机械设计总论课件

机械设计Design of Machinery机电工程学院机械设计研究室7/25/202412.11机械现代设计方法简介机械现代设计方法简介第二章 机械设计总论 第一篇第一篇总论总论第一部分第一部分:机器总体设计概述机器总体设计概述2.1机器的组成机器的组成2.2机械设计的基本要求机械设计的基本要求2.3设计机器的主要内容和一般程序设计机器的主要内容和一般程序2.4机械零件的主要失效形式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设计机械零件时应满足的基本要求2.6机械零件的设计准则机械零件的设计准则2.7机械零件的设计方法机械零件的设计方法2.8机械零件的设计的一般步骤机械零件的设计的一般步骤2.9机械零件的材料及其选用机械零件的材料及其选用2.10机械零件的设计中的标准化机械零件的设计中的标准化第二部分第二部分:机器零件设计概述机器零件设计概述第三部分第三部分:机械现代设计方法简介机械现代设计方法简介7/25/20242 2.12.1机器的组成机器的组成传统机器传统机器都包含如下三个部分：都包含如下三个部分：驱动装置传动装置执行装置常称为原动机，是机器常称为原动机，是机器的动力来源。的动力来源。常用：电动机、内燃机、常用：电动机、内燃机、液压缸和气动缸，液压缸和气动缸，以各种电动机的应用最以各种电动机的应用最为普遍。为普遍。处于整个传动路线的终端，处于整个传动路线的终端，按照工艺要求完成确定的运按照工艺要求完成确定的运动，是直接完成机器功能的动，是直接完成机器功能的部分。部分。执行装置随机器的用途不同执行装置随机器的用途不同而不同，它属于各种专业机而不同，它属于各种专业机械课程研究的内容。械课程研究的内容。如牛头刨床、空气压缩机如牛头刨床、空气压缩机7/25/20243驱动装置传动装置执行装置将原动机的运动和动力传递给执行装置，将原动机的运动和动力传递给执行装置，并实现运动速度和运动形式的转换。并实现运动速度和运动形式的转换。运动速度的转换运动速度的转换运动形式的转换运动形式的转换 7/25/20244运动速度的转换运动速度的转换传动装置解决原动机速度和执行装置速度不匹配的问题。传动装置解决原动机速度和执行装置速度不匹配的问题。一般的普通交流电动机速度是固定的。一般的普通交流电动机速度是固定的。一般机器执行部分速度低于原动机的转速一般机器执行部分速度低于原动机的转速,需要减速。需要减速。（也有相反的情况，需要增速）。（也有相反的情况，需要增速）。许多机器还需要执行装置有多种不同的速度。许多机器还需要执行装置有多种不同的速度。鼠笼式交流电动机的同步转速（r/min）500 600501750 10005021500 3000带、链传动带、链传动各种齿轮传动各种齿轮传动减速器减速器例如自行车链传动例如自行车链传动例如汽车、机床的变速器例如汽车、机床的变速器7/25/20245运动形式的转换运动形式的转换机器执行部分可能机器执行部分可能有各种运动形式：有各种运动形式：一般的原动机一般的原动机作回转运动作回转运动变速回转变速回转往复摆动往复摆动往复移动往复移动间歇运动间歇运动特定轨迹特定轨迹转换运动形式转换运动形式的各种机构的各种机构 间歇运动机构间歇运动机构连杆机构连杆机构连杆机构连杆机构连杆机构连杆机构凸轮机构凸轮机构凸轮机构凸轮机构连杆机构连杆机构7/25/20246 随着20世纪后半叶以来现代科学技术的发展，特别是控制理论的发展和计算机在工业上的应用，机器的组成更复杂了。驱动装置传动装置执行装置控制装置检测伺服电机检测伺服电机的输出转角的输出转角检测执行装置检测执行装置的运动输出的运动输出由程序给定由程序给定运动规律运动规律前馈控制反馈控制传传感感器器传传感感器器控制装置的作用是控制机器控制装置的作用是控制机器各部分的运动。各部分的运动。测量运动构件真实测量运动构件真实运动情况，并将测运动情况，并将测量结果随时反馈给量结果随时反馈给控制系统控制系统发出指发出指令调节令调节伺服电伺服电机的运机的运动动7/25/20247驱动装置传动装置执行装置控制装置驱动装置传动装置执行装置传统机器传统机器现代机器现代机器普通车床普通车床牛头刨床牛头刨床空气压缩机空气压缩机起重机起重机掘土机掘土机皮带运输机皮带运输机机器人机器人数控机床数控机床心脏心脏躯干，臂躯干，臂手手脑脑眼眼7/25/20248轿车组成：7/25/20249什么是机械设计？什么是机械设计？机械设计是一个工作过程。机械设计是一个工作过程。7/25/202410构思构思 决策决策 分析分析 计算计算 绘图绘图设计计算书设计计算书全套图样全套图样使用说明书使用说明书机械的机械的工作原理工作原理 外观外观 运动和力的运动和力的 传递方式传递方式各个零件的各个零件的材料、形状、尺寸材料、形状、尺寸机械的机械的结构结构根据社会需求确定设计任务7/25/202411机械设计的基本要求n功能性要求功能性要求n可靠性要求可靠性要求n经济性要求经济性要求n社会性要求社会性要求7/25/2024121功能性要求功能性要求机械产品必须完成规定的功能。机械产品必须完成规定的功能。机械的功能可表达为一个或几个功能指标。机械的功能可表达为一个或几个功能指标。例：例：电池自动分拣机电池自动分拣机图图1 18 8 电池自动分拣机电池自动分拣机电池托盘电池托盘z z向进给机构向进给机构输送装置输送装置机械手机械手主要功能指标：主要功能指标：每分钟分拣电池的个数。每分钟分拣电池的个数。7/25/202413 主要功能指标：主要功能指标：（1 1）被加工工件的尺寸范围；）被加工工件的尺寸范围；（2 2）滑枕应具有若干种不同的往）滑枕应具有若干种不同的往复运动速度，以满足不同切削工复运动速度，以满足不同切削工艺的要求；艺的要求；（3 3）工作台沿横向应能实现若干）工作台沿横向应能实现若干种不同的进给量；种不同的进给量；（4 4）应能供给并传递足够的功率，）应能供给并传递足够的功率，以克服切削力；以克服切削力；（5 5）应能保证一定的加工精度。）应能保证一定的加工精度。例：例：牛头刨床牛头刨床7/25/202414机械功能指标的确定：机械功能指标的确定：由用户提出由用户提出由设计者与用户协商确定由设计者与用户协商确定机械的功能指标是机械设计最基本的出发点。机械的功能指标是机械设计最基本的出发点。7/25/2024152 2可靠性要求可靠性要求机械零件的内部和表机械零件的内部和表面产生应力和变形面产生应力和变形磨损磨损曲轴折断曲轴折断潘存云教授研制齿轮损坏齿轮损坏机械要传递机械要传递力和力矩力和力矩有可能导致有可能导致零件的失效零件的失效7/25/202416机械应能保证在机械应能保证在规定的使用寿命期限内规定的使用寿命期限内，零件，零件不发生各种型式的失效。不发生各种型式的失效。为此要进行强度、刚度和寿命的计算，这些计为此要进行强度、刚度和寿命的计算，这些计算在整个设计工作量中占了很大的比例。算在整个设计工作量中占了很大的比例。7/25/2024173 3经济性要求经济性要求 制造成本制造成本 使用成本使用成本 简化结构简化结构选用适当的材料选用适当的材料确定合理的加工精度确定合理的加工精度标准化、系列化和通用化标准化、系列化和通用化降低机械的能量损失降低机械的能量损失考虑到维修的方便性和经济性考虑到维修的方便性和经济性成本成本设计阶段的工作如何，就基本上决定了一个设计阶段的工作如何，就基本上决定了一个产品成本的高低。产品成本的高低。7/25/2024184 4社会性要求社会性要求 所设计的产品不应对人、环境和社会造成所设计的产品不应对人、环境和社会造成消极影响。消极影响。n 操作者的安全性和舒适性操作者的安全性和舒适性n 机械的造型和色彩美观、大方、宜人机械的造型和色彩美观、大方、宜人n 符合国家在环境保护方面的法规符合国家在环境保护方面的法规数控加工中心机械是否满足社会性要求，机械是否满足社会性要求，完全取决于设计。完全取决于设计。7/25/202419对机械设计的四项基本要求功能性功能性要求要求经济性经济性要求要求可靠性可靠性要求要求社会性社会性要求要求7/25/202420例：例：汽汽车车载货（客）量载货（客）量速度速度舒适性舒适性排放量排放量美观美观安全性安全性耐用性耐用性耗油量耗油量价格价格7/25/202421一、机械设计的基本内容方案设计方案设计确定确定工作原理工作原理 确定确定机械系统运动方案机械系统运动方案 1.1.方案设计方案设计根据机械的功能要求，确定机械的总体方案。根据机械的功能要求，确定机械的总体方案。7/25/202422螺纹加工方法螺纹加工方法 车削加工车削加工丝锥加工丝锥加工滚压加工滚压加工例：例：7/25/202423比重不同比重不同重选磁性不同磁性不同磁选对特定液体泡沫的对特定液体泡沫的吸附性不同吸附性不同浮选例：例：选矿机械的选矿机械的 工作原理工作原理矿石矿石脉石脉石磁磁铁铁7/25/202424选矿机械的工作原理选矿机械的工作原理螺纹加工的工作原理螺纹加工的工作原理u 机械的工作原理不同，机械的面貌就 完全不同。u 确定工作原理是方案设计的第一步。7/25/202425确定执行构件的运动确定执行构件的运动选择原动机选择原动机采用哪些机构实现运动形式的转换采用哪些机构实现运动形式的转换采用哪些机构实现运动速度的转换采用哪些机构实现运动速度的转换确定传动装置的布局确定传动装置的布局确定确定机械系统机械系统运动方案运动方案 7/25/202426u方案设计是机械设计中至关重要的一步。方案设计是机械设计中至关重要的一步。u它从根本上影响机械的结构、性能、成本。它从根本上影响机械的结构、性能、成本。u应充分调查研究，并集思广益，提出多种方应充分调查研究，并集思广益，提出多种方案，并按照四项基本要求，认真地进行比较、分案，并按照四项基本要求，认真地进行比较、分析，以选择出最优方案。析，以选择出最优方案。方案设计方案设计 确定工作原理确定工作原理 确定机械系统运动方案确定机械系统运动方案 7/25/202427 确定传动装置中各机构的基本几何参数。确定传动装置中各机构的基本几何参数。例如：例如：牛头刨床：牛头刨床：确定连杆机构的各杆杆长，来保证滑枕的速确定连杆机构的各杆杆长，来保证滑枕的速度规律符合要求；度规律符合要求；内燃机：内燃机：确定连杆机构的尺寸，凸轮的轮廓曲线，齿轮确定连杆机构的尺寸，凸轮的轮廓曲线，齿轮的齿数等。的齿数等。2.2.运动学分析与设计运动学分析与设计7/25/202428 保证零件在一定的使用期限内不发生失效。通过设计保证零件在一定的使用期限内不发生失效。通过设计确定零件的参数和基本尺寸。确定零件的参数和基本尺寸。例如：例如：轴的直径轴的直径齿轮的大小和齿的大小齿轮的大小和齿的大小3.3.工作能力分析与设计工作能力分析与设计7/25/202429 对运转速度较高的机械，会产生振动和速度波动对运转速度较高的机械，会产生振动和速度波动等有害的动力学现象，应进行必要的动力学分析。等有害的动力学现象，应进行必要的动力学分析。在此基础上对参数进行必要的修改，或采取一些在此基础上对参数进行必要的修改，或采取一些措施减轻其影响。措施减轻其影响。4.4.动力学分析与设计动力学分析与设计7/25/202430 在确定了各个零件基本参数的基础上，对各零件的在确定了各个零件基本参数的基础上，对各零件的结构进行构思，确定零件的全部尺寸。结构进行构思，确定零件的全部尺寸。这部分设计工作主要体现在图样上。这部分设计工作主要体现在图样上。5.5.结构设计结构设计7/25/202431 作为制造的依据，应绘制出整个机械的装配图、组作为制造的依据，应绘制出整个机械的装配图、组成机械的各个部件的装配图，以及全部非标准化零件成机械的各个部件的装配图，以及全部非标准化零件的零件图。的零件图。图样上应标明制造所需要的全部信息：材料、热处图样上应标明制造所需要的全部信息：材料、热处理、基本参数和所有必要的尺寸，以及加工精度等技理、基本参数和所有必要的尺寸，以及加工精度等技术条件。此外，还应提出所有外购件的明细表。术条件。此外，还应提出所有外购件的明细表。6.6.装配图和零件图的绘制装配图和零件图的绘制7/25/202432机械的功能指标是机械机械的功能指标是机械设计最基本的出发点。设计最基本的出发点。方案设计方案设计从根本上影响从根本上影响机械的结构、性能、成本。机械的结构、性能、成本。设计阶段的工作如何，就基本上设计阶段的工作如何，就基本上决定了一个产品成本的高低。决定了一个产品成本的高低。机械应能保证不发生各种型式的失机械应能保证不发生各种型式的失效。为此要进行强度、刚度和寿命效。为此要进行强度、刚度和寿命的计算，占设计工作的很大比例。的计算，占设计工作的很大比例。设计阶段的工作如何，就基本上设计阶段的工作如何，就基本上 决定了一个产品成本的高低。决定了一个产品成本的高低。机械是否满足社会性要求，机械是否满足社会性要求，完全取决于设计。完全取决于设计。功能性功能性要求要求可靠性可靠性要求要求经济性经济性要求要求社会性社会性要求要求实现自主创新拥有独立知识产权的关键环节7/25/202433二、设计机器的一般程序二、设计机器的一般程序投投产产以以后后计计划划阶阶段段方方案案设设计计阶阶段段试试制制试试验验阶阶段段技技术术设设计计阶阶段段7/25/202434n 提出设计任务（市场需求，用户委托，提出设计任务（市场需求，用户委托，主管部门下达）主管部门下达）n 可行性研究可行性研究 （重大问题应召开论证会）（重大问题应召开论证会）n 编制设计任务书编制设计任务书计划阶段计划阶段 7/25/202435n 提出机械的工作原理提出机械的工作原理 （通过调查研究和（通过调查研究和必要的分析，还可能需要进行原理性试验）必要的分析，还可能需要进行原理性试验）n 提出几种机械系统运动方案提出几种机械系统运动方案 （进行必要（进行必要的运动学设计，一般是初步的、粗略的）的运动学设计，一般是初步的、粗略的）n 确定出最佳总体方案确定出最佳总体方案 （经过分析、对比（经过分析、对比和评价，作出决策）和评价，作出决策）方案设计阶段方案设计阶段 7/25/202436n 运动学分析与设计运动学分析与设计n 工作能力分析与设计工作能力分析与设计n 动力学分析与设计动力学分析与设计n 结构设计结构设计n 装配图和零件图的绘制装配图和零件图的绘制技术设计阶段技术设计阶段 7/25/202437n 通过试制和试验，发现问题，加以改进，通过试制和试验，发现问题，加以改进，修改某一部分设计结果。修改某一部分设计结果。试制试验阶段试制试验阶段 7/25/202438n 收集用户反馈意见，研究使用中发现的问收集用户反馈意见，研究使用中发现的问题，进行改进。题，进行改进。n 收集市场变化的情况，为可能提出新的设收集市场变化的情况，为可能提出新的设计计划准备资料。计计划准备资料。投产以后投产以后 7/25/202439一、失效概念一、失效概念（Failure）1.3 1.3 机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式 (Failure types)规定使用条件下规定使用条件下规定的寿命期限内规定的寿命期限内不能完成不能完成规定功能规定功能失效失效零零件件例例:齿轮轴断裂齿轮轴断裂失失效效7/25/202440二、失效形式二、失效形式（Failure types）1、整体断裂整体断裂过载断裂过载断裂疲劳断裂疲劳断裂2、表面破坏表面破坏磨损磨损冷胶合冷胶合热胶合热胶合点蚀点蚀塑性变形塑性变形过大弹变过大弹变5、功能失效功能失效3、变形、变形过大过大胶合胶合4、过大振动、过大振动7/25/202441轧钢机压下螺旋丝杠断牙宏观丝杠断牙部位丝杠断牙部位丝杠断牙局部丝杠断牙局部放大放大7/25/202442键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂键槽键槽初始裂初始裂纹源纹源裂纹扩裂纹扩展区展区最终瞬最终瞬断区断区7/25/202443轮齿磨损7/25/202444冷胶合：冷胶合：低速重载，接触零件挤压粘着，相对运动撕裂。低速重载，接触零件挤压粘着，相对运动撕裂。返回返回7/25/202445热胶合：润滑不良引起的齿面破坏热胶合：润滑不良引起的齿面破坏7/25/202446疲劳点蚀7/25/202447整体塑变7/25/202448螺栓联接滑移螺栓联接滑移被联接件断裂被联接件断裂被联件相对滑移被联件拉断7/25/202449机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。7/25/202450 2.5 2.5 设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求1 1、避免在预期寿命内失效的要求（强度、刚度、寿命）；、避免在预期寿命内失效的要求（强度、刚度、寿命）；2 2、结构工艺性要求（便于加工、装配）；、结构工艺性要求（便于加工、装配）；3 3、经济性要求（材料、加工方法、精度等级）；、经济性要求（材料、加工方法、精度等级）；4 4、质量小的要求（节约材料、质量小的要求（节约材料、惯性力）；惯性力）；5 5、可靠性要求。、可靠性要求。7/25/2024511-4机械零件的计算准则2.6 2.6 机械零件的设计准则机械零件的设计准则一、几个名词：一、几个名词：2 2）工作能力计算准则：）工作能力计算准则：为防止机械零件发生某种失效而应满为防止机械零件发生某种失效而应满足的条件。足的条件。(也可以理解为是机械零件不发生失效的也可以理解为是机械零件不发生失效的“安全条件安全条件”，是设计零件时的理论依据）。，是设计零件时的理论依据）。1)工作能力：不失效条件下零件的安全工作限度工作能力：不失效条件下零件的安全工作限度 这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又常称为常称为“承载能力承载能力”如：如：吊钩最大起重量吊钩最大起重量50 kN工作能力或承载能力工作能力或承载能力50 kN50kN7/25/202452载荷和应力1机械零件的计算准则机械零件的计算准则二、载荷和应力二、载荷和应力1.1.载荷载荷由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。（1 1）载荷性质）载荷性质(是否随时间变化是否随时间变化)FtFt（2 2）载荷算法）载荷算法(是否考虑动载荷的影响是否考虑动载荷的影响)名义载荷：名义载荷：在理想平稳条件下所受的载荷。在理想平稳条件下所受的载荷。（不考虑动载荷的影响）（不考虑动载荷的影响）计算载荷载荷系数计算载荷载荷系数K K名义载荷名义载荷 。(代表机器或零件实际所受载荷）代表机器或零件实际所受载荷）载荷系数载荷系数K K：用于计入在实际工作中受到的各种动载荷的影响。用于计入在实际工作中受到的各种动载荷的影响。额定载荷：额定载荷：由原动机的额定功率推算出的载荷。由原动机的额定功率推算出的载荷。7/25/2024537/25/202454(1)非对称循环变应力非对称循环变应力3 3、变应力的参数、变应力的参数 (Parameters of variable(Parameters of variable stress)stress)tmaxminma应应力力幅：幅：a=(max-min)/2平均应力：平均应力：m=(max+min)/2应力循环特性：应力循环特性：r=min/max(-1r+1)(2)脉动循环变应力脉动循环变应力t(3)对称循环变应力对称循环变应力t最大应力：最大应力：max最小应力：最小应力：minmin=0；m=ar=min/max=0m=0；max=a=-minr=min/max=-17/25/202455载荷和应力3对称循环对称循环脉动循环脉动循环常见的循环应力有：常见的循环应力有：对称循环应力对称循环应力r=-1、s sm0脉动循环应力脉动循环应力 r=0、s smin0静应力静应力r=1静应力（静应力（可看作是循环应力的一个特例可看作是循环应力的一个特例）机械零件的计算准则注：注：静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产生，也可由静载荷产生。生，也可由静载荷产生。另外，应力还分为另外，应力还分为名义应力：根据名义载荷求得的应力名义应力：根据名义载荷求得的应力计算应力：根据计算载荷求得的应力计算应力：根据计算载荷求得的应力7/25/202456静应力静应力只能由只能由静载荷静载荷产生，产生，变应力变应力可能由可能由变载荷变载荷或或静载荷静载荷产生。产生。a0tt0a在变应力下，零件的主要失效形式为：在变应力下，零件的主要失效形式为：疲劳破坏疲劳破坏7/25/202457强度准则三、强度准则三、强度准则强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。强度条件有两种表示方法：强度条件有两种表示方法：1 1）用应力表示：用应力表示：2 2）用安全系数表示：）用安全系数表示：式中：式中：计算最大应力计算最大应力极限应力极限应力计算安全系数计算安全系数许用应力许用应力许用安全系数许用安全系数注：对于切应力，只须将上述各公式注：对于切应力，只须将上述各公式中的换成中的换成即可。即可。机械零件的计算准则7/25/202458静应力下的强度1 1 静应力下的强度静应力下的强度 在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形或断裂。材料种类不同，所取极限应力也不同。或断裂。材料种类不同，所取极限应力也不同。塑性材料塑性材料 单向应力状态下：单向应力状态下：复合应力状态下：复合应力状态下：按第三或第四强度理论计算当量应力。按第三或第四强度理论计算当量应力。脆性材料脆性材料 单向应力状态下：单向应力状态下：复合应力状态下：复合应力状态下：按第一强度理论计算当量应力。按第一强度理论计算当量应力。机械零件的计算准则注：注：1 1）对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁），在）对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁），在计算静强度时，可不考虑应力集中的影响。计算静强度时，可不考虑应力集中的影响。2 2）对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算）对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算静强度时，应考虑应力集中的影响。静强度时，应考虑应力集中的影响。7/25/202459接触强度2 2 循环应力下的强度循环应力下的强度3 3 许用安全系数许用安全系数合理选择许用安全系数合理选择许用安全系数 是设计中的一项重要工作。是设计中的一项重要工作。过大，则机器会过于笨重；过小，可能不安全。因此，在保证安过大，则机器会过于笨重；过小，可能不安全。因此，在保证安全的前提下，应尽可能选用较小的许用安全系数。全的前提下，应尽可能选用较小的许用安全系数。的取值主的取值主要受下列因素的影响要受下列因素的影响 1 1）计算的准确性；计算的准确性；2 2）材料的均匀性；）材料的均匀性；3 3）零件的重要性。）零件的重要性。4表面接触疲劳强度表面接触疲劳强度 对于高副零件，理论上是点、线接触，但实际上在载荷作用下对于高副零件，理论上是点、线接触，但实际上在载荷作用下材料发生弹性变形后，理论上的点、线接触变成了很小的面接触，材料发生弹性变形后，理论上的点、线接触变成了很小的面接触，在接触处在接触处机械零件的计算准则7/25/202460接触强度2机械零件的计算准则 实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的。实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的。例如例如齿轮的轮齿，接触啮合时受应力作用，脱离啮合时不受应力作齿轮的轮齿，接触啮合时受应力作用，脱离啮合时不受应力作用。用。接触循环应力作用下的失效形式是：接触循环应力作用下的失效形式是：疲劳点蚀疲劳点蚀（简称点蚀）。（简称点蚀）。点蚀的危害：点蚀的危害：1 1）破坏零件的光滑表面，引起振动和噪音。）破坏零件的光滑表面，引起振动和噪音。2 2）减小零件的有效工作面积。）减小零件的有效工作面积。7/25/202461疲劳点蚀的形成疲劳点蚀的形成7/25/202462挤压强度及刚度准则机械零件的计算准则5 5 表面挤压强度表面挤压强度四、刚度准则四、刚度准则 刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而而失效失效。7/25/202463机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。7/25/202464机械零件的计算准则机械零件的计算准则刚度条件为：刚度条件为：实际变形量实际变形量许用变形量许用变形量式中：实际变形量可用相关理论计算或由实验方法确定。式中：实际变形量可用相关理论计算或由实验方法确定。许用变形量是保证正常工作所允许的变形量。许用变形量是保证正常工作所允许的变形量。注：注：1 1）零件材料的弹性模量）零件材料的弹性模量E E越大，则其刚度越大。越大，则其刚度越大。2 2）用合金钢代替碳钢能提高零件的强度，但不能提高零件）用合金钢代替碳钢能提高零件的强度，但不能提高零件的刚度。的刚度。五、振动稳定性准则五、振动稳定性准则 当作用在零件上的周期性外力的变化频率接近或等于零当作用在零件上的周期性外力的变化频率接近或等于零件的自激振动频率（固有频率）时，便发生共振，导致零件件的自激振动频率（固有频率）时，便发生共振，导致零件失效。这种现象称之为失效。这种现象称之为“失去振动稳定性失去振动稳定性”。应保证机器中受激振零件的固有频率与激振源的频率错开，应保证机器中受激振零件的固有频率与激振源的频率错开，即即要求：要求：0.85 0.85 f f f fp p或或 1.15 1.15 f f 2%2%特点：特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。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。机械零件常用材料机械零件常用材料-含碳量含碳量2%2%7/25/202474(1)(1)铸钢铸钢 铸钢主要用于制造承受重载、形状复杂的大铸钢主要用于制造承受重载、形状复杂的大型零件。型零件。特点：特点：铸钢的力学性能接近变形钢，与灰铸铁比较，铸钢的力学性能接近变形钢，与灰铸铁比较，其减振性较差，熔点较高，铸造收缩率较大，容易其减振性较差，熔点较高，铸造收缩率较大，容易出现气孔，故铸造性不如铸铁。出现气孔，故铸造性不如铸铁。(2)(2)变形钢变形钢 碳素结构钢、低合金高强度结构钢、合金结碳素结构钢、低合金高强度结构钢、合金结构钢、弹簧钢、工具钢、轴承钢、不锈钢、耐热钢等。构钢、弹簧钢、工具钢、轴承钢、不锈钢、耐热钢等。是是机械零件应用最广泛的材料机械零件应用最广泛的材料二、非铁金属材料二、非铁金属材料 特点特点：如减摩性、耐蚀性、耐热性、导电性等。：如减摩性、耐蚀性、耐热性、导电性等。应用：应用：在一般机械制造中，可用它们作承载、耐磨、减摩在一般机械制造中，可用它们作承载、耐磨、减摩和耐蚀材料，也用做装饰材料。机械制造采用的非铁金属和耐蚀材料，也用做装饰材料。机械制造采用的非铁金属材料有：铜合金、铝合金、钛合金和轴承合金材料有：铜合金、铝合金、钛合金和轴承合金7/25/202475三、粉末冶金材料三、粉末冶金材料按材质分：铁基、铜基、镍基、不锈钢基、钛基和铝基粉按材质分：铁基、铜基、镍基、不锈钢基、钛基和铝基粉末冶金材料。末冶金材料。按用途分：按用途分：结构材料、减摩材料、摩擦材料、多孔材料结构材料、减摩材料、摩擦材料、多孔材料。1 1粉末冶金结构材料粉末冶金结构材料具有高强度、高硬度和韧性好等特点，并有良好的耐蚀、具有高强度、高硬度和韧性好等特点，并有良好的耐蚀、密封性和耐磨性。主要用于传动齿轮、汽车和冰箱压缩机密封性和耐磨性。主要用于传动齿轮、汽车和冰箱压缩机零件等。零件等。2 2粉末冶金减摩材料粉末冶金减摩材料承载能力高，摩擦因数低，具有良好的自润滑性、耐高温承载能力高，摩擦因数低，具有良好的自润滑性、耐高温性和耐磨性。摩擦时不伤配副件，噪声较低。主要用于制性和耐磨性。摩擦时不伤配副件，噪声较低。主要用于制作轴承、含油轴承等。作轴承、含油轴承等。7/25/2024763 3粉末冶金摩擦材料粉末冶金摩擦材料摩擦因数大而稳定，耐短时高温，耐磨，导热性好，抗摩擦因数大而稳定，耐短时高温，耐磨，导热性好，抗胶合能力强，摩擦时不伤配副件，主要用于制作离合器片、胶合能力强，摩擦时不伤配副件，主要用于制作离合器片、制动器片等。制动器片等。4 4粉末冶金多孔材料粉末冶金多孔材料综合性能优良，对孔隙的形态、大小、分布及孔隙度均综合性能优良，对孔隙的形态、大小、分布及孔隙度均可控制。主要用来制作过滤，减振和消音元件，以及可控制。主要用来制作过滤，减振和消音元件，以及催化、催化、止火、电极、热交换和人造骨等制品。止火、电极、热交换和人造骨等制品。四、四、有机高分子材料有机高分子材料 1 1工程塑料工程塑料密度小、容易加工，可用注塑成型法制成各种形状复密度小、容易加工，可用注塑成型法制成各种形状复杂、尺寸精确的零件。但是导热性差。通常用工程塑料作杂、尺寸精确的零件。但是导热性差。通常用工程塑料作减摩、耐蚀、耐磨、绝缘、密封和减振材料。塑料分为热减摩、耐蚀、耐磨、绝缘、密封和减振材料。塑料分为热塑性塑料和热固性塑料。塑性塑料和热固性塑料。7/25/202477 2 2橡胶橡胶橡胶分为橡胶分为天然橡胶和合成橡胶天然橡胶和合成橡胶两大类两大类特点：特点：弹性高、弹性模量低。在机械制造中橡胶主要用作弹性高、弹性模量低。在机械制造中橡胶主要用作密封、减振元件密封、减振元件,传动带传动带,轮胎等。轮胎等。五、无机非金属材料五、无机非金属材料结构陶瓷结构陶瓷 有氧化物、氮化物、碳化物、硼化有氧化物、氮化物、碳化物、硼化物陶瓷等。具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗氧物陶瓷等。具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、难加工等特性，用来制造轴承、模具、活化、难加工等特性，用来制造轴承、模具、活塞环、气阀座、密封件、挺杆等零件。塞环、气阀座、密封件、挺杆等零件。功能陶瓷功能陶瓷 电功能陶瓷，磁功能陶瓷，光功能电功能陶瓷，磁功能陶瓷，光功能陶瓷，生物和化学功能陶瓷等。它们都是为某陶瓷，生物和化学功能陶瓷等。它们都是为某一特殊功能要求而采用的材料一特殊功能要求而采用的材料。.工程陶瓷工程陶瓷7/25/202478 2 2炭石墨材料炭石墨材料 强度不高，但密度低、耐高温、耐化学腐蚀、有自润强度不高，但密度低、耐高温、耐化学腐蚀、有自润滑性，在机械工业中广泛用作密封圈、活塞环、轴承、电滑性，在机械工业中广泛用作密封圈、活塞环、轴承、电刷、热交换器等。刷、热交换器等。3 3聚合物混凝土聚合物混凝土 是用高分子树脂代替水泥作粘合剂的混凝土。是用高分子树脂代替水泥作粘合剂的混凝土。特点：特点：具有高的强度，良好的抗化学药品腐蚀的性能具有高的强度，良好的抗化学药品腐蚀的性能(优优于不锈钢于不锈钢)，减振和消声能力是灰铸铁的，减振和消声能力是灰铸铁的7 7倍，具有良好的倍，具有良好的耐磨性和电绝缘性。耐磨性和电绝缘性。这种材料是金属加工机床底座的理想材料这种材料是金属加工机床底座的理想材料7/25/202479六、六、复合材料复合材料复合材料是由两种或两种以上材料，即基体材料和增强材料复合材料是由两种或两种以上材料，即基体材料和增强材料复合而成的一类多相材料。复合而成的一类多相材料。l根据基体材料来分：金属基、聚合物基和陶瓷基复合材料；根据基体材料来分：金属基、聚合物基和陶瓷基复合材料；l根据增强材料形状分：有颗粒复合材料、纤维复合材料和层迭根据增强材料形状分：有颗粒复合材料、纤维复合材料和层迭复合材料；复合材料；l根据使用目的分：有结构复合材料和功能复合材料。根据使用目的分：有结构复合材料和功能复合材料。特点特点：la.a.比强度和比模量高。比强度高的材料能承受高的应力；比比强度和比模量高。比强度高的材料能承受高的应力；比模量高象征材料轻而刚度大；模量高象征材料轻而刚度大；lb.b.抗疲劳性能好。抗疲劳性能好。lc.c.减振性能好。材料内大量界面对振动有反射吸收作用。减振性能好。材料内大量界面对振动有反射吸收作用。ld.d.高温性能好。高温性能好。7/25/202480载荷荷及及应力的大小和性力的大小和性质 零件的工作情况零件的工作情况 零件的零件的结构及加工性构及加工性 材料的材料的经济性性 零件的尺寸及重量零件的尺寸及重量 材料选用原则材料选用原则 适用于制作机械零件的材料种适用于制作机械零件的材料种类非常之多，在非常之多，在设计机械零件机械零件时，如何从各种各，如何从各种各样的材料中的材料中选择出合适的材料，出合适的材料，是一是一项受多方面因素所制受多方面因素所制约的复的复杂的工作。的工作。设计者者应根据根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及性能以及经济因素等因素等进行全面考行全面考虑。选材的一般原材的一般原则 7/25/202481通用化通用化系列化系列化组合化组合化 机械零件的设计中的标准化机械零件的设计中的标准化标准准是是对科学技科学技术和和经济领域中某些多次重复的事物域中某些多次重复的事物给予公予公认的的统一一规定。定。标准化准化就是制就是制订、贯彻和推广和推广应用用标准的准的过程。程。机械机械产品品标准化的主要内容和形式是准化的主要内容和形式是通用化、系列化和通用化、系列化和组合化合化(模模块化化)。7/25/202482最大限度地最大限度地扩大同一零部件使用范大同一零部件使用范围的一种的一种标准化形式。准化形式。它是以互它是以互换性性为前提的，前提的，统一具有相同或相似功能和一具有相同或相似功能和结构构的零部件，以的零部件，以扩大零部件的制造批量和重复使用范大零部件的制造批量和重复使用范围，减，减少少设计和制造中的和制造中的劳动量，保量，保证结构、构、质量的量的稳定性，并定性，并便于便于组织专业化生化生产和和协作，以降低生作，以降低生产成本。成本。紧固件、固件、滚动轴承等是通用化程度最高的零件之一承等是通用化程度最高的零件之一。通用化通用化机械零部件的标准机械零部件的标准系列化系列化有目的的指有目的的指导同同类产品品发展的一种展的一种标准化形式。通准化形式。通过对同同一一类产品的品的发展展规律和国内外的需求律和国内外的需求趋势预测及生及生产条件增条件增长的可能性的分析，将的可能性的分析，将产品的品的主要参数主要参数按一定的数列作合理按一定的数列作合理安排或安排或规划，再划，再对其基本型式、尺寸和其基本型式、尺寸和结构构进行行规定和定和统一，一，编制制产品系列型品系列型谱和和进行系列行系列设计，以，以缩短短设计周期，加快周期，加快品种的品种的发展。展。7/25/202483是开是开发满足各种不同需要的足各种不同需要的产品的一种品的一种标准化形式。准化形式。在在对一定范一定范围内的不同内的不同产品品进行功能分析和分解的基行功能分析和分解的基础上，上，将同一功能的部件将同一功能的部件设计成具有不同用途或性能的、可以互成具有不同用途或性能的、可以互换的的通用模通用模块(件件)或或标准模准模块(件件)。所所谓模模块(件件)就是一就是一组具有同一功能和具有同一功能和结合要素，而有不合要素，而有不同用途和不同同用途和不同结构且能互构且能互换的的单元。元。然后，从然后，从这些模些模块中中选取相取相应的模的模块，在，在补充少量新充少量新设计模模块和零部件后，和零部件后，组合成一种新的机械合成一种新的机械产品，称品，称为组合合设计。组合化（模块化）组合化（模块化）机械零部件的标准机械零部件的标准7/25/202484机械现代设计方法简介机械现代设计方法简介常规设计方法常规设计方法现代设计方法现代设计方法工业革命以来工业革命以来力学和材料科学的发展力学和材料科学的发展运动学分析与设计运动学分析与设计动力学分析与设计动力学分析与设计工作能力的分析与设计工作能力的分析与设计产生的时代：产生的时代：产生的基础：产生的基础：基本内容：基本内容：产生的时代：产生的时代：产生的基础：产生的基础：2020世纪下半页世纪下半页计算机的发明与快速发展计算机的发明与快速发展7/25/202485方案设计方案设计运动学分运动学分析与设计析与设计动力学分动力学分析与设计析与设计零件工作零件工作能力设计能力设计结构设计结构设计创造性创造性主要依靠经验，通主要依靠经验，通过类比方法进行过类比方法进行主要依赖于设计者主要依赖于设计者的灵感的灵感有系统的理论有系统的理论方法，但往往方法，但往往只能近似满足只能近似满足运动学要求运动学要求受到计算手段受到计算手段的制约，分析的制约，分析较简单。较简单。常将复杂问题简化，得出近常将复杂问题简化，得出近似公式或经验公式。一般按似公式或经验公式。一般按静载荷计算，引入动载系数静载荷计算，引入动载系数常采用类比常采用类比的方法的方法7/25/202486常规设计方法有如下不足：常规设计方法有如下不足：n 方案设计过分依赖设计者个人的经验和水平；方案设计过分依赖设计者个人的经验和水平；n 一般满足于获得一个可用方案，而不是最佳方案；一般满足于获得一个可用方案，而不是最佳方案；n 受计算手段的限制，简化假定较多，影响了设计质量；受计算手段的限制，简化假定较多，影响了设计质量；n 设计工作周期长、效率低，不能满足市场竞争激烈、设计工作周期长、效率低，不能满足市场竞争激烈、产品更新速度加快的新形势。产品更新速度加快的新形势。7/25/202487 尽管现代设计方法已经兴起，但常规设尽管现代设计方法已经兴起，但常规设计目前仍被广泛应用。计目前仍被广泛应用。设计者应该首先掌握常规设计方法，才设计者应该首先掌握常规设计方法，才能进一步学习现代设计方法。能进一步学习现代设计方法。本课程的内容主要是介绍常规设计方法。本课程的内容主要是介绍常规设计方法。7/25/202488现代设计方法现代设计方法计算机辅助设计计算机辅助设计机械设计专家系统机械设计专家系统优化设计优化设计动态设计动态设计可靠性设计可靠性设计创造性设计创造性设计7/25/202489 近数十年来，社会需求呈现多样化的趋势，产品近数十年来，社会需求呈现多样化的趋势，产品更新速度加快。如果设计速度慢，就会贻误商机，造成更新速度加快。如果设计速度慢，就会贻误商机，造成不可弥补的经济损失。不可弥补的经济损失。计算机辅助设计计算机辅助设计（Computer-AidedDesign,CAD)计算绘计算绘图工作图工作量太大量太大有的计算工作量大到根本无法用手有的计算工作量大到根本无法用手工方法计算的程度。工方法计算的程度。图样总数可能达到数百、数千张。图样总数可能达到数百、数千张。繁琐的重繁琐的重 复性工作复性工作提高设计速度成为设计方法革新的最主要的目标。提高设计速度成为设计方法革新的最主要的目标。7/25/202490优越性：优越性：n 提高效率，缩短设计周期，加快产品更新换代，增强提高效率，缩短设计周期，加快产品更新换代，增强市场竞争能力。市场竞争能力。n 给出多个方案，供设计者比较、选择，确定最佳方案。给出多个方案，供设计者比较、选择，确定最佳方案。n 从繁琐的重复性工作中解脱出来，将时间和精力集中从繁琐的重复性工作中解脱出来，将时间和精力集中到创造性的工作上。到创造性的工作上。计算机辅助设计计算机辅助设计 运算快速准确 存储量大 逻辑判断功能强 辅助设计者进行设计7/25/202491机械设计专家系统机械设计专家系统（ExpertSystem）计算机辅助设计在上世纪计算机辅助设计在上世纪9090年代的新发展。年代的新发展。专家系统是一种计算机程序，它使计算机具有学专家系统是一种计算机程序，它使计算机具有学习、推理、决策和创造等智能行为，并能够在专家的水习、推理、决策和创造等智能行为，并能够在专家的水平上工作。平上工作。CAD机械设计活动机械设计活动 数值计算型的工作数值计算型的工作 （计算与绘图）（计算与绘图）符号推理型的工作符号推理型的工作 （方案设计、结构设计）（方案设计、结构设计）专家系统 7/25/202492优化设计优化设计（OptimalDesign）可行方案与最优方案可行方案与最优方案最优，就是使某一项指标达到最小（如重量）或最大最优，就是使某一项指标达到最小（如重量）或最大（如效率）。（如效率）。机械设计的问题一般都较复杂，求最小值或最大值的问机械设计的问题一般都较复杂，求最小值或最大值的问题并不是用微分方法求极值就能简单地予以解决的。题并不是用微分方法求极值就能简单地予以解决的。数学领域的分支数学领域的分支数学规划理论数学规划理论，提供了很多求优的，提供了很多求优的数值方法，这些方法都以在计算机上进行的大量的数值数值方法，这些方法都以在计算机上进行的大量的数值叠代计算为基础。叠代计算为基础。为了采用这些优化方法，就需要将具体设计问题的物理为了采用这些优化方法，就需要将具体设计问题的物理模型转化为一个模型转化为一个数学模型数学模型。、7/25/202493u 高速化高速化推动了机械动力学的发展。推动了机械动力学的发展。u 精密化精密化要求机械的实际运动尽可能与期望运动相要求机械的实际运动尽可能与期望运动相一致。在分析误差时必须尽可能地计入各种因素的影响。一致。在分析误差时必须尽可能地计入各种因素的影响。u 振动和噪声过大，则会影响车辆的舒适性并污染振动和噪声过大，则会影响车辆的舒适性并污染环境。环境。u 动态设计：考虑机械的动态载荷和系统的动特性，动态设计：考虑机械的动态载荷和系统的动特性，以动力学分析为基础来设计机械。以动力学分析为基础来设计机械。u 需要在计算机上用数值叠代算法求解微分方程。需要在计算机上用数值叠代算法求解微分方程。所以，动态设计在计算机获得普遍应用后才能发展起来。所以，动态设计在计算机获得普遍应用后才能发展起来。动态设计动态设计(DynamicDesign)7/25/202494可靠性设计可靠性设计（ReliabilityDesign）u 将概率论、数理统计引入机械设计中而形成的一种将概率论、数理统计引入机械设计中而形成的一种设计技术。设计技术。u 将物理量都视为按某种规律分布的将物理量都视为按某种规律分布的随机变量随机变量，用概，用概率统计的方法确定零、部件的主要参数和尺寸，使机械率统计的方法确定零、部件的主要参数和尺寸，使机械满足所提出的可靠性指标。满足所提出的可靠性指标。式中为杆件的截面积，为许用应力，为材料的屈服极限，为安全系数。、材料的性能、截面积u 二次世界大二次世界大战期期间，美国由于，美国由于飞行故障而行故障而损失的失的飞机比被机比被击落的落的飞机多机多1.51.5倍。倍。u 应航天航天计划的需要，划的需要，兴起在上世起在上世纪6060年代的美国。年代的美国。u 可靠性可靠性设计已已应用于从宇宙用于从宇宙飞船到家用船到家用电器的广器的广阔领域。域。7/25/202495创造性设计创造性设计（CreativeDesign）利用人类已有的科技成果，充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的科技成果，充分发挥设计者的创造力，设计出新机构和新机械产品的设计过程。设计出新机构和新机械产品的设计过程。几千年来，机械的发明依靠的是能工巧匠和专家学者几千年来，机械的发明依靠的是能工巧匠和专家学者的灵感和创造性的思维。的灵感和创造性的思维。如何产生灵感？如何进行创造性的思维？在历史的长如何产生灵感？如何进行创造性的思维？在历史的长河中，这些智慧的火花是零散的而非系统的，多种多样河中，这些智慧的火花是零散的而非系统的，多种多样的而非单一的。的而非单一的。对历史上大量发明构思的过程进行了分析和归纳，总对历史上大量发明构思的过程进行了分析和归纳，总结出一些进行创造性思维的方法，形成了结出一些进行创造性思维的方法，形成了“创造学创造学”。创造性设计，特指以创造学理论为基础进行机械创新创造性设计，特指以创造学理论为基础进行机械创新的方法。的方法。7/25/202496