机械设计总论.ppt

第二章 机械设计总论,一、设计机器应满足的要求 二、设计机器的一般程序 三、机械零件的主要失效形式 四、设计机械零件应满足的基本要求 五、机械零件的设计 六、机械零件材料的选用原则 七、机械零件设计中的标准化 八、机械现代设计方法简介,一、设计机器应满足的要求,1、具有预定功能的要求2、具有经济性要求3、安全性要求4、可靠性要求5、其他专用要求,1、具有预定功能的要求,为了解决生产、生活中存在的特定问题，需要设计机器，所以机器具有预定功能。,例如：某厂要生产一带式运输机，运输机滚筒转速为选用电动机为动力，电动机的额定转速为，为达到速度匹配的要求,减速装置,2、具有经济性要求,保证经济性要求的措施：,提高设计和制造经济性指标,提高使用经济性指标,设计制造的经济性表现为机器的成本低。如采用先进的设计方法，最大限度地采用标准化、系列化、通用化的零（部）件，采用新技术、新材料、新工艺，合理组织设计和制造过程等。,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。,3、安全性要求：,机器中，必须按规范要求配备各种防护装置和措施，如防护罩，安全联轴器等，改善机器和操作者的环境条件。,对劳动保护和环境保护的要求。,4、可靠性要求：,用可靠度来表示,（）可靠度（）零件可靠度的计算公式（）机器的可靠度（4）提高机器可靠度的措施,（）可靠度,定义：,大量零件在规定使用寿命内和预定环境条件下，能连续工作件数占总件数的百分数。,（）零件可靠度的计算公式：,NS R=NT,Nf F=NT,由 NS+Nf=NT,F=10%,（）、机器的可靠度,机器的可靠度取决于零件的可靠度。,（4）、提高机器可靠度的措施,、最好由等可靠的零件组成机器。,、减少系统的组成单元。,、提高耐磨性、疲劳强度。,、加安全、监视、消振装置。,、科学的检测，避免早期和偶然失效。,、分成合理部件，合理安排检修期。,、根据可靠性要求，选择安全系数。,二、设计机器的一般程序,1、计划阶段 2、方案设计阶段 3、技术设计阶段 4、技术文件编制阶段,1、计划阶段：,预备阶段,提出任务,2、方案设计阶段：,工作原理选择：,原动机部分N1执 行 部 分N2传 动 部 分N3,2、方案设计阶段：,经济性评价：,复杂程度,2、方案设计阶段：,3、技术设计阶段,（1）、机器的运动学设计（2）、机器的动力学设计（3）、零件的工作能力设计（4）、部件装配图及总装图设计（5）、主要零件校核（6）、设计零件工作图,技术设计阶段,4、技术文件编制阶段：,三、机械零件的主要失效形式：,1、失效的定义：,2、失效的分类：,（1）断裂（2）过大残余变形（3）零件的表面破坏（4）破坏正常工作条件而引起的失效,零件丧失应有的功能，称之为失效。,（1）、断裂：,、定义：,在机械载荷或应力作用下(有时还兼有各种热、腐蚀等因素作用)，使物体分成几个部分的现象，通常定义为固体完全断裂，简称断裂。,占所有失效4.79%，但损失占90%以上。,、分类：,韧性断裂 脆性断裂,轴承内圈断裂,齿轮轮齿断裂,（2）、过大残余变形：,、定义：,由于作用零件上的应力超过了材料的屈服极限，使零件本身发生的变形。,齿面塑性变形,轴承外圈塑性变形,（3）、零件的表面破坏：,腐 蚀 磨 损 接触疲劳（点蚀）,、主要形式：,、产生原因：,轴瓦磨损,齿面接触疲劳,表面层几何形状 表面层的应力状态 表面结构与金属本体的差别,金属腐蚀,表面破坏的发展过程表明，表面破坏与表面层内状态发生变化有密切的联系，主要有以下几个方面。,（4）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，条件被破坏，就不能正常工作。现象：带传动打滑，液体润滑失效，共振现象等。原因：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，超过最大摩擦力就会打滑。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，失去油压，或转速过低，就不能正常工作，会造成“干磨”。零件固有频率和机器的工作频率相同，就会产生共振。后果：不同的工作条件，造成的后果不同。有的恢复条件后即可正常工作，如带传动打滑。有的也会造成严重损坏，如内燃机主轴承一旦失油，很容易造成“烧瓦”）。设计准则：针对不同情况，有不同的设计条件，设计时要满足条件。,四、设计机械零件应满足的基本要求：,1、避免在预定寿命期限内失效的要求2、提高总体效益要求,1、避免在预定寿命期限内失效的要求：,（1）、强度要求,（2）、刚度要求,（3）、寿命要求,2、提高总体效益要求：,（1）、结构工艺性要求（2）、经济性要求（3）、质量小要求（4）、可靠性要求,（1）、结构工艺性要求,提高工艺性措施：、结构适应生产条件和规模。、合理的毛坯种类和形状。、机械构造和零件形状尽量简单和便于加工。、结构便于装配和拆卸。、熟悉当前的生产水平，改善零件的工艺性。,（2）、经济性要求,提高经济性的措施：,、采用先进设计理论和方法，运用先进工具。、合理选用材料及毛坯、降低材料费用。、用组合结构代替整体结构。、尽量采用价廉的标准件。、尽量降低包装、运输费用。,（3）、质量小要求：,、用缓冲装置，减小冲击；、用安全装置限制最大载荷；、在应力较小处挖出部分材料，改善受力均匀；、用与工作载荷相反的预载荷，降低工作载荷；、用强重比（强度与单位体积重量比）高的材料；、用轻薄冲压件或焊件代替铸件、锻件等。,减轻质量的措施：,（4）、可靠性要求,提高可靠性措施：使工作条件和零件性能的随机变化小加强维护和对工作条件的监测,五、机械零件的设计,1、设计步骤 2、设计方法 3、设计准则,1、设计步骤,选用类型及结构,2、设计方法,（1）常规设计方法有 理论设计 经验设计 模型设计,、可靠性设计：、优化设计：、计算机辅助设计CAD、有限元法设计、断裂力学法设计、设计方法学,（2）现代设计方法：,3、设计准则,（1）、强度准则,（2）、刚度准则,（3）、寿命准则,（4）、振动稳定性原则,（5）、可靠性准则,（1）、强度准则：,应力材料强度极限,应力零件疲劳极限,应力材料屈服极限,强度计算公式:,零件的应力不超过允许的限度,极限应力取值,（2）、刚度准则：,刚度计算公式:,（4）、振动稳定性原则：,振动稳定性 使两个频率错开。,（5）、可靠性准则：,失效率：,（5）、可靠性准则：,失效率：,第阶段：早期失效阶段，主要是初始缺陷造成的失效。,第阶段：正常使用阶段，主要是偶发原因引起的失效。,第阶段：磨损阶段，长时间的使用而使零件发生磨损，疲劳裂纹扩展等原因，失效率急剧增加。,零部件失效率与时间t的关系曲线,六、机械零件材料的选用原则,机械零件材料的选用原则1,：铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1).,载荷及应力的大小和性质,零件的工作情况,零件的结构及加工性,材料的经济性,零件的尺寸及重量,一、常用材料,二、机械零件材料的选用原则,：塑料、橡胶、合成纤维,：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢(如：08F 45 60 1Cr18）,：灰铸铁、球墨铸铁(如：HT300 QT500-5),：强如钢、轻如铝、硬如金刚石,：强度高、弹性模量大、质量轻,七、机械零件设计中的标准化,机械零件设计中的标准化1,标准化的好处：,与设计有关的标准:,国际标准国家标准行业标准企业标准等如：ISOGB JB、HBQB,国标分为：强制标准和推荐标准,标准化有利于保证产品质量，减轻设计工作量，便于零部件的互换和组织专业化的大生产，以降低生产成本。,强制性国家标准：代号为GB(为标准序号)(为批准年代)强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。,推荐性国家标准：代号为GBT，这类标准占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的效果。,标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。,八、机械现代设计方法简介,机械现代设计方法简介1,机械现代设计方法通常是相对传统的设计方法而言的。,现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下列转换：,以动态的取代静态的如机器结构动力学计算。以定量的取代定性的如有限元计算。以随机量取代确定量如可靠性设计。以优化设计取代可行性设计如优化设计。并行设计取代串行设计如并行设计。微观的取代宏观的如微纳米摩擦学设计。系统工程法取代分部处理法如系统工程。自动化设计取代人工设计的转化如计算机辅助设计。,