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1《机械设计（Ⅲ）（零件）》第一章机械设计概述开篇：什么是机械设计？机器：单台机器，多台机器组成生产线移动机器，固定机器典型机器组成：动力，传动，执行机构，机架，传感与控制原动力：电机（感应、步进、伺服、磁阻、直线、直流、交流），发动机，发电机，液压，气动，光，声，风，磁（电）至伸缩，记忆合金传动：减(增)速器，机械无级变速，变频变速传感：位移，（加）速度，视觉，力，变形，振动，噪声，温度，液位，光电开关控制：计算机，单片机（DSP），PLC，远（近）程控制，无（有）线，遥控智能机器（人）：低级智能，高级智能，移动，非移动开篇：什么是机械设计？（续）机器机械组成机器机械组成：机构、结构：部件、昀小单位零件（专用零件、通用零件：机械、通用零件：机械、气动、液压）设计是创新的实现设计是创新的实现：复制机器，改进机器，创新创新机器复制零部件，改进零部件，创新创新零部件创新：创新：科学的想象力：天梯常见通用零件：常见通用零件：传动件（齿轮、带传动、链传动等），支撑件（滚动轴承、滑动轴承），轴，连接件（螺纹、键、连轴器、离合器），其它（弹簧等）神舟”五号载人飞船发射升空(长征二号F运载火箭)神舟五号返回舱机械的组成汽车机械的组成机器人焊接机械的组成2如何设计机器？失效概念：失效概念：机器或零部件无法正常工作失效形式：失效形式：由机器使用环境与要求决定常见失效形式（单一或共存）：常见失效形式（单一或共存）：断裂，变形，磨损，振动，点蚀，胶合，温升，精度等破坏性失效与非破坏性失效破坏性失效与非破坏性失效轮齿折断疲劳点蚀斜齿轮点蚀如何设计机器？（续）设计准则设计准则：根据失效形式的机理进行设计设计准则的确定设计准则的确定：根据主要失效形式变应力与静应力变应力与静应力：疲劳和静强度静态设计静态设计：低速动态设计动态设计：高速悬臂梁设计过程悬臂梁设计过程设计与较核区别设计与较核区别设计人员需求和设计能力培养需求：需求：极度短缺，原因在于设计需要经验的积累设计能力培养：设计能力培养：Z掌握3D机械设计软件和2D工程图的设计使用能力Z具有基本的结构设计与分析能力和机构分析能力Z掌握通用零部件的设计原理与方法通用零部件的设计原理与方法Z掌握FEM分析软件的使用Z掌握机电设计的基本原理与方法Z尝试在指导下实践2－3个创新设计案例动画播放曲柄摇杆机构动画牛奶灌装机动画贴片机动画高压绝缘子检测机器人动画3高压绝缘子检测机器人1.1.1课程的性质§1.1课程介绍机械设计课程是培养机械工程类专业学生通用机械设计能力的主干技术基础课；机械设计课程是是学习专业课程和从事机械产品设计的必备基础本课程所涉及的先修课程有：工程材料：非金属材料，金属材料及热处理。工程制图：设计的图形表达。机械制造基础：冷加工工艺，热加工工艺。公差配合与技术测量：解决精度设计问题。理论力学：解决力分析与动力计算。材料力学：解决强度分析问题。机械原理：解决机械的方案设计。机械设计结果的表现形式为：机械工程图、说明书和计算机程序。机械设计的一般程序、设计步骤、设计方法，有关标准。机械设计基础理论，强度设计理论，摩擦学设计知识等通用基础零部件设计理论与方法，如传动零部件设计方法、连接件设计方法、箱体机架设计方法等1.1.2课程的内容通过理论学习和课程设计，初步具有一个机械设计工程师所必须具备的基本设计能力。Z树立正确的设计思想;Z掌握通用机械零部件的设计原理、方法和一般规律;Z掌握一定的设计技能（查阅资料，运用标准、规范）;Z掌握典型机械零件的实验方法，获得基本的实验技能;Z了解机械设计的昀新动态。1.1.3课程的任务1～9，周机械零件教学，54学时，其中，课堂学习约46学时，实验2学时，其余学时用于复习、答疑、笔试等；10～12周，制图教学及课程设计准备，18学时教学形式：课堂授课，讨论，课外作业考核办法及时间Z平时成绩30％，笔试及制图大作业成绩70％Z笔试时间初定第9周星期五（4月27日）1～2节1.1.4教学安排41.1.5教材及参考文献李柱国.机械设计与理论.北京：科学技术出版社,2003,8吴宗泽.机械设计.北京：高等教育出版社,2001,7SpottsMFandShoupTE.Designofmachineelements(8nd).PrenticeHall,2004吴克坚,于晓红,钱瑞明.机械设计.北京：高等教育出版社,2003,3§1.2机械设计概述设计：针对产品和过程的问题求解，工程设计、美学设计等工程设计：利用工程和科学知识进行的设计，如电器设计、建筑设计、机械设计等机械设计：能源机械设计；机器设计（结构与运动机械设计）本课程的研究对象：机器及其零部件设计的层次结构(MFSpotts)设计工程设计机械设计机器设计一台完整的机器的组成如下：动力装置传动装置执行装置操纵及控制系统传感器传感器传感器支架基础机械是机器和机构的总称机器动力机：提供或转换机械能，如内燃机工作机：利用机械能实现工作功能，如机床辅助系统以汽车为例－机器的组成传动装置操纵及控制装置动力装置执行装置机架1.2.1机械设计的地位与作用设计是影响产品技术与经济指标的关键020406080设计占成本5%设计决定成本75%成功的设计赢得了市场设计是科技成果转化为生产力的纽带设计是引进技术实现国产化的重要环节现代企业三部分将核心工作放在本企业，两头在内，中间在外开发设计制造市场销售5机器设计的基本要求Z使用方面的要求：主要指功能要求Z经济性要求：设计制造的经济性使用和维修的经济性Z社会性要求：安全、环保等1.2.2机械设计的基本要求机器设计的基本要求零件设计的基本要求机械设计的基本要求零件设计的基本要求Z工作能力要求：强度、刚度、耐磨、寿命、耐热等机械零件的工作能力是指在一定的运动、载荷和环境条件下，在预定的使用期限内，不发生失效，安全实现规定功能的限度。Z工艺性要求：加工和装配的加工工艺性Z经济性要求：制作成本低Z其他要求：噪声、环保、安全性能等开发性设计机械产品的工作原理和具体结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，开发设计新产品，这是一种完全创新的设计。适应性设计对现有机械产品的工作原理、设计方案不变的前提下，仅作局部变更或增加附加功能，在结构上作相应调整，使产品更能满足使用要求。变形设计机械产品的工作原理和功能结构不变，为了适应工艺条件或使用要求，改变产品的具体参数和结构1.2.3机械设计的类型机器设计的一般过程（MFSpotts、RudolfKoller等）计划阶段方案设计技术设计施工设计样机试制投产及售后服务z制定任务书z可行性论证z技术经济评价z功能结构z组合及选择z抽象化z完善与检查z精确结构设计z粗略结构设计z装配图z零件图1.2.4机械设计的一般过程正确选定零件的类型根据运动及动力参数、工况条件、使用状况等确定作用于零件上的载荷获得力学模型、确定载荷性质确定零件受载后所产生的应力应力类型（单向应力/复合应力）、应力大小等正确判定零件的主要失效形式选定零件的材料或材料组合包括毛坯形式、热处理方法、硬度等进行工作能力计算进行零件结构设计进行施工设计，绘制零件的施工图1.2.5机械零件设计的一般过程6直齿圆柱齿轮设计步骤简介轴的设计步骤简介计算复合应力、应力大小接触应力计算弯曲应力计算载荷分析载荷分析1.2.7机械零件设计的失效计算准则机械零件的失效形式Z失效——零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的现象Z失效形式：强度失效、刚度失效、磨损失效、振动、噪声失效、精度失效、可靠性失效机械零件的计算准则计算准则——以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件工作能力计算依据的基本原则1）强度准则[][]limlim[][]SSστσσστττ≤=≤=limlim()()()()BBSSYYστστστστ−⎧⎪−⎨⎪−⎩脆性材料塑性材料疲极限零件在载荷作用下抵抗破坏的能力2）刚度准则零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力][yy≤y——可以是挠度、偏转角或扭转角3）耐磨性准则作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力[]pvpvpp≤≤][4）振动稳定性准则ffffpp15.1,85.05）热平衡准则[]tt∆∆≤6）可靠性准则系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。001fNNRNN==−1.2.8机械零部件的标准化、系列化和通用化系列化——将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。标准化——通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。通用化——将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现互换；7意义：1)制造上可以实现专业化大批量生产，既可提高产品质量，又能降低成本；2)设计方面可减少设计工作量；3)管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准代号为：ISOGBJB、HBQB推荐性标准（GB/T）----鼓励企业自愿采用。标准性质强制标准（GB）----必须强制执行；设计标准Z通用零部件（螺栓、键、滚动轴承、联轴器、滑动轴承、减速器等）的国家标准Z某些零件的（齿轮模数、蜗杆分度圆直径、轴径等）参数标准几何建模工具：Autocad、ProE、UG、Solidworks等计算仿真工具：Matlab、Excel、Ansys、Adams等1.2.9机械设计工具§1.3机械零件的设计方法常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。理论设计经验设计模型实验设计局限性：¾凭借有限的直接经验或间接经验¾仅对重要的零部件进行设计计算¾偏重于考虑产品自身功能的实现¾采用手工计算、绘图设计自动化：优化设计、虚拟设计、协同设计、智能设计等可靠性设计(Reliabilitydesign)创新设计（Creativedesign）：贯穿全过程现代设计方法：仿生设计（Bionicsdesign）生态化设计（Designforenvironment）面向环境、资源（含物源和能源）、生物（人类、动植物）的设计；1.3.1摩擦学设计基础知识摩擦、磨损与润滑的科学总称为摩擦学；摩擦会引起零件表面磨损、温度升高、能量损耗；由于磨损而失效的零件占失效零件总量的80％左右；据统计世界上工业能源的1/3是由于克服摩擦而消耗；摩擦的利用与克服但是，摩擦还被用于传递工作动力、缓和冲击和产生阻尼。摩擦学设计：将摩擦学理论应用于机械系统设计的设计方法摩擦分类按摩擦副的形式分类滑动摩擦滚动摩擦按摩擦状态①干摩擦：表面直接接触②边界摩擦：吸附膜、化学反应膜，厚度0.1µm③流体摩擦：两表面被压力液体完全隔开④混合摩擦：两表面少量接触，0.01µm膜厚1µm塑性变形弹性变形边界膜液体8滑动摩擦类型及润滑状态判断方法一：根据膜厚判断，但膜厚测量困难方法二：根据摩擦特性曲线判断横坐标——摩擦特性系数纵坐标——摩擦系数µηv/pη润滑剂粘度；v速度；p压强磨损过程1）磨合磨损过程2）稳定磨损阶段3）急剧磨损阶段表面粗糙Æ磨损量迅速增加，磨损率较高；经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦条件保持相对稳定，磨损较缓,该段时间长短反映零件的寿命经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大→动载振动→润滑状态改变→温升↑→磨损速度急剧上升→直至零件失效O时间t∆t磨损量q∆q稳定磨损阶段磨合磨损阶段III剧烈磨损阶段III磨损率O时间t1）粘着磨损2）磨粒磨损：软表面上产生划痕，由外界硬颗粒或表面的硬突起所致；3）表面疲劳磨损：材料剥落产生凹坑，疲劳点蚀4）腐蚀磨损磨损类型（根据破坏机理）蜗杆传动硬软金属转移到金属表面软金属表面浅层涂抹轴颈与轴瓦无法相对运动咬死齿轮、蜗杆传动表面“撕脱”一方或双方较深层胶合