机械设计第二章

第二章机械设计总论2-1机器的组成2-2设计机器的一般程序2-3对机器的主要要求2-4机械零件的主要失效形式2-5设计机械零件时应满足的基本要求2-6机械零件的计算准则2-7机械零件的设计方法2-8机械零件设计的一般步骤2-9机械零件材料的选用原则2-10机械零件设计中的标准化2-11机械现代设计方法简介机器的组成1人们为了满足生产和生活的需要，设计和制造了类型繁多、功能各异的机器。一台完整的机器的组成大致可包括：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2-1机器的组成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一部机器的质量基本上决定于设计质量，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。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。设计机器的一般程序：2-2设计机器的一般程序(1)计划阶段需求分析对所设计的机器的需求情况作充分的调查研究和分析。明确功能明确机器所应具有的功能，为以后的决策提出由环境、经济、加工以及时限等各方面所确定的约束条件。设计任务书包括机器的功能，经济性的估计，制造要求方面的大致估计，基本使用要求，以及完成设计任务的预计期限等。(2)方案设计阶段本阶段对设计的成败起关键的作用。在这一阶段中充分地表现出设计工作有多个解（方案）的特点。对设计任务书提出的机器功能中必须达到的要求、最低要求及希望达到的要求进行综合分析，功能能否实现，多项功能间有无矛盾，相互间能否替代等。最后确定出功能参数，作为进一步设计的依据。在这一步骤中，要恰当处理需要与可能、理想与现实、发展目标与当前目标等之间可能产生的矛盾问题。复杂程度使用费用设计制造费用总费用费用(3)技术设计阶段运动学设计：确定原动机参数及各运动构件运动参数动力学计算：计算各主要零件上所受的名义载荷工作能力设计：作零、部件的初步设计，确定零、部件的基本尺寸部件装配草图及总装配草图设计：根据的主要零、部件的基本尺寸，设计出部件装配草图及总装配草图。这时需要很好地协调各零件结构尺寸，全面考虑其结构工艺性，使全部零件有最合理的构形主要零件校核：在绘出部件装配草图及总装草图以后，所有零件的结构及尺寸均为已知。此时可以对各个零件进行精确校核(4)技术文件编制阶段技术文件的种类较多，常用的有机器的设计计算说明书、使用说明书、标准件明细表等。设计计算说明书=方案选择+技术设计使用说明书=性能参数范围+使用操作方法+日常保养及简单的维修方法+备用件的目录其它技术文件，如检验合格单、外购件明细表、验收条件等，视需要与否另行编制。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——选定方案明确构形要求结构化选择材料、确定尺寸零件设计编制技术文件评价决策—确定结构形状与尺寸评价部件设计总体设计对机器的主要要求(1)使用功能要求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、传动机构和原动机合理地配置必要的辅助系统(2)经济性要求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、低的管理和维护费用等。2-3对机器的主要要求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，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(3)劳动保护要求减少手柄数目手柄位置便于操作符合心理和习惯美化外形和色彩降噪声、防毒(4)可靠性要求可靠度：规定时间内给定环境下正常工作的概率采用备用系统和加强检测可提高可靠性(5)其它专用要求对不同的机器，还有一些为该机器所特有的要求。例如：机床→长期保持精度飞机→质量小、飞行阻力小、运载能力大流动使用的机器→便于安装和拆卸大型机器→便于运输的要求机械零件的主要失效形式1(1)整体断裂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2-4机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式2(2)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机械零件的主要失效形式3(3)零件的表面破坏零件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机械零件的主要失效形式4(4)破坏正常工作条件引起的失效液体摩擦的滑动轴承→存在完整的润滑油膜带传动→传递的有效圆周力小于临界摩擦力高速转动的零件→转速与系统的固有频率避开一个适当的间隔有统计结果表明，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。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)强度除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强度失效。提高机械零件的强度措施：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，增大截面的惯性矩热处理和化学热处理，提高材料的机械强度提高制造精度，降低工作时的动载荷配置各零件的相互位置，降低零件上的载荷2-5设计机械零件时应满足的基本要求(2)刚度刚度定义：零件在工作时产生弹性变形的允许限度适用零件：弹性变形过大会影响机器工作性能的零件提高零件的整体刚度措施：1)增大零件截面尺寸或增大截面的惯性矩2)缩短支承跨距或采用多支点，减小挠曲变形提高零件的接触刚度措施：1)增大贴合面积2)降低表面粗糙度(3)寿命零件的寿命：正常工作延续的时间影响零件寿命的主要原因：疲劳、腐蚀、磨损影响疲劳强度的主要因素：应力集中、零件尺寸大小、零件表面品质、环境状况防腐蚀措施：选用耐腐蚀材料、表面保护(发蓝、表面镀层、喷涂漆膜及表面阳极化处理)(二)结构工艺性要求定义：在既定的生产条件下，能够方便而经济地生产出来，并便于装配影响因素：毛坯制造、机械加工、装配(三)经济性要求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。设计工艺性好的结构。贵重材料→廉价而供应充足的材料大型零件整体结构→组合结构加工件→标准化的零、部件(四)质量小的要求减小质量的好处：节约材料、减小惯性载荷措施:缓冲装置→降低冲击载荷安全装置→限制最大载荷削减应力较小处部分材料采用与工作载荷相反方向的预载荷采用轻型薄壁的冲压件或焊接件来代替铸、锻零件采用强重比高的材料(五)可靠性要求通过大量实验再利用概率统计的方法找出规律，可得到零件的可靠度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的计算准则11、强度准则：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。2、刚度准则：确保零件不发生过大的弹性变形。设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。3、寿命准则：通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。4、振动稳定性准则：高速运转机械的设计应注重此项准则。5、可靠性准则：当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。2-6机械零件的设计准则(一)强度准则应力不得超过允许的限度σ≤σlim脆性材料σlim=σB(强度极限)塑性材料σlim=σS(屈服极限)考虑到各种偶然的因素或难以精确分析的情况，要给定安全系数σ≤σlim/SS过大，偏安全费材料，S过小，偏危险省材料(二)刚度准则零件在载荷作用下产生的弹性变形量y，应小于或等于机器工作性能所允许的极限值[y]（许用变形量），这就叫做满足了刚度要求，表达式为：y≤[y]y可按各种变形量的理论或实验方法来确定[y]则应随不同的使用场合，根据理论或经验来确定其合理的数值具体解释理论：估算载荷+公式计算实验：实际载荷+仪器测量理论结合实验：估算载荷+公式计算+实验修正系数本书中的公式大多是第三种，实验修正系数需要查表，设计过程边套公式边查表提问：查表中的怎样做插值计算？查询值123被查值201510若查询值是1、2、3时，对应的被查值是20、15、10若查询值是2.7怎么办？本书中一般用线性插值101523斜率k=(10-15)/(3-2)=-52.7f(2.7)=f(2)+k(2.7-2)=15-5×0.7=11.5(三)寿命准则腐蚀寿命：还没有提出实用有效的腐蚀寿命计算方磨损寿命：尚无通行的能够进行定量计算的方法疲劳寿命：有定量计算方法(四)振动稳定性准则激振源：齿轮的啮合、滚动轴承中的振动、滑动轴承中的油膜振荡、弹性轴的偏心转动等共振条件：某一零件固有频率与激振源的频率重合或成整数倍关系时发生后果：零件破坏或工作关系失常不共振条件：在设计时要使机器中受激振作用的各零件的固有频率f与激振源的频率fp错开0.85ffp或者1.15ffp提高震动稳定性的措施1)改变零件及系统的刚性→改变固有频率2)改变支承位置3)增加或减少辅助支承4)把激振源与零件隔离→隔震地基、防震沟5)采用阻尼以减小受激振零件的振幅隔震地基工作台铣刀Fw增加辅助支承提高震动稳定性举例加工加支承初始化(五)寿命准则如有一大批某种零件，件数为N0，如在t时间后仍有N件在正常的工作，可靠度R为R=N/N0R是时间的函数，从100%→0在t到t+dt的间隔中，又有dN发生破坏，破坏的比例为失效率→失效的快慢程度←可靠度与失效率的关系失效率曲线第I段(早期失效)：失效率由开始时很高的数值急剧地下降到某一稳定的数值。原因：零、部件初始缺陷，例如加工裂纹，安装不正确，接触表面未经磨合等。第II段(正常使用阶段)：失效发生是随机性的，失效率则表现为缓慢增长。第III段(损坏阶段)：由于磨损、疲劳裂纹扩展等原因，使失效率急剧地增加。良好地维护和及时更换要发生破坏的零件，可以延缓机器进入这一阶段工作的时间。“浴盆”机械零件的设计方法2-7机械零件的设计方法机械零件的设计方法通常分为常规设计方法和现代设计方法两大类。常规设计方法：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。细分为：理论设计、经验设计、模型实验设计现代设计方法：在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。如机械优化设计、机械可靠性设计、计算机辅助设计等等。(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以简单受拉杆件的强度计算为例，设计时强度计算公式为：σ≤σlim/S或F/A≤σlim/S1、设计计算，A不确定时2、校核计算，A确定时[σ]=σlim/Sσ﹣实际应力[σ]﹣许用应力σlim﹣极限应力S﹣安全系数公式实验修正系数(二)根据已有设计、使用实践进行的设计适用：这对那些使用要求不大变动而结构形状已典型化的零件。例如箱体、机架、传动零件的各结构要素等(三)模型实验设计方法：把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺寸样机，经过实验的手段对其各方面的特性进行检验，根据实验结果对设计进行逐步的修改适用：尺寸巨大而机构又很复杂的重要零件机械零件设计的一般步骤选择零件类型、结构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2-8机械零件设计的一般步骤：铝、铜…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一、常用材料：塑料、橡胶、合成纤维：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢…：灰铸铁、球墨铸铁…：强如钢、轻如铝、硬如金刚石：强度高、弹性模量大、质量轻2-9机械零件材料的选用原则常用材料的相对价格材料种类规格相对价格热轧圆刚碳素结构钢Q235（φ33~42）1铸件优质碳素钢（φ29~50）1.5~1.8合金结构钢