机械零件的设计都有哪些步骤方法

机械零件的设计准则有如下这些：

为防止零件的失效，在设计零件时所依据的基本原则，称为设计准则。机械零件常用的设计准则如下。

1.强度准则。强度准则就是指零件中的应力不得超过允许的限度，即应使其危险剖面上或工作表面上的工作应力不超过零件的允许应力，用公式表示为满足强度要求的另一种表达方式是使零件工作时危险剖面上的实际安全系数不小于许用安全系数。

2.刚度准则。刚度准则是指零件在载荷作用下产生的弹性变形量不超过机器工作性能所允许的极限值，即许用变形量，许用变形根据不同的机械类型及其使用场合，按理论或经验来确定其合理的数值。

3.寿命准则。寿命准则就是要求零件在预期的工作期限内，能正常工作而不失效。而影响零件寿命的主要因素是材料的疲劳和由于磨损及腐蚀引起的表面失效。依据材料的疲劳极限进行疲劳强度计算可防止发生疲劳失效。

但是对于磨损，由于其类型多，产生的机理也还不完全清楚，影响因素也很复杂，所以尚无通行的能够进行定量计算的方法。然而零件的磨损会使其工作性能降低，过度磨损常成为零件报废的主要原因之一。

因此除采用合理选择摩擦副的材料、提高其耐磨性、采用良好的润滑以减少磨损等措施外，还应限制与磨损有关的参数，例如限制比压（单位接触面积上的压力）和比压与速度的乘积值来保证零件表面有一层强度较高的边界膜，以保护零件表面不产生过量磨损。

对于腐蚀寿命，至今，尚无提出腐蚀寿命的计算方法，因而只好从材料选择和工艺措施两方面来提高零件的防腐蚀能力。例如，选用耐腐蚀的材料，采用发蓝、表面镀层、喷涂漆膜及表面阳极化处理等措施。

4.振动稳定性准则。机器中存在着很多周期性变化的激振源，例如：齿轮的啮合，滚动轴承中的振动，弹性轴的偏心振动等。

如果某一零件本身的固有频率与激振源的频率重合或成整倍数关系时，这些零件就会发生共振，造成零件破坏或机器工作条件失常。因此对易于丧失稳定性的高速机械应进行振动分析和计算，以确保零件及系统的振动稳定性，即在设计时要使机器中受激振作用的各零件的固有频率与激振源的频率错开。

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。

机械零件设计的基本要求：

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。

机械零件设计的注意事项：

产品设计过程是智力活动过程，它体现了设计人员的创新思维活动，设计过程是逐步逼近解决方案并逐步完善的过程。设计过程中还应注意以下几点。

(1)设计过程要有全局观点，不能只考虑设计对象本身的问题，而要把设计对象看作一个系统，处理“人—机—环境”之间的关系。

(2)善于运用创造性思维和方法，注意考虑多种方案的解，避免解决问题的局限性。

(3)设计的各阶段应有明确的目标，注意各阶段的评价和优选，以求出既满足功能要求又有最大实现可能的方案。

(4)要注意反馈及必要的工作循环。解决问题要由抽象到具体，由局部到全面，由不确定到确定。

械零件是指组成机器的不可拆分的基本单元，如螺栓、螺钉、键、带、齿轮、轴、弹簧、销等。机械零件分为通用零件和专用零件。通用零件是指能在各种机器中广泛使用的零件，专用零件是指只能在某一类特定的机器中使用的零件。

机械零部件的设计方法一般来说主要有三种。第一种：理论设计，理论设计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。第二种：经验设计，经验设计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。这主要适用于使用要求不大变动而结构形状已典型化的零部件。第三种：模型实验设计，这种设计是对一些尺寸巨大、结构复杂的重要零部件，根据初步设计的结果，按比例制成小尺寸的模型，经过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。

最直接的是要满足功能要求，然后考虑如何实现，选材料，加工工艺，制图，加工周期，成本预算等。

传递运动和能量的带传动、摩擦轮传动、键传动、谐波传动、齿轮传动、绳传动和螺旋传动等机械传动，以及传动轴、联轴器、离合器和制动器等相应的轴系零（部）件。起支承作用的零（部）件，如轴承、箱体和机座等。

起润滑作用的润滑系统和密封等。弹簧等其它零（部）件。作为一门学科，机械零件从机械设计的整体出发，综合运用各有关学科的成果。

研究各种基础件的原理、结构、特点、应用、失效形式、承载能力和设计程序；研究设计基础件的理论、方法和准则，并由此建立了本学科的结合实际的理论体系，成为研究和设计机械的重要基础。

1、强度准则

要求机械零件的工作应力σ不超过许用应力[σ]。其典型的计算公式是：

（3-16）

σlim——极限应力，对受静应力的脆性材料取其强度极限，对受静应力的塑性材料取其屈服极限，对受变应力的零取其疲劳极限。

S——安全系数。

2.刚度准则

机械零件在受载荷时要发生弹性变形，刚度是受外力作用的材料、机械零件或结构抵抗变形的能力。材料的刚度由使其产生单位变形所需的外力值来量度。机械零件的刚度取决于它的弹性模量E或切变模量G、几何形状和尺寸，以及外力的作用形式等。分析机械零件的刚度是机械设计中的一项重要工作。对于一些需要严格限制变形的零件（如机翼、机床主轴等），须通过刚度分析来控制变形。我们还需要通过控制零件的刚度以防止发生振动或失稳。另外，如弹簧，须通过控制其刚度为某一合理值以确保其特定功能。刚度准则是要求零件受载荷后的弹性变形量不大于允许弹性变形量。刚度准则的表达式为

（3–17）

y是弹性变形量，如挠度、纵向伸长（缩短）：[y]为相应的许用弹性变形量。零件的弹性变形量可由理论计算或经实验得到，许用变形量则取决于零件的用途，根据理论分析或经验确定。

3.耐热性准则

由于摩擦等原因，机械在运转时，机械零件和润滑剂的温度一般会升高。过高的工作温度将导致润滑效果下降，同时，还会引起零件的热变形、硬度和强度下降，甚至损坏。如在高温时，金属机械零件可能发生胶合、卡死；塑料等非金属机械零件可能发生软化，甚至熔化等，在某些场合还会引起热应力。耐热性准则一般是控制机械零件的工作温度不要超过许用值，以保证零部件正常工作，其表达式是

（3–18）

为了改善散热性能、控制温升，必要时可以采用水冷或气冷等措施。

4. 振动稳定性准则

当激励的频率等于物体固有频率时，物体振幅最大，激励的频率与固有频率相差越大，物体的振幅越小。激励的频率接近物体的固有频率时，受迫振动的振幅会很大，这种现象叫做共振。振动稳定性指机械零件在机器运转时避免发生共振的品质。

为了延长机器的寿命，为了避免轴和机器的损坏，应验算轴的振动稳定性，特别是高速机器的轴。振动稳定性准则要求机械零件的固有频率应与激励的频率错开，保证不发生共振。

设机器中受激励作用的零部件的固有频率为f，激励力的频率为fp，一般要求

fp <0.85 f 或 fp >1.15 f （3–19）

改变机械零件的刚度和质量可以改变其固有频率。增大机械零件的刚度和减小其质量，提高其固有频率；减小机械零件的刚度和增大其质量则降低机械零件的固有频率。有时，机器运转时为了防止共振要调节转速。

轴产生共振的主要原因是：由于材料内部质量不均匀，加之制造和安装的误差，使其质心和它的旋转中心产生偏差，轴旋转时产生惯性力，这个惯性力使转子作强迫振动。轴在引起共振时的速度称为临界速度。在临界速度下，这个惯性力的频率等于或几倍于转子的固有频率，因此发生共振。

5.寿命准则

为了保证机器在一定寿命期限内正常工作，在设计机械零件时必然要对机械零件的寿命提出要求。需要说明，在机器寿命期限内，零件是可以更换的，也就是说某些机械零件的寿命可以比机器的寿命短。机械零件的寿命主要受材料的疲劳、磨损和腐蚀影响。

为了避免发生零件疲劳引起的失效，如疲劳断裂，应根据机械零件寿命对应的疲劳极限计算疲劳强度。即根据寿命要求，结合零件转速等具体情况，根据式（3-6），计算出应力循环次数为N时的疲劳极限，再代入强度条件式，计算疲劳强度。当满足疲劳强度时，可以保证机械零件在破坏前的应力循环次数达到寿命要求。

磨损一般是不可避免的。在一定条件下，腐蚀也是不可避免的，如桥梁结构件、地埋钢质管道的腐蚀等。在设计时，主要是保证机械零件在寿命内，不要发生过度的磨损和腐蚀。磨损发生的机理尚为完全被人们掌握，影响磨损的因素也比较多，一般根据摩擦学设计原理来改善摩擦副的耐磨性。主要措施有：合理选择摩擦副材料；合理选择润滑剂和添加剂；控制摩擦副的工作条件，如压强、滑动速度和温升。

到目前为止，还没有实用、有效的腐蚀寿命计算方法，通常从材料选择及防腐处理方面采取措施。如选用耐腐蚀的材料，采用表面镀层、喷涂、磷化等处理。

6. 可靠性准则

可靠性是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。产品的质量一般应包含性能指标和可靠性指标。机械产品的性能指标是指产品具有的技术指标，如机械的功率、转矩、工作力、工作速度等。如果只有性能指标，没有可靠性指标，产品的性能指标也得不到保证。例如，一台技术先进的飞机，如果可靠性不高，势必经常发生故障，影响正常飞行和增加维修费用，甚至可能造成严重的事故。产品的可靠性用可靠度R（t）来衡量。

1、首先要分清拆旧机器零件的工作设备的安全卫生基本要求

（1）合理的机械结构型式。机械设备的结构型式一定要与其执行的预定功能相适宜，不能因结构设计不合理而造成机械正常运行时的障碍、卡塞或松脱；不能因元件或软件的暇疵而引起微机数据的丢失或机；不能发生任何能够预计到的与机械设备的设计不合理的有关事件。

（2）拆旧机器零件的工作时,各组成受力零部件及其连接，应满足完成预定最大载荷的足够强度、刚度和构件稳定性，在正常作业期间不应发生由于应力或工作循环次数产生断裂破碎或疲劳破坏、过度变形或垮塌；还必须考虑在此前提下机械设备的整体抗倾覆或防风抗滑的稳定性，特别是那些由于有预期载荷作用或自身质量分布不均的机械振动位移。

（3）对使用环境具有足够的适应能力。拆旧机器零件的工作设备必须对其使用环境（如温度、湿度、气压、风载、雨雪、振动、负载、静电、磁场和电场、辐射、粉尘、微生物、动物、腐蚀介质等）具有足够的适应能力，特别是抗腐蚀或空蚀，耐老化磨损，抗干扰的能力，不致由于电气元件产生物理性、化学性、生物性的影响而造成事故。

2．可靠有效的安全防护

　任何拆旧机器零件的工作都有这样那样的危险，当投入拆旧机器零件的工作时，环境条件以及操作人员处于动态结合情况下的危险性就更大。只要存在危险，即使操作者受过良好的技术培训和安全教育，有完善的规程，也不能完全避免发生机械伤害事故的风险。因此，必须建立可靠的物质屏障，即在机械上配置一种或多种专门用于保护人的安全的防护装置、安全装置或采取其他安全措施。当设备或操作的某些环节出现问题时，靠机械自身的各种安全技术措施避免事故的发生，保障人员和设备安全。危险性大或事故率高的生产设备，必须配备好安全防护装置。

（一）避免在预定寿命期内失效的要求

1．强度

零件在工作中发生断裂或不允许的残余变形统属强度不足。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。因此具有适当的强度是设计零件时必须满足的最基本条件。

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，以提高材料的机械强度特性；

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。显然，只有当弹性变形过大就要影响机器工作性能的零件，才需要满足这项要求。对于这类零件，设计时除了要作强度计算外，还必须作刚度计算。