機械設計基礎知識課件

*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,一、機械設計基礎知識,一、,機器、機構及其結構組成,機械,是各類,機器,的通稱。,機器,的種類繁多、外形萬變、用途各異。但從機器的結構組成、機械運動的特點進行分析，這些不同的機器都是由能產(chǎn)生相對運動的單元體的組合而成，這些單元體稱為,構件,。具有特定結構形狀和運動特征的構件組合稱為,機構,。,機器是由各種機構組成的。一部機器可能由多種機構組成，如,內(nèi)燃機,就是由曲柄滑塊機構、齒輪機構和凸輪機構、帶傳動機構等組合而成；也可能僅由一個最簡單的機構組成，如電動機就是只包含一個由定子和轉子所組成的雙桿回轉機構。,悍馬轎車,國產(chǎn),J10,美國,F117,“,勇氣號,”,火星探測器,美國小鷹號航母,內(nèi)燃機機構簡圖,從上述例子以及對其他不同機器的分析可以得到機器的共同特征：,（,1,）它們都是人們根據(jù)某種使用要求而設計創(chuàng)造的一種裝置。,（,2,）它們必須執(zhí)行確定的機械運動。,（,3,）用于完成包括機械力、運動和能量轉換等動力學任務。,相對于機器而言，機構主要反映機器的機械運動傳遞和運動形式轉換的特征。,零件,構件,機構,機器,組成,組成,組成,機械,作為一部完整的機器，僅具有上述的機械部分是不夠的，它不能完成預期的工作。從功能和系統(tǒng)的角度來看，機器一般主要由五部分組成，如圖所示。,1.,動力系統(tǒng),動力系統(tǒng)包括動力機及其配套裝置；它的功能是向機器提供運動和動力，是機械系統(tǒng)的動力源。如圖電動機。另外還有內(nèi)燃機、液壓馬達、氣馬達、液壓缸、氣缸及電磁驅動等。,2.,執(zhí)行系統(tǒng),執(zhí)行系統(tǒng)包括執(zhí)行機構和執(zhí)行構件，它的功能是驅動執(zhí)行構件按給定的運動規(guī)律運動，實現(xiàn)預期的工作。執(zhí)行系統(tǒng)一般處于機械系統(tǒng)的末端，執(zhí)行構件直接與工作對象接觸。執(zhí)行系統(tǒng)可以只包含一個執(zhí)行機構和多個執(zhí)行構件。,執(zhí)行系統(tǒng)也可以由幾個執(zhí)行機構組成，如圖中的自動曲柄沖壓機，其執(zhí)行機構除曲柄滑塊機構外，還有由氣缸及推料頭組成的送料機構，它們配合完成沖壓,-,送料工作。,3.,傳動系統(tǒng),傳動系統(tǒng)是把動力系統(tǒng)的運動和力傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)的中間裝置。,4.,操縱系統(tǒng)和控制系統(tǒng),操縱系統(tǒng),:,多指通過人工操作以實現(xiàn)上述要求的裝置。如圖中的離合器是通過由連桿等構件組成的踏板機構控制其離合，實現(xiàn)傳動的接入和分離。另外還有起動、制動器、變速、換向等裝置。,控制系統(tǒng),:,是指通過人工操作或測量元件獲得的控制信號，經(jīng)由控制器，使控制對象改變其工作參數(shù)或運行狀態(tài)而實現(xiàn)上述要求的裝置。如圖中的電磁鐵，電控換向閥和電控箱等組成了控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)沖壓、送料等動作配合，實現(xiàn)自動化操作。,5.,框架支撐系統(tǒng)及其他的輔助系統(tǒng),框架支撐系統(tǒng),：包括基礎件（如床身、底座、立柱等）和支撐構件（如支架、箱體等）。它用于安裝和支承動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和操作系統(tǒng)等。,機器各部分的位置精度、運動精度及機器的承載能力等主要依靠框架支撐系統(tǒng)來保證，該系統(tǒng)是機械系統(tǒng)中必不可少的部分。,此外，根據(jù)機械系統(tǒng)的功能要求，還有一些,輔助系統(tǒng),，如潤滑、冷卻、顯示、照明等。,二、課程的內(nèi)容、性質(zhì)、特點及學習方法提示,1,、內(nèi)容：是研究普遍工作條件下一般尺寸、一般參數(shù)的通用零件的設計計算問題。一般尺寸（不是太大，太小）重型機的一個地腳螺栓,180,公斤，礦山卷揚機齒輪直徑,10 m,，而有些儀器儀表的重量以克表示，這些均不是研究范圍。,通過本課程學習后，學生能達到如下要求：,（,1,）掌握通用機械的設計原理，方法，具有設計一般機械的能力。,（,2,）具有應用標準，規(guī)范，手冊，圖冊及查閱有關技術資料的能力。,（,3,）掌握典型機械零件的設計方法。,（,4,）對機械設計新方法有所了解。,2,、本課程的性質(zhì),本課程的性質(zhì)是以一般通用零件的設計為核心的設計性課程，從承載能力出發(fā)，考慮零件的材料、結構、強度及工藝性。,從傳統(tǒng)意義及時間安排上是一門技術基礎課。從教學要求上是一門重中之重的考試課。,3,、本課程特點,（,1,）工程設計性,（,2,）綜合性 要用到以前學過的幾乎所有課程知識。,（,3,）實踐性,4,、學習方法提示,（,1,）、少問為什么，多問怎么樣。,（,2,）、注意使用設計手冊，設計資料，機械設計離不開手冊，標準及各種經(jīng)驗資料，盡可能地查閱這些資料是機械零件課的任務之一，盡可能地多閱讀各種類型結構。,（,3,）、記好筆記，及時完成作業(yè)。,機械零件被同學稱為“機械零碎”，因為其內(nèi)容多、而雜，各部分內(nèi)容之間又缺少聯(lián)系，若不及時歸納，很易忘記?？荚嚞F(xiàn)復習，現(xiàn)抓不行。及時獨立完成作業(yè)，有助于復習鞏固，本課程特點一聽就懂，一做題沒門，通過做作業(yè)，及時復習所學的內(nèi)容?？梢詭湍憬鉀Q。,三、設計機器的一般程序,1,、調(diào)查決策階段本階段包括：,（,1,）任務的提出,（,2,）分析對新設計機器的需要,（,3,）最后寫成任務書的形式,2,、設計階段。,（,1,）功能設計研究,（,2,）新產(chǎn)品的技術設計 包括機器的運動學設計，動力學計算，零部件的工作能力計算部分或整機的裝配因設計，零件草圖的設計及主要零件的校核。最后繪制零件的工作圖。然后根據(jù)那些零件的工作圖，重新繪制其總裝圖。,（,3,）技術文件的編制階段,技術文件應包括：設計計算說明書、使用說明書、明細表及驗收質(zhì)量標準等文件。,實際當中很可能就不那么理想，有可能邊干邊改一干好幾年,3,、樣機的試制評定階段,4,、生產(chǎn)、銷售服務階段 一部機器的質(zhì)量關鍵取決于設計質(zhì)量，設計階段是決定機器好壞的關鍵。,機械設計的一般過程,四、機器應滿足的基本要求,1,、具有預定使用功能的要求,2,、經(jīng)濟性要求,(1),用先進的設計方法手段，達到盡可能精的結果，加快設計進程。,(2),大限度地標準化、系列化、通用化產(chǎn)品。,(3),盡可能采用新技術、新工藝和新材料。,(4),力求改善零件的工藝性，合理組織生產(chǎn)過程。,3,、勞動保護要求,(1),要使機器的操作者安全方便和安全。,(2),改善操作者機器的環(huán)境,4,、可靠性要求,5,、其它要求,對于不同的機器，還有一些特定的要求，如對機床，有長期保持精度的要求，對飛機，有質(zhì)量小，飛機阻力小的要求。,五、機械零件的主要失效形式及計算準則,所謂失效是指機械零件喪失工作能力或不能按設計要求進行工作。,1.,機械零件的主要失效形式,整體斷裂,齒輪輪齒斷裂實例,如：,螺栓的斷裂,齒輪齒面塑形變形,軸承外圈塑性變形,過大的殘余變形,齒輪齒面接觸疲勞點蝕,滾動軸承滾道的疲勞點蝕,滾動軸承外圈滾道的磨損,軸瓦的磨損,零件的表面破壞,破壞正常工作條件而失效,例如：,V,帶傳動當傳遞的有效圓周力大于摩擦力的極限值時將發(fā)生,打滑失效,；,高速轉動的零件當其轉速與系統(tǒng)的固有頻率相一致時會發(fā)生共振，以致引起,斷裂失效,；,液體潤滑的滑動軸承當潤滑油膜被破壞時將發(fā)生,膠合失效,等。,2.,設計機械零件時應滿足的計算準則,所謂計算準則：就是為了防止某種失效形式的出現(xiàn)，設計零件時所必須遵循的要求。,針對具體的零件，要根據(jù)其主要的失效形式，采用相應的計算準則。主要計算準則有：,強度準則,強度是指零件抵抗破壞的能力。破壞是指整體斷裂、表面接觸疲勞、塑性變形等。強度不足，零件根本無法工作，因此是最基本的計算準則。,強度準則的一般表達式為：,剛度準則,剛度是指零件抵抗彈性變形的能力。零件在載荷作用下產(chǎn)生彈性變形量,y,（它廣義地代表任何形式的彈性變形量），小于或等于機器工作性能所允許的極限值,y,（即許用變形量），就叫做滿足剛度要求或符合了剛度計算準則。其表達式為：,yy,壽命準則,影響零件壽命的主要因素有疲勞、磨損和腐蝕。疲勞、磨損和腐蝕從它們產(chǎn)生的機理到發(fā)展規(guī)律完全不同，因而屬于三個不同的范疇。疲勞壽命的計算，通常是求出使用壽命時的疲勞極限來作為計算依據(jù)。迄今為止，還沒有提出實用有效的腐蝕壽命的計算方法，因而也無法列出腐蝕的計算準則?？赡墚a(chǎn)生磨損的原因很多，影響因素也很多，并且其產(chǎn)生的機理還沒有完全搞清楚，因而還沒有能夠進行定量計算的方法。,振動穩(wěn)定性準則,機器中許多運動的零件（齒輪、軸）都是振動源，如果激振頻率,fp,接近共振頻率,f,時，易發(fā)生共振，致使機器或零件發(fā)生失效。所謂振動穩(wěn)定性準則，就是設計時使機械零件的激振頻率,fp,遠離其共振頻率,f,。,fp,0.87f,或,fp,1.18f,若不能滿足上述條件，則必須采取措施減振。主要措施有：提高系統(tǒng)剛度；提高零件制造精度；增加阻尼系統(tǒng)；采取減振隔離措施；對回轉件進行動平衡試驗等。,耐磨性準則,磨損將改變零件的形狀及尺寸。因此，在滿足設計要求的前提下，應力求提高零件的耐磨性或盡量降低磨損。對于磨損，目前還沒有理論計算公式，通常是采取條件性限制。,限制壓強不超過許用值，以防止壓強過大，使零件工作表面油膜破壞而產(chǎn)生過快磨損，其驗算式為：,P p (,MPa,),對相對滑動速度較大的摩擦表面，還要控制摩擦表面的溫度，以防止?jié)櫥统霈F(xiàn)解析現(xiàn)象從而導致磨損加劇。因此，要限制單位接觸面上單位時間產(chǎn)生的摩擦力不要過大，當摩擦系數(shù),f,為,常數(shù)時，則可驗算,pv,值不超過許用值，即：,pvpv,(,MPa,m/s,),六、機械零件的材料及制造工藝性,1.,機械零件,材料,的選擇原則,制造機械零件的材料是多種多樣的，主要有鋼、鑄鐵、銅合金、非金屬材料及復合材料等。正確選擇材料是設計中一個非常重要的環(huán)節(jié)。各種通用零件的常用材料及其牌號將在以后各章節(jié)中詳細介紹。下面僅就材料的選擇原則，加以介紹：,使用要求,滿足使用要求是選擇零件材料的最基本原則。使用要求一般是指零件的工作狀況、受載情況、零件的重要性及對零件尺寸和重量的限制等。,：鋁,(,LY12,),、,銅,(,ZCuSn10P1,),黑色金屬,有色金屬,鐵,鋼,高分子材料,復合材料,:,陶 瓷,:,金屬材料,非金屬材料,：塑料、橡膠、合成纖維,：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼,(,如：,08F,45,60,1Cr18Ni9,）,：灰鑄鐵、球墨鑄鐵,(,如：,TH300 QT500-5,),強如鋼、輕如鋁、硬如金剛石,強度高、彈性模量大、質(zhì)量輕,機械零件的常用材料,工藝要求,結構復雜、尺寸較大的零件宜采用鑄造毛坯或選擇焊接而成。對于結構簡單的零件，視其批量大小可采用模鍛或自由鍛制取毛坯。,經(jīng)濟性要求,經(jīng)濟性首先表現(xiàn)在材料的相對價格，當用價格低廉的材料能滿足使用要求時，就不要選擇價格高的材料。這對于大批量生產(chǎn)的零件，尤為重要。但選材時不能只著眼于相對價格，還要考慮零件的加工費用。,2.,機械零件的制造工藝性,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，就認為具有良好的工藝性。,造型簡單合理,合理選擇毛坯的種類,鑄造的工藝性,焊接工藝性,熱處理工藝性,切削加工工藝性,結構裝配工藝性,機器由零件組裝而成，而且機器工作一段時間后，需拆開檢修，因此零件間必須具有良好的裝配工藝性。有關結構裝配工藝性如書圖所示。,七、機械零件設計的步驟,由于零件的種類不同，其具體的設計步驟也不一樣，但一般都可按下列步驟進行：,1.,選擇零件的類型：根據(jù)使用條件及工作載荷的性質(zhì)，選擇零件的類型。因此，設計者必須了解各種常用機械零件的類型、特點及適用范圍。,2.,確定零件上的載荷：根據(jù)動力機及工作機的實際工作情況，考慮到各種影響載荷作用的因素，確定出作用在零件上的計算載荷。,3.,選擇零件材料：根據(jù)零件的工作條件及對零件的特殊要求（在高溫或腐蝕介質(zhì)中工作等），選擇合適的材料。,4.,確定計算準則：根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，確定應采用的計算準則。,5.,理論設計：根據(jù)計算準則所得到的設計計算公式，確定出零件的主要幾何尺寸和參數(shù)。,6.,結構設計：根據(jù)功能的要求，加工及結構工藝性、剛度要求等進行零件的結構設計，確定出零件的結構尺寸。,7.,精確校核：結構設計完成后，對有些重要零件（如軸）應進行詳細的校核計算，以判定結構設計是否合理。,8.,畫出零件工作圖，并寫出計算說明書。繪制的零件工作圖應符合制圖標準，并能滿足加工要求。寫出的計算說明書要條理清晰、數(shù)據(jù)正確格式統(tǒng)一，并附有必