机械设计第二章.ppt

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1机器的组成1 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2-1机器的组成2设计机器的一般程序 计划阶段 方案设计阶段 技术设计阶段 技术文件编制阶段一部机器的质量基本上决定于设计质量，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。它是一个创造性的工作过程，同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作。设计机器的一般程序：2-2设计机器的一般程序3(1)计划阶段 需求分析 对所设计的机器的需求情况作充分的调查研究和分析。明确功能 明确机器所应具有的功能，为以后的决策提出由环境、经济、加工以及时限等各方面所确定的约束条件。设计任务书 包括机器的功能，经济性的估计，制造要求方面的大致估计，基本使用要求，以及完成设计任务的预计期限等。4(2)方案设计阶段 本阶段对设计的成败起关键的作用。在这一阶段中充分地表现出设计工作有多个解（方案）的特点。对设计任务书提出的机器功能中必须达到的要求、最低要求及希望达到的要求进行综合分析，功能能否实现，多项功能间有无矛盾，相互间能否替代等。最后确定出功能参数，作为进一步设计的依据。在这一步骤中，要恰当处理需要与可能、理想与现实、发展目标与当前目标等之间可能产生的矛盾问题。复杂程度使用费用设计制造费用总费用费用5(3)技术设计阶段 运动学设计：确定原动机参数及各运动构件运动参数 动力学计算：计算各主要零件上所受的名义载荷 工作能力设计：作零、部件的初步设计，确定零、部件的基本尺寸 部件装配草图及总装配草图设计：根据的主要零、部件的基本尺寸，设计出部件装配草图及总装配草图。这时需要很好地协调各零件结构尺寸，全面考虑其结构工艺性，使全部零件有最合理的构形 主要零件校核：在绘出部件装配草图及总装草图以后，所有零件的结构及尺寸均为已知。此时可以对各个零件进行精确校核6(4)技术文件编制阶段 技术文件的种类较多，常用的有机器的设计计算说明书、使用说明书、标准件明细表等。设计计算说明书=方案选择+技术设计 使用说明书=性能参数范围+使用操作方法+日常保养及简单的维修方法+备用件的目录 其它技术文件，如检验合格单、外购件明细表、验收条件等，视需要与否另行编制。7提出任务分析对机器的要求分析对机器的要求确定任务要求确定任务要求机器功能分析机器功能分析提出可能的解决办法提出可能的解决办法组合几种可能的方案组合几种可能的方案决策决策选定方案选定方案明确构形要求结构化结构化选择材料、确定尺寸零件设计零件设计编制技术文件编制技术文件评价评价决策决策确确定结构形状与尺寸定结构形状与尺寸评价评价部件设计部件设计总体设计总体设计8对机器的主要要求 (1)使用功能要求 正确地选择机器的工作原理 正确地设计或选用能够全面实现功能要求的执行机构、传动机构和原动机 合理地配置必要的辅助系统 (2)经济性要求 设计制造的经济性表现为机器的成本低 使用经济性表现为高生产率，高效率，低能耗、低的管理和维护费用等。2-3对机器的主要要求9提高设计和制造经济性指标的主要途径有 1)采用先进的现代设计方法，使设计参数最优化，达到尽可能精确的计算结果，保证机器足够的可靠性 2)最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零、部件。3)尽可能采用新技术、新工艺、新结构和新材料 4)合理地组织设计和制造过程 5)力求改善零件的结构工艺性，使其用料少、易加工、易装配10提高使用经济性指标的主要途径有 1)合理地提高机器的机械化和自动化水平，以期提高机器的生产率 2)选用高效率的传动系统，尽可能减少传动的中间环节，以期降低能源消耗 3)适当地采用防护及润滑，以延长机器的使用寿命 4)采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象11(3)劳动保护要求 减少手柄数目 手柄位置便于操作 符合心理和习惯 美化外形和色彩 降噪声、防毒(4)可靠性要求 可靠度：规定时间内给定环境下正常工作的概率 采用备用系统和加强检测可提高可靠性12(5)其它专用要求 对不同的机器，还有一些为该机器所特有的要求。例如：机床长期保持精度 飞机质量小、飞行阻力小、运载能力大 流动使用的机器便于安装和拆卸 大型机器便于运输的要求13机械零件的主要失效形式1(1)整体断裂 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2-4机械零件的主要失效形式14机械零件的主要失效形式2(2)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 15机械零件的主要失效形式3(3)零件的表面破坏 零件表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。齿面接触疲劳轴瓦磨损 16机械零件的主要失效形式4(4)破坏正常工作条件引起的失效 液体摩擦的滑动轴承存在完整的润滑油膜 带传动传递的有效圆周力小于临界摩擦力 高速转动的零件转速与系统的固有频率避开一个适当的间隔有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起。17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 (1)强度 除用于安全装置中预定适时破坏的零件外，对任何零件都是应当避免强度失效。提高机械零件的强度措施：采用强度高的材料 使零件具有足够的截面尺寸 合理地设计零件的截面形状，增大截面的惯性矩 热处理和化学热处理，提高材料的机械强度 提高制造精度，降低工作时的动载荷 配置各零件的相互位置，降低零件上的载荷 2-5设计机械零件时应满足的基本要求18 (2)刚度 刚度定义：零件在工作时产生弹性变形的允许限度 适用零件：弹性变形过大会影响机器工作性能的零件 提高零件的整体刚度措施：1)增大零件截面尺寸或增大截面的惯性矩 2)缩短支承跨距或采用多支点，减小挠曲变形 提高零件的接触刚度措施：1)增大贴合面积 2)降低表面粗糙度19 (3)寿命 零件的寿命：正常工作延续的时间 影响零件寿命的主要原因：疲劳、腐蚀、磨损 影响疲劳强度的主要因素：应力集中、零件尺寸大小、零件表面品质、环境状况 防腐蚀措施：选用耐腐蚀材料、表面保护(发蓝、表面镀层、喷涂漆膜及表面阳极化处理)20(二)结构工艺性要求 定义：在既定的生产条件下，能够方便而经济地生产出来，并便于装配 影响因素：毛坯制造、机械加工、装配(三)经济性要求 采用少余量或无余量的毛坯或简化零件结构，以减少加工工时。设计工艺性好的结构。贵重材料廉价而供应充足的材料 大型零件整体结构组合结构 加工件标准化的零、部件21(四)质量小的要求 减小质量的好处：节约材料、减小惯性载荷 措施:缓冲装置降低冲击载荷 安全装置限制最大载荷 削减应力较小处部分材料 采用与工作载荷相反方向的预载荷 采用轻型薄壁的冲压件或焊接件来代替铸、锻零件 采用强重比高的材料22(五)可靠性要求 通过大量实验再利用概率统计的方法找出规律，可得到零件的可靠度 使用中加强维护和对工作条件进行监测，也可以提高零件的可靠性23机械零件的计算准则1 1、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。2、刚度准则：确保零件不发生过大的弹性变形。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。3、寿命准则：通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。4、振动稳定性准则：高速运转机械的设计应注重此项准则。5、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。2-6机械零件的设计准则24(一)强度准则 应力不得超过允许的限度 lim 脆性材料lim=B(强度极限)塑性材料lim=S(屈服极限)考虑到各种偶然的因素或难以精确分析的情况，要给定安全系数 lim/S S过大，偏安全费材料，S过小，偏危险省材料25(二)刚度准则 零件在载荷作用下产生的弹性变形量y，应小于或等于机器工作性能所允许的极限值 y（许用变形量），这就叫做满足了刚度要求，表达式为：yy y可按各种变形量的理论或实验方法来确定 y则应随不同的使用场合，根据理论或经验来确定其合理的数值具体解释理论：估算载荷+公式计算实验：实际载荷+仪器测量理论结合实验：估算载荷+公式计算+实验修正系数 本书中的公式大多是第三种，实验修正系数需要查表，设计过程边套公式边查表26提问：查表中的怎样做插值计算？查询值123被查值201510若查询值是1、2、3时，对应的被查值是20、15、10若查询值是2.7怎么办？本书中一般用线性插值101523斜率k=(10-15)/(3-2)=-52.7f(2.7)=f(2)+k(2.7-2)=15-50.7=11.527(三)寿命准则 腐蚀寿命：还没有提出实用有效的腐蚀寿命计算方 磨损寿命：尚无通行的能够进行定量计算的方法 疲劳寿命：有定量计算方法(四)振动稳定性准则 激振源：齿轮的啮合、滚动轴承中的振动、滑动轴承中的油膜振荡、弹性轴的偏心转动等 共振条件：某一零件固有频率与激振源的频率重合或成整数倍关系时发生 后果：零件破坏或工作关系失常 不共振条件：在设计时要使机器中受激振作用的各零件的固有频率f与激振源的频率fp错开0.85f fp 或者 1.15f fp28提高震动稳定性的措施 1)改变零件及系统的刚性改变固有频率 2)改变支承位置 3)增加或减少辅助支承 4)把激振源与零件隔离隔震地基、防震沟 5)采用阻尼以减小受激振零件的振幅29隔震地基30工作台铣刀Fw增加辅助支承提高震动稳定性举例31(五)寿命准则 如有一大批某种零件，件数为N0，如在t时间后仍有N件在正常的工作，可靠度R为R=N/N0 R是时间的函数，从100%0 在t到t+dt的间隔中，又有dN发生破坏，破坏的比例为失效率失效的快慢程度可靠度与失效率的关系32失效率曲线 第I段(早期失效)：失效率由开始时很高的数值急剧地下降到某一稳定的数值。原因：零、部件初始缺陷，例如加工裂纹，安装不正确，接触表面未经磨合等。第II段(正常使用阶段)：失效发生是随机性的，失效率则表现为缓慢增长。第III段(损坏阶段)：由于磨损、疲劳裂纹扩展等原因，使失效率急剧地增加。良好地维护和及时更换要发生破坏的零件，可以延缓机器进入这一阶段工作的时间。“浴盆”33机械零件的设计方法 2-7机械零件的设计方法 机械零件的设计方法通常分为常规设计方法和现代设计方法两大类。常规设计方法：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。细分为：理论设计、经验设计、模型实验设计 现代设计方法：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。34(一)理论设计 定义：根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计 以简单受拉杆件的强度计算为例，设计时强度计算公式为：lim/S 或 F/A lim/S 1、设计计算，A不确定时 2、校核计算，A确定时=lim/S实际应力许用应力lim极限应力S安全系数公式实验修正系数35(二)经验设计方法：根据已有设计、使用实践进行的设计 适用：这对那些使用要求不大变动而结构形状已典型化的零件。例如箱体、机架、传动零件的各结构要素等(三)模型实验设计 方法：把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺寸样机，经过实验的手段对其各方面的特性进行检验，根据实验结果对设计进行逐步的修改 适用：尺寸巨大而机构又很复杂的重要零件36机械零件设计的一般步骤选择零件类型、结构 计算零件上的载荷确定计算准则选择零件的材料确定零件的基本尺寸结 构 设 计校 核 计 算画出零件工作图写出计算说明书2-8机械零件设计的一般步骤37：铝、铜黑色金属有色金属铁钢高分子材料复合材料陶瓷金属材料非金属材料一、常用材料：塑料、橡胶、合成纤维：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢 ：灰铸铁、球墨铸铁：强如钢、轻如铝、硬如金刚石：强度高、弹性模量大、质量轻 2-9机械零件材料的选用原则38常用材料的相对价格常用材料的相对价格材材 料料 种种 类类 规规 格格 相对价格相对价格热轧圆刚热轧圆刚 碳素结构钢碳素结构钢Q235（3342）1铸铸 件件优质碳素钢优质碳素钢（2950）1.51.8 合金结构钢（合金结构钢（2950）1.72.5 滚动轴承钢（滚动轴承钢（2950）3 合金工具钢（合金工具钢（2950）320 4Cr9Si2耐热钢（耐热钢（2950）5 灰铸铁铸件灰铸铁铸件 0.85 碳素钢铸件碳素钢铸件 1.7 铜合金、铝合金铸件铜合金、铝合金铸件 810 铬：读音g淬火：cu hu，在金属材料加工、金属热处理等学术领域 和行业内读zhnhu3940二、机械零件材料的选用原则 1、载荷的大小和性质静载荷：脆性材料 冲击：塑性材料 热处理：提高和改善性能，常用的调质钢，由于回火 温度的不同，机械性能不同 2、零件的工作状况 湿热：不锈钢、铜合金 温度变化：线膨胀系数相近 易磨损：淬火钢、渗碳钢、氮化钢调质：淬火+高温回火413、零件的尺寸及质量 铸造制造毛坯：一般可以不受尺寸及质量大小的限制 锻造制造毛坯：锻压机械设备的生产能力，如100MN 原则：应尽可能选用强重比大的材料4、零件结构的复杂程度及材料的加工可能性 结构复杂：铸造毛坏、板材冲压再焊接 结构简单：可用锻造法制取毛坏42铸造制造毛坯锻造制造毛坯43板材冲压44 铸造工艺性：液态流动性、收缩率、偏析程度、产生缩孔的倾向性等 锻造工艺性：延展性、热脆性、冷态和热态下塑性变形的能力等 焊接工艺性：焊接性、焊缝产生裂纹的倾向性等 热处理工艺性：可淬性、淬火变形倾向性、热处理介质的渗透能力等 冷加工工艺性：硬度、易切削性、冷作硬化程度、切削后可能达到的表面粗糙度等45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 定义：针对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出共同遵守的标准。益处：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)，必须严格遵照执行，否则违法。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。46强制性国家标准举例47推荐性国家标准48机械现代设计方法简介1以动态取代静态机器结构动力学计算以定量的取代定性的有限元计算以可靠性设计到常规设计采用随机理论的可靠性设计以优化设计取代可行性设计从可行解中寻找最优解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2-11机械现代设计方法简介49 (1)前一阶段完成后，下一阶段才能开始 (2)系统之间数据交换困难 (3)经常的数据修改，使产品设计费用增加 (4)设计时间长，不能满足市场的需求串行设计50并行设计 该模型为小组工作方式 小组成员要具有不同的知识结构 要有产品开发的下游人员参加51运动学动力学仿真分析 52机床动刚度分析位移云图机床动刚度分析位移云图并联运动机床的应力与应变分析并联运动机床的应力与应变分析并联运动机床的应力与应变分析并联运动机床的应力与应变分析53数字化车身空气动力学空气动力学数值风洞数值风洞人机工程学人机工程学数字化计算54管路设计管路设计强度分析强度分析结构分析结构分析数字预装配数字预装配CAM装配过程仿真装配过程仿真装配过程仿真装配过程仿真55齿轮接触应力分析56流体动力学分析 Gulf 球头的流体分析仿真球头的流体分析仿真管路中的流速分析管路中的流速分析管路中的流速分析管路中的流速分析57热分析 电熨斗在恒温控制时的热场电熨斗在恒温控制时的热场电熨斗在恒温控制时的热场电熨斗在恒温控制时的热场电熨斗在恒温控制时的热场电熨斗在恒温控制时的热场电熨斗在恒温控制时的热场电熨斗在恒温控制时的热场58电磁场分析电磁场分析马蹄形磁铁的磁场有限元分析马蹄形磁铁的磁场有限元分析汽车磁场分布分析图汽车磁场分布分析图59多物理场耦合仿真 60控制系统仿真分析 61制造系统仿真分析 铸造过程模拟铸造过程模拟冲压仿真铸件凝固过程的仿真铸件凝固过程的仿真冲压有限元仿真模拟冲压有限元仿真模拟62一汽一汽“小红旗小红旗”轿车油底壳一次深轿车油底壳一次深 拉延模拟与模面优化拉延模拟与模面优化设计设计63一汽一汽“小红旗小红旗”轿车油底壳一次深轿车油底壳一次深 拉延模拟与模面优化拉延模拟与模面优化设计设计 整型件整型件整型件整型件一次拉深件延成功一次拉深件延成功一次拉深件延成功一次拉深件延成功实验结果实验结果实验结果实验结果64一汽一汽“小红旗小红旗”轿车油底壳一次深轿车油底壳一次深 拉延模拟与模面优化拉延模拟与模面优化设计设计KMASKMAS软件模拟冲压过程的三个阶段软件模拟冲压过程的三个阶段实际冲压过程对应的三个阶段实际冲压过程对应的三个阶段65PAM-CRASH分析轿车安全分析轿车安全气囊气囊两辆轿车横向相撞两辆轿车横向相撞两辆轿车横向相撞两辆轿车横向相撞碰撞动力学分析碰撞动力学分析轿车侧撞有限元仿真模拟之一轿车侧撞有限元仿真模拟之一轿车侧撞有限元仿真模拟之二轿车侧撞有限元仿真模拟之二轿车侧撞有限元仿真模拟之三轿车侧撞有限元仿真模拟之三汽车碰撞66飞机底舱的复飞机底舱的复杂管路杂管路虚拟人检验飞机的可维修性67 虚拟现实技术 通过三维虚拟环境，设计人员能够直接操纵产品和零件，进行各种形状的建模和修改，利用虚拟现实的漫游特性和实时交互性，相关人员可以对产品原型的各个方面(包括视觉效果、零部件之间的比例关系等)进行评价。68