1机械设计概述(《机械设计基础》陈立德第3版)

§1.1机械设计的基本要求§1.2机械设计的内容与过程§1.3机械零件的失效形式及设计计算准则§1.4机械零件的接触强度§1.5机械零件的标准化§1.6现代机械设计理论概述第1章机械设计概述潘存云教授研制自动洗衣机的组成：上盖控制面板进水口排水管外箱体盛水桶支撑拉杆脱水桶电动机带传动减速器波轮洗涤：A制动，B放开，运动经电机、带传动、中心齿轮、行星轮、行星架、波轮脱水：A放开，B制动，运动经电机、带传动、内齿圈（脱水桶）、中心齿轮、行星架、波轮与脱水桶等速旋转。AB洗衣机系统简图带传动脱水桶波轮自动洗衣机的工作原理：典型机械实例：１．全自动洗衣机２．减速器３．工业机器人潘存云教授研制典型机械实例：１．全自动洗衣机２．减速器３．工业机器人潘存云教授研制典型机械实例：１．全自动洗衣机２．减速器３．工业机器人典型机械实例：１．全自动洗衣机２．减速器３．工业机器人潘存云教授研制典型机械实例：１．全自动洗衣机２．减速器３．工业机器人潘存云教授研制典型机械实例：１．全自动洗衣机２．减速器３．工业机器人潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制示教盒用于输入控制命令或控制程序。控制系统用于控制操作机各关节内伺服电机的运动。工业机器人的组成:操作手在控制系统的指挥下，完成各种复杂作业。示教盒（编程器）控制系统操作手典型机械实例：１．全自动洗衣机２．减速器３．工业机器人由以上实例，可归纳得以下几点：1.一个机械系统包含着机械结构系统、驱动动力系统、检测与控制系统；2.现代机器不仅可以代替人类的体力劳动，还可以部分的脑力劳动。3.一台机器的机械结构总是由一些机构组成的，每个机构又是由若干零件组成的。有些零件是在各种机器中常用的，称之为通用零件，如：螺钉、齿轮、轴承等；有些零件只有在特定的机器中才用到，称之为专用零件，如：洗衣机中的波轮、工业机器人的末端执行器、军械中的枪栓等。设计的地位与作用1.经济竞争归根结底是设计和制造能力竞争工业化国家的财富60~80%是制造业创造的制造是将科技转化为财富的最后环节各发达国家重新重视制造业3.制造业市场竞争围绕TQCSF展开上市时间竞争的焦点服务灵活性FQCTQCST质量产品成本S灵活性F4.竞争的焦点之一是设计成功的设计赢得了市场设计是科技成果转化为生产力的纽带设计是引进技术实现国产化的重要环节没有现代化设计就没有现代化产品5.设计在生产中的地位设计是影响产品技术与经济指标的关键设计占成本5%设计决定成本02040608075%现代企业三部分开发设计将核心工作放在本企业，两头在内，中间在外市场销售制造必须采用先进的设计方法和手段激烈的竞争传统的手段简单的计算工具CAE手工绘图碰撞方法碰撞常规的计算方法激烈的竞争CAD传统的手段工具1.1机械设计的基本要求机械设计包括以下两种设计:应用新技术、新方法开发创造新机械；在原有机械的基础上重新设计或进行局部改造。一、设计机械零件的基本要求工作可靠并且成本低廉;零件的工作能力是指零件在一定的工作条件下抵抗可能出现的失效的能力，对载荷而言称为承载能力。设计机械零件要注意以下几点：（1）合理选择材料，降低材料费用；（2）保证良好的工艺性，减少制造费用；（3）尽量采用标准化、通用化设计，简化设计过程从而降低成本。使用功能要求经济性要求可靠性要求劳动保护要求－操作方便、工作安全造型美观、减少污染其它专用要求二、机械设计的基本要求机械设计的基本要求设计机器的一般程序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。设计是影响产品技术与经济指标的关键机械设计应用新技术、新方法开发创造新机械在原有机械基础上重新设计或进行局部改造，从而改变或提高原有机械的性能本课程中“设计”的含义是指机械装置的实体设计，涉及零件的应力、强度的分析计算，材料的选择、结构设计，考虑加工工艺性、标准化以及经济性、环境保护等。1.2机械设计的内容与过程现代设计方法：常规设计方法：优化设计、可靠性设计、有限元设计、模块设计、计算机辅助设计理论设计、经验设计和模型实验设计等。机械设计的过程通常可分为以下几个阶段：（1）产品规划（2）方案设计（3）技术设计（4）制造及试验产品规划的主要工作是提出设计任务和明确设计要求。由设计人员构思出多种可行方案进行分析比较，从中优选出一种方案。设计结果以工程图及计算书的形式表达出来。经过加工、安装及调试制造出样机，对样机进行试运行或在生产现场试用。机械设计的内容与过程市场调查可行性研究……功能分析原理方案设计……主参数匹配设计主结构构形设计……人机工程设计外观设计……产品部件设计产品零件设计……技术文档样机试制性能试验定型批产……可行性报告结构设计草图总体设计部装图、零件图产品规划设计任务书原理方案设计原理方案图结构方案设计总体布局设计总装配图施工设计试制、实验、批量生产、销售1.3机械零件的失效形式及设计计算准则机械零件丧失预定功能或预定功能指标降低到许用值以下的现象。机械零件的失效：进行机械零件设计时必须根据零件的失效形式分析失效的原因，提出防止或减轻失效的措施，根据不同的失效形式提出不同的设计计算准则。一、失效形式机械零件常见的失效形式有如下几种：1.断裂2.过量变形3.表面失效4.破坏正常工作条件引起的失效（一）断裂1、极限断裂：零件某一危险剖面上的应力超过零件的强度极限时发生的断裂。外载（拉、压、弯、剪、扭）作用，σσB机械零件的主要失效形式2、疲劳断裂：零件在长时间的变应力作用之下发生的断裂，是大多数机械零件的失效形式。变应力作用，σσr例子2例子1断裂实例轴承内圈断裂齿轮轮齿断裂机械零件的主要失效形式2（二）过大的残余变形齿轮齿面塑形变形轴承滚动体塑性变形机械零件的主要失效形式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。σσS（塑性材料）机械零件的主要失效形式3机械零件的主要失效形式（三）零件的表面破坏——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机械零件的主要失效形式（四）破坏正常工作条件引起的失效有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作(胶合)。带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作（打滑）。高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔才能正常工作（共振）。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工作能力—不失效条件下零件的安全工作限度。这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又常称为“承载能力”50kN吊钩最大起重量——50kN工作能力或承载能力——50kN机械零件的设计准则二、设计计算准则同一零件对于不同失效形式的承载能力也各不相同。根据不同的失效原因建立起来的工作能力判断条件，称为设计计算准则。主要包括以下几种：1.强度准则（整体强度和表面强度）整体强度的判断准则表示为：或表面接触强度的判断准则表示为：HH应力表示法：安全系数表示法：SS接触应力表示法：挤压应力表示法：PP机械零件的失效形式及设计计算准则二、刚度准则——确保零件不发生过大的弹性变形零件在载荷作用下产生的变形量小于或等于机器工作性能允许的极限值。表达式为：y≤[y]f≤[f]轴的挠度和转角轴的扭角2.刚度准则零件在载荷作用下产生的弹性变形量应小于或等于机器工作性能允许的极限值。3.耐磨性准则pp4.散热性准则tt5.可靠性准则TSNNR/挠度y≤[y]偏转角θ≤[θ]][扭转角机械零件的失效形式及设计计算准则三、设计机械零件的一般步骤如下：（1）根据机器的具体运转情况和简化的计算方案确定零件的载荷。（2）根据零件工作情况的分析，判定零件的失效形式，从而确定其计算准则。（3）进行主要参数选择，选定材料，根据计算准则求出零件的主要尺寸，考虑热处理及结构工艺性要求等。（4）进行结构设计。（5）绘制零件工作图，制订技术要求，编写计算说明书及有关技术文件。机械零件的失效形式及设计计算准则可靠性由可靠度来度量可靠度R：在规定工作条件下和规定的工作时间内，零部件或机械系统无故障地完成规定功能的概率。可靠度是衡量机器在寿命方面的质量指标。可靠性准则就是将常规设计中视为常量的设计参数如实地作为随机变量对待，把概率统计理论应用到机械设计中来，按照零部件或机械系统应有的定量的可靠度来设计它们。五、可靠性准则：零件强度的范畴1)按工作条件不同静应力（静强度）：材料力学基础。变应力（疲劳强度）：大部分零件工作在变应力下→疲劳寿命设计。2)按破坏部位和形式不同整体强度：受载时在零件内部产生应力。表面强度：受载时在零件表面产生的应力，如接触应力。§1-4机械零件的接触强度机机械零件的接触强度接触应力:两零件以点、线相接处时，初始接触线的压应力一、接触应力若两个零件在受载前是点接触或线接触，受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力(contactstress)。这时零件强度称为接触强度。如齿轮、滚动轴承等机械零件，都是通过很小的接触面积传递载荷的，因此它们的承载能力不仅取决于整体强度，还取决于表面的接触强度。二、接触强度机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约15～25μm处产生初始疲劳裂纹，在两接触表面的相互运动中，润滑油被挤入裂纹内，运动表面将裂纹口封死，形成高压油，促使裂纹扩展。当裂纹扩展到一定深度以后，就导致表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑。这种现象称为疲劳点蚀(fatiguepitting)。三、接触疲劳失效形式齿面上的疲劳点蚀例子：齿面疲劳点蚀发生疲劳点蚀后，减少了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力，并引起振动和噪音。疲劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式。BFF赫兹(Hertz)公式22212121H1111EEBF四、接触应力的计算公式：式中：F—作用于接触面上的总压力H—最大接触应力(contactstress)或赫兹应力；B—初始接触线长度；ρ1和ρ2—分别为两零件初始接触线处的曲率半径,“＋”号用于外接触，“－”号用于内接触；E1、E2—分别为两圆柱体材料的弹性模量；1、2—分别为两圆柱体材料的泊松比。按照弹性力学，对线接触的情况，当两个半径为1、2的圆柱体在压力F作用下接触时，其接触区为一狭长矩形，最大接触应力发生在接触区中线的各点上五、接触疲劳强度条件判断金属接触疲劳强度的指标是接触疲劳极限，即在规定的应力循环次数下不发生疲劳点蚀的最大接触应力。接触疲劳强度计算准则为：lim[]HHHHS接触疲劳极限应力接触疲劳安全系数许用接触应力条件性计算：在设计机械零件时往往是将较复杂的实际工作情况进行一定的简化，这些计算或多或少带有一定的条件性或假定性。在设计过程中，上述步骤又是相互交错、反复进行的。注意事项机械零件的失效形式及设计计算准则机机械零件的接触强度§1.4机械零件的接触强度当两零件以点、线相接处时，其接触的局部会引起较大的应力。这局部的应力称为接触应力。接触应力是不同于以往所学过的挤压应力的。挤压应力是面接触引起的应力，是二向应力状态，而接触应力是三向应力状态。接触应力的特点是：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。22212121H1111EEBF式中ρ1和ρ2分别为两零件初始接触线处的曲率半径,其中正号