教学材料《静力学》-第3章

3.1机械概述3.1机械概述在长期生产生活实践中，人类为厂满足自身的需要，设计和制造厂种类繁多、功能各异的机器，以提高生产效率，减轻劳动强度。这些机器小到压水用的卿筒，提升重物的辘护，大到万吨压力机，塔吊;从家用缝纫机、自行车到车间里的金属切削机床、矿井中的挖掘机;从公路上奔驰的汽车、大海里航行的海轮到蓝天上翱翔的飞机。无论是哪种机器，它们都执行机械运动，转换或传递能量，它们的用途、性能、构造、工作原理虽然各不相同，但内在的本质特征却是一样的。3.1.1机器的组成图3.1所示为牛头刨床，主要用于块类零件金属粗切削加工。牛头刨床的动力源是电动机，通过带传动机构、齿轮机构、导杆机构、升降螺杆等，使滑枕带动刨刀沿床身导槽往复返回下一页上一页3.1机械概述移动，工作台带动工件沿螺杆轴线上下移动，完成对工件的切削加工。图3.2所示为内燃机。其中，曲柄、连杆、活塞和气缸共同组成一个可将活塞往复运动转换为曲柄连续回转的机构;凸轮、气阀组成控制气体进出的配气机构。工作时，曲柄将气体膨胀产生的压力转换为扭矩和转速输出，以带动其他机构工作3.1.2有关术语和概念机器是由许多机械零件组合而成。所谓零件是机械制造过程中不可拆的最小单元。机械零件可分为两大类:一类是在各种机器中经常都能用到的零件，称为通用零件，如齿轮、链轮、涡轮、螺栓、螺母等，如图3.3所示;另一类则是在特定类型的机器中才能用到的零件，称为专用零件，如内燃机的曲轴、汽轮机叶片等，如图3.4所示。返回下一页上一页3.1机械概述根据机器功能、结构要求，将多个零件固联成没有相对运动的刚性组合，成为机器中独立运动的单元称为构件。如图3.5所示，连杆是内燃机中一个重要的构件，它由螺栓、螺母、连杆体、轴套等零件刚性组合而成。从运动的角度看，机器是由若干机构组成的，机构的功能是实现机器所必须的机械运动。机构具有机器的部分特征，即机构是人为实体组成的，各运动实体之间具有确定的相对运动的装置。机构由若干构件组成，各构件之间具有确定的相对运动。使各个构件相互接触，而又具有确定相对运动的连接，称为运动副。返回下一页上一页3.2机械设计基础概述3.2机械设计基础概述3.2.1课程研究的对象和目的机械设计基础的研究对象是:常用机构和通用零部件的工作原理、运动特点、结构特点、设计计算的基本理论和方法及有关标准规范。这些常用机构和通用零件的工作原理、设计理论和计算方法，对于专用机械和专用零件的设计也具有一定的指导意义。3.2.2机械零件的一般设计准则机械设计的日的是为人类的生产和生活提供满足使用性能要求、安全可靠的机械产品。任何一个机械零件都应在满足强度、刚度以及稳定性要求的前提下，经济适用。一、失效返回下一页上一页3.2机械设计基础概述机械零件在预定的时间内和规定的条件下，不能完成正常的功能，称为失效。机械零件的失效形式主要有断裂、过大的残余应变、表面磨损、腐蚀、零件表面的接触疲劳和共振等。机械零件的失效形式与许多因素有关，取决于该零件的工作条件、材质、受载状态及其所产生的应力性质等多种因素。即使是同一种零件，由于材质及工作情况不同，可能出现不同的失效形式。如齿轮工作时，由于受载情况不同，可能出现断裂、齿面塑性变形、齿面磨损等不同形式的失效。二、设计准则失效是因为机械零件的强度、刚度、耐磨性以及振动稳定性不能满足工作要求。根据失效原因制定厂相关的设计准则，并作为防止失效和进行设计计算的基本依据。机械零件设计的准则包括:强度设计准则、刚度设计准则、耐磨性设计准则、振动稳定性设计准则和可靠性设计准则。

返回下一页上一页3.2机械设计基础概述强度是保证机械零件正常工作的基本要求。为厂避免零件在工作中发生突然断裂或者发生过大的塑性变形，必须使零件有足够的体积强度，满足强度设计准。刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。若零件刚度不够，将产生过大的挠度或转角而影响机器正常工作，例如若车床主轴的弹性变形过大，会影响加工精度。为使零件有足够的刚度，设计时必须满足刚度设计准则，零件荷载后的线性变形，转角变形和扭角变形不得超过许用的变形量。耐磨性是在载荷作用下相对运动的两零件表面抵抗磨损的能力。在滑动摩擦下工作的零件，常因载荷大、转速高，过度磨损而失效。影响磨损的因素很多，通过限制零件工作表面的单位压力和相对滑动速度，采用良好的润滑、提高零件表面硬度和表面质量可以提高耐磨性。返回下一页上一页3.2机械设计基础概述当周期性载荷的作用频率接近零件的固有频率时，零件的振幅急剧增加，在短时间内导致零件甚至系统的破坏，造成事故。所谓振动稳定性是指机器在工作时不得发生超过容许的振动现象机械零件应有足够的寿命。影响零件寿命的主要因素有腐蚀、磨损和疲劳遗憾的是至今还没有提出实用且有效的腐蚀及磨损计算方法，也没有相应的设计准则，因而只能做条件性的计算。疲劳寿命，通常是算出使用寿命时的疲劳极限作为计算的依据。3.2.3机械设计的基本要求及程序一、机械设计的基本要求功能要求:所设计的机器应能实现预定功能，如工作部分的运动形式、速度、运动精度和平稳性、需要传递的功率，以及某些使用上的特殊要求(如高温、防潮等)。

返回下一页上一页3.2机械设计基础概述安全可靠性要求:应使产品和零件在规定的外载荷和规定的工作时间内，能正常工作而不发生断裂、过度变形、过度磨损并不丧失稳定性;此外所设计的产品应能实现对操作人员的防护，保证人身安全和身体健康;设计产品时应考虑对周围环境和人员不致造成危害和污染，同时也要保证机器对环境的适应性。标准化要求:设计的机械产品的规格、参数应符合国家标准的要求，通用零件和部件应最大程度的与同类产品实现互换。经济性要求:在产品整个设计周期中，必须把产品设计、销售及制造3方面作为一个系统考虑，用价值工程理论指导产品设计，正确使用材料，采用合理的结构尺寸和工艺，以降低产品的成本。设计机械系统和零部件时，应尽可能标准化、返回下一页上一页3.2机械设计基础概述通用化、系列化，以提高设计质量、降低制造成本。其他要求:机械产品外形应美观，便于操作和维修。二、机械设计的一般程序机械产品设计过程是智力活动过程，它体现厂设计人员的创新思维活动，设计过程是逐步逼近解答方案并逐步完善的过程。如图3.6所示。明确设计任务:机械设计是为实现预定日标的有日的的活动，明确设计日标(任务)是设计成功的基础。明确设计任务包括定出技术系统的总体日标和各项具体的技术要求，这是设计、优化、评价和决策的依据。机械系统总体设计:是根据机器性能要求进行功能性设计研究。总体设计包括确定工作部分的运动和阻力、选择原动机的种类和功率、选择传动系统、机械系统的运动和动力计算、确定各级传动比和各轴的转速、转矩及功率。返回下一页上一页3.2机械设计基础概述技术设计又称结构设计。其任务是根据总体设计的要求，确定机械系统各零部件的材料、形状、数量、空间相互位置、尺寸、加工和装配，并进行必要的强度、刚度、可靠性设计。有儿种方案时，需进行评价决策最后选择最优方案。样机试制阶段是通过样机制造、样机试验，检查机械系统的功能及整机、零部件的强度、刚度、运转精度、振动稳定性、噪声等方面的性能，随时检查及修正设计图纸，以更好地满足设计要求。图纸和工艺修改阶段是根据样机试验、使用、测试、鉴定所暴露出的问题，进一步修正设计，以保证完成系统功能，并验证各工艺的正确性，以提高生产率、降低成本，提高经济效益。返回下一页上一页3.3机械零件材料的选用原则3.3机械零件材料的选用原则在机械零件的设计中，材料及热处理方法的选择至关重要，直接影响到机械零件工作的可靠性和经济性。机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金、非金属材料(如塑料、橡胶等)，在机械制造中也得到广泛的应用相关材料的数据和性能可通过机械零件设计手册查找。材料的选择主要考虑零件的使用性能要求、制造工艺性要求和经济性要求。3.3.1机械零件使用性能对材料的要求零件的荷载情况及其主要失效形式对材料选用提出要求。脆性材料原则上只适合于静载荷下工作的零件，在动载荷和冲击载荷下工作的零件应选用塑性材料;当零件的接触工作应力较高时，应选用可进行表面强化处理的材料;对于尺寸仅返回下一页上一页3.3机械零件材料的选用原则取决于强度的零件，应选用高强度材料;尺寸仅取决于刚度的零件，选材时应考虑较大的弹性模量。零件的工作条件和工作状况对材料选用提出要求。在高温下工作的零件应选用耐热材料;在湿热、有腐蚀性物质的环境下工作的零件，应选用防锈、防腐能力强的材料，如不锈钢;在滑动摩擦条件下工作的零件，应选用减摩性好的材料，如锡青铜此外，减轻零件的质量也是选择零件材料需要考虑的重要因素，特别在航空、航天飞行器设计中，质量和尺寸限制严格，多采用铝合金材料。3.3.2机械零件制造工艺性对材料的要求选择机械零件的材料时，应综合考虑毛坯制造工艺性、材料的热处理工艺性和零件的切削加工工艺性对材料的要求。返回下一页上一页3.3机械零件材料的选用原则3.3.3机械零件制造经济性对材料的要求经济性首先表现为材料的相对价格，应在满足使用性能和工艺性能要求前提下，尽可能选择相对价格低廉的材料。对质量不大但加工量非常大的零件，加工费用，即:材料的加工性能是选材时需要着重考虑的因素。返回下一页上一页3.4现代设计方法简介机械设计质量的高低，直接影响机械产品的技术水平和经济效益。机械设计过程是“设计一评价一再设计”的反复过程。传统的机械设计方法，以实践经验为基础，依据力学和数学建立的理论公式和经验公式，运用数表、图形和手册等技术资料，进行方案拟定、设计计算、绘图并编写设计说明书。3.4.1有限单元法(FiniteElementMethod)有限单元法是20世纪60年代出现的一种数值计算方法。最初用于固体力学问题的数值计算，20世纪70年代在英国科学家Zienkiewicz0.C等人的努力下，将它推广到各类场问题的数值求解，如温度场、电磁场，也包括流场有限单元法离散方程的获得方法主要有直接刚度法、虚功原理推导、泛函变分原理推导或加权余量法推导。一般采用加权余量法推导。返回下一页上一页3.4现代设计方法简介3.4.2可靠性设计(ReliabilityDesign)可靠性设计是保证机械及其零部件满足给定的可靠性指标的一种机械设计方法。包括对产品的可靠性进行预计、分配、技术设计、评定等工作所谓可靠性，则是指产品在规定的时间内和给定的条件下，完成规定功能的能力。它不但直接反映产品各组成部件的质量，而且还影响到整个产品质量性能的优劣。可靠性分为固有可靠性、使用可靠性和环境适应性。可靠性的度量指标一般有可靠度、无故障率、失效率3种。可靠性设计在机械设计方面的运用研究始于20世纪60年代，首先应用于军事和航天等工业部门，随后逐渐扩展到民用工业。3.4.3优化设计(OptimizationDesign)优化设计是从多种方案中选择最佳方案的设计方法。返回下一页上一页3.4现代设计方法简介优化设计以数学中的最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设计所追求的性能日标，建立日标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方案。第二次世界大战期间，在军事上首先应用厂优化技术。1970年，C.S.贝特勒等用儿何规划解决厂液体动压轴承的优化设计问题后，优化设计在机械设计中得到应用和发展。随着数学理论和电子计算机技术的进一步发展，优化设计已逐步形成为一门新兴独立的工程学科，并在生产实践中得到了广泛的应用。3.4.4并行设计(ParallelDesign)并行设计是一种对产品及其相关过程(包括设计制造过程和相关支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。与传统的串行设计相比，并行设计更强调在产品开发的初期阶段，要求产品的设计开发者从一开始就要考虑产品整个生命周期返回下一页上一页3.4现代设计方法简介(从产品的工艺规划、制造、装配、检验、销售、使用、维修到产品的报废为止)的所有环节，建立产品寿命周期中各个阶段性能的继承和约束关系及产品各个方面属性间的关系，以追求产品在寿命周期全过程中其性能最优。通过产品每个功能设计小组，使设计更加协调、产品性能更加完善，从而更好地满足客户对产品综合性能的要求，并减少开发过程中产品的反复，进而提高产品的质量、缩短开发周期并大大降低产品的成本。3.4.5计算机辅助设计(ComputerAidedDesign)计算机因其运算速度快、数据处理准确、存储量大，并具有逻辑判断功能等优点，已成为现代工程设计中分析计算、综合决策、数据和图形处理以及运用各种现代设计方法时不可替代的重要工具。这种人机交互式的设计方法，称为计算机辅助设计(CAD)。返回下一页上一页3.4现代设计方法简介3.4.6PRO/E简介(Pro/Engineer)Pro/E是美国参数技术公司(Parametric