江苏大学机械原理及设计第二章 机械设计总论

机械工程学院机械设计系机械原理及设计（Ⅱ）第二章机械设计总论2020年1月23日机械工程学院机械设计系第二章机械设计总论§2-1设计机器时应满足的基本要求§2-2设计机器的一般程序§2-3机械零件设计概述§2-4机械零件的失效形式和设计准则机械工程学院机械设计系一、机器的组成（本节将以汽车为例讲述机器的组成）§2-1设计机器时应满足的基本要求1·动力部分：原动机提供动力（蒸汽机、电动机、内燃机等）2·执行部分：完成预定的功能（车轮、悬挂系统及底盘、车身）3·传动部分：转换运动形式、运动及动力参数（离合器、变速箱、传动轴、差速器等）4·控制部分：控制运行状态（方向盘及转向系统、排挡杆及其它各种操作手柄及刹车、油门、离合器踏板）5·辅助系统：反馈运行状态并发出信号（润滑、照明、显示、信号等）机械工程学院机械设计系原动机部分传动部分执行部分辅助系统控制系统框图中的蓝色框部分表示机器的基本组成部分，简单的机器就只由这三部分组成，随着机器功能越来越复杂，对机器的精确度要求也越来越高，辅助系统、控制系统就应运而生，在这些组成部分中，绝大多数机器不可或缺的组成部分-----传动部分（尤其是机械传动），这将是我们讲课的重点（课程设计：减速器的设计）机械工程学院机械设计系1·功能要求（或使用要求）：如起动、转弯半径、吨位速度、制动2·经济要求：如设计、制造、使用成本，采用标准化、系列化、通用化的零部件（底盘、车桥等）3·安全性与劳动保护要求：安全装置（气囊、安全带）、噪声4·生态环境的要求：环境保护（尾气、噪声）5·人机工程与造型：操作习惯、外型美观，符合美学原则二、对机器的主要要求:（以汽车为例）6·可靠性要求：在规定的使用条件及使用期限内不出故障7.其它专用要求：特殊要求（防弹、越野等）机械工程学院机械设计系§2-2设计机器的一般程序机器的先进性取决于设计者的设计的先进水平，机械设计经过上百年的发展形成了自己较为固定的程序，本节以农用车为例结合框图来阐述设计机器的一般程序。设计的各个阶段是相互联系、相互影响、相互制约的，在设计中不可避免的会出现反反复复，在设计中要注意运用先进的设计方法、设计手段来进行设计，如采用优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计等来提高设计质量，加快设计速度，缩短开发周期，使产品尽快地进入市场、占领市场，获得最大的经济效益和社会效益。样机试制、检测、验收、改进原型的设计从小批到中批再到大批，注重售后服务，不断反馈信息，不断改进、不断提高市场调研、比较分析并拟定设计任务书如:开发的吨位、市场的占有率、社会效益、经济效益、性能的先进性等计划阶段(提出问题)技术设计阶段(解决问题)试制鉴定阶段(验证问题)方案设计阶段(分析问题)产品设计定型批量生产阶段对机器进行功能分析，组合出设计方案以供选择，评价决策、选择最终方案。如：四轮、三轮；柴油机、汽油机；有无驾驶室；传动方案（皮带、链、传动轴）等运动分析：原动机参数--各运动构件的运动参数动力分析：由运动参数计算零件所受载荷的大小零件工作能力分析：由载荷进行零件的初步设计图纸设计及技术文件编制：绘图（总装图、部件图、零件图）、编制技术文件（设计说明书、工艺文件、标准件、自制件、外协件明细表、使用说明书）等机械工程学院机械设计系一、设计零件应满足的基本要求1·在预定的寿命期内安全可靠、避免失效的要求，具体表现为：⑴·强度：强度不足会引起断裂、较大的残余变形（塑性变形）⑵·刚度：刚度不足会造成弹性变形超过允许的限度⑶·寿命：影响寿命的主要因素有材料的疲劳、材料的腐蚀、磨损2·结构工艺性的要求：结构简单便于制造加工与装拆、降低成本§2-3机械零件设计概述3·经济性、质量小的要求：价廉物美、轻巧耐用（遵循三化原则）4·可靠性要求：零件的可靠性决定了机器的可靠性机械工程学院机械设计系二．机械设计中的“三化”1·标准化：对零件的尺寸、结构要素、材料特性、检验方法、设计方法、制图要求等制定出统一的共同遵守的标准（如：螺纹联接件，滚动轴承等用途最广的零件进行大量的、集中制造，用户根据要求选用）2·系列化：对同一产品，为了适应不同的使用条件，在同一基本结构或基本尺寸的条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品，称为不同的系列（如：滚动轴承的直径系列、宽度系列，工程机械的系列化）3·通用化：不同的产品间，零部件要能相互通用（如：汽车与农用车之间零部件的通用）机械工程学院机械设计系我国标准:国标(GB)、行业标准(如JB)、企业标准国际标准:ISO标准三．机械零件设计步骤1．类型选择（选型）：选择符合要求的零件类型与结构2．受力分析：计算载荷、求作用力3．材料选择：选择合适的材料5．结构设计：根据工艺及标准化进行零件的结构设计4．承载能力计算：分析零件的失效形式，确定计算准则，确定零件的基本尺寸设计是一个边计算、边画图、边修改的反复过程，上述步骤要反复地进行才能设计出优秀的产品来，结构设计是机械设计的重要设计内容之一标准分类6．校核计算、画零件工作图、编写技术资料机械工程学院机械设计系四．机械零件的常规设计方法：1·经验设计：根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式，或根据设计者本人的经验用类比的办法所进行的设计。如：箱体、机架、传动零件的各结构要素等，一般用在不重要的场合。2·模型实验设计：对一些尺寸巨大而结构又很复杂的重要零件尤其是一些重型整体机械零件，为提高设计质量，可采用此方法。即根据相似理论的方法做模型，从对模型的模拟工作状态中取得数据后再作为设计的依据，对设计进行逐步的修改，直至完善。如：飞机的风洞试验、桥梁、水坝、大型的发电机组（从小到大逐步开发）。3·理论设计：根据在模型实验与科学理论基础上发展起来的设计理论进行设计的方法，应用形式有：⑴设计计算（由已知载荷与材料性能求零件的尺寸）；⑵校核计算（已知零件尺寸，校核其是否满足使用的要求）。机械工程学院机械设计系§2-4机械零件的失效形式和设计准则机械零件的失效是指零件失去了正常的工作能力，零件的失效将不可避免的导致机器的失效，零件的性能与质量直接影响机器的性能与质量。在以后的学习中我们将从分析零件的主要失效形式入手，根据失效形式提出其设计准则，并根据设计准则进行零件设计。下面将把失效形式和与其对应的设计准则结合起来进行讲解机械工程学院机械设计系设计准则：强度准则强度条件：有二种表达形式失效形式：塑变或断裂（静强度断裂、疲劳断裂）一1．应力表示法：正应力剪应力slim,slim,2．安全系数表示法：正应力剪应力sscalimsscalim机械工程学院机械设计系讨论：σ越小，或Sca越大，则强度越好?说明：1·σlim为极限应力，即：•σB强度极限---静强度断裂；•σs屈服极限---塑性变形；•σr疲劳极限---疲劳断裂（在第三章讲述）•σHlim接触疲劳极限---疲劳点蚀（在第三章讲述）2·Sca为计算的安全系数3·τ也与之相同机械工程学院机械设计系设计准则：刚度准则失效形式：过大的弹性变形问：合金钢代替碳钢能否提高零件的刚度？二刚度条件：弯曲刚度：挠度y≤[y]扭转刚度：扭转角φ≤[φ]TφT偏转角θ≤[θ]yθ机械工程学院机械设计系设计准则：寿命准则。影响寿命的主要因素是腐蚀、过度磨损、疲劳（表面接触疲劳、整体疲劳〈简称疲劳〉）。1.对于腐蚀、磨损由于因素很复杂，无有效的定量的计算方法，一般只作条件性计算。如（“耐磨性准则”）2.对于疲劳通常是求出使用寿命时的疲劳极限来作为计算的依据（见前面的强度准则部分），在轴承的寿命计算中我们将具体的应用到寿命准则和后面将要将要讲的可靠性准则失效形式：表面破坏（表现为：腐蚀、磨损、接触疲劳）p≤[p]防止压力过大而产生过度磨损v≤[v]防止速度过高而产生过度磨损pv≤[pv]防止温度过高而发生胶合三耐磨性准则（条件性计算：如在不完全液体润滑滑动轴承的设计计算中）机械工程学院机械设计系振动稳定性准则：固有频率f与激振频率fp之间满足0·85f＞fp或1·15f＜fp的关系。四失效形式：破坏正常的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工作，当条件被破坏是就不能正常工作，从而导致失效。如表现为：1.带传动及摩擦轮传动中，传递的有效圆周力大于临界摩擦力，将发生打滑的失效。2.完全液体润滑滑动轴承中的完整润滑油膜被破坏，将发生过热、胶合、磨损等失效。3.高速转动的零件（转子）的固有频率接近激振频率时将发生共振引起振幅过大，引起断裂的失效。设计准则：防止零件的正常工作条件被破坏，避免失效的发生。如采用限制工作载荷、供油充分、避开激振频率（振动稳定性准则）等来确保零件的正常工作条件机械工程学院机械设计系一．耐热性准则：一些特殊的零件特殊要求二．可靠性准则可靠度Rt：指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。一批零件，设Ｎ个同样零件，在规定时间内有Nf个失效，Nt个仍能正常工作，则可靠度Rt为：11ttfttFRNNNNR应力/强度应力强度分布密度应力强度lim五机械工程学院机械设计系本章结束谢谢大家！谢谢大家！