第2章机械设计总论

第2章机械设计总论人们为了满足消费和生活的需求，研制了类型繁多、功能各异的机器。蒸汽机出现之后，才使机器具有了完好的形状。§2-1机器的组成一台完好的机器的组成如下：原动机部分传动部分执行部分光滑、显示、照明等辅助部分控制系统传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器1、原动机机器的组成是驱动整个机器以完成预定功能的动力源。它把其它方式的能量转换为机械能。原动机的动力输出绝大多数呈旋转运动的形状，输出一定的转矩。

原动机阅历了如下开展过程：人力、畜力——水力机、风力机——蒸汽机、内燃机、汽轮机、电动机机器的组成风力机机器的组成蒸汽机机器的组成机器的组成机器的组成….2、执行部分机器的组成是用来完成机器预定功能的组成部分。一部机器可以只需一个执行部分，也可以把机器的功能分解成好几个执行部分。机器的组成3、传动安装用来衔接原动机部分和执行部分，它将原动机的运动方式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动方式、运动及动力参数。例如：把旋转运动转换为直线运动；高转速变为低转速；小转矩变为大转矩等。机器的传动部分大多数采用机械传动系统，有时也采用液压或电力传动系统。机械传动系统是绝大多数机器不可短少的重要组成部分。机器实例机器实例控制部分——保证机器的启动、停顿和正常协调动作。传感部分——将机器的任务参数，如位移、速度、加速度、温度、压力等反响给控制部分。辅助部分——包括机器的光滑、显示、照明等。也是保证机器正常任务不可短少的部分§2-2设计机器的普通程序普通而言，机器的设计阶段是决议机器好坏的关键一环。机械设计是一个发明性的任务过程，实际阅历是保证设计质量的重要要素。因此，要求设计者特别留意阅历的积累。一部完好的机器是一个复杂的系统，要提高设计质量，必需有一个科学的设计程序。潘存云教授研制潘存云教授研制技术设计方案设计方案提出义务分析对机器的要求确定义务要求机器功能分析提出能够的处理方法组合几种能够的方案决策——选定方案明确构形要求构造化选择资料、确定尺寸零件设计编制技术文件评价决策—确定构造外形与尺寸评价部件设计总体设计机器设计的普通流程一、方案阶段包括：需求分析、明确功能、制定设计义务书。设计义务书机器的功能经济性估计制造要求的大致估计根本运用要求估计的设计周期二、方案设计阶段对机器的功能进展综合分析、确定功能参数、提出实现方案。在制定功能参数时一定要留意恰当处置需求与能够、理想与现实、长久目的与当前目的等之间的关系。普通而言，实现同一个功能，有多种能够的方案。以螺纹制造为例，有车削、滚压、板牙加工等方法。方法不同，其执行部分的任务原理也不同。因此，存在一个方案的比较和取舍问题。方案评价原那么：经济性、技术上可行。总费用设计制造费用运用费用费用复杂程度经济性——总费用最低。方案设计阶段要正确处置好自创与创新的关系。同类机器的胜利先例该当自创，但其中的薄弱环节和不符合现有义务要求的部分该当加以改良或交换。一味求新而把合理的原有阅历弃置不用保守和照搬原有设计坚决反对为了确定零件的根本尺寸，必需完成以下任务：(1〕机器的运动学设计(2〕机器的动力学设计确定原动机的参数〔功率、转速、线速度等〕。求解构件的运动参数〔转速、速度、加速度等〕。计算构件所受公称载荷〔名义载荷〕大小和特性。三、技术设计阶段绘制总装配草图、部件装配草图，由草图确定零部件的外形、根本尺寸和零件任务图。(3〕零件的任务才干设计(4〕部件装配草图及总装配草图的设计——构造设计(5〕主要零件的校核计算由公称载荷大小和特性，根据任务才干准那么作零部件的初步设计。经过计算或类比得出零件的根本尺寸。以构造设计尺寸为根据，对零件进展准确的受力分析和任务才干校核计算。四、技术文件编制技术文件设计阐明书运用阐明书零件明细表规范件汇总表产品验收条件……技术文件——用来阐明产品性能、设计、制造、操作运用、维护或其他一切与产品相关的文档资料。实例：大型风机叶片运输问题方案阶段需求分析、明确功能、制定设计义务书。型号生产厂商叶片总长L(mm)法兰节园直径ф(mm)螺栓件数及型号支点L1(mm)重心L2（mm）弦长L3(mm)重量（t）预弯（mm）XE96-2000东泰46500211060×M36151008.953000XE93-2000连众45300211060×M36317501410036008.6/XE93-2000惠腾45300211060×M36300001399037008.3514691、国外曾经恳求专利的举升原理图二、方案设计对机器的功能进展综合分析、确定功能参数、提出实现方案。2、改良设计的全新举升原理图1、经过优化的举升机构关键尺寸三、技术设计2、经过优化的举升液压缸布置方式3举升运输配备构造设计四、技术文件编制技术文件设计阐明书运用阐明书零件明细表规范件汇总表实验大纲……湘电风能：大型叶片举升运输配备叶片程度运输时，运输配备图。湘电风能：大型叶片举升运输配备叶片举升一定角度运输图。设计机器的义务是在当前技术开展所能到达的条件下，根据消费及生活的需求提出的。不论机器的类型如何，普通来说，对机器都要提出以下的根本要求：§2-3对机器的主要要求在满足预期功能的前提下，要求性能好、效率高、本钱低，外型美观，在预定运用期限内要平安可靠，操作方便、维修简单。详细要求如下：1、运用功能要求运用功能要求——机器应具有预定的运用功能。这主要靠正确地选择机器的任务原理，正确地设计或选用可以全面实现功能要求的执行机构、传动机构和原动机，以及合理地配置必要的辅助系统来实现。经济性要求——机器的经济性表达在设计、制造和运用的全过程中，设计机器时就要全面综合地进展思索。设计制造的经济性表现为机器的本钱低，运用经济性表现为高消费率高效率、低能耗、以及低的管理和维护费用等。2、经济性要求提高设计和制造经济性目的的主要途径有:〔1〕采用先进的现代设计方法(CAD)，使设计参数最优化,到达尽能够准确的计算结果,保证机器足够的可靠性。〔2〕最大限制地采用规范化、系列化及通用化的零、部件。〔3〕尽能够采用新技术、新工艺、新构造和新资料。〔4〕合理地组织设计和制造过程。〔5〕力求改善零件的构造工艺性，使其用料少、易加工、易装配。〔1〕合理地提高机器的机械化和自动化程度，以期提高机器的消费率。提高运用经济性目的的主要途径有〔2〕选用高效率的传动系统，尽能够减少传动的中间环节，以期降低能源耗费。〔3〕适当地采用防护及光滑，以延伸机器的运用寿命。〔4〕采用可靠的密封，减少或消除渗漏景象。(1)要使机器的操作者方便和平安。因此设计时要按照人机工程学的观念布置各种按钮、手柄，使操作方式符合人们的心思和习惯，同时，设置完善的平安安装、报警安装、显示安装等。(2〕改善操作者及机器的环境。所设计的机器应符合劳动维护法规的要求。降低机器运转时的噪声程度，防止有毒、有害介质的渗漏，对废水、废气和废液进展治理。3、劳动维护要求机器的可靠度——指在规定的运用时间〔寿命〕内和预定的环境下机器可以正常任务的概率。机器由于某种缺点而不能完成预定的功能称为失效，它是随机发生的，其缘由是零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和力学性能等要素是随机变化的。为了提高零件的可靠性，就该当在任务条件和零件性能两个方面使其变化尽能够小。4、寿命与可靠性要求其他公用要求——针对不同机器所特有的要求。例如：(1)对机床有长期坚持精度的要求；(2)对飞机有质量小，飞行阻力小而运载才干大的要求；(3)对流动运用的机器有便于安装和装配的要求；(4)对大型机器有便于运输的要求等。5、其它公用要求机械零件的失效：机械零件由于某种缘由不能正常任务时，称为失效。任务才干——在不发生失效的条件下，零件所能平安任务的限制。通常此限制是对载荷而言，所以习惯上又称为承载才干。§2-4机械零件的主要失效方式例如，发生剧烈的振动，联接的松弛，摩擦传动的打滑等。整体断裂过大的剩余变形任务外表的过度磨损或损伤破坏正常的任务条件零件的失效方式机械零件虽然有多种能够的失效方式，归纳起来最主要的为：整体断裂过大的剩余变形任务外表的过度磨损或损伤整体断裂过大的剩余变形破坏正常的任务条件任务外表的过度磨损或损伤整体断裂过大的剩余变形机械零件失效实例：潘存云教授研制轮齿塑性变形潘存云教授研制齿轮轮齿折断潘存云教授研制轴承内圈破裂潘存云教授研制轴承外圈塑性变形潘存云教授研制齿面接触疲劳潘存云教授研制轴瓦磨损失效缘由:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等统计结果显示：断裂仅占4.79%;腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%，是主要失效缘由。▲防止在预定寿命期内失效的要求▲构造工艺性要求▲经济性要求▲质量小的要求▲可靠性要求机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足根本要求，就必需使组成机器的零件满足以下要求：§2-5设计机械零件时应满足的根本要求▲防止在预定寿命期内失效的要求▲构造工艺性要求▲经济性要求▲防止在预定寿命期内失效的要求▲构造工艺性要求▲质量小的要求▲经济性要求▲防止在预定寿命期内失效的要求▲构造工艺性要求提高零件强度的措施有：▲采用高强度的资料▲使零件具有足够的截面尺寸▲合理设计零件的截面外形，增大惯性矩▲采用热处置和化学处置方法提高资料的强度性能▲提高零件的制造精度，以减少任务时的动载荷▲合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷1.强度要求应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。一、防止在预定寿命期内失效的要求2.刚度要求零件在任务时的弹性变形不能超越允许的范围称为零件的刚度要求。提高零件刚度的措施有▲增大零件的截面尺寸或增大惯性矩；▲缩短支承的跨距或采用多点支承。3.寿命要求影响零件寿命的主要要素有大部分零件任务在变应力下，疲劳破坏是引起零件破坏的主要缘由。影响疲劳强度的要素有疲劳破坏腐蚀磨损▲应力集中▲零件的尺寸大小▲零件外表质量及环境情况零件处在腐蚀性介质中任务时，能够使资料遭到腐蚀。抗腐蚀的措施有▲外表发兰〔发黑〕▲外表镀层▲外表涂漆▲外表阳极化二、构造工艺性要求零件工艺性良好的标志——在详细的消费条件下，零件要便于加工而加工费用又很低。工艺性的根本要求：(1)毛坯选择合理制备方法：选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。毛坯选择与消费批量、资料性能和加工能够性有关。单件或小批量消费时，选用棒料、板材、型材或焊件。大批量消费时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。(2)构造简单合理▲最好采用平面、柱面、螺旋面等简单外表及其组合▲尽量减少加工面数和加工面积▲尽量采用规范件▲添加一样外形、一样元素〔直径、圆角半径、配合、螺纹、键、齿轮模数等〕的数量(3)合理的制造精度和外表粗糙度零件的加工本钱随精度和外表粗糙度的提高而急剧添加。决不能盲目追求高精度，应在满足运用要求的前提下，尽量采用较低的精度和外表质量。(4)尽量减小零件的加工量▲毛坯外形和尺寸应尽量接近零件本身的外形和尺寸。力求使少或无切削加工，节约资料、降低本钱▲尽量采用精细铸造、精细锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进工艺满足上述要求欲设计出工艺性良好的零件，设计者必需谦虚向工艺技术人员和一线工人学习，在实际中积累阅历。三、经济性要求零件的经济性首先表如今零件的消费制造本钱上。▲简化零件的构造，降低资料耗费▲采用无余量、少余量的毛坯，减少加工工时▲采用廉价而充足的资料替代昂贵资料▲大型零件采用组合构造而非整体构造▲尽量采用规范件四、质量小的要求减小质量的益处节约资料；减小惯性，改善机器的动力性能。减小质量的措施：▲采用缓冲安装来降低零件所受冲击载荷▲采用平安安装来限制造用在零件所受最大载荷减小质量的措施(续)：▲从零件应力较小处削减部分资料，以改善零件受力的均匀性，提高资料的利用率▲采用与任务载荷方向相反的预载荷，以降低零件的任务载荷▲采用轻型薄璧冲压件或焊接件替代铸造、锻压件▲采用强重比高的资料五、可靠性要求零件的失效是随机发生的，其缘由是零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和机械性能等要素是随机变化的。为了提高零件的可靠性，就该当在任务条件和零件性能两个方面使其变化尽能够小。§2-6机械零件的计算准那么▲强度准那么▲刚度准那么设计零件时，首先应根据零件的失效方式确定其设计准那么以及相应的设计计算方法。普通来讲，有以下几种准那么：——确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最根本的设计准那么——确保零件不发生过大的弹性变形▲强度准那么▲刚度准那么▲寿命准那么▲振动稳定性准那么▲可靠性准那么——通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关——高速运转机械的设计应注重此项准那么——当计及随机要素影响时，仍应确保上述各项准那么▲寿命准那么▲振动稳定性准那么▲可靠性准那么▲寿命准那么▲振动稳定性准那么强度准那么是指零件中的应力不得超越许用值。即：一、强度准那么σ≤σlimσlim——资料的极限应力脆性资料σlim=σB(强度极限)塑性资料σlim=σS(屈服极限)为了平安起见，引入平安系数S，得σ≤σlim/S或σ≤[σ]S为大于1的数，S过大，虽平安但浪费资料；S过小，虽节省资料，但趋于危险。——许用应力二、刚度准那么是指零件在力作用下的弹性变形量不得超越许用值。即y≤[y]三、寿命准那么影响零件运用寿命的要素主要是腐蚀、磨损和疲劳。前两者还没有成熟的计算方法，工程中通常是求出运用寿命时的疲劳极限作为计算的根据。四、振动稳定性准那么保证机器中受激振零件的固有频率与激振源的频率错开，即要求：fp<0.85f或fp>1.15f假设不满足条件，可采取如下措施：▲改动零件及系统刚性▲增减支承▲调整支承的位置▲隔离激振源▲采用阻尼元件以减小零件的振幅▲改动零件及系统刚性▲调整支承的位置▲增减支承▲改动零件及系统刚性▲调整支承的位置▲隔离激振源▲采用阻尼元件以减小零件的振幅▲增减支承▲改动零件及系统刚性▲调整支承的位置五、可靠性准那么可靠度的定义：对件数为N0的一批零件进展实验，经过时间t之后有N件仍能正常任务，那么该零件在该实验环境条件下任务时间t的可靠度定义为R=N/N0假设t↑R↓N↓——R是时间的函数。假设在时间t+dt内，又有dN个零件失效，那么dt内零件的失效的比率定义为——失效率“-〞表示dN的增大将使N减少。即零件可靠度的另一个目的是两次失效之间的平均无缺点时间m〔MTBF〕，m与λ的关系为M=1/λ分别变量并积分得§2-7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实际设计阅历设计模型实验设计常规设计方法是指采用一定的实际分析和计算，结合人们在长期的设计和消费实际中总结出的方法、公式、图表等进展设计的方法。(1)实际设计根据长期实际总结出来的设计实际和实验数据所进展的设计。1、常规设计方法以受拉杆为例，强度计算公式为σ≤σlim/S或F/A≤σlim/SF——拉力，A——截面积。设计计算A≥FS/σlim校核计算有四种可选方式σ=F/A≤[σ]F≤A[σ]Sca=σlim/σ≥Sσlim≥SσSca——计算平安系数阅历设计——根据对某类零件已有的设计与运用实际而归纳出的阅历公式，或根据设计者本人的设计阅历用类比的方法所进展的设计。这对于那些运用要求变化不大而构造外形已典型化的零件，是很有效的设计方法。例如箱体、机架、传动件的构造要素等。〔2〕阅历设计模型实验设计——把初步设计的零、部件或机器做成小模型或小尺寸样机，经过实验的手段对其特性进展检验，根据实验结果再对设计进展逐渐修正，到达完善。这种方法对于那些尺寸宏大而构造又很复杂的重要零件的设计是一种很有效的方法。〔3〕模型实验设计现代设计方法是指在近二三十年开展起来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。2、现代设计方法§2-8机械零件设计的普通步骤(1)根据零件的运用要求，选择零件的类型和构造。为此，必需对各种零件的不同类型、优缺陷、特性和运用范围等，进展综合对比与正确选用。(2)根据机器的任务要求，计算作用在零件上的载荷。(3)根据零件的任务条件及对零件的特殊要求(如高温环境等)选择适当的资料。(4)根据零件的失效方式，确定零件的计算准那么，通过计算，确定零件的根本尺寸。(5)根据工艺性和规范化，进展零件的构造设计。(6)细节设计完成之后，必要时进展详细的校核计算，以断定构造的合理性。(7)绘制零件任务图，并撰写计算阐明书。选择零件类型、构造写出计算阐明书画出零件任务图校核计算计算零件上的载荷确定计算准那么选择零件的资料确定零件的根本尺寸结构设计零件的设计流程图黑色金属有色金属铸铁钢1、金属资料一、常用资料低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)合金钢(1Cr18〕……灰铸铁(TH300)球墨铸铁(QT500-5)……§2-9机械零件资料的选用原那么铝合金(LY12)铜合金(ZCuSn10P1)铸铁——灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。特点：良好的液态流动性，可铸呵斥外形复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性〔指灰铸铁〕、本钱低廉。运用：运用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。〔1〕铸铁钢——低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢、构造钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、铸钢等。特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处置方法改善其力学性能和加工性能。〔2〕钢高分子资料——塑料、橡胶、合成纤维。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光滑的轴承衬。塑料——塑料的密度小，易于制成外形复杂的零件，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运用日益广泛。2、高分子资料复合资料陶瓷——强如钢、轻如铝、硬如金刚石。——强度高、弹性模量大、质量轻。3、陶瓷3、陶瓷4、复合资料二、机械零件资料的选用原那么适用于制造机械零件的资料种类非常之多，在设计机械零件时，如何从各种各样的资料中选择出适宜的资料，是一项受多方面要素所制约的复杂的任务。设计者应根据零件的用途、任务条件和资料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济要素等进展全面思索。脆性资料——只适用于制造在静载荷下任务的零件；1.载荷及应力的大小和性质这方面的要素主要是从强度观念来思索的，应在充分了解资料的机械性能的前提下来进展选择。金属资料的性能普通可以经过热处置加以提高和改善，因此要充分利用热处置手段来发扬资料的潜力。对于常用的调质钢，由于其回火温度的不同，可得到力学性能不同的毛坯。塑性资料——适用于在有冲击情况下任务的零件。2.零件的任务情况指零件所处的环境特点、任务温度、摩擦磨损程度等。▲在湿热环境下任务的零件，其资料应具有良好防腐蚀才干，可选用不锈钢、铜合金等▲两配合零件的线膨胀系数不能相差过大假设相差过大。一方面在，温度变化时产生过大热应力或使配合松动，另一方面要思索资料机械性能随温度而变化的情况。▲零件在任务中能够发生磨损的外表，应提高其外表硬度，添加耐磨性，因此应选择淬火钢、渗碳钢、氮化钢零件的尺寸及质量的大小与资料的种类及毛坯制取方法有关。3.零件的尺寸及质量▲用铸造资料制造毛坯时，普通可以不受尺寸及质量大小的限制▲而用锻造资料制造毛坯时，那么须留意锻压机械及设备的消费才干▲应尽能够选用强重比大的资料，以便减小零件的尺寸和质量铸造资料：液态流动性、收缩率、偏析和缩孔倾向性4.零件构造的复杂程度及资料的加工能够性构造复杂：铸造或板材冲压后焊接；构造简单：锻造法制毛坯锻造资料：延展性、热脆性、塑性变形的才干焊接资料：焊接性、焊缝产生裂纹倾向性资料热处置：可淬性、变形、热处置介质浸透才干冷加工工艺：硬度、易切削、冷作硬化▲资料的加工费用5.资料的经济性资料的经济性主要表如今以下几方面：▲资料本身的相对价钱▲资料的利用率▲采用组合构造▲节约稀有资料选材时还应思索到当时当地资料的供应情况。为了简化供应和储存的资料种类，对于小批制造的零件，应尽能够地减少同一部机器上运用的资料种类和规格。6.资料的供应情况各种资料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。为了资料供应和消费管理上的方便，应尽量减少一台机器所用资料的种类。表2-2常用钢铁资料的牌号及力学性能材料力学性能试件尺寸类别牌号强度极限σB屈服极限σS延伸率%mmQ215335～41021531碳素构造钢Q235375～46023526d≤16Q275490～610275202041024525优质碳素构造钢3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金构造钢40Cr9817859d≤2520CrMnTi107983410d≤1560Mn9817858d≤80ZG270-50050027018铸钢ZG310-57057031015d≤100ZG42SiMn60038012HT150145——灰铸铁HT200195——HT250240——壁厚10～20QT400-15400250