第1章机械设计总论

第1章机械设计总论第1章机械设计总论1.1设计机器的一般程序1.2对机器的主要要求1.3机械零件的主要失效形式1.4设计机械零件时应满足的基本要求1.5机械零件的设计准则1.6机械零件的设计方法1.7机械零件设计的一般步骤1.8机械零件材料的选用原则1.9机械零件设计中的标准化第1章机械设计总论1.1设计机器的一般程序产品规划方案设计技术设计施工设计机械产品的设计过程需求分析、市场预测、可行性分析、确定总体参数、制定约束条件和设计要求。作为设计、评价和决策的纲领性文件和依据；市场/竞争对手调研报告专利调查报告可行性评估报告产品规划书第1章机械设计总论1.1设计机器的一般程序产品规划方案设计技术设计施工设计机械产品的设计过程又称为概念设计。对产品的功能原理进行设计。是整个产品设计的关键；需求分析、市场预测、可行性分析、确定总体参数、制定约束条件和设计要求。作为设计、评价和决策的纲领性文件和依据；产品方案设计报告产品设计草图第1章机械设计总论1.1设计机器的一般程序产品规划方案设计技术设计施工设计机械产品的设计过程功能原理设计针对产品的主要功能提出一些原理性的构思。例如：设计一种点钞机构思将钞票逐张分离的工作原理推括摩擦离心力重力第1章机械设计总论1.1设计机器的一般程序产品规划方案设计技术设计施工设计机械产品的设计过程又称为概念设计。对产品的功能原理进行设计。是整个产品设计的关键；需求分析、市场预测、可行性分析、确定总体参数、制定约束条件和设计要求。作为设计、评价和决策的纲领性文件和依据；将产品的功能原理具体化为机器产品及其零部件的具体结构，它又可进一步细分为总体设计、结构设计、商品化设计、模型试验等过程；理论分析及设计计算资料产品装配图第1章机械设计总论1.1设计机器的一般程序产品规划方案设计技术设计施工设计机械产品的设计过程例题：硬币计数包卷机第1章机械设计总论1.1设计机器的一般程序产品规划方案设计技术设计施工设计机械产品的设计过程又称为概念设计。对产品的功能原理进行设计。是整个产品设计的关键；需求分析、市场预测、可行性分析、确定总体参数、制定约束条件和设计要求。作为设计、评价和决策的纲领性文件和依据；将产品的功能原理具体化为机器产品及其零部件的具体结构，它又可进一步细分为总体设计、结构设计、商品化设计、模型试验等过程；主要指零件、部件工程图绘制，工艺文件的编写，设计说明书和使用说明书的编写等工作；第1章机械设计总论1.2对机器的主要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对机器的主要要求其它专用要求第1章机械设计总论1.2对机器的主要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对机器的主要要求其它专用要求提高使用经济指标的主要途径：1)合理提高机械化、自动化水平，提高机器的生产效率。2)选用高效传动系统，减少中间环节，降低能源消耗。3)适当采用防护和润滑，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。提高设计和制造经济指标的主要途径：1)采用现代设计方法，优化设计，保证可靠性。2)提高“标准化、系列化、通用化”的程度。3)采用新技术、新工艺、新结构、新材料。4)合理组织设计和制造过程。5)改善零件结构工艺性，使其用料少、易加工、易装配。第1章机械设计总论1.2对机器的主要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对机器的主要要求其它专用要求劳动保护有两层含义：1)使机器的操作者方便和安全。2)改善操作者及机器的环境。第1章机械设计总论1.2对机器的主要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对机器的主要要求其它专用要求机器可靠度R：在规定的使用时间(寿命)内和预定的环境条件下，机器能够正常工作的概率。机器失效的概率F为：F=1-R机器出厂时已经存在的可靠性叫做机器的固有可靠性。考虑到用户的人为因素，已出厂的机器正确地完成预定功能的概率，叫做机器的使用可靠性。第1章机械设计总论1.3机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式整体断裂过大的残余变形零件的表面破坏破坏正常工作条件引起的失效齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂(1)某一危险截面的应力超过零件的强度极限(2)在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。第1章机械设计总论1.3机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式整体断裂过大的残余变形零件的表面破坏破坏正常工作条件引起的失效(1)某一危险截面的应力超过零件的强度极限(2)在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。第1章机械设计总论1.3机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式整体断裂过大的残余变形零件的表面破坏破坏正常工作条件引起的失效(1)某一危险截面的应力超过零件的强度极限(2)在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。第1章机械设计总论1.3机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式整体断裂过大的残余变形零件的表面破坏破坏正常工作条件引起的失效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第1章机械设计总论1.3机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式整体断裂过大的残余变形零件的表面破坏破坏正常工作条件引起的失效(1)腐蚀：金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象。(2)磨损：两个接触表面在作相对运动的过程中表面物质丧失或转移的现象。(3)接触疲劳：受到接触变应力长期作用的表面产生裂纹或微粒剥落的现象。轴瓦磨损齿面接触疲劳第1章机械设计总论1.3机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式整体断裂过大的残余变形零件的表面破坏破坏正常工作条件引起的失效破坏正常工作条件引起的失效：打滑、胶合、共振第1章机械设计总论1.3机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式整体断裂过大的残余变形零件的表面破坏破坏正常工作条件引起的失效机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起！第1章机械设计总论1.4设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求避免在预定寿命期内失效的要求结构工艺性要求经济性要求质量小的要求可靠性要求应保证零件有足够的强度、刚度和寿命。提高零件强度的措施有：▲采用高强度的材料；▲使零件具有足够的截面尺寸；▲合理设计零件的截面形状；▲提高零件的制造精度，以减少工作时的动载荷；▲合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷。1.强度要求第1章机械设计总论1.4设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求避免在预定寿命期内失效的要求结构工艺性要求经济性要求质量小的要求可靠性要求应保证零件有足够的强度、刚度和寿命。2.刚度要求提高零件刚度的措施有：▲增大零件的截面尺寸或增大惯性矩；▲缩短支承的跨距或采用多点支承。第1章机械设计总论1.4设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求避免在预定寿命期内失效的要求结构工艺性要求经济性要求质量小的要求可靠性要求应保证零件有足够的强度、刚度和寿命。3.寿命要求影响零件寿命的主要因素有：影响疲劳强度的因素有：疲劳破坏腐蚀磨损▲应力集中；▲零件的尺寸大小；▲零件表面质量及环境状况。第1章机械设计总论1.4设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求避免在预定寿命期内失效的要求结构工艺性要求经济性要求质量小的要求可靠性要求应保证零件有足够的强度、刚度和寿命。3.寿命要求影响零件寿命的主要因素有：疲劳破坏腐蚀磨损抗腐蚀的措施有：▲表面发兰（发黑）；▲表面镀层；▲表面涂漆；▲表面阳极化。第1章机械设计总论1.4设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求避免在预定寿命期内失效的要求结构工艺性要求经济性要求质量小的要求可靠性要求设计的结构应便于加工和装配。热套金属环，要留有槽第1章机械设计总论1.4设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求避免在预定寿命期内失效的要求结构工艺性要求经济性要求质量小的要求可靠性要求零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。采用组合部件第1章机械设计总论1.4设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求避免在预定寿命期内失效的要求结构工艺性要求经济性要求质量小的要求可靠性要求质量小则可节约材料；质量小则灵活、轻便。铸造薄板冲压第1章机械设计总论1.4设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求避免在预定寿命期内失效的要求结构工艺性要求经济性要求质量小的要求可靠性要求应降低零件发生故障的可能性（概率）。锅炉爆炸第1章机械设计总论1.5机械零件的设计准则机械零件的设计准则强度准则刚度准则寿命准则振动稳定性准则可靠性准则确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形。零件中的应力不得超过许用值。即：σ≤σlimσlim--材料的极限应力脆性材料：σlim=σB(强度极限)塑性材料：σlim=σS(屈服极限)为了安全起见，引入安全系数S，得：σ≤σlim/S或σ≤[σ]----许用应力第1章机械设计总论1.5机械零件的设计准则机械零件的设计准则强度准则刚度准则寿命准则振动稳定性准则可靠性准则确保零件不发生过大的弹性变形。零件在力作用下的弹性变形量不得超过许用值。即：y≤[y]第1章机械设计总论1.5机械零件的设计准则机械零件的设计准则强度准则刚度准则寿命准则振动稳定性准则可靠性准则通常与零件的疲劳*、磨损、腐蚀相关。第1章机械设计总论1.5机械零件的设计准则机械零件的设计准则强度准则刚度准则寿命准则振动稳定性准则可靠性准则高速运转机械的设计应注重此项准则。保证机器中受激振零件的固有频率与激振源的频率错开。即：0.85ffp或1.15ffp第1章机械设计总论1.5机械零件的设计准则机械零件的设计准则强度准则刚度准则寿命准则振动稳定性准则可靠性准则可靠度的定义：对件数为N0的一批零件进行试验，经过时间t之后有N件仍能正常工作，则该零件在该试验环境条件下工作时间t的可靠度定义为：R=N/N0可靠度R是时间的函数。t↑→N↓→R↓根据许用可靠度[R]，计算预期寿命。第1章机械设计总论1.6机械零件的设计方法机械零件的设计方法理论设计经验设计模型实验设计根据零件工作能力准则，确定零件的主要尺寸。a）设计计算：直接求出危险截面尺寸A。b）校核计算：其他方法初步设计→验算。][FA][AF第1章机械设计总论1.6机械零件的设计方法机械零件的设计方法理论设计经验设计模型实验设计根据经验关系式，用类比的方法所进行的设计。如：箱体、传动件各个结构要素等。第1章机械设计总论1.6机械零件的设计方法机械零件的设计方法理论设计经验设计模型实验设计把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺寸样机进行实验。如：飞机、桥梁的风洞实验。第1章机械设计总论1.7机械零件设计的一般步骤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失效形式----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第1章机械设计总论1.8机械零件材料的选用原则p一、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材料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）：灰铸铁、球墨铸铁…(如：TH300QT500-5)：强如钢、轻如铝、硬如金刚石：强度高、弹性模量大、质量轻第1章机械设计总论常用钢铁材料的牌号及力学性能材料力学性能试件尺寸类别牌号强度极限σB屈服极限σS延伸率%mmQ215335-41021531碳素结构钢Q235375-46023526d≤16Q275490-610275202041024525优质碳素结构钢3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金结构钢40Cr9817859d≤2