机械设计第二章课件VIP

1,第二章机械设计总论,电子科技大学凌丹,机械设计,机器的组成,设计机器的一般程序,对机器的主要要求,机械零件的主要失效形式,4,1,2,3,设计机械零件的一般要求,5,主要内容,主要内容,机械零件的设计准则,机械零件的设计方法,机械零件设计的一般步骤,机械零件的材料及其选用,9,6,7,8,现代设计方法简介,10,第二节设计机器的一般程序,提出任务,明确构形要求,计划,方案设计,技术设计,根据确定的结构方案确定原动件参数（功率、转速、线速度）确定各运动部件的运动参数（转速、速度、加速度）,机器的运动学设计,机器的动力学计算,零件的工作能力设计,装配草图设计,主要零件校核,计算各主要零件所受的名义载荷,依据零件的设计准则和名义载荷，确定零部件的基本尺寸,绘制部件装配草图绘制总装配草图协调各零件的结构及尺寸,精确计算零件上的载荷修改零件的结构和尺寸,技术设计阶段,第二节设计机器的一般程序,2、传动比分配,3、计算各轴的转速,1、选择电动机,4、计算各轴的转矩,5、齿轮传动设计,6、轴及轴类零件的设计与选择,7、绘制装配图和零件图,设计说明书：包括机构方案说明与相关计算；齿轮、轴、轴承、键等零件的计算与校核。,第二节设计机器的一般程序,例：减速器设计过程,第二节设计机器的一般程序,轴的零件图,滑动轴承装配图例,减速器装配图例,2020/6/6,12,原理方案图,结构设计草图,总装配图,第三节机器应满足的要求,使用功能的要求（performance）经济性要求（cost）劳动保护和环境保护要求（safety）寿命与可靠性的要求（reliability）其他专用要求,第四节机械零件的主要失效形式,基本概念,failure,capability,机械零件的主要失效形式,主要失效形式整体断裂拉、压、弯、剪、扭过大的残余变形塑性变形、加工，热处理零件的表面破坏腐蚀、接触疲劳、磨损破坏正常工作条件引起的失效打滑、共振、胶合,整体塑变,齿轮轴断裂,轮齿磨损,机械零件失效的实例：,机械零件失效的实例：,齿轮轮齿折断,轴承内圈破裂,轴承外圈塑性变形,轮齿塑性变形,被联件相对滑移,被联件拉断,机械零件失效的实例：,齿面接触疲劳,轴瓦磨损,零件的失效形式受到很多因素的影响，如：工作环境、材料、载荷性质、润滑状况等。,统计结果显示：断裂仅占4.79%;腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%。,第五节设计机械零件时应满足的基本要求,第五节设计机械零件时应满足的基本要求,一、避免在预定寿命期内失效,1.强度准则,材料的极限应力,零件的工作应力,脆性材料：lim=B(强度极限),塑性材料：lim=S(屈服极限),适用于以断裂、疲劳破坏和残余变形为主要失效的零件的设计。,一、避免在预定寿命期内失效,一、避免在预定寿命期内失效,考虑到各种偶然因素的影响，引入安全系数S，得：,S为大于1的数，S过大，虽安全但浪费材料；S过小，虽节省材料，但趋于危险。,1.强度准则,一、避免在预定寿命期内失效,1.强度准则,提高强度的措施,2.刚度准则,零件在力作用下的弹性变形量不得超过许用值,机床主轴、导轨等弹性变形过大会机器性能的零件，除了满足强度要求之外，还应满足一定的刚度要求。,影响零件使用寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲劳，机械零件的工作能力随着其工作时间的增加而衰退。,3.寿命准则,零件正常工作的时间称为零件的寿命。,腐蚀和磨损寿命没有成熟的计算方法，只能采用近似计算。,二、良好的结构工艺性,二、良好的结构工艺性,分布在同一圆周的螺栓数目，宜取偶数，以便在圆周上钻孔时，分度和划线。,足够的扳手空间,二、良好的结构工艺性,二、良好的结构工艺性,三、经济性要求,简化零件的结构，降低材料消耗；,采用无余量、少余量的毛坯，减少加工工时；良好的工艺性，减少加工和装配成本；,采用廉价而充足的材料代替昂贵材料；,大型零件采用组合结构而非整体结构；,尽量采用标准件。,零件的经济性首先表现在零件的生产制造成本上。,四、质量小的要求,减小零件质量的好处：,节约材料。,减小惯性；改善机器的动力性能。,便于运输。,参数不确定性：尺寸参数（制造精度）设计参数（数据不足）,模型不确定性：（1）材料各向同性；（2）小变形及线弹性；（3）简化的简支梁；（4）圆柱体接触；（5）齿轮都是刚性体。,五、可靠性要求,机械零件设计过程中存在不确定因素,五、可靠性要求,齿根弯曲性能函数,疲劳接触性能函数,设计变量：,设计参数：,五、可靠性要求,五、可靠性要求,可靠性reliability,产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。,Theabilityofasystemoracomponenttoperformitsrequiredfunctionsunderstatedconditionsforaspecifiedperiodoftime.,TheIEEEDefinition,五、可靠性要求,五、可靠性要求,五、可靠性要求,基于统计的可靠度：在规定的时间和规定的条件下，设备无故障完成规定功能的概率。,基于模型的可靠度：基于SSI模型得到的强度大于应力的概率,可靠性的定量描述,六、振动稳定性准则,在设计时应使机器中各个零件的固有频率f与激振源的频率fp错开。通常应保证,fp0.85f或fp1.15f,高速运转机器容易产生振动，零件的受迫振动频率与固有频率接近时，将会产生共振（resonance）。,第七节机械零件的设计方法,机械零件的设计方法,机械零件的设计方法,常规设计方法,现代设计方法,理论设计,经验设计,模型实验设计,常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。,1.理论设计,根据长期的总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计。,以受拉杆为例，强度条件公式为：,F-拉力，A-杆横截面面积。,设计计算公式,校核计算公式,用于已知载荷和零件材料时，设计截面尺寸。,用于零件强度校核和确定许可载荷。,2020/6/6,48,2.经验设计根据经验关系式，用类比的方法所进行的设计。如：箱体的结构设计,3.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。,第八节机械零件设计的一般步骤,选择零件类型、结构,Y,N,机械零件设计的一般步骤,零件尺寸计算值一般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格加以圆整。一般，机器中仅部分零件通过计算确定其形状和尺寸，其余的零件则仅根据工艺要求和结构要求进行设计。结构设计是机械零件的重要设计内容之一。,几点说明,第九节机械零件的材料及其选用,材料的种类材料力学指标及热处理方法（补充内容）材料的选择原则,一、机械零件的常用材料,1、黑色金属,铸铁、钢,铸铁-灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁,特点：良好的液态流动性；较好的减震性、耐磨性、切削性、成本低廉。,含碳量2.11%的铁碳合金。,按化学成分分类：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢按用途分类：结构钢、工具钢、特殊钢按成形方法分类：铸钢、锻钢按品质分类：普通钢、优质钢、高级优质钢,特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。,碳（Carbon)存在于所有的钢材，是最重要的硬化元素。有助于增加钢材的强度，刀具级别的钢材拥有0.6%以上的碳，即高碳钢。铬（Chromium)Cr增加耐磨损性，硬度，最重要的是耐腐蚀性，含铬量13%以上的称为不锈钢。,钢材中常用的合金元素及其对钢性能的影响,锰（Manganese）Mn有助于生成纹理结构，增加坚固性，和强度、及耐磨损性。在热处理和卷压过程中使钢材内部脱氧，出现在大多数的刀具用钢材中。钼（Molybdenum）Mo碳化作用剂，防止钢材变脆，在高温时保持钢材的强度。,镍（Nickle）Ni保持强度、抗腐蚀性、和韧性。硅（Silicon）Si有助于增强强度。和锰一样，硅在钢的生产过程中用于保持钢材的强度。钨（Tungsten）W增强抗磨损性。将钨和适当比例的铬或锰混合用于制造高速钢。钒（Vanadium）V增强抗磨损能力和延展性，用于制造条纹钢。,钢材中常用的合金元素及其对钢性能的影响,2、有色金属,铜合金,青铜以锡（Sn）为主要合金,黄铜以锌（Zn）为主要合金,轴承合金（巴氏合金）,特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。,(1)高分子材料:塑料、橡胶,3、非金属材料,橡胶-橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。,橡胶轴承,2020/6/6,60,塑料-塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。,3、非金属材料,(2)陶瓷,硬度高、耐磨、耐腐蚀，用于制作密封件、切削刀具、滚动轴承。,陶瓷轴承的应用领域：医疗器械、低温工程、光学仪器、高速机床、高速电机、印刷机械、食品加工机械。,(3)复合材料,将两种或两种以上的具有明显不同的物理和力学性能的材料符合制成。用于航空、航天等高科技领域。,carbonfiber碳纤维,具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性。,金属陶瓷,常用于制造制造切削刀具、高温轴承飞机和导弹的结构件、发动机活塞、化工机械零件；火箭、导弹、超音速飞机的外壳、燃烧室的火焰喷口。,二、材料的力学指标及热处理方法,硬度Hardness,硬度是材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划裂的能力。表示硬度的单位常规表示有布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、里氏（HL）硬度等，其中以HB及HRC较为常用。HB与HRC两者区别在于硬度计之测头不同，布氏硬度计的测头为钢球，而洛氏硬度计的测头为金刚石.,HeatTreatmentofSteel钢的热处理,热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。热处理可大幅度地改善金属材料的工艺性能和使用性能，绝大多数机械零件必须经过热处理。退火Annealing正火Normalization淬火Quenching回火Tempering表面硬化CaseHardening,标准晶粒度等级（放大100倍）,晶粒越细,金属的塑性越好。,铁碳相图,铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。,Annealing退火,将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。Softenamaterialandmakeitmoreductile,torelieveresidualstress.消除冷加工产生的内应力;降低硬度，提高延展性；改善切削加工性能。,Normalizing正火（常化）,将钢件加热到一定温度，保温适当时间后,在自由流动的空气中均匀冷却。正火的目的是使钢的组织正常化，亦称常化处理。作为最终热处理正火可以细化晶粒，使组织均匀化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。作为预先热处理截面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理（淬火加高温回火）前常进行正火。改善切削加工性能。,Quenching淬火,将钢加热到一定温度，保温一定时间后快速冷却的热处理工艺称为淬火。常用的冷却介质是盐水、水或油。提高硬度。,Tempering回火,钢件淬火后,为了消除内应力并获得所要求的组织和性能,将其加热一定温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。低温回火工件在250以下进行的回火。淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性中温回火工件在250500之间进行的回火。目的是得到较高的弹性和屈服点，适当的韧性。高温回火工件在500以上进行的回火得到强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。,CaseHardening表面硬化,使零件表面有一定的硬度而芯部有很好的塑性。表面硬化方法渗碳淬火渗氮淬火表面喷丸,感应加热表面淬火,火焰加热表面淬火,气体渗碳炉,三、机械零件材料的选用原则,为零件选择符合工作要求的材料与精确确定载荷及应力是同样重要的。,载荷及应力的大小和性质,零件的工作情况,零件的结构及加工性,材料的经济性,零件的尺寸及重量,选材的一般原则,第十节机械零件设计中的标准化,零件的标准化,通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。,意义：1)制造上可以实现以最先进的方法专业化大批量生产用途最广的零件，既可提高产品质量，又能降低成本；,2)可减少设计工作量；,4)管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。,机械零件设计中的标准化,3)统一了材料和零件的性能指标，便于比较；,标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准代号为：ISOGBJB、HBQB,推荐性标准（GB/T）-鼓励企业自愿采用。,标准性质,强制标准（GB）-必须强制执行；,机械零件设计中的标准化,将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品,零部件的通用化,将用途、结构相近的零部件经过统一后实现互换，如螺栓和轴承。,产品质量标准化,设计、加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。,机械零件设计中的标准化,第十一节机械零件的现代设计方法,机械零件的现代设计方法,计算机辅助设计技术（CAD）优化设计可靠性设计并行设计技术虚拟设计拓扑优化设计,CAD-ComputerAidedDesign,在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员进行工作。利用计算机进行大量的计算；数字的、文字的或图形的设计信息，能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，利用计算机完成将草图变为工作图的繁重工作；设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。,CAD的功能,产品方案设计结构设计与分析产品性能分析与仿真产品结构的可装配性检查自动生成产品的设计文档资料设计文档的管理及产品数控加工仿真,在波音777飞机的设计中，波音公司共投入9台IBM大型计算机，2200台工作站，位于日、美、英三国技术人员共4000余名，组成200多个工作团队，通过计算机网络实现跨国共同设计。,波音777飞机的无纸化生产,整个飞机的设计图样达35000多张，三个国家的设计人员均采用CAD系统工作，各部分的配合验证、数据的修改、工作讨论都是通过网络进行的，从而实现了无纸化设计。在波音777飞机开始试飞之前，公司就向用户提供计算机模型装置，使他们能尽早开始训练驾驶员。在第一架飞机交付使用之前，驾驶员