机械工程学基本知识

机械工程学基本知识一、机器的基本组成1、机器的基本组成要素在一台现代化的机器中，常会包含着机械、电气、液压、气动、润滑、冷却、信号、控制、监测等系统的部分或全部，但是机器的主体仍为机械系统。无论分解哪一台机器，它的机械系统总是由一些机构组成；每个机构又是由许多零件组成。所以，机器的基本组成要素就是机械零件（也就是制造装配的单元）。通用零件—在各种机器中经常都能用到的零件，如螺钉、螺母、齿轮、链轮等等机械零件专用零件—在特定类型的机器中才能用到的零件，如涡轮机的叶片、飞机的螺旋桨、往复式活塞内燃机的曲轴等等任何机器的性能，都是建立在它的主要零件的性能或某些关键零件的综合性能的基本之上的。比如我们公司的成型机，其主要性能在于转轮、压棒、压轮以及模具等等之间的配合，只有这些零件的性能得到保证，我们才能保证整机的综合性能，才能确保机台的精密度（暂不考虑人的因素）。2、机器的基本组成部分一部完整的机器的组成如下图所示：原动机部分：驱动整部机器以完成预定功能的动力源（简单的一个原动机，复杂的有好几个，现代使用的为电动机或热力机，如我们的成型机，切割机都用电动机）执行部分：完成机器预定功能的组成部分。（如成型机的模具压制成型功能，切割机的砂轮的切割功能等等）传动部分：完成把原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数。例如把旋转运动变为直线运动，高转速变为低转速，小转矩变为大转矩，原动机部分传动部分执行部分辅助系统，例如润滑、显示、照明等控制系统把转轮的轴线转过90度（应用涡轮涡杆）。以上三部分只是机器的三个基本部分，随着机器功能越来越复杂，对机器的精确度要求也就越来越高，如只有以上三个部分，使用起来就会遇到很大的困难，所以，我们还会在机器上不同程度地增加其它部分，如控制系统和辅助系统。例如新成型机的报数系统。以新成型机为例，电动机是成型机的原动机；涡杆涡轮组成传动部分；模具及上下滚轮组成执行部分；控制面板上的启动、停止、调速器等等组成控制系统；速度表、电表、产品记数器等组成显示系统；照明灯及仪表盘灯组成照明系统；报数警报器及安全感应器组成信号系统等。二、机械零件设计的一般步骤（一）根据机器的总体设计方案，针对零件的工作情况进行载荷分析、建立力学模型、考虑影响载荷的各项因素，确定零件的计算载荷。（二）分析零件在工作时可能出现的失效形式，确定零件工作能力的计算准则。（三）根据零件的工作条件和对零件的特殊要求选择合适的材料，并确定必要的热处理或其它处理。（四）分析零件的应力或变形，根据工作能力计算准则建立或选定相应的计算式，计算出零件的主要尺寸，并加以标准化或圆整。（五）根据计算得出的主要尺寸并结合结构上和工艺上的要求，绘制零件工作图。并写出零件的计算说明书。三、机械零件的主要失效形式1、整体断裂：零件在受拉、压、弯、剪、扭等外载荷作用时，由于某一危险截面上的应力超过零件的强度极限而发生的断裂，或者零件在受变应力作用时，危险截面上发生的疲劳断裂均属此类。如螺栓的断裂、齿轮齿根部的折断等。2、过大的残余变形：如果作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，则零件将产生残余变形。机床上夹持定位零件的过大的残余变形，要降低加工精度；高速转子轴的残余挠曲变形，将增大不平衡度，并进一步地引起零件的变形。3、零件的表面破坏：主要是腐蚀、磨损和接触疲劳。腐蚀：发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象，其结果是使金属表面产生锈蚀，从而使零件表面遭到破坏，与些同时，对于承受变应力的零件，还要引起腐蚀疲劳的现象。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。（我厂此失效最多）疲劳：受到接触应力长期作用的表面产生裂纹或微粒剥落的现象。四、设计机械零件时应满足的基本要求1、避免在预定的寿命期内失效1）强度（断裂、不允许的残余变形属于强度的问题；再者要考虑到在运输中的强度问题）措施：a材料;b截面尺寸；c热处理；d制造精度（降低工作中的动载荷）等等2）刚度（弹性变形不超过允许的限度，就满足要求）整体刚度（整体伸长、缩短、挠曲、扭转）：可增大截面尺寸或截面的惯性距等；表面接触刚度：增大贴合面而降低压力；精加工；3）寿命：正常工作延缓的时间。影响因素：a材料的疲劳；b材料的腐蚀；c相对运动零件接触表面的磨损；2、结构工艺性要求，即在既定的生产条件下，能够方便而经济地生产出来，并便于装配成机器。3、经济性要求，零件的设计、生产成本等（受工艺性影响）4、质量小的要求（好处：节省材料；对运动零件来说，可减小惯性；）可采用措施：a缓冲装置，降低冲击载荷；b采用安全装置来限制作用在主要零件上的最大载荷；c从零件上应力较小处削减部分材料，以改善零件受力的均匀性，从而提高材料的利用率；d采用与工作载荷相反方向的预载荷，以降低零件上的工作载荷；e采用轻型薄壁的冲压件或焊接件来代替铸、锻零件，以及采用强重比（即强度与单位体积材料所受的重力之比）高的材料等。5、可靠性要求：即在规定的使用时间（寿命）内和预定的环境条件下，零件能够正常地完成其功能的概率。（提高措施：使工作条件和零件性能两个方面的随机变化尽可能小）五、机械零件的设计准则1、强度准则：指零件中应力不得超过允许的限度。其代表性的表达式为δ≤δlim考虑到各种偶然性或精确分析的影响，上式右边要除以设计安全系数S，即δ≤δlim/S2、刚度准则：即零件在载荷作用上产生的弹性变形量y（y由理论或实验方法确定）小于或等于机器工作性能所允许的极限值[y].，y≤[y]3、寿命准则：由于影响寿命的主要因素----腐蚀、磨损和疲劳是三个不同的范畴的问题，所以它们各自发展过程的规律也就不同。迄今为止，还没提出实用有效的腐蚀寿命计算方法，因而也无法列出腐蚀的计算准则。关于磨损的计算方法，由于其类型众多，产生的机理还未完全搞清，影响因素也很复杂，所以尚无可供工程实际使用的能够进行定量计算的方法。关于疲劳寿命，通常是求出使用寿命时的疲劳极限或额定载荷来作为计算的依据。4、振动稳定性准则：在设计时要使机器中受激振作用的各零件的固有频率与激振源的频率错开。f代表零件的固有频率，fp代表激振源的频率，则通常应保证如下的条件：0.85f＞fp或1.15f＜fp5、可靠性准则：可靠度R=N/N0（总件数为N0t时间后仍有N件正常）如试验时间延长，则N减小，R也变化。则R是t函数。设时间t到t+dt的间隔中，又有dN件零件坏了，则在此dt时间间隔内破坏的比率λ(t)定义为λ(t)=-dN/(dt*N)-------失效率，负号表dN的增大将使N减小。分离变量并积分得-∫t0λ(t)dt=∫NN0dN/N=lnN/N0=lnR即R=e-∫t0λ(t)dt零件的失效率λ(t)与时间t的关系如下图所示Ⅰ代表早期失效阶段（存在初始缺陷；需磨合）Ⅱ代表正常使用阶段（如失效则为偶然的原因引起，为随机性的，失效率表现为缓慢增长）Ⅲ代表损坏阶段（需良好的维护和及时更换马上要发生破坏的零件，可延缓机器进入此阶段的时间）五、零件的设计方法机械零件的设计方法可分为常规设计方法和现代设计方法。一、常规设计方法常规设计方法是目前广泛和长期所采用的设计方法。也是本课程中机械零件设计时所采用的设计方法。常规设计方法有以下三种：（一）理论设计理论设计是根据现有的设计理论和实验数据所进行的设计。按照设计顺序的不同，零件的理论设计计算可分为设计计算和校核计算。1．设计计算该计算方法是根据零件的工作情况、要求，进行失效分析，确定的零件工作能力准则，并按其理论设计公式确定零件的形状和尺寸。2．校核计算该计算方法是先参照已有实物、图纸和经验数据初步拟定出零件的结构和尺寸，然后根据工作能力准则所确定的理论校核公式进行校核计算。（二）经验设计经验设计是根据同类机器及零件已有的设计和长期使用累积的经验而归纳出的经验公式，或者是根据设计者的经验用类比法所进行的设计。经验设计简单方便，对于那些使用要求变动不大而结构形状已典型化的零件，是比较实用可行的设计方法。例如普通减速器箱体、齿轮、带轮等传动零件的结构设计。（三）模型实验设计对于尺寸特大、结构复杂、难以进行理论计算的重要零件可采用模型实验设计。即把初步设计的零、部件或机器做成小模型或小样机，通过模型或样机实验对其性能进行检验，根据实验结果修改初步设计，从而使设计结果满足工作要求。二、现代设计方法简介机械设计在近30年来发生相当大的变化，设计方法更趋于科学、完善，计算精度更高，计算速度更快。现代设计的主要方法有以下几种：（一）计算机辅助设计计算机辅助设计（ComputerAidedDesign），简称CAD。它是借助计算机进行设计信息处理，利用计算机具有运算快速准确、存贮量大、逻辑判断功能强等特点，通过人和计算机的交互作用完成设计工作。它相对于传统的设计方法具有以下优越性：1．显著提高设计效率，缩短设计周期。加快产品更新换代，增强市场竞争能力；2．可以贮存大量的设计信息和设计经验，使一些缺乏设计经验及新从事设计工作的人员也能顺利完成设计任务；3．能在较短时间内给出很多设计方案，并进行分析比较，以获得最佳设计方案；4．把设计人员从繁琐的重复性工作中解脱出来，将更多的时间和精力集中到创造性的工作上；5．可与计算机辅助制造（CAM）、计算机管理自动化结合起来形成计算机集成制造系统（CIMS），从企业总效益最高出发，综合进行市场预测、产品设计、生产计划、制造和销售等一系列工作，以实现人力、物力和时间等各种资源的有效利用。（二）优化设计优化设计是将设计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优化数学理论，选用适当的优化方法，并借助计算机求解该数学模型，从而得出最佳设计方案的一种设计方法。近些年来，优化设计和其它一些设计方法结合起来，形成了新的优化设计方法。例如，和可靠性设计结合形成可靠性优化设计；和模糊设计结合形成模糊优化设计等。（三）可靠性设计机械可靠性设计是将概率论、数理统计、失效物理和机械学相结合而形成的一种综合性设计技术。它的主要特点是将常规设计方法中所涉及到的设计变量，如载荷、应力、强度、寿命等，所具有的多值现象看成是服从某种分布规律的随机变量，用概率统计方法设计出符合机械产品可靠性指标要求的零部件和整机的主要参数和结构尺寸。（四）模块化设计模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合就可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求。产品模块化的主要目标之一是以尽可能少的模块种类和数量组成尽可能多的种类和规格的产品。模块化设计相对于传统设计具有如下优点：1．减少产品的设计和制造时间，缩短供货周期，有利于争取客户；2．有利于产品的更新换代和新产品的开发，增加企业对市场的快速应变能力；3．有利于提高产品质量，降低成本，增加产品的市场竞争能力；4．便于产品的维修。（五）机械系统设计机械系统设计是应用系统的观点进行机械产品设计的一种设计方法。其过程一般包括计划、外部系统设计（简称外部设计）、内部系统设计（简称内部设计）和制造销售四个阶段。与传统设计相比，传统设计注重内部系统设计，重点在于改善零件或子系统的特性，而对各零部件之间、内部与外部系统之间的相互作用和影响考虑较少。机械系统设计遵循系统的观点，研究内、外系统和各子系统之间的相互关系，通过各子系统的协调工作，取长补短来实现整个系统最佳的总功能。（六）价值分析价值分析（ValueAnalysis，简称VA）又叫价值工程（ValueEngineering，简称VE），它是一种使产品达到物美价廉的有效的一种现代管理技术，由于它应用于产品设计尤见成效，故已发展成为现代设计方法中的一个重要内容。此法首先要确定价值分析的对象，然后对它们进行成本分析和功能价值计算，应用最新的科学技术成果，对实现产品功能的原理和方法进行革新和创造，提出新的方案，并对新方案进行评价和决策，选出最佳设计方案，以提高产品的价值。（七）专家系统专家系统是一种能够在专家水平上工作的计算机程序系统。由于它具有领域专家的