二机械设计概论PPT课件

1 机械设计 主讲 谢莉萍机械加工教研室 2 第一章绪论 3 第一节机械设计的基本要求和设计程序 一 设计机器应满足的基本要求 1 具有预定功能的要求 2 经济性要求 3 安全性要求 4 可靠性要求 5 操作使用方便的要求 6 其他特殊要求 4 1 具有预定功能的要求 这是机器设计的最基本出发点 为使所设计的机器具有预定功能 合理选择机器的工作原理是最重要的 靠正确地设计和选择能够实现预定功能要求的执行机构 传动机构和原动机 以及合理配置必要的辅助系统来实现 5 2 经济性要求 机器的经济性是一个综合指标 在机器的设计 制造 使用 销售 维修 管理等各个环节均有体现 在设计制造方面的经济性 成本低 在使用维护等方面的经济性 高生产率 高效率 较少地消耗能源 原材料 以及低的管理维护费用等 6 3 安全性要求 安全是指使用机器的人身安全和机器工作时本身的安全 采取各种各样的防护措施 如防护罩 过载保护装置 连锁闭合装置等 7 4 可靠性要求 可靠性是指机器在规定的条件下和规定的时间内 完成规定功能的能力 用可靠度来衡量 可靠度是指在规定的条件下和规定的时间内 机器能够正常工作的概率 8 5 操作使用方便的要求 操作轻便省力 操作机构要适应人的生理条件 注意操作者和机器的环境 降低噪音 防止有害介质的进入 对废水 废气 废液进行治理 9 6 其他特殊要求 食品机械保持清洁和无污染要求 建筑机械便于装拆和搬运要求 交通运输机械要减轻重量要求 10 二 设计机器的一般程序 1 制定设计工作计划调查研究 确定功能范围和性能指标 研究其可能性 明确要解决的关键问题 拟订设计工作计划和设计任务书 2 方案设计在功能分析的基础上 提出功能方案 拟定机器系统组成 总体布置 确定传动方式 制定多种方案 技术经济评价和可行性评价 选出最优方案 3 技术设计对已定方案进行运动学和动力学分析 确定机构和零件的功能参数 计算零件的工作能力 确定机器的主要结构尺寸 绘制设计总图 11 4 施工设计确定零件形状和结构尺寸以及配合件间的公差 完成零 部件及整机的全部工作图 编写设计说明书和计算书等有关技术文件 5 试制 试验 鉴定通过样机试制 试验来验证机器能否实现预期功能 可靠性 经济性如何 经过鉴定 进行全面技术经济评价和必要的改进设计 已达到设计的最佳化 6 定型产品设计对设计进行必要修改后 进行小批量的试生产 进一步修改设计 定型产品设计 正式投产 12 第二节机械零件的载荷和应力 机器正常工作时所受的实际载荷 一般难以确定 名义载荷 工作载荷 按原动机功率求得 理想状态 计算载荷 载荷系数 考虑各种附加载荷 静载荷变载荷 不随时间改变或变化缓慢 随时间作周期性或非周期性变化 1载荷 13 2应力 静应力变应力 不随时间改变或变化缓慢 随时间作周期性或非周期性变化 变应力 稳定变应力 周期性循环变应力 非稳定变应力 非周期性循环变应力 脉动循环变应力 非对称循环变应力 对称循环变应力 14 图2 1 15 几个应力参数 循环特征 应力比 表示应力变化的情况 对称循环 脉动循环 非对称循环 静应力 用 r表示循环特征为r的变应力 如 1 0等 r 1 r 0 r 0且 r 1 r 1 16 平均应力 应力幅 对称循环 脉动循环 几个应力参数 注意 变载荷 变应力 静载荷 静应力 或变应力 a m 0 a max m a max 2 17 主要失效形式 断裂或塑性变形 强度条件 或 塑性材料 许用应力 lim lim 极限正应力s 安全系数 lim s lim s 脆性材料 lim b lim b s s 材料屈服极限 b b 材料强度极限 18 变应力作用下的强度问题 变应力下零件的损坏形式是疲劳断裂 疲劳断裂具有以下特征 1 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 2 不管脆性材料或塑性材料 其最终的断口均表现为无明显塑性变形的脆性断裂 3 疲劳断裂是损伤的积累 19 变应力作用下的强度问题 N 应力循环次数 rN 疲劳极限 对应于N N0 循环基数 r 持久极限 由此得 变应力时 取 lim r 无限寿命 或 lim rN 有限寿命 m为随应力状态而不同的幂指数 强度条件 lim 疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关 20 4许用应力与安全系数 一般把强度极限与屈服极限应力统称为极限应力 根据分析计算所得构件的应力称为工作应力 构件工作是的最大工作应力 必须低于材料的极限应力 工作应力的最大容许值 称为许用应力 极限应力 n 大于1的安全因素 失效与许用应力 21 确定安全系数要兼顾经济与安全 考虑以下几方面 理论与实际差别 材料非均质连续性 超载 加工制造不准确性 工作条件与实验条件差异 计算模型理想化 足够的安全储备 构件与结构的重要性 塑性材料n小 脆性材料n大 安全系数的取值 安全系数是由多种因素决定的 各种材料在不同工作条件下的安全系数或许用应力 可从有关规范或设计手册中查到 在一般静载下 对于塑件材料通常取为1 5 2 2 对于脆性材料通常取为3 0 5 0 甚至更大 安全因数 标准强度与许用应力的比值 是构件工作的安全储备 22 杆内的最大工作应力smax不能超过许用应力 s 强度条件 对于等截面拉压杆 23 5 接触应力 具有明显的局部性 随着离开接触处的距离增加而迅速减小 材料在接触处的变形受到各方向的限制 接触区附近处在三向应力状态 在齿轮 滚动轴承 凸轮和机车车轮等机械零件的强度计算中 接触应力具有重要意义 两个物体相互压紧时 在接触区附近产生的应力和变形 称为接触应力和接触变形 接触应力和接触变形 24 2 3机械零件的主要失效形式及计算准则 一 机械零件的主要失效形式失效的概念机械零件在规定的使用期间内 在规定的条件下 不能完成规定的功能而丧失工作能力时机械零件常见的失效形式 1 整体断裂静强度断裂 静应力过大产生的疲劳断裂 变应力的反复作用下产生的机械零件整体断裂中 80 属于疲劳断裂2 表面破坏表面磨粒磨损 胶合 疲劳点蚀 腐蚀磨损 表面压溃 表面塑性流动等 零件在外载荷作用下 某一危险截面上的应力超过零件的强度极限时 就会造成断裂失效 在变应力作用下 长时间工作的零件容易发生疲劳断裂 由于超载 超温 腐蚀 疲劳 氢脆 蠕变等原因 也可造成零件断裂失效 零件的断裂失效对机械产品造成的危害最大 表面损伤失效 零件在长期工作中 由于磨损 腐蚀 磨蚀 接触疲劳等原因 造成零件尺寸变化超过了允许值而失效 或者由于腐蚀 冲刷 气蚀等而使零件表面损伤失效 如齿轮表面由于接触疲劳产生麻点剥落而失效等 25 3 变形量过大弹性变形塑性变形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地工作 如带传动和摩擦轮传动 高速转动的零件同一种零件发生失效的形式可能有数种齿轮的失效形式有 轮齿折断 齿面点蚀 齿面胶合 齿面磨损 齿面或齿体塑性变形 齿轮其他部分的破坏主要失效形式将由零件的材料 具体的结构及工作条件等决定工作能力零件不发生失效时的安全工作的限度同一种零件可能有数种不同的失效形式 显然 起决定作用的将是承载能力中的较小值 零件受载荷作用后发生弹性变形 过度的弹性变形会使零件的机械精度降低 造成较大的振动 引起零件的失效 当作用在零件上的应力超过了材料的屈服极限 零件会产生塑性变形 甚至发生断裂 在高温 载荷的长期作用下 零件会发生蠕变变形 造成零件的变形失效 材质变化失效 由于冶金元素 化学作用 辐射效应 高温长时间作用等引起零件的材质变化 使材料性能降低而发生失效 26 二 机械零件的计算准则 计算准则 用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据常用的计算准则有 1 强度准则强度是零件在载荷作用下抵抗整体断裂 表面接触疲劳及塑性变形的能力2 刚度准则刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力3 寿命准则影响零件寿命的主要失效形式 腐蚀 磨损 疲劳腐蚀寿命 磨损寿命没有提出实用有效的或通行的定量计算的方法疲劳寿命计算通常是求出使用寿命时的疲劳极限来作为计算的依据 27 4 耐磨性准则耐磨性是指磨损过程中材料抵抗脱落的能力 采用条件性计算滑动速度低 载荷大时可只限制工作表面的压强p 防止过快磨损滑动速度u较高时还要限制摩擦功耗 防止加剧磨损或胶合高速时还要限制滑动速度u 防止加速磨损 28 5 振动稳定性准则失稳零件的自振频率f与激振源的激振频率fp相等或相接近时 零件发生共振的现象 即丧失振动稳定性振动稳定性准则使机器中各零件的自振频率与激振源的激振频率错开6 可靠性准则设一批相同零件的件数为N0 如在t时间后仍有N件在正常地工作 则此零件在工作时间t的可靠度R零件的可靠度是时间的函数 29 如何合理的选择和使用工程材料是一项非常重要的工作 在选材时首先应考虑三个基本原则 一 材料的力学性能 1 载荷 应力和性质 2 零件的工况 3 零件的尺寸和质量 通常的方法为 选择出适当的材料并施以恰当热处理 失效形式 疲劳磨损脆断 判断出该零件应追求的力学性能 2 4机械零件材料的选用 30 二 材料的工艺性能 工艺性能的好坏直接影响零件的加工难易程度 三 材料的经济性和供应情况 如果前二项均满足要求后 还应考虑如何使产品的总成本降到最低 总成本 材料价格 零件加工费 研制费等 一 铸造零件的工艺结构 一 起模斜度 二 铸造圆角 在画零件图时 应使零件的结构既能满足使用上的要求 又要方便制造 铸造零件的毛坯时 为了便于从砂型中取出模样 一般沿模样起模方向作成约1 20的写度 叫做起模斜度 在铸件毛坯各表面的相交处 都有铸造圆角 这样既能方便起模 又能防止浇铸铁水时将砂型转角处冲坏 还可避免铸件在冷却时产生裂纹或缩孔 铸造圆角在图样上一般不予标注 常集中注写在技术要求中 2 5零件结构的工艺性 三 铸件壁厚二 零件加工面的工艺结构 一 倒角和倒圆 倒角 为了去除零件的毛刺 锐边和便于装配 在轴和孔的端部 一般都加工成倒角 在浇铸件零件时 为了避免因各部分冷却速度不同而产生缩孔或裂缝 铸件壁厚应保持大致相等或逐渐过渡 倒圆 为了避免应应力集中而产生裂纹 在轴肩处通常加工成圆角的过渡形式 倒角和倒圆的尺寸系列可查阅附表25 26 产生缩孔或裂纹壁厚均匀逐渐过渡 倒角 倒圆 二 螺纹退刀槽和砂轮越程槽 在切削加工时 特别是在车螺纹和磨削时 为了便于退出刀具或使砂轮可以稍稍越过加工面 通常在零件待加工面的末端 先车出螺纹退刀槽和砂轮越程槽 螺纹退刀槽和砂轮越程槽的结构尺寸系列可查阅附表27 24 螺纹退刀槽 砂轮越程槽 三 钻孔结构 用钻头钻出的盲孔 在底部有一个120 的锥角 钻孔深度指的是圆柱部分的深度 不包括锥坑 用钻头钻孔时 要求钻头轴线尽量垂直于被钻孔的端面 以保证钻孔准确和避免钻头折断 35 四 凸台和凹坑 零件上与其他零件的接触面 一般都要加工 为了减少加工面积 并保证零件表面之间有良好的接触 通常在铸件上设计出凸台 凹坑 36 2 6机械设计中的标准化 能以最先进的方法进行大量 集中的制造 提高质量 降低成本 统一材料和零件性能 提高零部件的可靠性 简化设计工作便于互换和机器的维修 37 2 7磨擦 磨损及润滑 一摩擦 摩擦 1要求摩擦阻力小 功耗少 减磨材料 2要求摩擦阻力大 传递动力 耐磨材料 摩擦力 在外力作用下 一物体相对于另一物体运动或有相对运动趋势时在摩擦表面上所产生的切向力 静摩擦 动摩擦 38 摩擦是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象 磨损是由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移 润滑是减轻摩擦和磨损所应采取的措施 关于摩擦 磨损与润滑的学科构成了摩擦学 摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦 磨损和润滑 以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科 世界上使用的能源大约有1 3 1 2消耗于摩擦 如果能够尽力减少无用的摩擦消耗 便可大量节省能源 另外 机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的 如果能控制和减少磨损 则既减少设备维修次数和费用 又能节省制造零件及其所需材料的费用 39 一 干摩擦 表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦 通常将未经人为润滑的摩擦状态当作 干摩擦 处理 滑动摩擦分为 干摩擦 边界摩擦 流体摩擦 混合摩擦 40 边界摩擦 运动副的摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能即化学性质 边界摩擦摩擦系数f 0 1 膜厚比 1 二 边界摩擦 按边界膜形成机理 边界膜分为 反应膜 比较稳定 吸附膜 吸附性不稳定 受温度影响较大 41 四 混合摩擦混合摩擦 摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态 1 3 混合摩擦能有效降低摩擦阻力 其摩擦系数比边界摩擦时要小得多 三 流体摩擦流体摩擦 指运动副的摩擦表面被流体膜隔开 3 4 摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦 摩擦系数最小 f 0 001 0 008 无磨损产生 是理想的摩擦状态 边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分 常统称为不完全液体摩擦 42 二磨损 磨损 运动副之间的摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移 零件的磨损过程 磨合阶段 有利磨损 表面轮廓峰的形状变化表面材料被冷作硬化 剧烈磨损阶段 即将报废阶段 稳定磨损阶段 代表零件使用寿命的长短 结论 力求缩短磨合期 延长稳定磨损期 推迟剧烈磨损的到来 43 磨损2 磨粒磨损 简称磨损 是外部进入摩擦表面的游离硬颗粒或硬的轮廓峰尖所引起的磨损 粘附磨损 胶合 当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处由于瞬时的温升和压力发生 冷焊 后 在相对运动时 材料从一个表面迁移到另一个表面 便形成粘附磨损 疲劳磨损 点蚀 是由于摩擦表面材料微体积在重复变形时所产生的材料疲劳所引起的机械磨损 44 冲蚀磨损流体中所夹带的硬质物质或颗粒 在流体冲击力作用下而在摩擦表面引起的磨损 腐蚀磨损当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀 在摩擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损 微动磨损是指摩擦副在微幅运动时 由上述各磨损机理共同形成的复合磨损 微幅运动可理解为不足以使磨粒脱离摩擦副的相对运动 45 金属摩擦副的滑动摩擦 干摩擦 最不利 边界摩擦 润滑 最低要求 流体摩擦 润滑 混合摩擦 润滑 46 作用 降低摩擦功耗 减少磨损 冷却 吸振 防锈等 分类 液体润滑剂 润滑油 半固体润滑剂 润滑脂 固体润滑剂 1 润滑油 矿物油来源充足 成本低廉 稳定性好 因而应用最广 种类 气体润滑剂 空气 有机油 动 植物油 矿物油 石油产品 化学合成油 三润滑剂 47 在轴承中 润滑油最重要的物理参数是粘度 它是选择润滑油的主要依据 粘度表征液体流动的内摩擦特性 A B两板之间充满了液体 B板静止 A板水平移动速度为v 由于液体与金属表面的吸附作用 A板表面的液体速度为v 而B板表面的液体速度为0 两板之间的速度呈线性分布 液体层与层之间摩擦切应力 流体中任意点处的切应力与该处的速度梯度成正比 液体的动力粘度 简称粘度 量纲 力 时间 长度2 单位 N s m2 Pa s 称为泊 或厘泊 1P 1dyn s cm2 实验结果 分析位置y处薄层的受力 粘度 重要指标 粘度值越高 油越稠 反之越稀 粘度的种类 动力粘度 运动粘度 条件粘度 1 动力粘度 牛顿液体流动定律 1泊 100厘泊 48 工程中常用运动粘度 单位 m2 s 称为斯St cm2 s 或厘斯cSt 1St 100cSt 2 运动粘度 49 3 条件粘度 指在一定条件下 利用某种规格的粘度计 通过测定润滑油穿过规定孔道的时间来进行度量的粘度 常用的有 恩氏度 Et 中国惯用 赛氏通用秒 SUS 美国惯用 雷氏秒 英国惯用 运动粘度与条件粘度之间的换算关系 润滑油的牌号与运动粘度有一定的对应关系 如 牌号为L AN10的油在40 时的运动粘度大约为10cSt 50 润滑油的特性 1 粘 温相关性 温度t 压力p 但p 10Mpa时可忽略 变化很小 粘 温图 L TSA32 L TSA32 L TSA32 L TSA32 选用原则 1 载荷大 温度高的轴承 宜选用粘度大的油 2 载荷小 转速高的轴承 宜选用粘度小的油 粘度值的大小不仅影响摩擦副的运动阻力 而且对润滑油膜的形成及承载能力具有决定性的作用 51 2 润滑性 油性 润滑性是指润滑油中的分子与金属表面吸附形成一边界油膜 以减小摩擦和磨损 润滑性愈好 吸附能力愈强 对于那些低速重载或润滑不充分的场合 润滑性具有特别重要的意义 3 极压性 润滑性能是润滑油中加入含硫 氯 磷的有机极性化合物之后 油中的极性分子在金属表面生成抗磨 耐高压的化学反应边界膜的性能 它在重载 高速 高温条件下 可改善边界润滑性能 4 闪点 润滑油在标准容器中加热所蒸发的油气 遇火焰即能发出闪光时的最低温度 是衡量油易燃性的指标 对于在高温下工作的机器 这是