精密机械设计前言绪论第一章节资料课件

精密机械设计精密机械设计绪论一、课程性质、目的、任务及准备知识1、性质：专业基础课2、目的：3、任务：（）掌握零、部件、机构的设计方法（）掌握零、部件、机构的工作原理、特点.准备知识：工程力学、机械制图、大学物理二、基本名词、机械：机器和机构总称、机构：按一定方式联接的构件组合、机器：转换或传递能量、信息、物料、能执行机械运动的装置、机构作用：传递运动和力的可动装置常见的机构：连杆机构凸轮机构齿轮机构等第一章精密机械设计的基本知识第一节 概 述一、设计精密机械时应满足的基本要求一、设计精密机械时应满足的基本要求 1功能要求 2可靠性要求 3精度要求 4经济性要求 5外观要求 二、精密机械设计的一般步骤二、精密机械设计的一般步骤 新产品开发设计，从提出任务到投放市场的全部程序要经过下述四个阶段（图示）1调查决策阶段 2研究设计阶段 3试制阶段 4投产销售阶段 图1-1新产品开发设计程序第二节零件的工作能力及其计算第二节零件的工作能力及其计算一、强度一、强度：零件抵抗外载荷作用的能力（一）载荷和应力 1静载荷和静应力 不随时间变化或变化缓慢的载荷和应力 2变载荷和变应力 随时间作周期性变化的载荷和应力 图1-2 静应力图1-3 变应力（1）平均应力 m、最大应力 max和最小应力 min关系:max+min m=-2 （2）应力幅度 a、最大应力 max和最小应力 min关系:max min a=-2（3）循环特性r、最大应力 max和最小应力 min关系:min 当rl时，称为对称循环；r=-max 当r0，称为脉动循环。（二）零件的整体强度第一种是把零件在载荷作用下产生的应力(、与许用应力(、)相比较，其强度条件为 或 lim=-S lim=-S式中 lim、lim零件材料的极限应力；S、S 许用安全系数。第二种:把零件在载荷作用下的实际安全系数与许用安全系数进行比较，其强度条件为：lim limS=-S 或 S=-S 1静应力下的强度：静应力下零件的整体强度，可以使用上述两种判断方法中的任何一种。2变应力下的强度：在变应力作用下，零件的一种失效形式将是疲劳断裂，这种失效形式不仅与变应力的大小有关，也与应力循环的次数有关。疲劳极限rn:当循环特性r定时，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力应力疲劳曲线:表示应力循环次数N与疲劳极限rn间关系的曲线（两种类型）疲劳曲线有两种类型：一种是当循环次数N超过某一值此以后，疲劳极限不再降低，曲线趋向水平*N0称为循环基数。（图14a）一种疲劳曲线则没有水平部分有色金属及某些高硬度合金钢的疲劳曲线多属于这一类。（图14b）有明显水平部分的疲劳曲线可分为两个区域：N*N0区为无限寿命区。在无限寿命区，疲劳极限是一个常数 N*N0区为有限寿命区 疲劳极限将随循环次数N的减小而增大，其疲劳曲线方程为 式中KL寿命系数 r 对应于无限 寿命区的疲劳极限 零件处于变力状态下工作时，通常以材料的r作为极限应力lim，然后用寿命系数KL来考虑零件实际应力循环次数N的影响。提高零件的疲劳强度措施：应用屈服极限高和细晶粒组织的材料 零件截面形状的变化应平缓以减小应力集中 改善零件的表面质量 减少材料的冶金缺陷（三）零件的表面强度1表面接触强度(图15a，图 1-5b)线接触 点接触 疲劳点蚀 提高表面接触强度的措施图1-5 微小接触面积和接触应力 （1）线接触赫兹公式式中H最大接触应力；Fu接触线单位长度上的载荷，Fu=F/b 两圆柱体在接触处的综合曲率半径。1/=1/11/2其中正号用于外接触，负号用于内接触；E1、E2两圆柱体材料的弹性模量；1、2两圆柱体材料的泊松比。当1=2=时，上式可简化为：式中 E两圆柱体材料的综合弹性模量，弹性模量，E=2E1E2/(E1+E2)（2）点接触：（图1-5b）最大接触应力H为：（3）疲劳点蚀疲劳点蚀：在循环接触应力作用下，接触表面产生疲劳裂纹，裂纹扩展导致表层小块金属剥落点蚀危害：使零件表面失去正确的形状，降低工作精度，引起附加动载荷，产生噪声和振动，并降低零件的使用寿命。（4）提高表面接触强度措施：增大接触处的综合曲率半径，以降低接触应力 提高接触表面的硬度，以提高接触疲劳极限 提高零件表面的加工质量，以改善接触情况 采用粘度较大的润滑油，以减缓疲劳裂纹的扩展2表面磨损强度：（1）磨损 （2）引起磨损的原因 （3）磨损的三个阶段 （4）减少磨损的方法 （5）耐磨性的条件（1）磨损：零件的表面形状和尺寸在摩擦的条件下逐渐改变的过程称为磨损，当磨损量超过允许值时，即产生失效。（2）引起磨损的原因 由于硬质微粒落人两接触表面间而引起的 两接触表面在相对运动中相互刮削作用而引起的。（3）磨损的三个阶段（图l6）跑合阶段（见图16a曲线段1）：初期磨损速度较快，跑合结束时，磨损速度随之减缓并趋于稳定 稳定磨损阶段（见图 1-6a曲线2段）：在该阶段中磨损速度较稳定，是零件的正常工作阶段。崩溃磨损阶段（见图 1-6a曲线段3）磨损速度快 图1-6 零件磨损阶段（4）减少磨损的方法充分润滑摩擦表面，使接触表面部分或全部脱离接触 定期清洗或更换润滑剂 采用适当的密封装置 合理选择摩擦表面材料 用热处理、电镀、熔镀等方法提高接触表面的耐磨性合理减小摩擦表面的粗糙度，以改善摩擦面的接触情况。（5）耐磨性的条件满足下列条件：式中v接触表面的相对滑动速度(m/S)；P许用压强(N/mm)pv许用pv值。二、刚度：1、刚度 2、影响刚度的因素 3、材料的选择 4、提高零件刚度的措施 1、刚度：是反映零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力 静刚度：静载荷与变形关系所确定的刚度。金属材料制造的零件,其静刚度与动刚度的数值基本上是相同动刚度：变载荷与变形关系所确定的刚度 某些非金属材料制造的零件，静刚度与动刚度是不同的例如橡胶零件在静载荷F1作用下的变形量1，将大于在变载荷（其载荷的最大值为F1）作用下的变形量2（图17所示）图1-7 橡胶零件变形曲线 2、影响刚度的因素 零件刚度的大小与材料的弹性模量、零件的截面形状和几何尺寸有关 如图18所示的片簧，其刚度为 式中 L片黄的工作长度；片簧的截面惯性矩，其中b为片簧的宽度；h片簧的厚度；E片簧材料的弹性模量。图1-8 片簧的刚度计算简图 3、材料的选择：碳素钢和高强度合金钢两者的弹性模量相差很小，仅有刚度要求时，应选用价格低廉的碳素钢。4、提高零件刚度的措施：改变零件的截面形状和尺寸缩短支承点间的距离采用加强筋等结构措施三、振动稳定性三、振动稳定性：1、在变载荷作用下，零件将产生机械振动，如果零件的固有频率与载荷的频率相同，将发生共振。一般情况下，共振将使零件丧失工作能力失效。2、任何零件都具有一定的刚度，同时又有一定的质量。因此，任何零件都有一定的固有频率。圆柱形拉压螺旋弹簧的固有频率为 式中：F为螺旋弹簧的刚度；为弹簧的质量；K为与螺旋弹簧两端固定方法有关的系数。防止共振最根本的方法是：消除引起共振的载荷第三节零件与机构的误差估算和精度第三节零件与机构的误差估算和精度 一、零件与机构的误差一、零件与机构的误差：1、零件的误差：分为加工误差和特性误差 （1）加工误差：加工时零件的实际尺寸或几何形状与理想值之间的差异；（2）特性误差：零件的实际特性与给定特性之间的差异 2、机构的误差:实际机构运动精度与理想机构运动精度之间的偏差，常用机构的位置误差和位移误差来表示。机构的位移误差是指实际机构与理想机构的主动件位移相同时，两者从动件位移量的偏差。3、理想机构:绝对精确地实现给定运动规律的机构 二、误差估算的基本方法二、误差估算的基本方法：1、误差的计算方法：采用全微分法计算其特性误差。图l8所示之片簧其弹性特性为 对上式全微分即可求得片簧特性的绝对误差 为*写成增量形式，并略去高阶无穷小，则上式可写成：片簧制成后，其长度、宽度、厚度和弹性模量产生的原始误差L、b、h和E为已知时，则片簧的特性误差可利用上式计算。2、数理统计的方法 设计时原始误差是以公差的形式给出 误差的估算4、影响零件和机构特性的原始误差可归纳为以下三类：（1）设计误差（2）工艺误差（3）使用误差：使用过程中如温度、载荷、磨损等 引起的误差第四节工艺性第四节工艺性 1、工艺性良好的结构和零件应当是：制造和装配的工时较少 需要复杂设备的数量较少 材料的消耗较少准备生产的费用较少2、通用的改善结构工艺性的原则：（1）整个结构能很容易地分拆成若干部件，各部件之间的联系和相互配置应能保证易于装配、维修和检验；（2）在结构中应尽量采用已经掌握并生产过的零件和部件，特别是尽量选用标准件。在同一个结构中，尽量采用相同零件；（3）应使零件和部件具有互换性，在精度要求较高的情况下，可设计有调整环节，尽可能不采用选择装配。3、改善零件工艺性的一般原则是：（1）合理选择零件毛坯的种类（2）零件的形状应力求简单，尽可能减少被加工表面的数量，以降低加工费用。（3）零件上的孔、槽等，应尽可能选用标准刀具来加工。（4）在满足工作要求的前提下，合理地确定加工精度、表面粗糙度和热处理条件等。第五节标准化、系列化、通用化第五节标准化、系列化、通用化采用三化”的重要意义是：减轻设计工作量 便于安排专门工厂采用先进技术和设备，大规模集中生产标准零、部件 增大互换性 有利于增加产品品种，扩大产品批量，达到产品的优质、高产和低消耗 第六节零件的设计方法及其发展第六节零件的设计方法及其发展 一、零件设计方法一、零件设计方法（一）理论设计（二）经验设计（三）模型实验设计（一）理论设计 1.设计计算 根据载荷情况和给定的特性要求，由计算公式直接求出零件的某些主要几何尺寸。2.校核计算 先根据其它方法初步定出零件的尺寸和形状，然后用理论计算的方法，校核零件截面上的应力或其特性。（二）经验设计 根据对某类零件已有的设计和使用实践而总结出来的经验关系式，或者根据设计工作者的经验，采用类比的方法进行的设计称为经验设计（三）模型实验设计 对于某些零件，先初步定出零件的尺寸和形状，做出模型，进行实验，根据实验结果再修改其尺寸，这种设计方法称为模型实验设计。模型实验设计借助实验弥补了理论上的不足，同时也消除了经验设计中不够科学的因素二、设计方法的新发展二、设计方法的新发展（一）可靠性设计（二）机械优化设计（三）计算机辅助设计（一）可靠性设计 可靠性概念 可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠度是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率，常用R4 表示 累积失效概率是指产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率，常用 F表示 设有N个同样零件在规定时间t内有n 个零件失效，剩下N零件仍能继续工作，则 可靠度*累积失效概率*将 Ft对时间t求导，得 f（t）称为失效分布密度失效分布密度f（t）与时间t的关系曲线为失效（寿命）分布曲线，常见的有正态分布、韦布尔分布、指数分布等多种。零件寿命、应力和工艺误差，材料寿命和极限应力等一般可认为按正态分布（见图1-10）。图1-10 f(t)t关系曲线图1-11 工作应力和极限应力分布曲线表1-1 标准正态分布表（二）机械优化设计 优化设计的基本思想是优选一组设计变量，在满足给定的约束条件下，达到目标函数的最优值（极大或极小）。其数学表达式为：要确定的设计变量为：需满足的约束条件为：gu(X)0其中 u l，2，m；要达到的设计目标为：W=F(X)-min