第2章机械设计总论学习教案

1、会计学1第第2章机械设计总论章机械设计总论(zn ln)第一页，共43页。设计(shj)任务书机器(j q)的功能 经济性估计(gj) 制造要求方面的大致估计 基本使用要求 完成设计任务的预计期限 二、方案设计阶段 对机器的功能进行综合分析、确定功能参数、提出可能采用的方案。投资、价格、成本和利润等经济性方面的估计一、计划阶段 分析需求、明确功能、制定设计任务书。（新产品开发计划书）（新产品开发计划书）2-1 设计机器的一般程序第1页/共43页第二页，共43页。三、技术(jsh)设计阶段 2-1 设计机器的一般(ybn)程序 绘制总装配(zhungpi)草图、部件装配(zhungpi)草图 确

2、定零部件的外形及基本尺寸 绘制零件工作图和总装配(zhungpi)图 第2页/共43页第三页，共43页。四、技术文件编制(binzh)阶段 技术文件-用来说明产品性能、设计、制造、操作使用(shyng)、维护、或其它所有与产品相关的文档资料。 技术文件 设计计算说明书 使用说明书 标准件明细表 产品验收条件. 向用户介绍机器的性能参数范围、操作使用方法、日常保养及简单地维修方法等。包括方案的选择、技术设计的过程步骤以及结论数据等。2-1 设计机器(j q)的一般程序第3页/共43页第四页，共43页。技术设计方案设计计划提出(t ch)任务分析对机器的要求确定任务要求机器功能分析提出可能的解决办

3、法组合几种可能的方案决策-选定方案明确构形(u xn)要求结构化选择材料、确定尺寸零件设计编制技术文件评价决策确定结构形状与尺寸评价部件设计总体设计机器设计的一般(ybn)流程第4页/共43页第五页，共43页。不管机器的类型如何，一般来说，对机器都要提出以下的基本(jbn)要求： 使用(shyng)功能要求2-2 对机器(j q)的主要要求 -在满足预期功能的前提下，要求性能好、效率高、成本低，造型美观，在预定使用期限内要安全可靠，操作方便、维修简单。 经济性要求 劳动保护和环境保护要求 寿命与可靠性要求 其它专用要求具体要求如下：第5页/共43页第六页，共43页。-表现(bioxin)为机器

4、的成本低-表现(bioxin)为高生产率，高效率，低能耗 及管理和维护费用较低等 设计(shj)制造的经济性 使用经济性2-2 对机器的主要要求（一）使用功能要求（二）经济性要求-能有效地实现预期的功能能有效地实现预期的功能第6页/共43页第七页，共43页。1）为机器的操作者提供方便和安全(nqun)的条件2）改善(gishn)操作者及机器的环境条件 操作手柄及按钮等应放置在便于操作的位置 操作方式要符合(fh)人们的心理和习惯 设置完善的安全装置、报警装置、显示装置等 应降低机器运转时的噪声水平 防止有毒、有害介质的渗漏 对废水、废气和废液进行治理2-2 对机器的主要要求（三）劳动保护和环境

5、保护要求第7页/共43页第八页，共43页。 机器的可靠度-指在规定的使用时间(shjin)内和预定的环境下机器能够正常工作的概率。 机器由于某种故障而不能完成其预定(ydng)功能时称为失效，它是随机发生的。2-2 对机器(j q)的主要要求（四）寿命与可靠性要求（五）其它专用要求 对机床有长期保持精度的要求 对食品、纺织机械有不得污染产品的要求 对大型机器有便于起重、运输的要求等第8页/共43页第九页，共43页。机械零件的失效： -零件由于某种原因不能正常(zhngchng)工作时工作能力： -在不发生失效(sh xio)的条件下，零件所能安全工作的限度。通常是对载荷而言，故习惯上又称：承载

6、能力2-3 机械零件的主要(zhyo)失效形式整体断裂 过大的残余变形 工作表面的过度磨损或损伤破坏正常的工作条件零件的失效形式 如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为（自学）（自学）第9页/共43页第十页，共43页。机械零件失效(sh xio)的实例：轮齿塑性变形轮齿塑性变形齿轮轮齿折断 轴承内圈破裂 轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形第10页/共43页第十一页，共43页。失效原因: 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%。-主要失效原因。齿面接触疲劳轴瓦磨损第11页

7、/共43页第十二页，共43页。 避免在预定寿命(shumng)期内失效的要求 结构(jigu)工艺性要求 经济性要求(yoqi) 质量小的要求 可靠性要求2-4 设计零件时应满足的基本要求第12页/共43页第十三页，共43页。提高(t go)零件强度的措施： 采用(ciyng)高强度的材料； 使零件具有足够的截面(jimin)尺寸； 合理设计零件的截面形状，增大惯性矩； 采用热处理和化学处理方法提高材料的力学性能； 提高零件的制造精度，以减少工作时的动载荷； 合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷。 1. 强度 - 载荷作用下零件抵抗断裂或不允许的残余变形的能力载荷作用下零件抵抗断裂或不允许

8、的残余变形的能力一、避免在预定寿命期内失效的要求第13页/共43页第十四页，共43页。 合理地设计零件(ln jin)的截面形状，增大截面惯性矩 由材料力学由材料力学(ci lio l xu)知：知：强度条件：ZZWMJyMmaxmax maxZZJW当弯矩已定时当弯矩已定时(dn sh)，故越容易满足强度条件故越容易满足强度条件 max2-4 设计零件时应满足的基本要求第14页/共43页第十五页，共43页。输出输出输出输出输入输入输出输出输出输出输入输入Tmax= T1+T2Tmax = T1当轴上有两处动力输出时，为了减小轴上的载荷，应将输入(shr)轮布置在中间。T2T1T1+T2T1T

9、1+T2T2合理(hl)不合理 合理配置零件(ln jin)的相对位置，以降低零件(ln jin)的载荷 2-4 设计零件时应满足的基本要求第15页/共43页第十六页，共43页。2. 刚度(n d) -载荷作用下零件抵抗载荷作用下零件抵抗(dkng)弹性变形的弹性变形的能力能力2-4 设计零件时应满足的基本(jbn)要求3. 寿命 影响零件寿命的主要因素有： 疲劳破坏腐蚀磨损第16页/共43页第十七页，共43页。 机械制造包括毛坯生产、切削加工和装配等生产过程。机械制造包括毛坯生产、切削加工和装配等生产过程。设计设计(shj)时，必须使结构在各个生产过程中都具有良好时，必须使结构在各个生产过程

10、中都具有良好的工艺性。的工艺性。二、结构(jigu)工艺性要求 零件工艺性良好的标志零件工艺性良好的标志(biozh) -在具体的生产条件下，零件便于加工和装配，在具体的生产条件下，零件便于加工和装配， 同时加工费用又很低。同时加工费用又很低。 第17页/共43页第十八页，共43页。二、结构(jigu)工艺性要求 1、便于制造、便于制造(zhzo)毛坯毛坯 当毛坯制造方法确定后，须充分考虑其工艺特点，设计出相应当毛坯制造方法确定后，须充分考虑其工艺特点，设计出相应的零件结构，以便的零件结构，以便(ybin)容易地制造出来。容易地制造出来。铸件壁厚的均匀性铸件壁厚的均匀性 壁厚相差悬殊，容易在厚

11、壁处形成缩孔第18页/共43页第十九页，共43页。自由锻件的结构工艺性自由锻件的结构工艺性 采用自由锻造的采用自由锻造的毛坯形状不宜复杂。毛坯形状不宜复杂。 圆锥体、圆柱体圆锥体、圆柱体与圆柱体交接处、加与圆柱体交接处、加强强(jiqing)(jiqing)肋和肋和凸台等结构，锻造都凸台等结构，锻造都较困难，应设法避免。较困难，应设法避免。第19页/共43页第二十页，共43页。二、结构(jigu)工艺性要求 2、便于、便于(biny)切削加切削加工工机械零件的结构设计应便于机械零件的切削机械零件的结构设计应便于机械零件的切削(qixio)加工加工减少加工面积减少加工面积用钻头加工的孔第20页/

12、共43页第二十一页，共43页。便于装夹工件便于装夹工件便于刀具进入便于刀具退出第21页/共43页第二十二页，共43页。二、结构(jigu)工艺性要求 3、便于、便于(biny)装拆和装拆和维修维修留出装入螺钉空间留出装入螺钉空间留出扳手工作空间第22页/共43页第二十三页，共43页。 对于具有配合要求的零件，应避免同时存在两组以上的表对于具有配合要求的零件，应避免同时存在两组以上的表面面(biomin)接合。接合。接合面不宜过多接合面不宜过多第23页/共43页第二十四页，共43页。三、经济性要求(yoqi) 用料少 加工(ji gng)工时少 材料(cilio)的价格低 尽量采用标准化零部件四

13、、质量小的要求 好处：节约材料； 减小惯性，改善机器的动力性能 2-4 设计零件时应满足的基本要求第24页/共43页第二十五页，共43页。减小质量的措施： 采用缓冲装置来降低零件所受冲击载荷 采用安全装置来限制作用在零件上的最大载荷 从零件上应力较小处削减部分材料，以改善零件 受力的均匀性，提高材料的利用率 采用轻型薄璧冲压件或焊接件代替铸造、锻压件五、可靠性要求(yoqi) 2-4 设计零件时应满足(mnz)的基本要求第25页/共43页第二十六页，共43页。 从零件上应力较小处削减部分材料(cilio)，以改善零件 受力的均匀性，提高材料(cilio)的利用率2-4 设计(shj)零件时应满

14、足的基本要求第26页/共43页第二十七页，共43页。 从零件上应力较小处削减部分材料，以改善零件 受力的均匀(jnyn)性，提高材料的利用率滚子链的结构滚子链的结构 实例：实例：2-4 设计(shj)零件时应满足的基本要求第27页/共43页第二十八页，共43页。2-5 机械零件的设计准则(zhnz)（自学） 强度(qingd)准则 刚度(n d)准则 设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。一般有以下几种准则：则以及相应的设计计算方法。一般有以下几种准则： 寿命准则 振动稳定性准则 可靠性准则-确保零件不发生断裂

15、破坏或过大的 塑性变形，是最基本的设计准则-确保零件不发生过大的弹性变形-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 此项准则-当考虑随机因素影响时，确保零件 具有所要求的可靠度第28页/共43页第二十九页，共43页。-零件中的应力不得超过允许(ynx)的限度一、强度(qingd)准则 即： lim -材料的极限(jxin)应力断裂破坏：lim =B (强度极限)引入安全系数 S，得：lim / S或 -许用应力疲劳破坏：lim =r (疲劳极限)残余变形：lim =S (屈服极限)2-5 机械零件的设计准则 第29页/共43页第三十页，共43页。为了安全起见，引入安全系数S，

16、得： lim/S或 S为大于1的数，S过大，虽安全但浪费材料；S过小，虽节省材料，但趋于危险。 或limSAFASFlim limS因为：因为：2-5 机械零件的设计(shj)准则 第30页/共43页第三十一页，共43页。二、刚度(n d)准则 -零件在载荷作用下产生的弹性变形(bin xng)量不得超过机 器工作性能所允许的极限值。即：y y 零件的实际变形量零件的实际变形量许用变形许用变形量量三、寿命(shumng)准则 影响零件寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲劳，前两者还没有实用有效的计算方法。 关于疲劳寿命，通常是求出使用寿命时的疲劳极限作为计算的依据。这将在第三章中作介绍。2-5 机械

17、零件的设计准则 第31页/共43页第三十二页，共43页。四、振动(zhndng)稳定性准则 -保证机器中受激振零件(ln jin)的固有频率与激振源的频 率错开，即要求：0.85 f fp或 1.15 f fp为满足条件可采取(ciq)的措施： 改变零件及系统刚性； 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。零件的固零件的固 有频率有频率激振源的频率2-5 机械零件的设计准则 第32页/共43页第三十三页，共43页。五、可靠性准则(zhnz) 可靠度的定义： 对件数为N0的一批零件进行试验，经过(jnggu)时间 t 之后有 N 件仍能正常工作，则该零件在该试

18、验环境条件下工作时间 t 的可靠度定义为：R = N / N0若 t R N-R 是时间(shjin)的函数。 为保证所设计的零件具有所要求的可靠度，需要对零为保证所设计的零件具有所要求的可靠度，需要对零件进行了可靠性设计。件进行了可靠性设计。关于这点，在关于这点，在机械可靠性设计机械可靠性设计课程中有详细的介绍。课程中有详细的介绍。2-5 机械零件的设计准则 第33页/共43页第三十四页，共43页。2-6 机械零件的设计方法(fngf)（自学）机械零件的设计(shj)方法常规设计(shj)方法现代设计方法理论设计经验设计模型实验设计（一) 理论设计-根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行

19、的设计( (传统设计方法传统设计方法) )第34页/共43页第三十五页，共43页。 limS以受拉杆(lgn)为例，强度计算公式为： 式中: F-作用在拉杆(lgn)上的外载荷1. 设计(shj)计算：2. 校核计算有四种可选方式： Sca -计算安全系数 或limSAFA-拉杆截面积 (2-7)ASFlimlim S = AF FlimSASca = Slim2-6 机械零件的设计方法第35页/共43页第三十六页，共43页。-根据对某类零件已有的设计与使用实践(shjin)而归纳出的经验公式，或根据设计者的经验用类比的方法所进行的设计。机械零件的设计(shj)方法常规设计(shj)方法现代设

20、计方法理论设计经验设计模型实验设计 适用于那些使用要求变化不大而结构形状已典型化的零件。如：箱体、机架、传动零件的各结构要素等。2-6 机械零件的设计方法（二）经验设计第36页/共43页第三十七页，共43页。dh = 1.6 ds ; lh= (1.2 1.5) ds , 并使并使lh b c = 0.3b ; = (2.5 4) mn , 但不小于但不小于8 mm d0 和和 d 按结构按结构(jigu)取定，当取定，当d 较小时可不开孔较小时可不开孔腹板式齿轮腹板式齿轮(chln)dd0bdsdhda斜度斜度1:10lhc第37页/共43页第三十八页，共43页。 -把初步设计的零、部件或机器做成小模型或小尺寸样机，经过试验(shyn)对其特性进行检验，根据实验结果再对原设计进行修改，以达到完善。机械零件的设计(shj)方法常规设计(shj)方法现代设计方法理论设计经验设计模型实验设计 常用于那些尺寸巨大而结构又很复杂的重要零件2-6 机械零件的设计方法（三）模型实验设计第38页/共43页第三十九页，共43页。 现代现代(xindi)(xindi)设计方法是指在近二、三十年发展起设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。的机械设计方法。优化设计(shj)可靠