《机械常识问》PPT课件.ppt

主讲人洪延梓2010年11月5日,机械设计基础知识,目录,1、机械设计的一般程序和基本要求,2、机械零件的主要失效形式和设计准则,3、机械零件的设计方法和设计的一般步骤,5、机械零件设计中的标准化,4、机械零件材料的选用原则,1、机械设计的一般程序和基本要求,1.1、机械设计的一般程序 一般而言，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键一环。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。因此，要求设计者特别注意经验的积累。计划阶段 方案设计阶段 技术设计阶段 技术文件编制阶段、计划阶段 包括：需求分析、明确功能、制定设计任务书。,返回目录,设计任务书,机器的功能,经济性估计,制造要求的大致估计,基本使用要求,预计的设计周期,、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。,在制定功能参数时一定要注意恰当处理需要与可能、理想与现实、长远目标与当前目标等之间的关系。,一般而言，实现同一个功能，有多种可能的方案。以螺纹制造为例：有车削、滚压、板牙加工等方法。方法不同，其执行部分的工作原理也不同,因此，存在一个方案的比较和取舍问题。,1、机械设计的一般程序和基本要求,方案评价原则：经济性、技术上可行。,经济性-总费用最低。,方案设计阶段要正确处理好借鉴与创新的关系。,同类机器的成功的先例应当借鉴，但其中的薄弱环节和不符合现有任务要求的部分应当加以改进或替换。,、技术设计阶段,绘制总装配草图、部件装配草图，由草图确定零部件的外形、基本尺寸和零件工作图。,1、机械设计的一般程序和基本要求,为了确定零件的基本尺寸，必须完成以下工作：1）机器的运动学设计 确定原动机的参数（功率、转速、线速度等）。求解构件的运动参数（转速、速度、加速度等）。2）机器的动力学设计 计算构件所受公称载荷（名义载荷）的大小和特性。3）零件的工作能力设计 由公称载荷大小和特性，根据工作能力准则作零部件的初步设计。通过计算或类比得出零件的基本尺寸。4）部件装配草图及总装配草图的设计-结构设计5）主要零件的校核计算 以结构设计尺寸为依据，对零件进行精确的受力分析和工作能力校核计算。,1、机械设计的一般程序和基本要求,、技术文件编制,技术文件,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。,1、机械设计的一般程序和基本要求,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,决策选定方案,评估,明确构形要求,结构化,选择材料、确定尺寸,评估,决策确定结构形状与尺寸,零件设计,部件设计,总体设计,编制技术文件,流程：,计划,方案设计,技术设计,NG,NG,NG,1、机械设计的一般程序和基本要求,使用功能要求经济性要求劳动保护要求可靠性要求其它专用要求,使用功能要求-机器应具有预定的使用功能。这主要靠正确地选择机器的工作原理，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，以及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。设计机器的任务是在当前技术发展所能达到的条件下，根据生产及生活的需要提出的。不管机器的类型如何，一般来说，对机器都要提出以下的基本要求：,1.2、机械设计的基本要求,1、机械设计的一般程序和基本要求,提高使用经济性指标的主要途径有:1）合理地提高机器的机械化和自动化水平，以期提高机器的生产率；2）选用高效率的传动系统，尽可能减少传动的中间环节，以期降低能源消耗；3）适当地采用防护及润滑，以延长机器的使用寿命；4）采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象。,经济性要求-机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，设计机器时就要全面综合地进行考虑。设计制造的经济性表现为机器的成本低，使用经济性表现为高生产率，高效率，低能耗，以及低的管理和维护费用等。,提高设计和制造经济性指标的主要途径有:1）采用先进的现代设计方法(CAD)，使设计参数最优化,达到尽可能精确的计算结果,保证机器足够的可靠性；2）最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零、部件；3）尽可能采用新技术、新工艺、新结构和新材料；4）合理地组织设计和制造过程；5）力求改善零件的结构工艺性，使其用料少、易加工、易装配。,1、机械设计的一般程序和基本要求,劳动保护要求1）要使机器的操作者方便和安全。因此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。同时，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。所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水平，防止有毒、有害介质的渗漏，对废水、废气和废液进行治理。,可靠性要求机器的可靠度-指在规定的使用时间内和预定的环境下机器能够正常工作的概率。机器由于某种故障而不能完成预定的功能称为失效，它是随机发生的，其原因是零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和机械性能等因素是随机变化的。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。,1、机械设计的一般程序和基本要求,其它专用要求其它专用要求-针对不同机器所特有的要求。例如：1)对机床有长期保持精度的要求；2)对飞机有质量小，飞行阻力小而运载能力大的要求；3)对流动使用的机器有便于安装和拆卸的要求；4)对大型机器有便于运输的要求等等。,1、机械设计的一般程序和基本要求,2.1、机械零件的主要失效形式 机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。机械零件的主要失效形式有断裂、塑性变形、过大的弹性变形、表面失效、破坏正常工作条件引起的失效等。同一种零件可能有多种失效形式，在各种失效形式中，到底哪一种为主要失效形式，应根据零件的材料、具体结构和工作条件等来确定。以轴为例，对于载荷稳定的、一般用途的转轴。疲劳断裂是其主要失效形式；对于精密主轴，弹性变形量过大是其主要失效形式；而对于速转动的轴，发生共振、丧失振动稳定性则可能是其主要失效形式。,返回目录,2、机械零件的主要失效形式和计算准则,2.2、机械设计的设计计算准则 设计机械零件时，保证零件不发生失效所依据的基本原则，称为设计计算准则。概括地讲主要有以下几个准则：,强度准则 刚度准则 耐热性准则振动稳定性准则寿命准则 可靠性准则,2、机械零件的主要失效形式和计算准则,2、机械零件的主要失效形式和计算准则,、强度准则 要求机械零件的工作应力不超过许用应力。其典型的计算公式是：（3-16）lim极限应力，对受静应力的脆性材料取其强度极限，对受静应力的塑性材料取其屈服极限，对受变应力的零取其疲劳极限。S安全系数。,2、机械零件的主要失效形式和计算准则,、刚度准则 机械零件在受载荷时要发生弹性变形，刚度是受外力作用的材料、机械零件或结构抵抗变形的能力。材料的刚度由使其产生单位变形所需的外力值来量度。机械零件的刚度取决于它的弹性模量E或切变模量G、几何形状和尺寸，以及外力的作用形式等。分析机械零件的刚度是机械设计中的一项重要工作。对于一些需要严格限制变形的零件（如机翼、机床主轴等），须通过刚度分析来控制变形。我们还需要通过控制零件的刚度以防止发生振动或失稳。另外，如弹簧，须通过控制其刚度为某一合理值以确保其特定功能。刚度准则是要求零件受载荷后的弹性变形量不大于允许弹性变形量。,2、机械零件的主要失效形式和计算准则,刚度准则的表达式为：yy（317）y是弹性变形量，如挠度、纵向伸长（缩短）：y为相应的许用弹性变形量。零件的弹性变形量可由理论计算或经实验得到，许用变形量则取决于零件的用途，根据理论分析或经验确定。,2、机械零件的主要失效形式和计算准则,、耐热性准则 由于摩擦等原因，机械在运转时，机械零件和润滑剂的温度一般会升高。过高的工作温度将导致润滑效果下降，同时，还会引起零件的热变形、硬度和强度下降，甚至损坏。如在高温时，金属机械零件可能发生胶合、卡死；塑料等非金属机械零件可能发生软化，甚至熔化等，在某些场合还会引起热应力。耐热性准则一般是控制机械零件的工作温度不要超过许用值，以保证零部件正常工作，其表达式是 tt为了改善散热性能、控制温升，必要时可以采用水冷或气冷等措施。,3、机械零件的主要失效形式和计算准则,、振动稳定性准则 当激励的频率等于物体固有频率时，物体振幅最大，激励的频率与固有频率相差越大，物体的振幅越小。激励的频率接近物体的固有频率时，受迫振动的振幅会很大，这种现象叫做共振。振动稳定性指机械零件在机器运转时避免发生共振的品质。为了延长机器的寿命，为了避免轴和机器的损坏，应验算轴的振动稳定性，特别是高速机器的轴。振动稳定性准则要求机械零件的固有频率应与激励的频率错开，保证不发生共振。设机器中受激励作用的零部件的固有频率为f，激励力的频率为fp，一般要求:fp 1.15 f,2、机械零件的主要失效形式和计算准则,改变机械零件的刚度和质量可以改变其固有频率。增大机械零件的刚度和减小其质量，提高其固有频率；减小机械零件的刚度和增大其质量则降低机械零件的固有频率。有时，机器运转时为了防止共振要调节转速。轴产生共振的主要原因是：由于材料内部质量不均匀，加之制造和安装的误差，使其质心和它的旋转中心产生偏差，轴旋转时产生惯性力，这个惯性力使转子作强迫振动。轴在引起共振时的速度称为临界速度。在临界速度下，这个惯性力的频率等于或几倍于转子的固有频率，因此发生共振。,2、机械零件的主要失效形式和计算准则,、寿命准则 为了保证机器在一定寿命期限内正常工作，在设计机械零件时必然要对机械零件的寿命提出要求。需要说明，在机器寿命期限内，零件是可以更换的，也就是说某些机械零件的寿命可以比机器的寿命短。机械零件的寿命主要受材料的疲劳、磨损和腐蚀影响。为了避免发生零件疲劳引起的失效，如疲劳断裂，应根据机械零件寿命对应的疲劳极限计算疲劳强度。即根据寿命要求，结合零件转速等具体情况，计算出应力循环次数为N时的疲劳极限，再代入强度条件式，计算疲劳强度。当满足疲劳强度时，可以保证机械零件在破坏前的应力循环次数达到寿命要求。,2、机械零件的主要失效形式和计算准则,磨损一般是不可避免的。在一定条件下，腐蚀也是不可避免的，如桥梁结构件、地埋钢质管道的腐蚀等。在设计时，主要是保证机械零件在寿命内，不要发生过度的磨损和腐蚀。磨损发生的机理尚为完全被人们掌握，影响磨损的因素也比较多，一般根据摩擦学设计原理来改善摩擦副的耐磨性。主要措施有：合理选择摩擦副材料；合理选择润滑剂和添加剂；控制摩擦副的工作条件，如压强、滑动速度和温升。到目前为止，还没有实用、有效的腐蚀寿命计算方法，通常从材料选择及防腐处理方面采取措施。如选用耐腐蚀的材料，采用表面镀层、喷涂、磷化等处理。,2、机械零件的主要失效形式和计算准则,、可靠性准则 可靠性是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。产品的质量一般应包含性能指标和可靠性指标。机械产品的性能指标是指产品具有的技术指标，如机械的功率、转矩、工作力、工作速度等。如果只有性能指标，没有可靠性指标，产品的性能指标也得不到保证。例如，一台技术先进的飞机，如果可靠性不高，势必经常发生故障，影响正常飞行和增加维修费用，甚至可能造成严重的事故。产品的可靠性用可靠度R（t）来衡量。可靠度的定义是：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。可靠度是时间的函数。有一批数量为n的相同产品，在t=0开始工作，随着时间的延续，失效的件数no（t）在加大，正常工作的件数ni（t）在减少，在任意时刻t产品可靠度为,2、机械零件的主要失效形式和计算准则,若某产品工作至3000小时的可靠度R（t）=0.96，则表示有96%的产品可以正常工作到3000小时以上，对具体一件产品来讲，其工作到3000小时的概率为96%。失效率是指产品工作到t时刻，在下阶段 的单位时间内发生失效的概率，可以证明，其数学表达式为,分离变量，两边积分，得,2、机械零件的主要失效形式和计算准则,2、机械零件的主要失效形式和计算准则,零部件的失效率和时间的关系一般如图3-13所示。可以用试验的方法求得失效率曲线。失效率曲线反映产品总体寿命期失效率的情况。从失效曲线可以看出，失效大体可以分为三个阶段。,2、机械零件的主要失效形式和计算准则,第阶段为早期失效阶段，曲线为递减型。产品投入使用的早期，失效率较高而下降很快。其原因主要是设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、跑合、起动不当等人为因素所造成的。当这些由于先天不良引起的失效发生后，设备运转逐渐正常，则失效率就趋于稳定。应该尽量设法避免零件的早期失效，降低失效率和早期失效阶段的时间t0。第阶段为偶然失效阶段，其失效率缓慢增长。失效主要由非预期的过载、误操作、意外的天灾等偶然因素所造成。由于失效原因多属偶然，故称为偶然失效阶段。降低偶然失效期的失效率则能提高有效寿命，所以应注意提高产品的质量，精心使用维护。第阶段为损坏失效阶段，其失效率是递增型。在t1以后失效率明显上升。这是由于产品已经老化，疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，故称为耗损失效期。针对这一阶段失效的原因，应该注意检查、监控等，提前维修，使失效率仍不上升。,2、机械零件的主要失效形式和计算准则,、精度准则 对于高精度的机械零件、机构或设备，要求其运动误差小于许用值。例如在精密机械中，导轨的直线性误差、主轴的径向跳动误差、齿轮传动的转角误差等，必须要有一定的精度要求。可以根据机器和零件的功能要求，选用合适的公差与配合，即进行精度设计，并能正确地标注到图样上。还可以按照零件图给定的公差值，求出机构的误差，与要求的机构精度比较。,3、机械零件的设计方法和设计的一般步骤,3.1、机械零件的设计方法 目前常用的机械零件设计方法有四种。、理论设计根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计，称为理论设计。理论设计分为设计计算和校核计算两种。设计计算指由理论设计计算公式确定零件的主要参数和尺寸；校核计算是先按经验和某些简易的方法初步确定出零件的主要参数和尺寸，然后用理沦校核公式进行校核计算。设计计算多用于能通过简单的力学模型进行设计的零件；校核计算则多用于结构及应力分布较复杂，但又能进行强度计算或刚度计算的零件。,返回目录,3、机械零件的设计方法和设计的一般步骤,、经验设计根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验公式和数据，或用类比的方法所进行的设计，称为经验设计。经验设计对那些使用要求变动不大而结构形状已典型化的零件(如箱体、机架等)，是很有效的设计方法。,3、机械零件的设计方法和设计的一般步骤,、模型实验设计对于一些尺寸很大、结构复杂、工况条件特殊而又难以进行理论计算的重要零部件(如一些重型整体机械零件)，为了提高设计的可靠性，可采用模型实验设计的方法。即把初步设计的零部件或机器根据相似理论做成小模型或小尺寸样机，经过实验考核其性能，取得必要的数据，然后根据实验结果对设计进行逐步的修改，使其达到完善。这样的过程称为模型实验设计。,3、机械零件的设计方法和设计的一般步骤,、计算机辅助设计(CAD)利用电子计算机及配套设备和相应的设计计算程序，辅助设计人员进行工程和零、部件设计的过程，称为计算机辅助设计(简称 CAD)。利用计算机辅助机械设计，可以使那些从前难以想象的庞大的设计工作量，在很短的时间内完成，并能取得相当高的计算精度。,3、机械零件的设计方法和设计的一般步骤,3.2、机械零件的设计，一般要经过以下几个步骤:根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。为此，必须对各种零件的不同类型、优缺点、特性与使用范围等，有综合对比及正确选用的能力。根据机器的总体设计方案，针对零件的工作情况进行载荷分析，确定零件的计算载荷。根据零件的工作条件和零件的特殊要求，选择合适的材料。分析零件可能出现的失效形式，确定零件的设计计算准则。,3、机械零件的设计方法和设计的一般步骤,根据设计计算准则，确定出零件的主要参数和尺寸，并进行标准化或圆整。根据结构上和工艺上的要求，进行零件的结构设计；在细节设计完成后，必要时还需进行详细的校核计算，以判定结构的合理性，并在作必要地修改后绘制零件工作图。编写设计计算说明书。,4、机械零件材料的选用原则,机械零件常用的材料有：钢、铸铁、有色金属、非金属材料等。材料的选择及热处理方法是机械设计中的一个重要问题，也是一个受多方面因素制约的问题。在以后各有关章节中，将分别介绍根据经验而推荐的适用材料。以下仅介绍选择材料的一般原则，做为选择材料的依据：（1）零件所受载荷及应力的大小和性质 通常，受载大的零件应选用机械强度高的材料；在静应力作用下工作的零件可选用脆性材料；在冲击、振动及变载荷作用下工作的零件应选用塑性材料。,返回目录,4、机械零件材料的选用原则,(2)零件的工作情况 零件的工作情况是指零件所处的环境特点、工作温度和摩擦、磨损的程度等。通常，在湿热环境下工作的零件应选用防锈和耐腐蚀能力强的材料，如不锈钢、铜合金、铝合金等；当工作温度变化很大时，则既要考虑互相配合的两零件材料的线膨胀系数相差不能过大，又要考虑材料的机械性能随温度而变化的情况；当零件在工作中可能发生摩擦、摩损时，应选用适于进行表面硬化处理的材料和减摩耐磨材料。,4、机械零件材料的选用原则,(3)零件的尺寸和质量零件尺寸和质量的大小与零件材料的品种及毛坯制取方法有关。当用铸造材料制造毛坯时，一般可不受零件尺寸和质量大小的影响；而用锻造材料制造毛坯时，则需考虑锻造机械设备的生产能力，故一般用于零件尺寸和质量不大的情况；此外，为了减小零件的尺寸和质量，应尽可能选用强度高而密度小的材料。,4、机械零件材料的选用原则,(4)零件的结构及材料的加工可能性结构复杂的零件常用铸造毛坯，应选用铸造工艺性好的材料，如铸铁、铸钢等；结构较复杂的零件也可以用板材冲压出元件后再焊接而成，这时，应选用冲压和焊接工艺性都好的材料；而结构简单、强度要求高的零件可用锻造毛坯，应选用锻造工艺性奸的材料，如锻钢等。,4、机械零件材料的选用原则,(5)材料的经济性在满足使用要求的前提下，应尽可能选用价格低廉的材料；对于大量生产的零件，宜选铸造材料；对于少量或单件生产的零件，宜选用焊接材料或锻造材料。(6)材料的供应情况选择材料时，应考虑到当时当地的材料供应情况，在满足使用要求的前提下，应优先选用库存材料，或当地材料、国产材料。,5、机械零件设计中的标准化,所谓零件的标准化，就是对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、制图要求等，制定出各式各样的、大家共同遵守的标准。它的基本特征是统一、简化。标准化的意义在于：能以最先进的方法在专门化工厂中对那些用途最广的零件进行大量的、集中的制造，以提高质量，降低成本；统一了材料和零件的性能指标，使其能够进行比较，提高了零件性能的可靠性；采用了标准结构及标准零部件，可以简化设计工作，缩短设计周期，提高设计质量，同时，零件的标准化还便于互换和机器的维修。,返回目录,5、机械零件设计中的标准化,标准化是组织现代化大生产的重要手段，也是实行科学管理的重要措施之一。因此，世界上先进国家都非常重视标准化，并且成立了标准化的国际组织ISO。我国已加入了国际标准化组织(1SO)，现制订和颁布的标准已采用了相应的国际标准。从运用范围上来讲，我国现已发布的与机械零件设计有关的标准，可分为国家标准(GB)、部颁标准(如JB、YB等)和企业标准三个等级。设计机械零件时除了推荐采用的标准(如标准直径)外必须自觉执行现行规定的标准。,忠于市场，超越客户期望需求;敬业奉献，社会企业员工共赢。,返回目录,