绪论第2章机设概论.ppt

1.1 本课程研究的对象1.2 本课程的内容、性质和任务 绪 论主菜单本章要解决的问题：1.什么是机器？什么是机构？机器和机构有何联系？2.本课程的研究内容有哪些？课程的性质和任务是什么？教学的基本要求：了解机器和机构的概念及机器的组成；了解本课程的研究内容、性质和任务。重点、难点：对机器和机构的理解。机器实例1：内燃机功能：内燃机是将燃气燃烧时的热能转化为机械能的机器 组成：见右图气缸体1活塞2进气阀3排气阀4连杆5曲轴6凸轮7顶杆8齿轮91.1 本课程研究的对象 一、机械“机械设计基础”研究的对象是机械或机器 活塞下行，进气阀打开，燃气被吸入汽缸活塞上行，进气阀关闭，压缩燃气点火后燃气燃烧膨胀，推动活塞下行，经连杆带动曲轴输出转动 活塞上行，排气阀打开，排出废气工作过程：点击上图观看动画1.1 本课程研究的对象 1.1 本课程研究的对象 运动：原动件：活塞由燃气推动（驱动力所作用的构件）主运动：将活塞的往复直线运动 曲轴的回转运动辅助运动：配气 启闭进排气阀机器实例2：牛头刨床曲柄床身1，滑块(2)6，电机3 齿轮4、5，导杆7，刨头8及其辅助部分经变速机构床身1导杆7 齿轮5齿轮4滑块6刨头8功能：将电能转变为机械能，作机械功。把回转运动往复直线运动组成：见右图1.1 本课程研究的对象 主运动系统主体机构运动：原动件电动机主运动切削运动辅助运动工作台的进给运动，让刀运动等工作过程：电机34 5 2、6 7 8 将电机的回转运动转变为刨头的往复直线运动，以满足刨削工件的需要点击观看动画由上述分析可知机器的组成动力子系统 如电动机、内燃机、蒸汽机、马达、气缸和液压缸等，它是机器的动力源。将其他形式的能量转换为机械能。执行子系统 它处于整个机器系统的终端，完成有用的机械功。传动子系统 它介于动力子系统和执行子系统之间，把动力子系统的运动和动力传递给执行子系统。控制子系统 控制、协调动力子系统、传动子系统和执行子系统的工作，以便整个机器系统能够准确、可靠地实现预期的功能。由于信息技术的飞速发展，近代机器的控制子系统中，计算机已居于主导地位。1.1 本课程研究的对象 机器组成各部分关系框图1.1 本课程研究的对象 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 车床实现确定的机械运动，又作有用的机械功 内燃机转换能量 机械手传递物料 照相机传递信息 机构：仅能传递或转换运动。如 齿轮机构传递运动 凸轮机构转换运动 机械：是机器和机构的总称。由此可见：1.1 本课程研究的对象 摇头风扇连杆机构 齿轮机构 1.1 本课程研究的对象 二、机械的特征1）人为的实物组合由人工组合的构件系统2）各实物间具有确定的相对运动 如3）实现能量转换或完成有效的机械功活塞缸体：往复运动曲轴缸体：转动连杆曲轴：摆动刨头床身：往复直线如内燃机：热能机械能发电机：机械能电能电动机：电能机械能具有以上三个特征机器只具有机器的前两个特征机构牛头刨主体机构：把回转运动直线运动作机械功凸轮机构（配气机构）：把回转直线运动作机械功曲柄滑块机构：将活塞的直线运动曲柄的回转运动如可见，机器与机构的关系：机器是由一种或多种机构组成的1.1 本课程研究的对象 1.一般机器的组成：原动机+传动部分+工作机（带式输送机）三、构件和零件2.机器由机构组成:机构人工组合的构件系统 构件：组成机器的各个相对运动的实物。单一零件曲轴多个零件的刚性组合连杆是机器中独立运动的单元体，由一个或几个零件组成构件是机械中运动的单元体，零件是机械中制造的单元体。（轿车的组成）点击动画机构的组成 构件 零件机构中独立运动的物体内燃机连杆套筒连杆体螺栓垫圈螺母轴瓦连杆盖 零件：机械中不可拆的制造单元体。3.零件是组成机器最基本的单元体 专用零件：特定机器中所使用的零件，如活塞、曲轴、叶片通用零件：各类机器中普遍使用的零件，如齿轮、轴、螺栓等部件：若干个零件的装配体 机械设计基础的研究对象是常用机构和通用零部件的工作原理、运动特点、结构特点、设计计算的基本理论和方法及有关标准规范零件可分为两类：1.1 本课程研究的对象 1.2 课程的内容、性质和任务 一、课程内容 第1篇总论，主要介绍机械的组成，机械设计的一般规律和常用设计方法；第2篇机构与机械传动，主要介绍机械中常用机构和机械动力学的基本知识；第3篇连接，主要介绍常用的连接，如螺纹连接、轴榖连接(键连接、销连接)、轴间连接（联轴器、离合器）等；第4篇轴及轴系部件，主要介绍轴、轴承等。1.2 课程的内容、性质和任务 二、课程性质性质：技术基础课基础：机械工程技术人员必须掌握的机械基础理论知识培养：学生具有一定机械设计的能力，学会基本设计方法专业：为了解本专业所用机械的传动原理、运行维修、改造、自动控制等方面获得必要的基本知识教学：学习专业课的基础三、任务(阐述常用机构和通用零部件的工作原理、结构和设计方法)常用机构：连杆、凸轮、齿轮、轮系、其他常用机构通用零部件：连接零件螺纹、键、花键、销连接 传动零件齿轮、蜗杆、带、链、螺旋传动 轴系零件轴、滑动轴承、滚动轴承、联轴器和离合器 其他弹簧第2章 机械设计概论第2章 机械设计概论本章知识导读1.本章学习的主要内容 本章为机械设计的基础知识，主要介绍机械设计应满足的基本要求及设计的一般程序；机械零件的强度及表面强度；机械零件的常用材料；机械零件的工艺性及标准化；机械设计中的常用设计方法等内容。2.重点、难点提示重点：机械零件的强度。难点：变应力下的许用应力。2.1 概述 2.1.1 机械设计应满足的基本要求 设计是为了满足某一特定要求而进行的创造性的劳动。掌握设计的基本理论和方法是所有受工程教育的学生都应具备的能力。机械设计是应用新的原理、新的概念去开发创造新的机器（或新的机构），也可以是在已有机器的基础上，重新设计或作局部的改革。因此，提高机器的工作能力，合并或简化机器结构，增多或减少机器功能，提高机器效率，降低机器能耗，变更机器零件，改用新材料等，都属于机械设计的范畴。机械设计应满足的要求是：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在预定使用期限内安全可靠、操作方便、维修简单和造型美观等。失效：在预定寿命期限内，机械零件由于某种原因丧失了预定功能的现象。工作能力：在不发生失效的条件下，机械零件所能安全工作的限度。承载能力：对载荷而言的工作能力。机械零件常见的失效形式有：零件的断裂；工作表面的点蚀和过大的磨损；过大的弹性变形；连接的松弛；带传动的打滑等。工作能力计算准则：为防止零件失效而制定的判定条件，通常称为工作能力计算准则。判定条件为：计算量许用量。机械设计中常用的名词 2.1 概述 2.1 概述 1、基本要求 在满足预期功能的前提下，使产品性能好，效率高，成本低，在预定的使用期限内安全可靠。2、主要内容 1）确定机械的工作原理，选择适宜的机构 2）拟定设计方案 3）进行运动和受力分析，计算作用于各构件上的载荷 4）进行零部件工作能力计算（强度计算）5）整体和结构设计3、机械设计的一般过程 新产品从提出任务到投放市场的全部程序要经过四个阶段：调查决策阶段；研究设计阶段；试制阶段；投产销售阶段。机械零件设计的一般步骤：1.根据机器工作情况，拟定零件计算简图，确定作用在零件上的载荷；2.根据零件的工作条件和经济性，选择适当的材料；3.根据零件可能的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的主要尺寸，并加以圆整或标准化；4.根据设计的尺寸，结合结构和工艺上的要求，绘制零件工作图。机械设计的一般过程 机械设计的一般过程 明确设计要求提出设计方案 总体设计 结构设计 试制鉴定 产品定型信息反馈以减速器为例从中选出最佳方案 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。nT，限制条件：通用化、标准化等齿轮减速（直齿、斜齿、蜗杆等）带齿轮链 或 带齿轮等总体传递运动简图：（电机带齿轮减速器链运输带）总装图、零部件图及技术条件工厂试制、评价、论证2.2 机械零件的强度1.载荷的分类载荷可分为静载荷和变载荷。静载荷：不随时间变化或变化缓慢的载荷，如锅炉压力等。变载荷：随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷，前者如内燃机阀门弹簧所受的载荷，后者如汽车的齿轮和轴等所受的载荷（因负荷和道路不同，载荷是随机性的）。对非周期性变化的载荷可用统计规律来表征。在设计计算中，常把载荷分为名义载荷和计算载荷。名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。计算载荷：载荷系数与名义载荷的乘积为计算载荷。即 式中 FC计算载荷F名义载荷K载荷系数，机器工作时由于受到制造安装精度、振动等影响，往往产生附加载荷，引入载荷系数以弥补这类因素的影响。2.2 机械零件的强度 按应力随时间变化的特性不同，可分为静应力和变应力。静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力。如锅炉的内 压力所引起的应力，拧紧螺母所引起的应力等。变应力：随时间变化的应力。其中具有周期性的变应力称为循环变应力。循环变应力具有三种基本类型：非对称循环变应力、对称循环变应力和脉动循环变应力，其应力特征有：平均应力：应力幅：循环特性：式中：为最大应力，单位MPa；最小应力，单位MPa。2.2 机械零件的强度2.应力的分类max脉动循环变应力r=0mTmaxminaam循环变应力otmaxminaa对称循环变应力r=-1ototaaminr=+1强度是机械零件工作能力的最基本的计算准则，设计零件 时，首先必须满足强度要求。判定零件强度的方法有两种。1.判定危险截面处的最大应力是否小于等于许用应力，强度计算条件为，式中 lim、lim分别为极限正应力和切应力；S安全系数。2.2.2 机械零件强度计算的条件2.2 机械零件的强度2.判断危险截面处的实际安全系数是否大于或等于许用安全系数。强度计算条件为 S S采用何种方法计算，可由能利用的数据和计算惯例来决定。为了简便，在以下的论述中只提正应力，若研究切应力时，将更换为即可。2.2.2 机械零件强度计算的条件2.2 机械零件的强度2.2.3 静应力下的许用应力1.塑性材料 在静应力条件下零件的主要失效形式为塑性变形。应取材料的屈服极限S为零件的极限应力lim，故许用应力为：2.脆性材料 在静应力条件下零件的主要失效形式为断裂，应取材料的强度极限B为零件的极限应力lim，故许用应力为：2.2 机械零件的强度2.2 机械零件的强度 在变应力条件下，零件的主要失效形式为疲劳断裂。疲劳断裂具有以下几个特征：1.疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低；2.不论是塑性材料还是脆性材料，其疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；3.疲劳断裂是损伤的累积。他的初期现象是在零件表面或表层形成为微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增多而逐渐扩展，直至余下的未裂开的截面积不足以承受外载荷时，零件就突然断裂。在断口上明显的出现两个区域：一个是在变应力反复作用下裂纹两边相互摩擦形成的表面光滑区；另一个是最终发生脆性断裂的粗糙区。疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤逐渐累积，裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂。因而疲劳断裂与应力循环次数（即使用期限或寿命）密切相关。2.2.4 变应力下的许用应力 2.2 机械零件的强度2.2.4 变应力下的许用应力 1.疲劳极限 循环特性r一定时，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏的最大应力称为疲劳极限。用字母rN来表示。如对称循环变应力时用-1N表示。2.疲劳曲线 表示疲劳极限rN与应力循环次数N之间的关系曲线称为疲劳曲线。如图所示为多数黑色金属材料的疲劳曲线。N0循环基数r对应于N0的材料的疲劳极限。NN0区，为无限寿命区。NN0区为有限寿命区，该区疲劳曲线方程为：所以 式中：C 为试验常数；rN为对应于循环次数N的疲极；m为随料和应力状态而定的指数（钢制零件弯曲时取m=9；接触应力时取m=6）；kN为寿命指数，当NN0时，取kN=1。2.2.4 变应力下的许用应力 2.2 机械零件的强度3.许用应力 1）影响机械零件疲劳强度的主要因素（1）应力集中系数k 由于结构要求，零件一般都有截面形状的突然变化处（如孔、键槽、缺口等），当零件受载时，即会引起应力集中。常用应力集中影响系数k来表示疲劳强度的降低程度。如果同一截面上同时有几个应力集中源，应选用其中最大的有效应力集中系数进行计算。（2）绝对尺寸系数 当其他条件相同时，零件尺寸越大，则其疲劳强度越低。截面绝对尺寸对疲劳强度的影响用绝对尺寸系数表示。（3）表面状态系数 当其他条件相同时，零件表面越粗糙，则其疲劳强度越低。表面状态对疲劳强度的影响用表面状态系数表示。上述三个系数，可从有关的机械零件设计手册中查找。许用应力的计算参见教材公式（2-8）和公式（2-9）。2.2.4 变应力下的许用应力 2.2 机械零件的强度初始疲劳裂纹 初始疲劳裂纹 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，零件强度称为接触强度。如齿轮、凸轮、滚动轴承等裂纹的扩展与断裂 油失效形式常表现为：疲劳点蚀金属剥落出现小坑后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。2.3 机械零件的表面强度接触疲劳强度的判定条件为：2.3.1 表面接触强度 通过局部配合面间的接触来传递载荷的零件，在接触面上的压应力称为挤压应力。当挤压应力过大时，塑性材料将产生表面塑性变形，脆性材料将产生表面破碎。挤压应力分布比较复杂，在工程上常采用简化的条件性计算方法。挤压强度的计算公式为 式中：p、p挤压应力和许用挤压应力；F作用在零件上的载荷；A零件间的接触面积或曲面接触时的投影面积。当各零件的材料和接触面积均不相同时，应分别计算其挤压应力。2.3 机械零件的表面强度2.3.2 表面挤压强度 2.3 机械零件的表面强度2.3.3 表面磨损强度 在滑动摩擦下工作的零件，常因过度磨损而失效。影响磨损的因素很多且比较复杂，故工程上常采用条件性计算。滑动速度低、载荷大时，可只限制工作表面的压强p，即 pp(2-12)滑动速度v较高时，还要限制摩擦功耗，以免工作温度过高而使润滑失效。故常限制pv值，即 pvpv(2-13)高速时还要限制滑动速度v，以免由于速度过高而加速磨损，降低零件寿命，即 vv(2-14)内燃机车 床 机械手凸轮机构齿轮机构照相机零件装配减速器 滚动轴承机器的组成带式输送机风扇摇头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