机械设计 第2章+机械设计总论学习课件

俞爱林广东工业大学机电学院电话：39322212EMAIL：allan75@126.com机械设计

DesignofMachinery

第2章机械设计总论2-1机械的组成2-2

设计机器的一般程序2-3

对机器的主要要求2-4机械零件的主要失效形式及其设计准则2-5

设计机械零件时应满足的基本要求2-6

机械零件的设计方法及步骤2-7机械零件的材料及其选用2-8

机械零件设计过程中的标准化本章重点：掌握机械零件的主要失效形式一、机器的组成§2-1机器的组成原动机部分传动部分控制系统执行部分辅助系统，例如：润滑、显示、照明等产品规划结构方案设计原理方案设计总体设计施工设计试制、批量生产、销售可行性报告设计任务书原理方案图结构设计草图总装配图部装图、零件图技术文档机械设计基础内容§2-2设计机器的一般程序计划方案设计技术设计技术文件的编制一、机器的主要要求§2-3对机器的主要要求使用功能要求

能够准确实现预定的功能经济性要求劳动保护和环境保护要求寿命与可靠性要求

预定的寿命内不能失效，工作可靠其他专用要求失效：丧失预定功能或预定功能指标降低到许用值以下。失效的主要形式是破坏，但不仅仅指破坏。常见主要失效形式有：断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂表面点蚀：工作表面片状剥落塑性变形：零件发生永久性变形过大弹性变形表面破坏过大振动和噪声、过热等例如轴可能的失效形式：断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振强度问题刚度问题耐磨性问题Fn§2-4机械零件的主要失效形式及其设计准则一、机械零件的常见失效形式工作能力：不失效条件下零件的安全工作限度这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又常称为“承载能力”如：吊钩最大起重量——50kN工作能力或承载能力——50kN工作能力准则：衡量零件工作能力的指标对零件设计，针对其主要失效形式选择适合的工作能力准则进行设计具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则、耐热性准则50kN二、设计准则—工作能力准则1强度准则机械零件工作能力的最基本准则强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力强度准则：工作应力≤许用应力

σ≤[σ]或τ≤[τ]针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形典型零部件：轴、齿轮、带轮等正应力：剪应力：极限应力表面磨损:p≤[p](比压、压强)→耐磨性表面压溃:p≤[p](挤压应力)→挤压强度接触疲劳:

H≤[H](接触应力)→接触强度(点蚀)（齿轮为例）表面强度→疲劳破坏整体断裂(脆性材料)过大的残余变形（塑性材料）→整体

破坏静强度→疲劳断裂(塑、脆性材料)→疲劳强度整体强度变应力静应力动画1

动画2动画3齿轮、滚动轴承等2刚度准则刚度：材料抵抗弹性变形的能力刚度准则：实际变形量≤许用变形量弯曲刚度：挠度条件：y≤[y]

倾角条件：θ≤[θ]

扭曲刚度：扭角条件：j≤[j]针对失效形式：过大的弹性变形典型零部件：轴、蜗杆等Fn3耐磨性准则耐磨性：零件抗磨损的能力磨损是相当复杂的物理化学过程影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂的化学性质和物理性质等具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损耐磨性准则：

P

针对失效形式：零件表面破坏典型零部件：齿轮、轴承、链等4耐热性准则高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、附加热应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间的间隙，降低精度等耐热性准则：工作温度低于许用值针对失效形式：高温引起的润滑不良、蠕变典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等7振动稳定性准则共振：当机器的自振固有频率f与周期性激振频率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值振动稳定性准则：0.85f>fp

或

1.15f<fp针对失效形式：共振产生的工作失常典型零部件：轴等8其它

破坏正常工作条件引起的失效（联接松动、带传动打滑、腐蚀、过热高温蠕变......）一、零件的基本要求§2-5设计机械零件时应满足的基本要求

避免在预定寿命期内失效的要求

强度、刚度、寿命

结构工艺性要求

经济性要求

质量小的要求

可靠性要求

可靠度=正常工作数／总数理论设计经验设计模型实验设计关键:①σ的计算②σlim的取值①设计计算②校核计算强度条件：其中选类型载荷计算确定计算准则选材确定基本尺寸结构设计校核画零件工作图等。§2-6机械零件设计的方法与步骤一、设计方法—常规、现代二、设计步骤钢和铸铁，其次是有色金属和非金属1金属材料（1）铸铁含Ｃ＞2％的铁碳合金称为铸铁→良好的液态流动性（易成型）、吸振、耐磨、价廉。（2）钢

含Ｃ量＜2％的铁碳合金称为钢→具有高的强度、韧性和塑性，可用热处理改变其特性按化学成分，钢分为：

A.碳素钢低碳钢(C)<0.25%、中碳钢(C)=0.25%～0.55%

高碳钢(C)＞0.55%(性质取决于含碳量,含碳量越高，则强度越高）

B.合金钢（加入了合金元素的钢）§2-7机械零件的材料及其选用一、常见材料按用途钢分为结构钢（制造各种机械零件和工程结构的构件）

工具钢（制造各种刃具、模具和量具）

特殊钢（如不锈钢、耐热钢、耐酸钢等，用于…)（3）铜合金青铜和黄铜

黄铜铜和锌的合金，塑性和流动性好，可辗压和铸造

青铜减摩和抗腐蚀较好2非金属材料（1）橡胶弹性好，能吸收震动和缓和冲击（2）塑料

比重小，易于制成形状复杂的零件，应用越来越广泛1目的2方法退火退火、正火、淬火、回火、表面热处理正火将零件加热到某一温度→保温→随炉冷却加热到某一温度→保温→较快冷却(例空冷)→消除内应力,硬度减小→改善切削性能

（1）改变金属内部结构提高材料力学性能（2）消除内应力(加工,热处理)→韧度,强度有所提高消除内应力(不如退火)二、材料的热处理淬火回火硬度大大提高→耐磨性,疲劳强度提高内应力增大→需消除(回火)→综合力学性能较好(强度、硬度、塑性、韧性)→重要零件调质内应力及脆性均较大↓,硬度↓,弹性↑→弹簧内应力及脆性均↓,硬度及强度均较高→刀具高温～→加热到某一温度→保温→急速冷却

将淬硬的钢件加热到某一温度(较低)→保温→冷却(空冷)低温～→中温～→表面热处理强化零件表面→表面淬火,化学热处理→表面硬度及耐磨性↑芯部韧性不变将某种化学元素(活性原子)渗入零件表面→力学性能↑→表面很硬,芯韧表面硬度、耐磨性、抗蚀性、疲劳强度↑→表面迅速加热→急冷→低温回火渗碳(碳原子):氮化(氮原子):氰化(碳+氮):表面淬火化学热处理弹性极限：sP抗拉强度：sB屈服强度：sS硬度：HBS:布氏硬度硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般HBS<450HRC、HRB、HRA:洛氏硬度120º金刚石锥体，载荷150kgf,不能测硬、脆的薄层零件HV:维氏硬度136º金刚石四角锥体，载荷小，5-30kgf(千克力,9.8N

)三种硬度单位之比较：HV(维氏)≈HBS(布氏)；HRC(洛氏)×10≈HBSspsSsBesABCDE三、材料的力学指标使用要求：使用环境、载荷性质、结构、重要程度...工艺要求：零件及其毛坯的形状、批量、加工方法...经济要求：材料价格结合加工费用、材料利用率...四、材料的选择原则通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、制图要求等，制定出各式各样的大家共同遵守的标准。产品标准化包括

产品品种规格的系列化

零部件的通用化

产品质量标准化产品标准化的优点节约材料能源,降低成本,提高质量.具有互换性.统一零件性能指标,提高可靠性.缩短设计制造周期.减少刀具和量具规格.§2-8机械零件设计中的标准化分类使用强制性推荐使用（GB/T）：制图、公差、形位、模数……

标准直径手册必须执行（GB）：运用范围→国际ISO、国