第2章机械设计基础知识

2.1机械设计的根本要求和普通程序2.2机械零件的主要失效方式和任务才干2.5摩擦、磨损与光滑第2章机械设计根底知识2.3机械零件的设计准那么和普通设计步骤2.4机械零件的资料及热处置2.6机械零件的构造工艺性和规范化中南大学公用潘存云教授2.1机械设计的普通程序和根本要求普通而言，机器的设计阶段是决议机器好坏的关键一环。机械设计是一个发明性的任务过程，实际阅历是保证设计质量的重要要素。因此，要求设计者特别留意阅历的积累。一部完好的机器是一个复杂的系统。要提高设计质量，必需有一个科学的设计程序。一、机械设计的普通程序▲方案阶段▲方案设计阶段▲技术设计阶段▲技术文件编制阶段1、方案阶段包括：需求分析、明确功能、制定设计义务书。中南大学公用潘存云教授设计义务书机器的功能经济性估计制造要求的大致估计根本运用要求估计的设计周期2、方案设计阶段对机器的功能进展综合分析、确定功能参数、提出实现方案。在制定功能参数时一定要留意恰当处置需求与能够、理想与现实、长久目的与当前目的等之间的关系。普通而言，实现同一个功能，有多种能够的方案。以螺纹制造为例：有车削、滚压、板牙加工等方法。方法不同，其执行部分的任务原理也不同。因此，存在一个方案的比较和取舍问题。中南大学公用潘存云教授潘存云教授研制方案评价原那么：经济性、技术上可行。总费用设计制造费用运用费用费用复杂程度经济性----总费用最低。方案设计阶段要正确处置好自创与创新的关系。同类机器的胜利的先例该当自创，但其中的薄弱环节和不符合现有义务要求的部分该当加以改良或交换。一味求新而把合理的原有阅历弃置不用保守和照搬原有设计坚决反对3、技术设计阶段绘制总装配草图、部件装配草图，由草图确定零部件的外形、根本尺寸和零件任务图。中南大学公用潘存云教授为了确定零件的根本尺寸，必需完成以下任务：1〕机器的运动学设计2〕机器的动力学设计3〕零件的任务才干设计4〕部件装配草图及总装配草图的设计----构造设计5〕主要零件的校核计算确定原动机的参数〔功率、转速、线速度等〕。求解构件的运动参数〔转速、速度、加速度等〕。计算构件所受公称载荷〔名义载荷〕的大小和特性。由公称载荷大小和特性，根据任务才干准那么作零部件的初步设计。经过计算或类比得出零件的根本尺寸。以构造设计尺寸为根据，对零件进展准确的受力分析和任务才干校核计算中南大学公用潘存云教授4、技术文件编制技术文件设计阐明书运用阐明书零件明细表规范件汇总表产品验收条件………….技术文件----用来阐明产品性能、设计、制造、操作运用、维护、或其它一切与产品相关的文档资料。中南大学公用潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制技术设计方案设计方案提出义务分析对机器的要求确定义务要求机器功能分析提出能够的处理方法组合几种能够的方案决策----选定方案明确构形要求构造化选择资料、确定尺寸零件设计编制技术文件评价决策—确定构造外形与尺寸评价部件设计总体设计机器设计的普通流程中南大学公用潘存云教授设计机器的义务是在当前技术开展所能到达的条件下，根据消费及生活的需求提出的。不论机器的类型如何，普通来说，对机器都要提出以下的根本要求：▲运用功能要求二、机械设计的主要要求运用功能要求----机器应具有预定的运用功能。这主要靠正确地选择机器的任务原理，正确地设计或选用可以全面实现功能要求的执行机构、传动机构和原动机，以及合理地配置必要的辅助系统来实现。----在满足预期功能的前提下，要求性能好、效率高、本钱低，外型美观，在预定运用期限内要平安可靠，操作方便、维修简单。详细要求如下：▲经济性要求▲劳动维护要求▲可靠性要求▲其它公用要求中南大学公用潘存云教授经济性要求----机器的经济性表达在设计、制造和运用的全过程中，设计机器时就要全面综合地进展思索。设计制造的经济性表现为机器的本钱低，运用经济性表现为高消费率，高效率，低能耗，以及低的管理和维护费用等。▲运用功能要求▲经济性要求▲劳动维护要求▲可靠性要求▲其它公用要求中南大学公用潘存云教授提高设计和制造经济性目的的主要途径有:1〕采用先进的现代设计方法(CAD)，使设计参数最优化,到达尽能够准确的计算结果,保证机器足够的可靠性。2〕最大限制地采用规范化、系列化及通用化的零、部件。3〕尽能够采用新技术、新工艺、新构造和新资料。4〕合理地组织设计和制造过程。5〕力求改善零件的构造工艺性，使其用料少、易加工、易装配。中南大学公用潘存云教授1〕合理地提高机器的机械化和自动化程度，以期提高机器的消费率。提高运用经济性目的的主要途径有:2〕选用高效率的传动系统，尽能够减少传动的中间环节，以期降低能源耗费。3〕适当地采用防护及光滑，以延伸机器的运用寿命。4〕采用可靠的密封，减少或消除渗漏景象。中南大学公用潘存云教授1)要使机器的操作者方便和平安。因此设计时要按照人机工程学的观念布置各种按钮、手柄，使操作方式符合人们的心思和习惯。同时，设置完善的平安安装、报警安装、显示安装等。2〕改善操作者及机器的环境。所设计的机器应符合劳动维护法规的要求。降低机器运转时的噪声程度，防止有毒、有害介质的渗漏，对废水、废气和废液进展治理。▲运用功能要求▲经济性要求▲劳动维护要求▲可靠性要求▲其它公用要求中南大学公用潘存云教授机器的可靠度----指在规定的运用时间内和预定的环境下机器可以正常任务的概率。机器由于某种缺点而不能完成预定的功能称为失效，它是随机发生的，其缘由是零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和机械性能等要素是随机变化的。为了提高零件的可靠性，就该当在任务条件和零件性能两个方面使其变化尽能够小。▲运用功能要求▲经济性要求▲劳动维护要求▲可靠性要求▲其它公用要求中南大学公用潘存云教授其它公用要求----针对不同机器所特有的要求。例如：1)对机床有长期坚持精度的要求；2)对飞机有质量小，飞行阻力小而运载才干大的要求；3)对流动运用的机器有便于安装和装配的要求；4)对大型机器有便于运输的要求等等。▲运用功能要求▲经济性要求▲劳动维护要求▲可靠性要求▲其它公用要求中南大学公用潘存云教授机械零件的失效：机械零件由于某种缘由不能正常任务时，称为失效。任务才干----在不发生失效的条件下，零件所能平安任务的限制。通常此限制是对载荷而言，所以习惯上又称为：承载才干。例如：发生剧烈的振动；联接的松弛;摩擦传动的打滑等。2.2机械零件的主要失效方式和任务才干一、零件的失效方式整体断裂;过大的剩余变形;外表损伤;破坏正常的任务条件;如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有多种能够的失效方式，归纳起来最主要的为中南大学公用潘存云教授机械零件失效的实例：潘存云教授研制轮齿塑性变形潘存云教授研制齿轮轮齿折断潘存云教授研制轴承内圈破裂潘存云教授研制轴承外圈塑性变形中南大学公用潘存云教授失效缘由:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等缘由。统计结果显示：断裂仅占4.79%;腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%。--主要失效缘由。潘存云教授研制齿面接触疲劳潘存云教授研制轴瓦磨损中南大学公用潘存云教授▲静载荷▲动载荷工程计算中：▲名义载荷——理想任务条件下的载荷▲任务载荷——实践任务条件下的载荷二、机械零件的载荷载荷能否随时间变化：▲计算载荷——任务载荷乘上载荷系数K中南大学公用潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制三、应力的种类：静应力和变应力otσσ=常数脉动循环变应力r=0静应力:σ=常数变应力:σ随时间变化平均应力:应力幅:循环变应力变应力的循环特性:对称循环变应力r=-1----脉动循环变应力----对称循环变应力-1=0+1----静应力σmaxσmTσmaxσminσaσaσmotσσmaxσminσaσaotσotσσaσaσminr=+1静应力是变应力的特例中南大学公用潘存云教授黑色金属有色金属铸铁钢金属资料一、常用资料低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)合金钢(1Cr18〕…灰铸铁(HT1500)球墨铸铁(QT500-7)…2.4机械零件的资料及热处置铝合金(LY12)铜合金(ZCuSn10P1)铸铁--灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。特点：良好的液态流动性，可铸呵斥外形复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性〔指灰铸铁〕、本钱低廉。运用：运用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。中南大学公用潘存云教授黑色金属有色金属铸铁钢金属资料一、常用资料低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)合金钢(1Cr18〕…灰铸铁(TH300)球墨铸铁(QT500-5)…2.4机械零件的资料及热处置铝合金(LY12)铜合金(ZCuSn10P1)钢--低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢、构造钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、铸钢等。特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处置方法改善其力学性能和加工性能。中南大学公用潘存云教授潘存云教授研制钢的选用原那么：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。钢制零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。运用：运用范围极其广泛。表2-1常用资料的相对价钱材料种类规格相对价钱热轧圆刚碳素构造钢Q235〔φ33~42〕1铸件优质碳素钢〔φ29~50〕1.5~1.8合金构造钢〔φ29~50〕1.7~2.5滚动轴承钢〔φ29~50〕3合金工具钢〔φ29~50〕3~204Cr9Si2耐热钢〔φ29~50〕5灰铸铁铸件0.85碳素钢铸件1.7铜合金、铝合金铸件8~10价钱廉价且供应充分我国资源丰富中南大学公用潘存云教授黑色金属有色金属铸铁钢金属资料低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)合金钢(1Cr18〕…灰铸铁(TH300)球墨铸铁(QT500-5)…铝合金(LY12)铜合金(ZCuSn10P1)铜合金-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。青铜黄铜轴承合金〔巴氏合金〕-含锡青铜、不含锡青铜中南大学公用潘存云教授高分子资料复合资料陶瓷非金属资料---塑料、橡胶、合成纤维。---强如钢、轻如铝、硬如金刚石。--强度高、弹性模量大、质量轻。橡胶--橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水光滑的轴承衬。塑料--塑料的比重小，易于制成外形复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其运用日益广泛。中南大学公用潘存云教授▲载荷及应力的大小和性质▲零件的任务情况▲零件的构造及加工性▲资料的经济性▲零件的尺寸及分量二、机械零件资料的选用原那么适用于制造机械零件的资料种类非常之多，在设计机械零件时，如何从各种各样的资料中选择出适宜的资料，是一项受多方面要素所制约的复杂的任务。设计者应根据零件的用途、任务条件和资料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济要素等进展全面思索。选材的普通原那么中南大学公用潘存云教授脆性资料----只适用于制造在静载荷下任务的零件；1.载荷及应力的大小和性质2.零件的任务情况--指零件所处的环境特点、任务温度、摩擦磨损程度等。这方面的要素主要是从强度观念来思索的，应在充分了解资料的机械性能的前提下来进展选择。金属资料的性能普通可以经过热处置加以提高和改善，因此，要充分利用热处置手段来发扬资料的潜力。对于常用的调质钢，由于其回火温度的不同，可得到机械性能不同的毛坯。塑性资料----适用于在有冲击情况下任务的零件。▲在湿热环境下任务的零件，其资料应具有良好防腐蚀才干，可选用不锈钢、铜合金等。中南大学公用潘存云教授零件的尺寸及质量的大小与资料的种类及毛坯制取方法有关。3.零件的尺寸及分量▲两配合零件的线性膨胀系数不能相差过大，一面在温度变化时产生过大热应力或使配合松动，另一方面要思索资料机械性能随温度而变化的情况。▲零件在任务中能够发生磨损的外表，应提高其外表硬度，添加耐磨性，因此应选择淬火钢、渗碳钢、氮化钢。▲用铸造资料制造毛坯时，普通可以不受尺寸及质量大小的限制；▲而用锻造资料制造毛坯时，那么须留意锻压机械及设备的消费才干。▲应尽能够选用强重比大的资料，以便减小零件的尺寸和质量。中南大学公用潘存云教授▲资料的加工费用;5.资料的经济性选材时还应思索到当时当地资料的供应情况。为了简化供应和储存的资料种类，对于小批制造的零件，应尽能够地减少同一部机器上运用的资料种类和规格。6.资料的供应情况资料的经济性主要表如今以下几方面：▲资料本身的相对价钱;▲资料的利用率;▲采用组合构造;▲节约稀有资料。各种资料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。为了资料供应和消费管理上的方便，应尽量减少一台机器所用资料的种类。中南大学公用潘存云教授潘存云教授研制表2-2常用钢铁资料的牌号及力学性能材料力学性能试件尺寸类别牌号强度极限σB屈服极限σS延伸率%mmQ215335-41021531碳素构造钢Q235375-46023526d≤16Q275490-610275202041024525优质碳素构造钢3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金构造钢40Cr9817859d≤2520CrMnTi107983410d≤1560Mn9817858d≤80ZG270-50050027018铸钢ZG310-57057031015d≤100ZG42SiMn60038012HT150145----灰铸铁HT200195----HT250240----壁厚10~20QT400-1540025015球墨铸铁QT500-75003207QT600-36003703壁厚30~200中南大学公用