機械設計CH1機械設計概論.ppt

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第1章機械設計概論計劃學時：1.5h編寫及制作：向敬忠,基本要求及重點、難點1.1機器的基本組成要素1.2機器的基本組成1.3機械設計的基本原則和設計程序1.4機械零件設計的一般步驟,1.5機械零件設計應滿足的基本要求及主要設計準則1.6靜應力時機械零件的強度計算1.7零件的接觸疲勞強度1.8機械常用材料1.9影響鋼材力學性能的主要因素1.10材料的選用1.11機械零件的制造工藝性,基本要求:1)機器的基本組成，零件,構件的概念與區(qū)別2)機械零件設計的一般步驟3)機械零件設計時應滿足的基本要求及主要設計準則4)零件的接觸疲勞強度5)機械制造中常用的材料6)影響鋼材力學性能的主要因素,重點、難點:1)機器的基本組成，機械和機構、零件和構件2)機械設計的一般程序3)機械零件主要失效形式及設計準則4)接觸應力的基本概念和赫茲應力計算公式5)機械制造中常用的材料6)影響鋼材力學性能的主要因素7)機械設計中的標準化作業(yè):,1.1機器的基本組成要素,天然工具,——→簡單機器,——→工業(yè)革命,——→現(xiàn)代機器,機械——人類利用和轉(zhuǎn)變機械能在生產(chǎn)時借以減輕體力勞動和提高生產(chǎn)率的主要工具。使用機器進行生產(chǎn)的水平是衡量一個國家現(xiàn)代化程度的重要標志之一。,古代機械,現(xiàn)代機械手,改革開放后：我國機械工業(yè)得到了長足發(fā)展。,如：火車發(fā)展：,蒸汽機車,—→內(nèi)燃機車,—→電力機車,—→磁浮列車（常導—→高溫超導）,—→高速列車,轎車發(fā)展：,紅旗,—→桑塔納、捷達、奧迪,—→別克、本田、帕薩特,蒸汽機車,,內(nèi)燃機車,,電力機車,,高速列車,,磁浮列車,,任何機器都是由許多零件組合而成的。,創(chuàng)造機器的目的：減輕體力勞動和提高生產(chǎn)率機器特征：1）許多實體組成；2）各實體之間有確定的相對運動；3）工作時能轉(zhuǎn)換機械能(內(nèi)燃機、發(fā)電機)或作有效的機械功(金屬切削機床、啟動機)；4）具有自動調(diào)節(jié)和自動控制功能，乃至人工智能,機構——僅具有機器的前兩個特征機械——機器和機構的總稱機器——執(zhí)行機械運動的裝置，用來變換或傳遞能量、物料或信息機械、裝置或設備——用來進行物料傳遞和變換的機器儀器——用來進行信息傳遞和變換的機器,零件——從加工、制造和安裝角度考慮組成機器的不可拆的最小實體稱為機械零件，簡稱零件，零件是制造的單元。它必須考慮實現(xiàn)具體功用的每一個件的支承、聯(lián)接、形狀、結構尺寸、材料、熱處理、加工精度、表面粗糙度等。構件——從運動角度考慮組成機器或機構的不可拆的最小實體稱為構件，構件是運動的單元。構件可以是單一的零件,也可由多個零件裝配成的剛性結構。,,部件：為完成同一使命而協(xié)同工作的許多零件的組合。,零件：組成機器的不可拆的基本單元（即制造的基本單元）。,如：滾動軸承,、聯(lián)軸器。,機器的基本要素——機械零件,1．原動機部分:驅(qū)動整部機器以完成預定功能的動力源。2．執(zhí)行部分:完成機器預定功能的組成部分，也稱工作機，是具體干活的部分。3．傳動部分:解決原動機與工作機運動形式、運動及動力參數(shù)的轉(zhuǎn)變。機器的傳動部分多數(shù)使用機械傳動系統(tǒng)。4．其他部分:控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等。,機器組成：,原動機,1.2機器的基本組成,,轎車組成,1.3機械設計的基本原則和設計程序,1、設計機器應滿足的基本要求,1、使用要求,實現(xiàn)預定功能，工作可靠。,2、經(jīng)濟性要求,三方面：生產(chǎn)成本低、使用消耗小、維護費用低。,措施：,1）設計中采用“三化”零部件；,2）應用成熟的新技術、新材料。3）選用高效率設備，減少動力、燃料消耗。,3、外觀造型要求,顏色、造型,4、環(huán)保要求,噪音、廢氣、廢液。,2．機械設計的一般設計程序,機械設計是一個創(chuàng)新與借鑒相結合的過程，一般程序如下：,①根據(jù)零件的使用要求，選擇零件的類型和結構。②根據(jù)機器的工作要求，計算作用在零件上的載荷。優(yōu)先按原動機的額定功率確定零件上的工作載荷。③根據(jù)零件的工作條件及對零件的特殊要求(如溫度、腐蝕性等)，選擇適當?shù)牟牧霞盁崽幚砉に?。④分析零件的主要失效形式，找出設計準則，確定出零件的基本尺寸。⑤根據(jù)工藝性和標準化等原則及相聯(lián)結和相配合的零件進行零件的結構設計。⑥根據(jù)各方面的要求進行詳細的校核計算，以判定結構的合理性。⑦畫出零件的工作圖，并寫出計算說明書。,1.4機械零件設計的一般步驟,1.5機械零件設計時應滿足的基本要求及主要設計準則1.5.1工作可靠性的要求1．強度零件在工作中發(fā)生斷裂或不允許的永久變形統(tǒng)屬于強度問題。具有適當?shù)膹姸仁窃O計零件時必須滿足的最基本要求強度準則:零件中的應力不得超過允許的限度,,,2．剛度在一定載荷下，零件抵抗彈性變形的能力剛度準則:零件在載荷作用下產(chǎn)生的變形量(包括彎曲撓度、偏轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)角)應小于或等于零件性能所允許的極限值注意:只有當彈性變形過大要影響機器工作性能的零件，才需要滿足這項要求。,,3.壽命零件在工作初期雖然能夠滿足各種要求，但在工作一定時間后，卻可能由于某種(或某些)原因而失效。這個零件正常工作延續(xù)的時間叫做零件的壽命。影響零件壽命的主要因素：材料的疲勞，材料的腐蝕及相對運動零件接觸表面的磨損。大部分機械零件均在變應力條件下工作，因而疲勞破壞是引起零件失效的主要因素。疲勞、腐蝕和磨損是3個不同范疇的問題,4．可靠性可靠度——在規(guī)定的使用時間(壽命)內(nèi)和預定的環(huán)境條件下，零件能夠正常地完成其功能的概率。,失效率——在t時間到t+dt的間隔中,又有dN個零件發(fā)生破壞，則在此時間間隔內(nèi)破壞的比率,分析：,1）第Ⅰ段——早期失效階段。在這一階段中，失效率由開始時很高的數(shù)值急劇地下降到某一穩(wěn)定的數(shù)值。引起這一階段失效率特別高的原因是零、部件中所存在的初始缺陷。在這一階段可通過跑合避免過高的失效率，防止事故的發(fā)生。,2）第Ⅱ段——正常使用階段。在此階段內(nèi)如果發(fā)生失效，一般總是由于偶然的原因而引起的，其發(fā)生是隨機的，失效率則表現(xiàn)為一常數(shù)。,3）第Ⅲ段——報廢階段。由于長時間的使用而使零件發(fā)生磨損、腐蝕、疲勞裂紋擴展等原因，使失效率急劇地增加。良好的維護和及時更換馬上要發(fā)生破壞的零件，就可以延緩機器進入這一階段工作的時間。,浴盆曲線——零件或部件的失效率與時間的關系,5．振動穩(wěn)定性,機器中存在著很多的周期性變化的激振源。如果某一零件本身的固有頻率f與激振源的頻率fp重合或成整數(shù)倍時，這些零件就會發(fā)生共振，以至使零件破壞或機器工作情況失常。,或,1.5.2經(jīng)濟性要求,經(jīng)濟準則：設計機械時應最大限度地考慮經(jīng)濟性，力求費用少、效率高、維修簡便。,1．良好的工藝性,基本要求：1)合理選擇毛坯；2)結構簡單合理；3)規(guī)定適當?shù)闹圃炀燃氨砻娲植诙戎怠?2．合理選擇材料,在滿足機械的一定工作要求下，應優(yōu)先選用價格便宜和供應充分的材料，用適當?shù)臒崽幚矸椒ǜ纳撇牧系臋C械性能。,3．質(zhì)量小的要求,優(yōu)點：1）可以節(jié)約材料；2）對運動的零件來說，可以減小慣性，改善機器的動力性能，減小作用于構件上的慣性載荷。,4．標準化、系列化、通用化的要求,標準化——通過對零部件的尺寸、結構要素、材料性能、檢驗方法、設計方法、制圖要求等，制定出各式各樣的大家共同遵守的標準。系列化——將某些零部件按尺寸不同加以劃分。通用化——指系列之內(nèi)或跨系列的產(chǎn)品之間盡量采用同一結構和尺寸的零部件，以減少企業(yè)內(nèi)部的零部件種數(shù)，從而簡化生產(chǎn)管理和獲得較高的經(jīng)濟效益?！叭薄獦藴驶?、系列化、通用化通稱“三化”。,①以最先進的方法在專門化的工廠中對那些用途最廣的零部件進行大量、集中的制造，提高了質(zhì)量，降低了成本。,②統(tǒng)一材料的性能指標，使其能夠比較，并提高了零、部件和機器的可靠性。,③采用標準結構的零部件可以減少技術過失的重復出現(xiàn)，并簡化了設計工作，縮短了設計周期，提高了設計質(zhì)量。,④增大了互換性，簡化了機器的維修工作。,⑤有利于增加產(chǎn)品品種，擴大生產(chǎn)批量，達到產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低消耗等。,標準分類：國際標準ISO、國家標準GB、行業(yè)標準和企業(yè)標準等。,“三化”的優(yōu)越性：,1.6靜應力時機械零件的強度計算,靜載荷——零件上作用的由零緩慢的增加到某一數(shù)值后即保持不變力。,靜應力——不隨時間變化或變化緩慢的應力，靜應力只能在靜載荷作用下產(chǎn)生。實際上并無絕對靜止不變的力。工程上一般把在整個使用壽命期間應力循環(huán)次數(shù)不超過1千次~1萬次時的通用零件按靜強度計算。,靜強度計算時，根據(jù)零件材料是塑性或脆性分別采用屈服極限或強度極限作為零件的極限應力。,1．簡單應力狀態(tài),1）拉（壓）應力,2）剪應力,3）擠壓應力,4）扭轉(zhuǎn)剪應力,實心圓柱:,,5）彎曲正應力,2.復雜應力狀態(tài),1）最大主應力理論（第一強度理論),當已知零件危險剖面上主應力滿足,計算應力取兩式中絕對值較大者,此理論只適合于脆性材料(如灰鐵),對于彎扭組合：,2）最大剪應力理論（第三強度理論）,當已知零件危險剖面上主應力滿足,*此理論只適合于塑性材料（如鋼材）,對于彎扭組合：,3）最大形變能理論（第四強度理論）,*此理論只適合于塑性材料（如鋼材）,對于彎扭組合：,強度條件：,1.7零件的接觸疲勞強度,當兩個軸線平行的圓柱體相互接觸并受壓時,最大應力可由Hertz公式求出：,“+”用于外接觸，“-”用于內(nèi)接觸,強度取決于兩材料中許用接觸應力較小者,1.8機械常用材料,機械中常用材料有鐵碳合金、有色合金、非金屬材料和各種復合材料。鋼和鑄鐵都是鐵碳合金，應用最廣。,鋼：,1.9影響鋼材力學性能的主要因素,（1）含碳量的影響鋼的含碳量愈高，材料強度和硬度亦愈高，但塑性顯著降低，切削性、鍛造性、焊接性、導電性和導熱性等亦隨之下降。（2）合金元素的影響常用的合金元素有鉻、錳、硅、鎳、鉬、鎢、鈦、釩、稀土元素等。通過合金化，既可提高和改善鋼的綜合力學性能，又可獲得某些特殊的物理和化學性能。（3）溫度的影響一般高溫零件的強度和硬度均隨溫度升高而降低，塑性則增高。絕大多數(shù)鋼在低溫下強度有所增加，而塑性和沖擊韌性則有所降低，低溫下材料變脆的現(xiàn)象稱為冷脆。（4）熱處理工藝的影響,熱處理——將工件加熱到一定溫度，進行必要的保溫，然后以一定的方法冷卻，以改善其組織結構，從而得到所需的綜合機械性能的工藝方法；,熱處理,退火——將工件加熱到臨界溫度以上，進行必要的保溫，然后隨爐冷卻，這種工藝方法稱為退火；正火——將工件加熱到臨界溫度以上，進行必要的保溫，如果在空氣中冷卻稱之為正火；淬火——將工件加熱到臨界溫度以上，進行必要的保溫，如果在水或油中冷卻稱之為淬火?；鼗稹绻訜岬脚R界溫度以下，保溫后空冷或油冷，稱之為回火。調(diào)質(zhì)——淬火后高溫回火稱為調(diào)質(zhì)。表面淬火——如果將工件表面迅速加熱到臨界溫度以上，不等熱量傳至工件中心就快速冷卻的工藝方法稱之為表面淬火。化學熱處理——即將不同元素的活性原子滲入到工件表面的熱處理方法，如滲碳、氮化和氰化等。,主要熱處理工藝的目的和應用,1.10材料的選用原則：使用要求、工藝要求和經(jīng)濟要求。,1.11機械零件的制造工藝性良好的工藝性：在一定的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)條件下，花費勞動量最小、加工費用最少的零件。1．毛坯的制?。?）型材圓鋼、方鋼、鋼管、鋼板等，均可直接作毛坯。,軋制,（2）鑄造將液態(tài)合金澆鑄到具有與零件形狀相適應的鑄型的孔腔中，待其冷卻凝固后，獲得零件或毛坯的加工方法。,鑄造,（3）壓力加工在外力的作用下，通過使金屬在固態(tài)下發(fā)生塑性變形，而獲得具有一定形狀、尺寸和力學性能的原材料、毛坯或零件的加工方法。,擠壓,拉拔,軋制,鍛造,鍛造,沖壓,（4）焊接實質(zhì)是通過加熱或加壓，或兩者并用，并且用填充材料，使焊件達到原子結合的一種加工方法。,毛坯選擇：綜合考慮功能、制造、使用、成本等。,2．常見的切削加工方法切削加工是通過機床用刀具從工件上切除多余材料，從而獲得形狀、尺寸精度及表面質(zhì)量等合乎要求的零件加工過程。（1）車削加工指在車床上用車刀加工工件的工藝過程。加工時，工件旋轉(zhuǎn)為主運動，刀具作直線或曲線的進給運動。,車削,（2）銑削加工指在銑床上用銑刀加工工件的工藝過程。銑削加工時，刀具旋轉(zhuǎn)為主運動，工件作直線的進給運動。,銑削,（3）刨削加工指在刨床上用刨刀加工工件的工藝過程。刨削加工時，刀具作往復直線運動為主運動，工件作直線的進給運動。,刨削,（4）磨削加工磨削加工是用砂輪或其他磨具切除工件多余材料的工藝過程。磨削加工時，刀具旋轉(zhuǎn)為主運動，工件作直線的進給運動。,磨削,（5）鉆削加工鉆削加工是指在鉆床上用鉆頭加工工件的工藝過程。鉆孔時，鉆頭一方面作旋轉(zhuǎn)主運動，另一方面作直線的進給運動，而工件固定不動。,數(shù)控機床自動加工,3．零件的熱處理及裝配為了避免熱處理時變形、開裂或降低熱處理質(zhì)量，零件的幾何形狀應簡單、對稱、長徑比不可太大，應盡量減少應力集中源，截面均勻，無銳邊和尖角，應避免盲孔、配作孔和局部滲碳、局部滲氮等。零件也應有足夠的剛度。機器工作一定期限之后，需要進行檢修。因此，工藝性還必須包括零件裝拆的可能性和方便性。,QVER,