第2章机械设计基础知识

2.1机械设计的基本要求和一般程序2.2机械零件的主要失效形式和工作能力2.5摩擦、磨损与润滑第2章机械设计基础知识2.3机械零件的设计准则和一般设计步骤2.4机械零件的材料及热处理2.6机械零件的结构工艺性和标准化2.1机械设计的一般程序和基本要求一般而言，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。一部完整的机器是一个复杂的系统。要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。一、机械设计的一般程序▲计划阶段▲方案设计阶段▲技术设计阶段▲技术文件编制阶段1、计划阶段包括：需求分析、明确功能、制定设计任务书。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。潘存云教授研制方案评价原则：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。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2）机器的动力学设计3）零件的工作能力设计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）。计算构件所受公称载荷（名义载荷）的大小和特性。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。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。潘存云教授研制潘存云教授研制技术设计方案设计计划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机器设计的一般流程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：▲使用功能要求二、机械设计的主要要求使用功能要求----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。具体要求如下：▲经济性要求▲劳动保护要求▲可靠性要求▲其它专用要求经济性要求----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。▲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）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。提高使用经济性指标的主要途径有: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。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。▲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。▲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。▲使用功能要求▲经济性要求▲劳动保护要求▲可靠性要求▲其它专用要求机械零件的失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。工作能力----在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：承载能力。例如：发生强烈的振动；联接的松弛;摩擦传动的打滑等。2.2机械零件的主要失效形式和工作能力一、零件的失效形式整体断裂;过大的残余变形;表面损伤;破坏正常的工作条件;如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为机械零件失效的实例：潘存云教授研制轮齿塑性变形潘存云教授研制齿轮轮齿折断潘存云教授研制轴承内圈破裂潘存云教授研制轴承外圈塑性变形失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因。统计结果显示：断裂仅占4.79%;腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%。--主要失效原因。潘存云教授研制齿面接触疲劳潘存云教授研制轴瓦磨损▲静载荷▲动载荷工程计算中：▲名义载荷——理想工作条件下的载荷▲工作载荷——实际工作条件下的载荷二、机械零件的载荷载荷是否随时间变化：▲计算载荷——工作载荷乘上载荷系数K潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制三、应力的种类：静应力和变应力otσσ=常数脉动循环变应力r=0静应力:σ=常数变应力:σ随时间变化2minmaxm平均应力:2minmaxa应力幅:循环变应力变应力的循环特性:maxminr对称循环变应力r=-1----脉动循环变应力----对称循环变应力-1=0+1----静应力σmaxσmTσmaxσminσaσaσmotσσmaxσminσaσaotσotσσaσaσminr=+1静应力是变应力的特例黑色金属有色金属铸铁钢金属材料一、常用材料低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)合金钢(1Cr18）…灰铸铁(HT1500)球墨铸铁(QT500-7)…2.4机械零件的材料及热处理铝合金(LY12)铜合金(ZCuSn10P1)铸铁--灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。黑色金属有色金属铸铁钢金属材料一、常用材料低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)合金钢(1Cr18）…灰铸铁(TH300)球墨铸铁(QT500-5)…2.4机械零件的材料及热处理铝合金(LY12)铜合金(ZCuSn10P1)钢--低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢、结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、铸钢等。特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。潘存云教授研制钢的选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。钢制零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。应用：应用范围极其广泛。表2-1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（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价格便宜且供应充分我国资源丰富黑色金属有色金属铸铁钢金属材料低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)合金钢(1Cr18）…灰铸铁(TH300)球墨铸铁(QT500-5)…铝合金(LY12)铜合金(ZCuSn10P1)铜合金-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。青铜黄铜轴承合金（巴氏合金）-含锡青铜、不含锡青铜高分子材料复合材料陶瓷非金属材料---塑料、橡胶、合成纤维。---强如钢、轻如铝、硬如金刚石。--强度高、弹性模量大、质量轻。橡胶--橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。塑料--塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。▲载荷及应力的大小和性质▲零件的工作情况▲零件的结构及加工性▲材料的经济性▲零件的尺寸及重量二、机械零件材料的选用原则适用于制作机械零件的材料种类非常之多，在设计机械零件时，如何从各种各样的材料中选择出合适的材料，是一项受多方面因素所制约的复杂的工作。设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。选材的一般原则脆性材料----只适用于制造在静载荷下工作的零件；1.载荷及应力的大小和性质2.零件的工作情况--指零件所处的环境特点、工作温度、摩擦磨损程度等。这方面的因素主要是从强度观点来考虑的，应在充分了解材料的机械性能的前提下来进行选择。金属材料的性能一般可以通过热处理加以提高和改善，因此，要充分利用热处理手段来发挥材料的潜力。对于常用的调质钢，由于其回火温度的不同，可得到机械性能不同的毛坯。塑性材料----适用于在有冲击情况下工作的零件。▲在湿热环境下工作的零件，其材料应具有良好防腐蚀能力，可选用不锈钢、铜合金等。零件的尺寸及质量的大小与材料的品种及毛坯制取方法有关。3.零件的尺寸及重量▲两配合零件的线性膨胀系数不能相差过大，一面在温度变化时产生过大热应力或使配合松动，另一方面要考虑材料机械性能随温度而变化的情况。▲零件在工作中可能发生磨损的表面，应提高其表面硬度，增加耐磨性，因此应选择淬火钢、渗碳钢、氮化钢。▲用铸造材料制造毛坯时，一般可以不受尺寸及质量大小的限制；▲而用锻造材料制造毛坯时，则须注意锻压机械及设备的生产能力。▲应尽可能选用强重比大的材料，以便减小零件的尺寸和质量。▲材料的加工费用;5.材料的经济性选材时还应考虑到当时当地材料的供应状况。为了简化供应和贮存的材料品种，对于小批制造的零件，应尽可能地减少同一部机器上使用的材料品种和规格。6.材料的供应状况材料的经济性主要表现在以下几方面：▲材料本身的相对价格;▲材料的利用率;▲采用组合结构;▲节约稀有材料。各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。为了材料供应和生产管理上的方便，应尽