第2章-机械设计总论

机械设计第2章机械设计总论§1－1机器的组成及典型机械介绍§1－2机械零件的计算准则§1－3机械零件的材料及选用机械设计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认识。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。全自动洗衣机；减速器；工业机器人。潘存云教授研制１．全自动洗衣机；§1－1机器的组成及典型机械介绍机械设计自动洗衣机的组成：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机械设计洗涤：A制动，B放开，运动经电动机、带传动、中心齿轮、行星轮、行星架、带动波轮旋转。脱水：A放开，B制动，运动经电动机、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：机械设计典型机械实例：２．减速器潘存云教授研制机械设计典型机械实例：３．工业机器人机械设计潘存云教授研制典型机械实例：３．工业机器人机械设计典型机械实例：潘存云教授研制３．工业机器人机械设计典型机械实例：潘存云教授研制３．工业机器人机械设计典型机械实例：潘存云教授研制３．工业机器人机械设计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，完成各种复杂的作业。示教盒（编程器）控制系统操作手机械设计典型机械实例：１．全自动洗衣机；２．减速器；３．工业机器人由以上实例，可归纳得出：润滑、显示、照明等辅助系统原动机传动装置执行机构控制系统传动装置―在原动机与执行机构之间传递运动、转换运动方式的装置。机械传动装置是本课程研究的主要内容之一。机器机械设计定义：GB10853-89机器理论与机构学术语机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息。机构是用来传递运动和力的、有一个构件为机架的、用构件间能够相对运动的连接方式组成的构件系统。设计机器的一般程序对机器的主要要求………教材P5表2-1使用功能要求经济性要求劳保环保要求寿命可靠性要求其他专用要求机械设计教材与参考书教材—濮良贵，纪名刚.机械设计.8版.北京：高等教育出版社，2006.《机械设计课程设计图册》、《机械设计课程设计指导书》手册—《机械设计手册》参考书1.吴宗泽.机械设计.北京：高等教育出版社，2001.2.《机械设计》（第四版）邱宣怀等主编高教出版社3.《机械创新设计》黄纯颖主编高等教育出版社机械设计国外机械龙头企业：美国卡特彼勒公司成立于1925年，是世界上最大的工程机械和矿山设备生产厂家、燃气发动机和工业用燃气轮机生产厂家之一，也是世界上最大的柴油机厂家之一。沃尔沃集团成立于1927年，是世界最大的卡车、客车及建筑设备的生产商之一，在海洋及工业能源系统方面和飞机发动机元件领域占有领先地位。JCB拥有挖掘装载机(BackhoeLoader，俗称“两头忙”)、伸缩臂式叉装机、履带式和轮式挖掘机、轮式装载机、工地叉车、滑移式装载机、小型挖掘机、自卸车、高速拖拉机等300多个产品系列。小松工程机械有限公司工程机械、特种工程机械、进口工程机械、地下工程机械、产业机械机械设计国内机械行业强大的股份公司：沪东重机（船用柴油机）、风帆股份（保定）、三一重工（长沙）、太原重工、徐工科技、经纬纺机（北京）、石油济柴（济南）、柳工机械江钻股份（武汉）、中核科技（苏阀）、秦川发展（秦川机床）天地科技（北京煤业）…石油机械：北石、兰石、宝石、江汉四机、南阳二机、胜利高原、山东墨龙、德州联合、江苏金石、天津奥凯、牡丹江……机械设计从一个设计实例看机械设计的一般过程社会需求设计任务方案设计结构设计编制技术文件机械设计以冲压工艺所需的压力加工设备为例进行分析社会需求：以上、下模具之间的直线往复运动对平板材料进行加工（拉伸，弯曲，切断，冲裁，压印等）。机械设计设计任务：力——标准吨位位移——工作行程速度——最高连续工作速度加速度——允许速度波动运动精度——允许运动误差经济性——最高造价可靠性——平均无故障工作时间安全性——意外情况下对人和设备进行保护其他要求——运输，安装，调整机械设计方案设计：原动机：选用交流电动机，满载转速1450r/min，工作机：工作频率80次/min中间传动机构：需要解决的问题①旋转运动变换为直线运动②高速运动变换为低速运动③连续运动变换为往复运动机械设计旋转运动变换为直线运动可选择的运动变换技术方案：1.曲柄滑块2.齿轮齿条3.凸轮顶杆4.螺旋传动……机械设计高速运动变换为低速运动可选择的减速传动方案：1.带传动2.链传动3.齿轮传动4.蜗杆传动机械设计曲柄压力机传动原理图机械设计结构设计:仅以连杆部件为例讨论结构设计问题机械设计结构设计:连杆部件机械设计结构设计:连杆部件机械设计结构设计:连杆部件机械设计结构设计:连杆部件AAA-A放大机械设计一、几个名词：1）失效：机械零件由于某种原因不能正常工作，称为失效。注意：a)失效并不单纯指破坏，破坏只是失效的形式之一。机械零件的可能失效形式很多，归纳起来主要有强度、刚度、耐磨性、振动稳定性以及温度等方面的失效。b)同一种零件可能的失效形式往往有若干种。例如：轴在工作中可能产生断裂、过大弹性变形、共振等失效。机械零件失效的主要形式：整体断裂、过大的残余变形、零件的表面破坏、破坏正常工作条件引起的失效（教材P10）§1－2机械零件的计算准则机械设计机械零件失效实例：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外圈塑性变形潘存云教授研制齿面接触疲劳点蚀潘存云教授研制轴瓦磨损潘存云教授研制轴承内圈破裂机械设计一、几个名词：2）工作能力：即机械零件在一定条件下抵抗失效的能力。3）承载能力：对载荷而言的工作能力。（也就是用载荷表示的工作能力）4）工作能力计算准则：为防止机械零件发生某种失效而应满足的条件。（也可以理解为是机械零件不发生失效的“安全件”，是设计零件时的理论依据）。机械设计载荷和应力1为了防止机械零件在工作中产生失效，设计时，需要以零件的工作能力计算准则为依据进行必要的计算，常用的理论计算方法（过程）有两种：5）设计计算：先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。6）校核计算：先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件是否满足计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。除理论设计方法外，机械零件常规的设计方法还有经验设计、模型试验设计。（教材P16）机械设计载荷和应力1为了防止机械零件在工作中产生失效，设计时，需要以零件的工作能力计算准则为依据进行必要的计算。机械零件的设计准则大体有：•强度准则•刚度准则•寿命准则•振动稳定性准则•可靠性准则•摩擦学准则机械设计二、载荷和应力1载荷由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。静载荷变载荷按是否随时间变化，载荷分为：按是否考虑动载荷的影响，载荷分为：名义载荷：在理想平稳条件下所受的载荷（不考虑动载荷的影响）计算载荷＝载荷系数K×名义载荷（代表机器或零件实际所受载荷）载荷系数K：用于计入在实际工作中受到的各种动载荷的影响。额定载荷：由原动机的额定功率推算出的载荷。机械设计载荷和应力22应力应力分为静应力变应力2minmaxm2minmaxasmax─最大应力；smin─最小应力sm─平均应力；sa─应力幅值r─应力比（循环特性）maxminr变应力•应力与外载荷、零件的截面形状有关•强度与材料本身的机械性能有关，而与外载荷、截面形状等无关。强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。机械设计ot应力静应力变应力稳定循环变应力非稳定循环变应力脉动循环应力对称循环应力非对称循环应力规律性非稳定循环变应力随机性非稳定循环变应力机械设计规律性随机性周期尖峰应力ot应力静应力变应力稳定循环变应力非稳定循环变应力脉动循环应力对称循环应力非对称循环应力规律性非稳定循环变应力随机性非稳定循环变应力机械设计最大应力：最小应力：应力幅：平均应力：maxmin2/)(minmaxa2/)(minminm循环特性（应力比）：maxminr1r脉动循环应力：静应力：0r1r非对称循环应力：11r对称循环应力：机械设计对称循环应力r=-1、sm＝0脉动循环应力r=0、smin＝0静应力r=1静应力（可看作是循环应力的一个特例）注：静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产生，也可由静载荷产生。（承受静载荷的回转运动或周期运动的零件将产生变应力）另外，应力还分为名义应力：根据名义载荷求得的应力计算应力：根据计算载荷求得的应力机械设计强度准则三、强度准则强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。强度条件有两种表示方法：1）用应力表示：σ≤〕〔σ〕〔σ＝Sσlim2）用安全系数表示：≥〕〔SS＝σσlimS式中：σ—计算最大应力limσ—极限应力—计算安全系数S〕〔S〕〔σ—许用应力—许用安全系数注：对于切应力，只须将上述各公式中的换成即可。στ机械设计静应力下的强度1静应力下的强度在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形或断裂。材料种类不同，所取极限应力也不同。塑性材料单向应力状态：slimslim，复合应力状态：按第三或第四强度理论计算当量应力。脆性材料单向应力状态：，blimblim复合应力状态：按第一强度理论计算当量应力。注：1）对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁），在计算静强度时，可不考虑应力集中的影响。2）对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算静强度时，应考虑应力集中的影响。机械设计接触强度2循环应力下的强度计算变应力下的强度时，应取疲劳极限（详见第三章）。limrN3许用安全系数〕〔S过大，则机器会过于笨重；过小，可能不安全。因此，在保证安全的前提下，应尽可能选用较小的许用安全系数。的取值主要受下列因素的影响：〕〔S〕〔S1）计算的准确性；2）材料的均匀性；3）零件的重要性。机械设计接触强度2对于高副零件，理论上是点、线接触，但实际上在载荷作用下材料发生弹性变形后，理论上的点、线接触变成了很小的面接触，在接触处局部会产生很高的应力，这样的应力称为表面接触应力，用表示。H的大小用赫兹公式计算，公式见教材P35。H4表面接触疲劳强度122212121111HFBEE机械设计接触强度2•接触循环应力作用下的失效形式是：疲劳点蚀（简称点蚀）。•点蚀的危害：1）破坏零件的光滑表面，引起振动和噪音。2）减小零件的有效工作面积。实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的。如齿轮的轮齿，接触啮合时受应力作用，脱离啮合时不受应力作用。•在接触循环应力作用下的强度称为表面接触疲劳强度。强度条件为：≤HH机械设计5表面挤压强度两零件之间为面接触时，在载荷作用下，接触表面上产生的应力称为挤压应力，用表示。p在挤压应力作用下的强度称为挤压强度，其强度条件为：≤［］pp挤压应力作用下，接触面的失效形式是－“压溃”。注：相互挤压表面上的挤压应力相等。机械设计挤压强度及刚度准则四、刚度准则刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。如：机床主轴的弹性变形过大将会影响所加工工件的精度。刚度条件：实际变形量y≤许用变形量［y］式中：实际变形量可用相关理论计算或由实验方法确定。许用变形量［y］－－是保证正常工作所允许的变形量。注：1）零件材料的弹性模量E越大，则其刚度越大。2）用合金钢代替碳钢能提高零件的强度，但不能提高零件的刚度。机械设计刚度准则及振动稳定性五、振动稳定性准则当作用在零件上的周期性外力的变化频率与零件的自激振动频率（固有频率）接近或者相等时，便发生共振，导致零件失效。这种现象称之为“失去振动稳定性”