第2章机械设计总论.ppt

第二章机械设计总论 2 1机器的组成 原动机 传动系统 执行系统 辅助系统 控制系统 Primemove Transmissionsystem Workingsystem Controlsystem Assistantsystem 机器的发展经历了由简单到复杂的过程 轱辘 飞船但无论如何复杂 都可以归结为如下几个部分 英国考文垂市的约翰 K 斯达雷 JohnKempStarley 于1888年生产出的第一辆现代自行车 1 计划阶段 形成设计任务书明确机器的功能 约束条件 写出设计任务书 2 2设计机器的一般程序 2 方案设计阶段 机器的功能分析必须达到的要求 最低要求 希望达到的要求 机器的功能经济性估计制造的要求使用的要求完成期限 分析的结果 确定出功能参数 机器的设计阶段是决定机器好坏的关键 包括 提出解决的办法执行机构 有N3种执行机构方案 原动机 不同工作原理就有不同的机器 同一工作原理有不同的结构 有N2种原动机方案 传动系统 电机还是内燃机高速还是低速直流还是交流 有N1种传动系统方案 共有N N1 N2 N3个方案 不同工作原理就有不同的机器 同一工作原理有不同的结构 技术方面 经济方面 可靠性 环保等综合评价 最佳方案 进行综合评价 最后决策确定原理图或机构运动简图 在借鉴的基础上创新 3 技术设计阶段 运动学设计确定原动机的参数确定各运动件的运动参数 动力学设计计算各零件上所受的载荷大小和特性 功率转速等 目标 产生总装配草图及部件装配草图 各零件的名义载荷 零件的工作能力计算根据工作能力准则 失效形式 工作特性等进行零件的强度 刚度 振动稳定性 寿命等计算 并确定基本尺寸 装配图的设计通过装配草图的设计 对所有零件的外形及尺寸进行结构化设计 并注意结构工艺性 主要零件的校核对某些零件进行必要的校核 与 互补 零件工作图及总装图的设计绘制零件加工图及装配图 4 技术文件编制阶段编写计算说明书 使用说明书 标准件明细表 工艺文件等 以上所述技术设计阶段的各个步骤 只是一般传统设计步骤 随计算机的普及及优化设计技术的发展 新的设计方法不断涌现 同时对于一些重要的设计 有时还应增加模型实验的方法来进行设计 来验证某些关键结构 设计 很重要 2 3对机器的主要要求1 使用功能的要求所设计的机器能满足用户提出的所有要求 2 经济性要求在实现使用功能的前提下 用最经济的手段设计和制造出来 设计制造经济性 成本低 使用经济性 高生产率 高效率 低消耗 低维护费等 3 劳动保护要求 操作者方便和安全 改善操作者及机器的环境 噪声 有毒有害物 废水废气的治理等 4 可靠性要求保证机器有足够的使用寿命 5 其它要求视不同的机器而定 如运输的可靠性 流动机器的装拆方便性等 2 4机械零件的主要失效形式1 断裂 fracture breakage 占总失效的5 疲劳断裂 fatiguerupture 过载断裂 over loadingfracture 变应力作用下 危险剖面的断裂 2 塑性变形 plasticdeformation 残余变形 remainderdeformation 瞬间大载荷导致的局部断裂 3 过大的弹性变形 elasticdeflection 应力超过屈服极限所产生的变形 4 零件的表面破坏 surfacefailure 占75 疲劳点蚀 fatiguepitting 接触应力长期作用 产生裂纹直到剥落的现象 磨损 wear 接触表面产生材质损失的现象 腐蚀 corrode 化学或电化学的作用而使表面遭受破坏的现象 5 摩擦传动的打滑 slip 传动带或摩擦轮在另一个轮上滑过的现象 6 振动引起的失效共振 resonance 干扰频率与固有频率相等时发生的灾难性破坏 7 热引起的破坏 零件的变形润滑性能的降低 2 5 2 6设计机械零件时应满足的基本要求及设计准则1 强度的要求及计算准则断裂和塑性变形都是强度不足 为了提高强度 可以采取以下措施 采用高强度材料 采用合理的零件结构 通过热处理改善性能 提高零件的制造精度 合理布置各零件的相互位置 载荷的分布 计算准则 保证零件有足够的强度 2 刚度的要求及计算准则零件在工作时所产生的弹性变形不超过允许的限度 即为满足刚度要求整体刚度 指整体的伸长 缩短 挠曲 扭转等弹性变形的程度 表面接触刚度 指两零件接触表面的微观凸峰在载荷作用下发生变形而导致零件相对位置变化的程度 措施 增大零件的剖面尺寸或截面惯性矩 缩短支承跨距 增大结合面 提高表面加工精度以降低应力 计算准则 零件在载荷作用下产生的弹性变形量小于等于机器工作性能所允许的极限值 挠度 y y 转角 3 寿命的要求及计算准则零件寿命 零件工作所持续的时间 影响零件寿命的主要因素有 磨损 腐蚀 疲劳破坏 主要原因 计算准则 一般以所求出的达到使用寿命时的疲劳极限作为计算的依据 但并不唯一 还未有有效的评价方法 4 振动稳定性要求及计算准则计算准则 零件的固有频率f错开干扰频率fp fp 0 85f或fp 1 15f 5 可靠性 reliability 要求及计算准则可靠性 在规定的使用寿命内 零件能正常地完成其功能的概率 零件的可靠度为 R N N0时间t到t dt的间隔中 零件破坏的比率 t 失效率 为 负号表示dN的增大使N减小 则 零件失效率 t 与时间t的关系遵循浴盆曲线 由试验确定 第 阶段为早期失效阶段 初始缺陷造成高的失效率 第 阶段为正常使用阶段 偶然因素引起失效 第 阶段为损坏阶段 由于磨损 疲劳等引起失效 6 结构工艺性 technology 要求在既定的生产条件下 能够方便而经济地生产出来 并便于装配的特性 影响结构工艺性的决定性因素是零件的结构设计 7 经济性 economy 要求在保证强度和刚度等要求下 生产成本低 8 质量小的要求 节约原材料 运动件可以减少惯性力 改善动力性能 运输 安装方便 2 7机械零件的设计方法 一 理论设计 根据设计理论和实验数据进行的设计 例 受拉杆的强度设计 常规 传统 设计方法 过去长期采用的设计方法 现代设计方法 近几十年发展起来的设计方法 如 计算机辅助设计CAD 可靠性设计 优化设计等 本课程主要介绍常规设计方法 机械零件的常规设计方法可以概括地分为以下三种 二 经验设计 三 模型实验设计 已经典型化的零件 如箱体 机架等 尺寸巨大 结构复杂的重要零件 1 设计计算 2 校核计算 两种不同的理论计算过程 2 8机械零件设计的一般步骤 根据零件的使用要求选择零件的类型和结构 根据机器的工作要求 计算作用于零件上的载荷 选择材料 分析失效形式 并确定计算准则 通过计算确定零件的基本尺寸或主要参数 进行结构设计 设计完成后进行必要的校核 绘出零件的工作图 标出必要的技术条件 编写说明书 2 9机械零件的材料及其选用一 机械零件常用的材料1 金属材料使用最为广泛 尤以钢铁为主 钢铁以外的称为有色金属2 高分子材料有三大类 塑料 橡胶 合成纤维 优点 密度小 耐腐性好 3 陶瓷材料优点 耐磨 耐腐蚀 耐高温 刚度大 硬度高缺点 脆 加工工艺性差4 复合材料由两种或两种以上具有不同物理和力学性能的材料复合制成 其基体多以树脂为主 优点 强度高 质量小 缺点 耐热性差 导热导电性能差 二 材料选用的原则1 载荷的大小 性质和分布脆性材料只能用于静载荷 塑性材料可用于有冲击载荷 变应力下 金属材料可通过热处理提高性能2 零件的工作环境湿热环境下 选耐腐防锈材料 温差大的环境下 选机械性能随温度改变而比较稳定的材料 配对材料的膨胀系数不能相差过大 污染大的环境下 选耐磨材料或能提高表面硬度的材料 3 零件尺寸及质量与材料的品种和毛坯制取方法有关 如铸造毛坯和锻压毛坯 4 零件结构复杂程度和材料的可加工性结构复杂 采用焊接或铸造 要求材料液态流动性好 收缩率低 结构简单 采用锻造 要求材料延展性好 热脆性低及冷热态下的塑性变形能力强5 材料的经济性及供应情况在满足使用要求的前提下 尽量选用廉价的材料 尽量选用大众化的材料 2 10机械零件设计中的标准化标准化的好处 提高质量 减低生产成本 便于互换和维修 简化设计工作 设计只需选标准 2 11机械现代设计方法简介 1 设计方法学 designmethodology 设计方法学是研究产品设计的程序 规律及设计中的思维和工作方法的一门新兴综合性学科 研究设计中创造性的思维方法和技术 研究系统设计过程及符合设计规律的设计程序 研究设计中解决问题的合理逻辑步骤和遵循的工作原则 具体的设计方法 研究设计信息库的建立和应用 2 优化设计 optimaldesign 最优化设计是根据最优化原理 采用最优化数学方法 在所有可行方案中寻求最佳设计方案的一种现代化设计方法 抽象出正确的数学模型 选取设计变量 列目标函数 给出约束条件 采用适当的最优化方法 进行寻优求解 得到机械设计的最优方案 3 相似性设计 comparabilitydesign 相似性设计是相似理论在产品系列设计中的应用 在具有相同功能 相同结构方案 相同或相似加工工艺的产品中 选定某一中档的产品为基础 通过最佳方案的设计 确定其材料 参数和尺寸 按相似理论设计出不同参数和尺寸的其它产品 从而构成不同规格的系列化产品 4 计算机辅助设计 computeraideddesign 计算机辅助设计是利用计算机软 硬件系统辅助设计人员进行工程和产品设计 以实现最佳设计效果的一门涉及图形处理 工程分析 数据管理与数据变换 图文档案处理及软件设计为基础技术的多学科高度集合的新技术 5 可靠性设计 reliabilitydesign 以概率论和数理统计为理论基础 以失效分析 失效预测及各种可靠性试验为依据 以保证产品的可靠性为目标的一种现代设计方法 可靠性预测预测零部件或系统可能达到的可靠度及在规定条件下和规定的时间内完成规定功能的概率 可靠性分配将系统容许的失效概率合理地分配给该系统的零部件 6 有限元法 finiteelementmethod 有限元法是以计算机为工具的一种现代数值计算方法 结构离散化 单元特性分析 单元特性集成 NASTRAN ANSYS ASKA SAP 将连续的结构分割成数目有限