第一章---机械设计概述-§1-1--概论

第一章机械设计概述§1-1概论§1-2机械设计的基本要求§1-3机械设计的一般程序§1-4机械零件的主要失效形式与设计准则§1-5机械零件的设计方法与基本原则一、机器在国民经济建设中的作用▲机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志。▲只有使用机器，才能便于实现产品的标准化、系列化和通用化，尤其是便于实现高度的机械化、电气化和自动化。▲机械工业肩负着为国民经济各个部门提供装备和促进技术改造的重任。▲大量地设计制造和广泛采用各种先进的机器，可大大加强促进国民经济发展的力度加速我国的现代化建设。§1－1概述本课程的主要内容：本课程中“设计”的含义是指:二、本课程的内容、性质与任务学习机械系统设计的基础知识；学习一般尺寸和参数的通用零件设计方法。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。机械设计结果的表现形式为：机械工程图、说明书和计算机程序。本课程所涉及的先修课程有：工程材料：非金属材料，金属材料及热处理。工程制图：设计的图形表达。机械制造基础：冷加工工艺，热加工工艺。公差配合与技术测量：解决精度设计问题。理论力学：解决力分析与动力计算。材料力学：解决强度分析问题。机械原理：解决机械的方案设计。本课程的几个特点:▲涉及面广体现为5多▲实践性强─只有理论知识不行，要多联系实际，要注重实践性环节。▲设计结果不唯一─强调个性化，没有最好，只有更好。关系多─因与诸多先修课关系密切。要求多─强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、经济性。门类多─各类零件，各有特点，设计方法各异。公式多─计算多，有解析式、半解析式、经验的、半经验的及定义式。图表多─结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、经验数表。注意处理好几个关系▲零件的设计与选用─零件设计的两个主要途径。▲设计计算与结构设计─设计决非只是计算，更应重视结构设计的学习。▲性能要求与经济性─永远是一对矛盾，应学会合理地解决这一对矛盾。▲经验设计与现代设计─二者均重要，前者是后者的基础。▲具体的设计方法与一般的设计能力─前者是学习的形式，后者是学习的目的。在学习机械设计课程之初，有必要对机械的组成，机械的基本要素有一个感性的了解。下面先看几个例子。典型机械实例：机械控制式电气控制式模糊控制式除了控制方式以外，上述三种洗衣机的主要传动系统没有很大的差别。１．全自动洗衣机２．减速器３．工业机器人三、典型机械简介潘存云教授研制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潘存云教授研制洗涤：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。机械设计---规划和设计实现预期功能的新机械或改进原有机械的性能。基本要求：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和造型美观。机械设计的内容：1.确定机械的工作原理，选择合宜的机构；2.拟定设计方案；3.进行运动分析和动力分析，计算各构件上的载荷；4.进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。§1－2机械设计的基本要求一、机械设计的基本要求▲避免在预定寿命期内失效的要求▲结构工艺性要求▲经济性要求▲质量小的要求▲可靠性要求机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。二、机械零件设计的基本要求一）避免在预定寿命期内失效的要求提高零件强度的措施有：▲采用高强度的材料；▲使零件具有足够的截面尺寸；▲合理设计零件的截面形状，增大惯性矩；▲采用热处理和化学处理方法提高材料的强度性能；▲提高零件的制造精度，以减少工作时的动载荷；▲合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷。1.强度要求2.刚度要求零件在工作时的弹性变形不能超过允许的范围称为零件的刚度要求。提高零件刚度的措施有：▲增大零件的截面尺寸或增大惯性矩；▲缩短支承的跨距或采用多点支承。3.寿命要求影响零件寿命的主要因素有：大部分零件工作在变应力下，故疲劳破坏是引起零件破坏的主要原因。影响疲劳强度的因素有：疲劳破坏腐蚀磨损▲应力集中；▲零件的尺寸大小；▲零件表面质量及环境状况：零件处在腐蚀性介质中工作时，可能使材料遭到腐蚀。抗腐蚀的措施有：▲表面发兰（发黑）；▲表面镀层；▲表面涂漆；▲表面阳极化。二）结构工艺性要求零件工艺性良好的标志----在具体的生产条件下，零件要便于加工而加工费用又很低。工艺性的基本要求：1)毛坯选择合理制备方法：选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。2)结构简单合理▲最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面及其组合；▲尽量减少加工面数和加工面积；3)合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下，尽量采用较低的精度和表面质量。▲尽量采用标准件；▲增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、螺纹、键、齿轮模数等）的数量；4)尽量减小零件的加工量▲毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。▲尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进工艺满足上述要求。欲设计出工艺性良好的零件，设计者必须虚心向工艺技术人员和一线工人学习，在实践中积累经验。三）经济性要求零件的经济性首先表现在零件的生产制造成本上。▲简化零件的结构，降低材料消耗；▲采用无余量、少余量的毛坯，减少加工工时；▲采用廉价而充足的材料代替昂贵材料；▲大型零件采用组合结构而非整体结构；▲尽量采用标准件。四）质量小的要求减小质量的好处：节约材料；减小惯性，改善机器的动力性能。减小质量的措施：▲采用缓冲装置来降低零件所受冲击载荷；减小质量的措施：▲采用缓冲装置来降低零件所受冲击载荷；▲采用安全装置来限制作用在零件所受最大载荷；▲从零件应力较小处削减部分材料，以改善零件受力的均匀性，提高材料的利用率；▲采用与工作载荷方向相反的预载荷，以降低零件的工作载荷；▲采用轻型薄璧冲压件或焊接件代替铸造、锻压件；▲采用强重比高的材料。五）可靠性要求零件的实效是随机发生的，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。§1-3机械设计的一般程序一般而言，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。机械设计的一般过程：▲计划阶段▲方案设计阶段▲技术设计阶段▲技术文件编制阶段一、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二、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三、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四、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机械零件的失效：机械零件曲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。§1-4机械零件的主要失效形式与设计准则整体断裂;过大的残余变形;工作表面的过度磨损或损伤;破坏正常的工作条件;零件的失效形式如轴、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一、机械零件的主要失效形式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二、机械零件的计算准则▲强度准则▲刚度准则设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：▲寿命准则▲振动稳定性准则▲可靠性准则---确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。----确保零件不发生过大的弹性变形。---通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。----高速运转机械的设计应注重此项准则。----当计及随机因素影响时，