機械零件設(shè)計總論(改).ppt
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湖南理工專用,2-1機器的組成,2-2設(shè)計機器的一般程序,2-3對機器的主要要求,2-4機械零件的主要失效形式,2-5設(shè)計機械零件時應(yīng)滿足的基本要求,2-6機械零件的計算準則,2-7機械零件設(shè)計的一般步驟,2-8機械零件設(shè)計中的標準化,2-9機械現(xiàn)代設(shè)計方法簡介,第2章機械零件設(shè)計概論,湖南理工專用,人們?yōu)榱藵M足生產(chǎn)和生活的需要，研制了類型繁多、功能各異的機器。尤其是蒸汽機出現(xiàn)之后，使機器具有了完整的形態(tài)。,一臺完整的機器的組成如下：,原動機部分,2-1機器的組成,湖南理工專用,原動部分－機器完成預(yù)定功能的動力源，最常見的是內(nèi)燃機、電動機。,執(zhí)行部分－完成預(yù)定的動作，位于傳動路線的終點。,傳動部分－聯(lián)接原動機和執(zhí)行部分的中間部分。,控制部分－保證機器的啟動、停止和正常協(xié)調(diào)動作。,傳感部分－將機器的工作參數(shù)，如位移、速度、加速度、溫度、壓力等反饋給控制部分。,輔助部分－包括機器的潤滑、顯示、照明等。也是保證機器正常工作不可缺少的部分,湖南理工專用,2-2設(shè)計機器的一般程序,一般而言，機器的設(shè)計階段是決定機器好壞的關(guān)鍵一環(huán)。機械設(shè)計是一個創(chuàng)造性的工作過程，實踐經(jīng)驗是保證設(shè)計質(zhì)量的重要因素。因此，要求設(shè)計者特別注意經(jīng)驗的積累。,一部完整的機器是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。要提高設(shè)計質(zhì)量，必須有一個科學(xué)的設(shè)計程序。,機械設(shè)計的一般過程：,▲計劃階段,▲方案設(shè)計階段,▲技術(shù)設(shè)計階段,▲技術(shù)文件編制階段,一、計劃階段,包括：需求分析、明確功能、制定設(shè)計任務(wù)書。,湖南理工專用,設(shè)計任務(wù)書,機器的功能,經(jīng)濟性估計,制造要求的大致估計,基本使用要求,預(yù)計的設(shè)計周期,,二、方案設(shè)計階段,對機器的功能進行綜合分析、確定功能參數(shù)、提出實現(xiàn)方案。,在制定功能參數(shù)時一定要注意恰當處理需要與可能、理想與現(xiàn)實、長遠目標與當前目標等之間的關(guān)系。,一般而言，實現(xiàn)同一個功能，有多種可能的方案。,以螺紋制造為例：有車削、滾壓、板牙加工等方法。,方法不同，其執(zhí)行部分的工作原理也不同。,因此，存在一個方案的比較和取舍問題。,湖南理工專用,方案評價原則：經(jīng)濟性、技術(shù)上可行。,經(jīng)濟性----總費用最低。,方案設(shè)計階段要正確處理好借鑒與創(chuàng)新的關(guān)系。,同類機器的成功的先例應(yīng)當借鑒，但其中的薄弱環(huán)節(jié)和不符合現(xiàn)有任務(wù)要求的部分應(yīng)當加以改進或替換。,三、技術(shù)設(shè)計階段,繪制總裝配草圖、部件裝配草圖，由草圖確定零部件的外形、基本尺寸和零件工作圖。,湖南理工專用,為了確定零件的基本尺寸，必須完成以下工作：,1）機器的運動學(xué)設(shè)計,2）機器的動力學(xué)設(shè)計,3）零件的工作能力設(shè)計,4）部件裝配草圖及總裝配草圖的設(shè)計----結(jié)構(gòu)設(shè)計,5）主要零件的校核計算,確定原動機的參數(shù)（功率、轉(zhuǎn)速、線速度等）。求解構(gòu)件的運動參數(shù)（轉(zhuǎn)速、速度、加速度等）。,計算構(gòu)件所受公稱載荷（名義載荷）的大小和特性。,由公稱載荷大小和特性，根據(jù)工作能力準則作零部件的初步設(shè)計。通過計算或類比得出零件的基本尺寸。,以結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸為依據(jù)，對零件進行精確的受力分析和工作能力校核計算,湖南理工專用,四、技術(shù)文件編制,技術(shù)文件,設(shè)計說明書,使用說明書,零件明細表,標準件匯總表,,產(chǎn)品驗收條件………….,技術(shù)文件----用來說明產(chǎn)品性能、設(shè)計、制造、操作使用、維護、或其它所有與產(chǎn)品相關(guān)的文檔資料。,湖南理工專用,1．設(shè)計及其重要性設(shè)計：為滿足某一特定功能而進行的創(chuàng)造過程。重要性：機械設(shè)計是生產(chǎn)機械產(chǎn)品的第一道程序，設(shè)計是現(xiàn)代生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。產(chǎn)品是生產(chǎn)出來的還是設(shè)計出來的？據(jù)統(tǒng)計：產(chǎn)品的成本70%是由設(shè)計階段決定的，產(chǎn)品質(zhì)量的下降50%是由設(shè)計失誤造成的，設(shè)計本身的問題往往是根本性的。自20世紀90年代以來，提高設(shè)計已成為當今世界各國的熱門話題。普遍認為：商品競爭靠技術(shù)，技術(shù)條件相同的條件下，靠設(shè)計。日本：20世紀90年代日本工業(yè)走向“設(shè)計時代”。英國：政府認為“產(chǎn)品設(shè)計是英國工業(yè)發(fā)展的命脈”。法國：工業(yè)界疾呼“不重視產(chǎn)品設(shè)計，法國工業(yè)必將崩潰”。,湖南理工專用,2．設(shè)計機器應(yīng)滿足的基本要求滿足功能要求為前提，作好物美價廉。經(jīng)濟合理原則：設(shè)計、制造、使用全過程，成本低，高生產(chǎn)率，高效率，耗能少，商品化設(shè)計。實用化設(shè)計：可靠性原則；最優(yōu)化原則；環(huán)境保護原則。3．設(shè)計方法根據(jù)設(shè)計過程的不同分為：理論設(shè)計——利用設(shè)計理論和實驗數(shù)據(jù)進行的設(shè)計；經(jīng)驗設(shè)計——根據(jù)以往經(jīng)驗用類比方法進行的設(shè)計；模型實驗設(shè)計——通過制作小的模型、樣機并進行實驗，再逐步修改直至完善的設(shè)計過程。,,湖南理工專用,根據(jù)創(chuàng)造性大小分為：常規(guī)設(shè)計——借鑒成熟技術(shù)、結(jié)構(gòu)；革新設(shè)計——部分創(chuàng)新性內(nèi)容，“舉一反三”；創(chuàng)新設(shè)計——無類似借鑒，“無中生有”.4．設(shè)計程序,湖南理工專用,提出任務(wù),,,明確構(gòu)形要求,,,,,,,,,機器設(shè)計的一般流程,,,湖南理工專用,,設(shè)計機器的任務(wù)是在當前技術(shù)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。不管機器的類型如何，一般來說，對機器都要提出以下的基本要求：,▲使用功能要求,2-3對機器的主要要求,使用功能要求----機器應(yīng)具有預(yù)定的使用功能。這主要靠正確地選擇機器的工作原理，正確地設(shè)計或選用能夠全面實現(xiàn)功能要求的執(zhí)行機構(gòu)、傳動機構(gòu)和原動機，以及合理地配置必要的輔助系統(tǒng)來實現(xiàn)。,----在滿足預(yù)期功能的前提下，要求性能好、效率高、成本低，造型美觀，在預(yù)定使用期限內(nèi)要安全可靠，操作方便、維修簡單。具體要求如下：,▲經(jīng)濟性要求,▲勞動保護要求,▲可靠性要求,▲其它專用要求,湖南理工專用,,經(jīng)濟性要求----機器的經(jīng)濟性體現(xiàn)在設(shè)計、制造和使用的全過程中，設(shè)計機器時就要全面綜合地進行考慮。設(shè)計制造的經(jīng)濟性表現(xiàn)為機器的成本低，使用經(jīng)濟性表現(xiàn)為高生產(chǎn)率，高效率，低能耗，以及低的管理和維護費用等。,▲使用功能要求▲經(jīng)濟性要求▲勞動保護要求▲可靠性要求▲其它專用要求,湖南理工專用,提高設(shè)計和制造經(jīng)濟性指標的主要途徑有:,1）采用先進的現(xiàn)代設(shè)計方法(CAD)，使設(shè)計參數(shù)最優(yōu)化,達到盡可能精確的計算結(jié)果,保證機器足夠的可靠性。,2）最大限度地采用標準化、系列化及通用化的零、部件。,3）盡可能采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料。,4）合理地組織設(shè)計和制造過程。,5）力求改善零件的結(jié)構(gòu)工藝性，使其用料少、易加工、易裝配。,湖南理工專用,1）合理地提高機器的機械化和自動化水平，以期提高機器的生產(chǎn)率。,提高使用經(jīng)濟性指標的主要途徑有:,2）選用高效率的傳動系統(tǒng)，盡可能減少傳動的中間環(huán)節(jié)，以期降低能源消耗。,3）適當?shù)夭捎梅雷o及潤滑，以延長機器的使用壽命。,4）采用可靠的密封，減少或消除滲漏現(xiàn)象。,湖南理工專用,,1)要使機器的操作者方便和安全。因此設(shè)計時要按照人機工程學(xué)的觀點布置各種按鈕、手柄，使操作方式符合人們的心理和習慣。同時，設(shè)置完善的安全裝置、報警裝置、顯示裝置等。,2）改善操作者及機器的環(huán)境。所設(shè)計的機器應(yīng)符合勞動保護法規(guī)的要求。降低機器運轉(zhuǎn)時的噪聲水平，防止有毒、有害介質(zhì)的滲漏，對廢水、廢氣和廢液進行治理。,▲使用功能要求▲經(jīng)濟性要求▲勞動保護要求▲可靠性要求▲其它專用要求,湖南理工專用,,機器的可靠度----指在規(guī)定的使用時間內(nèi)和預(yù)定的環(huán)境下機器能夠正常工作的概率。,機器由于某種故障而不能完成預(yù)定的功能稱為失效，它是隨機發(fā)生的，其原因是零件所受的載荷、環(huán)境溫度、零件本身物理和機械性能等因素是隨機變化的。為了提高零件的可靠性，就應(yīng)當在工作條件和零件性能兩個方面使其變化盡可能小。,▲使用功能要求▲經(jīng)濟性要求▲勞動保護要求▲可靠性要求▲其它專用要求,湖南理工專用,,其它專用要求----針對不同機器所特有的要求。例如：1)對機床有長期保持精度的要求；,2)對飛機有質(zhì)量小，飛行阻力小而運載能力大的要求；,3)對流動使用的機器有便于安裝和拆卸的要求；,4)對大型機器有便于運輸?shù)囊蟮鹊取?▲使用功能要求▲經(jīng)濟性要求▲勞動保護要求▲可靠性要求▲其它專用要求,湖南理工專用,機械零件的失效：機械零件曲于某種原因不能正常工作時，稱為失效。,工作能力----在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是對載荷而言，所以習慣上又稱為：,承載能力。,例如：發(fā)生強烈的振動；聯(lián)接的松弛;摩擦傳動的打滑等。,2-4機械零件的主要失效形式,整體斷裂;,過大的殘余變形;,工作表面的過度磨損或損傷;,破壞正常的工作條件;,零件的失效形式,,如軸、齒輪、軸瓦、軸頸、螺栓、帶傳動等。機械零件雖然有多種可能的失效形式，歸納起來最主要的為,湖南理工專用,機械零件失效的實例：,齒輪輪齒折斷,軸承內(nèi)圈破裂,軸承外圈塑性變形,輪齒塑性變形,湖南理工專用,齒面接觸疲勞,軸瓦磨損,失效原因:強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、溫度等原因。,統(tǒng)計結(jié)果顯示：斷裂僅占4.79%;腐蝕、磨損、疲勞破壞占73.88%。,--主要失效原因。,湖南理工專用,▲避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求,▲結(jié)構(gòu)工藝性要求,▲經(jīng)濟性要求,▲質(zhì)量小的要求,▲可靠性要求,機器是由各種各樣的零部件組成的，要使所設(shè)計的機器滿足基本要求，就必須使組成機器的零件滿足以下要求：,應(yīng)保證零件有足夠的強度、剛度、壽命。,2-5設(shè)計機械零件時應(yīng)滿足的基本要求,一、避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求,湖南理工專用,提高零件強度的措施有：,▲采用高強度的材料；,▲使零件具有足夠的截面尺寸；,▲合理設(shè)計零件的截面形狀，增大慣性矩；,▲采用熱處理和化學(xué)處理方法提高材料的強度性能；,▲提高零件的制造精度，以減少工作時的動載荷；,▲合理配置零件的相對位置，以降低零件的載荷。,1.強度要求,2.剛度要求,零件在工作時的彈性變形不能超過允許的范圍稱為零件的剛度要求。,湖南理工專用,提高零件剛度的措施有：,▲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支承。,3.壽命要求,影響零件壽命的主要因素有：,大部分零件工作在變應(yīng)力下，故疲勞破壞是引起零件破壞的主要原因。影響疲勞強度的因素有：,疲勞破壞,腐蝕,磨損,,▲應(yīng)力集中；▲零件的尺寸大小；▲零件表面質(zhì)量及環(huán)境狀況：,零件處在腐蝕性介質(zhì)中工作時，可能使材料遭到腐蝕。,湖南理工專用,抗腐蝕的措施有：,▲表面發(fā)蘭（發(fā)黑）；,▲表面鍍層；,▲表面涂漆；,▲表面陽極化。,二、結(jié)構(gòu)工藝性要求,零件工藝性良好的標志----在具體的生產(chǎn)條件下，零件要便于加工而加工費用又很低。,工藝性的基本要求：1)毛坯選擇合理,制備方法：選用型材、鑄造、鍛造、沖壓和焊接等。,毛坯選擇與生產(chǎn)批量、材料性能和加工可能性有關(guān)。,單件或小批量生產(chǎn)時，選用棒料、板材、型材或焊件。,大批量生產(chǎn)時，往往選用鑄造、鍛造、沖壓等方法。,湖南理工專用,2)結(jié)構(gòu)簡單合理,▲最好采用平面、柱面、螺旋面等簡單表面極其組合；,▲盡量減少加工面數(shù)和加工面積；,3)合理的制造精度和表面粗糙度,零件的加工成本隨精度和表面粗糙度的提高而急劇增加。決不能盲目追求高精度，應(yīng)在滿足使用要求的前提下，盡量采用較低的精度和表面質(zhì)量。,▲盡量采用標準件；,▲增加相同形狀、相同元素（直徑、圓角半徑、配合、螺紋、鍵、齒輪模數(shù)等）的數(shù)量；,4)盡量減小零件的加工量,▲毛坯形狀和尺寸應(yīng)盡量接近零件本身的形狀和尺寸。力求使少或無切削加工，節(jié)約材料、降低成本。,▲盡量采用精密鑄造、精密鍛造、冷軋、冷擠壓、粉末冶金等先進工藝滿足上述要求。,欲設(shè)計出工藝性良好的零件，設(shè)計者必須虛心向工藝技術(shù)人員和一線工人學(xué)習，在實踐中積累經(jīng)驗。,湖南理工專用,三、經(jīng)濟性要求,零件的經(jīng)濟性首先表現(xiàn)在零件的生產(chǎn)制造成本上。,▲簡化零件的結(jié)構(gòu)，降低材料消耗；,▲采用無余量、少余量的毛坯，減少加工工時；,▲采用廉價而充足的材料代替昂貴材料；,▲大型零件采用組合結(jié)構(gòu)而非整體結(jié)構(gòu)；,▲盡量采用標準件。,四、質(zhì)量小的要求,減小質(zhì)量的好處：,節(jié)約材料；,減小慣性，改善機器的動力性能。,減小質(zhì)量的措施：,,▲采用緩沖裝置來降低零件所受沖擊載荷；,湖南理工專用,減小質(zhì)量的措施：,▲采用緩沖裝置來降低零件所受沖擊載荷；,▲采用安全裝置來限制作用在零件所受最大載荷；,▲從零件應(yīng)力較小處削減部分材料，以改善零件受力的均勻性，提高材料的利用率；,▲采用與工作載荷方向相反的預(yù)載荷，以降低零件的工作載荷；,▲采用輕型薄璧沖壓件或焊接件代替鑄造、鍛壓件；,▲采用強重比高的材料。,五、可靠性要求,零件的實效是隨機發(fā)生的，其原因是零件所受的載荷、環(huán)境溫度、零件本身物理和機械性能等因素是隨機變化的。為了提高零件的可靠性，就應(yīng)當在工作條件和零件性能兩個方面使其變化盡可能小。,湖南理工專用,2-6機械零件的計算準則,▲強度準則,▲剛度準則,設(shè)計零件時，首先應(yīng)根據(jù)零件的失效形式確定其設(shè)計準則以及相應(yīng)的設(shè)計計算方法。一般來講，有以下幾種準則：,▲壽命準則,▲振動穩(wěn)定性準則,▲可靠性準則,---確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過大的塑性變形，是最基本的設(shè)計準則。,----確保零件不發(fā)生過大的彈性變形。,---通常與零件的疲勞、磨損、腐蝕相關(guān)。,----高速運轉(zhuǎn)機械的設(shè)計應(yīng)注重此項準則。,----當計及隨機因素影響時，仍應(yīng)確保上述各項準則。,湖南理工專用,強度準則是指零件中的應(yīng)力不得超過許用值。,一、強度準則,即：σ≤σlim,σlim----材料的極限應(yīng)力,脆性材料：σlim=σB(強度極限),塑性材料：σlim=σS(屈服極限),,為了安全起見，引入安全系數(shù)S，得：,σ≤σlim/S,或σ≤[σ],S為大于1的數(shù)，S過大，雖安全但浪費材料；S過小，雖節(jié)省材料，但趨于危險。,----許用應(yīng)力,二、剛度準則,----是指零件在力作用下的彈性變形量不得超過許用值。即：,y≤[y],湖南理工專用,三、壽命準則,影響零件使用壽命的因素主要是腐蝕、磨損和疲勞，前兩者還沒有成熟的計算方法，工程中通常是求出使用壽命時的疲勞極限作為計算的依據(jù)。,四、振動穩(wěn)定性準則,保證機器中受激振零件的固有頻率與激振源的頻率錯開，即要求：,0.85f>fp,或1.15f下載提示(請認真閱讀)
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