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主讲人—洪延梓2010年11月5日机械设计基础知识顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精目录1、机械设计的一般程序和基本要求2、机械零件的主要失效形式和设计准则3、机械零件的设计方法和设计的一般步骤5、机械零件设计中的标准化4、机械零件材料的选用原则顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精1、机械设计的一般程序和基本要求1.1、机械设计的一般程序一般而言，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键一环。机械设计是一个创造性的工作过程，实践经验是保证设计质量的重要因素。因此，要求设计者特别注意经验的积累。计划阶段方案设计阶段技术设计阶段技术文件编制阶段1.1.1、计划阶段包括：需求分析、明确功能、制定设计任务书。返回目录顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精设计任务书机器的功能经济性估计制造要求的大致估计基本使用要求预计的设计周期1.1.2、方案设计阶段对机器的功能进行综合分析、确定功能参数、提出实现方案。在制定功能参数时一定要注意恰当处理需要与可能、理想与现实、长远目标与当前目标等之间的关系。一般而言，实现同一个功能，有多种可能的方案。以螺纹制造为例：有车削、滚压、板牙加工等方法。方法不同，其执行部分的工作原理也不同,因此，存在一个方案的比较和取舍问题。1、机械设计的一般程序和基本要求顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精方案评价原则：经济性、技术上可行。总费用设计制造费用使用费用费用复杂程度经济性----总费用最低。方案设计阶段要正确处理好借鉴与创新的关系。同类机器的成功的先例应当借鉴，但其中的薄弱环节和不符合现有任务要求的部分应当加以改进或替换。一味求新而把合理的原有经验弃置不用保守和照搬原有设计坚决反对1.1.3、技术设计阶段绘制总装配草图、部件装配草图，由草图确定零部件的外形、基本尺寸和零件工作图。1、机械设计的一般程序和基本要求顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精为了确定零件的基本尺寸，必须完成以下工作：1）机器的运动学设计确定原动机的参数（功率、转速、线速度等）。求解构件的运动参数（转速、速度、加速度等）。2）机器的动力学设计计算构件所受公称载荷（名义载荷）的大小和特性。3）零件的工作能力设计由公称载荷大小和特性，根据工作能力准则作零部件的初步设计。通过计算或类比得出零件的基本尺寸。4）部件装配草图及总装配草图的设计----结构设计5）主要零件的校核计算以结构设计尺寸为依据，对零件进行精确的受力分析和工作能力校核计算。1、机械设计的一般程序和基本要求顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精1.1.4、技术文件编制技术文件设计说明书使用说明书零件明细表标准件汇总表产品验收条件………….技术文件----用来说明产品性能、设计、制造、操作使用、维护、或其它所有与产品相关的文档资料。1、机械设计的一般程序和基本要求顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精提出任务分析对机器的要求确定任务要求机器功能分析提出可能的解决办法组合几种可能的方案决策——选定方案评估明确构形要求结构化选择材料、确定尺寸评估决策——确定结构形状与尺寸零件设计部件设计总体设计编制技术文件流程：计划方案设计技术设计NGNGNG1、机械设计的一般程序和基本要求顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精使用功能要求经济性要求劳动保护要求可靠性要求其它专用要求使用功能要求----机器应具有预定的使用功能。这主要靠正确地选择机器的工作原理，正确地设计或选用能够全面实现功能要求的执行机构、传动机构和原动机，以及合理地配置必要的辅助系统来实现。----在满足预期功能的前提下，要求性能好、效率高、成本低，造型美观，在预定使用期限内要安全可靠，操作方便、维修简单。设计机器的任务是在当前技术发展所能达到的条件下，根据生产及生活的需要提出的。不管机器的类型如何，一般来说，对机器都要提出以下的基本要求：1.2、机械设计的基本要求1、机械设计的一般程序和基本要求顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精提高使用经济性指标的主要途径有:1）合理地提高机器的机械化和自动化水平，以期提高机器的生产率；2）选用高效率的传动系统，尽可能减少传动的中间环节，以期降低能源消耗；3）适当地采用防护及润滑，以延长机器的使用寿命；4）采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象。经济性要求----机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，设计机器时就要全面综合地进行考虑。设计制造的经济性表现为机器的成本低，使用经济性表现为高生产率，高效率，低能耗，以及低的管理和维护费用等。提高设计和制造经济性指标的主要途径有:1）采用先进的现代设计方法(CAD)，使设计参数最优化,达到尽可能精确的计算结果,保证机器足够的可靠性；2）最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零、部件；3）尽可能采用新技术、新工艺、新结构和新材料；4）合理地组织设计和制造过程；5）力求改善零件的结构工艺性，使其用料少、易加工、易装配。1、机械设计的一般程序和基本要求顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精劳动保护要求1）要使机器的操作者方便和安全。因此设计时要按照人机工程学的观点布置各种按钮、手柄，使操作方式符合人们的心理和习惯。同时，设置完善的安全装置、报警装置、显示装置等。2）改善操作者及机器的环境。所设计的机器应符合劳动保护法规的要求。降低机器运转时的噪声水平，防止有毒、有害介质的渗漏，对废水、废气和废液进行治理。可靠性要求机器的可靠度----指在规定的使用时间内和预定的环境下机器能够正常工作的概率。机器由于某种故障而不能完成预定的功能称为失效，它是随机发生的，其原因是零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和机械性能等因素是随机变化的。为了提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零件性能两个方面使其变化尽可能小。1、机械设计的一般程序和基本要求顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精其它专用要求其它专用要求----针对不同机器所特有的要求。例如：1)对机床有长期保持精度的要求；2)对飞机有质量小，飞行阻力小而运载能力大的要求；3)对流动使用的机器有便于安装和拆卸的要求；4)对大型机器有便于运输的要求等等。1、机械设计的一般程序和基本要求顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精2.1、机械零件的主要失效形式机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。机械零件的主要失效形式有断裂、塑性变形、过大的弹性变形、表面失效、破坏正常工作条件引起的失效等。同一种零件可能有多种失效形式，在各种失效形式中，到底哪一种为主要失效形式，应根据零件的材料、具体结构和工作条件等来确定。以轴为例，对于载荷稳定的、一般用途的转轴。疲劳断裂是其主要失效形式；对于精密主轴，弹性变形量过大是其主要失效形式；而对于速转动的轴，发生共振、丧失振动稳定性则可能是其主要失效形式。返回目录2、机械零件的主要失效形式和计算准则顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精2.2、机械设计的设计计算准则设计机械零件时，保证零件不发生失效所依据的基本原则，称为设计计算准则。概括地讲主要有以下几个准则：强度准则刚度准则耐热性准则振动稳定性准则寿命准则可靠性准则2、机械零件的主要失效形式和计算准则顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精2、机械零件的主要失效形式和计算准则2.2.1、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。顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精2、机械零件的主要失效形式和计算准则2.2.2、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。顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精2、机械零件的主要失效形式和计算准则刚度准则的表达式为：y≤[y]（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。顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精2、机械零件的主要失效形式和计算准则2.2.3、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t≤[t]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。顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精3、机械零件的主要失效形式和计算准则2.2.4、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:fp0.85f或fp1.15f顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精2、机械零件的主要失效形式和计算准则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。顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精2、机械零件的主要失效形式和计算准则2.2.5、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，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。顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精2、机械零件的主要失效形式和计算准则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。顾客导向、科技领航、全面管理、精益求精2、机械零件的主要失效形式和计算准则