机械零件设计

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　　机械零件设计是从机器的工作原理、承载能力、构造和维护等方面研究通用机械零件的设计问题，其中包括如何合理确定零件的形状和尺寸、如何合理选择零件的材料以及如何使零件具有良好的工艺性等。

　　零件是组成机器的基本单元，要使所设计的机器满足基本使用要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求。

　　1．避免在预定寿命期内失效的要求

　　在预定寿命期内不失效的要求包括三方面：强度、刚度、寿命。

　　(1)强度

　　零件在工作中发生断裂、磨损或不允许的变形统属强度不足。上述失效形式，除了用于安全装置中预定适时破坏的零件外，对任何零件都是应当避免的。因此保证零件有足够的强度，是机器正常工作的一个基本要求。

　　为了提高机械零件的强度，在设计时原则上可以采用以下的措施：采用强度高的材料；使零件具有足够的截面尺寸；合理地设计零件的截面形状，以增大截面的惯性矩；采用热处理和化学热处理方法，以提高材料的力学性能；提高运动零件的制造精度，以降低工作时的动载荷；合理地配置机器中各零件的相互位置，以降低作用于零件上的载荷等。

　　(2)刚度

　　零件在工作时所产生的弹性变形不超过允许的限度，就叫做满足了刚度要求。对于弹性变形过大就要影响机器工作性能的零件，设计时除了要作强度计算外，还必须作刚度计算。

　　为了提高零件的整体刚度，可采取如下措施：增大零件截面尺寸或增大截面的惯性矩；缩短支承跨距或采用多支点结构，以减小挠曲变形等。

　　(3)寿命

　　有的零件在工作初期虽然能够满足各种要求，但在工作一定时间后，却可能由于某些原因而失效。这个零件正常工作延续的时间就叫零件的寿命。

　　零件寿命是决定机器寿命的基础，零件的破坏会导致机器无法正常工作。影响零件寿命的主要原因有：材料的疲劳，材料的腐蚀以及相对运动零件接触表面的磨损。

　　2．结构工艺性要求

　　零件具有良好的结构工艺性，是指在既定的生产条件下，能够方便而经济地生产出来，并便于装配。所以零件的结构工艺性应从毛坯制造、机械加工过程及装配等几个生产环节加以综合考虑。工艺性还和批量大小及具体的生产条件相关。为了改善零件的工艺性，就应当熟悉当前的生产水平及条件。对零件的结构工艺性具有决定性影响的零件结构设计，在整个设计工作中占有很大的比重，因而必须予以足够的重视。

　　3．经济性要求

　　零件的经济性首先表现在零件本身的生产成本上。零件的经济性决定了机器的经济性，设计零件时，应力求设计出耗费(包括钱财、制造时间及人工)最少的零件。

　　要降低零件的成本，首先要采用轻型的零件结构，以降低材料消耗，并且采用廉价而供应充足的材料以代替贵重材料，可以降低材料费用；采用少余量或无余量的毛坯或简化零件结构，以减少加工工时；工艺性良好的结构就意味着加工及装配费用低，所以工艺性对经济性有着直接的影响，对于大型零件采用组合结构以代替整体结构，这些对降低零件成本均有显著的作用。另外，尽可能采用标准化的零、部件，就可在经济性方面取得很大的效益。

　　4．质量小的要求

　　对绝大多数零件来说，都应当力求减小其质量。减小质量有两方面的好处：一方面可以节约材料，节约材料就意味着节省成本；另一方面，对于运动零件来说，可以减小惯性，改善机器的动力性能。

　　可采取以下措施减小零件的质量：采用缓冲装置来降低零件上所受的冲击载荷；使用安全装置来限制作用在主要零件上的最大载荷；适当减少零件上应力较小处材料，以改善零件受力的均匀性，从而提高材料的利用率；施加与工作载荷相反方向的预载荷，以降低零件上的工作载荷，采用轻型薄壁的冲压件或焊接件来代替铸、锻零件，以及采用强重比高的材料等。

　　5．可靠性要求

　　机器的可靠性是由零件的可靠性保证的，零件可靠度是指在规定的使用时间内和预定的环境条件下，零件能够正常地完成其功能的概率。对于绝大多数机械来说，失效的发生都是随机性的。因此，为了提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零件的性能两个方面使其随机变化尽可能地小。此外，在使用中加强维护和对工作条件进行监测，也可以提高零件的可靠性。

　　机械零件的常规设计方法有以下几种。

• 理论设计。所谓理论设计，就是根据设计理论和实验数据所进行的设计。它又可分为设计计算和校核计算两类。设计计算是根据零件的工作情况，选定计算准则，按其所规定的要求计算出零件的主要几何尺寸和参数。校核计算是先按其他方法初步拟定出零件的主要尺寸和参数，然后根据计算准则所规定的要求校核零件是否安全。由于校核计算时已知零件的有关尺寸，因此能计入影响强度的结构因素和尺寸因素，计算结果比较精确。
• 经验设计。经验设计是指根据已有的经验公式或设计者本人的工作经验，或借助类比方法所进行的设计。它主要适用于使用要求变动不大而结构形状已典型化的零件，如箱体、机架、传动零件的结构要素等。
• 模型实验设计。这种设计主要是针对一些尺寸巨大、结构复杂的重要零件，根据初步设计的结果，按比例制成小尺寸的模型，采取实验手段对其各方面的特性进行检验，再根据实验结果对原设计进行逐步修改，从而达到完善的设计。模型实验设计是在设计理论还不成熟，已有的经验又不足以解决设计问题时，为积累新经验、发展新理论和获得好结果而采用的一种设计方法。但这种设计方法费时、耗资，一般只用于特别重要的设计中。

　　(1)选择零件的类型和结构要根据零件的使用要求，在熟悉各种零件的类型、特点及应用范围的基础上进行。

　　(2)分析和计算载荷。根据机器的工作情况，确定作用在零件上的载荷。

　　(3)选择合适的材料。根据零件的使用要求、工艺要求和经济性要求选择合适的材料。

　　(4)确定零件的主要尺寸和参数。根据对零件的失效分析和所确定的计算准则进行计算，确定零件的主要尺寸和参数。

　　(5)零件的结构设计。应根据功能要求、工艺要求、标准化要求，确定零件合理的形状和结构尺寸。

　　(6)校核计算。只对重要的零件且有必要时才进行这种校核计算，以确定零件工作时的安全程度。

　　(7)绘制零件的工作图。

　　(8)编写设计计算说明书。

　　机械零件常用的材料有钢、铸铁、有色金属和非金属等，常用材料的牌号、性能及热处理知识可查阅机械设计手册。

　　在机械设计中选择材料是一个重要环节。随着材料科学的不断发展，机械制造业对零件的要求在提高。因此，设计者在选择材料时，应充分了解材料的性能和适用条件，并考虑零件的使用、工艺和经济性等要求。

　　1．使用要求

　　为保证机械零件不失效，根据载荷作用情况，对零件尺寸的限制和零件重要程度，对材料提出强度、刚度、弹性、塑性、冲击韧性、阻尼性和吸振性等力学性能方面的相应要求。同时，由于零件工作环境等其他需求，对材料可能还有密度、导热性、抗腐蚀性、热稳定性等物理性能和化学性能方面的要求等。

　　2．工艺要求

　　选择零件材料时必须考虑到加工制造工艺的影响。铸造毛坯应考虑材料的液态流动性、产生缩孔或偏折的可能性等；锻造毛坯应考虑材料的延展性、热脆性和变形能力等；焊接零件应考虑材料的可焊性和产生裂纹的倾向等；对进行热处理的零件应考虑材料的可淬性、淬透性及淬火变形的倾向等；对于切削加工的零件应考虑材料的易切削性、切削后能达到的表面粗糙度和表面性质的变化等。

　　3．经济性

　　从经济观点出发，在满足性能要求的前提下，应尽可能选用价廉的材料，以降低材料费用。另外，还应综合考虑到生产批量等因素的影响，如大量生产宜用铸造毛坯；单件生产采用焊接件，可以降低制造费用。

　　一、工艺性

　　良好的工艺性是指所设计的机械零件能用最短的时间、最少的劳动量、最低的制造费用生产出来，且装拆、维修方便。零件制造一般包括毛坯生产、切削加工、热处理、装配等阶段，各阶段都是有机联系着的，设计时必须全面考虑。设计机械零件时有关工艺性的基本要求有以下几方面的内容：

　　1．零件的结构与生产条件和规模相适应

　　单件或小批量生产的零件，应充分利用现有的生产条件。如直径大于600mm的齿轮毛坯，用一般的锻压设备难以锻造，应采用铸件或焊接件。在单件或小批量生产时，不宜采用铸件或模锻件，以免模具造价太贵(尤其是模锻)而提高零件成本。如果没有磨齿机床，就不要采用齿面硬度高、热处理变形大的热处理方法。

　　2．毛坯选择合理

　　零件的毛坯可以是铸件、锻件、轧制件、焊接件和冲压件等。毛坯的选择应考虑生产批量大小、材料性能和加工性能等。如对锻件而言，单件或小批量生产宜用自由锻，大批量生产宜用模锻。

　　3．结构和形状应简单合理

　　零件的结构和形状越复杂，制造、装配和维修就越困难，成本也就越高，因此，要尽可能采用简单的圆柱面、平面、共轭曲面及其组合，尽量减少被加工面的数目和被加工面的面积，尽量采用相同尺寸(直径、圆角半径、配合尺寸和公差，螺纹的直径、线数和螺距，齿轮模数等)。

　　4．规定合理的制造精度和表面粗糙度

　　制造精度过高、表面粗糙度值过低，都会明显增加机械零件的制造成本。因此，在满足使用要求的前提下，应尽可能降低制造精度、增大表面粗糙度值。

　　5．满足热处理的要求

　　为避免热处理时变形、开裂或降低热处理质量(如硬度不足、软点、强度低、渗碳层薄或不均匀等)，零件的几何形状应简单、对称，长径比不可太大，尽量减少应力集中源，截面均匀，无锐边和尖角，避免不通孔、配作孔和局部渗碳、渗氮等。零件也应有足够的刚度。为使淬火气膜不易附着、冷却均匀、变形较小，对零件表面粗糙度有一定要求。

　　6．考虑装拆的工艺性

　　设计中，应考虑零件能便于装配、拆卸，并尽可能减少装拆的工作量，还应考虑搬运、安装、使用、维修的方便性和经济性。

　　二、标准化

　　标准化是指对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、制图要求等制定出各式各样的标准，供大家共同遵守。与标准化密切相关的是零部件的通用化、产品的系列化。

　　通用化是指最大限度地减少和合并产品的形式、尺寸和材料的品种，使零部件尽量在不同规格的同类产品乃至不同类产品中通用，以减少企业内部的零部件种数，从而简化生产管理，并获得较高的经济效益。

　　系列化是指将尺寸和结构拟订出一定数量的原始模型，然后根据需求，按照一定的规律优化组合成产品系列。

　　标准化、通用化和系列化被统称为“三化”。“三化”的优越性表现在：

　　1)采用标准结构及零部件，可以简化设计工作，缩短设计周期，提高设计质量。

　　2)便于安排专门工厂采用先进技术进行专业化大生产，保证产品质量，并能大幅度降低劳动量、材料消耗和制造成本。

　　3)技术条件和检验、试验方法的标准化，可以改进和提高零部件的质量。

　　4)增强互换性，便于维修。

　　我国现已颁布的与机械设计有关的标准，可以分为国家标准(GB、GB／T)、部颁标准(如JB、YB等)、专业标准和企业标准四级。我国已加入国际标准化组织(ISO)，许多新的国家标准已采用了相应的国际标准。设计时，应执行和采用各项标准。