机械设计绪论

1、机械设计绪论机械设计绪论第第1页页/共共49页页1-1引言1-1 机械设计总论 机械工业机械工业发展水平是一个发展水平是一个国家现代化建设国家现代化建设水平的重要标志水平的重要标志肩负着为国民经肩负着为国民经济各个部门提供济各个部门提供装备的重任。装备的重任。 机械设计是生产产品的第一道工机械设计是生产产品的第一道工序，产品的创新是机械设计的序，产品的创新是机械设计的“灵魂灵魂”。第第2页页/共共49页页1-1引言1-1 机械设计总论一、机械的定义一、机械的定义 具有确定相对运动的构件组合具有确定相对运动的构件组合能实现能量转换或作有用功能实现能量转换或作有用功（机器（机器+机构）机构）例：例

2、：电动机电动机 电电能能 机械能机械能挖掘机挖掘机内内燃机：热能燃机：热能机械能机械能驱动液压系统驱动液压系统铲斗作功铲斗作功第第3页页/共共49页页1-1引言1-1 机械设计总论 二、机器的组成二、机器的组成原动机原动机工作机工作机传动装置传动装置控制系统控制系统功能角度：功能角度：传动装置传动装置原动机原动机工作机工作机皮带运输机传动简图皮带运输机传动简图第第4页页/共共49页页1-1引言1-1 机械设计总论 第第5页页/共共49页页1-1引言1-1 机械设计总论 第第6页页/共共49页页1-1引言1-1 机械设计总论 认识机器4 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

3、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第第7页页/共共49页页1-1引言1-1 机械设计总论 制造安装角度制造安装角度运动角度运动角度零部件组成零部件组成（机械原理）（机械原理）机构组成机构组成连连杆杆注意：零件注意：零件构构件区别件区别第第8页页/共共49页页1-1引言1-1 机械设计总论 认识机器5工业机器人操作机电机底座轴壳减速器滚子轴承基座第第9页页/共共49页页1-2机器的基本组成要素1-1 机械设计总论机械零件机械零件是机器的制造制造单元。 通用零件通用零件：各种机器中常用的。 (是本课程的主要学习对象） 例如：齿轮

4、、链传动、带传动、轴、联轴器轴承、螺栓、例如：齿轮、链传动、带传动、轴、联轴器轴承、螺栓、 键、铆、焊结构件、弹簧等。键、铆、焊结构件、弹簧等。 专用零件专用零件：只在某些特定的机器中才用到的。（在有关专业课学习） 例如：叶片、曲轴等。例如：叶片、曲轴等。 部件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通用零件 专用零件 第第10页页/共共49页页1-2机器的基本组成要素1-1 机械设计总论 三、机械设计一般程序三、机械设计一般程序运动与动力学设计运动与动力学设计施工设计施工设计控制系统设计调试控制系统设计调试方案设计方案设计设

5、计任务分析设计任务分析明确设计目的、要求明确设计目的、要求拟定系统组成、方案选择拟定系统组成、方案选择考虑结构、公差工艺要求，考虑结构、公差工艺要求，绘装配图、零件图绘装配图、零件图调试测试控制功能调试测试控制功能确定原动机功率、零件运确定原动机功率、零件运动动力参数动动力参数工程试验、修改设计工程试验、修改设计第第11页页/共共49页页1-2机器的基本组成要素1-1 机械设计总论 四、机械零件设计步骤四、机械零件设计步骤选择材料选择材料分析失效形式、设计准则、定形状和主要尺寸分析失效形式、设计准则、定形状和主要尺寸按工艺、标准规范要求，圆整设计尺寸按工艺、标准规范要求，圆整设计尺寸确定零件上

6、的载荷确定零件上的载荷建立计算模型建立计算模型拟定零件的计算简图拟定零件的计算简图工程试验、修改设计工程试验、修改设计第第12页页/共共49页页1-2机器的基本组成要素1-1 机械设计总论 五、机械设计的基本要求五、机械设计的基本要求功能要求可靠性要求社会性要求经济性要求第第13页页/共共49页页1-3本课程的性质和内容和特点1-2机械设计课程简介一、本课程的性质和内容一、本课程的性质和内容内容：主要介绍通用零件的设计和计算内容：主要介绍通用零件的设计和计算 掌握机械设计基础理论掌握机械设计基础理论任务：任务： 具备设计具备设计传动装置传动装置及简单机械的能力及简单机械的能力 培养机械装置整体

7、构思能力培养机械装置整体构思能力原动机与执行机构之间传递运动动力的装置第第14页页/共共49页页二、本课程的特点二、本课程的特点 涉及面广涉及面广 实践性强实践性强不仅要读懂书，还要多联系实际，要注重实践性环节。不仅要读懂书，还要多联系实际，要注重实践性环节。 无重点又都是重点无重点又都是重点设计工作必须详尽，细小的疏忽也会导致严重事故设计工作必须详尽，细小的疏忽也会导致严重事故。 设计无统一答案设计无统一答案更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维。更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维。1-2机械设计课程简机械设计课程简介介本课程的特点关系多关系多：与诸多先修课关系密切。与诸多先修课

8、关系密切。要求多要求多：机器或零件应同时满足强度、刚度、耐磨性、工机器或零件应同时满足强度、刚度、耐磨性、工 艺等各方面的要求。艺等各方面的要求。门类多门类多：通用零件类型多；各类零件设计方法各有不同。通用零件类型多；各类零件设计方法各有不同。公式多公式多： 除定义式外，大多数公式着重公式的应用、不强除定义式外，大多数公式着重公式的应用、不强调公式的推导。调公式的推导。 图表多图表多：要求能看懂、会用，了解适用的范围和变化趋势。要求能看懂、会用，了解适用的范围和变化趋势。第第15页页/共共49页页三、注意的几个问题三、注意的几个问题 着重学习零件的设计方法设计方法以及零件参数的合理选择参数的合

9、理选择。 除了理论分析和计算理论分析和计算以外，更应重视零件结构设计零件结构设计的学习。 设计决非只是计算。 性能要求与经济性 永远是一对矛盾，应学会合理地解决这一对矛盾。 经验设计经验设计与现代设计现代设计 二者均重要，前者是后者的基础。注意的问题 1-2机械设计课程简机械设计课程简介介第第16页页/共共49页页1-4机械零件的计算准则1-3 机械零件的计算准则一、几个名词一、几个名词1）失效概念（）失效概念（Failure）例例:齿面磨损、断齿、疲劳断轴齿面磨损、断齿、疲劳断轴综合综合失失效效注意：失效并不单纯指破坏，破坏只是失效的形式之一。规定功能规定功能规定使用条件下规定使用条件下规定

10、的寿命期限内规定的寿命期限内零零件件失效失效不能完成不能完成第第17页页/共共49页页1-4机械零件的计算准则1-3 机械零件的计算准则2）失效形式）失效形式 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。注意： 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。(1) 整体断裂整体断裂过载断裂过载断裂疲劳断裂疲劳断裂(2)表面破坏表面破坏磨损磨损冷胶合冷胶合热胶合热胶合点蚀点蚀胶合胶合塑性变形塑性变形过大弹变过大弹变(3)变形变形 过大过大(4) 过大振动过大振动(5)功能失效why计算准则计算准则

11、第第18页页/共共49页页1-4机械零件的计算准则1-3 机械零件的计算准则失效形式认知失效形式认知齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂整体断裂整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂（过载），或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。第第19页页/共共49页页1-4机械零件的计算准则1-3 机械零件的计算准则失效形式认知失效形式认知整体断裂整体断裂在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。初始裂初始裂纹源纹源裂纹扩裂纹扩展区展区最终瞬最终瞬断区断区第第20页页/共共49页页1-4机械零件的计算准则1-3 机械零件的计算准则失效形式认知失效形式认知齿轮齿面塑形变形轴承外圈

12、塑性变形作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。第第21页页/共共49页页1-4机械零件的计算准则1-3 机械零件的计算准则失效形式认知失效形式认知轴瓦磨损齿面接触疲劳 零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。第第22页页/共共49页页1-4机械零件的计算准则1-3 机械零件的计算准则3）工作能力： 即机械零件在一定条件下抵抗失效的能力。4）承载能力： 即用载荷表示的工作能力。5）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产生失效，设计时，需要

13、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： 1）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。 2）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。 第第23页页/共共49页页载荷和应力11-3机械零件的计算准则二、载荷和应力二、载荷和应力（2）载荷算法）载荷算法名义载荷：名义载荷：F原动机功率原动机功率 工作机阻力工作机阻力（理想工况）（理想工况）F公式推算公式推算计算载荷：计算载荷：Fca=K F载荷系数：载荷系数：K考考虑外载变化、零件载荷不均等影响虑外载变化、零

14、件载荷不均等影响1、载荷分类、载荷分类随机随机Ft周期周期Ft（1）载荷性质）载荷性质静载荷：静载荷：变载荷：变载荷：常矢)(tFF变变矢矢 )(tFF第第24页页/共共49页页载荷和应力11-3机械零件的计算准则2、应力分类、应力分类(Stress type)(1)静应力：静应力：t常常矢矢 )(t (2)变应力：变应力：稳定变应力稳定变应力t随机随机t非稳定变应力非稳定变应力规律性、非稳定规律性、非稳定t变变矢矢 )(t 第第25页页/共共49页页载荷和应力23 应力参数机械零件的计算准则2minmaxm2minmaxamax最大应力； min最小应力m平均应力； a应力幅值 应力比（循环

15、特性）maxminr循环应力注意：五个参数中有二个独立注意：五个参数中有二个独立第第26页页/共共49页页载荷和应力3对称循环脉动循环常见的循环应力有：对称循环应力r = -1、 m0脉动循环应力 r=0、 min0静应力 r=1静应力（可看作是循环应力的一个特例）1-3机械零件的计算准则注：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。另外，应力还分为名义应力：根据名义载荷求得的应力计算应力：根据计算载荷求得的应力第第27页页/共共49页页强度准则三、计算准则三、计算准则1-3机械零件的计算准则第第28页页/共共49页页强度准则一）、强度（整体强度、表面强度）准则一

16、）、强度（整体强度、表面强度）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： Slim2）用安全系数表示：SSlimS式中：计算最大应力lim极限应力计算安全系数SS许用应力许用安全系数注：对于切应力，只须将上述各公式中的 换成 即可。1-3机械零件的计算准则事事1 1事事2 2查表查表事事1 1事事2 2查表查表第第29页页/共共49页页静应力下的强度1 1 静应力下的强度静应力下的强度 在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形或断裂。材料种类不同，所取极限应力也不同。塑性材料 单向应力状态下： slimslim，复合应力状态

17、下： 按第三或第四强度理论计算当量应力。 脆性材料 单向应力状态下： ，blimblim复合应力状态下： 按第一强度理论计算当量应力。 1-3机械零件的计算准则注：1）对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁），在计算静强度时，可不考虑应力集中的影响。 2）对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算静强度时，应考虑应力集中的影响。第第30页页/共共49页页接触强度2 循环应力下的强度循环应力下的强度计算变应力下的强度时，应取 疲劳极限 （详见第二章）。 limrN3 3 许用安全系数许用安全系数 S 合理选择许用安全系数 是设计中的一项重要工作。 过大，则机器会过于笨重；过小，可能不安全。因

18、此，在保证安全的前提下，应尽可能选用较小的许用安全系数。 的取值主要受下列因素的影响SSS 1） 计算的准确性； 2）材料的均匀性； 3）零件的重要性。4 表面接触疲劳强度表面接触疲劳强度 对于高副零件，理论上是点、线接触，但实际上在载荷作用下材料发生弹性变形后，理论上的点、线接触变成了很小的面接触，在接触处1-3机械零件的计算准则第第31页页/共共49页页接触强度2局部会产生很高的应力，这样的应力称为表面接触应力，用 表示。 的大小用赫兹公式计算，公式见教材。HH1-3机械零件的计算准则 实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的。例如齿轮的轮齿，接触啮合时受应力作用，脱离啮合时不受应力作

19、用。 在接触循环应力作用下的强度称为表面接触疲劳强度。强度条件为： HH接触循环应力作用下的失效形式是：疲劳点蚀（简称点蚀）。点蚀的危害： 1）破坏零件的光滑表面，引起振动和噪音。 2）减小零件的有效工作面积。 第第32页页/共共49页页接触强度21-3机械零件的计算准则对于线接触的情况，其接触应力可用赫兹应力公式计算。22212121H1111EEBF 式中1和2 分别为两零件初始接触线处的曲率半径, 其中正号用于外接触，负号用于内接触。第第33页页/共共49页页挤压强度及刚度准则5 5 表面挤压强度表面挤压强度 两零件之间为面接触时，在载荷作用下，接触表面上产生的应力称为挤压应力，用 表示

20、。 p 在挤压应力作用下的强度称为挤压强度，其强度条件为： pp 挤压应力作用下，接触面的失效形式是“压溃” 。注：相互挤压表面上的挤压应力相等。二）刚度准则二）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：机床主轴的弹性变性过大将会影响所加工工件的精度。1-3机械零件的计算准则第第34页页/共共49页页刚度准则及振动稳定性1-3机械零件的计算准则刚度条件为：实际变形量许用变形量式中：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

21、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。三）振动稳定性准则三）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：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fF。 即 fF 0.85 f 或 fF 1.15 f第第35页页/共共49页页耐磨性计算1-3机械零件的计算准则四）、摩擦学准则四）、摩擦学准则 （耐磨性计算） 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

22、磨损量。 即 压强不超过许用值 p p 速度不超过许用值 V V 压强与速度乘积不超过许用值 pV pV 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。五）温度对机械工作能力的影响五）温度对机械工作能力的影响热平衡计算：热平衡计算： t t 第第36页页/共共49页页耐磨性计算1-4机械零件的标准化 标准化就是要通过对零件的尺寸、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。 标准化的益处：标准化有利于保证产品质量，减轻设计工作量，便于零部件的互换和组织专业化的大生产，以降低生产成本。 与设计有关的标准:国际标准国家标准行业标准企业标准等如： ISOGB

23、 JB、HBQB 国标分为：强制标准和推荐标准强制性国家标准：代号为GB (为标准序号) (为批准年代)强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。推荐性国家标准：代号为GBT ，这类标准占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的效果。 第第37页页/共共49页页1-5机械零件常用材料和选择原则：铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1).黑色金属有色金属铁钢高分子材料复合材料陶瓷金属材料非金属材料：塑料、橡胶、合成纤维：强如钢、轻如铝、硬如金刚石：强度高、弹性模量大、质量轻 ：灰铸铁、球墨铸铁(如：TH300 QT500-5) ：低碳钢、中碳钢、高碳钢、

24、合金钢(如：08F 45 60 1Cr18）一、常用材料材料工艺性能材料工艺性能 材料物化性能材料物化性能 材料力学性能材料力学性能 第第38页页/共共49页页1-5机械零件常用材料和选择原则1）钢）钢铸钢车削钢按加工方法分类、耐酸钢、耐热钢等；特殊性能钢：有不锈钢具、量具、模具等；工具钢：制作工具、刀及构件；结构钢：制作一般零件按用途分类以上）高碳钢（）中碳钢（以下）低碳钢（按含碳量分类合金钢碳素钢按化学成份分类钢%6 . 0%60. 025. 0%25. 0第第39页页/共共49页页1-5机械零件常用材料和选择原则2）铜合金）铜合金 在机械中，各部分的联接是靠运动副实现的。而在运动副中，为

25、了提高结构的可靠性、耐磨性、降低成本（维修）等原因，大量使用衬套、或轴瓦等零件。而这些零件的材料大多是铜合金。 铜合金主要有：铜锌合金、含锡青铜、无锡青铜。3）非金属材料）非金属材料 非金属材料的种类繁多，在工程上也发挥着重要的作用。例如橡胶密封垫、传动带、树脂材料制作摩擦片、塑料手柄等等。 第第40页页/共共49页页1-5机械零件常用材料和选择原则二、 材料选择原则材料选择原则3.材料的经济性材料的经济性 注意：材料的供应注意：材料的供应按照综合指标和局部品质原则来选择材料。1 使用要求使用要求1） 载荷、应力的大小和性质；载荷、应力的大小和性质；2） 零件的工作情况（环境）零件的工作情况（

26、环境）3 ）零件的尺寸及质量；）零件的尺寸及质量；4）零件的重要程度等）零件的重要程度等2 工艺要求工艺要求1） 零件结构及材料的加工可能性（毛坯：铸造、焊接、锻造）零件结构及材料的加工可能性（毛坯：铸造、焊接、锻造）2 2）机械加工机械加工 ( (材料的宜切削性能及已切削表面的粗糙度等材料的宜切削性能及已切削表面的粗糙度等 ) )3)3)热处理热处理(热处理对改善材料的力学性能有很大的作用热处理对改善材料的力学性能有很大的作用) 第第41页页/共共49页页1-5机械零件常用材料和选择原则学习中注意：学习中注意： 类型类型受力分析受力分析失效形式失效形式设计准则设计准则设计计算设计计算结构设计

27、结构设计第第42页页/共共49页页1-1引言1-1 机械设计总论 二、机器的组成二、机器的组成原动机原动机工作机工作机传动装置传动装置控制系统控制系统功能角度：功能角度：传动装置传动装置原动机原动机工作机工作机皮带运输机传动简图皮带运输机传动简图第第43页页/共共49页页1-2机器的基本组成要素1-1 机械设计总论 四、机械零件设计步骤四、机械零件设计步骤选择材料选择材料分析失效形式、设计准则、定形状和主要尺寸分析失效形式、设计准则、定形状和主要尺寸按工艺、标准规范要求，圆整设计尺寸按工艺、标准规范要求，圆整设计尺寸确定零件上的载荷确定零件上的载荷建立计算模型建立计算模型拟定零件的计算简图拟定零件的计算简图工程试验、修改设计工程试验、修改设计第第44页页/共共49页页三、注意的几个问题三、注意的几个问题 着重学习零件的设计方法设计方法以及零件