状时应尽可能把拉应力（或弯曲应力）转化为压应力（见图4.5）。  图4.5 铸件形状应尽量使其受压 锻造工艺性对零件结构的要求 (1)自由锻 自由锻件应尽量避免圆锥体形状、圆柱体与圆柱体相交接、加强筋、表面凸台等结构，以免锻造困难。 (2)模锻 模锻件的结构形状应使锻件易从锻模中取出，要考虑分模面问题；因模锻件的精度较高，故要考虑模锻斜度和圆角；应尽量简单、乎直和对称，要避免薄壁、高的凸起和深的凹槽(图4.6存在太深的凹槽，为不合理的结构)；模锻件的厚度不能太小，以防止金属坯料冷却太快影响金属充满模槽(图4.7所示模锻件的厚度太小，结构不合理)。  图4.6 模锻件有深的凹槽 图4.7 模锻件的厚度太小 热处理工艺性对零件结构的要求热处理工艺性对零件结构设计的要求为： 避免锐边尖角，应改成圆角或倒成钝角，圆角半径要大些； 零件形状力求简单、对称； 轴类、棒类零件的长度与直径之比不可太大； 提高零件的结构刚性，必要时增加加强筋； (5)形状特别复杂，或者不同部位有不同性能要求时，可用组合结构(比如机床铸铁床身上镶钢导轨)。 4．切削加工工艺性对零件结构的要求 切削加工工艺性对零件的结构设计影响很大，切削加工工艺性主要考虑的有： (1)提高切削效率； (2)便于切削加工； (3)减少切削加工量； (4)防止切削加工使零件产生加工变形。 切削加工工艺性不合理结构及改进后的合理结构见表4.2 装配工艺性对零件结构的要求 装配工艺性对零件的结构设计影响也很大，装配工艺性主要应考虑： 零件应有正确的装配基面； 应使零件的装配和拆卸方便； 应尽量避免或减少装配时的切削加工和手工修配(如钻孔、攻螺纹、刮削和研配等)； 尽可能组成独立部件或装配单元再总装配。 装配工艺性示例详见表4.3 六、机械设计中的标准化 即设计时要尽量考虑零件标准化、部件通用化、产品系列化。机械设计标准化的实际意义是： 1．标准化后，同一型号零件的加工数量大大增加，便于采用高生产率的先进设备和技术进行大规模生产或组织专业化生产，可以合理使用原材料、节约能源、降低生产成本，提高产品质量。 2．统一零件的性能指标，提高了产品的可靠性。 3．产品具有互换性。 4．可以大大减少设计和制造工作量，减少设计中的差错，缩短设计制造周期，可以加速新产品的研发。 5．便于维修，减少了维修更换的工作量和时间。 我国目前对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、制图规范等都制定了标准。我国现行标准分为三级：即国家标准(GB)、行业标准(如机械行业标准JB)和专业标准或企业标准。国际上有国际标准化组织(1SO)，我国已加入了ISO。目前我国的模具生产已有国标可以执行，但标准化率非常低。 作业： 机械零件设计应满足哪些基本要求? 试述机械零件设计的一般步骤。 机械零件常见的失效形式主要有哪些? 4. 什么是零件的结构工艺性？有关零件结构工艺性的要求有哪几点？