機械設計總論

1、1第二章第二章 機械設計總論機械設計總論22-1 2-1 機器的組成機器的組成3一臺完整的機器的組成大致可包括：一臺完整的機器的組成大致可包括：一、機器的組成原動機部分原動機部分傳動部分傳動部分執(zhí)行部分執(zhí)行部分潤滑、顯示、照明等輔助系統(tǒng)潤滑、顯示、照明等輔助系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器4普通車床普通車床一、機器的組成5數(shù)控車床數(shù)控車床計算機控制系統(tǒng)和伺服電機被引入到傳統(tǒng)機器中來，計算機控制系統(tǒng)和伺服電機被引入到傳統(tǒng)機器中來，使其組成、面貌和功能發(fā)生了革命性的變化。使其組成、面貌和功能發(fā)生了革命性的變化。一、機器的組成6原動機1、原動機形式、原動機形式l人力或畜力人力

2、或畜力l水力機水力機l風力機風力機l蒸汽機蒸汽機l內燃機內燃機l電動機電動機l熱力機熱力機2、輸出運動和動力、輸出運動和動力l旋轉運動旋轉運動 轉矩轉矩l直線運動直線運動 推力或拉力推力或拉力7執(zhí)行部分執(zhí)行部分：完成機器預定功能的組成部分執(zhí)行部分：完成機器預定功能的組成部分8功用：功用：壓碎物料壓碎物料大帶輪大帶輪4電動機電動機1V帶帶3小帶輪小帶輪2軸板軸板7定顎板定顎板8動顎板動顎板6偏心軸偏心軸5執(zhí)行部分執(zhí)行部分：完成機器預定功能的組成部分執(zhí)行部分：完成機器預定功能的組成部分9執(zhí)行部分執(zhí)行部分：完成機器預定功能的組成部分執(zhí)行部分：完成機器預定功能的組成部分10執(zhí)行部分執(zhí)行部分：完成機器預

3、定功能的組成部分執(zhí)行部分：完成機器預定功能的組成部分塔式起重機半自動多軸鉆床半自動多軸鉆床11傳動部分原動機原動機執(zhí)行部分執(zhí)行部分運動形式運動形式運動參數(shù)運動參數(shù)動力參數(shù)動力參數(shù)運動形式運動形式運動參數(shù)運動參數(shù)動力參數(shù)動力參數(shù)傳動部分傳動部分轉換轉換轉動轉動直動直動高轉速高轉速低轉速低轉速小轉矩小轉矩大轉矩大轉矩傳動部分傳動部分機械傳動機械傳動液壓傳動系統(tǒng)液壓傳動系統(tǒng)電力傳動系統(tǒng)電力傳動系統(tǒng)122-2 2-2 設計機器的一般程序設計機器的一般程序13 一部機器的質量基本上決定于一部機器的質量基本上決定于 ， 它是一個創(chuàng)造性的工作過程，同時它是一個創(chuàng)造性的工作過程，同時也是一個盡可能多地利用已有

4、的成功經(jīng)驗的工作。也是一個盡可能多地利用已有的成功經(jīng)驗的工作。 作為一部完整的機器，它是一個復雜的系統(tǒng)，要提高設作為一部完整的機器，它是一個復雜的系統(tǒng)，要提高設計質量，必須有一個科學的設計程序。計質量，必須有一個科學的設計程序。 設計機器的一般程序：設計機器的一般程序：l計劃階段計劃階段l方案設計階段方案設計階段l技術設計階段技術設計階段l技術文件編制階段技術文件編制階段機器的設計階段機器的設計階段是決定機器好壞的關鍵，是決定機器好壞的關鍵，設計質量設計質量14一、計劃階段提出任務提出任務分析對機器的需求分析對機器的需求確定任務要求確定任務要求機器的功能機器的功能經(jīng)濟性估計經(jīng)濟性估計制造要求的

5、估計制造要求的估計基本使用要求基本使用要求完成設計任務的預計期限等完成設計任務的預計期限等機器的功能機器的功能環(huán)境、經(jīng)濟、加工以及時限等約束條件環(huán)境、經(jīng)濟、加工以及時限等約束條件15二、方案設計階段提出可能的解決方案提出可能的解決方案評價評價機器功能分析機器功能分析組合幾種可能的方案組合幾種可能的方案決策決策選定方案選定方案+-對設計任務書提出的機器必須對設計任務書提出的機器必須達到的要求、最低要求及希望達到的要求、最低要求及希望達到的要求進行綜合分析達到的要求進行綜合分析多功能間有無矛盾，相互間能多功能間有無矛盾，相互間能否替代等，原動機、執(zhí)行機和否替代等，原動機、執(zhí)行機和傳動機構方案的選擇

6、與確定傳動機構方案的選擇與確定費用費用復雜性復雜性設計制造費用設計制造費用使用費用使用費用總費用總費用16三、技術設計階段明確構形要求明確構形要求結構化結構化選擇材料、決定尺寸選擇材料、決定尺寸決策決策確定結構形狀及尺寸確定結構形狀及尺寸評價評價零件設計零件設計部件設計部件設計總體設計總體設計+-主要工作主要工作l運動學設計運動學設計l動力學設計動力學設計l工作能力設計工作能力設計l部件及總裝圖設計部件及總裝圖設計l主要零件校核主要零件校核17四、技術文件的編制編制技術文件編制技術文件18五、計算機在機械設計中的應用1、 輔助設計類：輔助設計類：lCAD；lProelSolidworks2 2

7、、計算分析類、計算分析類lMATLABMATLAB；lAdamsAdams；lAnsysAnsys192-3 2-3 對機器的主要要求對機器的主要要求20 設計機器的任務是在當前技術發(fā)展所能達到的條件下，設計機器的任務是在當前技術發(fā)展所能達到的條件下，根據(jù)生產(chǎn)及生活的需要提出的。根據(jù)生產(chǎn)及生活的需要提出的。 不管機器的類型如何，一般說來，對機器都要提出以下不管機器的類型如何，一般說來，對機器都要提出以下要求：要求：l使用功能要求使用功能要求l經(jīng)濟性要求經(jīng)濟性要求l勞動保護和環(huán)境保護要求勞動保護和環(huán)境保護要求l壽命與可靠性要求壽命與可靠性要求l其他專用要求其他專用要求21一、使用功能要求1.正確

8、地選擇機器的工作原理正確地選擇機器的工作原理2.正確地設計或選用能夠全面實現(xiàn)功能要求的正確地設計或選用能夠全面實現(xiàn)功能要求的 執(zhí)行機構、傳動機構和原動機執(zhí)行機構、傳動機構和原動機3.合理地配置必要的輔助系統(tǒng)合理地配置必要的輔助系統(tǒng)22兩高三低兩高三低低成本低成本二、經(jīng)濟性要求機器的經(jīng)濟性體現(xiàn)在設計、制造和使用的全過程中，設計機機器的經(jīng)濟性體現(xiàn)在設計、制造和使用的全過程中，設計機器時就要全面綜合地進行考慮。器時就要全面綜合地進行考慮。經(jīng)濟性經(jīng)濟性設計制造經(jīng)濟性設計制造經(jīng)濟性使用經(jīng)濟性使用經(jīng)濟性現(xiàn)代設計方法，優(yōu)化設計參數(shù)現(xiàn)代設計方法，優(yōu)化設計參數(shù)標準化、系列化、通用化零部件標準化、系列化、通用化零

9、部件新技術、新工藝、新結構、新材料新技術、新工藝、新結構、新材料合理組織設計制造過程合理組織設計制造過程改善結構工藝性改善結構工藝性合理提高機器的機械化和自動化水平合理提高機器的機械化和自動化水平選擇高效率的傳動系統(tǒng)，減少中間環(huán)節(jié)選擇高效率的傳動系統(tǒng)，減少中間環(huán)節(jié)適當采用防護及潤滑，延長使用壽命適當采用防護及潤滑，延長使用壽命采用可靠密封，減小或消除滲漏采用可靠密封，減小或消除滲漏高生產(chǎn)率、高效率高生產(chǎn)率、高效率低能耗、低管理、低維護低能耗、低管理、低維護23三、勞動保護和環(huán)境保護要求24四、壽命與可靠性的要求1、機器可靠性的高低使用可靠度來衡量的。、機器可靠性的高低使用可靠度來衡量的。2、可

10、靠度指在規(guī)定的使用時間內和預定的環(huán)、可靠度指在規(guī)定的使用時間內和預定的環(huán) 境條件下機器能正常工作的概率。境條件下機器能正常工作的概率。25五、其他專用要求262-4 2-4 機械零件的主要失效形式機械零件的主要失效形式27一、整體斷裂整體斷裂是指零件在載荷作用下，其危險截面的應力整體斷裂是指零件在載荷作用下，其危險截面的應力超過零件的強度極限而導致的斷裂，或在變應力作用下，超過零件的強度極限而導致的斷裂，或在變應力作用下，危險截面發(fā)生的疲勞斷裂。危險截面發(fā)生的疲勞斷裂。齒輪輪齒斷裂齒輪輪齒斷裂軸承內圈斷裂軸承內圈斷裂齒輪軸斷裂齒輪軸斷裂失效失效28二、過大的殘余變形 當作用于零件上的應力超過了

11、材料的屈服極限，零件將產(chǎn)生殘當作用于零件上的應力超過了材料的屈服極限，零件將產(chǎn)生殘余變形。余變形。齒輪齒面塑形變形齒輪齒面塑形變形軸承外圈塑性變形軸承外圈塑性變形29三、零件的表面破壞 零件的表面破壞主要是腐蝕、磨損和接觸疲勞（點蝕）。零件的表面破壞主要是腐蝕、磨損和接觸疲勞（點蝕）。齒面接觸疲勞齒面接觸疲勞軸瓦磨損軸瓦磨損3073.88%磨損腐蝕疲勞破磨損腐蝕疲勞破壞引起的失效壞引起的失效四、破壞正常工作條件引起的失效 有些零件只有在一定的工作條件下才能正常的工作，如：有些零件只有在一定的工作條件下才能正常的工作，如：l 液體摩擦的滑動軸承液體摩擦的滑動軸承 潤滑油膜完整。潤滑油膜完整。l

12、帶帶 傳傳 動動 傳遞的有效圓周力小于臨界摩擦力。傳遞的有效圓周力小于臨界摩擦力。l 高高 速速 轉轉 動動 的的 零零 件件 轉速與轉動件系統(tǒng)的固有頻率避開。轉速與轉動件系統(tǒng)的固有頻率避開。零件在工作時會發(fā)生哪一種失效，這與零件的工作環(huán)境、載零件在工作時會發(fā)生哪一種失效，這與零件的工作環(huán)境、載荷性質等很多因素有關。荷性質等很多因素有關。有統(tǒng)計結果表明，一有統(tǒng)計結果表明，一般機械零件的失效主要是般機械零件的失效主要是由于疲勞、磨損、腐蝕等由于疲勞、磨損、腐蝕等因素引起。因素引起。4.79%斷裂斷裂21.33%其他其他312-5 2-5 設計機械零件時設計機械零件時應滿足的基本要求應滿足的基本要

13、求32一、避免在預定壽命期內失效的要求1、強度、強度2、剛度、剛度3、壽命、壽命工作應力工作應力許用應力許用應力設計準則：設計準則：可用措施：可用措施：采用高強度材料；采用高強度材料；足夠的截面尺寸；足夠的截面尺寸；合理的截面形狀，以增大慣性矩；合理的截面形狀，以增大慣性矩；采用熱處理和化學熱處理方法，提高材料的力學性能采用熱處理和化學熱處理方法，提高材料的力學性能提高運動零件的制造精度，以降低動載荷；提高運動零件的制造精度，以降低動載荷；合理配置零件的位置，降低零件上的載荷。合理配置零件的位置，降低零件上的載荷。失效形式：失效形式：設計準則：設計準則：可用措施：可用措施：過大的彈性變形過大的

14、彈性變形yy增大截面尺寸或增大截面慣性矩；增大截面尺寸或增大截面慣性矩；縮短支承跨距或采用多支點結構；縮短支承跨距或采用多支點結構；增大貼合面降低壓力；增大貼合面降低壓力；采用精加工降低表面不平度。采用精加工降低表面不平度。定義：定義：影響因素：影響因素：零件正常工作延續(xù)的時間零件正常工作延續(xù)的時間材料疲勞材料疲勞材料腐蝕材料腐蝕零件間的磨損零件間的磨損33二、結構工藝性要求1、良好的結構工藝性指在既定的生產(chǎn)條件下，能方便、良好的結構工藝性指在既定的生產(chǎn)條件下，能方便 而經(jīng)濟地生產(chǎn)出來，并便于裝配成機器。而經(jīng)濟地生產(chǎn)出來，并便于裝配成機器。2、著眼點：毛坯制造、機械加工、裝配等生產(chǎn)環(huán)節(jié)。、著眼

15、點：毛坯制造、機械加工、裝配等生產(chǎn)環(huán)節(jié)。34三、經(jīng)濟性要求l降低材料消耗降低材料消耗采用廉價而供應充足的材料代替貴重材料采用廉價而供應充足的材料代替貴重材料采用組合結構代替整體結構采用組合結構代替整體結構l減少工時減少工時 采用少余量或無余量毛坯或簡化零件采用少余量或無余量毛坯或簡化零件l降低加工和裝配費用降低加工和裝配費用 工藝性工藝性l盡可能采用標準化零、部件盡可能采用標準化零、部件35四、質量小的要求36五、可靠性要求1、失效的發(fā)生都是隨機的、失效的發(fā)生都是隨機的2、使工作條件和零件的性能兩方面使其隨機、使工作條件和零件的性能兩方面使其隨機 變化盡可能小變化盡可能小3、使用中加強維護和對

16、工作條件進行監(jiān)測、使用中加強維護和對工作條件進行監(jiān)測372-6 2-6 機械零件的設計準則機械零件的設計準則38一、強度準則脆性斷裂脆性斷裂塑性形變塑性形變疲勞破壞疲勞破壞SBSSSr強度極限強度極限屈服極限屈服極限疲勞強度疲勞強度39二、剛度準則l失效形式：失效形式： 過大的彈性形變過大的彈性形變l設計準則：設計準則： yyl彈性變形彈性變形y的表現(xiàn)形式：的表現(xiàn)形式：撓度撓度扭轉角扭轉角40三、壽命準則l腐蝕：腐蝕： 尚無有效的腐蝕壽命計算方法尚無有效的腐蝕壽命計算方法l磨損：磨損： 類型眾多，機理不清，工程實際定量計算方法不定類型眾多，機理不清，工程實際定量計算方法不定l疲勞：疲勞： 以使

17、用壽命的疲勞極限或額定動載荷為計算依據(jù)以使用壽命的疲勞極限或額定動載荷為計算依據(jù)41四、振動穩(wěn)定性準則l設計準則：設計準則： 避開共振區(qū)域，避開共振區(qū)域，0.85ffp或或1.15ffpl改善方法：改善方法：改變零件及系統(tǒng)的剛性；改變零件及系統(tǒng)的剛性；改變支承位置；改變支承位置；增加或減少輔助支承增加或減少輔助支承激振源與零件隔離激振源與零件隔離增加阻尼減小振幅增加阻尼減小振幅42五、可靠性準則l可靠度：可靠度： 可靠度可靠度=正常工作數(shù)總數(shù)正常工作數(shù)總數(shù) l浴盆曲線：浴盆曲線：:早期失效階段早期失效階段：正常使用階段：正常使用階段：損壞階段：損壞階段失效率失效率時間時間432-7 2-7 機

18、械零件的設計方法機械零件的設計方法44一、理論設計l定義：定義： 根據(jù)長期總結出來的設計理論和實驗數(shù)據(jù)所進行的設計根據(jù)長期總結出來的設計理論和實驗數(shù)據(jù)所進行的設計l設計方法：設計方法：設計計算設計計算校核計算校核計算直接求解桿件所必須的截面尺寸A：limSFA根據(jù)幾何結構等要求設計出桿件截面尺寸，然后進行強度校核：AFSAFlimScalimSSlimFF45二、經(jīng)驗設計l適用條件：適用條件： 使用要求變動不大而結構形狀已典型化的零件使用要求變動不大而結構形狀已典型化的零件l設計方法：設計方法：根據(jù)某類零件已有的設計與使用實踐而歸納出的經(jīng)驗關系式；根據(jù)某類零件已有的設計與使用實踐而歸納出的經(jīng)驗

19、關系式；根據(jù)設計者本人的工作經(jīng)驗用類比的方法進行設計根據(jù)設計者本人的工作經(jīng)驗用類比的方法進行設計46三、模型試驗設計l適用條件：適用條件： 尺寸巨大結構又很復雜的特別重要的零件設計尺寸巨大結構又很復雜的特別重要的零件設計l設計方法：設計方法：將初步設計的零部件或機器制成小模型或小尺寸樣機；將初步設計的零部件或機器制成小模型或小尺寸樣機；實驗手段對模型各方面特性進行檢驗；實驗手段對模型各方面特性進行檢驗；根據(jù)實驗結果進行逐步修改。根據(jù)實驗結果進行逐步修改。472-8 2-8 機械零件的一般步驟機械零件的一般步驟48選擇零件類型、結構選擇零件類型、結構 機械零件的設計一般要經(jīng)過以下幾個步驟：機械零

20、件的設計一般要經(jīng)過以下幾個步驟： 計算零件上的載荷計算零件上的載荷確定計算準則確定計算準則選擇零件的材料選擇零件的材料確定零件的基本尺寸確定零件的基本尺寸結結 構構 設設 計計校校 核核 計計 算算畫出零件工作圖畫出零件工作圖寫出計算說明書寫出計算說明書492-9 2-9 機械零件的材料及其選用機械零件的材料及其選用50 ：灰鑄鐵、球墨鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵( (如：如：TH300 QT500-5)TH300 QT500-5)一、機械零件常用材料：鋁：鋁(LY12)(LY12)、銅、銅(ZCuSn10P1).(ZCuSn10P1).黑色金屬黑色金屬有色金屬有色金屬鐵鐵鋼鋼高分子材料高分子材料復

21、合材料復合材料陶瓷陶瓷金屬材料金屬材料非金屬材料非金屬材料：塑料、橡膠、合成纖維：塑料、橡膠、合成纖維 ：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼( (如：如：08F08F 4545 6060 1Cr181Cr18）：強如鋼、輕如鋁、硬如金剛石：強如鋼、輕如鋁、硬如金剛石：強度高、彈性模量大、質量輕：強度高、彈性模量大、質量輕51二、機械零件材料的選擇原則1、載荷、應力的大小和性質、載荷、應力的大小和性質l脆性材料適用于靜載荷下的零件脆性材料適用于靜載荷下的零件l塑性材料適用于沖擊載荷及動載荷塑性材料適用于沖擊載荷及動載荷l金屬材料的性能可以通過熱處理手段加以提高金屬材料

22、的性能可以通過熱處理手段加以提高2、零件的工作情況、零件的工作情況l考慮環(huán)境特點、工作溫度、摩擦磨損程度考慮環(huán)境特點、工作溫度、摩擦磨損程度3、零件的尺寸及質量、零件的尺寸及質量4、零件結構的復雜程度及材料的加工可能性、零件結構的復雜程度及材料的加工可能性l結構復雜零件宜選用鑄造毛坯或焊接方法結構復雜零件宜選用鑄造毛坯或焊接方法l結構簡單宜用鍛造法制取毛坯結構簡單宜用鍛造法制取毛坯5、材料的經(jīng)濟性、材料的經(jīng)濟性l材料本身的相對價格；材料的加工費用；材料的利用率；材料本身的相對價格；材料的加工費用；材料的利用率；l組合結構；節(jié)約稀有材料組合結構；節(jié)約稀有材料6、材料的供應狀況、材料的供應狀況l同

23、一部機器上材料品種和規(guī)格盡量少同一部機器上材料品種和規(guī)格盡量少527 7、鋼的選用原則：、鋼的選用原則： 優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。表表3-1 3-1 常用材料的相對價格常用材料的相對價格材材 料料 種種 類類 規(guī)規(guī) 格格 相對價格相對價格熱軋圓鋼熱軋圓鋼 碳素結構鋼碳素結構鋼Q235 （ 3342） 1鑄鑄 件件優(yōu)質碳素鋼優(yōu)質碳素鋼 （ 2950） 1.51.8 合金結構鋼（合金結構鋼（ 2950） 1.72.5 滾動軸承鋼（滾動軸承鋼（ 2950） 3 合金工具鋼（合金工具鋼（ 2950） 320 4Cr9Si2耐熱鋼（耐熱鋼（ 2

24、950） 5 灰鑄鐵鑄件灰鑄鐵鑄件 0.85 碳素鋼鑄件碳素鋼鑄件 1.7 銅合金、鋁合金鑄件銅合金、鋁合金鑄件 810 二、機械零件材料的選擇原則532-10 2-10 機械零件設計中的標準化機械零件設計中的標準化54l 標準化的益處：標準化的益處：l 與設計有關的標準與設計有關的標準:國際標準國家標準行業(yè)標準企業(yè)標準等國際標準國家標準行業(yè)標準企業(yè)標準等如：如： ISOGB JB、HBQBl 國標分為：強制標準國標分為：強制標準 推薦標準推薦標準標準化有利于保證產(chǎn)品質量，減輕設計工作量，便于零部標準化有利于保證產(chǎn)品質量，減輕設計工作量，便于零部 件的互換和組織專業(yè)化的大生產(chǎn)，以降低生產(chǎn)成本。

25、件的互換和組織專業(yè)化的大生產(chǎn)，以降低生產(chǎn)成本。 GB (標準序號標準序號) (批準年代批準年代) 強制性國標必須嚴格遵照執(zhí)行，否則就是違法。強制性國標必須嚴格遵照執(zhí)行，否則就是違法。 GBT 這類標準占整個國標中的絕大多數(shù)。如無特殊這類標準占整個國標中的絕大多數(shù)。如無特殊理由和特殊需要，必須遵守這些國標，以期取理由和特殊需要，必須遵守這些國標，以期取得事半功倍的效果。得事半功倍的效果。 l 標準化標準化: 通過對零件的尺寸、結構要素、材料性能、設計方法、制圖通過對零件的尺寸、結構要素、材料性能、設計方法、制圖 要求等，制定出大家共同遵守的標準。要求等，制定出大家共同遵守的標準。552-11 2-11 機械設計現(xiàn)代方法簡介機械設計現(xiàn)代方法簡介56機械現(xiàn)代設計方法通常是相對傳統(tǒng)的設計方法而言的。機