第3章　机械零件的设计方法简介

3.1　复习笔记

一、机械零件的常见失效形式和设计准则

1．机械零件的主要失效形式

（1）定义

失效是指机械零件由于各种原因导致在设计寿命期内丧失设计时要求的功能的现象。

（2）主要失效形式

①断裂；

②塑性变形；

③过量的弹性变形；

④表面失效

a．磨损；

b．疲劳点蚀；

c．胶合；

d．塑性流动；

e．压溃；

f．腐蚀。

⑤破坏正常工作条件引起的失效。

2．机械零件的工作能力和设计准则

（1）工作能力

工作能力是指零、部件不发生失效时的安全工作限度。

（2）设计准则

①强度设计准则

a．危险剖面上或工作表面上的最大工作应力不超过零、部件的许用应力，即

拉伸强度：σ（或σ_ca）≤[σ]；

剪切强度：τ≤[τ]。

b．工作时危险剖面或工作表面上的实际安全系数S不小于许用安全系数[S]，即

单向应力状态时

复合应力状态时

式中，、——零、部件只受正应力或剪应力时的安全系数。

②刚度设计准则

弹性变形量y不超过许用变形量[y]，即

y≤[y]

③精度设计准则

零件的精度指标用尺寸误差和形状位置误差值进行控制和保证。

④寿命设计准则

保证零、部件在规定的使用期限内不发生疲劳失效、磨损和腐蚀。

⑤振动稳定性准则

在设计时要使机器中受激振作用的各零部件的固有频率f与激振源的频率f_p错开，通常应保证

⑥可靠性设计准则

可靠性是系统、机器或零、部件等在规定时间内能正常工作的能力。

二、设计机械零件时应满足的基本要求及其设计方法

1．设计机械零件时应满足的基本要求

（1）工作可靠；

（2）结构工艺性好；

（3）成本低廉、经济性好。

2．机械零件的设计方法

（1）理论设计；

①设计计算

②校核计算

（2）经验设计；

（3）模型实验设计；

（4）虚拟样机技术。

三、机械零件的强度和刚度设计方法

目的：保证零件危险截面上的应力小于许用应力、最大变形或转角在允许的范围内。

四、机械零件的精度设计方法

1．公差对机械零件的影响

（1）影响零件的质量；

（2）影响加工精度和加工成本。

2．公差分析方法

（1）极值法；

（2）统计法。

3．公差分配原则与公式

公差分配是指在保证机械产品满足总的精度指标的前提下规定组成环尺寸的合理可行的公差，是目标优化的过程。公差分配方案主要有：

（1）等公差值法

对所有组成环对应的零件尺寸分配相等的公差，即平均公差，其表达式为

（2）等公差等级法

①首先对待分配公差的全部组成环取相同的公差等级；

②然后根据标准查出各组成环的公差因子；

③最后确定各组成环的公差。

4．公差设计的依据和步骤

（1）误差分配的依据

①产品的精度指标和总技术条件；

②工作原理图、装配图和机、电、光、控制等系统图及关键零、部件图；

③工艺水平；

④经济观点。

（2）误差分配的步骤

①将产品的精度指标转化为整机的允许总误差值；

②在总体设计阶段，主要考虑理论误差和方案误差，在安排总体布局时，分别考虑机、电、光和控制等系统的原理误差；

③对各项原理误差进行综合，一般不超过允许总误差的1／3（最多1／2），否则应更改方案或进行误差补偿；

④在草图设计完成后，进行总误差计算：

a．找出各误差源及相应的误差表达式；

b．制定各环节零、部件的公差、元器件的偏差和有关技术要求；

c．明确误差补偿措施或是否修改设计。

⑤将制定的公差、偏差和技术要求标注到零件图中，体现到装校工艺、试验检定大纲和使用说明书条文中；

⑥编写技术设计说明书，将精度计算定稿。

五、机械零件的动态性能设计方法

1．动态设计的步骤

（1）静态设计；

（2）建立力学分析模型，完成结构动态特性分析；

（3）根据工程实际要求，给出其动态特性的要求或预期的动态设计目标。

2．机械动态性能设计的主要内容

（1）建立符合实际的动力学模型；

（2）选择有效的动态优化设计方法。

3．机械动态性能设计方法

（1）力学分析法；

（2）传递函数法；

（3）模态综合分析法。

六、机械零件的可靠性设计方法

产品的可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。

1．可靠性设计的基本指标

（1）可靠度；

（2）失效率；

（3）失效密度；

（4）平均寿命或平均无故障工作时间；

（5）可靠性特征量间的关系。

2．机械零件静强度的可靠性设计

（1）设计参数的分布曲线

采用正态分布统计分布特性，记为N（u_x，σ_x），其中u_x为变量x的均值，σ_x为分布标准差，分布曲线如图3-1所示。

图3-1  机械零件设计参量x的正态分布曲线

（2）强度-应力干涉模型

图3-2  机械零件的强度和应力分布的干涉模型

①可靠度

②应力分布密度函数

③强度分布密度函数

式中，——应力和强度的均值；

  　 ——应力和强度的标准差。

④静强度可靠度

⑤可靠度连接方程

⑥变量x的均值

⑦变量x的标准差

3．系统的可靠性设计

（1）可靠度分析；

（2）可靠度分配。

七、机械性能的有限元分析方法

1．有限元方法解题的基本思路

有限元方法求解问题的基本思路是假设分析对象是实体，要确定实体上任意点的位移和应力。

2．常用单元类型简介

表3-1  常用单元的形状、节点位移分量和应用场所

3．有限元方法的解题步骤

（1）建立计算模型；

（2）计算模型的合理离散原则划分有限元网格；

（3）求解；

（4）有限元分析的前、后处理。

4．常用大型有限元程序简介

常用大型有限元程序包括：NASTRAN、ALCOR、ADINA、IDEAS、ANSYS、ProE、UG等。