沈理工机械设计第三版教案第2章 机械设计总论

主讲人：马星国第二章机械设计总论教学要求:了解机械设计一般步骤和方法，掌握机械零件常见失效形式和计算准则教学的重点与难点:1．机械设计的一般程序2．失效形式和计算准则2.1机器的组成原动机部分＋传动部分＋执行部分＋控制系统＋辅助系统2.2机械设计的基本要求及设计程序2.2.1机械设计的基本要求（1）对机械设计的要求·对机器使用功能方面的要求：要注意协调、平衡！设计经济性·对机器经济性的要求使用经济性要有最佳的性能价格比（2）对机械零件设计的基本要求·在预定工作期限内正常、可靠地工作，保证机器的各种功能·要尽量降低零件的生产、制造成本（3）对机器的设计要求和对机械零件的要求：两者相互联系、相互影响2.2.2机械设计的一般程序分为四个阶段：要求学生从总体上了解四个阶段，每个阶段的任务！·计划阶段·方案设计阶段·技术设计阶段·技术文件编制阶段阶段小批生产试销阶段小批生产试销市场调研可行性研究投产试制、试验技术设计原理方案设计投产试制、试验技术设计原理方案设计目标目标设计任务书定出最佳方案装配图零件图样机评价考核工艺性产品及其它技术文件改进收集用户意见销售对具体的机器，其设计程序可能各不相同。2.3对机器的主要要求（1）使用功能要求（2）经济性要求（3）劳动保护和环境要求（4）可靠性要求（5）其它专用要求2.4机械零件的主要失效形式失效：（定义）零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能时，称为失效失效形式：（1）整体断裂此处讲清楚静强度断裂和疲劳强度断裂的区别！（2）过大的残余变形弹性变形和塑性变形的区别！材料力学认为只要材料屈服即破坏。（3）零件的表面破坏过渡弹性变形、塑性变形，表面疲劳（点蚀、片蚀、剥落）等破坏形式。（4）破坏正常工作条件引起的失效带传动打滑。2.5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的要求强度刚度寿命讲清楚什么是强度？什么是刚度？（二）结构工艺性要求（三）经济性要求（四）质量小的要求（五）可靠性要求2.6机械零件的设计准则工作能力：零件不发生失效时的安全工作限度称为~计算准则：以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件工作能力计算依据的基本原则，称为~（1）强度准则——极限应力——计算安全系数——静强度最重要的设计准则之一！（2）刚度准则刚度：零件在载荷作用下抵抗变形的能力按强性力学或材料力学方法计算变形量许用变形量y——可以是挠度、偏转角或扭转角（3）寿命准则影响寿命的因素——腐蚀、磨损和疲劳，它们有着不同的破坏机理。·对于腐蚀目前尚无有效的寿命计算方法；·对于磨损由于其机理复杂，缺少工程化的定量计算方法，往往采取条件性计算：耐磨性准则：耐磨性——是指作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力磨损的后果：表面形状破坏，强度削弱、精度下降、振动、噪音→破坏80%零件失效的基本原因是磨损。准则：·疲劳寿命计算目前被广泛采用。（4）振动和稳定性准则——高速机械或对噪声有特别要求的机械振动是噪声产生的原因要求机械振动频率远离机械的固有频率，特别是一阶固有频率f，即如不满足可采取的措施：1）改变机械及零件的刚度；2）采取减振措施（5）可靠性准则可靠性表示系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力指标：可靠度表示零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率N个相同零件在同样条件下工作（同时），在规定的时间内有个失效，剩下个仍继续工作，则不可靠度（失效概率）：n个零件组成的串联系统，单个零件的可靠度分别为R1、R2，…，Rn，则系统的可靠度为Rf=R1、R2…Rn并联系统，如图，其可靠度R=1-(1-R1)(1-R2)…（1-Rn）∴对可靠性要求较高的系统与机械要求进行可靠性设计，而机械零件可靠性水平的高低，直接影响到机械系统的可靠性，另外高可靠性的系统一般要有一些备用系统，并经常维护，保养。（6）热平衡准则温升过度→润滑失效→磨损、胶合→失效准则：——温升不满足时措施：1）改进润滑；2）冷却2.7机械零件的设计方法（一）理论设计（二）经验设计（三）模型试验设计2.8机械零件设计的一般步骤8个步骤：（1）选择零件的类型和结构（2）计算作用在零件上的载荷（3）分析零件的实效形式，确定设计准则（4）选择材料（5）确定零件尺寸（6）结构设计（7）校核计算，判断结构合理性（8）画出工作图，写出设计说明书有的教材归纳为6个步骤：1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷—名义载荷（公称载荷、额定载荷）K——载荷系数2）选择零件的类型与结构3）选择零件的材料4）按可能的失效形式确定零件的计算准则，并确定零件的基本尺寸，并加于标准化和圆整5）零件的结构设计6）绘制零件的工作图，并编写计算说明书。设计计算机械零件计算交替进行校核计算2.9机械零件常用的材料及其选择原则2.9.1机械零件的常用材料（1）金属材料·黑色金属铸铁：灰~——良好的切削加工性和减震性，常用作机座和机架球墨~——强度高、耐磨性好，减震性，抗冲击→曲轴、齿轮可锻铸铁——马口铁，强度和塑性较高，当零件尺寸小，形状复杂，而不能用铸钢或锻钢制造时铸钢——铸造性比铸铁差，但比锻钢和轧制钢好，用于重载零件铸造。强度性比铸铁好，但比锻钢和轧制钢差（组织没那么致密）铸钢：碳素铸钢；低合金铸钢；中合金铸钢；高合金铸钢碳钢与合金钢——应用最广泛碳钢：普通~；优质~（化学成份比较稳定）·有色金属——有减摩、抗腐蚀、耐热性、电磁性等较好a)铝合金——重量轻、导热导电性较好、塑性好、抗氧化性好高强度铝合金强度可与碳素钢相近，可作承载零件，在飞机、汽车及其他行走机械上有广泛应用。b)铜合金――耐磨、耐腐蚀和自润滑性：黄铜——Cu与Zn合金青铜——Cu与Sn的合金无锡青铜——Cu与铝、硅、锰、镍的合金。其他合金（镁合金、钛合金、轴承合金等）（2）非金属材料·高分子材料三大类型：塑料、橡胶及合成纤维。可从石油、天然气和煤中提取。·优点：弹性、耐腐蚀性——例如：聚四氟乙烯，耐蚀性好、化学稳定性好，低温不脆、高温步软，被广泛用于化工设备和冷冻设备。·缺点：易老化、阻燃性不好、耐热性不好。·陶瓷材料———高温结构陶瓷：以Si3N4和SiC为主要成分；———刀具结构陶瓷：以Al2O3为主要成分。·优点：硬度极高、耐磨、耐蚀性好、熔点高、刚度大、质轻。·缺点：脆、韧性差、价高、加工工艺性差·复合材料———由基体相和增强相组成。基体相：使增强相定型；增强相：提高基体相的强度和刚度。·优点：较高的强度和弹性模量、质量特别小。·缺点：耐热性差、导热和导电性差、价高。橡胶——弹性、绝缘性好，常用作弹性元件和密封元件、减震元件塑料——轻、易加工成形、减摩性好，强度低，可作为普通机械零件、绝缘体陶瓷——电热性好，硬度高2.9.2机械零件材料选用的原则要考虑三个方面的要求1、使用要求（首要考虑）：1）零件的工况；2）对零件尺寸和质量的限制；3）零件的重要程度2、工艺要求：1）毛坯制造；2）机械加工；3）热处理3、经济性要求：1）材料价格；2）加工批量和加工费用；3）材料的利用率；4）局部品质原则5）替代（尽量用廉价材料来代替价格相对昂贵的稀有材料）。另外，还要考虑当地材料的供应情况2.10机械零件设计中的标准化标准化的优点：（1）便于大批量制造（2）提高了零件性能的可靠性（3）缩短设计周期、提高设计质量、建华机器维修。2.11机械现代设计方法简介要求学生面上了解现代设计方法，了解机械设计的发展趋势！（1）以动态的取代静态的举例说明（2）以定量的取代定性的（3）以变量取代常量（4）以优化设计取代可行性设计（5）以并行设计取代串行设计（6）以微观的取代宏观的（7）以系统工程法取代部分处理法（8）以自动设计取代人工设计现代机械设计方法通常是相对传统的设计方法而言的。由于现代设计方法正在不断发展，人们对它的内涵看法不一，尚无明确的界域。但对其特征和发展动向，可总体上概括为力求运用现代应用数学、应用物理、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下述某些方面的转化：

以动态的取代静态的——如以机器结构动力学计算取代静力学计算；以实时在线测试数据作为评价依据等。

以定量的取代定性的——如以有限元法或边界元法计算箱体的尺寸和刚度取代经验类比法的设计。

以变量取代常量——如可靠性设计中用随机变量取代传统设计方法中当作常量的粗略处理方法。

以优化设计取代可行性设计——用相关的设计变量恰当地建立设计目标的数学模型，从众多的可行解（方案）中寻求其最优解。

以并行设计取代串行设计——并行设计（CD：concurrentdesign,也称为并行工程CE：concurrentengineering）是一种面向整个“产品生命周期”的一体化设计过程，在设计阶段就从总体上并行地综合考虑其整个生命周期中功能结构、工艺规划、可制造性、可装配性、可测试性、可维修性以及可靠性等各方面的要求与相互关系，避免串行设计中可能发生的干涉与返工，从而迅速开发出质优、价廉、低能耗的产品。

以微观的取代宏观的——如以断裂力学理论处理零件材料本身微观裂纹扩展引起的低应力脆断现象，建立以损伤容限为设计判断的设计方法；润滑理论中的微-纳米摩擦学等。

以系统工程法取代分部处理法——将产品的整个设计工作作为一个单级或多级的系统，用系统工程的观点分析划分其设计阶段及组成单元，通过仿真及自动控制等手段，综合最优地处理它们的内在关系及系统与外界环境的关系。

以自动化设计取代人工设计——按照集成化与智能化的要求，充分利用先进的硬件及软件（如计算机、自动绘图机，以及数据库、图形库、知识库、专家系统、评价与决策系统等等众多支持系统），极力提高人机结合的设计系统的自动化水平，大大提高产品的设计质量、设计效率和经济效益，并利用设计人员集中精力创新开发更多的高科技产品，无疑是现代设计方法发展的核心目标。

总之，设计工作本质上是一种创造性的活动，是对知识与信息等进行创造性的工作与处理。发展机械现代设计方法，实质上就是不断追求最机智、最恰当而且最迅速地解决用户要求、社会效益、经济效益、机械内在要求等对机械构成的全部约束条件。

机械现代设计方法发展很快，目前常见或较易见到的有：计算机辅助设计（CAD：computer-aideddesign）、优化设计（OD：optimizationdesign)、可靠性设计（RD：reliabilitydesign）、摩擦学设计（TD：tribologydesign）、设计方法学设计（DMD：design