第章机械零件设计概论PPT课件.ppt

1 机械设计的基本要求 机械设计包括以下两种设计 应用新技术 新方法开发创造新机械 在原有机械的基础上重新设计或进行局部改造 设计机械零件的基本要求 工作可靠并且成本低廉 零件的工作能力是指零件在一定的工作条件下抵抗可能出现的失效的能力 对载荷而言称为承载能力 失效 指零件由于某些原因不能正常工作 1 机械零件设计的基本准则及一般设计步骤 2 设计机械零件要注意以下几点 1 合理选择材料 降低材料费用 2 保证良好的工艺性 减少制造费用 3 尽量采用标准化 通用化设计 简化设计过程从而降低成本 1 1机械设计的基本要求 3 1 2 2机械设计的内容与步骤 现代设计方法 常规设计方法 优化设计 可靠性设计 有限元设计 模块设计 计算机辅助设计 理论设计 经验设计和模型实验设计等 4 机械设计的过程通常可分为以下几个阶段 1 产品规划 2 方案设计 3 技术设计 4 制造及试验 产品规划的主要工作是提出设计任务和明确设计要求 由设计人员构思出多种可行方案进行分析比较 从中优选出一种方案 设计结果以工程图及计算书的形式表达出来 经过加工 安装及调试制造出样机 对样机进行试运行或在生产现场试用 1 2 2机械设计的内容与步骤 5 1 2 2机械设计的内容与步骤 设计机械零件的一般步骤如下 1 根据机器的具体运转情况和简化的计算方案确定零件的载荷 2 根据零件工作情况的分析 判定零件的失效形式 从而确定其计算准则 3 进行主要参数选择 选定材料 根据计算准则求出零件的主要尺寸 考虑热处理及结构工艺性要求等 4 进行结构设计 5 绘制零件工作图 制订技术要求 编写计算说明书及有关技术文件 在设计过程中 这些步骤又是相互交错 反复进行的 6 1 2 2机械设计的内容与步骤 在设计机械零件时往往是将较复杂的实际工作情况进行一定的简化 这些计算或多或少带有一定的条件性或假定性 条件性计算 7 1 2 3机械零件的失效形式及设计计算准则 机械零件丧失预定功能或预定功能指标降低到许用值以下的现象 机械零件的失效 进行机械零件设计时必须根据零件的失效形式分析失效的原因 提出防止或减轻失效的措施 根据不同的失效形式提出不同的设计计算准则 失效形式 1 断裂 2 过量变形 3 表面失效 4 破坏正常工作条件引起的失效 8 失效形式 同一零件对于不同失效形式的承载能力也各不相同 根据不同的失效原因建立起来的工作能力判断条件 称为设计计算准则 1 强度准则 整体强度和表面强度 整体强度的判断准则表示为 或 表面接触强度的判断准则表示为 应力表示法 安全系数表示法 接触应力表示法 挤压应力表示法 9 1 2 3机械零件的失效形式及设计计算准则 2 刚度准则 零件在载荷作用下产生的弹性变形量应小于或等于机器工作性能允许的极限值 3 耐磨性准则 4 散热性准则 5 可靠性准则 10 1 2 4机械零件设计的标准化 系列化及通用化 标准件 按规定标准生产的零件 好处 1 由专门化工厂大量生产标准件 能保证质量 节约材料 降低成本 2 选用标准件可简化设计工作 缩短产品的生产周期 3 选用参数标准化的零件 在机械制造过程中可以减少刀具和量具的规格 4 具有互换性 从而简化机器的安装和维修 11 1 2 4机械零件设计的标准化 系列化及通用化 通用化 在不同规格的同类产品或不同类产品中采用同一结构和尺寸的零件 部件 我国现行标准分为国家标准 GB 行业标准和专业标准等 国际上则推行国际标准化组织 ISO 的标准 标准化 有不少零件 由于应用范围广 用量大 已经高度标准化形成标准件 系列化 有很多零件适用范围极为广泛 但在具体设计时随着工作条件的不同 在材料 尺寸 结构等方面的选择也各不相同 这种情况则可对其某些基本参数规定标准的系列化数列 12 1 3机械零件的强度 强度是指零件受载荷后抵抗断裂 塑性变形和某些表面失效的能力 强度不够 会因零件失效使机械不能正常工作 还可能导致安全事故 强度计算是保证零件工作能力的最基本的计算准则 名义载荷 理想平稳工作条件下的载荷计算载荷 考虑工况 取载荷系数KAKA 名义载荷 计算载荷 13 或式中 分别为零件工作时的正应力和剪应力 分别为零件材料的许用正应力和许用剪应力 机械零件的强度 14 1 应力的种类 静应力 工作中 应力不随时间变化或变化次数很少 103次 的应力 变应力 工作中 应力随时间变化的应力 r 1 r 1 r 0 0 r 1 15 不稳定变应力 应力的参数随时间而变化 规律性的不稳定变应力 随机性的不稳定变应力 16 稳定性周期变应力的描述参数 最大应力 最小应力 平均应力 应力幅 应力循环特性r 循环周期T 17 对称循环 脉动循环 静应力 18 2 静应力下的许用应力 静应力下 零件的失效形式 断裂或塑性变形塑性材料的许用应力不发生塑性变形取材料的屈服极限作为极限应力 许用应力为 脆性材料零件许用应力不发生断裂应取强度极限作为极限应力 许用应力为 19 20 21 3 变应力下的许用应力 变应力下 零件的损坏形式是疲劳断裂 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低 甚至比屈服极限低 不管是脆性材料或塑性材料 其疲劳断裂口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂 疲劳断裂是损伤的积累 疲劳断裂不同于一般静力断裂 它是损伤积累到一定程度后 即裂纹扩展到一定程度后 才发生的突然断裂 所以疲劳断裂与应力循环次数 即使用期限和寿命 密切相关 22 变应力下的许用应力 疲劳曲线 表示应力与应力循环次数之间的关系曲线 对于铁碳合金来说 当循环次数超过某一数值N0后 疲劳曲线趋于水平 即可认为在 无限次 循环时零件不会断裂 N0称为循环基数 对应于N0的应力称为材料的持久极限 取持久极限作为极限应力 23 24 变应力下的许用应力 1 疲劳曲线循环基数N0疲劳极限 1 钢材 m 9 拉压力 弯曲压应力 切应力 m 6 接触应力 25 4 安全系数 安全系数大小对设计的影响安全系数的确定方法 查表法基本原则部分系数法 S S1 S2 S3S1 载荷及应力计算的准确性S2 材料的力学性能的均匀性S3 零件的重要性 26 安全系数确定的基本原则 当没有专门的表格时 参考下述原则选择安全系数 1 静应力下 塑性材料以屈服极限为极限应力 由于塑性材料可以缓和过大的局部应力 S 1 2 1 5 对于塑性较差的材料S 1 5 2 5 2 静应力下 脆性材料以强度极限为极限应力 这时应取较大的安全系数 例如 S 3 4 3 变应力下以疲劳极限作为极限应力 可取S 1 3 1 7 若材料不够均匀 计算不够精确时可取S 1 7 2 5 27 5 机械零件的接触强度当具有一定曲面的两物体在压力下相互接触时 便在接触处产生接触应力 由于接触处产生弹性变形 实际接触处为一很小的面积并产生很大的接触应力 28 机械设计的一般过程 确定设计任务拟定原理方案总体设计零部件施工设计鉴定和评价产品定型设计 1 2机械设计基础理论 机械设计4个方面内容 机械设计的基本要求 机械设计中应考虑的问题 机械设计的基本方法 机械零件的强度设计 29 机械设计的基本要求 在满足预期功能的前提下 性能好 效率高 成本低在预定使用期限内安全可靠 操作方便 维修简单 造型美观等 1 运动和动力性能的要求 机器应在使用期内有效工作 并达到预期使用目的 保证实现预期功能 为此必须按照所要求的运动和承受的载荷 确定机械的工作原理 并选择或设计适当的工作机构和机械传动方案 30 2 工作可靠性的要求 零件失去设计时预定的功能 称为失效 失效形式 疲劳断裂 表面磨损 表面胶合 振动过大等 失效原因 体积强度 表面强度和刚度不足等 可靠性是指机械在预定的期限内能安全可靠的工作 不失效 3 经济性要求 要求设计和制造机器的周期短 成本低 使用机器时生产效率高 能耗低 维修管理费用低 31 经济性要求 选择价廉和市场供应充分的材料 缩短加工工时和费用 便于维修保养 采用标准零件 简化设计 保证互换性 便于机械的修配 保证零件的质量并降低其成本 只有在采用标准零件不能满足机械使用要求时 才允许采用非标准零件 32 4 操作方便和安全的要求 设计的机械必须能够操作方便 安全 舒适 减轻劳动强度 5 各种机械的特殊要求 此外 应注意各种机械的特殊要求 例如 机床应能在规定的使用期限内保持精度 食品 医药等机械应能保持清洁 33 机械零件设计应考虑的问题 工作能力 承载能力 失效是指机械零件失去设计时预定的功能 工作能力是指机械零件抵抗失效的能力 失效形式 断裂或塑性变形 过大的弹性变形 工作表面的过度磨损或损伤 发生强烈的振动 影响工作能力的主要因素 失效的原因 强度 刚度 工作稳定性 摩擦与磨损 温度 34 1 强度 强度是指零件受载荷后抵抗断裂 塑性变形和某些表面失效的能力 零件的强度不够 不仅会因零件失效使机械不能正常工作 还可能导致安全事故 强度计算是保证零件工作能力的最基本的计算准则 失效 破坏 形式 断裂 表面损坏 塑性变形等 35 2 刚度 刚度是指在一定载荷作用下零件抵抗弹性变形的能力 例如 机床的主轴和螺杆 若弹性变形过大就会影响加工精度 因此 这类零件需要有足够的刚度 刚度的量纲 力 长度 柔度是刚度的倒数 其量纲为 长度 力 3 工作稳定性零件在工作时能保证稳定地正常工作 振动稳定性 共振问题 受压稳定性 细长杆和薄壁件 36 4 耐磨性 耐磨性是指在载荷作用下具有相对运动的两零件接触界面的抗磨损能力 据统计80 的损坏零件是因磨损而报废的 5 耐热性 耐热性包括抗氧化 抗热变形和抗蠕变的能力 零件在高温下工作时 将因强度降低而削弱了承载能力 同时会出现蠕变 增加塑性变形 甚至会发生氧化现象 大大影响机械的精度进而使零件失效 37 温度第一 对材料机械性能的影响 当温度超过某一数值 其强度将急剧下降 蠕变 在高温下 应力不变时 塑性变形随时间而增大 松驰 在高温下 变形量不变时 零件内的应力随时间而减小 第二 对零件几何尺寸变化的影响 卡死 第三 对润滑的影响 温度上升 润滑油的粘度和在润滑表面上的吸附能力下降 对某一类零件 只以一种或几种失效为主 不需要同时考虑所有的失效形式 38 1 4机械零件的常用材料 钢和铸铁有色合金非金属材料复合材料 39 材料的选择1 使用要求 尺寸小重量轻 用高强度材料 刚度高 用弹性模量高的材料 对表面接触有要求 用表面能强化处理的材料 在高温下工作时 用耐热材料 在腐蚀条件下工作时 用耐腐蚀材料 2 工艺性要求 要考虑到加工方法实现的可能性和难易程度 3 经济性要求 材料本身的价格 材料的利用率 材料的加工费用 选择方法 类比法 查表法 试验法 40 表1 1常用钢铁材料的机械性能 41 材料牌号应用举例普通碳钢Q235 A3钢 螺钉 端盖 垫片 焊接件等优质碳钢25轴 螺钉 垫片35轴 连杠 螺栓 螺母45齿轮 轴合金钢50Mn齿轮 凸轮等重要零件40Cr重要的齿轮 轴 连杠 螺栓铸钢ZG35机架 飞轮 机座等灰铸铁HT200机架 机座 油刚等球墨铸铁QT500 5车辆的轴瓦 滑动轴承 曲轴 齿轮轴等形状复杂的零件 42 1 5机械零件的结构工艺性 43 零件的结构工艺性 机械零件的结构工艺性是指制造该零件结构的难易程度 机械零件要有良好的工艺性 机械零件要有良好的工艺性是指所设计的零件在一定的生产条件下 能用最低的成本和最小的劳动量制造出来并便于装拆 一个零件结构工艺的好坏 对提高加工精度和装配质量 提高劳动生产率以及便于检查维修等有直接影响 因此 设计时应力求零件结构合理 外形简单 造型美观和易于加工 44 1便于制造毛坯 铸造 适宜制造形状复杂的毛坯 铸件的壁厚不宜过薄 避免浇不足铸件的壁厚要均匀 在壁厚变化处要逐渐过渡 壁的连接处应有结构圆角 避免缩孔铸件的结构应有利于造型 起模和清理等各个铸造环节 锻造 毛坯形状不宜复杂圆锥体 圆柱体交接处 加强筋和凸台等结构 锻造都较困难 焊接 重视力求减少焊接应力和变形 焊缝不宜过分密集或交叉 不对称 焊接操作方便 45 2便于切削加工 1 合理选择零件的尺寸公差和表面粗糙度2 尽可能减少加工面积3 尽量采用标准刀具和减少刀具的种类4 应尽量便于装夹工件5 应便于刀具进入和退出 46 3便于装拆和维修 1 布置螺栓 螺钉和确定被联接件的结构尺寸时 要留出装入螺纹联接件和扳手操作的空间 2 对于具有配合要求的零件 应避免同时存在两组以上的表面结合 3 对于容易磨损的零件 在使用中常需更换 应便于维修 47 48 合理地选择材料 各类材料具有不同的特征 要根据实际情况进行选用 通常要根据使用性 工艺性和经济性等三方面要求统筹考虑 力争做到用最低的成本和最少的工时制造出满足技术要求的零件 49 钢的热处理概念 热处理 将钢在固态下加热到一定温度 进行必要的保温 然后采用不同的冷却速度 以改变钢的组织结构 从而得到所需性能的工艺方法 热处理能充分发挥材料的潜力 节省钢材 延长机械的使用寿命 常用的热处理方法有 退火 正火 淬火及回火 表面热处理等 50 51 三 零件的结构工艺性良好的结构工艺性是指 所设计的零件 在一定生产条件下 以最少劳动量 花最少的加工费用制成能满足使用要求 并能以最简便的方法在机器中进行装拆与维修 工艺性包括加工工艺性和装配工艺性 52 四 设计中的标准化 系列化 系列化标准化 将零件的结构形式 尺寸 材料 参数和