第一章精密机械设计的基础知识

第一章机械设计的基础知识§1-1概述§1-2机械零件的工作能力及其计算准则§1-3零件与机构的误差估算和精度§1-4零件部件的工艺性§1-5标准化系列化通用化（称三化）§1-6零件的设计方法及其发展第一章机械设计的基础知识§1—1概述一、设计精密机械时应满足的基本要求（其他机械也一样）1．功能要求：首先满足功能要求。如设计发动机活塞检测仪时——首先满足功能要求：监测、控制、显示记录、数据处理、打印、误差校正和补偿等功能2．可靠性要求；在一定时间、一定使用条件下有效地实现预期功能——工作安全可靠、操作维修方便。要有足够的强度、刚度、绕度（稳定性）3．精度要求：精度要求是精密机械的一项重要指标，设计时必须保证精密机械正常工作时的精度要求。如回转精度、导轨导向精度4．经济性要求：成本低——零件结构简单、工艺性好、省料，标准化、通用化、系列化5．人-机友好：造型美观大方、色彩柔和、操作宜人二、精密机械设计的一般步骤新产品开发都必须经过设计过程：开发性设计——利用新原理、新技术设计新产品;适应性设计——保留原产品的原理及方案不变，只对个别零部件进行重新设计;变参数设计——保留原产品的功能、原理方案和结构，仅改变零部件的尺寸和结构布局形成系列产品。新产品开发设计，从提出任务到投放市场的全部程序要经过如下四个阶段：1．调查决策阶段：了解市场（用户）需求，收集有关的技术资料及新技术、新工艺、新材料的应用情况。拟定新产品开发计划书。方案多样，反复分析优化。决策是非常关键的一不，直接影响设计工作和产品开发成本2．研究设计阶段：在决策后进行。1）第一步主要为功能设计研究——称前期开发，任务是解决技术中的关键问题。需要对新产品进行实验研究和技术分析，验证原理的可靠性和发现存在的问题。并写出总结报告和、总布局图和外形图等等2）第二步为新产品的技术设计——称后期开发，完成后应绘制总装配图、部件装配图、零件工作图、各种系统图（传动系统、液压系统、电路系统、光路系统等）以及详细的设计说明书、使用说明和验收规程等各种技术文件。以上各个环节须相互配合与联系，设计工作往往经过多次修改与反复，逐步逼近，达到优化（技术先进可靠、经济合理、造型美观）3．试制阶段：样机试制完成后，应进行样机实验，并作出全面的技术经济评价，以决定设计方案是否可行或需要修改。投产销售阶段：样机实验成功后，对于批量生产的产品尚须进行工艺、工装方面的生产设计。经小批试制、用户试用、改进和鉴定后，即可投入正式生产与销售。经过开展售后服务（），发现产品薄弱环节，进一步完善产品设计，提高产品可靠性，萌发新的设计构思，开发新产品。精密机械（机器）设计的一般程序市场调研可行性研究原理方案设计技术设计试制试验小批生产试销投产设计任务书定出最佳方案装配图、零件图、技术文件样机评价改进考核工艺性收集用户意见产品销售1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷2）选择零件的类型与结构PKPAd三、机械零件设计的一般步骤3）选择零件的材料4）按可能的失效形式确定零件的计算准则，并确定零件的基本尺寸，并加于标准化和圆整5）零件的结构设计6）绘制零件的工作图，并编写计算说明书§1—2机械零件的工作能力及其计算准则一、机械零件的工作能力工作能力——零件不发生失效时的安全工作限度。即零件为达到预期的设计要求较长期使用（在一定时间、一定使用条件下有效地实现预期功能）的能力，如要有足够的强度、刚度、绕度（稳定性）、耐磨性、精度等失效——零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能失效形式：强度失效、刚度失效、磨损失效、振动、噪声失效、精度失效、可靠性失效二、机械零件的计算准则计算准则——以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件工作能力计算依据的基本原则1、强度准则tSSlimlim][][疲劳极限塑性材料脆性材料)()()()(limlimYYSSBB2、刚度准则零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力是零件抵抗外载荷作用的能力，即零件在载荷作用下抵抗破坏的能力。强度不够产生断裂、变形零件丧失工作能力。衡量参数有：][yyy——可以是挠度、偏转角或扭转角3、耐磨性准则作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力pvpvpp][4、振动和噪声准则ffffpp15.1,85.05、热平衡准则tt6、可靠性准则系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。：可靠度——表示零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率tRN个相同零件在同样条件下同时工作，在规定的时间内有Nf个失效，剩下Nt个仍继续工作，则NNNNNNNRfftt1不可靠度（失效概率）：1,1tttftFRRNNFn个零件组成的串联系统，单个零件的可靠度:R1、R2、…Rn，则系统的可靠度为Rf=R1R2…Rn三、强度在计算零件强度时，需要根据作用在零件上载荷的大小、方向、性质和工作情况，确定零件中的应力。作用在零件上的载荷和相应的应力，按随时间变化的情况可分为：2）变载荷、变应力：随时间作周期变化的载荷与应力。1）静载荷、静应力：不随时间变化或缓慢变化的载荷与应力1．载荷与应力一个循环OOtt规律性不稳定变应力随机变应力注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生。如转动齿轮轴应力(径向力方向不变即弯矩不变)，OatOta应力循环中最大应力δmax与最小应力δmin平均为平均应力δm，平均应力δm、应力幅度δα、循环特性r、δmin、δmax之间关系为：δα=（δmax-δmin）/2A）对称循环应力：|δmin|=|δmax|，即r=-1、δm=0B）不对称循环应力：r≠-1、δm≠0C）脉动应力：特例r=0、δm=1/2|δmax|载荷又分：1名义载荷——稳定、理想工作状态下作用在零件上的载荷。2计算载荷——为提高零件可靠性，考虑零件工作实际情况，如变形、工作阻力变化、工作状态变化（启停）、冲击等因素，将名义载荷乘以一些系数加以修正。δmaxδmintδm=（δmin+δmax）/2r=δmin/δmax零件整体抵抗载荷作用的能力称零件整体强度。判断零件整体强度的方法（准则）有两种：δ[δ]、τ[τ]而[δ]=δlim/[sδ]、[τ]=τlim/[sτ]δlim、τlim——零件材料的极限应力，[sδ]、[sτ]=s1*s2*s3——许用安全系数2.零件的整体强度1）将零件在载荷作用下产生的应力（δ、τ）与零件许用应力（[δ]、[τ]）相比较，其强度条件为:应力-应变图1）2）将零件在载荷作用下的实际安全系数sδ、sτ与许用安全系数[sδ]、[sτ]比较，其强度条件为A）对静应力情况下的强度：可以使用以上两种判断方法。对塑性材料制成的零件取材料的屈服极限δs、τs作为零件的极限应力；对脆性材料制成的零件取材料的强度极限sb、τb作为零件的极限应力。B）对变应力情况下的强度：零件失效形式主要为疲劳断裂（先形成初始裂纹---扩展直到断裂），它不仅与应力的大小有关，还与应力循环次数有关。因此提出疲劳极限用δrN的概念sδ=δlim/δ[sδ]、sτ=τlim/τ[sτ]特别是当r=一定时，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为表示。N—δrN关系图为应力疲劳曲线)(NNNN3)材料的疲劳曲线和极限应力图——当r一定时，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为疲劳极限用δrN表示。疲劳寿命（N）——材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N疲劳曲线：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线No—循环基数—对应无限寿命区的疲劳极限，称持久极限．ONN0NN有限寿命区N无限寿命区Ａ）有限寿命区当N103(104)—低周循环，疲劳极限接近于屈服极限，按静强度计算当N103(104)——高周循环疲劳当时随循环次数↑疲劳极限↓043)10(10NNONN0NN有限寿命区N无限寿命区注意：有色金属和高强度合金钢无限寿命区，没有水平部分。Ｂ）无限寿命区0NNN——持久极限对称循环：脉动循环：0011Ｃ）疲劳曲线方程))10(10(043NNCNNmmN0'0CNNmmNm-与应力状态有关的指数，Ｃ，Ｃ‘为常数LmNKNN0mLNNK0——寿命系数∴推出疲劳极限几点说明：①No硬度≤350HBS钢，No=107≥350HBS钢，No=(10-25)x107有色金属(无水平部分)，规定当No25x107时,近似为无限寿命区②m—指数与应力与材料的种类有关。钢m=9——拉、弯应力、剪应力m=6——接触应力青铜m=9——弯曲应力m=8——接触应力③应力循环特性越大，材料的疲劳极限与持久极限越大，对零件强度越有利。对称循环（应力循环特性=-1）最不利无限寿命——零件承受的变应力低于疲劳极限δr时，总循环次数NN0影响疲劳强度的因素：应力集中的影响（圆角、凹槽、缺口）；绝对尺寸大小（剖面尺寸）尺寸大疲劳强度小；表面光洁度；表面硬度；提高材料疲劳强度的因素：高屈服极限高和细晶粒的材料；零件截面形状变化平缓，减小应力集中；改善表面质量（表面喷丸，表面碾压）；减少材料冶金缺陷．分１）表面接触强度δH；2）表面磨损强度P或PV．在精密机械中，经常遇到两个零件上的曲面相互接触传递压力，理论上是点接触或线接触→实际上由于接触部分的局部弹性变形而形成面接触→由于接触面积很小，使表层产生的局部应力却很大。该应力称为接触应力。在表面接触应力作用下的零件强度称为接触强度计算依据：弹性力学的赫兹公式1）表面接触强度（应力）(1)两圆柱体接触2HmaxHmaxF2abF1３.零件的表面强度δH——最大接触应力；Fμ——接触线单位长度上的应力，=Ｆ／b；ρ——两圆柱体在接触处的综合曲率半径。1/ρ=1/ρ1±1/ρ2正号用于外接触，负号用于内接触。E1、E2——两圆柱体材料的弹性模量；μ1、μ2——两圆柱体材料的泊松比，当μ1=μ1=μ时，δH可简化为：222121µ1µ1EEFHbFEEEEH418.0,,3.0max2121）2µµ1(2EFH当两钢制圆拄在力F作用下相压时，最大接触应力δH为：(2)两球接触3222121max]111[1EEpbFH322max2121388.0,,3.0pEFEEEH时Hmax2FHmax2c1Fρ——综合曲率半径内接触外接触21111ppp21maxFH31maxFH说明Ａ）圆柱体，球∴σHmax与F不呈线性关系Ｃ）同样的p1、p2下，内接触时ρΣ较小，σHmax较小，约为外接触时的48%，∴重载情况下，采用内接触，有利于提高承载能力或降低接触副的尺寸。211maxpH321maxpHＢ）圆柱体，球∴ρΣ越大，σHmax越小(3)失效形式静应力:表面压碎——脆性材料,表面塑性变形——塑性材料变应力：疲劳点蚀——齿轮、滚动轴承的常见失效形式。多数出现疲劳点蚀（局部应力大于许用强度）——在循环应力作用下接触表面产生疲劳裂纹，裂纹扩展导致表面小块金属脱落。点蚀又分：扩张性点蚀（产生于硬度大的材料）；局限性点蚀（产生于软载荷小的材料），疲劳点蚀使零件表面失去正确形状、降低工作精度、产生噪声和振动、降低零件使用寿命。(4)提高接触疲劳强度的措施•控制最大接触应力•提高接触表面硬度（加大Ｅ），改善表面加工质量•增大综合曲率半径ρΣ，降低接触应力δH；•改外接触为内接触，点接触→线接触•采用高粘度润滑油，运动粘度——是通过200CM3的油容器流过2。8MM的小管所需时间与200C时的蒸馏水在相同情况下时间比。HH][max2）表面磨损强度磨损——零件的表面形状与尺寸在摩