机械设计第二章.ppt
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1、第二章 机械设计总论2-1 机器的组成2-2 设计机器的一般程序2-3 对机器的主要要求2-4 机械零件的主要失效形式2-5 设计机械零件时应满足的基本要求2-6 机械零件的计算准则2-7 机械零件的设计方法2-8 机械零件设计的一般步骤2-9 机械零件材料的选用原则2-10 机械零件设计中的标准化2-11 机械现代设计方法简介1机器的组成1 人们为了满足生产和生活的需要,设计和制造了类型繁多、功能各异的机器。一台完整的机器的组成大致可包括:原动机部分传动部分执行部分润滑、显示、照明等辅助系统控制系统传感器传感器传感器2-1机器的组成2设计机器的一般程序 计划阶段 方案设计阶段 技术设计阶段
2、技术文件编制阶段一部机器的质量基本上决定于设计质量,机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。它是一个创造性的工作过程,同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作。设计机器的一般程序:2-2设计机器的一般程序3(1)计划阶段 需求分析 对所设计的机器的需求情况作充分的调查研究和分析。明确功能 明确机器所应具有的功能,为以后的决策提出由环境、经济、加工以及时限等各方面所确定的约束条件。设计任务书 包括机器的功能,经济性的估计,制造要求方面的大致估计,基本使用要求,以及完成设计任务的预计期限等。4(2)方案设计阶段 本阶段对设计的成败起关键的作用。在这一阶段中充分地表现出设计工作有多个解(方案)的特
3、点。对设计任务书提出的机器功能中必须达到的要求、最低要求及希望达到的要求进行综合分析,功能能否实现,多项功能间有无矛盾,相互间能否替代等。最后确定出功能参数,作为进一步设计的依据。在这一步骤中,要恰当处理需要与可能、理想与现实、发展目标与当前目标等之间可能产生的矛盾问题。复杂程度使用费用设计制造费用总费用费用5(3)技术设计阶段 运动学设计:确定原动机参数及各运动构件运动参数 动力学计算:计算各主要零件上所受的名义载荷 工作能力设计:作零、部件的初步设计,确定零、部件的基本尺寸 部件装配草图及总装配草图设计:根据的主要零、部件的基本尺寸,设计出部件装配草图及总装配草图。这时需要很好地协调各零件
4、结构尺寸,全面考虑其结构工艺性,使全部零件有最合理的构形 主要零件校核:在绘出部件装配草图及总装草图以后,所有零件的结构及尺寸均为已知。此时可以对各个零件进行精确校核6(4)技术文件编制阶段 技术文件的种类较多,常用的有机器的设计计算说明书、使用说明书、标准件明细表等。设计计算说明书=方案选择+技术设计 使用说明书=性能参数范围+使用操作方法+日常保养及简单的维修方法+备用件的目录 其它技术文件,如检验合格单、外购件明细表、验收条件等,视需要与否另行编制。7提出任务分析对机器的要求分析对机器的要求确定任务要求确定任务要求机器功能分析机器功能分析提出可能的解决办法提出可能的解决办法组合几种可能的
5、方案组合几种可能的方案决策决策选定方案选定方案明确构形要求结构化结构化选择材料、确定尺寸零件设计零件设计编制技术文件编制技术文件评价评价决策决策确确定结构形状与尺寸定结构形状与尺寸评价评价部件设计部件设计总体设计总体设计8对机器的主要要求 (1)使用功能要求 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 合理地配置必要的辅助系统 (2)经济性要求 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、低的管理和维护费用等。2-3对机器的主要要求9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,使设计参数最优
6、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10提高使用经济性指标的主要途径有 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 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11(3)劳动保护要求 减少手柄数目 手柄位置便于操作 符合心理和习惯 美化外形和色彩 降噪声、防毒(4)可靠
7、性要求 可靠度:规定时间内给定环境下正常工作的概率 采用备用系统和加强检测可提高可靠性12(5)其它专用要求 对不同的机器,还有一些为该机器所特有的要求。例如:机床长期保持精度 飞机质量小、飞行阻力小、运载能力大 流动使用的机器便于安装和拆卸 大型机器便于运输的要求13机械零件的主要失效形式1(1)整体断裂 指零件在载荷作用下,其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂,或在变应力作用下,危险截面发生的疲劳断裂。齿轮轮齿断裂 轴承内圈断裂2-4机械零件的主要失效形式14机械零件的主要失效形式2(2)过大的残余变形 当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限,零件将产生残余变形。齿轮齿面塑形变
8、形轴承外圈塑性变形 15机械零件的主要失效形式3(3)零件的表面破坏 零件表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳(点蚀)。齿面接触疲劳轴瓦磨损 16机械零件的主要失效形式4(4)破坏正常工作条件引起的失效 液体摩擦的滑动轴承存在完整的润滑油膜 带传动传递的有效圆周力小于临界摩擦力 高速转动的零件转速与系统的固有频率避开一个适当的间隔有统计结果表明,一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起。17设计机械零件时应满足的基本要求(一)避免在预定寿命期内失效的要求 (1)强度 除用于安全装置中预定适时破坏的零件外,对任何零件都是应当避免强度失效。提高机械零件的强度措施:采用强度高的材料 使零
9、件具有足够的截面尺寸 合理地设计零件的截面形状,增大截面的惯性矩 热处理和化学热处理,提高材料的机械强度 提高制造精度,降低工作时的动载荷 配置各零件的相互位置,降低零件上的载荷 2-5设计机械零件时应满足的基本要求18 (2)刚度 刚度定义:零件在工作时产生弹性变形的允许限度 适用零件:弹性变形过大会影响机器工作性能的零件 提高零件的整体刚度措施:1)增大零件截面尺寸或增大截面的惯性矩 2)缩短支承跨距或采用多支点,减小挠曲变形 提高零件的接触刚度措施:1)增大贴合面积 2)降低表面粗糙度19 (3)寿命 零件的寿命:正常工作延续的时间 影响零件寿命的主要原因:疲劳、腐蚀、磨损 影响疲劳强度
10、的主要因素:应力集中、零件尺寸大小、零件表面品质、环境状况 防腐蚀措施:选用耐腐蚀材料、表面保护(发蓝、表面镀层、喷涂漆膜及表面阳极化处理)20(二)结构工艺性要求 定义:在既定的生产条件下,能够方便而经济地生产出来,并便于装配 影响因素:毛坯制造、机械加工、装配(三)经济性要求 采用少余量或无余量的毛坯或简化零件结构,以减少加工工时。设计工艺性好的结构。贵重材料廉价而供应充足的材料 大型零件整体结构组合结构 加工件标准化的零、部件21(四)质量小的要求 减小质量的好处:节约材料、减小惯性载荷 措施:缓冲装置降低冲击载荷 安全装置限制最大载荷 削减应力较小处部分材料 采用与工作载荷相反方向的预
11、载荷 采用轻型薄壁的冲压件或焊接件来代替铸、锻零件 采用强重比高的材料22(五)可靠性要求 通过大量实验再利用概率统计的方法找出规律,可得到零件的可靠度 使用中加强维护和对工作条件进行监测,也可以提高零件的可靠性23机械零件的计算准则1 1、强度准则: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。2、刚度准则:确保零件不发生过大的弹性变形。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。3、寿命准则:通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。4、振动稳定性准则:高速运转机械的设计应注重此项准则。5、可靠性准则:当计及随机因素影响时,仍应确保上述各项准则。2-6机
12、械零件的设计准则24(一)强度准则 应力不得超过允许的限度 lim 脆性材料lim=B(强度极限)塑性材料lim=S(屈服极限)考虑到各种偶然的因素或难以精确分析的情况,要给定安全系数 lim/S S过大,偏安全费材料,S过小,偏危险省材料25(二)刚度准则 零件在载荷作用下产生的弹性变形量y,应小于或等于机器工作性能所允许的极限值 y(许用变形量),这就叫做满足了刚度要求,表达式为:yy y可按各种变形量的理论或实验方法来确定 y则应随不同的使用场合,根据理论或经验来确定其合理的数值具体解释理论:估算载荷+公式计算实验:实际载荷+仪器测量理论结合实验:估算载荷+公式计算+实验修正系数 本书中
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