机械设计基础绪论1章设计概论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,汽车与交通工程学院 汽车工程系,机械设计,Mechanical Designing,聊城大学,汽车与交通工程学院,张翠华,机械设计,课程编号：,509020(,汽服,),409128(,车辆,),适用专业：机制、汽服、车辆,课程性质：专业必修课,学 时 数：,48,(,讲授,40,，实验,8),学 分 数：,3,第,0,章 绪 论,重点与难点,掌握,本课程的研究对象、性质及学习方法。,教学基本要求,本课程的研究对象及学习方法,第,0,章 绪 论,0.1,机器的组成与本课程的研究对象,0.1.1,机器的组成,医疗机械图,NJP900,型全自动硬胶囊填充机,ACM803,呼吸机,ACM603,麻醉机,1,）电动机,2,）内燃机,3,）风力机,动力机械图,具有较大活动范围、以搬运为主要目的的机械，统称为,交通运输机械。,1,）汽车,2,）飞机,3,）轮船,4,）海陆空“飞行船”,各类加工机床图,电火花数控线切割机床,CJL06,系列仪表车床,农业机械图,林业机械图,MQ-G1300C,贴面机,定向结构板生产线成套设备,(,部分,),矿山机械图,轮式装载机,粉碎机,雷蒙磨,双转子反击破碎机,冶金机械图,步进式高速冷床,冷轧机组及酸洗、,卷取、分条机组设备,化工机械图,发 酵 罐,电加热反应锅,WZI,型外加热式真空蒸发器,ZJG,型内加热搅拌真空干燥机,板框压滤机,振动筛,工程机械图,纺织机械图,纺织机,纺织机,箭杆织机,印刷机械图,罗兰百花,(PAPVA),对开机,海德堡（,M-OFFSET,）四开机,包装机械图,TM1400,型半自动贴面机,GR-300,型家禽骨肉分离机,食品机械图,Unp-803,电动刨冰机,易拉罐封装口生产线,钻探开采机械图,ZQ80y,型钻杆钳,950-H,旋转器,抽油机,工业机器人,工业机器人的定义：,其操作机是自动控制的，可重复编程、多用途，并可对三个或三个以上的轴进行编程。它可以是固定式或移动式。,工业机器人包括操作机和控制系统（硬件和软件）。,所谓操作机是一种机器，其机构通常是由一系列,相互铰接,或,相对滑动,的构件所组成。它通常有几个自由度，用以抓取或移动物体。,机器人焊接,机器人去毛刺,认识机器,3,工业机器人,数控加工中的工业机器人,注：左键单击图片可演示视频,工业机器人,示教板,用于输入控制命令或控制程序,控制系统,用于控制操作机各关节内伺服电机的运动,工业机器人的组成,操作机,在控制系统的控制下，实现各种复杂运动。每个关节内有电动机和减速器,机器组成,(1),原动机,(2),传动装置,(3),执行机构,(4),控制系统,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,轿车组成：,常用机器实例,带式运输机,原动机,:,是机械设备完成其工作任务的动力来源。括电动机、内燃机、液压马达、气动机等。,是按执行机构作业的特定要求，把原动机的运动和动力传递给执行机构。如减速器、变速装置。,传动装置：,电机,带传动,减速器,F,V,D,联轴器,卷筒,运输带,执行机构,：,是机器中最接近作业端的机构，直接与被作业件相接触，以完成作业任务。,机构,具有确定相对运动的组合体，是机器的主要组成部分,。,（,传递运动和力或改变运动形式,）,电动机,齿轮机构,连杆机构,螺旋机构,机器,根据某种使用要求而设计的一种执行机械运动的装置，用来,变换或传递能量、物料和信息,连杆机构 凸轮机构,齿轮机构 间歇机构,刚性地,连接在一起的零件共同组成一个,独立的,运动单元体称为,构件,连杆是,内燃机中的一个构件,，它由连杆体,1,、连杆盖,2,、轴瓦,3,、,4,和,5,以及螺栓,6,、螺母,7,、开口销,8,等零件构成。,构件,（运动的整体）,零件,（制造的单元）,6,5,4,3,8,7,1,2,9,10,汽缸体,1,、,活塞,2,、,进气阀,3,、,排气阀,4,、,连杆,5,、,曲轴,6,、,凸轮,7,、,顶杆,8,、,齿轮,9,、,10,部件,：,机械的一部分，由若干装配在一起的零件所组成。在机械装配过程中，这些零件先被装配成部件,(,部件装配,),，然后才进入总装配。某些部件,(,称为分部件,),在进入总装配之前还先与另外的部件和零件装配成更大的部件。,机械零件,六角头螺栓,六角螺母,转轴,孔板式带轮,实心式齿轮,齿轮实物,实物,螺纹连接件实物,通用零部件,圆螺母,六角头螺母,圆螺母用止动垫圈,圆柱螺旋拉伸弹簧,深沟球轴承,弹性套柱销联轴器,专用零部件,曲轴,机械部件,滚动轴承部件,对开式滑动轴承,滑动轴承部件,机械零件,组成机器的不可拆的基本单元（即制造的基本单元）,是机器的基本组成要素。,分为：,通用零件,：各种机器中常用的。,(,是本课程的主要学习对象）,例如：齿轮、链传动、带传动、轴、联轴器轴承、螺栓、,键、弹簧等。,专用零件,：,只在某些特定的机器中才用到的。（在有关专业课中学习）,例如：叶片、曲轴等。,部件,为完成同一使命在结构上组合在一起并协同工作的零件。,例如：滚动轴承、减速器等。,机械零件,常用泛指零件和部件。,机械,机构：,由机械零件组成，,构件间运动规律,机器：转换机械能，或用机械能作功。,研究内容：,从,承载能力,出发，考虑,结构、工艺、维护,等方面来解决通用零件的,设计,问题。包括如何确定零件,尺寸,、如何选择,材料,、,精度,、,表面,质量及绘制,零件图,等。,研究对象,：,一般参数的,通用零部件,的设计理,论和设计方法。,0.1.2,本课程的研究对象及研究内容,0.1.3,本课程的性质和任务,技术基础课,任务,2),掌握通用零部件的设计方法和一般规律,3),掌握一定的设计技能,4),了解机械设计的最新动态,1),培养正确的设计思想,三性：设计性、综合性和实践性,四多：公式多、图表多、关系多、系数多,0.1.4,学习本课程应注意的问题,特点,学习本课程应注意的问题,）理论联系,实际,）抓住本课程的,体系,）,综合运用,先修课程的知识解决机械设计问题,）要理解,系数,引入的意义,）培养解决工程,实际,问题的能力,第,0,章 绪论,1,第,1,章 机械设计总论,1,第,2,章 带传动,4,第,3,章 链传动,3,第,4,章 齿轮传动,7,第,5,章 蜗杆传动,3,课程安排：,第,6,章 轴和轴毂连接,4,第,7,章 滚动轴承,4,第,8,章 滑动轴承,5,第,9,章 联轴器和离合器,2,第,10,章 连接,6,考试成绩计算：,考试成绩,=,试卷成绩,80%,+,平时成绩,10%,+,实验成绩,10%,平时成绩包括,平时作业,，,旷课情况,以及,上课表现,。,1,了解,机械设计的一般步骤和方法；,2,掌握,机械零件常见失效形式和计算准则。,机械零件的失效形式和计算准则,。,教学基本要求：,重点与难点：,第,1,章 机械设计总论,第,1,章 机械设计总论,设计具有一定使用功能的,机械技术系统,。,1.1,机械设计概述,一、机械设计的任务,1.1.1,机械设计的任务及设计步骤,1,）,实现能量转换,3,）实现物料转换,2,）实现信息转换,二、机械设计的基本要求,）使用要求：,),经济性要求,（设计制造经济性和使用经济性,）,）安全性要求,）其他要求：,环保要求外观要求体积重量要求,三方面：生产成本低、使用消耗小、维护费用低。,措施：,1,）设计中采用,“,三化,”,零部件；,标准化、系列化、通用化,2,）应用成熟的新技术、新材料。,3,）选用高效率设备，减少动力、燃料消耗。,三、机械设计的一般步骤,机械设计是一个,创新,与,借鉴,相结合的过程，一般程序如下：,设计任务,调研,总体设计,技术设计,试制,投产,试验,修改,1.1.2,机械设计中创新及优化,1,）无新技术，但形式上有翻新,2,）含有重要的新技术,一、创新,3,）具有完全创新的功能,二、优化,1,）基于经验的优化设计,2,）基于计算机的枚举寻优,3,）数学规划寻优,4,）人工智能寻优,1.1.4,机械设计的最新进展,设计理论的不断完善与发展,设计手段和方法的不断更新。,机械设计的综合程度越来越高,机械设计的实验研究技术有了很大的发展和提高,实验与理论相互结合、相互促进。,1.1.3,机械设计中的标准化,1.2,机械,零件,设计概述,一、要求,1.2.1,机械零件应满足的要求及设计步骤,1),避免在预期寿命内失效的要求（强度、刚度、寿命）；,2),结构工艺性要求（便于加工、装配）；,3),经济性要求（材料、加工方法、精度等级）；,4),质量小的要求（节约材料、惯性力）；,5),可靠性要求；,二、设计方法,2,）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。,名义载荷,（,F,、,P,、,T,）：力学公式计算出的载荷。,但：由于载荷作用的不平稳性、分布的不均匀性等因素，,实际载荷大于名义载荷,。,载荷系数,K,计算载荷,(F,c,、,P,c,、,T,c,),=,载荷系数,名义载荷,3,）选择适当的材料。,4,）根据零件工作能力准则，确定零件的主要尺寸，并元整和标准化。,a.,理论设计,5,）画零件图，编写设计说明书。,1,）根据使用要求，选择零件的类型和结构。,b.,经验设计,根据,经验关系式,，用,类比,的方法所进行的设计。,如：箱体、传动件个各结构要素等,c.,模型实验设计,把初步设计的零、部件或机器作成,小模型,或,小尺寸样机,进行实验。,如：飞机、桥梁的风洞实验。,1.2.2,机械零件的失效形式及设计准则,一、失效形式,1,）,失效,：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。,a),失效并,不单纯指破坏,，破坏只是失效的形式之一。,机械零件的可能失效形式很多，归纳起来主要有,强度,、,刚度,、,耐磨性,、,振动稳定性,以及,温度,等方面的失效。,b),同一种零件可能的失效,形式往往有若干种,。,例如：轴在工作中可能产生断裂、过大弹性变形、共振等失效。,注意,：,失效分析,振动失效,高速运转的零件，当其转速等于或接近零件的自振频率时，会发生共振，使振幅急剧增大，导致零件及系统在短时期破坏。,零件失效,磨损,表面,压溃,过量塑,性变形,表面失效,过量弹,性变形,打滑,振动,失效,断裂,胶合,疲劳,点蚀,失效形式（,Failure types,）,整体断裂,过载断裂,疲劳断裂,表面破坏,磨损,冷胶合,热胶合,点蚀,塑性变形,过大弹变,功能失效,变形,过大,胶合,过大振动,综合失效,二、设计准则,1,）,工作能力,：即机械零件在一定条件下抵抗失效的能力。,2,）,承载能力,：对载荷而言的工作能力。（也就是用载荷表示的工作能力）,3,）,工作能力计算准则,：为防止机械零件发生某种失效而应满足的条件。,（也可以理解为是机械零件不发生失效的“安全条件”，是设计零件时的理论依据）。,为了防止机械零件在工作中失效，设计时，需要以零件的工作能力计算准则为依据进行必要的计算，常用的计算方法（过程）有两种：,4,）,设计计算,：先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算,准则通过计算确定零件的结构尺寸。,5,）,校核计算,：先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件是否满足计,算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。,a.,几个名词,6),载荷,由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为,动载荷。,静载荷,变载荷,按是否随时间变化，载荷分为：,按是否考虑动载荷的影响，载荷分为：,名义载荷,：在理想平稳条件下所受的载荷。（不考虑动载荷的影响）,计算载荷,载荷系数,K,名义载荷。（代表机器或零件实际所受载荷）,载荷系数,K,：用于计入在实际工作中受到的各种动载荷的影响。,额定载荷,：由原动机的额定功率推算出的载荷。,7),应力,应力分为,静应力：,循环应力：,s,max,最大应力；,s,min,最小应力,s,m,平均应力；,s,a,应力幅值,r,应力比（循环特性）,循环应力,对称循环,脉动循环,常见的循环应力有：,静应力（可看作是循环应力的一个特例）,注,：,静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产生，也可,由静载荷产生。,另外，应力还分为,名义应力：根据名义载荷求得的应力,计算应力：根据计算载荷求得的应力对称循环应力,r,=-1,、,s,m,0,脉动循环应力,r,=0,、,s,min,0,静应力,r,=1,根据失效原因建立的工作能力判定条件，称为零件的,设计计算准则,。,1,）强度准则,b.,设计准则,强度,：指机械零件工作时,抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力,。,强度条件有两种表示方法：,1,）用应力表示：,2,）用安全系数表示：,式中：,计算最大应力,极限应力,计算安全系数,许用应力,许用安全系数,注,：,对于切应力，只须将上述各公式中的,换成,即可,。,2,）刚度准则,刚度,是指机械零件在载荷作用下,抵抗弹性变形的能力,。如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。,例如：机床主轴的弹性变形过大将会影响所加工工件的精度。,刚度条件为：,实际变形量许用变形量或,式中：实际变形量可用相关理论计算或由实验方法确定。,许用变形量是保证正常工作所允许的变形量。,注：,1,）零件材料的弹性模量,E,越大，则其刚度越大。,2,）用合金钢代替碳钢能提高零件的强度，但不能提高零件的刚度。,4,）振动稳定性准则,当作,用在零件上的周期性外力的变化频率接近或等于零件的自激振,动频率（固有频率）时，便发生共振，导致零件失效。这种现象称之为,“,失去振动稳定性,”。,振动稳定性准则：使零件的自激振动频率,f,远离外力变化的,频率,。,即 ,0.85,f,或 ,1.15,f,3,）热平衡准则,机械零件若温升过度，将使润滑油黏度下降，润滑失效，零件间加剧磨损并产生胶合，最后导致零件失效，所以要进行热平衡计算，把温升控制在许用范围内，即：,其中,温升,许用温升,5,）摩擦学准则（耐磨性准则）,到目前为止对于磨损失效还没有一个完善的计算方法。通常只进行条件性计算，通过,限制影响磨损的主要因素,防止产生过大的磨损量。,即,压强,不超过许用值,p,p,速度,不超过许用值 ,压强与速度乘积,不超过许用值,p,p,注：限制,p,值就是间接的限制因摩擦而产生的热量，防止温度过高。,6,）可靠性准则,可靠性,是指零件在一定条件下和规定时间内正常工作的能力。用,可靠度,R,t,表示，可靠度指零件在一定的条件下和规定时间内正常工作的概率。,不可靠度为：,N,个相同零件在相同条件下同时工作，在规定的时间内有,N,f,个失效，剩下,N,t,个仍继续工作，则,：,谢 谢,曲轴整体断裂实况,返回,疲劳断口,断口对,断口放大,断口放大,返回,断口对,返回,曲轴疲劳断裂断口特征,返回,裂纹源区,疲劳扩展区,最终瞬断区,内部缺陷引起疲劳断轴：,初始裂纹起源于轴内部，裂纹由内至外扩展,裂纹源区,扩展区,瞬断区,裂纹扩展方向,返回,键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂,键槽,初始裂纹源,裂纹扩展区,最终瞬断区,返回,曲轴疲劳断裂,内部缺陷引起疲劳断轴,冷胶合：,低速重载，接触零件挤压粘着，相对运动撕裂,。,返回,综合失效,：,齿面磨损、断齿、疲劳断轴,返回,轮齿塑性变形,返回,轧钢机压下螺旋丝杠断牙宏观,返回,丝杠断牙部位,丝杠断牙局部放大,热胶合：润滑不良引起的齿面,返回,整体塑变,返回,轮齿塑性变形,点蚀,返回,轮齿磨损,返回,螺栓联接滑移被联接件断裂,返回,被联件相对滑移,被联件拉断,