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机械设计讲稿
收录时间:2022-11-25 21:36:43  浏览:0
20072008学年第一学期机械设计讲稿2005级机制第一章 绪论51-1 机械的组成及本课程研究对象51/机械的组成52/机械设计课的研究对象51-2 本课程的性质和任务51-3 机械设计课的特点和学习方法6第二章 机械及机械零件设计总论72-1机器的组成8一、机器的组成8二、机械零件的分类82-2设计机器的一般程序8一、计划阶段9二、方案设计阶段9三、 技术设计阶段9四、技术文件编写阶段92-3对机器的主要要求10一、使用功能的要求10二、经济性要求:机械的经济性是一个综合性指标10三、劳动保护要求10四、可靠性要求11五、其他专用要求112-4机械零件的主要失效形式11一、整体断裂11二、过大的残余变形11三、零件表面的破坏11四、破坏正常工作条件引起的失效122-5设计机械零件时应满足的基本要求12一、 避免在预定寿命期内失效的要求12二、结构工艺性要求13三、经济性要求:13四、重量小的要求13五、可靠性的要求132-6机械零件的设计准则13一、强度准则14二、刚度准则14三、寿命准则14四、振动稳定性准则14五、可靠性准则152-7机械零件的设计方法15一、理论设计 :16二、经验设计法:16三、模型设计法:162-8机械零件设计的一般步骤172-9常用材料172-10机械零件设计中的标准化17第一章 绪论基本要求及重点、难点基本要求/ 搞清楚“学什么”、“为什么学”和“如何学”这三个大问题,树立学好本课程的信心和决心。重点、难点:机械的组成及本课程研究的对象,本课程的性质和任务,本课程的特点和学习方法。 1-1 机械的组成及本课程研究对象 1/机械的组成生产和生活中的各种各样机械设备,尽管它们的构造、用途和性能千差万别,但是它们一般都是由 三大基本部分组成的。随着机器的功能越来越复杂,所以机器会不同程度地增加其他部分,如控制系统和辅助系统等。从制造安装方面来分析,任何机械设备都是由许多机械零部件组成的。机械零件是机械制造过程中不可分拆的最小单元。机械部件是机械制造过程中为完成同一目的而由若干协同工作的零件组合在一起的组合体。例如,轴承,联轴器,发动机。在各类机械中都用到的零、部件称为通用零、部件,如齿轮、螺栓、轴、联轴器、滚动轴承、减速器等/ 只在特定类型的机械中才能用到的零、部件称为专用零、部件,如涡轮机的叶片;内燃机的曲轴,飞机的起落架等。2/机械设计课的研究对象本课程主要从研究一般机械传动装置的设计出发,研究机械中具有一般工作条件和常用参数范围内的通用机械零、部件的工作原理、结构特点、基本设计理论和设计计算方法。1-2 本课程的性质和任务本课程的性质是一门设计性的技术基础课,本课程在机械类及近机械类专业教学计划中具有承前启后的重要作用,是一门主干课程。学习机械设计课的任务:1)树立正确的设计思想,理论联系实际,具有创新精神;2)掌握设计或选用通用设计零部件的基本理论、基本知识和基本技能,了解机械设计的一般规律,具有设计机械传动装置和一般机械的能力;3)具有运用标准、规范,查阅技术资料的能力、计算能力、绘图能力和运用计算机进行辅助设计的能力;4)掌握机械设计的实验原理和方法,具有设计实验研究的初步能力。 5)了解机械设计的新理论、新方法及发展趋势(了解机械设计的新发展)。 6)了解设计机械时应满足的基本要求和步骤。 7)了解设计机械零件应满足的基本要求及基本步骤。1-3 机械设计课的特点和学习方法 机械设计课程和基础理论课程相比较,是一门综合性、实践性很强的设计性课程,因此在学习方法上应尽快完成由单科向综合、由抽象向具体、由理论到实践的思维方式的转变。通常在学习本课程时应注意以下几点:1 在学习本课程的同时要及时复习和巩固有关先修课程的知识。2 弄清设计原理和设计公式的应用条件及公式中各物理量之间的相互关系。3 正确对待理论设计和经验设计的关系。4 正确处理计算与绘图的关系。5 正确对待设计计算结果。6 重视培养结构设计能力。7 注意培养综合运用所学知识的能力。8 重视培养整机设计能力。9 注意创新能力的培养及创新技术的学习。后续课程应用到的几个基本概念:失效:机械零件在设计预定的期间内,并在规定条件下,不能完成正常的功能。失效的主要形式:断裂,塑性变形,过量的弹性变形,表面失效和破坏正常工作条件而引起的失效等等强度:是零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及表面失效(磨损、腐蚀除外)的能力,是机械零件首先应该满足的基本要求。刚度:是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。第二章 机械及机械零件设计总论基本要求及重点、难点设计机械及机械零件的基本要求和一般程序(或方法);机械零件的载荷与应力;机械零件的主要失效形式和设计准则;机械设计的材料选用、结构工艺性和标准化(部分内容自学)。 基本要求/1) 从总体上建立起机械设计和机械零部件设计的总体概念,即从机械的总体要求出发,引出对机械零部件的要求,根据零件的失效形式,拟定设计准则,用一定的设计方法来设计零部件。2) 掌握关于机械零件的载荷与应力的基本概念,尤其要熟练掌握变应力、极限应力、许用应力与安全系数、接触应力的基本概念。3) 掌握机械零件材料的选用原则和结构工艺性设计的基本要求,学会采用标准。重点:1) 机械零件的载荷与应力的分类及变应力、极限应力、许用应力与安全系数、接触应力的概念和有关公式。2) 机械零件的失效形式及设计准则。3) 机械零件的材料。4) 结构工艺性及机械设计中的标准化。难点:1) 变应力下机械零件的极限应力与安全系数的确定。2) 接触应力的基本概念和计算公式。3) 机械零件的失效形式和设计准则。4) 设计机械零件时的结构工艺性。2-1机器的组成一、机器的组成机器是由三大基本部分组成的。二、机械零件的分类 在一部现代机器中,常会包含着机械、电气、液压、气动、润滑、***、控制、监测等系统部分和全部。但机器的主体仍然是机械系统。无论分解哪一部机器,它的机械系统总是由一些机构组成,每个机构又是由许多构件组成,构件又是由一个和几个零件所组成。所以机械零件是组成机器的基本要素。 1 、什么是机械零件? 所谓零件是指机器设备、仪表、及其他装置中的单个组成部分和这些部分的联接件,它是组成机器的基本要素/是加工的单元体。 2 、分类 1 )普通零件:在不同类型的机械中经常遇到并完成同一功能的零件/如齿轮。 2 )特殊零件:只用于一定类型机器的零件,如发动机的活、塞、飞机的螺旋桨等。2-2设计机器的一般程序一、计划阶段二、方案设计阶段三、技术设计阶段四、技术文件编写阶段一部机器的质量基本上取决于设计质量,制造过程对机器的质量所起的作用实际上是来实现设计时所规定的质量。因此机器的好坏设计是关键。 要想设计出一部好的机器,就要把继承与创新结合起来。作为一部完整的机器,它是一个复杂的系统因此要想设计出高质量的机器,就必须有一个科学的设计程序。而机器又是各种各样的,因此不可能有唯一的设计程序。但根据人们长期的经验,一部机器大致可分为以下几个阶段: 一、计划阶段 根据生产和生活的需要而提出所要设计的机器,在这个阶段应对所提出设计的机器作全面的调查分析。在此基础上写出设计任务书,设计任务书大体上包括:机器的功能、经济性的估价、制造方面的大致估计、基本的使用要求以及完成设计的期限。 二、方案设计阶段 本阶段对设计的成败起关键作用,完成同一功能的机器,可采取不同的工作原理,如加工齿轮、切削螺纹等。同一工作原理也有不同的结构方案。 原动机方案为: N1传动系统方案为: N2 执行系统方案为: N3所以 总的方案数 N=N1N2N3 在诸多方案中,技术上可行的可能只有几个。针对几个可行的方案进行分析,要从技术及经济方面进行综合分析,以确定最后的方案。如以经济进行评价时,在考虑设计制造费用的同时也要考虑使用的经济性。在方案设计阶段,要正确处理好借鉴与创新的关系。 三、 技术设计阶段 技术设计阶段的目标是产生总装草图及部件装配草图。通过草图设计确定各部件及零件的外形及基本尺寸,包括各部件之间的联接零部件的外形及基本尺寸。这是设计过程中工作量最大的部分。 要确定主要零部件的基本尺寸,必须做以下工作: 1 、机器运动学设计确定原动机的动力参数及运动参数以及各运动构件的运动参数。 2 、机器动力学的计算计算各零件的载荷。 3 、零件工作能力的计算强度、刚度、寿命、振动稳定性等。 4 、零部件的装配草图及总装配草图根据已确定的基本尺寸,设计装配草图,以确定零部件的外形尺寸,并进行结构化设计。5 、主要零件的校核。 装配图确定之后,即可进行零件工作图的设计。 四、技术文件编写阶段 技术文件很多,常用的有设计计算说明书、使用说明书、标准件明细表等/2-3对机器的主要要求一、使用功能的要求二、经济性要求三、劳动保护要求四、可靠性要求五、其他专用要求由于零件是组成机器的基本要素,因此要研究零件的设计就离不开机器设计的总任务。为了更好地了解设计零件是应满足的要求,就必须先了解一下机器应满足的要求。一般来说机器应满足下述一些要求:一、使用功能的要求 人们为了生产及生活的需要,才设计出各种各样的机器。因而所设计的机器必须具有使用功能的要求。为了使所设计的机器具有这一功能关键在于工作原理的选择。工作原理不同设计的机器就不同,如齿轮加工。 二、经济性要求:机械的经济性是一个综合性指标 1、设计制造经济性:成本低。主要途经有1)采用先进的设计方法;2)尽量采用标准化、系列化、通用化的零部件;3) 尽可能的采用新工艺、新技术、新结构、新材料;4)合理的组织设计和制造过程;5)采用合理的结构工艺,使其用料少,易加工、易装配。 2、使用的经经济性:高生产率、高效率(以减少传动件的功率损耗)、消耗少、管理、维护费用低。三、劳动保护要求 人:操作习惯、简单、安全保护 机器:在机器的设计阶段就必须对机器的使用安全予以足够的重视。所谓劳动保护是指使用机器的人的人身安全及机器工作时的本身安全。因此各种各样的防护措施就成为机器必不可少的组成部分。 四、可靠性要求 1、设计制造的可靠性(机器出厂时已确定) 2、使用的可靠性(由用户所决定,维修技术及使用经验)。可靠性是用可靠度R来衡量的,它是指在规定的使用时间内和预定的环境条件下,机器能够完成其功能的概率。而不能正常工作为失效率F。 五、其他专用要求 对于不同的机器还有一些为自己所特有的要求。如对航空发动机要求在最小重量的条件下得到最大的推力;对流动机械要求便于装拆;对机***要求长期保持精度的要求。设计机器时,在满足共同的基本要求的前提下,应着重满足这些特殊要求,以提高机器的使用性能。 2-4机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式有 一、整体断裂 零件在受到拉、压、弯、扭等外载荷的作用时,由于某一危险剖面的应力超过零件的强度极限而断裂,或者零件在受变应力作用时,危险剖面上发生的疲劳断裂均属于此类。如螺栓的断裂、齿轮齿根部的断裂等。 二、过大的残余变形 如作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限,则零件就会产生残余变形。如机***上的夹持定位的零件的过大残余变形将降低零件的加工精度。汽缸盖螺栓组联接其拉应力超过屈服极限,螺栓的变形量过大将降低联接的密封性。 三、零件表面的破坏 零件表面的破坏主要是腐蚀、磨损、及疲劳。腐蚀是发生在金属表面的一种电化学或化学腐蚀的现象,其结果使零件表面生锈,从而使零件表面发生破坏。对于承受交变应力的零件,还会引起腐蚀疲劳现象。 磨损是两个接触表面,在相对运动过程中,发生物质丧失或转移的现象。零件表面的接触疲劳是长期使表面受到接触应力,表面产生裂纹和微粒剥落的现象。这种现象均是时间的延续而逐渐发生的失效形式。 四、破坏正常工作条件引起的失效有些零件只有在一定的工作条件下才能保持正常工作,一旦破坏了条件就要造成失效。如液体摩擦滑动轴承,只有在存在完整的润滑油膜时才能正常的工作,否则将使轴承发热,引起严重磨损、胶合等失效形式。再如皮带传动,只有在 Fmax Fcf 时才能正常工作。2-5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二、结构工艺性要求三、经济性要求四、质量小的要求五、可靠性要求设计机器零件时应满足的基本要求是从设计机器中提出来的。一般来说,大致可有以下一些基本要求: 一、 避免在预定寿命期内失效的要求1 、强度具有足够的强度是设计机器零件时必须满足的最基本的要求,以避免零件在工作过程中发生断裂及不允许的过大残余变形。 措施;选高强度的材料、增大剖面积、合理的剖面尺寸及热处理工艺、提高制造精度;对工作过程中不会发生断裂的机架、***身等应考虑起吊、运输的强度问题。 2 、刚度 零件在工作过程中,所产生的弹性变形不超过允许的限度叫满足了刚度。只有当零件的弹性变形过大就会影响机器工作性能的零件才需要满足这项要求。 零件的刚度分为: 整体变形刚度、表面接触刚度 1)整体刚度是只零件在载荷作用下发生的伸长、缩短、扭曲、弯曲等变形程度。 措施:增大剖面尺寸及惯性矩、减少支承矩或增加支承。 2)表面接触刚度是指两零件接触表面的微观凸峰,在载荷作用下发生变形所导致两零件相对位置的变化。 措施:增大接触面积、提高加工精度。 3 、寿命 零件正常工作延续的时间就叫做零件的寿命。 影响零件寿命的主要因素有:材料的疲劳、材料的腐蚀及相对运动零件接触表面的磨损三个方面。 大部分零件都是在变应力条件下工作的,因而疲劳破坏是引起零件失效的主要原因。 措施:降低应力集中、增加零件尺寸及提高表面质量。 当零件处于腐蚀性介质中工作时,应选择耐腐蚀的材料及防护措施。 二、结构工艺性要求 零件具有良好的结构工艺性是指在既定的生产条件下能够方便而经济的生产出来,并便于装配成机器(从毛坯加工装配成机器)。 三、经济性要求: 减少材料、低价材料、减少制造的工时、以降低零件本身的成本、减少消耗、降低工人的劳动强度等。 工艺性好的零件就意为着加工、装配费用低,标准化、系列化的零件费用低。 四、重量小的要求 对于绝大多数零件都要求减少重量,不仅节省材料,还可减少惯性。对于运输机械来说,减少自重可提高运载量,从而提高经济效益。 措施:采用缓冲装配来降低零件上的载荷,安全装配来***零件上的最大载荷。 五、可靠性的要求 零件的可靠性也是以可靠度来衡量的即在规定的使用时间内及预定的环境条件下,零件能够正常工作的概率对于绝大多数零件来说失效的发生是随机的,其原因是零件的工作环境、温度、载荷等都是随机变的;零件本身的机械性能及物理性能也是随机变化的。因此要提高零件的可靠度,就应当在工作条件和零件本身性能两个方面使其随机变化尽可能小,此外在使用中加强维护和对工作条件进行监测也可提高零件的可靠度。 2-6机械零件的设计准则一、强度准则二、刚度准则 三、寿命准则 四、振动稳定性准则五、可靠性准则 设计零件时所依据的准则是根据零件的失效形式提出来的 一、强度准则 强度准则就是指零件中的应力允许的限度。 由于零件的破坏形式不同,其限度也不同。对于一次性断裂,应力材料的强度极限;对于疲劳破坏,应力疲劳极限;对于残余变形应力屈服极限。即 (2-1)但考虑到各种偶然性和难以分析的影响,要除以安全系数s。即 (2-2)二、刚度准则 零件在载荷作用下产生的弹性变形量 y 机器工作性能所允许的极限值 y 就叫满足了刚度。即 y y (2-3)y 可用力学的方法或实验的方法来确定,而 y 则应随不同的应用场合,根据理论或经验确定其合理的数值。 三、寿命准则 由于影响寿命的主要因素腐蚀、磨损和疲劳是三个不同范畴的问题。到目前还没有提出关于腐蚀寿命的计算方法,因而无法列出腐蚀的设计准则;磨损的类型很多,产生的机理尚未完全搞清楚,影响的因素也很复杂。目前尚***进行可靠的定量计算。本书不加以讨论。关于疲劳寿命通常是求出使用寿命时的疲劳极限来作为计算地依据。这在第三章中再作介绍。 四、振动稳定性准则 机器中存在着许多周期性变化着的激振源。如齿轮的啮合、滚动轴承中的振动,滑动轴承中的油膜振荡。如果某一零件的固有频率与激振频率近似或相等时,将发生共振现象。严重的共振会使零件及振动系统中其他零件甚至整部设备遭到破坏。因此对高速机械及高速零件应进行振动计算。所为振动稳定性,就是说在设计时要使机器中受激振作用的各零件的固有频率与激振频率错开 / f 代表固有频率, f p 代表激振频率。则通常使 0 85f f p 或 1/15f f p (2-4)若此式不能满足,可改变零件及系统的刚度,改变支承位置,增加或减少辅助支承等方法来改变 f ,有时可在系统中设消振器。 五、可靠性准则 如有一批零件,其数量为 N0 / 在一定的工作条件下做实验,如在 t 时间后仍有 N 件在正常工作,则此零件的可靠度 R=N/N0 (2-5)如果试验的时间不断延长,则 N 将不断减少,故 R 将不断下降,也就是说零件的可靠度是时间的函数。 如果在时间 t t+dt 中,又有 dN 件失效,则在 dt 时间内破坏的比率f(t)/f(t)为失效率,负号表示随 dN增加将使 N 减少。分离变量并积分: 即 (2-6)零件的失效率=f(t) 与时间 t 的关系通过 实验可得到浴盆样的一条曲线。可分为三个阶段。 表征零件可靠性的另一指标是零件的平均工作时间 m (也称为平均寿命)。对于不可修复的零件,平均寿命是指其失效前的平均工作时间;对于可修复的零件,则是指平均故障间隔时间。在工程实际中,平均寿命应用统计方法求得。 2-7机械零件的设计方法分类: 1 、理论设计法 2 、经验设计法 3 、模型设计法 4 、现代设计法:优化设计、可靠性设计、CAD 设计。 一、理论设计 :根据长期总结出的设计理论及实验数据所进行的设计,称为理论设计法。现以简单的受拉杆件的强度计算为例来讨论理论设计的概念。设计时强度计算按式(2-2)为 (27)式中:F作用于拉杆上的外载荷;A拉杆横截面面积;lim拉杆材料的极限应力S设计安全系数(简称为安全系数)1 、设计计算:由公式直接求出: (2-7a)2 、校核计算: (2-7b) (2-7c) (2-7d) (2-7e)二、经验设计法:对典型化的零件是很有效的设计方法。 1 、根据现有设备 2 、设计者的实践 三、模型设计法:对大而复杂的重要零件,费时价高只用于特别重
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