机械设计基础知识课件

*,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,一、机械设计基础知识,一、,机器、机构及其结构组成,机械,是各类,机器,的通称。,机器,的种类繁多、外形万变、用途各异。但从机器的结构组成、机械运动的特点进行分析，这些不同的机器都是由能产生相对运动的单元体的组合而成，这些单元体称为,构件,。具有特定结构形状和运动特征的构件组合称为,机构,。,机器是由各种机构组成的。一部机器可能由多种机构组成，如,内燃机,就是由曲柄滑块机构、齿轮机构和凸轮机构、带传动机构等组合而成；也可能仅由一个最简单的机构组成，如电动机就是只包含一个由定子和转子所组成的双杆回转机构。,悍马轿车,国产,J10,美国,F117,“,勇气号,”,火星探测器,美国小鹰号航母,内燃机机构简图,从上述例子以及对其他不同机器的分析可以得到机器的共同特征：,（,1,）它们都是人们根据某种使用要求而设计创造的一种装置。,（,2,）它们必须执行确定的机械运动。,（,3,）用于完成包括机械力、运动和能量转换等动力学任务。,相对于机器而言，机构主要反映机器的机械运动传递和运动形式转换的特征。,零件,构件,机构,机器,组成,组成,组成,机械,作为一部完整的机器，仅具有上述的机械部分是不够的，它不能完成预期的工作。从功能和系统的角度来看，机器一般主要由五部分组成，如图所示。,1.,动力系统,动力系统包括动力机及其配套装置；它的功能是向机器提供运动和动力，是机械系统的动力源。如图电动机。另外还有内燃机、液压马达、气马达、液压缸、气缸及电磁驱动等。,2.,执行系统,执行系统包括执行机构和执行构件，它的功能是驱动执行构件按给定的运动规律运动，实现预期的工作。执行系统一般处于机械系统的末端，执行构件直接与工作对象接触。执行系统可以只包含一个执行机构和多个执行构件。,执行系统也可以由几个执行机构组成，如图中的自动曲柄冲压机，其执行机构除曲柄滑块机构外，还有由气缸及推料头组成的送料机构，它们配合完成冲压,-,送料工作。,3.,传动系统,传动系统是把动力系统的运动和力传递给执行系统的中间装置。,4.,操纵系统和控制系统,操纵系统,:,多指通过人工操作以实现上述要求的装置。如图中的离合器是通过由连杆等构件组成的踏板机构控制其离合，实现传动的接入和分离。另外还有起动、制动器、变速、换向等装置。,控制系统,:,是指通过人工操作或测量元件获得的控制信号，经由控制器，使控制对象改变其工作参数或运行状态而实现上述要求的装置。如图中的电磁铁，电控换向阀和电控箱等组成了控制系统，协调冲压、送料等动作配合，实现自动化操作。,5.,框架支撑系统及其他的辅助系统,框架支撑系统,：包括基础件（如床身、底座、立柱等）和支撑构件（如支架、箱体等）。它用于安装和支承动力系统、传动系统和操作系统等。,机器各部分的位置精度、运动精度及机器的承载能力等主要依靠框架支撑系统来保证，该系统是机械系统中必不可少的部分。,此外，根据机械系统的功能要求，还有一些,辅助系统,，如润滑、冷却、显示、照明等。,二、课程的内容、性质、特点及学习方法提示,1,、内容：是研究普遍工作条件下一般尺寸、一般参数的通用零件的设计计算问题。一般尺寸（不是太大，太小）重型机的一个地脚螺栓,180,公斤，矿山卷扬机齿轮直径,10 m,，而有些仪器仪表的重量以克表示，这些均不是研究范围。,通过本课程学习后，学生能达到如下要求：,（,1,）掌握通用机械的设计原理，方法，具有设计一般机械的能力。,（,2,）具有应用标准，规范，手册，图册及查阅有关技术资料的能力。,（,3,）掌握典型机械零件的设计方法。,（,4,）对机械设计新方法有所了解。,2,、本课程的性质,本课程的性质是以一般通用零件的设计为核心的设计性课程，从承载能力出发，考虑零件的材料、结构、强度及工艺性。,从传统意义及时间安排上是一门技术基础课。从教学要求上是一门重中之重的考试课。,3,、本课程特点,（,1,）工程设计性,（,2,）综合性 要用到以前学过的几乎所有课程知识。,（,3,）实践性,4,、学习方法提示,（,1,）、少问为什么，多问怎么样。,（,2,）、注意使用设计手册，设计资料，机械设计离不开手册，标准及各种经验资料，尽可能地查阅这些资料是机械零件课的任务之一，尽可能地多阅读各种类型结构。,（,3,）、记好笔记，及时完成作业。,机械零件被同学称为“机械零碎”，因为其内容多、而杂，各部分内容之间又缺少联系，若不及时归纳，很易忘记。考试现复习，现抓不行。及时独立完成作业，有助于复习巩固，本课程特点一听就懂，一做题没门，通过做作业，及时复习所学的内容。可以帮你解决。,三、设计机器的一般程序,1,、调查决策阶段本阶段包括：,（,1,）任务的提出,（,2,）分析对新设计机器的需要,（,3,）最后写成任务书的形式,2,、设计阶段。,（,1,）功能设计研究,（,2,）新产品的技术设计 包括机器的运动学设计，动力学计算，零部件的工作能力计算部分或整机的装配因设计，零件草图的设计及主要零件的校核。最后绘制零件的工作图。然后根据那些零件的工作图，重新绘制其总装图。,（,3,）技术文件的编制阶段,技术文件应包括：设计计算说明书、使用说明书、明细表及验收质量标准等文件。,实际当中很可能就不那么理想，有可能边干边改一干好几年,3,、样机的试制评定阶段,4,、生产、销售服务阶段 一部机器的质量关键取决于设计质量，设计阶段是决定机器好坏的关键。,机械设计的一般过程,四、机器应满足的基本要求,1,、具有预定使用功能的要求,2,、经济性要求,(1),用先进的设计方法手段，达到尽可能精的结果，加快设计进程。,(2),大限度地标准化、系列化、通用化产品。,(3),尽可能采用新技术、新工艺和新材料。,(4),力求改善零件的工艺性，合理组织生产过程。,3,、劳动保护要求,(1),要使机器的操作者安全方便和安全。,(2),改善操作者机器的环境,4,、可靠性要求,5,、其它要求,对于不同的机器，还有一些特定的要求，如对机床，有长期保持精度的要求，对飞机，有质量小，飞机阻力小的要求。,五、机械零件的主要失效形式及计算准则,所谓失效是指机械零件丧失工作能力或不能按设计要求进行工作。,1.,机械零件的主要失效形式,整体断裂,齿轮轮齿断裂实例,如：,螺栓的断裂,齿轮齿面塑形变形,轴承外圈塑性变形,过大的残余变形,齿轮齿面接触疲劳点蚀,滚动轴承滚道的疲劳点蚀,滚动轴承外圈滚道的磨损,轴瓦的磨损,零件的表面破坏,破坏正常工作条件而失效,例如：,V,带传动当传递的有效圆周力大于摩擦力的极限值时将发生,打滑失效,；,高速转动的零件当其转速与系统的固有频率相一致时会发生共振，以致引起,断裂失效,；,液体润滑的滑动轴承当润滑油膜被破坏时将发生,胶合失效,等。,2.,设计机械零件时应满足的计算准则,所谓计算准则：就是为了防止某种失效形式的出现，设计零件时所必须遵循的要求。,针对具体的零件，要根据其主要的失效形式，采用相应的计算准则。主要计算准则有：,强度准则,强度是指零件抵抗破坏的能力。破坏是指整体断裂、表面接触疲劳、塑性变形等。强度不足，零件根本无法工作，因此是最基本的计算准则。,强度准则的一般表达式为：,刚度准则,刚度是指零件抵抗弹性变形的能力。零件在载荷作用下产生弹性变形量,y,（它广义地代表任何形式的弹性变形量），小于或等于机器工作性能所允许的极限值,y,（即许用变形量），就叫做满足刚度要求或符合了刚度计算准则。其表达式为：,yy,寿命准则,影响零件寿命的主要因素有疲劳、磨损和腐蚀。疲劳、磨损和腐蚀从它们产生的机理到发展规律完全不同，因而属于三个不同的范畴。疲劳寿命的计算，通常是求出使用寿命时的疲劳极限来作为计算依据。迄今为止，还没有提出实用有效的腐蚀寿命的计算方法，因而也无法列出腐蚀的计算准则。可能产生磨损的原因很多，影响因素也很多，并且其产生的机理还没有完全搞清楚，因而还没有能够进行定量计算的方法。,振动稳定性准则,机器中许多运动的零件（齿轮、轴）都是振动源，如果激振频率,fp,接近共振频率,f,时，易发生共振，致使机器或零件发生失效。所谓振动稳定性准则，就是设计时使机械零件的激振频率,fp,远离其共振频率,f,。,fp,0.87f,或,fp,1.18f,若不能满足上述条件，则必须采取措施减振。主要措施有：提高系统刚度；提高零件制造精度；增加阻尼系统；采取减振隔离措施；对回转件进行动平衡试验等。,耐磨性准则,磨损将改变零件的形状及尺寸。因此，在满足设计要求的前提下，应力求提高零件的耐磨性或尽量降低磨损。对于磨损，目前还没有理论计算公式，通常是采取条件性限制。,限制压强不超过许用值，以防止压强过大，使零件工作表面油膜破坏而产生过快磨损，其验算式为：,P p (,MPa,),对相对滑动速度较大的摩擦表面，还要控制摩擦表面的温度，以防止润滑油出现解析现象从而导致磨损加剧。因此，要限制单位接触面上单位时间产生的摩擦力不要过大，当摩擦系数,f,为,常数时，则可验算,pv,值不超过许用值，即：,pvpv,(,MPa,m/s,),六、机械零件的材料及制造工艺性,1.,机械零件,材料,的选择原则,制造机械零件的材料是多种多样的，主要有钢、铸铁、铜合金、非金属材料及复合材料等。正确选择材料是设计中一个非常重要的环节。各种通用零件的常用材料及其牌号将在以后各章节中详细介绍。下面仅就材料的选择原则，加以介绍：,使用要求,满足使用要求是选择零件材料的最基本原则。使用要求一般是指零件的工作状况、受载情况、零件的重要性及对零件尺寸和重量的限制等。,：铝,(,LY12,),、,铜,(,ZCuSn10P1,),黑色金属,有色金属,铁,钢,高分子材料,复合材料,:,陶 瓷,:,金属材料,非金属材料,：塑料、橡胶、合成纤维,：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢,(,如：,08F,45,60,1Cr18Ni9,）,：灰铸铁、球墨铸铁,(,如：,TH300 QT500-5,),强如钢、轻如铝、硬如金刚石,强度高、弹性模量大、质量轻,机械零件的常用材料,工艺要求,结构复杂、尺寸较大的零件宜采用铸造毛坯或选择焊接而成。对于结构简单的零件，视其批量大小可采用模锻或自由锻制取毛坯。,经济性要求,经济性首先表现在材料的相对价格，当用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不要选择价格高的材料。这对于大批量生产的零件，尤为重要。但选材时不能只着眼于相对价格，还要考虑零件的加工费用。,2.,机械零件的制造工艺性,在一定的生产规模和生产条件下，花费劳动量最小、加工费用最少的零件，就认为具有良好的工艺性。,造型简单合理,合理选择毛坯的种类,铸造的工艺性,焊接工艺性,热处理工艺性,切削加工工艺性,结构装配工艺性,机器由零件组装而成，而且机器工作一段时间后，需拆开检修，因此零件间必须具有良好的装配工艺性。有关结构装配工艺性如书图所示。,七、机械零件设计的步骤,由于零件的种类不同，其具体的设计步骤也不一样，但一般都可按下列步骤进行：,1.,选择零件的类型：根据使用条件及工作载荷的性质，选择零件的类型。因此，设计者必须了解各种常用机械零件的类型、特点及适用范围。,2.,确定零件上的载荷：根据动力机及工作机的实际工作情况，考虑到各种影响载荷作用的因素，确定出作用在零件上的计算载荷。,3.,选择零件材料：根据零件的工作条件及对零件的特殊要求（在高温或腐蚀介质中工作等），选择合适的材料。,4.,确定计算准则：根据零件可能出现的失效形式，确定应采用的计算准则。,5.,理论设计：根据计算准则所得到的设计计算公式，确定出零件的主要几何尺寸和参数。,6.,结构设计：根据功能的要求，加工及结构工艺性、刚度要求等进行零件的结构设计，确定出零件的结构尺寸。,7.,精确校核：结构设计完成后，对有些重要零件（如轴）应进行详细的校核计算，以判定结构设计是否合理。,8.,画出零件工作图，并写出计算说明书。绘制的零件工作图应符合制图标准，并能满足加工要求。写出的计算说明书要条理清晰、数据正确格式统一，并附有必