机械设计基础绪论1章设计概论

机械设计MechanicalDesigning,聊城大学汽车与交通工程学院张翠华,机械设计,课程编号：509020(汽服)409128(车辆)适用专业：机制、汽服、车辆课程性质：专业必修课学时数：48(讲授40，实验8)学分数：3,第0章绪论,重点与难点,掌握本课程的研究对象、性质及学习方法。,教学基本要求,本课程的研究对象及学习方法,第0章绪论,0.1机器的组成与本课程的研究对象,0.1.1机器的组成,医疗机械图,NJP900型全自动硬胶囊填充机,ACM803呼吸机,ACM603麻醉机,1）电动机,2）内燃机,3）风力机,动力机械图,具有较大活动范围、以搬运为主要目的的机械，统称为交通运输机械。,1）汽车,2）飞机,3）轮船,4）海陆空“飞行船”,各类加工机床图,电火花数控线切割机床,CJL06系列仪表车床,农业机械图,林业机械图,MQ-G1300C贴面机,定向结构板生产线成套设备(部分),矿山机械图,轮式装载机,粉碎机,雷蒙磨,双转子反击破碎机,冶金机械图,步进式高速冷床,冷轧机组及酸洗、卷取、分条机组设备,化工机械图,发酵罐,电加热反应锅,WZI型外加热式真空蒸发器,ZJG型内加热搅拌真空干燥机,板框压滤机,振动筛,工程机械图,纺织机械图,纺织机,纺织机,箭杆织机,印刷机械图,罗兰百花(PAPVA)对开机,海德堡（M-OFFSET）四开机,包装机械图,TM1400型半自动贴面机,GR-300型家禽骨肉分离机,食品机械图,Unp-803电动刨冰机,易拉罐封装口生产线,钻探开采机械图,ZQ80y型钻杆钳,950-H旋转器,抽油机,工业机器人,工业机器人的定义：其操作机是自动控制的，可重复编程、多用途，并可对三个或三个以上的轴进行编程。它可以是固定式或移动式。工业机器人包括操作机和控制系统（硬件和软件）。所谓操作机是一种机器，其机构通常是由一系列相互铰接或相对滑动的构件所组成。它通常有几个自由度，用以抓取或移动物体。,机器人焊接,机器人去毛刺,认识机器3,工业机器人,数控加工中的工业机器人,注：左键单击图片可演示视频,工业机器人,示教板用于输入控制命令或控制程序,控制系统用于控制操作机各关节内伺服电机的运动,工业机器人的组成,操作机在控制系统的控制下，实现各种复杂运动。每个关节内有电动机和减速器,机器组成,(1)原动机,(2)传动装置,(3)执行机构,(4)控制系统,原动机部分,轿车组成：,常用机器实例,带式运输机,原动机:,是机械设备完成其工作任务的动力来源。括电动机、内燃机、液压马达、气动机等。,是按执行机构作业的特定要求，把原动机的运动和动力传递给执行机构。如减速器、变速装置。,传动装置：,执行机构：,是机器中最接近作业端的机构，直接与被作业件相接触，以完成作业任务。,机构具有确定相对运动的组合体，是机器的主要组成部分。（传递运动和力或改变运动形式）,机器根据某种使用要求而设计的一种执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料和信息,连杆机构凸轮机构,齿轮机构间歇机构,刚性地连接在一起的零件共同组成一个独立的运动单元体称为构件,连杆是内燃机中的一个构件，它由连杆体1、连杆盖2、轴瓦3、4和5以及螺栓6、螺母7、开口销8等零件构成。,构件（运动的整体）零件（制造的单元）,汽缸体1、,活塞2、,进气阀3、,排气阀4、,连杆5、,曲轴6、,凸轮7、,顶杆8、,齿轮9、10,部件：机械的一部分，由若干装配在一起的零件所组成。在机械装配过程中，这些零件先被装配成部件(部件装配)，然后才进入总装配。某些部件(称为分部件)在进入总装配之前还先与另外的部件和零件装配成更大的部件。,机械零件,六角头螺栓,六角螺母,转轴,孔板式带轮,实心式齿轮,齿轮实物,实物,螺纹连接件实物,通用零部件,圆螺母,六角头螺母,圆螺母用止动垫圈,圆柱螺旋拉伸弹簧,深沟球轴承,弹性套柱销联轴器,专用零部件,曲轴,机械部件,滚动轴承部件,对开式滑动轴承滑动轴承部件,机械零件组成机器的不可拆的基本单元（即制造的基本单元）是机器的基本组成要素。分为：,通用零件：各种机器中常用的。(是本课程的主要学习对象）例如：齿轮、链传动、带传动、轴、联轴器轴承、螺栓、键、弹簧等。,专用零件：只在某些特定的机器中才用到的。（在有关专业课中学习）例如：叶片、曲轴等。,部件为完成同一使命在结构上组合在一起并协同工作的零件。例如：滚动轴承、减速器等。,机械零件常用泛指零件和部件。,机械,机构：由机械零件组成，构件间运动规律,机器：转换机械能，或用机械能作功。,研究内容：,从承载能力出发，考虑结构、工艺、维护等方面来解决通用零件的设计问题。包括如何确定零件尺寸、如何选择材料、精度、表面质量及绘制零件图等。,研究对象：一般参数的通用零部件的设计理论和设计方法。,0.1.2本课程的研究对象及研究内容,0.1.3本课程的性质和任务,技术基础课,任务,2)掌握通用零部件的设计方法和一般规律,3)掌握一定的设计技能,4)了解机械设计的最新动态,1)培养正确的设计思想,三性：设计性、综合性和实践性,四多：公式多、图表多、关系多、系数多,0.1.4学习本课程应注意的问题,特点,学习本课程应注意的问题,）理论联系实际,）抓住本课程的体系,）综合运用先修课程的知识解决机械设计问题,）要理解系数引入的意义,）培养解决工程实际问题的能力,第0章绪论1第1章机械设计总论1第2章带传动4第3章链传动3第4章齿轮传动7第5章蜗杆传动3,课程安排：,第6章轴和轴毂连接4第7章滚动轴承4第8章滑动轴承5第9章联轴器和离合器2第10章连接6,考试成绩计算：,考试成绩=试卷成绩80%+平时成绩10%+实验成绩10%平时成绩包括平时作业，旷课情况以及上课表现。,1了解机械设计的一般步骤和方法；2掌握机械零件常见失效形式和计算准则。,机械零件的失效形式和计算准则。,教学基本要求：,重点与难点：,第1章机械设计总论,第1章机械设计总论,设计具有一定使用功能的机械技术系统。,1.1机械设计概述,一、机械设计的任务,1.1.1机械设计的任务及设计步骤,1）实现能量转换,3）实现物料转换,2）实现信息转换,二、机械设计的基本要求,）使用要求：,)经济性要求（设计制造经济性和使用经济性）,）安全性要求,）其他要求：环保要求外观要求体积重量要求,三方面：生产成本低、使用消耗小、维护费用低。,措施：,1）设计中采用“三化”零部件；,2）应用成熟的新技术、新材料。3）选用高效率设备，减少动力、燃料消耗。,三、机械设计的一般步骤,机械设计是一个创新与借鉴相结合的过程，一般程序如下：,设计任务,调研,总体设计,技术设计,试制,投产,1.1.2机械设计中创新及优化,1）无新技术，但形式上有翻新,2）含有重要的新技术,一、创新,3）具有完全创新的功能,二、优化,1）基于经验的优化设计2）基于计算机的枚举寻优3）数学规划寻优4）人工智能寻优,1.1.4机械设计的最新进展,设计理论的不断完善与发展,设计手段和方法的不断更新。,机械设计的综合程度越来越高,机械设计的实验研究技术有了很大的发展和提高,实验与理论相互结合、相互促进。,1.1.3机械设计中的标准化,1.2机械零件设计概述,一、要求,1.2.1机械零件应满足的要求及设计步骤,1)避免在预期寿命内失效的要求（强度、刚度、寿命）；2)结构工艺性要求（便于加工、装配）；3)经济性要求（材料、加工方法、精度等级）；4)质量小的要求（节约材料、惯性力）；5)可靠性要求；,二、设计方法,2）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。,名义载荷（F、P、T）：力学公式计算出的载荷。,但：由于载荷作用的不平稳性、分布的不均匀性等因素，实际载荷大于名义载荷。载荷系数K,计算载荷(Fc、Pc、Tc)=载荷系数名义载荷,3）选择适当的材料。4）根据零件工作能力准则，确定零件的主要尺寸，并元整和标准化。,a.理论设计,5）画零件图，编写设计说明书。,1）根据使用要求，选择零件的类型和结构。,b.经验设计,根据经验关系式，用类比的方法所进行的设计。,如：箱体、传动件个各结构要素等,c.模型实验设计,把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺寸样机进行实验。,如：飞机、桥梁的风洞实验。,1.2.2机械零件的失效形式及设计准则,一、失效形式,1）失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。,a)失效并不单纯指破坏，破坏只是失效的形式之一。,机械零件的可能失效形式很多，归纳起来主要有强度、刚度、耐磨性、振动稳定性以及温度等方面的失效。,b)同一种零件可能的失效形式往往有若干种。例如：轴在工作中可能产生断裂、过大弹性变形、共振等失效。,注意：,失效分析,零件失效,磨损,表面压溃,过量塑性变形,表面失效,过量弹性变形,打滑,振动失效,断裂,胶合,疲劳点蚀,失效形式（Failuretypes）,过载断裂,疲劳断裂,表面破坏,磨损,冷胶合热胶合,点蚀,塑性变形过大弹变,功能失效,变形过大,胶合,过大振动,综合失效,二、设计准则,1）工作能力：即机械零件在一定条件下抵抗失效的能力。,2）承载能力：对载荷而言的工作能力。（也就是用载荷表示的工作能力）,3）工作能力计算准则：为防止机械零件发生某种失效而应满足的条件。（也可以理解为是机械零件不发生失效的“安全条件”，是设计零件时的理论依据）。,为了防止机械零件在工作中失效，设计时，需要以零件的工作能力计算准则为依据进行必要的计算，常用的计算方法（过程）有两种：,4）设计计算：先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。,5）校核计算：先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件是否满足计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。,a.几个名词,6)载荷,由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。,静载荷,变载荷,按是否考虑动载荷的影响，载荷分为：,名义载荷：在理想平稳条件下所受的载荷。（不考虑动载荷的影响）,计算载荷载荷系数K名义载荷。（代表机器或零件实际所受载荷）,载荷系数K：用于计入在实际工作中受到的各种动载荷的影响。,额定载荷：由原动机的额定功率推算出的载荷。,7)应力,smax最大应力；smin最小应力,sm平均应力；sa应力幅值,r应力比（循环特性）,循环应力,对称循环,脉动循环,常见的循环应力有：,静应力（可看作是循环应力的一个特例）,注：静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产生，也可由静载荷产生。,根据失效原因建立的工作能力判定条件，称为零件的设计计算准则。,1）强度准则,b.设计准则,强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。,强度条件有两种表示方法：,1）用应力表示：,2）用安全系数表示：,注：对于切应力，只须将上述各公式中的换成即可。,2）刚度准则,刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。,例如：机床主轴的弹性变形过大将会影响所加工工件的精度。,刚度条件为：,实际变形量许用变形量或,式中：实际变形量可用相关理论计算或由实验方法确定。许用变形量是保证正常工作所允许的变形量。,注：1）零件材料的弹性模量E越大，则其刚度越大。2）用合金钢代替碳钢能提高零件的强度，但不能提高零件的刚度。,4）振动稳定性准则,当作用在零件上的周期性外力的变化频率接近或等于零件的自激振动频率（固有频率）时，便发生共振，导致零件失效。这种现象称之为“失去振动稳定性”。,振动稳定性准则：使零件的自激振动频率f远离外力变化的频率。即0.85f或1.15f,3）热平衡准则,机械零件若温升过度，将使润滑油黏度下降，润滑失效，零件间加剧磨损并产生胶合，最后导致零件失效，所以要进行热平衡计算，把温升控制在许用范围内，即：,其中温升许用温升,5）摩擦学准则（耐磨性准则）,到目前为止对于磨损失效还没有一个完善的计算方法。通常只进行条件性计算，通过限制影响磨损的主要因素防止产生过大的磨损量。,即压强不超过许用值pp速度不超过许用值压强与速度乘积不超过许用值pp,注：限制p值就是间接的限制因摩擦而产生的热量，防止温度过高。,6）可靠性准则,可靠性是指零件在一定条件下和规定时间内正常工作的能力。用可靠度Rt表示，可靠度指零件在一定的条件下和规定时间内正常工作的概率。,不可靠度为：,N个相同零件在相同条件下同时工作，在规定的时间内有Nf个失效，剩下Nt个仍继续工作，则：,谢谢,曲轴整体断裂实况,返回,疲劳断口,断口对,断口放大,断口放大,返回,断口对,返回,曲轴疲劳断裂断口特征,返回,裂纹源区,疲劳扩展区