機(jī)械設(shè)計(jì)概論

本書(shū)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一機(jī)器的組成：動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)→執(zhí)行系統(tǒng)→控制系統(tǒng)輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)

控制系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)1、從功能上劃分第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論1第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)→執(zhí)行系統(tǒng)→控制系統(tǒng)輔助系統(tǒng)2、從組成上劃分機(jī)械部分電氣部分液壓部分潤(rùn)滑部分冷卻部分（機(jī)器的主體部分）機(jī)構(gòu)零件（制造的最小單元體）2第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論通用零件專用零件傳動(dòng)件聯(lián)接件支承件其它—齒輪、蝸桿、帶、鏈—螺栓、鍵、花鍵—軸、軸承—聯(lián)軸器、彈簧、機(jī)架—水輪機(jī)葉片、活塞、曲軸本課程重點(diǎn)討論通用零件的設(shè)計(jì)。零件的分類：一臺(tái)機(jī)器，為何要分解成零件來(lái)制造，然后再來(lái)裝配？3第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論制造的可能裝配的可能便于降低成本采用不同材料4第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序（一）計(jì)劃階段（二）方案設(shè)計(jì)階段（三）技術(shù)設(shè)計(jì)階段（四）技術(shù)文件編制階段機(jī)械設(shè)計(jì)是一個(gè)創(chuàng)造性的工作過(guò)程，同時(shí)也是一個(gè)基于成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的工作。雖然沒(méi)有一個(gè)在任何情況下都有效的設(shè)計(jì)程序，但根據(jù)人們長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)，一臺(tái)機(jī)器的設(shè)計(jì)過(guò)程基本如下：（五）試制階段（六）投產(chǎn)銷(xiāo)售階段5第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論（一）計(jì)劃階段提出任務(wù)分析對(duì)機(jī)器的要求確定任務(wù)要求由分管產(chǎn)品研發(fā)的副總提出，這時(shí)對(duì)要設(shè)計(jì)的機(jī)器僅有一個(gè)模糊概念由市場(chǎng)部進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查，以明確機(jī)器的功能、產(chǎn)品的市場(chǎng)定位以設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的形式明確地寫(xiě)出設(shè)計(jì)任務(wù)的全部要求及細(xì)節(jié)6第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論（二）方案設(shè)計(jì)階段方案設(shè)計(jì)，又稱概念設(shè)計(jì)，是機(jī)器設(shè)計(jì)最重要的環(huán)節(jié)之一。因?yàn)樵诒倦A段確定的方案，不僅決定了設(shè)計(jì)的成敗，也確定了機(jī)器的成本高低。這種成本，是無(wú)法通過(guò)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段加以糾正的。潘存云教授研制洗衣機(jī)方案設(shè)計(jì)模擬人工手法模擬翻騰水流超聲波、臭氧方案設(shè)計(jì)階段流程7第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論提出可能的解決辦法組合幾種可能的方案選定最佳方案評(píng)價(jià)機(jī)器功能分析滿意明確必須達(dá)到的、盡量達(dá)到的及沒(méi)有必要的功能列出實(shí)現(xiàn)功能的若干方案切片上下往復(fù)切刀動(dòng)作傳動(dòng)類型原動(dòng)機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶傳動(dòng)鏈傳動(dòng)直流電機(jī)交流電機(jī)對(duì)各種方案進(jìn)行組合技術(shù)經(jīng)濟(jì)環(huán)保方面綜合評(píng)價(jià)8第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論（三）技術(shù)設(shè)計(jì)階段運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)確定各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)確定各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式確定各構(gòu)件的名義載荷零部件工作能力設(shè)計(jì)確定各構(gòu)件的基本尺寸裝配草圖設(shè)計(jì)基本尺寸→裝配草圖→零件外形及尺寸主要零部件工作能力精確校核不滿足零件工作圖繪制進(jìn)一步確定各零件的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)（須考慮加工裝配工藝性等因素）裝配圖繪制最后檢驗(yàn)零件圖中的尺寸、結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤（紙上虛擬裝配）9第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論（四）技術(shù)文件編制技術(shù)文件設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)使用說(shuō)明書(shū)零件明細(xì)表標(biāo)準(zhǔn)件匯總表產(chǎn)品驗(yàn)收條件

…………技術(shù)文件是用來(lái)說(shuō)明產(chǎn)品性能、設(shè)計(jì)、制造、操作使用、維護(hù)、或其它所有與產(chǎn)品相關(guān)的文檔資料。10第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論（一）使用功能要求對(duì)機(jī)器的主要要求（二）經(jīng)濟(jì)性要求（三）勞動(dòng)保護(hù)要求（四）可靠性要求（五）其它專用要求●正確地選擇機(jī)器的工作原理；●正確地選用能夠全面實(shí)現(xiàn)功能要求的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和原動(dòng)機(jī)；●合理地配置必要的輔助系統(tǒng)●采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法；●采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化的零部件；●采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料；●合理地組織設(shè)計(jì)和制造過(guò)程；●改善零件的結(jié)構(gòu)工藝性，使其用料少、易加工、裝配。●要使機(jī)器的操作者方便和安全；●要把環(huán)境保護(hù)提高到一個(gè)重要位置。可靠度——

在規(guī)定的時(shí)間和預(yù)定的環(huán)境下機(jī)器能夠正常工作的概率?！癫捎每煽啃栽O(shè)計(jì)●采用備用系統(tǒng)●加強(qiáng)維護(hù)與檢測(cè)例如：●對(duì)機(jī)床有長(zhǎng)期保持精度的要求；●對(duì)飛機(jī)有質(zhì)量小，飛行阻力小而運(yùn)載能力大的要求；●對(duì)流動(dòng)使用的機(jī)器有便于安裝和拆卸的要求；●對(duì)大型機(jī)器有便于運(yùn)輸?shù)囊螅?/p>

……機(jī)器部分結(jié)束11第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作稱為失效。——帶傳動(dòng)的打滑、共振、螺紋的松弛

機(jī)械零件的主要失效形式整體斷裂——過(guò)載、疲勞過(guò)大的殘余變形——應(yīng)力超過(guò)屈服極限零件的表面破壞——腐蝕、磨損、點(diǎn)蝕破壞正常的工作條件而引起的失效零件的失效形式：斷裂占4.79%;腐蝕、磨損、疲勞破壞占73.88%。12第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論（一）避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求（二）工藝性要求（三）經(jīng)濟(jì)性要求（四）輕量化要求（五）可靠性要求機(jī)器由零部件組成。設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足的基本要求要使機(jī)器滿足其基本要求，就必須使機(jī)械零件滿足以下要求：13第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論應(yīng)保證零件有足夠的強(qiáng)度、剛度、壽命。（一）避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求●采用高強(qiáng)度材料；●足夠的截面尺寸；●合理設(shè)計(jì)截面形狀；●采用熱處理、化學(xué)處理；●提高制造精度減少動(dòng)載荷；●合理配置零件的相對(duì)位置。1、強(qiáng)度要求——

避免斷裂、殘余變形14第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論2、剛度要求：彈性變形小于允許值●增大零件的截面尺寸或增大慣性矩；

●縮短支承的跨距或采用多點(diǎn)支承。3、壽命要求：在規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)不發(fā)生失效影響壽命主要因素——影響因素疲勞腐蝕磨損●應(yīng)力集中●尺寸大小●表面質(zhì)量●環(huán)境狀況——耐磨性——防腐措施●表面發(fā)蘭●表面鍍層●表面涂漆●表面陽(yáng)極化15第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論（二）結(jié)構(gòu)工藝性要求良好工藝性的特征1、毛坯選擇合理●型材●鑄件●鍛件●沖壓件●焊接件●生產(chǎn)批量●材料性能●加工可能性●大批量：選鑄、鍛、沖壓件●小批量：選棒料、板型材或焊件●便于加工●便于裝配●加工費(fèi)用低措施●毛坯選擇合理●精度和表面粗糙度選擇合理●結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理●用面向裝配的理念指導(dǎo)零件設(shè)計(jì)（便于加工、經(jīng)濟(jì)性好）16第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論三、經(jīng)濟(jì)性要求提高經(jīng)濟(jì)性的途徑●簡(jiǎn)化零件結(jié)構(gòu)●采用無(wú)余量、少余量的毛坯●采用廉價(jià)而充足的材料●采用組合結(jié)構(gòu)●盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件17第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論四、質(zhì)量小的要求（略）

五、可靠性要求可靠度——在規(guī)定時(shí)間和預(yù)定環(huán)境下零件能正常工作的概率。零件失效是隨機(jī)的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)加概率統(tǒng)計(jì)方法研究可靠度；機(jī)器是零件的串聯(lián)系統(tǒng)，故機(jī)器可靠度小于零件可靠度。18第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論機(jī)械零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

強(qiáng)度準(zhǔn)則剛度準(zhǔn)則壽命準(zhǔn)則振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則可靠性準(zhǔn)則---確保零件不發(fā)生斷裂、過(guò)大的塑性變形。（最基本的準(zhǔn)則）---確保零件不發(fā)生過(guò)大的彈性變形。---通常與零件的疲勞、磨損、腐蝕相關(guān)。

---確保不發(fā)生共振。（高速機(jī)械須注重此準(zhǔn)則）---確保零件具有一定的可靠度。19選擇零件的材料第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論寫(xiě)出計(jì)算說(shuō)明書(shū)畫(huà)出零件工作圖計(jì)算零件上的載荷確定計(jì)算準(zhǔn)則確定零件的基本尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟校核計(jì)算20第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼金屬材料（一）常用材料普通碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳碳鋼碳素合金鋼

……灰鑄鐵球墨鑄鐵

……機(jī)械零件的材料及選用原則鋁合金銅合金

……：金屬、非金屬特點(diǎn)：●良好的液態(tài)流動(dòng)性，可鑄造成形狀復(fù)雜的零件;●較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）;●成本低廉。特點(diǎn)：●與鑄鐵相比，鋼具有高的強(qiáng)度、韌性和塑性;●可用熱處理方法改善其力學(xué)性能和加工性能。特點(diǎn)：●具有良好的塑性和液態(tài)流動(dòng)性;●青銅合金還具有良好的減摩性和抗腐蝕性。高分子材料復(fù)合材料陶瓷非金屬——塑料、橡膠、合成纖維等——碳化硅、三氧化二鋁等——顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料特點(diǎn)：能吸收沖擊能量●常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、傳動(dòng)皮帶；●硬橡膠可用于制造用水潤(rùn)滑的軸承襯。

特點(diǎn)：●比重小，易于在模具中成型；●耐蝕、絕熱、絕緣；●減摩、摩擦系數(shù)大等。21第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論●載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì)●零件的工作情況

●零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及工藝性

●材料的經(jīng)濟(jì)性

●零件的尺寸及重量

（二）機(jī)械零件材料的選用原則

選材的一般原則

●靜載下：脆性材料●沖擊載荷：塑性材料：應(yīng)充分利用熱處理手段來(lái)發(fā)揮材料的潛力?！裨跐駸岘h(huán)境下，材料應(yīng)具有良好防腐蝕能力；●兩配合零件的線性膨脹系數(shù)不能相差過(guò)大，以免產(chǎn)生過(guò)大熱應(yīng)力或配合松動(dòng)；●有磨損的表面，應(yīng)提高其表面硬度●選強(qiáng)重比大的材料，可減小零件的尺寸和質(zhì)量；●鑄造毛坯，一般不受尺寸大小的限制；●鍛造毛坯，須注意鍛壓設(shè)備的生產(chǎn)能力。●結(jié)構(gòu)復(fù)雜性——

復(fù)雜：鑄件毛坯、沖壓加焊接；簡(jiǎn)單：鍛件毛坯。●工藝性——

鑄造材料：液態(tài)流動(dòng)性、收縮率等；焊接材料：可焊性、焊縫裂紋傾向等；熱處理：可淬性、淬火變形傾向等；冷加工：易切削性、切削后表面質(zhì)量等；●材料本身的相對(duì)價(jià)格;●材料的加工費(fèi)用;●材料的利用率;●是否采用組合結(jié)構(gòu)●材料的供應(yīng)狀況

●當(dāng)?shù)夭牧瞎?yīng)是否充足；●小批量零件，減少材料品種。22許用應(yīng)力和安全系數(shù)許用應(yīng)力：設(shè)計(jì)零件時(shí)所依據(jù)的條件應(yīng)力對(duì)脆性材料：對(duì)塑性材料：23疲勞斷裂：初始裂紋—循環(huán)變應(yīng)力下裂紋擴(kuò)展—臨界值時(shí)突然斷裂斷口區(qū)域分為：表面光滑的疲勞區(qū)和粗糙的脆性斷裂區(qū)24微孔聚合型斷口解理型斷口晶間斷裂晶內(nèi)斷裂25裂紋形成（萌生）階段裂紋擴(kuò)展階段斷裂過(guò)程裂紋萌生：材料在外力作用下，形成微裂紋或以內(nèi)部缺陷作為裂紋源。裂紋擴(kuò)展：微裂紋或裂紋源逐漸擴(kuò)展至一臨界尺寸時(shí)，立即發(fā)生斷裂。前者段稱裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段，后者稱裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段。26韌斷時(shí)，裂紋的亞穩(wěn)擴(kuò)展階段較長(zhǎng)，裂紋的擴(kuò)展與塑性變形同時(shí)進(jìn)行，故有明顯的塑性變形，斷裂慢。脆斷時(shí)，幾乎沒(méi)有亞穩(wěn)擴(kuò)展階段，故無(wú)明顯塑性變形，斷裂快。27應(yīng)力的種類靜應(yīng)力變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)對(duì)稱循環(huán)一般循環(huán)σtσtσtσtσmaxσmin平均應(yīng)力應(yīng)力幅σaσm應(yīng)力比材料的疲勞特性r=-1r=0在變應(yīng)力作用下，材料發(fā)生疲勞破壞。材料的疲勞特性用σmax、r、N來(lái)描述。28（二）σ－N疲勞曲線該曲線為材料的疲勞特性曲線。σmaxN該曲線通過(guò)試驗(yàn)獲得：施加對(duì)稱循環(huán)的等幅交變應(yīng)力。σtN=1N=1/4σmax該曲線反映了材料在某一應(yīng)力比r情況下，疲勞極限（以最大應(yīng)力表征）與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。29σmaxNA點(diǎn)：對(duì)應(yīng)N=1/4。加載到最大值時(shí)材料被拉斷，該最大應(yīng)力值為強(qiáng)度極限。