第2章机械设计总论

第二章机械设计总论§2-1设计机器的一般程序§2-2对机器的主要要求§2-3机械零件的主要失效形式§2-4设计机械零件时应满足的基本要求§2-5机械零件的设计准则§2-6机械零件的设计方法§2-7机械零件设计的一般步骤§2-8机械零件的材料及其选用§2-10机械现代设计方法简介§2-9机械零件设计中的标准化§2-1设计机器的一般程序一部机器的质量基本上决定于设计质量。因此，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。机器设计的一般过程：计划阶段方案设计阶段技术设计阶段技术文件编制段设计任务书机器的功能经济性估计制造要求方面的大致估计基本使用要求完成设计任务的预计期限投资、价格、成本和利润等经济性方面的估计一、计划阶段分析需求、明确功能、制定设计任务书。（新产品开发计划书）§2-1设计机器的一般程序二、方案设计阶段对机器的功能进行综合分析、确定功能参数、提出可能采用的方案。§2-1设计机器的一般程序螺纹加工方法车削加工丝锥加工滚压加工例：比重不同重选磁性不同磁选对特定液体泡沫的吸附性不同浮选例：选矿机械的工作原理矿石脉石磁铁选矿机械的工作原理螺纹加工的工作原理机械的工作原理不同，机械的面貌就完全不同。确定工作原理是方案设计的第一步。三、技术设计阶段§2-1设计机器的一般程序绘制总装配草图、部件装配草图确定零部件的外形及基本尺寸绘制零件工作图和总装配图四、技术文件编制阶段技术文件----用来说明产品性能、设计、制造、操作使用、维护、或其它所有与产品相关的文档资料。技术文件设计计算说明书使用说明书标准件明细表产品验收条件向用户介绍机器的性能参数范围、操作使用方法、日常保养及简单地维修方法等。包括方案的选择、技术设计的过程步骤以及结论数据等。§2-1设计机器的一般程序提出任务分析对机器的要求确定任务要求机器功能分析提出可能的解决办法组合几种可能的方案决策----选定方案明确构形要求结构化选择材料、确定尺寸零件设计编制技术文件评价决策—确定结构形状与尺寸评价部件设计总体设计机器设计的一般流程2-2机械设计的基本要求功能性要求可靠性要求经济性要求社会性要求1．功能性要求机械产品必须完成规定的功能。机械的功能可表达为一个或几个功能指标。例：电池自动分拣机图1－8电池自动分拣机电池托盘z向进给机构输送装置机械手主要功能指标：每分钟分拣电池的个数。主要功能指标：（1）被加工工件的尺寸范围；（2）滑枕应具有若干种不同的往复运动速度，以满足不同切削工艺的要求；（3）工作台沿横向应能实现若干种不同的进给量；（4）应能供给并传递足够的功率，以克服切削力；（5）应能保证一定的加工精度。例：牛头刨床机械功能指标的确定：由用户提出由设计者与用户协商确定机械的功能指标是机械设计最基本的出发点。2．可靠性要求机械零件的内部和表面产生应力和变形磨损曲轴折断潘存云教授研制齿轮损坏机械要传递力和力矩有可能导致零件的失效机械应能保证在规定的使用寿命期限内，零件不发生各种型式的失效。为此要进行强度、刚度和寿命的计算，这些计算在整个设计工作量中占了很大的比例。3．经济性要求制造成本使用成本简化结构选用适当的材料确定合理的加工精度标准化、系列化和通用化降低机械的能量损失考虑到维修的方便性和经济性成本设计阶段的工作如何，就基本上决定了一个产品成本的高低。4．社会性要求所设计的产品不应对人、环境和社会造成消极影响。操作者的安全性和舒适性机械的造型和色彩美观、大方、宜人符合国家在环境保护方面的法规数控加工中心机械是否满足社会性要求，完全取决于设计。对机械设计的四项基本要求功能性要求经济性要求可靠性要求社会性要求例：汽车载货（客）量速度返回舒适性排放量美观安全性…………耐用性耗油量价格机械零件的失效：---零件由于某种原因不能正常工作时工作能力：---在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常是对载荷而言，故习惯上又称：承载能力§2-3机械零件的主要失效形式整体断裂过大的残余变形工作表面的过度磨损或损伤破坏正常的工作条件零件的失效形式如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为机械零件失效的实例：轮齿塑性变形齿轮轮齿折断轴承内圈破裂轴承外圈塑性变形失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等统计结果显示：断裂仅占4.79%;腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%。。齿面接触疲劳轴瓦磨损避免在预定寿命期内失效的要求结构工艺性要求经济性要求质量小的要求可靠性要求§2-4设计零件时应满足的基本要求▲采用高强度的材料；▲使零件具有足够的截面尺寸；▲采用热处理和化学处理方法提高材料的力学性能；▲提高零件的制造精度，以减少工作时的动载荷；1.强度----载荷作用下零件抵抗断裂或不允许的残余变形的能力提高零件强度的措施：一、避免在预定寿命期内失效的要求▲合理设计零件的截面形状，增大惯性矩；▲合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷。曲轴整体断裂实况断口放大断口对曲轴疲劳断裂断口特征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冷胶合：低速重载，接触零件挤压粘着，相对运动撕裂。综合失效：齿面磨损、断齿、疲劳断轴轮齿塑性变形轧钢机压下螺旋丝杠断牙宏观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整体塑变点蚀轮齿磨损螺栓联接滑移被联接件断裂被联件相对滑移被联件拉断输出输出输入输出输出输入Tmax=T1+T2Tmax=T1当轴上有两处动力输出时，为了减小轴上的载荷，应将输入轮布置在中间。T2T1T1+T2T1T1+T2T2合理不合理§2-4设计零件时应满足的基本要求▲合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷2.刚度----载荷作用下零件抵抗弹性变形的能力§2-4设计零件时应满足的基本要求3.寿命影响零件寿命的主要因素有：疲劳破坏腐蚀磨损机械制造包括毛坯生产、切削加工和装配等生产过程。设计时，必须使结构在各个生产过程中都具有良好的工艺性。二、结构工艺性要求零件工艺性良好的标志---在具体的生产条件下，零件便于加工和装配，同时加工费用又很低。二、结构工艺性要求1、便于制造毛坯当毛坯制造方法确定后，须充分考虑其工艺特点，设计出相应的零件结构，以便容易地制造出来。铸件壁厚的均匀性壁厚相差悬殊，容易在厚壁处形成缩孔自由锻件的结构工艺性采用自由锻造的毛坯形状不宜复杂。圆锥体、圆柱体与圆柱体交接处、加强肋和凸台等结构，锻造都较困难，应设法避免。二、结构工艺性要求2、便于切削加工机械零件的结构设计应便于机械零件的切削加工减少加工面积用钻头加工的孔便于装夹工件便于刀具进入便于刀具退出二、结构工艺性要求3、便于装拆和维修留出装入螺钉空间留出扳手工作空间对于具有配合要求的零件，应避免同时存在两组以上的表面接合。接合面不宜过多三、经济性要求用料少加工工时少材料的价格低尽量采用标准化零部件四、质量小的要求好处：节约材料；减小惯性，改善机器的动力性能§2-4设计零件时应满足的基本要求减小质量的措施：▲采用缓冲装置来降低零件所受冲击载荷▲采用安全装置来限制作用在零件上的最大载荷▲采用轻型薄璧冲压件或焊接件代替铸造、锻压件五、可靠性要求§2-4设计零件时应满足的基本要求▲从零件上应力较小处削减部分材料，以改善零件受力的均匀性，提高材料的利用率▲从零件上应力较小处削减部分材料，以改善零件受力的均匀性，提高材料的利用率§2-4设计零件时应满足的基本要求▲从零件上应力较小处削减部分材料，以改善零件受力的均匀性，提高材料的利用率滚子链的结构实例：§2-4设计零件时应满足的基本要求§2-5机械零件的设计准则强度准则刚度准则设计零件时，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。一般有以下几种准则：寿命准则振动稳定性准则可靠性准则---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---确保零件不发生过大的弹性变形---通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关---高速运转机械的设计应注重此项准则---当考虑随机因素影响时，确保零件具有所要求的可靠度---零件中的应力不得超过允许的限度一、强度准则即：σ≤σlim----材料的极限应力断裂破坏：σlim=σB(强度极限)引入安全系数S，得：σ≤σlim/S或σ≤[σ]----许用应力疲劳破坏：σlim=σr(疲劳极限)残余变形：σlim=σS(屈服极限)§2-5机械零件的设计准则为了安全起见，引入安全系数S，得：σ≤σlim/S或σ≤[σ]S为大于1的数，S过大，虽安全但浪费材料；S过小，虽节省材料，但趋于危险。或σlimSAF≤A≥SFσlimσ≤σlimS因为：§2-5机械零件的设计准则二、刚度准则---零件在载荷作用下产生的弹性变形量不得超过机器工作性能所允许的极限值。即：y≤[y]零件的实际变形量许用变形量三、寿命准则影响零件寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲劳，前两者还没有实用有效的计算方法。关于疲劳寿命，通常是求出使用寿命时的疲劳极限作为计算的依据。这将在第三章中作介绍。§2-5机械零件的设计准则四、振动稳定性准则---保证机器中受激振零件的固有频率与激振源的频率错开，即要求：0.85ffp或1.15ffp为满足条件可采取的措施：▲改变零件及系统刚性；▲增减支承；▲调整支承的位置；▲隔离激振源；▲采用阻尼元件以减小零件的振幅。零件的固有频率激振源的频率§2-5机械零件的设计准则五、可靠性准则可靠度的定义：对件数为N0的一批零件进行试验，经过时间t之后有N件仍能正常工作，则该零件在该试验环境条件下工作时间t的可靠度定义为：R=N/N0若t↑→R↓→N↓----R是时间的函数。为保证所设计的零件具有所要求的可靠度，需要对零件进行了可靠性设计。关于这点，在《机械可靠性设计》课程中有详细的介绍。§2-5机械零件的设计准则§2-6机械零件的设计方法机械零件的设计方法常规设计方法现代设计方法理论设计经验设计模型实验设计（一)理论设计---根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计(传统设计方法)σ≤σlimS以受拉杆为例，强度计算公式为：式中:F---作用在拉杆上的外载荷1.设计计算：2.校核计算有四种可选方式：Sca----计算安全系数或σlimSAF≤A---拉杆截面积A≥SFσlimσlim≥Sσσ=≤[σ]AFF≤σlimSASca=≥Sσlimσ§2-6机械零件的设计方法---根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验公式，或根据设计者的经验用类比的方法所进行的设计。机械零件的设计方法常规设计方法现代设计方法理论设计经验设计模型实验设计适用于那些使用要求变化不大而结构形状已典型化的零件。如：箱体、机架、传动零件的各结构要素等。§2-6机械零件的设计方法（二）经验设计dh=1.6ds;lh=(1.2~1.5)ds,并使lh≥bc=0.3b;δ=(2.5~4)mn,但不小于8mmd0和d按结构取定，当d较小时可不开孔腹板式齿轮bdsdhda斜度1:10lhδc常规设计方法有如下不足：方案设计过分依赖设计者个人的经验和水平；一般满足于获得一个可用方案，而不是最佳方案；受计算手段的限制，简化假定较多，影响了设计质量；设计工作周期长、效率低，不能满足市场竞争激烈、产品更新速度加快的新形势。尽管现代设计方法已经兴起，但常规设计目前仍被广泛应用。设计者应该首先掌握常规设计方法，才能进一步学习现代设计方法。本课程的内容主要是介绍常规设计方法。现代设计方法计算机辅助设计机械设计专家系统优化设计动态设计可靠性设计创造性设计近数十年来，社会需求呈现多样化的趋势，产品更新速度加快。如果设计速度慢，就会贻误商机，造成不可弥补的经济损失。计算机辅助设计（Computer-AidedDesign,CAD)计算绘图工作量太大有的计算工作量大到根本无法用手工方法计算的程度。图样总数可能达到数百、数千张。繁琐的