浅谈机械设计课程设计

1、浅谈机械设计课程设计    摘要:对于普通高校的机械专业,课程设计必不可少,设计的课题也基本都是二级减速器的设计。为了更加完整的了解机械设计课程设计的过程,我们有必要对二级减速器进行全方面的强度校核以及寿命分析,使得学生对于所设计机械的可靠性研究有更加充分的理解。关键词:课程设计;强度校核;寿命分析;可靠性分析中图分类号:TH122-4 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)04-0109-021二级减速器的结构简介二级减速器的立体结构图如图1所示。图1所示为二级减速器的立体结构图,从图中可以看出,二级减速器的主要构成部分为箱体、齿轮、轴

2、、滚动轴承等组成,如果附加动力以及传动装置再细分,还包括:电动机、联轴器、传动带、键、地脚螺钉、连接螺栓、启盖螺钉、定位销、轴承盖、油塞、油标尺、通气罩、垫圈等组成。已知的物理量有:减速器输出端滚筒的转动线速度V、滚筒所收切向力F、以及滚筒的直径D。根据以上三个物理量并结合相关可供查询的数据,分别确定减速器的输入输出功率,完成电动机型号的选择、减速器外部带传动的设计、两对齿轮(高速级齿轮以及低速级齿轮)的设计、箱体的结构设计、各种螺钉螺栓的选择、减速器中三根轴的结构设计以及强度校核、轴承的型号选择以及寿命校核、键的选择以及寿命校核等等。2二级减速器的可靠性分析根据GB3187-1982可靠性基

3、本名词术语及定义,可靠性(reliability)的定义是:产品在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力。“规定的条件”,一般指的是使用条件、维护条件、环境条件、操作技术,如载荷、温度、压力、湿度、振动、噪声、磨损、腐蚀等。这些条件都是设计说明书中必须规定的内容。众所周知,机械零件的损坏属于随机事件,我们并不能遇见某一机械零件的失效形式以及失效时间,但是,这一随机事件服从概率论中的统计规律。例如:在大量同种型号的二级减速器中,其低速轴的使用寿命各不相同,但是其平均寿命却总在一个确定的值附近波动,一般情况下,这种低速轴的使用寿命不会出现严重偏离平均值的情况,即使出现,也是小概率事件。因此,二

4、级减速器低速轴的使用寿命服从统计规律。当人们通过长期的实验研究,就可以得出该种零部件寿命的概率密度函数,然后,我们就可以根据该概率密度函数来估算在某种置信度的前提下,该零部件能够正常工作的时间,该置信度就称为这种零件的可靠度。下面举例说明。已知某零件的应力分布和强度分布都为正态分布,其分布参数:应力均值、应力公差、强度均值、强度公差分别为:=379 MPa,=41.4 MPa,=517 MPa,=24.1 MPa(1)试计算其可靠度,根据机械可靠性设计理论,可以利用联结方程来计算可靠度。联结系数:Z=-=-=-2.68(2)然后,由概率论的相关公式可以得出该零件可靠度的计算公式为:R(t)=(

5、Z)dZ(3)由标准正态分布面积表可以得到可靠度:R(t)=0.99801。由上例可见,一旦知道应力和强度分布的均值和标准差,便可以确定其可靠度。那么,具体针对二级减速器,其整体可靠度应该如何计算?首先简单介绍一下机械系统的几个相关概念。串联系统:组成系统的所有单元中任一单元的失效就会导致整个系统失效的系统称为串联系统;并联系统:组成系统的所有单元都失效时才会导致系统失效的系统称为并联系统;混联系统:把若干个串联系统或者并联系统重复地再加以串联或并联,就能得到更复杂的可靠性结构模型,这样的系统称为混联系统。在二级减速器中,存在着大小零部件4050个左右,这么多的零部件相对复杂的装配在一起,看似

6、构成了一个混联系统,其实不然。分析其系统结构,电动机提供的动力最终传达至滚筒和传动带,其途径只有一种,如果该途径中的任意一个零部件损坏,将直接导致动力无法传递下去,因此,该途径中涉及的所有零件决定着整个系统的工作状况,如:电动机、传动V带、齿轮、轴、滚动轴承、联轴器、滚筒、传动带等,不妨称这些零件为系统的关键零件。而系统中包括箱体以及其附件在内的很大一部分零件,当其出现一般情况的失效时,并不会对系统的正常运转造成严重影响。因此,经分析,二级减速器可以看成是一个串联系统。而系统可靠度可以根据串联系统的相关公式来进行计算。值得注意的是,二级减速器的系统可靠度是未知,并且需要计算确定的,但是非关键零

7、部件的寿命一般都是确定的,这些零部件一般都是标准件,其寿命具有相对确定的值。把这些非关键的标准零部件的可靠度也计入系统的可靠度并没有太大的意义,只要按照这些零部件的寿命定期更换,就可以保证系统不会因为这些零件的损坏而不能正常运转。因此,可以相对真实的反应二级减速器中的动力传动路径的可靠程度。具体的系统可靠度的计算过程如下:首先,我们假定把二级减速器中的关键零部件共有n个,其中第i个零部件正常工作称为事件Ai,对应该零部件可靠度为Ri,该零部件不正常工作称为事件i。所以,根据概率论中的乘法定律,整个二级减速器能够正常工作的充要条件为:二级减速器中的每一个关键零部件都必须正常工作。用数学公式表示为

8、:RRi(4)这就是二级减速器的可靠度R的计算公式。所以,理论上只需要把每一个零件的强度均值、强度公差、应力均值、应力公差确定,就可以确定该零件对应的联结系数Zi,并由此确定该零件的可靠度,从而进一步确定了整个二级减速器的可靠度。而且,机械零部件的可靠度Ri(t)为时间t的函数,并且Ri(t)随时间t递减。也就是说,机械零件的可靠度随着使用时间的增大不断变小,为了更加真实的反应机械系统的可靠度,就需要把系统可靠度R(t)随时间t的变化情况求出来。对于某个零部件,其可靠度Ri(t)之所以随时间递减,是因为该零部件强度均值随时间递减造成的。因此我们只需要通过相关实验研究并加之以经验推导出强度均值以

9、时间t为自变量的函数表达式,就可以根据式2计算出零部件可靠度Ri(t)的函数表达式,然后根据式4进一步确定整个机械系统的可靠度R(t)的函数表达式。根据R(t),我们便可以方便的求出整个t机械系统在时刻的可靠度。3课程设计可靠度分析的意义机械设计中可靠度分析的意义就在为为机械的优化设计服务。工程中的优化设计,是在考虑诸多影响因素的前提下,以得到最佳的设计方案,即最佳的设计参数值。其设计原则是得到最佳方案,以电子计算机为计算工具,其设计工作包括以下三个内容:建立优化数学模型;选取优化方法;运用计算机进行求解。据了解,在高校的机械设计课程设计中,学生们为了使得所设计的机械符合老师规定的要求,往往会通过选用好的材料以及增大结构尺寸的办法来实现目的,这样做显然不符合机械设计的原则。当课程设计中引入了可靠性设计这一环节之后,可以有助于学生在满足系统可靠度的前提下,通过机械优化设计,节省二级减速器的制造成本,让同学们对机械设计的理解更加深刻,更富有责任感。参考文献:1 濮良贵,纪名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,2006.    你可能感兴趣的论文    · 基于任