机械设计哈工大第1-3章.ppt

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1、第1章 绪论,1.1 机械的组成及本课程研究对象,第一节,机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志。,机械在国民生产中的地位、作用：,机械工业肩负着为国民经济各个部门提供装备和促进技术改造的重任。,“十二五规划”老工业基地改造：注入新的技术国防工业：提供新的装备高技术产业：新装备,特种环境工作的机器人自动化生产线人们代步用的汽车,机器是代替人们体力和部分脑力劳动的工具，机器既能承担人力所不能或不便进行的工作，又能较人工生产改进产品质量，特别是能够大大提高劳动生产率和改善劳动条件。,其它辅助系统：例如润滑、显示、照明等,原动机,传动装置,工作机,控制系统,机械的组成：1、从功能看三个

2、基本部分、三个辅助部分,机械的组成,机械的组成,机械的组成,机械的组成,机械的组成,机械的组成,机械的组成,以汽车为例：,原动机-,发动机（汽油机或柴油机）,传动部分-,离合器、变速箱、传动轴和差速器,执行部分-,车轮、悬挂系统及底盘,控制系统-,转向盘和转向系统、排档杆刹车及其踏板、离合器踏板及油门,辅助装置-,油量表、前后灯、车门锁等,数控加工中的机器人,机械的组成,机器人焊接,机械的组成,机器人去毛刺,机械的组成,2、从制造安装方面看：任何机械设备都是由许多机械零部件组成的。,是机械制造过程中为完成同一目的而由若干协同工作的零件组合在一起的组合体。例如：轴承，联轴器，发动机。,机械部件：

3、,专用零件：气轮机的叶片；内燃机曲轴 通用零件：齿轮；螺栓,机械零件：,是机械制造过程中不可分拆的最小单元,1.1.2 机械设计课的研究对象：简单机械的设计 典型零部件的设计,机械设计课的重点内容：机械中一般工作条件下、常用参数范围内的通用零部件的工作原理、结构特点、基本设计理论、设计计算方法。,（2）课程地位：工程图学、力学、金属工艺学、机械工程材料学、热处理、互换性与测量、机械原理是其先修课程。是机械类、近机类专业主干课程，具有承前启后的作用。,1.2 本课程的性质、地位和任务,（1）课程性质：设计性课程 技术基础课,（3）学习机械设计课的主要任务：培养学生：1）初步树立正确的设计思想。2

4、）掌握设计或选用通用机械零部件的基本知识、理论和方法。3）具有计算、绘图、查阅与运用技术资料的能力。4）掌握本课程实验知识，获得实验技能。5）了解机械设计的新发展，培养创新设计能力。,1.3 本课程的特点和学习方法 本课程：综合性、实践性很强的设计性课程。（1）理论联系实际。（2）抓住设计主线，掌握机械零部件设计规律。（3）努力培养解决工程实际问题的能力。（4）综合运用先修课程，解决工程实际问题。,20,2.1.1 基本要求,2.1 设计机械时应满足的基本要求和一般步骤,1.使用功能要求,2.工艺性要求,3.经济性要求,提高设计、制造经济性的措施,运用现代设计方法，使设计参数最优化,推广标准化

5、、通用化、系列化,采用新工艺、新材料、新结构,改善零部件的结构工艺性,第2章 机械及机械零件的设计准则,21,提高使用经济性的措施,选用效率高的传动系统和支承装置,提高机械生产的机械化和自动化水平，以提高生产率和产品的质量。,采用适当的防护,采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象。,22,4.其他要求,劳动保护要求,环境要求,23,2.1.2 设计机械的一般步骤,1.计划阶段,2.方案设计阶段,原动机,执行部分,例：设计制造螺纹的机器,传动部分：方案更复杂多样,24,3.技术设计阶段,机器的运动学设计,机器的动力学设计,零件的工作能力设计,部件装配草图及总装配图,主要零件的校核,25,4.技术文件

6、编制阶段,5、技术审定和产品鉴定阶段,26,2.2 机械零件的载荷和应力,、载荷,静载荷：大小、方向均不随时间变化,变载荷：大小、方向随时间变化,名义载荷F：根据原动机或工作机的额定功率计算出 的作用于机械零件上的载荷（未考虑不 均匀性及其他影响因素）。计算载荷：,27,随机变应力,静应力：大小、方向不随时间变化或变化缓慢,规律性不稳定变应力,2.2.2 应力,1、静应力和变应力,变应力：,不稳定变应力：,稳定循环变应力,28,稳定循环变应力的基本参数和种类,a)基本参数,应力循环特征,最大应力,最小应力,平均应力,应力幅,b)稳定循环变应力种类：,-1+1非对称循环变应力=+1 静应力,=1

7、 对称循环变应力=0 脉动循环变应力,材料疲劳的两种类别,交变应力的描述,描述规律性的交变应力可有5个参数，但其中只有两个参数是独立的。,-1 r=1非对称循环变应力,2-1 概 述,材料疲劳的两种类别,表2-1 几种典型变应力的循环特征和应力特点,当零件受变切应力作用时，只需将公式中的,31,注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可 能由变载荷产生，也可能由静载荷产生,工作应力由计算载荷产生的应力计算应力当零件危险剖面上呈复杂应力状态时，按某一强度理论求出的、与单向拉伸时有同等破坏作用的应力,2.工作应力和计算应力,32,3.极限应力,塑性材料极限应力：屈服极限,失效形式：塑性变形,根据材料

8、性质及应力种类而采用材料的某个应力极限值 静应力作用下:,脆性材料极限应力：强度极限,失效形式：脆性破坏,33,1、失效形式：疲劳（破坏）（断裂）,变应力作用下机械零件的失效特征,N0,有限寿命区,无限寿命区,A,B,C,N0应力循环基数 无限寿命疲劳极限,m、C系数,rN1,rN2,N1,N2,rN0,103,有限寿命疲劳极限,34,疲劳曲线方程,m指数与应力与材料的种类有关。钢 m=9拉、弯应力、剪应力 m=6接触应力,几点说明：,硬度350HBS钢，=107 350HBS钢，=25x107,注：1）计算 时，如 N，则取 N。,2）工程中常用的是对称循环应力（=-1）下的疲劳极限，计 算

9、时，只须把 和 换成 和 即可。,3）对于受切应力的情况，则只需将各式中的 换成 即可。,4）当N 时，因 N 较小，可按静强度计算。,5）无限寿命设计：N N0 时的设计。取。,36,影响机械零件疲劳极限的主要因素,(1)应力集中的影响有效应力集中系数,零件受载时，在几何形状突变处（圆角、凹槽、孔等）要产生应力集中，对应力集中的敏感程度与零件的材料有关，一般材料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感,（）无应力集中试件的对称循环弯曲（扭转剪切）疲劳极限。,(）有应力集中试件的对称循环弯曲（扭转剪切）疲劳极限。,表面质量：是指表面粗糙度及其表面强化的工艺效果。表面越光滑，疲劳强度可以提高。强化工

10、艺（渗碳、表面淬火、表面滚压、喷丸等）可显著提高零件的疲劳强度。用表面状态系数、计入表面质量的影响。,影响疲劳强度的主要因素2,(2)绝对尺寸的影响,零件的尺寸越大，在各种冷、热加工中出现缺陷，产生微观裂纹等疲劳源的可能性（机会）增大。从而使零件的疲劳强度降低。,用尺寸系数、，计入尺寸的影响。,(3)表面质量的影响,、标准尺寸试件的对称循 环弯曲（扭转剪切）疲劳极限。,、直径为d 的某种尺寸零件的对称循环弯曲（扭转剪切）疲劳极限。,影响疲劳强度的主要因素3,综合影响系数,试验证明：应力集中、尺寸和表面质量都只对应力幅有影响，而对平均应力没有明显的影响。（即对静应力没有影响）,在计算中，上述三个

11、系数都只计在应力幅上，故可将三个系数组成一个综合影响系数：,循环应力,标准表面状态(精抛光)试件的对称循环疲劳极限。,某种表面状态零件的对称循环疲劳极限。,39,4.许用应力和安全系数,设计零件时，计算应力允许达到的最大值,40,5.接触应力,理论依据：赫兹公式,2.3 机械零件材料的选用原则 主要材料：钢、铸铁、有色金属、非金属材料（塑料、木材等）,2.3.1 载荷及应力的大小和性质1）受载大的零件=选用机械强度高的材料2）静应力下零件=选用脆性材料3）冲击、振动、变载荷=选用塑性材料,2.3.2 零件的工作情况,主要指环境、工作温度、摩擦磨损等：1）湿热环境：选用防锈、耐腐蚀材料如不锈钢、

12、铜合金等。2）温度变化大时：选用相配零件的线膨胀系数相近3）有摩擦磨损时：提高表面硬度。如选用淬火钢、渗碳钢、氮化钢等。,1）铸造：用铸造材料制造毛坯时，不受零件的尺寸和质量限制。,2）锻造:用锻造材料制造毛坯时，需要考虑锻造机械设备的生产能力，一般适用于零件尺寸和质量较小时的情况。,3）一般情况:尽可能选用强度高而密度小的材料=目的：减小零件的尺寸和质量,2.3.3 零件的尺寸和质量一般与材料品种及毛坯制造方法有关,2.3.4 零件结构的复杂程度及材料的加工可能性,结构简单的零件：选用锻造毛坯，这时应选用锻造工艺性好的材料，如锻钢等。,结构复杂的零件:宜用铸造毛坯=要求选用铸造工艺性好的铸造

13、材料如：铸铁、铸钢等也可选用板材冲压出元件后再焊接而成：此时需要选用冲压工艺性和焊接工艺性好的材料,首先考虑材料价格：在能达到使用要求的前提下尽量选用价格低廉的材料。其次应综合考虑选用材料的效果。1）大批量生产零件：铸造材料，铸造毛坯2）单件生产：选用焊接材料或锻造材料，采用焊接毛坯或自由锻造毛坯3）某些零件：可采用精密的毛坯制造方法，如精铸、精锻、冲压等，既提高材料利用率，又可节省加工费用，获得良好的经济效益。,2.3.5 材料的经济性,2.3.6 材料的供应情况在满足使用要求的前提下，尽可能选用库存材料，或当地材料、国产材料。,2.4 机械零件的结构工艺性2.4.1 零件的结构应与生产条件

14、、批量大小及尺寸大小相适应1）大批生产及有大型 设备时：宜采用模锻毛坯；形状复杂、尺寸大时：宜采用铸造毛坯。2）单件生产或小批生产时：宜采用焊接毛坯或自由锻毛坯。,获得毛坯方法不同时，零件的结构也要有相应区别：一、对于铸件1）铸件的最小壁厚应满足液态金属的流动性要求；2）铸件壁厚应均匀，不宜过厚，以免产生缩孔及缺陷；3）铸件不同壁厚的连接处应均匀过渡，并在各个面的交接处有适当的铸造圆角；,4）合理选择分型面，要有适当的铸造起模斜度，以便于造型和起模；5）应避免易使造型困难的死角，避免使用活块；6）铸件结构应便于清砂。,二、设计锻件及冲压件时1）应力求零件形状简单，不应有很深的凹坑，以便于制造。

15、2）对于模锻件应留有适当的锻造斜度和圆角半径，尽量设计成对称形状；3）对于自由锻件应避免带有锥形和楔形不允许有加强筋，不允许在基体上有凸台。,三、设计焊接件时1）应尽量不用或少用坡口2）避免将焊缝设计在应力集中处，3）焊缝应错开，以减少内应力，尽量减小焊缝的受力。,机械零件的结构工艺性示例,零件形状愈复杂，制造愈困难，成本就愈高。因此，零件造型应简单化，尽量采用最简单的表面(如：平面、圆柱面、共扼曲面等)及其组合来构成。同时力求减少被加工表面的数量和被加工的面积。,2.4.2 零件造型应简单化,2.4.3 零件的结构应适合进行热处理,很多的机械零件都要通过热处理来改善材料的机械性能，增强零件的

16、工作可靠性，延长使用寿命。因此，在零件结构设计时一定要考虑零件的热处理工艺性，避免在热处理时产生裂纹及严重变形。通常应注意以下几点：,(1)避免尖角、棱角。零件的尖角、棱角部分是淬火应力最为集中的地方，往往成为淬火裂纹的起点。因此在设计带有尖角、棱角的零件时，应尽量改成圆角、倒角，而且圆角半径要大些。(2)避免厚薄悬殊。厚薄悬殊的零件，在淬火冷却时，由于冷却不均匀易造成变形及开裂。为此可采用开工艺孔、加厚零件太薄的部分及合理安排孔洞位置等方法来解决零件结构厚薄悬殊的问题。,(3)零件形状力求简单、封闭和对称。零件形状为开口或不对称结构时，热处理时应力分布也不均匀，因此容易引起变形。(4)采用组

17、合结构。形状特别复杂，或者不同部位有不同性能要求时可以采用组合结构。如机床铸铁床身上镶钢导轨。(5)提高零件的结构刚性。,2.4.4 零件的结构应保证加工的可能性、方便性和精确性 设计出的零件结构应保证不仅能够进行加工，而且能够很方便地加工出满足精度要求的零件。2.4.5 零件的结构应保证装拆的可能性和方便性 设计出的每件结构应保证不仅能够进行装配与拆卸，而且很方便。,2.5 机械设计中的标准化,标准化是组织现代化大生产的重要手段，也是实行科学管理的重要措施之一。因此，对于机械设计工作来说，标准化的作用是很重要的。所谓标准化，就是通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法和制图要

18、求等方面制定出各式各样的大家共同遵守的标准。其基本特征是统一、简化。,标准化的意义在于：(1)能以最先进的方法在专门化工厂中对那些用途最广的零件进行大量的、集中的制造，以提高质量，降低成本。(2)统一了材料和零件的性能指标，使其能够进行比较，提高了零件性能的可靠性。(3)采用了标准结构及标准零部件，可以简化设计工作，缩短设计周期，提高设计质量。(4)零件的标准化利于互换和机器维修。,第3章 机械零件的设计方法简介3.1 机械零件的常见失效形式和设计准则3.1.1 机械零件的主要失效形式,1）断裂静载下危险剖面上的应力强度极限时：如螺栓被拧断，铸铁零部件冲击局部断裂变应力下危险剖面上的应力疲劳极

19、限时：如齿轮轮齿根部断裂断裂是一种严重的失效形式，不但使零件失效，还会导致严重事故，需要在设计时严格避免。,2）塑性变形危险剖面上的应力材料的屈服极限时：就会造成零件的尺寸和形状产生永久的改变。破坏零部件之间的相互位置和配合关系，破坏机械系统的精度，导致不能正常工作。如齿轮轮齿发生塑性变形导致剧烈振动和噪声；阀门控制弹簧发生塑性变形导致阀门无法正常开启。,3）过量的弹性变形会造成零件的破坏，降低机械系统的运动精度，导致不能正常工作。如机床主轴的过量弹性变形会降低加工精度、电机主轴的过量弹性变形会改变定子与转子间隙，影响电机性能。,4）表面失效主要是指磨损、疲劳点蚀、胶合、塑性流动、压溃和腐蚀等

20、。表面失效会改变零部件的配合关系、降低精度、产生噪声和振动等，严重时导致零件卡死、零件被扭断等恶性失效。,5）破坏正常工作条件引起的失效如带传递的载荷超过带与带轮接触面间的最大摩擦力时就会产生打滑，使带传动失效；高速回转零件转速与系统固有频率接近时就会发生共振，使振幅增大，以致引起断裂失效；润滑不良时轴承会发生剧烈温升或卡死，润滑不良时蜗轮表面会发生剧烈磨损等。,注意：同一零件可能有多种失效形式例如对于载荷稳定、一般用途的转轴，疲劳断裂是主要失效形式；对于机床精密主轴，过量的弹性变形是主要失效形式；高速回转的轴，共振、丧失振动稳定性可能是主要失效形式。,3.1.2 机械零件的工作能力和设计准则

21、应优先保证承载能力较小的零件的承载能力，按照承载能力的最小值设计。1.强度设计准则强度是零、部件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及表面失效的能力，是机械零件首先应该满足的基本要求。,应使危险剖面上的最大工作应力不超过许用应力:,满足强度要求的另一表达式是使危险剖面上的实际安全系数不超过许用安全系数:,刚度设计准则刚度是零、部件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。,对于一般用途的轴，最大许用弯曲变形量可取为：,L为轴的跨距，单位为mm。,3.精度设计准则精度是零、部件的基本指标。精度指标用尺寸误差和形状位置误差值进行控制和保证。,4.寿命设计准则影响零、部件实际寿命的主要因素：是材料的疲劳和磨损及腐蚀

22、引起的表面失效。为防止疲劳失效：按材料的疲劳极限进行疲劳强度计算。为防止磨损：一方面应合理润滑，另一方面可采用条件性计算，如限制压强p、速度v及pv值。为防止腐蚀：选用耐腐蚀材料，采用表面镀层、喷涂漆膜及表面阳极化处理等表面保护措施。,5.振动稳定性准则主要是避免共振。应使零部件的固有频率f与激振频率fp错开，即应满足,6.可靠性设计准则可靠性表示系统、机器或零、部件等在规定时间内能正常工作的能力。可靠性用可靠度R来表示。,3.2 设计机械零件应满足的基本要求及其设计方法3.2.1 设计机械零件时应满足的基本要求工作可靠：规定使用寿命内不发生各种失效。结构工艺性好成本低廉，经济性好,3.2.2

23、 机械零件的设计方法理论设计：（1）设计计算；（2）校核计算。经验设计：是根据已有设计与实际使用而归纳出的经验公式和数据，或用类比法进行的设计。简单方便。模型实验设计：对尺寸较大、结构复杂、工况条件特殊又难以进行理论计算的重要零部件，为提高设计可靠性，即做出小模型或小尺寸的样机，通过模型或样机的实验，考核其性能并取得必要数据，然后根据实验结果修改原初步设计，逐步完善。该方法费时、费钱，只适用于特别重要的设计中。,4.虚拟样机技术随着计算机技术的发展，出现了许多现代设计方法，如可靠性设计、最优化设计、计算机辅助设计（CAD）、并行设计等，并已形成机械结构设计、性能分析和结构优化的一体化技术和软件

24、，实现了整机设计阶段的可视化，即虚拟样机技术，强化了设计阶段对产品性能的预测手段，如虚拟设计和装配集成、三维设计和有限元分析集成等。使设计更科学、更完善，大大缩短了机械产品的开发周期、减少了开发费用，是未来设计方法的发展方向。,3.3 机械零件的强度和刚度设计方法机械零件的强度和刚度设计方法主要是保证危险截面上的应力小于许用应力、最大变形或转角在允许的范围内。静强度和刚度设计方法只适用于静载或瞬时大载荷冲击；交变载荷作用下：需要进行疲劳强度和动态刚度设计；多种复合载荷作用下：先按单一载荷计算产生的应力，再采用合适的强度理论进行合成计算。,3.4 机械零件的精度设计方法3.4.1 公差对机械零件的影响精度设计的目标：将总公差合理分配到每一个尺寸上，使所有零件的精度协调、公差值合理、成本和质量恰到好处。3.4.2 公差分析方法：极值法和统计法。3.4.3 公差分配原则与公式：等公差值法和等公差等级法。3.4.4 公差设计的依据和步骤,3.5 机械零件的动态性能设计方法主要内容包括：1 建立符合实际的动力学模型。2 选择有效的动态优化设计方法。3.6 机械零件的可靠性设计方法（略）,