机械设计技术基础.ppt

第一章机械设计基础概述,1-1 机械设计基础研究的对象和内容1-2 机械设计的基本要求和一般过程1-3 机械零件的工作能力和计算准则1-4 机械零件的疲劳强度和接触强度1-5 机械零件的常用材料及其选择1-6 机械零件的结构工艺性1-7 机械设计中的标准1-8 机械设计中的载荷,1机械零件常用材料、结构及强度 主要介绍机械零件常用材料及其选用原则，零件受力及变形的基本形式及其强度计算。2常用传动机构设计 研究构件组成机构的原理以及各构件间具有确定运动的条件。对常用机构的运动和工作特点进行分析，并根据一定的运动要求和工作条件来设计机构。3通用机械零件设计 包括：通用零件广泛用于各种机械，专用零件只用在某些机械中。4有关机械总体设计中的一些问题 例如：机械的平衡和调速。概括为：学习常用机构和通用零件的原理与设计方法。,机械设计基础研究的对象和内容,一、机械设计的基本要求 1使用要求 机械应在规定的寿命期限内能正常完成预期的使用功能。2经济要求 在设计、制造和使用的全过程中都有低的成本。3社会要求操作要方便，使操作者感到安全舒适。,机械设计的基本要求和一般过程,二、机械设计的一般过程 1.设计计划根据市场需要，或受用户委托，或由上级下达，提出设计任务。进行可行性研究，重大的问题应召开有各方面专家参加的评审论证会。编制设计任务书。,2.方案设计 根据设计任务书，通过调查研究和必要的试验分析，提出若干可行方案。经过分析对比、评价、决策，确定最佳方案。提出最佳方案的原理图和机构运动简图。3.技术设计 绘制总装配图和部件装配图。绘制零件工作图。绘制电路系统图、润滑系统图等。编制各种技术文件。4.试制试验 提出整个设备的标注齐全的全套图纸。提出设计计算说明书、使用维护说明书、外购件明细表等。5.投产以后 通过试制、试验发现问题，加以改进。,机械设计的基本要求和一般过程,机械零件的工作能力和计算准则,二、机械零件的计算准则 计算准则是指为了保证机械零件能满足性能要求，所必须在设计阶段作的分析计算工作。因此，在设计零件时，一般应先分析该零件在工作中可能出现的失效形式。然后，根据这一失效形式的发生机理，确定相应的分析计算方法。通过相应的分析计算，找出防止失效发生的措施。这一过程有时需要我们根据具体情况制定具体的设计计划；有时则已经形成明确的规范要求（即计算准则、或设计准则）。具体的设计准则可有:,强度准则防止断裂,刚度准则防止过大的弹性变形(y y),寿命准则保证足够的疲劳寿命、耐磨寿命、耐腐蚀寿命(LL),可靠性准则保证上述各类准则的满足有较大的可靠度(RR),绿色保护准则不对环境产生不利的影响。,三、材料的静强度特性,机械零件的工作能力3,s应力，单位：MPa；e应变，无量纲；,sp弹性极限；,ss屈服极限；,sb强度极限；,应力应变线图,机械零件的工作能力和计算准则,机械零件的主要失效形式1,四、机械零件的失效形式机械零件的失效是指：丧失工作能力或达不到工作性能要求的现象。,（一）整体断裂,整体断裂是指零件在载荷作用下，其载荷值超过了零件能承受的极限而导致的结构断裂。,齿轮轮齿断裂,轴承内圈断裂,机械零件的工作能力和计算准则,机械零件的主要失效形式2,机械零件的主要失效形式,（二）过大的残余变形,当作用于零件上的载荷超过了材料的某一极限（屈服极限）时，零件将产生塑性变形。,齿轮齿面塑形变形,轴承外圈塑性变形,机械零件的主要失效形式3,机械零件的主要失效形式,（三）零件的表面破坏,零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。,齿面接触疲劳,轴瓦磨损,机械零件的主要失效形式4,机械零件的主要失效形式,（四）破坏正常工作条件引起的失效,有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：,液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔才能正常工作。,零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很多因素有关。,有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起。,材料疲劳特性,机械零件的疲劳强度和接触强度,一、变应力的描述,描述规律性的交变应力可有5个参数，但其中只有两个参数是独立的。,疲劳曲线,机械零件的疲劳大多发生在sN曲线的CD段，可用下式描述：,D点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区其方程为：,由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数N0(称为循环基数)，对应的疲劳极限为r，于是有：,有限寿命区间内循环次数N与疲劳极限srN的关系为：,式中，sr、N0及m的值由材料试验确定。,二、sN疲劳曲线,sN疲劳曲线,机械零件的疲劳强度和接触强度,机机械零件的接触强度,三、接触强度问题 当两零件以点、线相接触时，其接触的局部会引起较大的应力。这局部的应力称为接触应力。,式中1和2 分别为两零件初始接触线处的曲率半径,其中正号用于外接触，负号用于内接触。,对于线接触的情况，其接触应力可用赫兹应力公式计算。,接触强度的条件为：,机械零件的疲劳强度和接触强度,常用材料,机械零件的常用材料及选择,金属材料,非金属材料,黑色金属,有色金属,:工程塑料、橡胶、陶瓷、复合材料.,铁：含碳量高于2%，韧性差（脆），不适于锻、焊 有：灰铸铁、球墨铸铁 如：HT150 QT600,钢：含碳量低于2%，强度高、韧性好、用途广 有：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢 如：（20）（45）（60）（1Cr18Ni9Ti）,铝、铜.,热处理,机械零件的常用材料及选择,材料的热处理,关于选材原则1 使用方面的要求,1）零件所受载荷的大小和性质，以及应力状态（大小、性质、分布 情况等）。,2）零件的工作条件。例如，温度、工作介质、摩擦磨损。,3）零件的尺寸及重量。,4）零件的重要程度。,5）其它特殊要求，如导电性，抗磁性。,2 工艺方面的要求,3 经济方面的要求,以上要求应分清主次，综合考虑。,选用材料的基本原则,机械零件的常用材料及选择,机械零件的结构工艺性,结构设计：确定零件的形状，尺寸和制造精度。,良好的工艺性：制造成本低，便于维修和更换。,1 要便于零件毛坯的制造（表）,2 要便于零件的机械加工（表）,3 要便于零件的装卸和可靠定位（表）,结构工艺性,机械零件的工作能力1,一、机械零件的工作能力机械零件的工作能力是指在一定的运动、载荷和环境情况下，在预定的使用期限内，不发生失效的安全工作限度。衡量机械零件的工作能力可以有耐磨性、振动稳定性、抗腐蚀性、抗高温性、工作寿命和可靠性等多方面的要求，但强度和刚度是机械零件工作能力的基本要求。强度：零件在外载荷的作用下，抵抗断裂破坏或过大塑性变形的能力；刚度：零件在外载荷的作用下，抵抗过大弹性变形的能力；通常用应力的大小判断机械零件是否满足强度要求，用弹性变形的大小判断机械零件是否满足刚度要求。,机械零件的工作能力和计算准则,机械设计中的标准化,零件标准化：,结构，尺寸，精度，常用零部件。,标准特点：,先进性，规范性，实用性。,标准等级：,国家标准（GB），行业标准（JB、YB、HB），,国际标准(ISO)。,标准分类：,强制性国家标准，GB-,如液化石油气钢瓶GB5842-1986,推荐性国家标准，GB/T-,机械设计中的标准化,强制性标准与安全性有关 推荐性标准与经济性有关 参考性标准与方便有关,载荷1,若仔细分析，可以发现我们通常说的机械所承受的载荷可以有很多含义。,机械设计中的载荷,首先有名义载荷（Fn）（也称为额定载荷），这是通常与机器的原动机相关的载荷，一般经理论力学分析确定的载荷；,机器在实际工作时受到一个实际载荷（Fr），这一载荷取决于机器的负载（工作阻力），通常是连续的随机变量；,由于实际载荷是变化着的，因此存在一个最大载荷（Fmax），最大载荷通常大于名义载荷。,那么，在进行设计时应用哪一个载荷来计算呢？（Fn、Fmax？）,载荷2,在机械设计中，通常运用计算载荷(Fca)进行设计计算。计算载荷并不是实际的载荷，只是人们在设计中为了综合考虑各种因素载荷的影响而人为根据设计经验确定的一个载荷，通常认为：Fca=KFn 系数K称为载荷系数或工作情况系数（KA)一般K1具体取值与具体零件、具体工况有关。,机械设计中的载荷,结构工艺性毛坯,结构工艺性毛坯,结构工艺性机械加工,结构工艺性装配,普通碳素结构钢,普通碳素结构钢,优质碳素结构钢,优质碳素结构钢,合金结构钢,合金结构钢,铸造碳钢,铸造碳钢,灰铸铁,灰铸铁,铜合金,铜合金,铝合金,铝合金,工程塑料,工程塑料,陶 瓷 轴 承,陶瓷轴承,