《《机械设计》讲义(第八版)濮良贵改编(第1、2章).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《机械设计》讲义(第八版)濮良贵改编(第1、2章).doc（28页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第一章 绪 论 机器在经济建设中的作用机械是现代各行业的基础，是物质生产的基本工具，其应用水平是一个国家技术水平和现代化程度的重要标志，也是信息化产业的基础。设计则是产品生产的第一道工序，其成败很大程度上是在本阶段决定的。1能做有用功：1）代替人力或完成人力所不能完成的工作。2）改善劳动条件，提高生产率。3）较人工生产提高产品质量。2有利于产品的标准化、系列化和通用化。3有利于产品生产的机械化、电气化和自动化。所以大量设计制造和广泛使用各种先进的机器是促进经济发展，加速现代化建设的一个重要内容。 本课程的内容、性质与任务：一内容介绍整台机器机械部分设计的基本知识，重点讨论： 1一般尺寸和常用工
2、作参数下的通用零件的设计，包括其基本设计理论和方法。 注：一般尺寸和参数：不包括巨/微型，高温/压/速等。 2介绍有关技术资料、标准的应用。 例如： 有关国标，机械零件设计手册等。学习的具体内容：（1）总论部分：机器及零件设计的基本原则，设计计算理论，材料选择，结构要求，以及摩擦、磨损、润滑等方面的基本知识；（2）连接部分：螺纹连接和螺旋传动，键、花键及无键连接和销连接等；（3）传动部分：带传动，齿轮传动，蜗杆传动等；（4）轴系部分：滚动轴承，轴的设计，联轴器、离合器和制动器等；（5）其它部分：弹簧、机座、箱体等。二性质是以一般通用零件的设计为核心的设计性课程，主要讨论它们的基本设计理论与方法
3、的技术基础课程。本课程不仅要求学生掌握机械零件的常用设计方法，主要是通过这些内容的学习，全面提高学生具备通用零件、部件，以及专用零件的设计能力。三任务本课程的主要任务是培养学生：（1）有正确的设计思想和创新探索能力；（2）掌握一般设计方法，能设计简单机械的能力；（3）具有运用标准、手册和查阅资料的能力；（4）掌握典型的实验方法，具备基本的实验能力；（5）了解国家政策，了解机械的发展动向。例如：优化/可靠性设计，CAD等课程安排：共56学时，其中讲授48学时，实验8学时。第二章 机械设计总论 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
4、了完整的形态。一台完整的机器的组成如下： 润滑、照明和显示等辅助系统 原动机部分 传动部分 执行部分 控制系统 机器的主体1原动机部分：驱动整部机器完成预定功能的动力源。一般为电动机或内燃机。2执行部分：完成机器预定功能的部分。可仅有一个，也可有几个：单个执行部分：压路机的压辊； 多个执行部分：桥式起重机的卷筒、吊钩部分执行上下吊放重物的功能，小车行走部分执行横向运送重物的功能，大车行走部分执行纵向运送重物的功能。3传动部分：将原动机的运动、动力参数转换成执行部分所需的形式。如把旋转运动变为直线运动，高转速变为低转速，小转矩变为大转矩。机器的传动部分多数使用机械传动系统，也可使用液压或电力传动
5、系统。机械传动是绝大多数机器不可缺少的重要组成部分。简单的机器只由上述三个基本部分组成。随着机器的功能越来越复杂，对机器的精确度要求也就越来越高，如只有以上三个基本部分，使用起来就会遇到很大的困难。所以机器除了以上三个部分外，还会有控制系统、传感部分和辅助系统等。4控制部分保证机器的启动、停止和正常协调动作。5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。6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以汽车为例：发动机是汽车的原动机；离合器、变速箱、传动轴和差速器组成传动部分；车轮、悬挂系统及底盘是执行部分；转向盘和转向系统、拍档杆、刹
6、车及其踏板、离合器踏板及油门组成控制系统；油量表、速度表、里程表、润滑油温度表及蓄电瓶电流表、电压表等组成显示系统；后视镜、车门锁、刮雨器及安全装置等为其他辅助装置；前后灯及仪表盘灯组成照明系统；转向信号灯及车尾红灯组成信号系统。 设计机器的一般程序一部机器的质量基本上决定于设计质量，制造过程对机器质量所起的作用，本质上就在于实现设计时所规定的质量。因此，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。它是一个创造性的工作过程，同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作。机器质量：1）设计质量（基本的，相当人的先天性） 2）制造质量（主要是实现设计质量，相当于后天性）设计原则：在充分参考及继承已有成功
7、设计经验上创新。作为一部完整的机器，它是一个复杂的系统。要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。见P5，表2-1。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：这只是个预备阶段，其目标是给出设计任务书。此阶段主要由三项工作要做：（1）、调研：了解同类产品生产、使用情况、优缺点、材料、标准件有哪些及采用先进技术的可能性。（2）、分析：机器的功能、经济性、加工等约束条件。（3）、写出设计任务书：内容包括机器的功能、经济性估计、制造要求估计、基本使用要求及预计期限等。注意；对这些要求和条件，只是给出一个合理范围，而非准确数字。（二）方案设计阶段：这个阶
8、段对设计的成败很关键。此阶段的目的是：提出原理性的设计方案、原理图或机构运动简图。 1机器功能分析： 对机器功能中的必须要求、最低要求及希望要求进行综合分析，也就是这些功能能否达到，相互间有没有矛盾等。最后确定出功能参数。 2确定工作原理： 实现同一种机器功能，可有多种工作原理。 例：加工螺纹： 1）机床车削：螺杆旋转，车刀直移。 2）板牙铰制：螺杆固定，板牙既转又移。 3）滚丝模滚压： 3拟定结构方案： 同一种工作原理，可有多种执行机构的实现方案。例：对刨削平面：工作原理是工件相对刀具的直移，方案有二： 1）牛刨： 工件固定，刀具直移。 2）龙门刨：工件直移，刀具固定。原动机部分的方案也可以
9、有多种选择。对绝大多数的固定机械都优先选择电动机作为原动机，热力原动机主要用于运输机、工程机械或农业机械。（热力发动机将常规燃烧或核燃料反应产生的热能、地热能和太阳能等转换为机械功的动力机械，它是人类所利用的主要动力机械。常用的热力发动机有内燃机：包括汽油机、柴油机和煤气机等、燃气轮机和蒸汽动力装置等。）传动部分的方案就更为复杂了，对于同一传动任务，可以由多种机构及不同机构的组合来完成。因此，如用表示原动机的方案数，和分别代表传动部分和执行部分的可能方案数，方案有个，则机器的总方案数就为：个。4方案评价：应对多种工作原理和多个结构方案进行综合评价取其优。方案评价原则：经济性、技术上可行。 经济
10、性-总费用最低。 经济性评价既要考虑设计及制造时的经济性，也要考虑使用时的经济性。如果机器的结构方案较为复杂，则其设计制造成本就要相对增大，但是随着机器机构的健全，其功能将更为齐全，生产率也较高，则使用的经济性较好；反之，若结构较为简单，功能不够齐全，虽然机器的设计及制造费用低，但使用费用却会增多。评价结构方案的设计制造经济型时，还可以用单位功效的成本来表示。例如单位输出功率的成本，单件产品的成本等。进行机器评价时，还必须对机器的可靠性进行分析，从可靠性的观点来看，盲目地追求复杂的结构往往是不明智的。一般地讲，系统越复杂，则系统的可靠性就越低。为了提高复杂系统的可靠性，就必须增加并联备用系统，
11、这就提高了机器的成本。环境保护也是设计中必须认真考虑的重要方面。通过方案评价，最后进行决策，确定一个据以进行下步技术设计的原理图或机构运动简图。方案设计阶段要正确处理好借鉴与创新的关系。同类机器的成功的先例应当借鉴，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。坚决反对：1）保守和照搬原有设计；2）一味求新而把合理的原有经验弃置不用（三）技术设计阶段：技术设计阶段的目标是绘制总装配草图、部件装配草图，由草图设计确定零部件的外形、基本尺寸和零件工作图、部件装配图和总装图。 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：按已定结构方案选定原动机根据原动机的参数（功
12、率、转速、线速度等）确定各运动构件的运动参数(转速、速度、加速度等）。 2机器的动力学计算： 按结构及运动参数计算主要零件所受的公称载荷（名义载荷）的大小及特性。（由于零件尚未设计出来） 3工作能力设计：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。也就是按结构、运动及动力参数对零件作强度、刚度、稳定性及寿命的初步设计。 4部件装配草图及总装配草图的设计：根据已定出的主要零、部件的基本尺寸，设计出部件装配草图及总装配草图。在草图上，需要对所有零件的外形及尺寸进行结构设计。这个步骤中，要很好地协调各零件的结构及尺寸，同时考虑结构工艺性，使得全部零件有
13、最合理的构形。5主要零件校核：因为在初步计算设计时，零件外形、结构还未定，因此不能进行详细的工作能力的计算。绘出草图以后，所有的零件尺寸均已知，才能进行较为精确地校核，再根据校核结果，反复修改零件的结构及尺寸，直至满意。即：按装配草图对零件精度校核修改零件结构和草图。6零件工作图设计：此时，要充分考虑靠零件加工和装配工艺性等细节，绘制零件的工作图。即：按草图确定的基本尺寸定出零件全部结构尺寸及制造技术要求7完成装配图：按定型的零件工作图上的结构及尺寸，重新绘制部件装配图及总装图。通过这一工作可以检查出零件工作图中可能隐藏的尺寸和结构上的错误。这一工作通俗称为纸上装配。（四）技术文件编制阶段：
14、技术文件一般应包括： 1设计计算说明书：包括方案选择及技术设计的全部结论性内容。 2使用说明书：向用户介绍机器的性能参数范围、使用操作方法、日常保养及简单的维修方法、备用件目录等。3标准件明细表：列出所有标准件。 对机器的主要要求设计机器的任务是在当前技术发展所能达到的条件下，根据生产和生活的需要提出的。不管机器的类型如何，一般来说，会对机器提出以下基本要求。（一）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。（二）经济性要求：机器的经济性体现在设计、制造和使用的全
15、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。即：1）设计制造经济性：机器成本低。2）使用经济性：高产、高效、低能耗，易操作维护。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。提高使用经济性指标的主要途径有: 1）合
16、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。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。（三）劳动保护要求：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。即：1）对操作者方便、安全。2）对环境无破坏：低噪、无
17、污染等。（四）寿命与可靠性的要求：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。（五）其它专用要求：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。 机械零件的主要失效形式机械零件的失效：机械零件由于某种原因
18、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。机械零件的失效形式主要有：（一）整体断裂 1）零件受外载时，危险截面上的应力超过强度极限而过载断裂。2）零件受变应力作用而疲劳断裂。例如：螺栓的断裂、齿轮轮齿根部的折断。（二）过大的残余变形 在外载作用下，如果零件中的应力超过了材料屈服极限塑变。（三）零件的表面破坏：零件的表面破坏主要有腐蚀、磨损和接触疲劳。1腐蚀：是发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象。结果使零件表面因锈蚀而破坏。2磨损：是两个接触表面在作相对运动的过程中表面物质丧失或转移的现象。3接触疲
19、劳：在接触变应力的长期作用下，表面开裂小片脱落的现象。腐蚀、磨损和接触疲劳都是随工作时间的延续而逐渐发生的失效形式。处于潮湿空气中或与水、汽及其他腐蚀性介质相接触的金属零件，均有可能发生腐蚀现象；所有作相对运动的零件接触表面都有可能发生磨损；而在接触变应力条件下工作的零件表面也将有可能发生接触疲劳。（四）破坏正常工作条件引起的失效：失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因。例如：当有效圆周力临界摩擦力时，使带传动失效打滑。液体摩擦的滑动轴承当润滑油膜破坏，使滑动轴承发生过热、胶合、磨损等形式的失效；高速转动的零件，当其转速与转动件系统的固有频率一样时，将发生共振从而使振幅增大，以
20、致引起断裂的失效。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。 设计机械零件时应满足的基本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：（一）避免在预定寿命期内失效的要求：应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。1、强度要求 机械零件在工作中发生断裂和不允许的残余变形通属于强度不足。除了用于安全装置中预定适时破坏的零件，对任何零件都是应当避免的。因此，具有适当的强度是设计零件的最基本要求。有些大型零件，例如机架、床身等，虽然在工作时不会发生断裂。但在运输过程中，由于吊装、固定等操作，也有可能使零
21、件承受比工作载荷大得多的载荷，因而引起断裂，此时就要优先考虑运输时的强度问题。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。 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。只有当弹性变形过大会影响机器工作性能的零件（主轴、导轨），才需要满足这项要求。对这类零件，除了做强度计算外，还必须做刚度计算。零件的刚度分为：整体变形刚度和表面接触刚度两种。a整体变形刚度：指零件整体在载
22、荷作用下发生伸长、缩短、扭曲等弹性变形的程度。b表面接触刚度；指两零件接触表面上的微观凸峰，在外载荷作用下，发生变形所导致两零件相互位置变化的程度。提高零件刚度的措施有：a对整体变形刚度：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。 b对接触刚度：增大贴合面，以降低单位面积压力；精加工，以降低表面不平度。3、寿命要求 零件正常工作连续的时间，叫零件寿命。 疲劳破坏影响零件寿命的主要因素有： 腐 蚀 磨 损大部分零件都在变应力条件下工作，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：应力集中；零件的尺寸大小；零件表面质量及环境状况：设计时，应从以上几个方面采取措施
23、，来提高抵抗疲劳破坏能力。零件处在腐蚀性介质中工作时，可能使材料遭到腐蚀。对这些零件，应选用耐腐蚀材料或采用各种防腐蚀的表面保护措施。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) 毛坯选择合理基本方法：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、螺旋面等简单表面极其组合；尽量减少加工面数和加
24、工面积；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；尽量采用标准件；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。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。（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
25、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： 1）节省材料，降低成本。 2）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；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：在预定的工作条件下及使用时间内，零件应能正常完成使用功能。零件的失效是随机发生的，其原因是零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和
26、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。6 机械零件的设计准则设计零件时，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： 强度准则-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。 刚度准则-确保零件不发生过大的弹性变形。 寿命准则-通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。 振动稳定性准则-高速运转机械的设计应注重此项准则。 可靠性准则-当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。（一）强度准则强度准则是指零件中的应力不得超过许用值。即： lim （2-1） 脆性材料：lim = B
27、(强度极限)lim -材料的极限应力 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 -许用应力 （2-2）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。 （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 （2-3）（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 （2-4）如果不满足条
28、件，可采取如下措施： 改变零件及系统刚性； 调整支承的位置；增减支承；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 （2-5）若t N R -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零件的平均工作时间，也称平均寿命。对于不可修复的零件，平均寿命是指失效前的平均工作时间，用MTTF表示；对于
29、可修复的零件，则是指其平均无故障间隔时间 m，用MTBF表示。m与的关系为: m=1/零部件的失效率与时间t的关系曲线，如图所示常被称为浴盆曲线。其曲线分为三段：第阶段：早期失效阶段 此阶段，失效率由开始时很高的数值急剧下降到某一稳定的数值。引起此阶段失效率特别高的原因是零、部件中存在的初始缺陷， 0 如零件上未被发现的加工裂纹，安装不正确、接触表面未跑合等。第阶段：正常使用阶段这个阶段如果发生失效，一般是由于偶然的原因引起的，其发生是随机性的，所以，失效率表现为缓慢增长。第阶段：磨损阶段由于长时间的使用而使零件发生磨损，疲劳裂纹扩展等原因，失效率急剧增加。7机械零件的设计方法 理论设计 常规
30、设计方法 经验设计 模型实验设计机械零件的设计方法 优化设计 现代设计方法 可靠性设计 计算机辅助设计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。1）、理论设计-根据长期的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/SF-拉力， A-截面积。 设计计算： A FS/ lim = F/A F A 校核计算有四种可选方式： Sca = lim / S lim S Sca -计算安全系数 2）、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
31、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。3）、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。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。、可靠性设计-以保证零件具有所需可靠度R来设计。、优化设计-对较为重要的机器或零件设计，多做几个方案进行比较，择优选用。根据工
32、作要求、科学理论、生产条件、实践经验，建立数学模型，列出目标函数和约束方程，编制程序，由计算机求出最优参数。、计算机辅助设计CAD(Computer Aided Design) -设计人员通过人机对话，进行反复设计和修改，直至满足设计指标为止。、有限元法设计-这种方法是把大型或形状复杂的零件，看成有限个力学小单元，在有限个节点处联接而成的组合体，用有关参数来描述小单元的性质，由此建立力的平衡关系和变形的协调关系，求出各小单元的内力和位移，从而求解强度、刚度和稳定性。、断裂力学法设计-零件在外载荷的作用下，材料在缺陷或应力集中出有微小的裂纹。在某些条件下，会迅速扩展乃至断裂。这种方法用于大型、高
33、压结构物或大型转子的设计。、设计方法学-这种方法是将一个工程实体看成一个系统，并以系统整个问题和总体目标的最优化作为考虑问题的出发点，而不针对个别目标。8机械零件设计的一般步骤机械零件设计大体要经过以下几个步骤：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
34、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。零件的设计流程图：选择类型及结构计算零件上载荷确定计算准则校核计算选择零件的材料绘制零件工作图确定零件的基本尺寸结构设计写计算说明书9 机械零件的材料及其选用（一）常用材料 灰铸铁 (TH300) 铸铁 球墨铸铁(QT500-5) 黑色金属 低碳钢 (08F)中碳钢 (45) 钢 高碳钢 (60)金属材料 合金钢 (1Cr18） 铝合金 (LY12) 有色金属 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、
35、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。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。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。钢的选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。表3-1 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（3342） 优质碳素钢（2950） 合金结构钢（2950） 滚动轴承钢（2950） 合金工具钢（2950） 4Cr
36、9Si2耐热钢（ 2950） 1.51.81.72.533205铸 件灰铸铁铸件 碳素钢铸件 铜合金、铝合金铸件 0.85 1.7 810 青铜 含锡青铜、不含锡青铜。铜合金 黄铜 铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍。 轴承合金（巴氏合金）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。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 - 塑料、橡胶、合成纤维。非金属材料 陶瓷 -强如钢、轻如铝、硬如金刚石。 复合材料 -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
37、润滑的轴承衬。 塑料-塑料的比重小，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。 （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。 载荷及应力的大小和性质 零件的工作情况 选材的一般原则 零件的尺寸及重量 零件的结构及加工性 材料的经济性 1. 载荷及应力的大小和性质这方面的因素主要是从强度
38、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。脆性材料-只适用于制造在静载荷下工作的零件；塑性材料-适用于在有冲击情况下工作的零件。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，可得到机械性能不同的毛坯。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。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。两配合零件的线性膨胀系数不能相差过大，一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
39、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。3.零件的尺寸及重量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。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。4. 零件结构的复杂程度及材料的加工可能性结构复杂的零件宜选用铸造毛坯，或用板材冲压出元件后再经焊接而成。结构简单的零件可用锻造法制取毛坯。对材料的工艺性的了解，在判断加工可能性方面起着重要的作用。铸造材料的工艺性：指材料的液态流动性、收缩率、偏析程度及产生缩孔的倾向性等；锻造材料的
40、工艺性：指材料的延展性、热脆性及冷态和热态下塑性变形能力等；焊接材料的工艺性：指材料的焊接性及焊缝产生裂纹的倾向性等；材料的热处理工艺性：指材料的可淬火性、淬火变形倾向性及热处理介质对它的渗透能力等。冷加工工艺性：指材料的硬度、易切削性、冷作硬化程度及切削后可能达到的表面粗糙度等。在材料手册中，上述各点均有简明的介绍。5. 材料的经济性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； 材料的加工费用； 材料的利用率； 采用组合结构； 节约稀有材料。6. 材料的供应状况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。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。10 机械零件设计中的标准化定义：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。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。2)零部件的通用化将用途、结