第2章 机械零件设计基础

第二章 机械零件设计基础王学军

第二章 机械零件设计基础设计机械零件时应满足的基本要求及设计方法基本要求：(工作可靠成本低廉)p19~20; 设计步骤； 设计方法：(理论设计、经验设计和实验设计) p20;

机械零件的常见失效形式、工作能力和设计准 则 机械零件的材料选用原则p10~11; 机械零件的结构工艺性p11~15; 机械设计中的标准化p15 机械零件的载荷和应力p5~9

2.1 设计机械零件时满足的基本要求及设计方法

基本要求p19~20;工作可靠成本低廉

设计步骤； 设计方法p20理论设计; 经验设计; 实验设计； 虚拟样机技术

一、基本要求工作可靠、成本低廉 从机械的整体出发对 零部件提出的要求

工作可靠是要求零部件具有足够的工作能力 即指在规定的使用寿命内不发生各种失 效。 因此，在设计零部件时，要使零部件满 足强度、刚度、寿命及稳定性等准则。

成本低廉

要求零部件满足经济性、结构工艺性。应尽可能采用标准化、 系列化和通用化。 经济性： 必须从设计和制造工艺两方面着手，设计时应正确地 选择零部件的材料，尽量采用价格低廉、供应充足的 材料；合理地确定零部件的尺寸和综合工艺要求的结 构，如采用轻型的零、部件结构，采用少余量或无余 量的毛坯等；合理地规定制造时的精度等级和技术条 件；尽可能采用标准化的零部件，以取代需特殊加工 的零、部件等。 结构工艺性： 指在既定的生产条件下，能方便而经济地生产出满足 使用性能要求的零部件，并且便于装配成机器。 因此，零部件的结构工艺性应从毛坏制造、热处理、 机械加工及装配等几个生产环节加以综合考虑。

二、零件设计步骤合理选择机构和零件类型； 分析和计算作用于零件上的载荷，合理 选材，进行工作能力的计算； 结构设计(工艺、使用、维护、经济、 安全); 绘制零件工作图，编写说明书。(在平时作业中进行训练，在小设计和课程设 计中进行强化训练)

三、设计方法理论设计; 经验设计; 实验设计； 虚拟样机技术

理论设计根据现有的设计理论和实验数据所进行的机 械零件设计的设计方法。 理论设计分为：设计计算。由理论设计计算公式确定零部件的主 要参数和尺寸。 校核计算。先按经验和某些简易的方法初步确定 出零部件的主要参数和尺寸，待结构完全确定以 后，用理论校核公式进行校核计算。

注意：设计计算多用于能通过简单的力学模 型进行设计的零部件；而校核计算则多用于 结构复杂、应力分布较复杂，但又能进行强 度计算或刚度计算的零、部件。

经验设计根据对某类零部件已有的设计

与实际使用而归 纳出的经验公式和数据，或者用类比法所进行 的的设计方法。 经验设计简单方便，对于典型化的零、部件(例 如箱体、机架等),是比较实用的设计方 法。 但是它也有较大的局限性，在确定零、部件的 结构参数时，由于考虑安全问题而容易导致结 构笨重。 注意：多数情况下.机械零件的设计同时采用 上述两种方法进行，因为设计计算和校验计算 只能针对零、部件的主要结构参数进行，大量 的结构参数需要根据结构要求采取经验设计方 法加以确定。

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 尺寸的样机，通过对模型或样机的实验，考 核其性能并取得必要的数据，然后根据实验 结果修改原初步设计，使其逐步完善的设计 方法。 对于一些尺寸特大、结构复杂、工况条件特 殊又难以进行理论计算的重要零部件，为了 提高设计的可靠性，可采用模型实验设计的 方法。 注意：这种设计方法费时、费钱，因此只用 于特别重要的设计中。

虚拟样机技术是在计算机上建立样机模型，对样机进 行各种动态性能分析，然后修改样机设 计方案，用数字化的形式代替传统的实 物样机实验进行设计的方法。注意：运用虚拟样机技术可以大大简化产品 的设计开发过程，减少研发成本，明显提高 产品的质量，提高系统的性能上述三种常用 的方法是传统的设计方法。

§2.2 机械零件的常见 失效形式、工作能力和设计准则失效形式：p16~17断裂、塑性变形、过量的弹性变形、表面失 效、破坏正常工作条件引起的失效；

工作能力：p18; 设计准则：p17~19强度设计准则、刚度设计准则、精度设计准 则、寿命设计准则、振动稳定性设计准则、 可靠性设计准则；

【讨论】轴可能的失效形式？轴常见的失效形式 工作条件 静应力 变应力 精密主轴 高速转动 失效形式 整体断裂 疲劳断裂 过量的弹性变形 共振 工作能力 整体强度 疲劳强度 刚度 丧失振动稳定性

同一零件可能出现许多不同的失效形式；这些 失效形式并不是同时出现，而是在不同的工作 条件有不同的失效形式。 显然，起决定作用的是零件在这些不同方面工 作能力中较小者，故工作能力与失效形式是密 切相关，若能找出零件在不同工作条件下，工 作能力较小者，就可以知道零件能否正常工作。针对不同的失效就要求零件在不同方面具有不同的工作能力

一、失效形式失效：机械零件丧失预定功能，不能正常工 作。 常见的失效形式断裂、 塑性变形、 过量的弹性变形、 表面失效、 破坏正常工作条件引起的失效

注意：失效并不意味着单纯的破坏或断裂， 而

具有更广泛的含义。

断裂断裂：由于危险剖面上的应力超过零部件的 强度极限而发生的损伤。 例如，螺栓拧断、连杆受冲击的断裂。 疲劳断裂：由于危险剖面上的变应力超过零 部件的疲劳极限而发生的损伤。 例如，齿轮轮齿根部断裂。 注意：断裂是一种严重的失效形式，出现断 裂不仅使零件失效，甚至可能出现人身或设 备事故。