任务二 了解机械设计的基本准则及一般步骤

一、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失效形式，但并不是零件失效的唯一形式。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疲劳强度极限时将发生断裂；（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。

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的工作不正常。

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擦，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

有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作，否则就会引起失效，如带传动因过载发生打滑，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（磨擦磨损、腐蚀除外）的能力。

整体强度的判定准则为：零件在危险截面处的最大应力σ、τ不应超过材料的许用应力[σ]、[τ]，即

σ≤[σ]

τ≤[τ]

或使危险截面上的安全因数S不小于许用的安全因数[S]，即

S≥[S]

对于受挤压的表面，挤压应力不应过大，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σp不应超过许用挤压应力[σp]，即

σp≤[σp]

2．刚度准则

刚度是指零件受载后抵抗弹性变形的能力，其设计准则为：零件在载荷作用下产生的弹性变形量不应大于机器工作性能所允许的极限值，即

y≤[y]

θ≤[θ]

φ≤[φ]

3．耐磨性准则

耐磨性是在载荷作用下相对运动的两零件表面抵抗磨损的能力。零件过度磨损会使形状和尺寸改变，配合间隙增大，精度降低，产生冲击振动从而失效，设计时应使零件在预期的寿命内的磨损量不超过允许范围。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不应大于零件的许用压强[P]，即

P≤[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

t≤[t]

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渐试验或检测的产品，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

R=Ns/Nt

二、机械设计的一般步骤

机械设计是一项复杂、细致和科学性很强的工作。随着科学技术的发展，对设计的理解在不断地深化，设计方法也在不断地发展。近年来发展起来的“优化设计”、“可靠性设计”、“有限元设计”、“模块设计”、“计算机辅助设计”等现代方法已在机械设计中得到了推广与应用。即使如此，常规设计方法仍然是工程技术人员进行机械设计的重要基础，必须很好地掌握。

1．机械设计过程的几个阶段

（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，这是机械产品设计首先需要解决的问题。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方案并进行分析比较，从中优选出一种功能满足要求、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，完成设计产品的总体设计、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）制造及实验

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，将实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。

2．设计机械零件的一般步骤

与设计机器时一样，设计机械零件也常需拟订出几种不同方案，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，这些步骤又是互相交错、反复进行的。

应当指出，在设计机械零件时往往是将较复杂的实际工作情况进行一定的简化，才能应用力学等理论解决机械零件的设计计算问题，因此，这种计算或多或少带有一定的条件性，成为条件性计算。机械零件设计基本上是按条件性计算进行的，如注意到公式的适用范围，一般计算结果具有一定的可靠性，并充分考虑了机械零件的安全性。为了使计算结果更符合实际情况，有必要时可进行模型实验或事物实验。

思考题

1．机械零件常见的失效形式有哪些？

2．机械设计准则是什么？

3．机械设计的一般步骤有哪些？