机械设计总论课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,特别申明：本电子教案中所有素材的版权归原创作者国防科技大学潘存云教授所有。购买方有权复制多份光盘用于本单位的教学。但不得提供给第三方。未经作者同意，也不得在公开出版物中引用其中的素材，违者应承担相应的法律责任。作者：潘存云 教授 2004年2月,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,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2章 机械设计总论,2-1 机器的组成2-2 设计机器的一般程序2-3,1,一台完整的机器组成如下：,2-1,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,一台完整的机器组成如下：2-1 机器的组成 辅助,2,原动部分,机器完成预定功能的动力源，,最常见的是,内燃机、电动机等。,执行部分,完成预定的动作，位于传动路线的末端。,传动部分,联接原动机和执行部分的中间部分。,控制部分,保证机器的启动、停止和正常协调动作。,辅助部分,包括机器的润滑、显示、照明等,，是保证,机器正常工作不可缺少的部分。,原动部分机器完成预定功能的动力源，最常见的是执行部分完成,3,2-2 设计机器的一般程序,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。,机械设计的一般步骤：,计划阶段,方案设计阶段,技术设计阶段,技术文件编制阶段,1、计划阶段,包括：需求分析、明确功能、制定设计任务书。,2-2 设计机器的一般程序机械设计是一个创造性的工作过程,4,设计任务书包括：,机器的功能分析；,经济性估算；,基本使用要求；,预计的设计周期等。,2,、,方案设计阶段,对机器的功能进行综合分析，确定功能参数，提出实现方案。,实现同一个功能，往往有多种可能的方案，,如螺纹加工：有车削、滚压、板牙加工等方法。,方案评价原则：,经济性好、技术上可行。,设计任务书包括：2、方案设计阶段对机器的功能进行综合分析，确,5,总费用,设计制造费用,使用费用,费用,复杂程度,3,、,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的外形、基本尺寸和零件工作图。,经济性-,总费用最低,。,方案设计做到：,创新与经验设计相结合。,技术设计阶段的主要过程：,1）,机器的运动学设计,确定原动机的参数,(,功率、转速等,),，计算转动构件的运动参数,(,转速、速度、加速度等,),。,总费用设计制造费用使用费用费用复杂程度3、技术设计阶段 绘制,6,2,）,构件的动力学计算,3,）,零件的工作能力设计,4,）,部件装配图及总装配图的设计-结构设计,5,）,主要零件的校核计算,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。,2）构件的动力学计算 3）零件的工作能力设计 4）部件装配图,7,4,、,技术文件编制,技术文件包括：,设计说明书,使用说明书,零件明细表,标准件汇总表,产品验收条件,技术文件,-,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。,4、技术文件编制 技术文件包括：设计说明书 使用说明,8,潘存云教授研制,潘存云教授研制,技术设计,方案设计,计划,提出任务,分析对机器的要求,确定任务要求,机器功能分析,提出可能的解决办法,组合几种可能的方案,选定方案,明确构形要求,结构化,选择材料、确定尺寸,零件设计,编制技术文件,评价,确,定结构形状与尺寸,评价,部件设计,总体设计,机器设计的一般流程,潘存云教授研制潘存云教授研制技术设计方案设计计划提出任务分析,9,2-3 对机器的主要要求,1、使用功能要求,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构、传动机构和原动机，合理地配置必要的辅助系统来实现。,在满足预期功能的前提下，要求,性能好、效率高、成本低,、,造型美观，,在预定使用期限内要,安全可靠、操作方便、维修简单。,具体要求如下：,2-3 对机器的主要要求1、使用功能要求在满足预期功能的,10,经济性要求-,从设计、制造到使用的全过程中，,设计时要全面综合考虑。,1）,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；,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。,2,）使用经济性：,生产率和工作效率,高,；,能耗,低,；,管理和维护费用,低,等。,2,、,经济性要求,经济性要求-从设计、制造到使用的全过程中，2、经济性要,11,1）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、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。,2）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。,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。,防止有毒、有害介质渗漏，对废水、废气和废液进行治理。,3,、,劳动保护要求,1）操作方便和安全 2）改善操作者及机器的环境3、劳动保护,12,在,规定的,使用,时间,内和,预定的环境,下机器能够,正常工作,。,应在工作条件和零件性能两个方面考虑。,4,、,可靠性要求,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；,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。,5,、,其它专用要求,在规定的使用时间内和预定的环境下机器能够正常工作。应在工作条,13,机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为,失效。,2-4 机械零件的主要失效形式,整体断裂，如齿轮轮齿折断；,零件的失效形式：,潘存云教授研制,过大的残余变形，如轴承塑性变形；,潘存云教授研制,推力轴承外圈,机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。2-4 机,14,破坏正常的工作条件，如螺纹联接的松弛，带传动的打滑等。,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,潘存云教授研制,齿面接触疲劳,破坏正常的工作条件，如螺纹联接的松弛，带传动的打滑等。工,15,统计结果表明：断裂仅占,4.8%,；腐蚀、磨损、疲劳破坏占,74%,-,主要失效原因。,2-5 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,应保证零件有足够的强度、刚度、寿命等。,1、强度要求,零件不发生断裂、塑性变形、过大磨损等。,2、刚度要求,零件工作时的弹性变形不能超过允许的范围。,3、寿命要求,影响零件寿命的主要因素有：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。,统计结果表明：断裂仅占4.8%；腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%,16,二、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。,1、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。,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。,2、结构简单合理,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；,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；,尽量采用标准零部件。,二、结构工艺性要求 在一定的生产条件下，零件应,17,3、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,和表面质量。,4、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,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、,粉末冶金等先进工艺。,三、经济性要求,主要是制造成本,简化零件的结构；,采用无余量、少余量的毛坯，减少加工；,3、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,18,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；,尽量采用标准件。,四、质量小的要求,零件质量小可以节约材料，减小惯性，改善机器,的动力性能。,五、可靠性要求,由于零件所受的,载荷、环境温度、零件本身物理和机械性能,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,工作条件和零件性能,两个方面使其,变化尽可能小,。,采用价格低而充足的材料代替昂贵材料；四、质量小的要求 零件,19,2-6 机械零件的设计准则,强度准则,-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。,刚度准则,-确保零件不发生过大的弹性变形。,寿命准则,-通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。,振动稳定性准则,-高速运转的机械设计应考虑。,可靠性准则,-当考虑随机因素影响时，应进行可,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设计计算方法。,2-6 机械零件的设计准则 强度准则-确保零件不发生,20,强度准则是指零件中的应力不得超过许用值。,一、强度准则,lim,-材料的极限应力,脆性材料：,lim,=,B,(,强度极限,),塑性材料：,lim,=,S,(,屈服极限,),=,lim,/S,-许用应力,S为大于1的数。,S过大，虽安全但浪费材料；,S过小，虽节省材料，但趋于危险。,二、刚度准则,零件在力作用下的弹性变形量不得超过许用值。即：,y,y,强度准则是指零件中的应力不得超过许用值。一、强度准则 l,21,三、寿命准则,影响零件使用寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲劳，前两者还没有成熟的计算方法，工程中常求出该寿命时的,疲劳极限,，作为计算的依据。,四、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错开，即要求：,0.85,f,f,p,或 1.15,f,f,p,f,零件的固有频率；,f,p,激振源的频率,五、可靠性准则,三、寿命准则 影响零件使用寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲劳,22,2-7 机械零件的设计方法,常规设计方法,是指采用一定的理论分析和计算，结合,长期的设计和生产实践中总结出,的方法、公式、图表等进行设计的方法。,机械零件的设计方法,常规设计方法,现代设计方法,理论设计,经验设计,模型实验设计,1、理论设计,根据长期设计和实践总结出来的,设计理论和实验数据,所进行的设计。,2-7 机械零件的设计方法常规设计方法是指采用一定的理论,23,以受拉杆为例，强度计算公式为：,设计计算：,A,FS/,lim,=,F/A,=,lim,/S,2,、经验设计,根据已有的设计和使用实践而归纳出的,经验公式,，或根据设计者的设计经验用,类比,的方法进行的设计。,对于,使用要求变化不大而结构形状已典,型化的零件,，是有效的设计方法，例如：箱体、机架、传动件的结构要素等。,以受拉杆为例，强度计算公式为：设计计算：A FS/,24,3、,模型实验设计,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，根据实验结果再对设计进行逐步修改，达到完善。,对于,尺寸巨大、结构又很复杂,的重要零件的设计，是一种有效的方法。,4、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、,计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。,3、模型实验设计 4、现代设计方法,25,潘存云教授研制,选择零件类型、结构,写出计算说明书,画出零件工作图,校 核 计 算,计算