機(jī)械設(shè)計(jì)CH1機(jī)械設(shè)計(jì)概論.ppt

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第1章機(jī)械設(shè)計(jì)概論計(jì)劃學(xué)時：1.5h編寫及制作：向敬忠,基本要求及重點(diǎn)、難點(diǎn)1.1機(jī)器的基本組成要素1.2機(jī)器的基本組成1.3機(jī)械設(shè)計(jì)的基本原則和設(shè)計(jì)程序1.4機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟,1.5機(jī)械零件設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求及主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1.6靜應(yīng)力時機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算1.7零件的接觸疲勞強(qiáng)度1.8機(jī)械常用材料1.9影響鋼材力學(xué)性能的主要因素1.10材料的選用1.11機(jī)械零件的制造工藝性,基本要求:1)機(jī)器的基本組成，零件,構(gòu)件的概念與區(qū)別2)機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟3)機(jī)械零件設(shè)計(jì)時應(yīng)滿足的基本要求及主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則4)零件的接觸疲勞強(qiáng)度5)機(jī)械制造中常用的材料6)影響鋼材力學(xué)性能的主要因素,重點(diǎn)、難點(diǎn):1)機(jī)器的基本組成，機(jī)械和機(jī)構(gòu)、零件和構(gòu)件2)機(jī)械設(shè)計(jì)的一般程序3)機(jī)械零件主要失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則4)接觸應(yīng)力的基本概念和赫茲應(yīng)力計(jì)算公式5)機(jī)械制造中常用的材料6)影響鋼材力學(xué)性能的主要因素7)機(jī)械設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè):,1.1機(jī)器的基本組成要素,天然工具,——→簡單機(jī)器,——→工業(yè)革命,——→現(xiàn)代機(jī)器,機(jī)械——人類利用和轉(zhuǎn)變機(jī)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(jī)器進(jìn)行生產(chǎn)的水平是衡量一個國家現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志之一。,古代機(jī)械,現(xiàn)代機(jī)械手,改革開放后：我國機(jī)械工業(yè)得到了長足發(fā)展。,如：火車發(fā)展：,蒸汽機(jī)車,—→內(nèi)燃機(jī)車,—→電力機(jī)車,—→磁浮列車（常導(dǎo)—→高溫超導(dǎo)）,—→高速列車,轎車發(fā)展：,紅旗,—→桑塔納、捷達(dá)、奧迪,—→別克、本田、帕薩特,蒸汽機(jī)車,,內(nèi)燃機(jī)車,,電力機(jī)車,,高速列車,,磁浮列車,,任何機(jī)器都是由許多零件組合而成的。,創(chuàng)造機(jī)器的目的：減輕體力勞動和提高生產(chǎn)率機(jī)器特征：1）許多實(shí)體組成；2）各實(shí)體之間有確定的相對運(yùn)動；3）工作時能轉(zhuǎn)換機(jī)械能(內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī))或作有效的機(jī)械功(金屬切削機(jī)床、啟動機(jī))；4）具有自動調(diào)節(jié)和自動控制功能，乃至人工智能,機(jī)構(gòu)——僅具有機(jī)器的前兩個特征機(jī)械——機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱機(jī)器——執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動的裝置，用來變換或傳遞能量、物料或信息機(jī)械、裝置或設(shè)備——用來進(jìn)行物料傳遞和變換的機(jī)器儀器——用來進(jìn)行信息傳遞和變換的機(jī)器,零件——從加工、制造和安裝角度考慮組成機(jī)器的不可拆的最小實(shí)體稱為機(jī)械零件，簡稱零件，零件是制造的單元。它必須考慮實(shí)現(xiàn)具體功用的每一個件的支承、聯(lián)接、形狀、結(jié)構(gòu)尺寸、材料、熱處理、加工精度、表面粗糙度等。構(gòu)件——從運(yùn)動角度考慮組成機(jī)器或機(jī)構(gòu)的不可拆的最小實(shí)體稱為構(gòu)件，構(gòu)件是運(yùn)動的單元。構(gòu)件可以是單一的零件,也可由多個零件裝配成的剛性結(jié)構(gòu)。,,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(jī)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(jī)器的基本要素——機(jī)械零件,1．原動機(jī)部分:驅(qū)動整部機(jī)器以完成預(yù)定功能的動力源。2．執(zhí)行部分:完成機(jī)器預(yù)定功能的組成部分，也稱工作機(jī)，是具體干活的部分。3．傳動部分:解決原動機(jī)與工作機(jī)運(yùn)動形式、運(yùn)動及動力參數(shù)的轉(zhuǎn)變。機(jī)器的傳動部分多數(shù)使用機(jī)械傳動系統(tǒng)。4．其他部分:控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等。,機(jī)器組成：,原動機(jī),1.2機(jī)器的基本組成,,轎車組成,1.3機(jī)械設(shè)計(jì)的基本原則和設(shè)計(jì)程序,1、設(shè)計(jì)機(jī)器應(yīng)滿足的基本要求,1、使用要求,實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，工作可靠。,2、經(jīng)濟(jì)性要求,三方面：生產(chǎn)成本低、使用消耗小、維護(hù)費(fèi)用低。,措施：,1）設(shè)計(jì)中采用“三化”零部件；,2）應(yīng)用成熟的新技術(shù)、新材料。3）選用高效率設(shè)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(jī)械設(shè)計(jì)的一般設(shè)計(jì)程序,機(jī)械設(shè)計(jì)是一個創(chuàng)新與借鑒相結(jié)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(jié)構(gòu)。②根據(jù)機(jī)器的工作要求，計(jì)算作用在零件上的載荷。優(yōu)先按原動機(jī)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(dāng)?shù)牟牧霞盁崽幚砉に嚒＂芊治隽慵闹饕问?，找出設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，確定出零件的基本尺寸。⑤根據(jù)工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化等原則及相聯(lián)結(jié)和相配合的零件進(jìn)行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。⑥根據(jù)各方面的要求進(jìn)行詳細(xì)的校核計(jì)算，以判定結(jié)構(gòu)的合理性。⑦畫出零件的工作圖，并寫出計(jì)算說明書。,1.4機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟,1.5機(jī)械零件設(shè)計(jì)時應(yīng)滿足的基本要求及主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1.5.1工作可靠性的要求1．強(qiáng)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(qiáng)度問題。具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度是設(shè)計(jì)零件時必須滿足的最基本要求強(qiáng)度準(zhǔn)則:零件中的應(yīng)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(zhǔn)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(yīng)小于或等于零件性能所允許的極限值注意:只有當(dāng)彈性變形過大要影響機(jī)器工作性能的零件，才需要滿足這項(xiàng)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(yùn)動零件接觸表面的磨損。大部分機(jī)械零件均在變應(yīng)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(yù)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(jī)的，失效率則表現(xiàn)為一常數(shù)。,3）第Ⅲ段——報(bào)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(kuò)展等原因，使失效率急劇地增加。良好的維護(hù)和及時更換馬上要發(fā)生破壞的零件，就可以延緩機(jī)器進(jìn)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(guān)系,5．振動穩(wěn)定性,機(jī)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(jī)器工作情況失常。,或,1.5.2經(jīng)濟(jì)性要求,經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)則：設(shè)計(jì)機(jī)械時應(yīng)最大限度地考慮經(jīng)濟(jì)性，力求費(fèi)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(jié)構(gòu)簡單合理；3)規(guī)定適當(dāng)?shù)闹圃炀燃氨砻娲植诙戎怠?2．合理選擇材料,在滿足機(jī)械的一定工作要求下，應(yīng)優(yōu)先選用價(jià)格便宜和供應(yīng)充分的材料，用適當(dāng)?shù)臒崽幚矸椒ǜ纳撇牧系臋C(jī)械性能。,3．質(zhì)量小的要求,優(yōu)點(diǎn)：1）可以節(jié)約材料；2）對運(yùn)動的零件來說，可以減小慣性，改善機(jī)器的動力性能，減小作用于構(gòu)件上的慣性載荷。,4．標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的要求,標(biāo)準(zhǔn)化——通過對零部件的尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料性能、檢驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)方法、制圖要求等，制定出各式各樣的大家共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)。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(jié)構(gòu)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(jì)效益。“三化”——標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化通稱“三化”。,①以最先進(jìn)的方法在專門化的工廠中對那些用途最廣的零部件進(jìn)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(biāo)，使其能夠比較，并提高了零、部件和機(jī)器的可靠性。,③采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的零部件可以減少技術(shù)過失的重復(fù)出現(xiàn)，并簡化了設(shè)計(jì)工作，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。,④增大了互換性，簡化了機(jī)器的維修工作。,⑤有利于增加產(chǎn)品品種，擴(kuò)大生產(chǎn)批量，達(dá)到產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低消耗等。,標(biāo)準(zhǔn)分類：國際標(biāo)準(zhǔn)ISO、國家標(biāo)準(zhǔn)GB、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。,“三化”的優(yōu)越性：,1.6靜應(yīng)力時機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)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(yīng)力——不隨時間變化或變化緩慢的應(yīng)力，靜應(yīng)力只能在靜載荷作用下產(chǎn)生。實(shí)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(yīng)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(qiáng)度計(jì)算。,靜強(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度極限作為零件的極限應(yīng)力。,1．簡單應(yīng)力狀態(tài),1）拉（壓）應(yīng)力,2）剪應(yīng)力,3）擠壓應(yīng)力,4）扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力,實(shí)心圓柱:,,5）彎曲正應(yīng)力,2.復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),1）最大主應(yīng)力理論（第一強(qiáng)度理論),當(dāng)已知零件危險(xiǎn)剖面上主應(yīng)力滿足,計(jì)算應(yīng)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(yīng)力理論（第三強(qiáng)度理論）,當(dāng)已知零件危險(xiǎn)剖面上主應(yīng)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(qiáng)度理論）,*此理論只適合于塑性材料（如鋼材）,對于彎扭組合：,強(qiáng)度條件：,1.7零件的接觸疲勞強(qiáng)度,當(dāng)兩個軸線平行的圓柱體相互接觸并受壓時,最大應(yīng)力可由Hertz公式求出：,“+”用于外接觸，“-”用于內(nèi)接觸,強(qiáng)度取決于兩材料中許用接觸應(yīng)力較小者,1.8機(jī)械常用材料,機(jī)械中常用材料有鐵碳合金、有色合金、非金屬材料和各種復(fù)合材料。鋼和鑄鐵都是鐵碳合金，應(yīng)用最廣。,鋼：,1.9影響鋼材力學(xué)性能的主要因素,（1）含碳量的影響鋼的含碳量愈高，材料強(qiáng)度和硬度亦愈高，但塑性顯著降低，切削性、鍛造性、焊接性、導(dǎo)電性和導(dǎo)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(xué)性能，又可獲得某些特殊的物理和化學(xué)性能。（3）溫度的影響一般高溫零件的強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行必要的保溫，然后以一定的方法冷卻，以改善其組織結(jié)構(gòu)，從而得到所需的綜合機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行必要的保溫，如果在水或油中冷卻稱之為淬火。回火——如果加熱到臨界溫度以下，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?；瘜W(xué)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(yīng)用,1.10材料的選用原則：使用要求、工藝要求和經(jīng)濟(jì)要求。,1.11機(jī)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(fèi)勞動量最小、加工費(fèi)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(yīng)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(xué)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(shí)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(dá)到原子結(jié)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(jī)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(yùn)動，刀具作直線或曲線的進(jìn)給運(yùn)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(yùn)動，工件作直線的進(jìn)給運(yùn)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(fù)直線運(yùn)動為主運(yùn)動，工件作直線的進(jìn)給運(yùn)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(yùn)動，工件作直線的進(jìn)給運(yùn)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(yùn)動，另一方面作直線的進(jìn)給運(yùn)動，而工件固定不動。,數(shù)控機(jī)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(yīng)簡單、對稱、長徑比不可太大，應(yīng)盡量減少應(yīng)力集中源，截面均勻，無銳邊和尖角，應(yīng)避免盲孔、配作孔和局部滲碳、局部滲氮等。零件也應(yīng)有足夠的剛度。機(jī)器工作一定期限之后，需要進(jìn)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,