第二章机械设计总论课件

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 机械零件设计时应满足的基本要求2-6 机械零件的设计准则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 机械零件的材料及其选用2-10 机械零件设计中的标准化第第2章章 机械设计总论机械设计总论 一台完整的机器组成如下：一台完整的机器组成如下：2-1 机器的组成机器的组成 辅助系统，例如：润滑、显示、照明等原动机部分传动部分控制系统执行部分 原动部分机器完成预定功能的动力源，最常见的是最常见的是 内燃机、电动机等。执行部分执行部分完成预定的动作，位于传动路线的末端。完成预定的动作，位于传动路线的末端。传动部分传动部分联接原动机和执行部分的中间部分。联接原动机和执行部分的中间部分。控制部分控制部分保证机器的启动、停止和正常协调动作。保证机器的启动、停止和正常协调动作。辅助部分辅助部分包括机器的润滑、显示、照明等包括机器的润滑、显示、照明等，是保证，是保证 机器正常工作不可缺少的部分。机器正常工作不可缺少的部分。2-2 设计机器的一般设计机器的一般程序程序机械设计是一个创造性的工作过程，实践经验是保机械设计是一个创造性的工作过程，实践经验是保证设计质量的重要因素。证设计质量的重要因素。机械设计的一般步骤：机械设计的一般步骤：计划阶段计划阶段 方案设计阶段方案设计阶段技术设计阶段技术设计阶段 技术文件编制阶段技术文件编制阶段1 1、计划阶段、计划阶段包括：需求分析、明确功能、制定设计任务书。包括：需求分析、明确功能、制定设计任务书。设计任务书包括：设计任务书包括：机器的功能分析；机器的功能分析；经济性估算；经济性估算；基本使用要求；基本使用要求；预计的设计周期等。预计的设计周期等。2、方案设计阶段方案设计阶段对机器的功能进行综合分析，确定功能参数，提出对机器的功能进行综合分析，确定功能参数，提出实现方案。实现方案。实现同一个功能实现同一个功能，往往有多种可能的方案，往往有多种可能的方案，如螺纹如螺纹加工：有车削、滚压、板牙加工等方法。加工：有车削、滚压、板牙加工等方法。方案评价原则：方案评价原则：经济性好、技术上可行。经济性好、技术上可行。总费用总费用设计制设计制造费用造费用使用费用使用费用费用费用复杂程度复杂程度3、技术设计阶段技术设计阶段 绘制总装配图、部件装配图，由装配图确定零部件绘制总装配图、部件装配图，由装配图确定零部件的外形、基本尺寸和零件工作图。的外形、基本尺寸和零件工作图。经济性经济性-总费用最低总费用最低。方案设计做到：方案设计做到：创新与经验设计相结合。创新与经验设计相结合。技术设计阶段的主要过程：技术设计阶段的主要过程：1 1）机器的运动学设计机器的运动学设计 确定原动机的参数确定原动机的参数(功率、转速等功率、转速等)，计算转动构件，计算转动构件的运动参数的运动参数(转速、速度、加速度等转速、速度、加速度等)。2）构件的动力学计算构件的动力学计算 3）零件的工作能力设计零件的工作能力设计 4）部件装配图及总装配图的设计部件装配图及总装配图的设计-结构设计结构设计 5）主要零件的校核计算主要零件的校核计算 计算构件所受载荷的大小和特性。计算构件所受载荷的大小和特性。根据工作能力准则进行零部件的初步设计，通过计根据工作能力准则进行零部件的初步设计，通过计算或类比得出零件的基本尺寸。算或类比得出零件的基本尺寸。对零件进行精确的受力分析和工作能力校核计算对零件进行精确的受力分析和工作能力校核计算 。4、技术文件编制技术文件编制 技术文件包括：技术文件包括：设计说明书设计说明书 使用说明书使用说明书 零件明细表零件明细表 标准件汇总表标准件汇总表产品验收条件产品验收条件 技术文件技术文件-用来说明产品性能、设计、制造、操作用来说明产品性能、设计、制造、操作使用、维护、或其它所有与产品相关的文档资料。使用、维护、或其它所有与产品相关的文档资料。潘存云教授研制潘存云教授研制技技术术设设计计方方案案设设计计计计划划提出任务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方案组合几种可能的方案选定方案选定方案明确构形要求明确构形要求结构化结构化选择材料、确定尺寸选择材料、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机器设计的一般流程机器设计的一般流程 2-3 对机器的主要要求对机器的主要要求1、使用功能要求、使用功能要求机器应具有预定的使用功能。机器应具有预定的使用功能。正确地设计或选用能够全面实现功能要求的执行机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构、传动机构和原动机，合理地配置必要的辅助系统来实现。统来实现。在在满满足足预预期期功功能能的的前前提提下下，要要求求性性能能好好、效效率率高高、成成本本低低、造造型型美美观观，在在预预定定使使用用期期限限内内要要安安全全可可靠靠、操作方便、维修简单。操作方便、维修简单。具体要求如下：具体要求如下：经济性要求经济性要求-从设计、制造到使用的全过程中，从设计、制造到使用的全过程中，设计时要全面综合考虑。设计时要全面综合考虑。1 1）设计制造的经济性设计制造的经济性：采用先进的现代设计方法，使设计参数最优化；采用先进的现代设计方法，使设计参数最优化；最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零部件；最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零部件；尽可能采用新技术、新工艺、新结构和新材料。尽可能采用新技术、新工艺、新结构和新材料。2）使用经济性：）使用经济性：生产率和工作效率生产率和工作效率高高；能耗能耗低低；管理和维护费用管理和维护费用低低等。等。2、经济性要求经济性要求 1）操作方便和安全）操作方便和安全设计时要按照人机工程学的观点布置各种按钮、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。手柄，使操作方式符合人们的心理和习惯。设置完善的安全装置、报警装置、显示装置等。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改善操作者及机器的环境设计的机器应符合劳动保护法规的要求。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，对机器易出现危险的部降低机器运转时的噪声，对机器易出现危险的部位设置防护措施。位设置防护措施。防止有毒、有害介质渗漏，对废水、废气和废液防止有毒、有害介质渗漏，对废水、废气和废液进行治理。进行治理。3、劳动保护要求劳动保护要求 在在规定的规定的使用使用时间时间内和内和预定的环境预定的环境下机器能够下机器能够正常正常工作工作。应在工作条件和零件性能两个方面考虑。应在工作条件和零件性能两个方面考虑。4、可靠性要求可靠性要求针对不同机器所特有的要求。针对不同机器所特有的要求。要求机床长期保持所需的精度；要求机床长期保持所需的精度；对流动使用的机器要求便于安装和拆卸；对流动使用的机器要求便于安装和拆卸；大型机器要求便于运输等。大型机器要求便于运输等。5、其它专用要求其它专用要求 机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。失效。2-4 机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式整体断裂，整体断裂，如如齿轮轮齿折断；齿轮轮齿折断；零件的失效形式：零件的失效形式：潘存云教授研制过大的残余变形，过大的残余变形，如轴承塑性变形；如轴承塑性变形；潘存云教授研制 推力轴承外圈推力轴承外圈 破坏正常的工作条件，如螺纹联接的松弛，带传动破坏正常的工作条件，如螺纹联接的松弛，带传动的打滑等。的打滑等。工作表面的过度磨损，如轴瓦表面磨损；工作表面的过度磨损，如轴瓦表面磨损；潘存云教授研制轴瓦磨损轴瓦磨损潘存云教授研制齿面接触疲劳齿面接触疲劳 统统计计结结果果表表明明：断断裂裂仅仅占占4.8%；腐腐蚀蚀、磨磨损损、疲疲劳破坏占劳破坏占74%-主要失效原因。主要失效原因。2-5 机械零件设计时应满足的基本要求机械零件设计时应满足的基本要求一、避免在预定寿命期内失效的要求一、避免在预定寿命期内失效的要求应保证零件有足够的强度、刚度、寿命等。应保证零件有足够的强度、刚度、寿命等。1、强度要求、强度要求 零件不发生断裂、塑性变形、过大磨损等。零件不发生断裂、塑性变形、过大磨损等。2、刚度要求、刚度要求 零件工作时的弹性变形不能超过允许的范围。零件工作时的弹性变形不能超过允许的范围。3、寿命要求、寿命要求 影响零件寿命的主要影响零件寿命的主要因素有：疲劳破坏、磨损、腐蚀。因素有：疲劳破坏、磨损、腐蚀。大部分零件工作在变应力下，易发生疲劳破坏。大部分零件工作在变应力下，易发生疲劳破坏。二、结构工艺性要求二、结构工艺性要求 在一定的生产条件下，零件应便于加工且费用低。在一定的生产条件下，零件应便于加工且费用低。1、毛坯选择合理毛坯选择合理毛坯选择与生产批量、材料性能和加工方法有关。毛坯选择与生产批量、材料性能和加工方法有关。单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。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，常选用铸造、锻造、冲压等方法。大批量生产时，常选用铸造、锻造、冲压等方法。2、结构简单合理、结构简单合理最好采用平面、柱面等简单表面及其组合；最好采用平面、柱面等简单表面及其组合；尽量减少加工面数和加工面积；尽量减少加工面数和加工面积；增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、键、增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、键、齿轮模数等）的数量；齿轮模数等）的数量；尽量采用标准零部件。尽量采用标准零部件。3、合理的制造精度和表面粗糙度、合理的制造精度和表面粗糙度 应在满足使用要求的前提下，尽量采用较低的精度应在满足使用要求的前提下，尽量采用较低的精度和表面质量。和表面质量。4、尽量减小零件的加工量、尽量减小零件的加工量毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺 寸，力求使少切削加工，节约材料、降低成本。寸，力求使少切削加工，节约材料、降低成本。尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进工艺。粉末冶金等先进工艺。三、经济性要求三、经济性要求 主要是制造成本主要是制造成本简化零件的结构；简化零件的结构；采用无余量、少余量的毛坯，减少加工；采用无余量、少余量的毛坯，减少加工；采用价格低而充足的材料代替昂贵材料；采用价格低而充足的材料代替昂贵材料；大型零件采用组合结构；大型零件采用组合结构；尽量采用标准件。尽量采用标准件。四、质量小的要求四、质量小的要求 零件质量小可以零件质量小可以节约材料，减小惯性，改善机器节约材料，减小惯性，改善机器的的动力性能。动力性能。五、可靠性要求五、可靠性要求 由于零件所受的由于零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和载荷、环境温度、零件本身物理和机械性能机械性能等因素是随机变化的，故零件的失效是随等因素是随机变化的，故零件的失效是随机发生的。为了提高零件的可靠性，就应当在机发生的。为了提高零件的可靠性，就应当在工作工作条件和零件性能条件和零件性能两个方面使其两个方面使其变化尽可能小变化尽可能小。2-6 机械零件的设计准则机械零件的设计准则 强度准则强度准则-确保零件不发生断裂破坏或过大的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。塑性变形，是最基本的设计准则。刚度准则刚度准则-确保零件不发生过大的弹性变形。确保零件不发生过大的弹性变形。寿命准则寿命准则-通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。振动稳定性准则振动稳定性准则-高速运转的机械设计应考虑高速运转的机械设计应考虑。可靠性准则可靠性准则-当考虑随机因素影响时，应进行可当考虑随机因素影响时，应进行可 靠性计算靠性计算。根据零件的失效形式，确定其设计准则以及相应的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。设计计算方法。强度准则是指零件中的应力不得超过许用值。强度准则是指零件中的应力不得超过许用值。一、一、强度准则强度准则 lim-材料的极限应力材料的极限应力脆性材料：脆性材料：lim=B(强度极限强度极限)塑性材料：塑性材料：lim =S (屈服极限屈服极限)=lim/S -许用应许用应力力S S为大于为大于1 1的数。的数。S S过大，虽安全但浪费材料；过大，虽安全但浪费材料；S S过小，虽节省材料，但趋于危险。过小，虽节省材料，但趋于危险。二、二、刚度准则刚度准则 零零件件在在力力作作用用下下的的弹弹性性变变形形量量不不得得超超过过许许用用值值。即：即：y y 三、三、寿命准则寿命准则 影影响响零零件件使使用用寿寿命命的的因因素素主主要要是是腐腐蚀蚀、磨磨损损和和疲疲劳劳，前前两两者者还还没没有有成成熟熟的的计计算算方方法法，工工程程中中常常求求出出该该寿寿命命时的时的疲劳极限疲劳极限，作为计算的依据。，作为计算的依据。四、四、振动稳定性准则振动稳定性准则 保证机器中受激振零件的固有频率与激振源的频率保证机器中受激振零件的固有频率与激振源的频率错开，错开，即要求：即要求：0.85 f fp 或或 1.15 f fpf零件的固有频率；零件的固有频率；fp 激振源的频率激振源的频率五、五、可靠性准则可靠性准则 2-7 机械零件的设计方法机械零件的设计方法常规设计方法常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，是指采用一定的理论分析和计算，结合结合长期的设计和生产实践中总结出长期的设计和生产实践中总结出的方法、公的方法、公式、图表等进行设计的方法。式、图表等进行设计的方法。机械零件的机械零件的设计方法设计方法常规设计方法常规设计方法现代设计方法现代设计方法理论设计理论设计经验设计经验设计模型实验设计模型实验设计1 1、理论设计理论设计根据长期设计和实践总结出来的根据长期设计和实践总结出来的设计理论设计理论和和实验数实验数据据所进行的设计。所进行的设计。以以受拉杆为例，强度计算公式为：受拉杆为例，强度计算公式为：设计计算：设计计算：A FS/lim=F/A =lim/S2、经验设计、经验设计根据已有的设计和使用实践而归纳出的根据已有的设计和使用实践而归纳出的经验公式经验公式，或根据设计者的设计经验用或根据设计者的设计经验用类比类比的方法进行的设计。的方法进行的设计。对于对于使用要求变化不大而结构形状已典使用要求变化不大而结构形状已典型化的零件型化的零件，是有效的设计方法，例如：箱体、机架、传动件的是有效的设计方法，例如：箱体、机架、传动件的结构要素等。结构要素等。3、模型模型实实验设计验设计把初步设计的零、部件或机器做成小模型或小尺寸把初步设计的零、部件或机器做成小模型或小尺寸样机，经过试验的手段对其特性进行检验，根据实样机，经过试验的手段对其特性进行检验，根据实验结果再对设计进行逐步修改，达到完善。验结果再对设计进行逐步修改，达到完善。对于对于尺寸巨大、结构又很复杂尺寸巨大、结构又很复杂的重要零件的设计，的重要零件的设计，是一种有效的方法。是一种有效的方法。4、现代设计方法、现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的较为完善、科学、是指在近二、三十年发展起来的较为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。潘存云教授研制选择零件类型、结构选择零件类型、结构写出计算说明书写出计算说明书画出零件工作图画出零件工作图校校 核核 计计 算算 计算零件上的载荷计算零件上的载荷确定计算准则确定计算准则选择零件的材料选择零件的材料确定零件的基本尺寸确定零件的基本尺寸结结 构构 设设 计计机械零件的设计步骤：机械零件的设计步骤：黑色金属黑色金属有色金属有色金属铸铁铸铁钢钢金属材料金属材料一、常用材料一、常用材料低碳钢低碳钢(08F)中碳钢中碳钢(45)高碳钢高碳钢(60)合金钢合金钢(30CrMnSi）灰铸铁灰铸铁(HT200)球墨铸铁球墨铸铁(QT600-2)2-9 2-9 机械零件材料的选用原则机械零件材料的选用原则铝合金铝合金(LY12)铜合金铜合金(ZCuSn10P1)1 1、铸铁、铸铁 灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。特点：特点：良好的液态流动性，可铸成形状复杂的零良好的液态流动性，可铸成形状复杂的零 件。较好的减振性、耐磨性、切削性（指件。较好的减振性、耐磨性、切削性（指 灰铸铁）、成本低。灰铸铁）、成本低。2、钢、钢 低碳钢低碳钢、中碳钢中碳钢、高碳钢、高碳钢、合金钢、结构钢、工具钢、合金钢、结构钢、工具钢、铸钢等。铸钢等。特点：特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。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。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。钢制零件毛坯获取方法：钢制零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接等。锻造、冲压、焊接等。应用：应用：应用范围极其广泛。应用范围极其广泛。钢的选用原则：钢的选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。应用：应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。3 3、铜合金、铜合金青铜青铜-含锡青铜、不含锡青铜。含锡青铜、不含锡青铜。黄铜黄铜-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍。铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍。特点：特点：具有良好的塑性和液态流动性；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青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。性。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。应用：应用：应用范围广泛。应用范围广泛。高分子材料高分子材料-塑料、橡胶、合成纤维。塑料、橡胶、合成纤维。陶瓷陶瓷-强度如钢、重量如铝、硬度如金刚石。强度如钢、重量如铝、硬度如金刚石。复合材料复合材料-强度高、弹性模量大、质量轻。强度高、弹性模量大、质量轻。4 4、非金属材料、非金属材料 橡胶橡胶-橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常橡胶富于弹性，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、带传动的胶带用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。等。硬橡胶可用于制造用水硬橡胶可用于制造用水润滑的滑的轴承承衬。塑料塑料-塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，在机械制造中性、减摩性、摩擦系数大等，在机械制造中应用日益广泛。用日益广泛。选材的一般原则选材的一般原则：载荷载荷及应力的大小和性质及应力的大小和性质零件的工作情况零件的工作情况零件的尺寸及重量零件的尺寸及重量零件的结构及加工性零件的结构及加工性材料的经济性材料的经济性二、二、机械零件材料的选用原则机械零件材料的选用原则 根据零件的用途、工作条件和材料的力学和工艺性根据零件的用途、工作条件和材料的力学和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。能以及经济因素等进行全面考虑。1 1、产品品种规格的系列化、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（如：压力机、机床等）。满足用户的广泛要求（如：压力机、机床等）。对零部件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、对零部件的尺寸、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。制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。2 2、零部件的通用化、零部件的通用化将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等）制将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等）制成通用件，实现互换。成通用件，实现互换。3 3、产品质量标准化、产品质量标准化要保证产品质量合格和稳定，必须做好设计、要保证产品质量合格和稳定，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。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机械零件设计中的标准化 机械零件标准化的意义机械零件标准化的意义 1）制造上：可以实现专业化大批量生产，既可制造上：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；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；设计方面：可减少设计工作量；3）管理管理维修方面：可减少库存量，便于更换损坏维修方面：可减少库存量，便于更换损坏 的零件。的零件。标准有：标准有：国际标准、国际标准、国家标准、行业标准、企业标准国家标准、行业标准、企业标准代号为：ISOGB JB、HBQB标准标准性质性质强制标准（强制标准（GB）-必须遵守和执行。必须遵守和执行。推荐性标准（推荐性标准（GB/T）-鼓励企业采用。鼓励企业采用。强制国家标准：代号为强制国家标准：代号为GB(GB(标准序号标准序号)(批准年份批准年份)强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。推荐国家标准：代号为推荐国家标准：代号为GBGBT T，这类标准占整个国标中的绝大多数。如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，应遵守这些国标，以达到无特殊理由和特殊需要，应遵守这些国标，以达到事半功倍的效果。事半功倍的效果。