精密机械设计方案的基础知识教学.ppt
第一章 精密机械设计的基础知识,第一节 概述第二节 零件的工作能力及其计算第三节 零件与机构的误差估算和精度第四节 工艺性第五节 标准化、系列化、通用化第六节 零件的设计方法及其发展,第一节 概述,功能要求可靠性要求精度要求-精密机械的一项重要技术指标经济性要求外观要求,一、设计精密机械时应满足的基本要求,开发性设计：利用新原理、新技术适应性设计：保留原理方案，只个别零、部件重新设计变参数设计：保留功能、原理方案和结构，只改变尺寸或结构布局,二、精密机械设计的一般步骤,产品设计的类型：,新产品开发设计的四个阶段：,调查决策阶段：调查研究 新产品开发计划书研究设计阶段 前期开发（试验研究）后期开发（技术设计）试制阶段 样机试制 样机试验 技术经济评价投产销售阶段 生产设计 小批试制 正式投产 销售服务,第二节 零件的工作能力及其计算,强度：零件抵抗外载荷作用的能力失效：机械及其零件丧失正常的工作能力或其功能参数降低到限定值以下。强度约束：所设计的机械零件，在正常工作条件下，不出现失效。,一、强度,（一）载荷和应力,静载荷和静应力：不随时间变化或变化缓慢变载荷和变应力：随时间作周期性变化,应力循环：应力作周期性变化时，一个周期所对应的应力变化,载荷：名义载荷：稳定和理想工作条件下计算载荷：考虑影响强度的各种因素,安全系数法,（二）零件的整体强度,整体强度：零件整体抵抗载荷作用的能力,判断方法：,许用应力法,静应力下的强度塑性材料：s s脆性材料：b b,变应力下的强度失效形式：疲劳断裂-取决于变应力大小和应力循环次数疲劳极限：当循环特性r一定时，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力,疲劳曲线：表示应力循环次数N与疲劳极限rN间关系的曲线两种类型：,N0,无限寿命区：疲劳极限为一常数,有限寿命区：,循环次数为N时的疲劳极限：,提高零件疲劳强度的措施,应用屈服强度高和细晶粒组织的材料零件截面形状的变化应平缓，以减小应力集中改善零件的表面质量减少材料的冶金缺陷,1.表面接触强度,（三）零件的表面强度,疲劳点蚀：在循环接触变应力作用下，接触表面产生疲劳裂纹，裂纹扩展导致表层小块金属剥落。,提高表面接触强度的措施：增大接触处的综合曲率半径，以降低接触应力提高接触表面的硬度，以提高接触疲劳极限提高零件表面的加工质量，以改善接触情况采用粘度较大的润滑油，以减缓疲劳裂纹的扩展,思考：疲劳点蚀对零件有何影响？,（三）零件的表面强度,2.表面磨损强度磨损：零件的表面形状和尺寸在摩擦的条件下逐渐改变的过程。当磨损量超过许用值时，即产生失效。引起磨损的原因：硬质微粒落入两接触表面间 两接触表面在相对运动中相互刮削磨损有害方面：会降低零件强度，增大摩擦，降低效率和精度 有益方面：跑合、研磨,零件磨损的三个阶段：,尽量延长稳定磨损阶段，避免出现剧烈磨损。,减少磨损的基本方法：,充分润滑摩擦表面，使接触表面部分或全部脱离接触定期清洗或更换润滑剂采用适当的密封装置正确选用摩擦副配对材料 减摩材料:巴氏合金、青铜、铸铁、塑料用热处理、电镀、熔镀等方法提高接触表面的耐磨性合理减小摩擦表面的粗糙度以改善接触情况,3.表面强度判定准则,反映零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。用产生单位变形所需要的外力或外力矩表示。静刚度：由静载荷与变形关系确定动刚度：由变载荷与变形关系确定有些零件要求足够大的刚度：齿轮 或一定的刚度：弹性元件、减震器,二、刚度,提高刚度的有效措施,改变零件的截面形状和尺寸缩短支承点间的距离采用加强筋结构,注意：由于碳素钢和高合金结构钢两者的弹性模量相差极小，所以，零件仅有刚度要求时，应选碳素钢。,三、振动稳定性,在变载荷作用下，零件将产生机械振动若零件的固有频率与载荷的频率相同时，将发生共振，使零件丧失工作能力而失效。固有频率：取决于零件的刚度和质量弹性元件或弹性元件与其他零件组成的系统易共振。防止共振的根本办法：消除引起共振的载荷,第三节 零件与机构的误差估算和精度,零件的误差 按使用场合不同分：加工误差：加工时零件的实际尺寸或几何形状与理想值之间的差异 特性误差：零件的实际特性与给定特性之间的差异机构的误差 指实际机构运动精度与理想机构运动精度之间的偏差。用位置误差和位移误差表示,一、零件与机构的误差,理想机构：能绝对精确地实现给定运动规律的机构,位置误差：理想机构的主动件位置相同时，两者从动件的位置偏差。位移误差:当实际机构与理想机构的主动件位移相同时，两者从动件位移量的偏差。,全微分法-零件或机构特性的解析式已知时数理统计法-所有原始误差均为随即变量相对误差法-绝对误差相同时,二、误差估算的基本方法,影响零件和机构特性的三类原始误差：,设计误差（原理误差）工艺误差使用误差,第四节 工艺性,制造和装配的工时较少;需要复杂设备的数量较少;材料的消耗较少;准备生产的费用较少.,工艺性良好的结构和零件：,改善结构工艺性的原则：,整个结构能很容易地分拆成若干部件，各部件间的联系和配置应能保证易于装配、维修和检验。在结构中应尽量采用已掌握并生产过的零部件，尽量选用标准件。同一结构中尽量采用相同零件。应使零部件具有互换性，在精度要求较高的情况下，可设有调整环节，尽可能不采用选配。,合理选择零件毛坯种类 模锻件、冲压件零件形状力求简单，尽可能减少被加工表面数量，以降低加工费用。零件上的孔、槽，应尽可能选用标准刀具加工在满足工作要求的前提下，合理地确定加工精度、表面粗糙度和热处理条件等。,改善零件工艺性的原则：,第五节 标准化、系列化、通用化,“三化”的内容包括标准化、系列化和通用化。标准化：对机械零件类型、尺寸、结构要素、材料性质、检验方法、设计方法、公差配合、制图规范等定出相应的标准，供设计制造者使用。系列化：同一产品，为符合不同的使用条件，在同一基本结构或基本尺寸条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品，即产品按大小分档，进行尺寸优选，成系列发展。通用化：指同类机型的主要零部件，用统一的和减少品种数量的办法，消除其过分的多样性，最大限度地相互通用和互换。,一、“三化”的内容,二、标准化的意义,1、减轻设计工作量2、便于安排专门工厂采用先进技术和设备，大规模集中生产标准件，有利于合理使用原材料，保证产品质量和降低制造成本。3、增大互换性，便于维修和管理4、有利于增加产品品种，扩大批量，达到优质、高产、低耗等。,三、我国标准化的分类,国家标准（GB）行业标准（JB）专业标准ISO 国际标准：,第六节 零件的设计方法及其发展,一、零件的设计方法,理论设计 根据设计理论和实验数据进行设计（1）设计计算：按设计公式直接求零件的有关尺寸,经验设计 根据以往对某类零件的设计和使用经验总结出来的经验关系式，或根据设计人员的经验用类比法总结出来的数据进行的设计。,（2）校核计算：已知各部分尺寸，校核是否满足设计准则,模型实验设计 设计成小样机，通过试验手段进行特性实验，对设计进行修改,可靠性设计可靠性：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。可靠度(Rt)：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。累积失效概率(Ft)：产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率。,二、设计方法的新发展,失效分布密度,失效分布曲线：失效分布密度与时间的关系曲线常见的有正态分布、韦布尔分布、指数分布等。,零件工作应力与材料极限应力分布曲线,不可靠,机械优化设计 利用现代数学、物理、力学的成就及电子计算机技术对各种机械设计问题如方案选择、参数匹配、机构设计、结构及系统设计等寻求最佳设计的一种理论和方法。基本思想：优选一组设计变量，在满足给定的约束条件下，达到目标函数的最优值（极大或极小）,二、设计方法的新发展,计算机辅助设计（CAD)将计算机与图形显示、自动绘图机等设备结合，在人机交互作用下进行设计。,二、设计方法的新发展,
