機械零件設計

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　　機械零件設計是從機器的工作原理、承載能力、構造和維護等方面研究通用機械零件的設計問題，其中包括如何合理確定零件的形狀和尺寸、如何合理選擇零件的材料以及如何使零件具有良好的工藝性等。

　　零件是組成機器的基本單元，要使所設計的機器滿足基本使用要求，就必須使組成機器的零件滿足以下要求。

　　1．避免在預定壽命期內失效的要求

　　在預定壽命期內不失效的要求包括三方面：強度、剛度、壽命。

　　(1)強度

　　零件在工作中發生斷裂、磨損或不允許的變形統屬強度不足。上述失效形式，除了用於安全裝置中預定適時破壞的零件外，對任何零件都是應當避免的。因此保證零件有足夠的強度，是機器正常工作的一個基本要求。

　　為了提高機械零件的強度，在設計時原則上可以採用以下的措施：採用強度高的材料；使零件具有足夠的截面尺寸；合理地設計零件的截面形狀，以增大截面的慣性矩；採用熱處理和化學熱處理方法，以提高材料的力學性能；提高運動零件的製造精度，以降低工作時的動載荷；合理地配置機器中各零件的相互位置，以降低作用於零件上的載荷等。

　　(2)剛度

　　零件在工作時所產生的彈性變形不超過允許的限度，就叫做滿足了剛度要求。對於彈性變形過大就要影響機器工作性能的零件，設計時除了要作強度計算外，還必須作剛度計算。

　　為了提高零件的整體剛度，可採取如下措施：增大零件截面尺寸或增大截面的慣性矩；縮短支承跨距或採用多支點結構，以減小撓曲變形等。

　　(3)壽命

　　有的零件在工作初期雖然能夠滿足各種要求，但在工作一定時間後，卻可能由於某些原因而失效。這個零件正常工作延續的時間就叫零件的壽命。

　　零件壽命是決定機器壽命的基礎，零件的破壞會導致機器無法正常工作。影響零件壽命的主要原因有：材料的疲勞，材料的腐蝕以及相對運動零件接觸錶面的磨損。

　　2．結構工藝性要求

　　零件具有良好的結構工藝性，是指在既定的生產條件下，能夠方便而經濟地生產出來，並便於裝配。所以零件的結構工藝性應從毛坯製造、機械加工過程及裝配等幾個生產環節加以綜合考慮。工藝性還和批量大小及具體的生產條件相關。為了改善零件的工藝性，就應當熟悉當前的生產水平及條件。對零件的結構工藝性具有決定性影響的零件結構設計，在整個設計工作中占有很大的比重，因而必須予以足夠的重視。

　　3．經濟性要求

　　零件的經濟性首先表現在零件本身的生產成本上。零件的經濟性決定了機器的經濟性，設計零件時，應力求設計出耗費(包括錢財、製造時間及人工)最少的零件。

　　要降低零件的成本，首先要採用輕型的零件結構，以降低材料消耗，並且採用廉價而供應充足的材料以代替貴重材料，可以降低材料費用；採用少餘量或無餘量的毛坯或簡化零件結構，以減少加工工時；工藝性良好的結構就意味著加工及裝配費用低，所以工藝性對經濟性有著直接的影響，對於大型零件採用組合結構以代替整體結構，這些對降低零件成本均有顯著的作用。另外，儘可能採用標準化的零、部件，就可在經濟性方面取得很大的效益。

　　4．質量小的要求

　　對絕大多數零件來說，都應當力求減小其質量。減小質量有兩方面的好處：一方面可以節約材料，節約材料就意味著節省成本；另一方面，對於運動零件來說，可以減小慣性，改善機器的動力性能。

　　可採取以下措施減小零件的質量：採用緩衝裝置來降低零件上所受的衝擊載荷；使用安全裝置來限製作用在主要零件上的最大載荷；適當減少零件上應力較小處材料，以改善零件受力的均勻性，從而提高材料的利用率；施加與工作載荷相反方向的預載荷，以降低零件上的工作載荷，採用輕型薄壁的衝壓件或焊接件來代替鑄、鍛零件，以及採用強重比高的材料等。

　　5．可靠性要求

　　機器的可靠性是由零件的可靠性保證的，零件可靠度是指在規定的使用時間內和預定的環境條件下，零件能夠正常地完成其功能的概率。對於絕大多數機械來說，失效的發生都是隨機性的。因此，為了提高零件的可靠性，就應當在工作條件和零件的性能兩個方面使其隨機變化儘可能地小。此外，在使用中加強維護和對工作條件進行監測，也可以提高零件的可靠性。

　　機械零件的常規設計方法有以下幾種。

• 理論設計。所謂理論設計，就是根據設計理論和實驗數據所進行的設計。它又可分為設計計算和校核計算兩類。設計計算是根據零件的工作情況，選定計算準則，按其所規定的要求計算出零件的主要幾何尺寸和參數。校核計算是先按其他方法初步擬定出零件的主要尺寸和參數，然後根據計算準則所規定的要求校核零件是否安全。由於校核計算時已知零件的有關尺寸，因此能計入影響強度的結構因素和尺寸因素，計算結果比較精確。
• 經驗設計。經驗設計是指根據已有的經驗公式或設計者本人的工作經驗，或藉助類比方法所進行的設計。它主要適用於使用要求變動不大而結構形狀已典型化的零件，如箱體、機架、傳動零件的結構要素等。
• 模型實驗設計。這種設計主要是針對一些尺寸巨大、結構複雜的重要零件，根據初步設計的結果，按比例製成小尺寸的模型，採取實驗手段對其各方面的特性進行檢驗，再根據實驗結果對原設計進行逐步修改，從而達到完善的設計。模型實驗設計是在設計理論還不成熟，已有的經驗又不足以解決設計問題時，為積累新經驗、發展新理論和獲得好結果而採用的一種設計方法。但這種設計方法費時、耗資，一般只用於特別重要的設計中。

　　(1)選擇零件的類型和結構要根據零件的使用要求，在熟悉各種零件的類型、特點及應用範圍的基礎上進行。

　　(2)分析和計算載荷。根據機器的工作情況，確定作用在零件上的載荷。

　　(3)選擇合適的材料。根據零件的使用要求、工藝要求和經濟性要求選擇合適的材料。

　　(4)確定零件的主要尺寸和參數。根據對零件的失效分析和所確定的計算準則進行計算，確定零件的主要尺寸和參數。

　　(5)零件的結構設計。應根據功能要求、工藝要求、標準化要求，確定零件合理的形狀和結構尺寸。

　　(6)校核計算。只對重要的零件且有必要時才進行這種校核計算，以確定零件工作時的安全程度。

　　(7)繪製零件的工作圖。

　　(8)編寫設計計算說明書。

　　機械零件常用的材料有鋼、鑄鐵、有色金屬和非金屬等，常用材料的牌號、性能及熱處理知識可查閱機械設計手冊。

　　在機械設計中選擇材料是一個重要環節。隨著材料科學的不斷發展，機械製造業對零件的要求在提高。因此，設計者在選擇材料時，應充分瞭解材料的性能和適用條件，並考慮零件的使用、工藝和經濟性等要求。

　　1．使用要求

　　為保證機械零件不失效，根據載荷作用情況，對零件尺寸的限制和零件重要程度，對材料提出強度、剛度、彈性、塑性、衝擊韌性、阻尼性和吸振性等力學性能方面的相應要求。同時，由於零件工作環境等其他需求，對材料可能還有密度、導熱性、抗腐蝕性、熱穩定性等物理性能和化學性能方面的要求等。

　　2．工藝要求

　　選擇零件材料時必須考慮到加工製造工藝的影響。鑄造毛坯應考慮材料的液態流動性、產生縮孔或偏折的可能性等；鍛造毛坯應考慮材料的延展性、熱脆性和變形能力等；焊接零件應考慮材料的可焊性和產生裂紋的傾向等；對進行熱處理的零件應考慮材料的可淬性、淬透性及淬火變形的傾向等；對於切削加工的零件應考慮材料的易切削性、切削後能達到的錶面粗糙度和錶面性質的變化等。

　　3．經濟性

　　從經濟觀點出發，在滿足性能要求的前提下，應儘可能選用價廉的材料，以降低材料費用。另外，還應綜合考慮到生產批量等因素的影響，如大量生產宜用鑄造毛坯；單件生產採用焊接件，可以降低製造費用。

　　一、工藝性

　　良好的工藝性是指所設計的機械零件能用最短的時間、最少的勞動量、最低的製造費用生產出來，且裝拆、維修方便。零件製造一般包括毛坯生產、切削加工、熱處理、裝配等階段，各階段都是有機聯繫著的，設計時必須全面考慮。設計機械零件時有關工藝性的基本要求有以下幾方面的內容：

　　1．零件的結構與生產條件和規模相適應

　　單件或小批量生產的零件，應充分利用現有的生產條件。如直徑大於600mm的齒輪毛坯，用一般的鍛壓設備難以鍛造，應採用鑄件或焊接件。在單件或小批量生產時，不宜採用鑄件或模鍛件，以免模具造價太貴(尤其是模鍛)而提高零件成本。如果沒有磨齒機床，就不要採用齒面硬度高、熱處理變形大的熱處理方法。

　　2．毛坯選擇合理

　　零件的毛坯可以是鑄件、鍛件、軋製件、焊接件和衝壓件等。毛坯的選擇應考慮生產批量大小、材料性能和加工性能等。如對鍛件而言，單件或小批量生產宜用自由鍛，大批量生產宜用模鍛。

　　3．結構和形狀應簡單合理

　　零件的結構和形狀越複雜，製造、裝配和維修就越困難，成本也就越高，因此，要儘可能採用簡單的圓柱面、平面、共軛曲面及其組合，儘量減少被加工面的數目和被加工面的面積，儘量採用相同尺寸(直徑、圓角半徑、配合尺寸和公差，螺紋的直徑、線數和螺距，齒輪模數等)。

　　4．規定合理的製造精度和錶面粗糙度

　　製造精度過高、錶面粗糙度值過低，都會明顯增加機械零件的製造成本。因此，在滿足使用要求的前提下，應儘可能降低製造精度、增大錶面粗糙度值。

　　5．滿足熱處理的要求

　　為避免熱處理時變形、開裂或降低熱處理質量(如硬度不足、軟點、強度低、滲碳層薄或不均勻等)，零件的幾何形狀應簡單、對稱，長徑比不可太大，儘量減少應力集中源，截面均勻，無銳邊和尖角，避免不通孔、配作孔和局部滲碳、滲氮等。零件也應有足夠的剛度。為使淬火氣膜不易附著、冷卻均勻、變形較小，對零件錶面粗糙度有一定要求。

　　6．考慮裝拆的工藝性

　　設計中，應考慮零件能便於裝配、拆卸，並儘可能減少裝拆的工作量，還應考慮搬運、安裝、使用、維修的方便性和經濟性。

　　二、標準化

　　標準化是指對零件的尺寸、結構要素、材料性能、檢驗方法、設計方法、製圖要求等制定出各式各樣的標準，供大家共同遵守。與標準化密切相關的是零部件的通用化、產品的系列化。

　　通用化是指最大限度地減少和合併產品的形式、尺寸和材料的品種，使零部件儘量在不同規格的同類產品乃至不同類產品中通用，以減少企業內部的零部件種數，從而簡化生產管理，並獲得較高的經濟效益。

　　系列化是指將尺寸和結構擬訂出一定數量的原始模型，然後根據需求，按照一定的規律優化組合成產品系列。

　　標準化、通用化和系列化被統稱為“三化”。“三化”的優越性表現在：

　　1)採用標準結構及零部件，可以簡化設計工作，縮短設計周期，提高設計質量。

　　2)便於安排專門工廠採用先進技術進行專業化大生產，保證產品質量，並能大幅度降低勞動量、材料消耗和製造成本。

　　3)技術條件和檢驗、試驗方法的標準化，可以改進和提高零部件的質量。

　　4)增強互換性，便於維修。

　　我國現已頒佈的與機械設計有關的標準，可以分為國家標準(GB、GB／T)、部頒標準(如JB、YB等)、專業標準和企業標準四級。我國已加入國際標準化組織(ISO)，許多新的國家標準已採用了相應的國際標準。設計時，應執行和採用各項標準。