实用篇：如何进行机械设计？

lovedovelyonly · 发表于 2017-11-29 20:30:15

【机械设计的基本要求】

　　在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修简单和造型美观等。

【机械设计的一般程序】

　　机械设计的一般程序如下图所示。

【机械零件的主要失效形式和工作能力】

　　零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。

　　零件的失效形式: 断裂或塑性变形；过大的弹性变形；工作表面的过度磨损或损伤；发生强烈的振动；联接的松弛；摩擦传动的打滑等。

失效原因是强度、刚度、耐磨性、振动稳定性及温度等原因。

　　强度条件：计算应力＜许用应力；

　　刚度条件：变形量＜许用变形量；

　　防止失效的判定条件：计算量＜许用量（工作能力计算准则）。

　　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。

　　名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。

　　名义应力：按名义载荷计算所得之应力。

　　工作载荷：在某种工作条件下零件实际承受的载荷。

　　载荷系数K：考虑各种附加载荷因素的影响。

　　计算载荷：载荷系数与名义载荷的乘积。

　　计算应力：按计算载荷计算所得之应力。

【机械零件的设计准则和一般步骤】

（1）零件的设计计算准则

　　强度准则

　　刚度准则

　　磨性准则 　p≤[p]

　　抗振稳定性准则 0.85f＞f_p或1.15f＜f_p

　　机械零件虽然有多种可能的失效形式，但归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等几个方面的问题。对于各种不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件。例如：当强度为主要问题时，按强度条件判定，即应力≤许用应力；当刚度为主要问题时，按刚度条件判定，即变形量≤许用变形量。

　　设计机械零件时，常根据一个或几个可能发生的主要失效形式，运用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸。

（2）一般设计步骤

　　机械零件的设计常按下列步骤进行：1）拟定零件的计算简图； 2）确定作用在零件上的载荷；3）选择合适的材料；4）根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸，应当注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格加以圆整；5）绘制工作图并标注必要的技术条件。

　　以上所述为设计计算。在实际工作中，也常采用相反的方式——校核计算。这时先参照实物（或图纸）和经验数据，初步拟定零件的结构和尺寸，然后再用有关的判定条件进行验算。还应注意，在一般机器中，只有一部分零件是通过计算确定其形状和尺寸的，而其余的零件则仅根据工艺要求和结构要求进行设计。

【机械零件的材料及其选择】

　　机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等，在机械制造中也具有独特的使用价值。

　　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。

（1）载荷及应力的大小和性质

　　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

　　零件的工作情况是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）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。

（5）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。

【机械零件的工艺性及标准化】

（1）工艺性

　　设计机械零件时，不仅应使其满足使用要求，即具备所要求的工作能力，同时还应当满足生产要求，否则就可能制造不出来，或虽能制造但费工费料很不经济。

　　在具体生产条件下，如所设计的机械零件便于加工而加工费用又很低，则这样的零件就称为具有良好的工艺性。有关工艺性的基本要求是：

　　①毛坯选择合理机械制造中毛坯制备的方法有：直接利用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。毛坯的选择与具体的生产技术条件有关，一般取决于生产批量、材料性能和加工可能性等。

　　②结构简单合理设计零件的结构形状时，警好采用最简单的表面（如平面、圆柱面、螺旋面）及其组合，同时还应当尽量使加工表面数目最少和加工面积最小。

　　③规定适当的制造精度及表面粗糙度零件的加工费用随着精度的提高而增加，尤其在精度较高的情况下，这种增加极为显著。因此，在没有充分根据时，不应当追求高的精度。同理，零件的表面粗糙度也应当根据配合表面的实际需要，作出适当的规定。

　　欲设计出工艺性良好的零件，设计者就必须与工艺技术员工相结合并善于向他们学习。此外，在金属工艺学课程和手册中也都提供了一些有关工艺性的基本知识，可供参考。

（2）标准化

　　标准化是指以制订标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过程。标准化的研究领域十分宽广，就工业产品标准化而言，它是指对产品的品种、规格、质量、检验或安全、卫生要求等制订标准并加以实施。

　　产品标准化本身包括三个方面的含义：（l）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，以较少的品种规格满足用户的广泛需要；（2）零部件的通用化，将同一类型或不同类型产品中用途结构相近似的零部件（如螺栓、轴承座、联轴器和减速器等），经过统一后实现通用互换；（3）产品质量标准化，产品质量是一切企业的“生命线”，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，甚至包装储运等环节的标准化。这样，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。

　　对产品实行标准化具有重大的意义：在制造上可以实行专业化大运生产，既可提高产品质量又能降低成本；在设计方面可减少设计工作量；在管理维修方面，可减少库存量和便于更换损坏的零件。

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