《机械设计概论》PPT课件.ppt

机械设计概论,01 机械的组成,02 本课程的性质和任务,03 机械设计的基本要求和一般程序,04 机械零件的工作能力和计算准则,05 机械设计中常用材料的选择原则,06 许用应力和安全系数,机械设计概论,01 机械的组成02 本课程的性质和任务03 机械设计的基本要求和一般程序04 机械零件的工作能力和计算准则05 机械设计中常用材料的选择原则06 许用应力和安全系数,顾名思义，本课程研究对象为：机械,机械,机器,斜面,任何机械都经历了：简单复杂的发展过程。,机械人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物的组合体。,机构,（包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯电脑控制）。一般而言，机械是机器和机构的总称,杠杆,起重轱辘,滑轮组,手动(电动)葫芦,现代起重机,起重机的发展历程：,01 机械的组成,机器根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合 体。,机构能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件 实物的组合体。如：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等。种类有限,如:缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用机器、起重机等。,机器的种类繁多，结构、性能和用途等各不相同，但具有相同的基本特征。,典型机器的分析：,1.内燃机,内燃机,组成：,汽缸体1、,活塞2、,进气阀3、,排气阀4、,连杆5、,曲轴6、,凸轮7、,顶杆8、,齿轮9、10,工作原理：,1.活塞下行，进气阀开启，混合气体 进入汽缸；,2.活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩，在顶部点火燃烧；,3.高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭；,4.活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。,循环运动的结果，使曲轴输出连续的旋转运动,设计：潘存云,进气,压缩,爆炸,排气,内燃机的工作过程：,活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的连续转动，该组合体称为：,内燃机各部分的作用：,曲柄滑块机构,凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；称为：,凸轮机构,两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动作，称为：,齿轮机构,各部分协调动作的结果：,机器的共有特征：,人造的实物组合体；,各部分有确定的相对运动；,代替或减轻人类劳动完成有用功或实现能量 的转换 机器的作用,机器的分类：,原动机实现能量转换（如内燃机、蒸汽机、电动机）种类有限,工作机完成有用功（如机床等）种类繁多,工作机的组成：,原动部分是工作机动力的来源，最常见的是电动机 和内燃机。,工作部分完成预定的动作，位于传动路线的终点。,传动部分联接原动机和工作部分的中间部分。,控制部分保证机器的启动、停止和正常协调动作。其关系如下,原动机,传动,工作,控制,控制器(控制),电动机(原动),带(传动),减速器(传动),波轮(工作),分析自动洗衣机的组成：,潘存云教授研制,同理，通过对典型机构进行分析可知：,机构的共有特征：,人造的实物组合体；,各部分有确定的相对运动；,用来传递力或实现运动的转换。,机构的分类：通用机构和专用机构。,通用机构-用途广泛，如齿轮机构、连杆机构等。,专用机构-只能用于特定场合，如钟表的擒纵机构。,机器与机构的关系：由两个实例推广到一般,任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组合而成的。实际机器的种类有成千上万种，但机构的种类确有限。类似关系：化合物与化学元素,由机器与机构的共有特征可知：机器与机构在结构和运动方面并无区别（仅作用不同），故统称为机械。人造的组合体、有确定的相对运动,课程性质：技术基础课,作用：承前启后,本课程的特点：是工程制图、工程材料及机械制造基础、理论力学，材料力学、金工实习等理论知识和实践技能的综合运用。,同时，通过本课程的学习，可为今后学习诸如机床夹具设计、机床、机械制造工艺学等专业课程打下基础。,作为一名工程技术人员，同学们在今后的工作岗位上将会接触各种各样的通用或专用机械，因此必须掌握机械方面的基础知识。,通过本课程的学习和课程设计实践，可以培养同学们初步具备运用手册设计简单机械设备的能力，为今后操作、维护、管理、革新机械设备创造条件。,02 本课程的性质和任务,机械设计-规划和设计实现预期功能的新机械或改 进原有机械的性能。,基本要求：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和造型美观。,机械设计的内容：,1.确定机械的工作原理，选择合宜的机构；,2.拟定设计方案；,3.进行运动分析和动力分析，计算各构件上的载荷；,4.进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。,03 机械设计的基本要求和一般程序,为了实现我国的国防现代化，必然要有大量的机械化、自动化的武器装备于部队，这些武器从何来？恐怕大多数只能靠我国自力更生解决，这是一项十分艰巨的任务，设计、制造、使用、维护现代化的武器装备，需要大批的机械方面专业人才。在座的各位都是未来的工程师和部队的主要技术骨干，掌握好本课程的有关知识，将为你们未来的工作打下一个良好的基础。最后希望我们共同努力，把这门课程教好学好。,3）仔细观察实物和模型，欢迎到实验室参观，并动手 组装各种机构。,课程安排：共64学时，其中讲授58学时，实验6学时。,要求：1）作业必须按时完成，绘图准确，字迹工整，作业 量未达到规定者不能参加考试。,2）上课认真听讲，及时消化，不主张占用较多的课 外时间。,04 机械零件的工作能力和计算准则,机械设计应满足的要求：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修简单和造型美观等。,机械零件的失效：机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。,工作能力-在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：,承载能力。,零件的失效形式:,断裂或塑性变形;,过大的弹性变形;,工作表面的过度磨损或损伤;,发生强烈的振动；联接的松弛;,摩擦传动的打滑等。,如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为,对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件,强度准则：计算应力许用应力；,机械零件设计的步骤：1)拟定零件的计算简图;,5)绘制工作图并标注必要的技术条件。,防止失效的判定条件是：计算量许用量,-工作能力计算准则。,2)确定作用在零件上的载荷;,3)选择合适的材料;,4)根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定 条件，确定零件的形状;注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标谁、规格加以圆整,失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 原因。,刚度准则：变形量许用变形量；,05 机械设计中常用材料的选择原则,机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等。,一、金属材料,1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。,2.钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。,铸铁,常用金属材料,钢,铜合金,-含碳量2%,-含碳量 2%,铁碳合金,特点：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。,应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。,选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。,特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。,零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。,应用：应用范围极其广泛。,价格便宜且供应充分,我国资源丰富,3.铜合金,-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍,特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。,零件毛坯获取方法：辗压、铸造。,应用：应用范围广泛。,种类,青铜,黄铜,轴承合金（巴氏合金）,-含锡青铜、不含锡青铜,二、非金属材料,1.橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。,2.塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。,3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。,选材因素：,设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。,用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。,零件材料,各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。,为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。,载荷系数K-考虑各种附加载荷因素的影响。,名义载荷-在理想的平稳工作条件下作用在零件上 的载荷。,06 许用应力和安全系数,计算载荷-载荷系数与名义载荷的乘积。,计算应力-按名义载荷计算所得之应力：,名义应力-按名义载荷计算所得之应力。,强度判 定条件：,、,=、-许用应力,S-安全系数,lim、lim-极限应力，由实验方法测定。,然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入,一、载荷和应力,应力的种类,脉动循环变应力,r=0,静应力:=常数,变应力:随时间变化,平均应力:,应力幅:,循环变应力,变应力的循环特性:,对称循环变应力,r=-1,-脉动循环变应力,-对称循环变应力,-静应力,min,r=+1,静应力是变应力的特例,二、静应力下的许用应力,静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形,塑性材料，取屈服极限S 作为极限应力,许用应力为：,脆性材料：取强度极限B 作为极限应力,许用应力为：,三、变应力下的许用应力,变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂具有以下特征：,1)疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限 低，甚至比屈服极限低;,2)疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;,3)疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时，就突然断裂。疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂。所以疲劳断裂是与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂。,不管脆性材料或塑性材料，,1、疲劳曲线,由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试验表明，当 NN0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循环时试件将不会断裂。,应力与应力循环次数N 之间的关系曲线称为：疲劳曲线,当NN0 时,试件将不会断裂。,N0-循环基数,N0 对应的应力称为：,当NN0 时,有近似公式：,对应于N 的弯曲疲劳极限：,疲劳极限,用-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。,2、许用应力,在变应力，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸和表面状态等影晌，为此引人应力集中系数k、尺寸系数和表面状态系数等。,当应力是对称循环变化时，许用应力为：,当应力是脉动循环变化时，许用应力为：,0 为材料的脉动循环疲劳极限，S为安全系数。以上各系数均可机械设计手册中查得。以上所述为“无限寿命”，,有限寿命时，用-1N代入得：,四、安全系数 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响,1）静应力下，塑性材料的零件：S=1.2.5 铸钢件：S=1.5,S,典型机械的 S 可通过查表求得。无表可查时，按以下原则取：,零件尺寸大，结构笨重。,S,可能不安全。,）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：S=34,3）变应力下，S=1.31.7材料不均匀，或计算不准时取：S=1.72.5,