第一章精密机械设计的基础知识课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 机械设计的基础知识,1-1,概述,1-2,机械零件的工作能力及其计算准则,1-3,零件与机构的误差估算和精度,1-4,零件部件的工艺性,1-5,标准化 系列化 通用化,（称三化）,1-6,零件的设计方法及其发展,第一章 机械设计的基础知识,11,概述,一、,设计精密机械时应满足的基本要求（其他机械也一样）,1,功能要求：,首先满足功能要求。如设计发动机活塞检测仪时,首先满足功能要求：监测、控制、显示记录、数据处理、打印、误差校正和补偿等功能,2,可靠性要求；,在一定时间、一定使用条件下有效地实现预期功能,工作安全可靠、操作维修方便。要有足够的强度、刚度、绕度（稳定性）,3,精度要求：,精度要求是精密机械的一项重要指标，设计时必须保证精密机械正常工作时的精度要求。如回转精度、导轨导向精度,4,经济性要求：,成本低,零件结构简单、工艺性好、省料，标准化、通用化、系列化,5,人,-,机友好：,造型美观大方、色彩柔和、操作宜人,二、精密机械设计的一般步骤,新产品开发都必须经过设计过程：,开发性设计,利用新原理、新技术设计新产品,;,适应性设计,保留原产品的原理及方案不变，只对个别零 部件进行重新设计,;,变参数设计,保留原产品的功能、原理方案和结构，仅改变零部件的尺寸和结构布局形成系列产品。,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如下四个阶段：,1,调查决策阶段：,了解市场（用户）需求，收集有关的技术资料及新技术、新工艺、新材料的应用情况。拟定新产品开发计划书。方案多样，反复分析优化。决策是非常关键的一不，直接影响设计工作和产品开发成本,2,研究设计阶段,：在决策后进行。,1,）,第一步主要为功能设计研究,称前期开发，任务是解决技术中的关键问题。需要对新产品进行实验研究和技术分析，验证原理的可靠性和发现存在的问题。并写出总结报告和、总布局图和外形图等等,2,）,第二步为新产品的技术设计,称后期开发,，完成后应绘制总装配图、部件装配图、零件工作图、各种系统图（传动系统、液压系统、电路系统、光路系统等）以及详细的设计说明书、使用说明和验收规程等各种技术文件。以上各个环节须相互配合与联系，设计工作往往经过多次修改与反复，逐步逼近，达到优化（技术先进可靠、经济合理、造型美观）,3,试制阶段：样机试制完成后，应进行样机实验，并作出全面的技术经济评价，以决定设计方案是否可行或需要修改。,投产销售阶段：样机实验成功后，对于批量生产的产品尚须进行工艺、工装方面的生产设计。经小批试制、用户试用、改进和鉴定后，即可投入正式生产与销售。经过开展售后服务（），发现产品薄弱环节，进一步完善产品设计，提高产品可靠性，萌发新的设计构思，开发新产品。,精密机械（机器）设计的一般程序,市场调研,可行性研究,原理方案设计,技术设 计,试制试验,小批生,产试销,投产,设计任务书,定出最佳方案,装配图、,零件图、技术文件,样机评价改进,考核工艺性收集用户意见,产品销售,1,）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷,2,）选择零件的类型与结构,三、机械零件设计的一般步骤,3,）选择零件的材料,4,）按可能的失效形式确定零件的计算准则，并确定零件的,基本尺寸，并加于标准化和圆整,5,）零件的结构设计,6,）绘制零件的工作图，并编写计算说明书,12,机械零件的工作能力及其计算准则,一、机械零件的工作能力,工作能力,零件不发生失效时的安全工作限度。即零件为达到预期的设计要求较长期使用（在一定时间、一定使用条件下有效地实现预期功能）的能力，如要有足够的强度、刚度、绕度（稳定性）、耐磨性、精度等,失效,零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能,失效形式：强度失效、刚度失效、磨损失效、振动、,噪声失效、精度失效、可靠性失效,二、机械零件的计算准则,计算准则,以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件工作能力计算依据的基本原则,1,、强度准则,2,、刚度准则,零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力,是零件抵抗外载荷作用的能力，即零件在载荷作用下抵抗破坏的能力。强度不够产生断裂、变形零件丧失工作能力。衡量参数有：,y,可以是挠度、偏转角或扭转角,3,、耐磨性准则,作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力,4,、振动和噪声准则,5,、热平衡准则,6,、可靠性准则,系统、机器或零件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,表示零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率,N,个相同零件在同样条件下同时工作，在规定的时间内有,N,f,个失效，剩下,N,t,个仍继续工作，则,不可靠度（失效概率）,：,n,个零件组成的串联系统，单个零件的可靠度,:,R,1,、,R,2,、,R,n,，,则系统的可靠度为,R,f,=,R,1,R,2,R,n,三、强度,在计算零件强度时，需要根据作用在零件上载荷的大小、方向、性质和工作情况，确定零件中的应力。作用在零件上的载荷和相应的应力，按随时间变化的情况可分为：,2,）变载荷、变应力：随时间作周期变化的载荷与应力。,1,）静载荷、静应力：不随时间变化或缓慢变化的载荷与应力,1,载荷与应力,规律性不稳定变应力,随机变应力,注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生。如转动齿轮轴应力,(,径向力方向不变即弯矩不变,),，,应力循环中最大应力,max,与最小应力,min,平均为平均应力,m，,平均应力,m、,应力幅度,、,循环特性,r、min、max,之间关系为：,=（,max,-,min,）/2,A）,对称循环应力：,|,min,|=|,max,|，,即,r=-1、m=0,B）,不对称循环应力：,r-1、m0,C）,脉动应力：,特例,r=0、m=1/2|,max,|,载荷又分：,1,名义载荷,稳定、理想工作状态下作用在零件上的载荷。,2,计算载荷,为提高零件可靠性，考虑零件工作实际情况，如变形、工作阻力变化、工作状态变化（启停）、冲击等因素，将名义载荷乘以一些系数加以修正。,max,min,t,m=（min+max）/2,r=min/max,零件整体抵抗载荷作用的能力称零件整体强度。判断零件整体强度的方法（准则）有两种：,、,而,=,lim,/s,、=,lim,/s,lim,、,lim,零件材料的极限应力，,s,、s,=s,1,*s,2,*s,3,许用安全系数,2.,零件的整体强度,1,）将零件在载荷作用下产生的应力（,、）,与零件许用应力（,、）,相比较，其强度条件为,:,应力-应变图,1,）,2）,将零件在载荷作用下的实际安全系数,s,、s,与许用安全系数,s,、s,比较，其强度条件为,A）,对静应力情况下的强度：可以使用以上两种判断方法。对塑性材料制成的零件取材料的屈服极限,s、s,作为零件的极限应力；对脆性材料制成的零件取材料的强度极限,s,b,、,b,作为零件的极限应力。,B）,对变应力情况下的强度：零件失效形式主要为疲劳断裂（先形成初始裂纹,-,扩展直到断裂），它不仅与应力的大小有关，还与应力循环次数有关。因此提出疲劳极限用,rN,的概念,s,=,lim,/s,、s,=,lim,/s,特别是当,r=,一定时，应力循环,N,次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为表示。,N,rN,关系图为应力疲劳曲线,3),材料的疲劳曲线和极限应力图,当,r,一定时，应力循环,N,次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为疲劳极限用,rN,表示。,疲劳寿命（,N）,材料疲劳失效前所经历的应力循环次数,N,疲劳曲线：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线,No,循环基数,对应无限寿命区的疲劳极限，称持久极限,）有限寿命区,当,N,10,3,(10,4,),高周循环疲劳当 时随循环次数,疲劳极限,注意：有色金属和高强度合金钢无限寿命区，没有水平部分。,）无限寿命区,持久极限,对称循环：,脉动循环：,）疲劳曲线方程,m-,与应力状态有关的指数，为常数,寿命系数,推出疲劳极限,几点说明：,No,硬度,350,HBS,钢，,No=10,7,350HBS,钢，,No=(10-25)x10,7,有色金属,(,无水平部分,),，规定当,No25x10,7,时,近似为无限寿命区,m,指数与应力与材料的种类有关。,钢,m=9,拉、弯应力、剪应力,m=6,接触应力,青铜,m=9,弯曲应力,m=8,接触应力,应力循环特性越大，材料的疲劳极限与持久极限越大，对零件强度越有利。,对称循环（应力循环特性,=-1,）最不利,无限寿命,零件承受的变应力低于疲劳极限,r,时，总循环次数,NN0,影响疲劳强度的因素：应力集中的影响（圆角、凹槽、缺口）；绝对尺寸大小（剖面尺寸）尺寸大疲劳强度小；表面光洁度；表面硬度；,提高材料疲劳强度的因素：,高屈服极限高和细晶粒的材料；,零件截面形状变化平缓，减小应力集中；,改善表面质量（表面喷丸，表面碾压）；,减少材料冶金缺陷,分）表面接触强度,H,；,2）,表面磨损强度,P,或,P,V,在精密机械中，经常遇到两个零件上的曲面相互接触传递压力，理论上是点接触或线接触,实际上由于接触部分的局部弹性变形而形成面接触,由于接触面积很小，使表层产生的局部应力却很大。该应力称为接触应力。,在表面接触应力作用下的零件强度称为接触强度,计算依据：弹性力学的赫兹公式,1,）表面接触强度（应力）,(1),两圆柱体接触,.,零件的表面强度,H,最大接触应力；,F,接触线单位长度上的应力，,=,b；,两圆柱体在接触处的综合曲率半径。,1/,=1/,1,1/,2,正号用于外接触，负号用于内接触。,E,1,、E,2,两圆柱体材料的弹性模量；,1,、,2,两圆柱体材料的泊松比，,当,1,=,1,=,时，,H,可简化为：,当,两钢制圆拄,在力,F,作用下相压时，最大接触应力,H,为：,(2),两球接触,综合曲率半径,说明,）圆柱体 ，球,Hmax,与,F,不呈线性关系,）同样的,p,1,、p,2,下，内接触时,较小，,Hmax,较小，约为外接触时的,48%，,重载情况下，采用内接触，有利于提高承载能力或降低接触副的尺寸,。,）圆柱体 ，球,越大，,Hmax,越小,(3),失效形式,静应力,:,表面压碎,脆性材料,表面塑性变形,塑性材料,变应力：疲劳点蚀,齿轮、滚动轴承的常见失效形式。,多数出现疲劳点蚀（局部应力大于许用强度）,在循环应力作用下接触表面产生疲劳裂纹，裂纹扩展导致表面小块金属脱落。点蚀又分：扩张性点蚀（产生于硬度大的材料）；局限性点蚀（产生于软载荷小的材料），疲劳点蚀使零件表面失去正确形状、降低工作精度、产生噪声和振动、降低零件使用寿命。,(4),提高接触疲劳强度的措施,控制最大接触应力,提高接触表面硬度,（加大）,，改善表面加工质量,增大综合曲率半径,，,降低接触应力,H；,改外接触为内接触，点接触,线接触,采用高粘度润滑油,，运动粘度,是通过,200,CM3,的油容器流过,2。8,MM,的小管所需时间与,200,C,时的蒸馏水在相同情况下时间比。,2,）表面磨损强度,磨损,零件的表面形状与尺寸在摩擦的条件下逐渐改变的过程，当磨损量超过允许值时，即失效（可以是表面间的硬质微粒或两表面相对运动产生刮削引起的）。,磨损危害：降低零件的强度、增大接触面间的摩擦、降低传动效率和零件工作精度；但磨损也有好处如机器跑合、研磨等。,磨损过程（零件从开始到失效的过程）分三个阶段：,跑合阶段 稳定磨损阶段 崩溃磨损阶段,减小磨损的基本方法：,（,1,）良好润滑，减小或使表面不直接接触,（,2,）定期清洗或更换润滑剂；,（,3,）采用密封；,（,4,）合理选用摩擦表面材料；,为减小贵重零件的过早磨损，常把另一零件的表面采用减磨材料制造。常用材料有巴氏合金、青铜、某些铸铁和塑料。,抗磨损强度计算：,影响磨损因数很多，如载荷的性质大小、相对运动速 度、润滑和冷却等，所以很难用理论公式计算。实践中采用如下方法判断：,P P