机械设计第一章和第二章.ppt

第一章 绪论 了解机械、机器、机械零件、机械设计等概念，设计机器的一般过程。掌握机械零件中的通用零部件与专用零部件。了解本课程的内容和性质。教学目的和要求：人类在长期的生产和生活实践中创造和发展了机械，目的是为了减轻或替代人的劳动，提高劳动生产率。在我国，机械的创造、发展及使用有着悠久的历史（例如捣米这样的简单机构）。三千年前出现了简单的纺织机，两千年前，已将凸轮、连杆机构等用于生产中。东汉时已发明了用水排以鼓风炼铁，这对古代冶铁业的发展起了重要作用。东汉张衡将杆机构巧妙地使用在人类第一台地动仪上。可是长期的封建制度和长年的战乱，阻碍了我国机械工业的发展。引言水排以鼓风炼铁英国学者米尔恩根据文献记录复原了“候风地动仪”使用压缩空气驱动的汽车其续航距离可达200公里 汽车发动机所排出的尾气中不含任何污染物 法国的气动汽车 机械工业在现代化建设中的作用v机械是人类在长期的生产实践中创造出来的，用来代替或减轻人类劳动、提高生产效率和产品质量的技术装置；v机械已经成为现代生产和日常生活的基本要素；v机械工业的生产水平高低是衡量国家现代化建设水平的重要标志之一。机器的基本组成要素机械机器和机构的总称。机械零件是机器的制造单元。分为：通用零件：各种机器中常用的。(是本课程的主要学习对象）例如：齿轮、链传动、带传动、轴、联轴器轴承、螺栓、键、铆、焊结构件、弹簧等。专用零件：只在某些特定的机器中才用到的。（有关专业课中学习）例如：叶片、曲轴等。部件为完成同一使命在结构上组合在一起并协同工作的零件。例如：滚动轴承、减速器等。机械零件 常用泛指零件和部件机器与零件的关系：v机器的性能与组成机器的机械零、部件性能的好坏是密切相关的；v必须正确设计或合理选择零件；v机器中每个零件的设计或选择又必须是从整台机器的要求出发的。1.总论部分 机械设计的基本原则，一 般过程、传动方案及材料选择、润滑等 2.联接部分 螺纹联接、键、销联接等.3.传动部分 齿轮传动、带传动、链传动等.4.轴系部分 滑动轴承、滚动轴承、轴及联轴器、离合器等.5.其他部分 弹簧、减速器等本课程的内容:性质专业课程机械设计基础课程v技术基础课程 本课程是一门技术基础课，它综合运用了工程力学、机械制图、公差配合等先修课程知识，解决通用零部件的分析设计问题，较之以往的先修课程更接近工程实际，但也有别于专业课程，它主要是研究各类机械所具有的共性问题，在机电类专业课程体系中占有重要位置。本课程的地位任务：1.掌握通用机械零、部件的设计原理、方法和机械设计的一般规律；突出创新意识和创新能力的培养，具有机械系统综合设计能力；2.树立正确的设计思维，了解国家当前的有关技术经济政策；3.具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力；4.掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技能的基本训练。本课程的特点和学习方法：特点：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、经验的、半经验的及定义式。图表多结构图、原理图、示意图、曲线图、标准、经验数表。1、涉及面广：六多2、实践性强不仅读懂书就行，要多联系实际，要注重实践性环节。3、无重点又都是重点，设计工作必须详尽，细小的疏忽也会导致严重事故。4、设计问题无统一答案更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维。本课程的特点本课程的特点和学习方法应用类型 工作原理 失效形式设计准则 计算方法 结构设计方法：学习方法：1.认识机械、了解机械。2.掌握方法，形成总体概念。各机构、零部件在机器中的作用是不同的，机器的功能是建立在机构的功能及主要零部件综合性能基础上，学习零部件的特点、设计方法，同时从机器总体出发，将各章节讨论的各种通用零件有机联系起来，防止孤立、片面地学习各章内容。3.理解经验公式、参数、简化计算的使用条件，重视结构设计分析及方案选用。学习环节听课做笔记课后复习做作业小结忌：抄作业、套例题第二章 机械设计总论学习重点：v v机械设计的基本要求及主要内容v v机械零件设计的基本要求及一般步骤v v机械零件的失效形式和工作能力计算准则v v载荷和应力的分类及安全系数的选择 机器：既能实现确定的机械运动，又能做有用的机械功，或者能传递或转换能量、物料、信息等。如车床、机械手、内燃机、照相机2.1 机器的组成机器（三个特征）：人为的实物组合（不是天然形成的）；各实物单元具有确定的相对运动；能完成有用的机械功或转换机械能，可用来代替或减轻人类的劳动。机构 机构：仅能传递或转换运动。如齿轮机构、凸轮机构。机械：是机器和机构的总称。内燃机车 床 照相机1.洗衣机结构图：机器的组成举例：图示轿车除原动机部分、传动部分和执行部分外，还包含了控制系统和其它辅助系统 轿车的组成工业机器人 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。操作手在控制系统的指挥下，完成各种复杂作业。工业机器人的组成：一台完整的机器的组成如下：一台完整的机器的组成如下：原动机部分原动机部分传动部分传动部分执行部分执行部分润滑、显示、照明等辅助部分润滑、显示、照明等辅助部分控制系统控制系统传感器传感器 传感器传感器传感器传感器 一般机器包含基本组成部分：原动机部分、传动部分、执行部分和控制部分。原动机部分：为机器运转提供动力。常用的原动机有电动机、内燃机、液压机、气动机等。机器的组成：传动部分：把原动机的运动和动力传递给执行机构。如：常用的各种减速和变速装置均可作为传动机构。控制部分：用来处理机器各组成部分之间，以及与外部其它机器之间的工作协调关系，它通常由各种计算机和控制器组成。执行部分：它是一部机器中最接近作业工作端的机构，通过执行构件与被作业件相接触，来完成作业任务。如：汽车的车轮。问：减速器和自行车是否都是机器？2-2 设计机器的一般程序一般程序 计划阶段方案设计阶段技术设计阶段技术文件编制对所设计的机器需求情况进行充分调查分析，明确机器功能及约束条件，形成设计任务书。分析机器功能，确定功能参数，拟定多种方案并进行综合评价。确定原动机参数及各运动构件的运动参数，确定主要零件上的载荷大小、特性，依工作能力设计准则初步完成零件基本尺寸的确定，作出零部件装配草图及总装配图，完成主要零件的校核计算。编制设计计算说明书、使用说明书及其它技术文件。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明确设计要求 明确设计要求提出设计方案 提出设计方案 总体设计 总体设计 结构设计 结构设计 试制鉴定 试制鉴定 产品定型 产品定型信 信息 息反 反馈 馈以减速器为例从中选 从中选出最佳 出最佳方案 方案 在设计过程中，这些步骤是相互交错、在设计过程中，这些步骤是相互交错、反复进行的。设计者要从实际出发，注重调 反复进行的。设计者要从实际出发，注重调查研究，善于学习，在实践中不断积累设计 查研究，善于学习，在实践中不断积累设计经验，以期取得最佳成果。经验，以期取得最佳成果。nT nT，限制条件：通用化、标准化等，限制条件：通用化、标准化等齿轮减速（直齿、斜齿、蜗杆等）齿轮减速（直齿、斜齿、蜗杆等）带 带 齿轮 齿轮 链 链 或 或 带 带 齿轮等 齿轮等总体传递运动简图：总体传递运动简图：（电机（电机 带 带 齿轮减速器 齿轮减速器 链 链 运输带）运输带）总装图、零部件图及技术条件 总装图、零部件图及技术条件工厂试制、评价、论证 工厂试制、评价、论证机械产品的传统设计-制造过程设计/绘图 制造样机实物样机实 验改进设计产品定型生产用纸和铅笔或二维绘图软件制造实物零件并装配(投资大、周期长)建造实验环境，用传感器测量载荷、变形和运动状态等(投资大、周期长)现代设计过程制造实物样机实物实验用三维CAD系统构造零件三维模型和 部件三维装配模型用CAE系统进行动力学/运动学仿真用CAE系统进行有限元分析机构运动是否正常?零件是否会破坏?节省时间和投资提高设计质量CAE 是计算机辅助工程，随着计算技术的发展，企业可以建立产品的数字样机，并模拟产品及零件的工况，对零件 对零件和产品进行工程校验、有限元分析和计算机仿真 和产品进行工程校验、有限元分析和计算机仿真。有限元分析在CAE中运用最广，有限单元法的基本思想是将物体（即连续的求解域）离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题。物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析结构。随着单元数目的增加，解的近似程度将不断增大和逼近真实情况。CAE使用功能要求2-3 对机器的主要要求使用功能要求-机器应具有预定的使用功能。这主要靠正确地选择机器的工作原理，正确地设计或选用能够全面实现功能要求的执行机构、传动机构和原动机，以及合理地配置必要的辅助系统来实现。经济性要求劳保和环保要求寿命与可靠性要求其它专用要求经济性要求经济性要求-机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，设计机器时就要全面综合地进行考虑。设计制造的经济性表现为机器的成本低，使用经济性表现为高生产率，高效率，低能耗，以及低的管理和维护费用等。提高设计和制造经济性指标的主要途径有:1）采用先进的现代设计方法(CAD)，使设计参数最 优化,达到尽可能精确的计算结果,保证机器足够的可靠性。2）最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零、部件。3）尽可能采用新技术、新工艺、新结构和新材料。4）合理地组织设计和制造过程。5）力求改善零件的结构工艺性，使其用料少、易加 工、易装配。1）合理地提高机器的机械化和自动化水平，以期提 高机器的生产率。提高使用经济性指标的主要途径有:2）选用高效率的传动系统，尽可能减少传动的中间 环节，以期降低能源消耗。3）适当地采用防护及润滑，以延长机器的使用寿命。4）采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象。1)要使机器的操作者方便和安全。因此设计时要按照人机工程学的观点布置各种按钮、手柄，使操作方式符合人们的 心理和习惯。同时，设置完善的安全装置、报警装置、显示装置等。2）改善操作者及机器的环境。所设计的机器应符合劳动保护法规的要求。降低机器运转时的噪声水平，防止有毒、有害介质的渗漏，对废水、废气和废液进行治理。劳动保护和环境保护要求机器的可靠度-指在规定的使用时间内和预定的环境下机器能够正常工作的概率。失效-机械零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能时，称为失效寿命和可靠性要求其它专用要求-针对不同机器所特有的要求。例如：1)对机床有长期保持精度的要求；2)对飞机有质量小，飞行阻力小而运载能力大的要求；3)对流动使用的机器有便于安装和拆卸的要求；4)对大型机器有便于运输的要求等等。其它专用要求2.4 机械零件的主要失效形式失效的概念v 机械零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能时，称为失效。v 失效并不意味着破坏主要失效形式 v 整体断裂 v 过大的残余变形v 零件的表面破坏v 破坏正常工作条件引起的失效一、整体断裂v 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。v 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。断裂极限断裂疲劳断裂韧性断裂脆性断裂断裂实例一断裂实例二断裂实例三断裂实例四疲劳断裂实例二、过大的残余变形v 塑性变形：零件过载时，塑性材料发生塑性变形。（应力超过了材料的屈服极限）v 过量的弹性变形：微小的弹性变形不可避免，但过量的弹性变形会使零件、机器不能正常工作。过大的残余变形过量的弹性变形塑性变形塑性变形实例三、零件的表面破坏 腐蚀、磨损、接触疲劳。v 绝大多数零件都与别的零件发生静的或动的接触和配合关系或暴露在空气中。v 大多数失效出现在零件表面。v 零件的使用寿命在很大程度上受到表面损伤的限制。齿面磨损实例疲劳点蚀图例齿面上的疲劳点蚀四、破坏正常工作条件引起的失效v 有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作，正常工作条件被破坏了，零件就不能工作，也就失效了。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。2.5 设计机械零件应满足的 基本要求一.避免在预定寿命期内失效的要求v1.强度(断裂和不允许的残余变形属强度不足）v 措施：采用强度高的材料，使零件具有足够的截面尺寸，合理地设计零件地截面形状，以增大截面的惯性矩，采用热处理，提高材料地力学性能等。2.刚度 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。措施：增大截面尺寸或增大截面的惯性矩，采用多支点结构减少挠曲变形。3.寿命要求 影响零件寿命的主要因素：影响疲劳强度的因素：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。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：表面发蓝（发黑):工件在空气、水蒸气或化学药物的溶液中在室温或加热到适当温度，在工件表面形成一层蓝色或黑色氧化膜，以改善其耐蚀性和外观的表面处理工艺。用于精密仪器、光学仪器、工具.表面镀层:防腐蚀涂料在被涂装基体表面固化后形成涂层，防止基体腐蚀.表面涂漆表面阳极化:金属材料在电解质溶液中，通过外施阳极电流使其表面形成氧化膜的一种材料保护技术。又称表面阳极氧化。实施阳极化处理最多的金属材料是铝，有镁合金、铜和铜合金、锌和锌合金、钢。二、结构工艺性要求 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尽量采用标准件；4)尽量减小零件的加工量 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、精密锻造粉末冶金等先进工艺满足上述要求。结构不合理的实例：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：节约材料；减小惯性，改善机器的动力性能。五、可靠性要求：在工作条件和零件性能考虑。v2.6 机械零件的设计准则计算准则的分类计算准则强度准则刚度准则寿命准则振动稳定性准则可靠性准则v 机械零件工作能力的判定条件称为零件的工作能力计算准则。是计算确定零件基本尺寸的主要依据。一、强度准则v 强度是指零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及表面损伤的能力。v 计算条件为：s s lim 其中 s 为零件的工作应力。v 考虑到各种偶然性的影响v 计算条件为：s s lim/S 脆性材料：lim=B(强度极限)塑性材料：lim=S(屈服极限)lim-材料的极限应力二、刚度准则v 刚度是指零件受载后抵抗弹性变形的能力。v 计算条件为：y y三、寿命准则寿命准则涉及耐磨性疲劳寿命腐蚀寿命v 影响零件寿命的主要因素是磨损、疲劳和腐蚀。对于磨料磨损，常采用条件性计算方法：p ppv pvv 耐磨性：是指零件在载荷作用之下抵抗磨损的能力。与零件的结构、材料、热处理、表面状态及润滑油的选择有关。v 包括：磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损v 关于磨损，目前尚无可靠的定量计算方法。四、振动稳定性准则：高速运转机械的设计应注重 此项准则。v 为确保零件及系统的振动稳定性。为保证机器中受激振零件的固有频率f 与激振源的频率fp 错开，避免发生共振。要求：v 条件:0.85ffp 或1.15ffp五、可靠性准则：即R=N/N0 R 可靠度的定义：对件数为N0的一批零件进行试验，经过时间t之后有N件仍能正常工作，则该零件在该试验环境条件下工作时间t的可靠度。定义为：R=N/N0若t R N-R是时间的函数。若在时间t+dt内，又有dN个零件失效，则dt内零件的失效的比率定义为：-失效率“-”表示dN的增大将使N减少。常规设计方法（一）理论设计（二）经验设计（三）模型实验设计2.7 机械零件的设计方法2.8 机械零件设计的一般步骤确定零件的计算载荷确定零件工作能力的计算准则选择合适的材料，并确定热处理方式分析计算绘制零件工作图并出计算说明书确定零件的结构方案拟定零件的计算简图2.9 机械零件的材料及其选用黑色金属有色金属铸铁钢金属材料一、常用材料低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)合金钢(1Cr18）灰铸铁(TH300)球墨铸铁(QT500-5)铝合金(LY12)铜合金(ZCuSn10P1)钢-低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢、结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、铸钢等。特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。钢的选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。钢制零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。应用：应用范围极其广泛。表2-1 常用材料的相对价格材 料 种 类 规 格 相对价格热轧圆刚 碳素结构钢Q235（3342）1铸 件优质碳素钢（2950）1.51.8 合金结构钢（2950）1.72.5 滚动轴承钢（2950）3 合金工具钢（2950）320 4Cr9Si2耐热钢（2950）5 灰铸铁铸件 0.85 碳素钢铸件 1.7 铜合金、铝合金铸件 810 黑色金属有色金属铸铁钢金属材料低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)合金钢(1Cr18）灰铸铁(TH300)球墨铸铁(QT500-5)铝合金(LY12)铜合金(ZCuSn10P1)铜合金-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。青铜黄铜轴承合金（巴氏合金）-含锡青铜、不含锡青铜零件毛坯获取方法：辗压、铸造。应用：应用范围广泛。高分子材料复合材料陶瓷非金属材料-塑料、橡胶、合成纤维。-强如钢、轻如铝、硬如金刚石。-强度高、弹性模量大、质量轻。橡胶-橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。塑料-塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。1)产品品种规格的系列化 将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。定义：标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。2)零部件的通用化 将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现互换；3)产品质量标准化 要保证产品质量合格和稳定，就必须做好设计、加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。2-10 机械零件设计中的标准化基本特征：统一、简化。意义：1)制造上可以实现专业化大批量生产，既可提高产品质量，又能降低成本；2)设计方面可减少设计工作量；3)管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准代号为：ISOGB JB、HBQB推荐性标准（GB/T）-鼓励企业自愿采用。标准性质强制标准（GB）-必须强制执行；强制性国家标准：代号为GB(为标准序号)(为批准年代)强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。推荐性国家标准：代号为GBT，这类标准占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的效果。机械现代设计方法通常是相对传统的设计方法而言。现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下列转换：2-11 机械现代设计方法简介静态的 动态的 如机器结构动力学计算；分部处理法 系统工程法 如系统工程；定性的 定量的 如有限元计算；宏观的 微观的 如微纳米摩擦学设计；串行设计 并行设计 如并行设计；可行性设计 优化设计 如优化设计；确定量 随机量 如可靠性设计；人工设计 自动化设计 如计算机辅助设计。1.一台完整的机器通常由哪些基本部分组成？2.一般机器的设计程序通常由哪几个基本阶段构成？3.设计机器时应满足哪些基本要求？4.机械零件主要有哪些失效形式？作业:5.设计机械零件时应满足哪些基本要求？6.机械零件的常用设计准则是什么？