《机械设计总论xuan》PPT课件.ppt

机械设计,主讲：玄 东 吉,Email：,Tel673220）,第一篇 总论,1. 绪论,3. 机械零件的强度,4. 摩擦、磨损及润滑概述,第二章 机械设计总论,2-1 机器的组成,把原动机的运动形式、运动和动力参数传递给执行部分的中间环节,包括各种控制机构、电气装置、计算机和液、气压系统等。,机械动力的来源(以电动机和内燃机使用最广),能完成机械预期的动作,第二章 机械设计总论,2-1 机器的组成,第二章 机械设计总论,2-1 机器的组成,第二章 机械设计总论,2-1 机器的组成,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,第二章 机械设计总论,2-3 对机器的主要要求,4. 任何机器都要求能在一定的寿工作命下可靠的工作,1. 机器应具有预定的使用功能,2. 在设计、制造 和使用过程中综合考虑经济性,3. 考虑操作方便和安全,第二章 机械设计总论,5. 某些机器所特有的要求,2-4 机械零件的主要失效形式,整体断裂 零件在受拉、压、弯、剪、扭等外载荷作用时，由于某一危险截面上的应力超过零件的强度极限而发生的断裂，或者零件在受变应力作用时，危险截面上发生的疲劳断裂均属此类。,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地工作。,过大的残余变形 如果作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限,零件将产生残余变形。,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。,3,2,4,失效形式,第二章 机械设计总论,2-4 机械零件的主要失效形式,第二章 机械设计总论,整体断裂示例,2-4 机械零件的主要失效形式,第二章 机械设计总论,过大的残余变形示例,齿轮齿面塑形变形,轴承外圈塑性变形,2-4 机械零件的主要失效形式,第二章 机械设计总论,2-4 机械零件的主要失效形式,第二章 机械设计总论,滚动轴承外圈滚道的磨损,滚动轴承滚道的疲劳点蚀,齿轮轮齿的疲劳点蚀,表面失效示例,腐蚀的结果是使金属表面产生锈蚀，从而零件表面遭到破坏。,磨损是两个接触表面在作相对运动的过程中表面物质丧失或转移的现象。,零件表面的接触疲劳是受到接触变应力长期作用的表面产生裂纹或微粒剥落的现象。,2-5 设计机械零件时应满足的基本要求,第二章 机械设计总论,避免在预定寿命期内失效的要求,结构工艺性要求,经济性要求,质量小的要求,可靠性要求,设计机械零件的基本要求,2-5 设计机械零件时应满足的基本要求,1、强度 零件抵抗破坏的能力，它是设计零件时必须满足的最基本要求。 强度不足可能引起：断裂、塑性变形。 提高强度的措施：材料、结构、热处理、制造精度等。,2、刚度 零件抵抗变形的能力。 刚度不足会影响机器的工作性能。 刚度分为整体变形刚度和表面接触刚度。,3、寿命 零件正常工作延续的时间。,第二章 机械设计总论,一、避免在预定寿命期内失效的要求,2-5 设计机械零件时应满足的基本要求,第二章 机械设计总论,二、结构工艺性要求 设计的结构应便于加工和装配。,三、经济性要求 零件应有合理的选材、采用轻型的零件结构、良好的加 工工艺性和采用标准化零部件。,四、质量小的要求 质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。,五、可靠性要求 应降低零件发生故障的可能性。,2-6 机械零件的设计准则,第二章 机械设计总论,（一）强度准则,（1）强度准则是指零件中应力不得超过允许的限度,2-6 机械零件的设计准则,第二章 机械设计总论,（2）考虑到各种偶然性或难以精确分析的影响,2-6 机械零件的设计准则,第二章 机械设计总论,（二）刚度准则,零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力,y可以是挠度、偏转角或扭转角,（三）寿命准则,影响寿命的主要因素：腐蚀、磨损、疲劳。,疲劳寿命是求出使用寿命时的疲劳极限或额定载荷作为计算依据。,2-6 机械零件的设计准则,第二章 机械设计总论,（四）振动稳定性准则,设计时必须使机器中受激振作用的各零件的固有频率与激振源的频率错开。,2-6 机械零件的设计准则,第二章 机械设计总论,令f代表零件的固有频率，fp代表激振源的频率，则通常应保证如下的条件： 0.85ffp 或 1.15ffp,（五）可靠性准则,：可靠度表示零件在规定的条件下和规定的时间 内完成规定功能的概率,N个相同零件在同样条件下同时工作，在规定的时间内有Nf个失效，剩下Nt个仍继续工作，则,不可靠度（失效概率）：,n个零件组成的串联系统，单个零件的可靠度:R1、R2 、 Rn，则系统的可靠度为Rf=R1R2Rn,2-6 机械零件的设计准则,第二章 机械设计总论,2-7 机械零件的设计方法,第二章 机械设计总论,一、理论设计 根据设计理论和实验数据所进行的设计。,2-7 机械零件的设计方法,第二章 机械设计总论,三、模型实验设计 对设计模型进行实验特性分析的设计。适用于尺寸巨大而结构复杂的重要零件，尤其是一些重型整体机械零件。,二、经验设计 根据经验采用类比法进行的设计。适用于要求不大变动而结构形状已典型化的零件是很有效的设计方法。,2-8 机械零件设计的一般步骤,第二章 机械设计总论,选择零件类型、结构,2-9 机械零件的材料及其选用,第二章 机械设计总论,机械零件材料的选用原则1,一、机械零件常用的材料,机械零件材料的选用原则1,：铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1).,：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),：强如钢、轻如铝、硬如金刚石,：强度高、弹性模量大、质量轻,载荷及应力的大小和性质（强度） 零件的工作情况（环境） 零件的尺寸及重量（毛坯） 零件的结构及材料的可加工性（加工方法） 材料的经济性 材料的供应状况,二、机械零件材料的选用原则,2-9 机械零件的材料及其选用,第二章 机械设计总论,2-10 机械零件设计中的标准化,第二章 机械设计总论,标准化- 机械设计中，应该尽可能采用有关标准: (1)各种机械零部件标准，如螺栓、螺母、垫圈、键、花键、滚动轴承标准 (2)机械零件参数标准，如标准直径、齿轮模数、螺纹形状、各种机械零件的公差等； (3)材料标准，如各种材料的牌号、型钢的形状和尺寸等；,标准化的优点：采用标准件，具有互换性，可以节省设计、制造、修配的时间，降低成本，减少材料消耗，提高产品在市场上的竞争能力。,英国标准 BS,美国国家标准 ANSI,日本工业标准 JIS,意大利标准 UNI,德国标准 DIN,法国标准 NF,各国 标准代号,CAD CAPP CAM CAD/CAM集成,一、CAD/CAM的基本概念,2-11 现代机械设计理论概述,第二章 机械设计总论,计算机辅助设计 （Computer Aided Design，CAD),指工程技术人员以计算机为工具完成产品设计，达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本这一过程的各项工作，包括设计、工程分析、仿真、绘图、编撰技术文档,完备的CAD系统包括:,图形系统、科学计算和工程数据库,KMCAPP,计算机辅助工艺过程设计 （Computer Aided Process Planning, CAPP),指工艺人员借助计算机，根据产品设计结果和产品制造工艺要求，交互或自动地确定产品加工方法和方案的设计，包括毛坯选择、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定,InteCAPP,计算机辅助制造 （Computer Aided Manufacturing，CAM),计算机辅助制造有广义和狭义两种定义: 广义CAM 指借助计算机完成从生产准备到产品制造出来的过程中的各项活动，包括工艺过程设计（CAPP)、工装设计、计算机辅助数控加工编程、生产作业计划、制造过程控制、质量检测与分析 狭义CAM 通常指NC程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真、后置处理及NC代码生成,CAD/CAM集成,CAD/CAM集成实质：在CAD、CAPP、CAM各模块之间形成相互信息的自动传递和转化,I-DEAS,集成化的 CAD/CAM系统借助公共的工程数据库、网络通信技术以及标准化格式的中性文件接口把分散的CAD/CAM 高效,集成，实现软、硬件资源共享，保证系统内信息的畅通。,二、CAD/CAM的主要任务,几何建模 工程绘图 计算分析 优化设计 有限元分析 计算机辅助工艺规程设计 数控编程 动态仿真 计算机辅助测试技术 工程数据管理,2-11 现代机械设计理论概述,第二章 机械设计总论,几何建模,描述基本几何实体（如大小）及实体间的关系（如几何信息），进行图形图像的技术处理。,几何建模技术是CAD/CAM系统的核心，为产品设计、制造提供基本数据和原始信息,二、 CAD/CAM的主要任务,计算分析,计算分析对象包括几何特征（如体积、表面积、质量、重心位置、转动惯量）和物理特征（如应力、 温度、位移）,低压冷涡轮叶片结构分析,要求CAD/CAM系统对各类计算分析的算法正确、全面，且有较高的计算精度,油井压缩机头部封盖失效的原因分析,二、 CAD/CAM的主要任务,有限元分析,CAD/CAM 系统结构分析中的常用方法是有限元法，这是一种数值近似解方法，用来解决结构形状比较复杂零件的静态、动态特性计算，强度、振动、热变形、磁场、温度场强度、应力分布状态等计算分析。,二、CAD/CAM的主要任务,二、CAD/CAM的主要任务,数控编程,分析零件图和制订出零件的数控加工方案后，采用专门的数控加工语言（例如APT语言），提供数控机床各种运动和操作的全部信息,数控编程基本步骤通常包括： 编程 手工或计算机辅助编程，生成源程序 前处理 编译源程序，求出刀位文件 后处理 将刀位文件转换成零件的数控加工程序,二、CAD/CAM的主要任务,计算机辅助测试技术,计算机辅助测试技术结合计算机技术、测量技术、信号处理及现代控制理论形成了一门新兴综合性学科,模具检测,逆向工程,管件测量,二、CAD/CAM的主要任务,动态仿真,模拟：根据设计要求，建立一个工程设计的实际系统模型，例：机构、机械手,仿真：通过对系统模型的试验运行，研究一个存在（或设计中）的系统，通常有加工轨迹仿真，机构运动学仿真，机器人仿真，