2章-机械设计总论.ppt

,上节课知识要点,机械,是人类用以转换能量和借以减轻或替代人类劳动、提高生产率的主要工具。,机器,根据某种具体使用要求而设计的多件实物的,组合体。,1.机器(,Machine):,机械,机器和机构的总称,机械,(,Machinery,):,机器的分类：,原动机,实现能量转换。凡将其它形式能量变换为机,械能。,（如内燃机、蒸汽机、电动机）,种类有限,工作机,完成有用功。即利用机械能去变换或传递,能量、物料、信息的机器。,（如机床等）,种类繁多,上节课知识要点,机器有三个共同的特征：,结构,运动,能量,2.机构(Mechanism),机构,能够用来传递运动和力或改变运动形式的,多件实物的组合体。,种类有限,构件,是独立的运动的单元。,它可以是单一的整体,，,也可以是几个,零件,组成的,刚性,结构。,零件,是独立的制造单元。,机械中的零件可分为两类：,通用零件,和,专用零件,。,机器的基本组成要素:,一个机械系统一般包含：机械结构系统、驱动动力系统、检测与控制系统。,机械结构,由一些机构组成，每个机构由若干零,件组成。,上节课知识要点,第二章 机械设计总论,2-1,机器的组成,2-2,设计机器的一般程序,2-3,对机器的主要要求,2-4,机械零件的主要失效形式,2-5,设计机械零件时应满足的基本要求,2-6,机械零件的计算准则,2-7,机械零件的设计方法,2-8,机械零件设计的一般步骤,2-9,机械零件材料的选用原则,2-10,机械零件设计中的标准化,2-11,机械现代设计方法简介,机器的组成1,2-1 机器的组成,人们为了满足生产和生活的需要，设计和制造了类型繁多、功能各异的机器。,一台完整的机器的组成大致可包括：,原动机部分,传动部分,执行部分,润滑、显示、照明等辅助系统,控制系统,传感器,传感器,传感器,传动部分：,把原动机的运动形式、运动、动力,参数转变成执行部分所需要的。,执行部分：,完成机器预定功能。一台机器可有,多个执行部分。,内,燃机,6,5,4,3,8,7,1,2,9,10,第二章 机械设计总论,1-电动机；2-带轮机构；3-减速器；4-带轮机构（工作机）,带式运输机工作示意图,原动机：,汽油机,传动部分：,变速箱、传动轴、离合器、差速器,执行部分：,车轮、车身、悬挂系统,控制部分：,转向系统、油门系统、刹车系统。,汽车的组成部分,第二章 机械设计总论,机械系统的构成,爬壁机器人,（五）计算机在机械设计中的应用,1.进行二维、三维机械图绘制。,2.利用相关软件，进行机械设计计算。,3.对零件和复杂结构的受力、强度、,刚度、动力学特性进行分析。,4.构建虚拟仿真环境，对设计方案进行,比较和验证。,军用昆虫机器人,2-2 设计机器的一般程序,2-3 对机器的主要要求,设计机器的任务是在当前技术发展所能达到的条件下，根据生产及生活的需要提出的。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要求：,使用功能要求,经济性要求,劳动保护要求,可靠性要求,可靠度,R,在规定的使用时间内,机器能正常工作的概率,。,其它专用要求,机械零件的主要失效形式1,2-4 机械零件的主要失效形式,失效机械零件由于某种原因不能正常工作。,（一）整体断裂,整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。,齿轮轮齿断裂,轴承内圈断裂,机械零件的主要失效形式2,（二）过大的残余变形,当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。,齿轮齿面塑形变形,轴承外圈塑性变形,2-4 机械零件的主要失效形式,机械零件的主要失效形式3,2-4 机械零件的主要失效形式,（三）零件的表面破坏,随工作时间的延续逐渐发生,腐蚀、磨损、接触疲劳（点蚀）。,轮齿的严重磨损,齿面点蚀,点蚀,零件表面长期受到接触,变应力而发生裂纹和材,料剥落。,机械零件的主要失效形式4,2-4 机械零件的主要失效形式,（四）破坏正常工作条件引起的失效,对不同的机器或零件,有不同的,正常工作条件,，如：,高速转动的零件,转速与转动件系统的固有频率需避开,一个适当的间隔。,统计结果表明，疲劳、磨损、腐蚀,占零件失效的,74%,。,液体摩擦,的滑动轴承,必须存在完整的润滑油膜。,带传动,传递的有效圆周力应小于临界摩擦力。,当这些条件不满足时,零件将发生失效。,但零件外形并未发生损坏。,设计机械零件时应满足的基本要求,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,（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,机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：,应保证零件有足够的,强度、刚度、寿命。,设计的结构应便于加工和装配。,零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。,质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。,应降低零件发生故障的可能性（概率）。,机械零件的计算准则1,2-6 机械零件的设计准则,设计零件时，首先应根据零件的,失效形式,确定其,设计准则,以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：,（一）强度准则：,确保零件不发生,断裂,破坏或过大的,塑性变,形,，是,最基本的设计准则,。,（二）刚度准则：,确保零件不发生过大的弹性变形。,=,lim,/,S,就是指零件中的应力不得超过允许的限度。,y y,零件在载荷作用下产生的弹性变形量,y,，小于或等于,机器工作性能所允许的极限值,y。,2-6 机械零件的设计准则,（三）寿命准则：,通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。,（四）振动稳定性准则：,高速运转机械的设计应注重此项准则。,（五）可靠性准则：,当计及随机因素影响时，仍应确保上述,各项准则。可用可靠度R来表示。,N-某大批零件的件数,t-该工作环境条件下工作时间,N,0,-在t时间后正常工作零件的件数,2-7 机械零件的设计方法,理论设计,：根据设计理论和实验数据进行设计。,经验设计,：根据已有经验，用类比法进行设计。,模型实验设计,：对重要零件，工作状况复杂时使用。,常规设计方法,:,常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。它又可分为：,计算应力：,应力校核,危险截面确定,许用载荷校核,许用应力：,安全系数校核,设计计算,校核计算,方案设计,运动学分,析与设计,动力学分析与设计,零件工作,能力设计,结构设计,创造性,主要依靠经验，通过类比方法进行,主要依赖于设计者,的灵感,有系统的理论方法，但往往只能近似满足运动学要求,受到计算手段的制约，分析较简单。,常将复杂问题简化，得出近似公式或经验公式。一般按静载荷计算，引入动载系数,常采用类比的方法,常规设计方法的特点,现代设计方法,:,现代设计方法,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的机械设计方法。如机械优化设计、机械可靠性设计、计算机辅助设计等等。,2-7 机械零件的设计方法,可靠性设计：,将概率论、数理统计引入机械设计中而形,成的一种设计技术。,计算机辅助设计：,运算快速准确，逻辑判断功能强，存,储量大。,优化设计：,最优，就是使某一项指标达到最小（如重量）,或最大（如效率）。数学规划是优化设计的理论基础，设,计时需要将具体设计问题的物理模型转化为一个数学模型。,2-8 机械零件设计的一般步骤,机械零件的设计一般要经过以下几个步骤：,确定计算准则,计算零件上的载荷,画出零件工作图,写出计算说明书,弹性联轴器,内齿圈,V型带轮,齿轮轴,主 要 结 构 设 计,确定零件的主要尺寸,选择零件的材料,校 核 计 算,完善细部结构,基本理论,基本知识,基本技能,创新精神,团队精神,认真作风,对设计者的基本要求,低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢,08F 45 60 1Cr18,灰铸铁、球墨铸铁,TH300 QT500-5,机械零件材料的选用原则1,2-9 机械零件材料及其选用,1,.载荷及应力的大小和性质，,2.,零件的工作情况，,3.,零件的尺寸及重量，,4.,零件的结构及加工性，,5.,材料的经济性。,（二）机械零件材料的选用原则,黑色金属,有色金属,金属材料,（一）常用材料,铝 (LY12)、铜 (ZCuSn10P1),非金属材料,高分子材料：,复 合 材 料：,陶 瓷：,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,铁：,钢：,铸铁：,含C2%,含C2%,机械零件设计中的标准化1,2-10 机械零件设计中的标准化,标准化的益处：,与设计有关的标准,:,国际标准,国家标准,行业标准,企业标准等,如：,ISO GB JB、HB QB,国标分为：,强制标准、推荐标准,标准化有利于保证产品质量，减轻设计工作量，便于零部件的互换,和组织 专业化的大生产，以降低生产成本。,强制性国家标准：,代号为GB,(为标准序号),(为批准年代),强制性国标必须严格遵照执行,，否则就是,违法,。,推荐性国家标准：,代号为GBT,，这类标准占整个国标,中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这,些国标，以期取得事半功倍的效果。,标准化,通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、,制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。,机械现代设计方法简介1,2-11 机械现代设计方法简介,机械现代设计方法通常是相对传统的设计方法而言的。,现代设计方法从总体上概括为：,力求运用现代应用数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段,实现下列转换：,以动态的取代静态的,如机器结构动力学计算。,以定量的取代定性的,如有限元计算。,以随机量取代确定量,如可靠性设计。,以优化设计取代可行性设计,如优化设计。,并行设计取代串行设计,如并行设计。,微观的取代宏观的,如微纳米摩擦学设计,。,系统工程法取代分部处理法,如系统工程。,自动化设计取代人工设计的转化,如计算机辅助设计。,螺纹加工的工作原理,车削加工,丝锥加工,滚压加工,方案设计阶段,牛头刨床,系统运动方案的设计：,将原动机的,回转运动,转变为执行部分的,直线运动,方案设计阶段,矿石,脉石,比重不同,重选,磁性不同,磁选,对特定液体泡沫的,吸附性不同,浮选,磁 铁,选矿机械的工作原理,方案设计阶段,返回,零件的强度、刚度和寿命,2.刚度：,抵抗过量弹性变形的能力。（整体变形刚度，表面,接触刚度）可通过合理设计零件截面尺寸，增大截,面惯性矩，缩短支撑跨距等方法提高刚度。,3.寿命：,零件正常工作延续的时间。影响寿命的因素是材料,的疲劳、腐蚀、磨损。,疲劳是零件长期在变应力条件下工作引起的。,1.强度：,抵抗断裂和塑性变形的能力。可通过选择材料，合,理设计零件截面形状和尺寸，采用热处理，提高制,造精度等手段使零件满足一定的强度。,第二章 机械设计总论,知识要点:,1.机器的组成,2.机械零件的主要失效形式；,3.机械零件的设计准则；,4.安全系数的概念及表达式；,5.设计计算和校核计算的概念。,