机械原理设计课件.ppt

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1、第一章 绪论,1-1机械工业在现代化建设中的作用,1-2 机器的基本组成要素,1-3 本课程的内容、性质与任务,下次课预习的内容：第三章 强度理论 3-1，3-2，3-3,1-1机械工业在现代化建设中的作用,地位：在经济建设和现代化建设中处于主导性和决定性的作用。,机械制造工业是为国民经济各部门包括工业、农业、交通运输业、商业以及国防、科学技术各行各业提供技术装备的部门，它是各部门实现技术改造和进行现代化建设所不可缺少的重要支柱。,我国机械工业在世界排名第五,中国工业竞争力世界排名37，居中等水平；,机械工业-是各行各业技术装备的主要提供者,2004年我国机械工业总产值32711亿；,2005

2、年我国机械工业总产值在04年基础上增加18%。,机械工业产值在全国工业中的比重超过25%，,重要性:是一个国家现代化水平的主要标志；是一个国家综合国力的具体体现；,机械制造工业水平的高低，直接关系到一个国家人民生活 水平的高低；,工业现代化 农业现代化 国防现代化 教育和科技现代化,综合国力(Comprehensive National Power),是指一个主权国家赖以生存与发展所拥有的全部实力及国际影响力的合力。综合国力的内涵非常丰富，它的构成要素中既包含自然的，也包含社会的；既包含物质的，也包含精神的；既包含实力，也包含潜力以及由潜力转化为实力的机制，是一个国家的政治、经济、科技、文化、

3、教育、国防、外交、资源、民族意志、凝聚力等要素有机关联、相互作用的综合体。,火箭炮,机械制造工业的能力通常标志着一个国家生产军事装备的能力,B-2轰炸机,火箭炮,美国空军F117 隐形轰炸机,中国空军冲天飞豹FBC-1战斗轰炸机,B-52轰炸机,科索沃战争的两种轰炸机,美国陆军的“阿帕奇”直升机性能也有了长足的提高。新的“长弓”型“阿帕奇”可以同时辨别8公里外的128个目标，并能用新型雷达制导的“地狱之火”导弹锁定移动目标。据美军计算，新型“阿帕奇”与海湾战争中使用的“阿帕奇”A型相比，攻击能力提高了400%，而生存能力则提高了720%,美军阿帕奇”直升机,地狱之火导弹,第一次海湾战争美军使用

4、的 战斧式巡航导弹,它的英文原名是“Tomahawk”，意指印第安人用的轻便战斧。这种战斧的使用方式不是持握在手中对敌人砍杀，而是在远距离投出以击中敌人。巡航导弹的用处和它差不多。美国人就因此将其取名为战斧,洛杉矶攻击型核潜艇,俄军核潜艇发射洲际导弹,中国核潜艇,中国海军汉级核潜艇,俄罗斯基辅级航空母舰代表了俄罗斯重工业卓越成就,美军兰利号航空母舰,制造工业是一个国家科技水平的具体体现。,2003年10月15号神州五号载人飞船发射成功,中国太空飞行第一人杨利伟,2005年7月13号美国发现号航天飞机升空,女机长艾林柯林斯,1981年4月12日美国发射第一艘航天飞机哥伦比亚号,1961年4月12

5、号前苏联东方一号宇宙飞船环绕地球飞行108分钟，这是人类航天史上具有划时代意义的一天，宣告了人类航天时代的到来。,1968年3月27日，加加林在驾驶喷气式双座飞机进行训练时坠机身亡，,尤里加加林,东方一号宇宙飞船,要从机械工业的生产大国变为生产强国 要从进口大国变为外贸强国。,前途:有高潮低潮，但其地位不会改变，长久不衰.,机械工业十一五规划目标,21世纪中，机械生产的自动化、信息化和智能化将达到更高的水平，人将在更大程度上不直接面对机器操作，而是借遥控系统、自动化系统、专家系统和各种各样的智能机械（包括机器人）去驾御各种能量交换过程和机械加工过程。产品的生产过程将是机械、电子、光学、流体的结

6、合，一切可能的技术，物理的、化学的、生物的，都将综合应用到生产过程中来，从而要求大大拓宽机械工程教育的专业面，拓宽学生的技术基础，发展学生的学习能力。,机械行业将进一步向机光电一体化发展，向光加工、环保这样的新兴领域拓展。虽然目前机械行业境况不佳，但经过国有企业的改革，经过产业结构的调整与人力资源的配置优化，一旦跟上市场经济和信息时代的步伐，定会显示出强大的生命力,从机械行业发展来看，印刷机械、数控机床、发电设备、工程机械等重头产品前景看好。,下次课预习的内容：第三章 强度理论 3-1，3-2，3-3,21世纪，世界机械工业进入前所未有的高速发展阶段，特别是作为有“世界工厂”之称的中国机械行业

7、更是迅猛发展。中国机械行业正面临新的机遇和挑战。,由于机械行业地位的重要性和庞大规模，机械类大部专业毕业生在人才市场上仍属“热销”人才。各方面预测表明，机械类人才今后仍会有较大需求，特别是高层次技术人才将成为争夺的对象。,机械行业对高校毕业生总体需求较大，,某些门类的工程技术人员缺口较大，如机械设计制造与加工专业人才近年需求很高。,数控专业技术人员短缺。机械行业的很多企业均已进行现代生产技术系统的技术更新与改造，数控机床、加工中心等先进设备逐步替代原有的设备，具有开发能力的高级数控技术人才成为各企业争夺的目标。,机械行业技术人才需求状况,未来机械行业最缺的人才：,一 复合型管理人才，即既懂技术

8、又懂管理，能按市场经济规律 组织产品生产、把握企业方向的高级人才；,二 具有创新意识的高级技术人才；,三 既懂技术又懂营销，了解市场行情，又能改进、设计开发 产品的人才；,四 高级技工。,流向国有企业的前列专业：会计学、计算机、通信工程、建筑工程、机械设计及制造、工业自动化、电气工程及自动化、电力系统自动化、机械电子工程。,流向国家科研部门的前十名专业：建筑学、通信工程、建筑工程、机械工程、自动电子工程、计算机科学与技术、计算机应用、计算机自动化、电气工程及自动化、工业自动化。,流向三资企业的前十名专业：会计学、计算机科学与技术、机械工程自动化、通讯工程、英语、计算机应用、国际金融、电气工程、

9、市场营销、机械设计与制造。,近年来高校毕业生就业流向趋势,1-2 机器的基本组成要素,组成机器的基本元素：零件,一部机器的性能取决于它的主要零件和关键零件的综合性能,本课程讨论的对象：通用零件（一般尺寸和参数）,1-3 本课程的内容、性质与任务,本课程的培养目标：,1）具有正确设计思想的创新型人才;2）能运用设计原理、方法和一般规律设计或革新一般机械;3）运用标准、规范、手册、图册和查阅资料的能力;4）掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技能的基本训练；5）了解国际国内技术经济政策和新技术发展。,第二章 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 对机器 的主要要求,

10、2-4 机械零件的主要失效形式,2-5 设计机械零件时 应满足的基本要求,2-6 机械零件的设计准则,2-7 机械零件的设计准则,2-8 机械零件的一般设计步骤,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,2-10 现代设计方法简介,2-1 机器的组成,古代：人力、畜力,近代：蒸汽机、内燃机,现代：电动机、热力机,以汽车为例：,传动部分：离合器、变速箱、传动轴、差速器,执行部分：车轮、悬挂系统、底盘,控制系统：转向盘、转向系统、排档杆、刹车、踏板、油门,辅助系统：速度表、油量表、里程表、后视镜、车门锁 照明灯、车尾红灯等,原动部分：发动机（汽油机或柴油机）,一汽解放牌卡车

11、,2-2 设计机器的一般程序,（一）计划阶段,（二）方案设计阶段,（三）技术设计阶段,（四）技术文件编制阶段,设计质量首要因素,制造质量实现保证因素,机器的设计阶段是决定机器好坏的关键,科学的设计程序是提高设计质量必要保证,设计程序一般为：,（一）计划阶段,根据生产和生活的需要，提出新机器目标,相关产品调查,市场需求调查,生产能力和约束条件分析,形成设计任务书,上述程序见表2-1（P6）：,（二）方案设计阶段,本阶段的重要程度：对设计的成败起到关键作用,方案设计过程是在若干方案中确定最佳方案的过程,方案设计过程是充分表现创新性的过程,方案设计阶段的具体步骤为：,机器的功能分析,提出机器应达到的

12、必须要求、最低或期望要求分析比较；,分析各功能之间有无矛盾；,各功能之间是否能相互替代。,功能参数,确定方案时的工作顺序：,方案总数：,从中确定最佳方案,（三）技术设计阶段,技术设计阶段目标：,总装草图、部件装配草图,确定零、部件外形尺寸的工作内容：,1）机器的运动学设计 原动机的运动参数（功率、转速、线速 度），各运动构件的运动参数（转速、速度、加速度）；,2）动力学计算 主要零件的载荷大小和特性；,3）零件的工作能力计算 参照零件的失效形式、工作环境条件 依据强度、刚度、振动稳定性、寿命、可靠性原则进行类 比计算或理论计算最终确定零件的尺寸；,4）绘制部件装配草图、总装配草图；,5）主要零

13、件的校核,（四）技术文件编制阶段,2-3 对机器 的主要要求,（一）使用功能要求,（二）经济性要求,（三）劳动保护和环境保护要求,（四）可靠性要求,军用起重机,桥式起重机,（五）其它专用要求,（一）使用功能要求,满足使用功能要求的的几个方面：,1 正确选择机器的工作原理,2 正确设计和选用机器的原动机，传动机构，执行机构；,3 合理配置必要的辅助系统,龙门铣床,C620车床,（二）经济性要求,提高设计和制造经济性指标的途径为：,尽可能采用现代化新方法，和CAD技术；2.最大限度采用三化（标准化、系列化、通用化）零、部件；3.尽可能做到四新（新技术、新工艺、新结构、新材料）；4.合理组织设计和制

14、造过程。,制造经济性要求表现为机器的低成本,使用经济性要求表现为机器的高生产率、高效率、低能耗、低维护费用。,提高使用经济性指标的途径为：,合理提高机器的机械化、自动化水平，以提高机器的 生产率和产品质量；,2.选用高效率的传动系统，尽可能减少传动的中间环节，以提高机器的生产率和产品质量；,3.适当采用防护措施如润滑、闭式传动、表面处理（防护），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；,（三）劳动保护和环境保护要求,2.环境无毒无害，机器外形满足人的感官舒适要求（如汽车外形的流线型设计和色彩）早期福特公司汽车,（四）可靠性要求,机器可靠性的衡量可靠度,可靠度在规定的时间

15、（寿命）内和预定的环境条件下机器能够正常工作的概率。,2-4 机械零件的主要失效形式,（一）整体断裂,1.过载断裂危险截面上的应力超过零件的强度极限,2.疲劳断裂变应力长期作用的结果,常见实例：螺栓的断裂、齿轮齿根的断裂等。,2005年11月14日济宁一驳船船体突然断裂800吨煤炭沉入京杭运河,2-4 机械零件的主要失效形式,（一）整体断裂,（二）过大的残余变形,原因：作用在零件的应力超过了材料的屈服极限,齿轮的滚压塑性变形,主动轮,从 动轮,（三）零件的表面破坏,破坏形式：腐蚀、磨损、接触疲劳,腐蚀发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象 腐蚀的形式一般表现为生锈。,磨损两个接触表面在作相对

16、运动的过程中表面物质丧失或转移的现象。,接触疲劳两接触表面长期在接触 变应力作用下，表面产生裂纹、麻点（微粒剥落）现象。,2-4 机械零件的主要失效形式,（一）整体断裂,（二）过大的残余变形,（四）破坏正常工作条件引起的失效,常见实例 1.温升过高导致滑动轴承动压润滑油膜破裂而造成 滑动轴承的胶合、磨损、过热等失效；,2.所传递的有效圆周力大于皮带锁具有的极限摩擦 力而导致的皮带打滑；,3.高速轴的转速等于其自身的固有频率重合而引起 的共振现象。,2-4 机械零件的主要失效形式,（一）整体断裂,（二）过大的残余变形,（三）零件的表面破坏,1986年4月26日前苏联切尔诺贝利核电站发生大爆炸，其

17、放射云团直抵西欧，造成8000人死于辐射导致的各种疾病,1986年4月25日，切尔诺贝利核电站第4号反应堆的工作人员违反操作规程连续切断反应堆的电源，使主要冷却系统停止工作。于是堆芯温度迅速升高，造成氢气过浓，以至26日凌晨发生猛烈爆炸，爆炸引起机房起火，浓烟使人呼吸困难，放射性物质不断外溢。,切尔诺贝利核电站外观,20周年祭,1939年5月23日，美国海军s-192“角鲨”号潜艇经过大修后开始试航，由于通气管挡板没有完全关闭，造成海水涌进主机舱，27人遇难。,1942年11月4日，日本海军“吕-65”潜艇紧急下潜时，由于操作失误，导致海水涌进舱室，17人遇难。,2-5 设计机械零件时 应满足

18、的基本要求,（一）避免在预定寿命期内失效的要求,1.强度要求,2.刚度要求,3.寿命要求,影响寿命的主要因素,材料的疲劳,材料的腐蚀,相对运动零件接触表面的磨损,（二）结构工艺性要求 结构工艺性在既定（现有的）生产条件下，零件能方便、经济地生产出来，且能方便的安装成机器的特性。,2-5 设计机械零件时 应满足的基本要求,（一）避免在预定寿命期内失效的要求,下次课预习的内容：第三章 强度理论 3-1，3-2，3-3,（三）经济性要求,核心问题是要降低零件的生产成本,具体措施：,应按最小消耗原则设计零件：节省工时和人工消耗（消除多于操作动作、提高效率）；降低材料消耗：采用少余量或无余量的毛坯或简化

19、零件结构，以减少加工工时；降低材料费用：尽量采用价廉而供应充足的材料代替贵重材料，对大型零件采用组合结构代替整体结构。尽量采用标准化的零部件,2-5 设计机械零件时 应满足的基本要求,（一）避免在预定寿命期内失效的要求,（二）结构工艺性要求,（四）质量小的要求,（五）可靠性要求,2-5 设计机械零件时 应满足的基本要求,（一）避免在预定寿命期内失效的要求,（二）结构工艺性要求,（三）经济性要求,2-6 机械零件的设计准则,（一）强度准则,（二）刚度准则,弹性变形量,强度准则是指零件中的应力不准超过允许的限度。,强度准则代表性表达式为,刚度准则是指零件在载荷作用下产生的弹性变形量y小于或等于及其

20、工作性能所允许的极限值 y。,刚度准则代表性表达式为,（一）强度准则,2-6 机械零件的设计准则,（二）刚度准则,（三）寿命准则,影响寿命的主要三因素：腐蚀、磨损、疲劳,目前，仅有疲劳寿命的计算较为成熟,（一）强度准则,2-6 机械零件的设计准则,（二）刚度准则,（三）寿命准则,（四）振动稳定性准则,共振发生的原因：零件本身的固有频率与激振源频率重合 或呈整数倍关系时，零件会发生共振。,满足振动稳定性准则的条件为：使零件的固有频率与激振 源的频率错开。即：,（一）强度准则,2-6 机械零件的设计准则,（二）刚度准则,（三）寿命准则,（四）振动稳定性准则,（五）可靠性准则,可靠性指：一大批N0个

21、零件在一定条件下工作了t 时间后，仍有 N 件能正常工作，则该批零件在该条件下、t 时间的可靠度为：,随着时间不断延长，N 将不断减少，R，R 是时间的函数,可靠度：,失效率：在dt时间间隔（）内，失效零件数为dN 则失效率为:,浴盆曲线失效率 与时间t 的关系曲线,第段：早期失效阶段,第段：正常使用阶段,第段：损坏阶段,2-7 机械零件的设计方法,（一）理论设计,1.校核计算,1）一般校核计算,2.设计计算,2）精确校核计算,A,2-7 机械零件的设计方法,（一）理论设计,（二）经验设计,根据已有零件的设计和使用经验，用类比的方法（参照同类产品设计）所进行的设计叫做经验设计也叫作类比设计,（

22、三）模型试验设计,1.先将大型零件做成小模型；,2.再将模型放入模拟环境进行特性试验；,3.根据实验结果修改定型。,2-8 机械零件的设计的一般步骤,1.根据使用要求选择零件的类型和结构；,2.根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷；,3.分析零件的失效，确定零件的设计准则；,4.选择适用的零件材料；,5.确定零件的基本尺寸；,6.进行零件的结构设计；,7.校核零件；,8.画零件的工作图，并写出计算说明书。,2-9 机械零件的材料及其选用,（一）机械零件常用的材料,3.陶瓷材料优点：强、硬、轻；缺点：脆、贵、工艺差,4.复合材料优点：强、刚、轻；缺点：耐热，导热、导电差，价格,（二）机械零

23、件材料的选用原则,1.零件的受载情况和工作状况,受载的情况指载荷的大小和应力的种类脆性材料不易受变载和冲击载荷,工作状况指零件所处的环境(如介质、工作温度、摩擦性质等）,1）湿热环境要求防锈和耐腐蚀：采用合金钢、铜合金等,2）高温环境影响：要求相配合两零件材料线膨胀系数相近 以免产生过大的热应力。,使用要求工艺要求经济性要求,选用材料应主要考虑的三个方面要求,使用要求包括：,按使用要求选择材料的一般性原则：,当载荷大，又要求结构紧凑、重量轻时，宜选用高强度材料,变载荷,静载荷,载荷分布均匀选用屈服极限高、材质均匀的材料；,载荷分布不均匀应采用屈服极限高的材料并用 热处理来提高受载大部位的强度。

24、,载荷平稳采用疲劳强度较高的材料（优质碳素钢）,有冲击载荷采用疲劳强度较高并具有一定抗冲击 能力的材料（优质碳素钢或合金钢）,第一次海湾战争伊拉克的三道防线,尺寸大，结构复杂的零件宜采用、锻压或铸造方法，因而要求材料具有一定的焊接性性能、锻压性能和铸造性能。,可焊性材料由高至低依次为：,低碳钢、高碳钢、铸铁、铜合金、铝合金,可锻性材料由高至低依次为：,低碳钢、中碳钢、高碳钢、,可铸性材料由高至低依次为：,铸铁、铸钢、铸造铜合金和铸造铝合金,材料的工艺性包括：,焊接性能、铸造性能、锻压性能、切削性能和热处理性能,结构复杂时,生产批量大时,模锻 自由锻,铸件 锻压件,铸件 模锻 自由锻 焊接,尺寸

25、大时,铸件 锻压件,模锻 自由锻,在自动机床上大批量生产的零件应具有良好的切削性能,切削性能通常指：易断屑、刀具磨损小等,选择材料必须考虑热处理工艺性能,热处理性能通常指：淬透性、淬硬性、回火脆性、变形开裂性,按工艺要求选择材料的一般性原则：,材料的经济性,材料的经济性指材料的相对价格,加工性能优先原则：当材料的质量不大而加工量很大时，其加工 性能是首要考虑因素,局部品质原则：当对零件的局部品质要求较高时，应在不同部位 采用不同材料或不同的热处理方法如蜗轮齿圈、滑动轴承内表面，硬齿面齿轮等,材料可获得性原则,商业因素：市场供应的可能性，地理位置、数量和交付时间等,战略因素：国际局势、国际政治、

26、战争等因素的影响。,2-10 机械零件设计中的标准化,注意：通用零件设计须满足:标准化、系列化、通用化,标准化的优点,1.有利于提高质量、降低成本（专门厂家大批量生产）；,2.标准统一，便于比较，提高零件的可靠性；,3.缩短设计周期、提高设计质量，同时简化维修；,目前已颁布的标准,1）国家标准（GB）,2）部颁标准（YB、JB）,3）企业标准,1.按运用范围分,2.按使用的强制性来分,1）必须执行的：度、量、衡及 涉及人身安全等标准,2）推荐执行的：如标准直径等,系列化,指同类产品，根据使用要求采用不同尺寸或结构。,通用化,指在系列产品或跨系类产品中应尽量采用相同结构和尺寸，以减少企业内部的零

27、部件种数，从而简化生产管理提高经济效益。,标准化、系列化、通用化，即“三化”为我国现行的一项重要的技术政策。,加入世贸组织后，我们一项重要的工作就是产品的国际标准化,我们目前实行的标准要逐步与国际标准接轨。,2-11 机械现代设计方法简介,现代设计方法是利用现代技术，如：计算机技术，现代应用数学，现代应用力学，微电子学，信息科学等科学方面的最新成果和手段对传统设计方法进行如下转变：,1 用动态计算取代静态计算,机器的结构动力学计算取代静力学计算；,以实时在线测试数据作为评价依据。,2 用定量分析取代定性分析,如以有限元法或边界元法计算箱体的尺寸和刚度取代经验类比法设计。,3 以变量取代常量,如

28、在可靠性设计中用随机变量做精确计算的方法取代传统设计中的将变量近似为常量的粗略计算方法。,4 以优化设计取代可行性设计,用相关的设计变量恰当的建立设计目标的数学模型，从众多的可行解中寻求其最优解。如优化设计课讲授的内容,5 以并行设计取代串行设计,并行设计的实质就是在设计的开始就对产品各个方面的要求，和相互之间的关系作出全面综合考虑，如：功能结构、工艺规划、制造性能、装配性能、测试性能、维修性能等。避免串行设计中的相互干涉、矛盾和返工。能迅速开发出质优、价廉、低能耗的产品。,6 以微观设计取代宏观设计,如以断裂力学理论处理零件本身材料微观裂纹扩展引起的地应力脆断现象，建立以损伤容限为设计判据的

29、设计方法；润滑理论中的微纳米摩擦学等。,7 以系统工程取代分部处理法,将产品的整个设计工作作为一个单级或多极的系统，用系统工程的观点划分其设计阶段及组成单元，通过仿真及自动控制手段，综合处理系统内部各环节之间关系，及系统与外部环境之间的关系。,8 以自动化设计取代人工设计,按照集成化和智能化的的要求，充分利用先进的硬件和软件（如计算机、自动绘图机、数据库、知识库、专家系统、评价和决策系统等等众多支持系统）提高人机结合的设计系统的自动化水平，大大提高产品的设计质量、设计效率和经济效益。,当前常见的设计方法,1 计算机辅助设计（CAD computer-aided design）,2 优化设计（O

30、D optimization design）,3 可靠性设计（RD reliability design）,4 摩擦学设计（TD tribology design）,5 设计方法学设计（DMD design-methology design）,6 并行设计（CD-product）,7 虚拟产品设计（VPD virtural-product design）,8 质量驱动设计（QDD quality-driven design）,9 参数化设计（PD parametrization design）,10 智能设计（ID intelligent design）,11 分形设计（FD fractal

31、design）,12 基于实例设计（CBD case-based design）,13 网上设计（OND on-net design）,本课程推荐参考书目：,1.濮良贵 机械设计（第七版）北京：高等教育出版社 20042.邱宣怀机械设计（第四版）北京：高等教育出版社 19973.吴宗泽 机械设计 北京：高等教育出版社 20014.钟毅芳等 机械设计（第二版）武汉：华中科技大学出版社 20015.黄华梁等 机械设计基础（第三版）北京：高等教育出版社 20016.徐灏 疲劳强度设计 北京：机械工业出版社 19857.机械设计手册编委会 机械设计手册（新版）北京：机械工业出版社2004,8.蔡春源 机械零件设计手册（第三版）北京：冶金工业出版社 19949.蔡春源 机电液设计手册 北京：机械工业出版社，19910.王启义 机械设计大典 南昌:江西科学技术出版社,199611.齿轮手册编委会齿轮手册（第二版）北京：机械工业 出版社，200412.罗伯特 机械设计中的机械零件(英文版.第三版)北京：机械 工业出版社，200413.约瑟夫E.希格力机械工程设计(英文版.第六版)北京：机械 工业出版社，200214.M.F.斯伯茨 机械零件设计(英文版.第七版)北京：机械工业 出版社，2003,