《机械设计》考前辅导(XXXX)-本科

1《机械设计（本科）》考前辅导安琦华东理工大学机械与动力工程学院2013年10月2第1章绪论3机械是人类进行物质生产的重要工具，是实现现代化生产的基础，也是衡量社会生产力的重要标志；机械是机器和机构的总称；机器一般是指用来执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料或信息；用来进行物料传递和变换的机器一般又称作器械、装置或设备；用来进行信息传递和变换的机器，通常称为仪器；一台完整的机器一般都是由三部分构成，即：动力机、传动装置和工作机。传动装置是一种在一定空间中传递能量并同时实现某些其它作用的装置。它的作用主要包括能量的分配、转速的改变、运动形式的改变等。4机械零件是指组成机器的不可拆的基本单元，比如螺栓、螺钉、键、带、齿轮、轴、弹簧、销等。通用零件是指在各种机器中广泛使用的零件，所谓专用零件是指只在某一类特定的机器中使用的零件。机械系统是指由许多机器、装置、监控仪器等组成的大型工业系统，或由零件、部件等组成的机器。设计是为了实现某种工程目的而进行的创造性过程，机械设计课程是培养机械工程类专业学生初步掌握设计机械零件和一般机器能力的一门专业基础课程。51.2机械设计要求和设计程序机械设计的内容：包括应用新的原理或新的概念，开发创造新的机器，改进现有机器或再设计。机械设计：生产机械产品的第一道工序，设计质量的高低，工业产品的核心是设计，机械产品性能的高低，设计阶段成功与否决定了其中的70%；设计机器时：首先应满足功能要求，在此基础上还要考虑满足使用方便、安全可靠、环保、经济合理、外形美观、体积小、重量轻、能耗小、效率高等多种要求；功能要求：所设计的机器能在规定的工作条件下、规定的工作寿命内执行预定的各项功能。经济性要求：在满足功能要求的前提下，从机器费用、产品制造成本、产品的维修等多种因素中综合衡量，选择最佳设计方案，以获得最大的经济效益。考虑安全问题，避免发生设备和人身事故。机器的外观造型：设计时应考虑造型的比例协调大方、有时代感、美感、安全感。噪声也是机械设计过程必须加以考虑的问题。对于一些特殊的机器还有其它一些具体的要求。在设计时要考虑抓住主要要求、兼顾其它一些要求进行设计。6机械设计的三种不同方法开发性设计内插式设计外推式设计7机械设计的一般过程1．调查研究、制订开发计划书由用户提出要求，用户和设计人员通过讨论、调查分析,共同制订开发计划书。内容包括产品的国内外现状、用途、功能、基本结构形式、主要设计参数、动力源形式、技术经济指标、成本和利润要求、计划进度等。2．初步设计阶段这一阶段要确定主要的结构形式，进行机构、零部件的初步设计，对于一些无成功经验可以借鉴的部分，要通过进行模型试验研究和技术分析，验证原理的可行性、可靠性，发现存在的问题，并探索解决的方法。这一阶段最终要通过分析、计算，绘制出必要的结构草图。3．绘制装配图和零部件图在上一阶段工作的基础上，根据对零件的功能要求、加工工艺要求，将零件的形状、尺寸、机械安装尺寸、配合公差等全部确定下来，并绘制出整机的装配图，在此基础上绘制出所有的零件图，编制技术文件和设计说明书，并不断审核和修改，最终定稿。4．样机试制和技术经济评价对设计图纸进行全面的审核和改进之后，开始进行样机加工制作，装配完成后进行样机试验，对出现的问题进行分析、改进，然后进行全面的技术和经济性评价，和开发计划书进行比对，研究进一步提高综合性能的方法和措施。5．产品定型、投放市场在样机达到要求的基础上，进行产品的定型设计，开始小批量生产，投放市场，接受用户反馈信息，进一步完善，之后方可进行批量生产、定型产品。81.3机械零件的设计要求和设计程序机器是由机械零件构成的，机械零件的设计是开发机械产品的基础和关键；设计出来的零件首先要满足功能要求，同时工作要可靠、成本低；设计时要根据可能发生的失效形式，确定零件在强度、刚度、振动稳定性、耐磨性、温度等各方面必须满足的条件；根据这些条件建立零件工作能力判断的准则，这些准则又是对机械零件尺寸进行计算和确定的依据。9机械零件设计的一般过程1．确定零件的载荷根据零件的工作情况，进行计算方案的简化，建立计算数学模型，计算载荷，并进行修正，使其最大程度接近实际载荷。2．选择零件的材料根据零件的工作要求和工作条件，考虑材料的力学性质、物理性质、经济因素及供应情况等选择零件的材料。3．确定零件的尺寸根据零件的工作能力准则，计算确定零件的主要尺寸，考虑加工要求、装配要求、拆卸安装要求、标准化要求，对尺寸进行确定和圆整。4．零件图绘制根据确定的主要尺寸，并结合结构和工艺上的要求，绘制零件的工作图，标注必要的技术要求。101.4机械零件的设计和标准化设计计算：根据零件所受到的载荷，运用相应的计算准则，计算出零件危险截面的最小尺寸，然后根据结构与工艺要求，使结构尺寸进一步具体化。校核计算：参照已有实物、图纸和经验数据，预先初步拟定零件的结构布局和尺寸，然后根据有关计算准则核验危险截面是否处于安全状态。条件性计算：一种合理的简化计算。这种条件性计算虽然在精确性上受到限制，但如果计算过程在合理的假设范围内进行，计算结果仍然具有较高的可信性，完全可以满足工程实际的要求。11“安全----寿命”的设计思想：在不产生裂纹的前提下进行的设计；“破损----安全”的设计概念：允许零件在工作中产生裂纹，但对裂纹疲劳扩展的过程进行研究，掌握其发展规律，确保在规定的寿命范围内不发生断裂失效。12“三化”就是指标准化、系列化、通用化采用三化具有以下优点：减轻设计工作量，避免重复劳动，节省精力以应用于关键设计的活动中；可以减少技术过失的重复出现，增大互换性，便于维修和装配；可以安排专门工厂采用专业设备和先进技术生产标准零件，实现最优的技术经济性能；有利于提高产品的设计、制造速度，增加产品品种、扩大生产批量，达到产品的优质、高产和低消耗。13第2章机械零件的强度和计算准则载荷及其产生的应力，是导致机械零件发生损伤甚至失效的最主要原因；对机械零件进行载荷和应力分析是进行机械设计过程中首先面临和要解决的问题。机械零件的载荷：一般是指它所受到的力（F）、弯矩（M）、扭矩（T）。静载荷：不随时间变化、变化缓慢或者变化幅度相对很小的载荷。如零件所受到的重力、锅炉稳定工作时所受到的压力等。变载荷：随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷。如汽车齿轮箱中的齿轮、轴、轴承等所受的载荷均为变载荷。14在进行载荷计算过程中也常将载荷分为名义载荷（F、T、M）和计算载荷(Fc、Tc、Mc)，计算载荷等于名义载荷乘以载荷系数K载荷系数K的数值主要取决于动力机和工作机的性质，动力机和工作机的工作越平稳，则冲击载荷越小，载荷系数就越小，反之则应该取大值。KMMKTTKFFccc名义载荷：机器在平稳工作条件下作用在零件上的载荷；计算载荷：考虑载荷的时间不均匀性、分布的不均匀性以及其它影响因素对名义载荷进行修正得到的载荷15在载荷作用下，机械零件将承受某种应力;按应力在零件上的分布情况可分成体应力和表面应力（接触应力）;通常所讲的拉伸或压缩应力σ、弯曲应力σb、扭转应力τ等都属于体应力;体应力又可以分为静应力和变应力;静应力是指不随时间变化或变化缓慢的应力，它只能由静载荷产生；变应力是指随时间变化的应力，变应力可由变载荷产生，也能由静载荷产生;变应力可以归纳为三种基本的类型:对称循环变应力、非对称循环变应力、脉动循环变应力;五个参数中任意取出两个就可以准确地描述一个应力的性质。。（1）横坐标以上为拉伸应力，数值为正，横坐标以下为压缩应力，数值为负。对于剪切应力，则可以自行规定一个方向为正值，另一个方向为负值。（2）根据绝对值大小判断和，绝对值大者为，小者为。（3）循环特性的变化范围为。maxminmaxmin11r162.2机械零件强度的计算准则计算准则----针对某种失效形式、为满足某种工作能力而建立的设计准则强度准则两种计算准则：一种是根据许用应力建立的计算准则，另一种是根据安全系数建立的计算准则；在实际使用中根据所掌握的数据情况确定选择使用哪种强度准则。171．通过判断危险截面的最大许用应力（σ，τ）是否小于或等于许用应力[σ]，[τ]。2．通过判断危险截面上实际的安全系数（Sσ，Sτ）是否大于或等于许用安全系数（[Sσ]，[Sτ]）][][][][τlimτσlimσSSSS强度准则18安全系数：零件所能承受的极限应力与实际应力的比值,它反映的是零件的安全工作程度；安全系数如果选择过大，则造成材料浪费、机器笨重、加工运输困难、成本提高等一系列问题。安全系数过小，则可能导致不安全；许用安全系数的确定要考虑：（1）载荷和应力的性质和计算的准确程度；（2）运行条件的平稳程度（是否有冲击载荷）；（3）材料的性质和材质的均匀程度；（4）零件的重要程度；（5）工艺和探伤水平；（6）环境是否具有腐蚀性。安全系数的选择原则：在保证安全、可靠的前提下，尽可能选用较小的安全系数。192.2.2刚度准则零件在载荷作用下产生的弹性变形分为挠度y、转角θ和扭角φ，刚度计算准则就是要求零件在实际工作中所产生的弹性变形量小于或等于许用的弹性变形量][][][yy202.3机械零件的失效方式及提高强度措施失效：机械零件在工作时出现丧失工作能力或达不到设计要求性能的现象；失效并不意味着破坏；常见的失效形式有：（1）整体断裂；（2）过大的弹性变形或残余变形；（3）零件表面的破坏（过度磨损、过度腐蚀、接触疲劳破坏、过热等）；（4）不能满足工作条件所导致的失效（联接的松动、压力容器和管道的泄漏、运动精度达不到要求、皮带传动出现打滑现象、滑动轴承的油膜压力太小、转动速度与固有频率重合而发生共振等）。同一种零件发生失效的形式可能有很多种；最常发生的失效形式主要是由于强度、刚度、耐磨性、耐温度性、振动稳定性、可靠性等方面的问题。21提高机械零件强度的一般措施1．合理布置零件，减少零件所受到的最大载荷222.采用等强度结构3.减小载荷和应力集中234.选用合理截面比如梁的截面采用工字型、T字型；轴的截面采用圆形、空心圆形等。5.对零件表面进行强化处理比如，为提高零件表面疲劳强度，常采用的表面强化工艺有：喷丸处理及碾压处理、渗碳、碳氮共渗、渗氮、表面淬火。这些方法都可以在零件表面中形成残余压应力、提高表面硬度，对提高零件的表面疲劳强度是有利的。242.4机械零件的表面强度表面挤压强度：是指零件表面抵抗表面挤压破坏的能力表面接触强度：是指高副接触的表面抵抗接触破坏的能力222121max111124EEbFabFH][ppAF25表面磨损强度对于滑动速度低、载荷较大，可以通过限制工作表面的压强进行计算，以限制过度磨损：滑动速度较高时，要限制摩擦功耗（限制pv值），以免工作温度过高而使润滑失效：对高速情况，还要限制滑动速度，以免由于速度过高而加速磨损：][pp][pvpv][vv262.5机械零件的刚度和提高措施刚度：零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力；刚度：一般用产生单位弹性变形所需要的外力或力矩进行表示；柔度：与刚度对应，用单位外力或力矩所产生的弹性变形表示。刚度对机械零件的影响主要包括：（1）刚度不足将影响机器的正常工作，比如轴弯曲过大使得轴颈处发生干涉；（2）机械加工中，被加工零件和加工设备的刚度必须满足一定的要求，否则会造成过大的加工误差；（3）刚度的满足也是保证强度的重要因素之一。对于受压长杆、受外压的压力容器，变形稳定性是决定其强度的关键，要提高承载能力就必须首先提高刚度；（4）零件的自振频率也取决于刚度的大小。刚度大则固有频率高，刚度小则自振频率低，对于那些对频率有要求的零件，改变刚度是重要的措施之一；（5）对于弹簧等弹性元件，保证其具有一定的柔度是设计中要满足的条件。27提高刚度的方法材料的弹性模量越大，零件的刚