机械设计总论

第二章机械设计总论§2-1机器的组成一台完整的机器的组成大致可包括：一、机器的组成原动机部分传动部分执行部分润滑、显示、照明等辅助系统控制系统传感器传感器传感器普通车床一、机器的组成数控车床计算机控制系统和伺服电机被引入到传统机器中来，使其组成、面貌和功能发生了革命性的变化。一、机器的组成★原动机1、原动机形式人力或畜力水力机风力机蒸汽机内燃机电动机热力机2、输出运动和动力旋转运动转矩直线运动推力或拉力★执行部分执行部分：完成机器预定功能的组成部分功用：压碎物料大带轮4电动机1V带3小带轮2轴板7定颚板8动颚板6偏心轴5★执行部分执行部分：完成机器预定功能的组成部分★执行部分执行部分：完成机器预定功能的组成部分★执行部分执行部分：完成机器预定功能的组成部分塔式起重机半自动多轴钻床★传动部分原动机执行部分运动形式运动参数动力参数运动形式运动参数动力参数传动部分转换转动直动高转速低转速小转矩大转矩传动部分机械传动液压传动系统电力传动系统§2-2设计机器的一般程序一部机器的质量基本上决定于，它是一个创造性的工作过程，同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作。作为一部完整的机器，它是一个复杂的系统，要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。设计机器的一般程序：计划阶段方案设计阶段技术设计阶段技术文件编制阶段机器的设计阶段是决定机器好坏的关键，设计质量一、计划阶段提出任务分析对机器的需求确定任务要求机器的功能经济性估计制造要求的估计基本使用要求完成设计任务的预计期限等机器的功能环境、经济、加工以及时限等约束条件二、方案设计阶段提出可能的解决方案评价机器功能分析组合几种可能的方案决策——选定方案+-对设计任务书提出的机器必须达到的要求、最低要求及希望达到的要求进行综合分析多功能间有无矛盾，相互间能否替代等，原动机、执行机和传动机构方案的选择与确定费用复杂性设计制造费用使用费用总费用三、技术设计阶段明确构形要求结构化选择材料、决定尺寸决策——确定结构形状及尺寸评价零件设计部件设计总体设计+-主要工作运动学设计动力学设计工作能力设计部件及总装图设计主要零件校核四、技术文件的编制编制技术文件五、计算机在机械设计中的应用1、辅助设计类：CAD；ProeSolidworks2、计算分析类MATLAB；Adams；Ansys§2-3对机器的主要要求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，一般说来，对机器都要提出以下要求：使用功能要求经济性要求劳动保护和环境保护要求寿命与可靠性要求其他专用要求一、使用功能要求1.正确地选择机器的工作原理2.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3.合理地配置必要的辅助系统两高三低低成本二、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。经济性设计制造经济性使用经济性现代设计方法，优化设计参数标准化、系列化、通用化零部件新技术、新工艺、新结构、新材料合理组织设计制造过程改善结构工艺性合理提高机器的机械化和自动化水平选择高效率的传动系统，减少中间环节适当采用防护及润滑，延长使用寿命采用可靠密封，减小或消除渗漏高生产率、高效率低能耗、低管理、低维护三、劳动保护和环境保护要求四、寿命与可靠性的要求1、机器可靠性的高低使用可靠度来衡量的。2、可靠度指在规定的使用时间内和预定的环境条件下机器能正常工作的概率。五、其他专用要求§2-4机械零件的主要失效形式一、整体断裂整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂齿轮轴断裂—失效二、过大的残余变形当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形三、零件的表面破坏零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。齿面接触疲劳轴瓦磨损73.88%磨损腐蚀疲劳破坏引起的失效四、破坏正常工作条件引起的失效有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：液体摩擦的滑动轴承↔润滑油膜完整。带传动↔传递的有效圆周力小于临界摩擦力。高速转动的零件↔转速与转动件系统的固有频率避开。零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很多因素有关。有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起。4.79%断裂21.33%其他§2-5设计机械零件时应满足的基本要求一、避免在预定寿命期内失效的要求1、强度2、刚度3、寿命工作应力≤许用应力设计准则：可用措施：采用高强度材料；足够的截面尺寸；合理的截面形状，以增大惯性矩；采用热处理和化学热处理方法，提高材料的力学性能提高运动零件的制造精度，以降低动载荷；合理配置零件的位置，降低零件上的载荷。失效形式：设计准则：可用措施：过大的弹性变形y≤[y]增大截面尺寸或增大截面惯性矩；缩短支承跨距或采用多支点结构；增大贴合面降低压力；采用精加工降低表面不平度。定义：影响因素：零件正常工作延续的时间材料疲劳材料腐蚀零件间的磨损二、结构工艺性要求1、良好的结构工艺性指在既定的生产条件下，能方便而经济地生产出来，并便于装配成机器。2、着眼点：毛坯制造、机械加工、装配等生产环节。三、经济性要求降低材料消耗采用廉价而供应充足的材料代替贵重材料采用组合结构代替整体结构减少工时——采用少余量或无余量毛坯或简化零件降低加工和装配费用——工艺性尽可能采用标准化零、部件四、质量小的要求五、可靠性要求1、失效的发生都是随机的2、使工作条件和零件的性能两方面使其随机变化尽可能小3、使用中加强维护和对工作条件进行监测§2-6机械零件的设计准则一、强度准则失效形式计算准则脆性断裂塑性形变疲劳破坏SBSSSr强度极限屈服极限疲劳强度二、刚度准则失效形式：过大的弹性形变设计准则：y≤[y]弹性变形y的表现形式：挠度扭转角三、寿命准则腐蚀：尚无有效的腐蚀寿命计算方法磨损：类型众多，机理不清，工程实际定量计算方法不定疲劳：以使用寿命的疲劳极限或额定动载荷为计算依据四、振动稳定性准则设计准则：避开共振区域，0.85ffp或1.15ffp改善方法：改变零件及系统的刚性；改变支承位置；增加或减少辅助支承激振源与零件隔离增加阻尼减小振幅五、可靠性准则可靠度：可靠度=正常工作数／总数浴盆曲线：Ⅰ:早期失效阶段Ⅱ：正常使用阶段Ⅲ：损坏阶段ⅠⅡⅢ失效率时间§2-7机械零件的设计方法一、理论设计定义：根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计设计方法：设计计算校核计算直接求解杆件所必须的截面尺寸A：limSFA根据几何结构等要求设计出杆件截面尺寸，然后进行强度校核：][AFSAFlimScalimSSlimFF二、经验设计适用条件：使用要求变动不大而结构形状已典型化的零件设计方法：根据某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式；根据设计者本人的工作经验用类比的方法进行设计三、模型试验设计适用条件：尺寸巨大结构又很复杂的特别重要的零件设计设计方法：将初步设计的零部件或机器制成小模型或小尺寸样机；实验手段对模型各方面特性进行检验；根据实验结果进行逐步修改。§2-8机械零件的一般步骤选择零件类型、结构机械零件的设计一般要经过以下几个步骤：计算零件上的载荷确定计算准则选择零件的材料确定零件的基本尺寸结构设计校核计算画出零件工作图写出计算说明书§2-9机械零件的材料及其选用：灰铸铁、球墨铸铁…(如：TH300QT500-5)一、机械零件常用材料：铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1)…...黑色金属有色金属铁钢高分子材料复合材料陶瓷金属材料非金属材料：塑料、橡胶、合成纤维：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢…(如：08F45601Cr18）：强如钢、轻如铝、硬如金刚石：强度高、弹性模量大、质量轻二、机械零件材料的选择原则1、载荷、应力的大小和性质脆性材料适用于静载荷下的零件塑性材料适用于冲击载荷及动载荷金属材料的性能可以通过热处理手段加以提高2、零件的工作情况考虑环境特点、工作温度、摩擦磨损程度3、零件的尺寸及质量4、零件结构的复杂程度及材料的加工可能性结构复杂零件宜选用铸造毛坯或焊接方法结构简单宜用锻造法制取毛坯5、材料的经济性材料本身的相对价格；材料的加工费用；材料的利用率；组合结构；节约稀有材料6、材料的供应状况同一部机器上材料品种和规格尽量少7、钢的选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。表3-1常用材料的相对价格材料种类规格相对价格热轧圆钢碳素结构钢Q235（φ33~42）1铸件优质碳素钢（φ29~50）1.5~1.8合金结构钢（φ29~50）1.7~2.5滚动轴承钢（φ29~50）3合金工具钢（φ29~50）3~204Cr9Si2耐热钢（φ29~50）5灰铸铁铸件0.85碳素钢铸件1.7铜合金、铝合金铸件8~10二、机械零件材料的选择原则§2-10机械零件设计中的标准化标准化的益处：与设计有关的标准:国际标准国家标准行业标准企业标准等如：ISOGBJB、HBQB国标分为：强制标准推荐标准标准化有利于保证产品质量，减轻设计工作量，便于零部件的互换和组织专业化的大生产，以降低生产成本。GB××××－××××(标准序号)(批准年代)强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。GB／T××××－××××这类标准占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的效果。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。§2-11机械设计现代方法简介机械现代设计方法通常是相对传统的设计方法而言的。现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下列转换：●静态的动态的─如机器结构动力学计算；●分部处理法系统工程法─如系统工程；●定性的定量的─如有限元计算；●宏观的微观的─如微－纳米摩擦学设计；●串行设计并行设计─如并行设计；●可行性设计优化设计─如优化设计；●确定量随机量─如可靠性设计；●人工设计自动化设计─如计算机辅助设计。end方案设计执行部分原动部分传动部分工作原理的不同在圆柱形毛坯上用车刀车削螺纹在圆柱形毛坯上用滚丝模滚压螺纹执行机构的不同工件旋转刀具直线运动工件不动，刀具转动同时移动电动机（选择交直流、高低速等）热力机齿轮机构带轮机构链轮机构杆机构凸轮机构……轧钢机压下螺旋丝杠断牙宏观丝杠断牙部位丝杠断牙局部放大整体塑变点蚀轮齿磨损冷胶合：低速重载，接触零件挤压粘着，相对运动撕裂。螺栓联接滑移被联接件断裂被联件相对滑移被联件拉断