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1、 2 1 机械设计的基本要求和一般程序 2 2 机械零件的主要失效形式和工作能力 2 5 摩擦 磨损与润滑 第2章 机械设计基础知识 2 3 机械零件的设计准则和一般设计步骤 2 4 机械零件的材料及热处理 2 6 机械零件的结构工艺性和标准化 中南大学专用 作者 潘存云教授 2 1 机械设计的一般程序和基本要求 一般而言 机器的设计阶段是决定机器好坏的关键一 环 机械设计是一个创造性的工作过程 实践经验是保 证设计质量的重要因素 因此 要求设计者特别注意经 验的积累 一部完整的机器是一个复杂的系统 要提高设计质量 必须有一个科学的设计程序 一 机械设计的一般程序 计划阶段 方案设计阶段 技术
2、设计阶段 技术文件编制阶段 1 计划阶段 包括 需求分析 明确功能 制定设计任务书 中南大学专用 作者 潘存云教授 设计任务书 机器的功能 经济性估计 制造要求的大致估计 基本使用要求 预计的设计周期 2 方案设计阶段 对机器的功能进行综合分析 确定功能参数 提出 实现方案 在制定功能参数时一定要注意恰当处理需要与可能 理想与现实 长远目标与当前目标等之间的关系 一般而言 实现同一个功能 有多种可能的方案 以螺纹制造为例 有车削 滚压 板牙加工等方法 方法不同 其执行部分的工作原理也不同 因此 存在一个方案的比较和取舍问题 中南大学专用 作者 潘存云教授 潘存云教授研制 方案评价原则 经济性
3、技术上可行 总费用 设计制 造费用 使用费用 费用 复杂程度 经济性 总费用最低 方案设计阶段要正确处理好 借鉴与创新的关系 同类机器的成功的先例应 当借鉴 但其中的薄弱环节和 不符合现有任务要求的部分应 当加以改进或替换 一味求新而把合理的原有经验弃置不用 保守和照搬原有设计 坚决反对 3 技术设计阶段 绘制总装配草图 部件装配草图 由草图确定零部 件的外形 基本尺寸和零件工作图 中南大学专用 作者 潘存云教授 为了确定零件的基本尺寸 必须完成以下工作 1 机器的运动学设计 2 机器的动力学设计 3 零件的工作能力设计 4 部件装配草图及总装配草图的设计 结构设计 5 主要零件的校核计算 确
4、定原动机的参数 功率 转速 线速度等 求解构件的运动参数 转速 速度 加速度等 计算构件所受公称载荷 名义载荷 的大小和特性 由公称载荷大小和特性 根据工作能力准则作零 部件的初步设计 通过计算或类比得出零件的基本 尺寸 以结构设计尺寸为依据 对零件进行精确的受力分 析和工作能力校核计算 中南大学专用 作者 潘存云教授 4 技术文件编制 技术文件 设计说明书 使用说明书 零件明细表 标准件汇总表 产品验收条件 技术文件 用来说明产品性能 设计 制造 操 作使用 维护 或其它所有与产品相关的文档资料 中南大学专用 作者 潘存云教授 潘存云教授研制 潘存云教授研制 技 术 设 计 方 案 设 计
5、计 划 提出任务 分析对机器的要求 确定任务要求 机器功能分析 提出可能的解决办法 组合几种可能的方案 决策 选定方案 明确构形要求 结构化 选择材料 确定尺寸 零件设计 编制技术文件 评价 决策 确定结构形状与尺寸 评价 部件设计 总体设计 机器设计的一般流程 中南大学专用 作者 潘存云教授 设计机器的任务是在当前技术发展所能达到的条件下 根 据生产及生活的需要提出的 不管机器的类型如何 一般 来说 对机器都要提出以下的基本要求 使用功能要求 二 机械设计的主要要求 使用功能要求 机器应具有预定的使用功能 这主要 靠正确地选择机器的工作原理 正确地设计或选用能 够全面实现功能要求的执行机构
6、传动机构和原动机 以及合理地配置必要的辅助系统来实现 在满足预期功能的前提下 要求性能好 效率高 成本低 造型美观 在预定使用期限内要安全可靠 操作方便 维修简单 具体要求如下 经济性要求 劳动保护要求 可靠性要求 其它专用要求 中南大学专用 作者 潘存云教授 经济性要求 机器的经济性体现在设计 制造和使用 的全过程中 设计机器时就要全面综合地进行考虑 设计制造的经济性表现为机器的成本低 使用经济性 表现为高生产率 高效率 低能耗 以及低的管理和 维护费用等 使用功能要求 经济性要求 劳动保护要求 可靠性要求 其它专用要求 中南大学专用 作者 潘存云教授 提高设计和制造经济性指标的主要途径有
7、1 采用先进的现代设计方法 CAD 使设计参数最 优化 达到尽可能精确的计算结果 保证机器足够 的可靠性 2 最大限度地采用标准化 系列化及通用化的零 部件 3 尽可能采用新技术 新工艺 新结构和新材料 4 合理地组织设计和制造过程 5 力求改善零件的结构工艺性 使其用料少 易加 工 易装配 中南大学专用 作者 潘存云教授 1 合理地提高机器的机械化和自动化水平 以期提 高机器的生产率 提高使用经济性指标的主要途径有 2 选用高效率的传动系统 尽可能减少传动的中间 环节 以期降低能源消耗 3 适当地采用防护及润滑 以延长机器的使用寿命 4 采用可靠的密封 减少或消除渗漏现象 中南大学专用 作者
8、 潘存云教授 1 要使机器的操作者方便和安全 因此设计时要按照人 机工程学的观点布置各种按钮 手柄 使操作方式符合 人们的 心理和习惯 同时 设置完善的安全装置 报警 装置 显示装置等 2 改善操作者及机器的环境 所设计的机器应符合劳 动保护法规的要求 降低机器运转时的噪声水平 防止 有毒 有害介质的渗漏 对废水 废气和废液进行治理 使用功能要求 经济性要求 劳动保护要求 可靠性要求 其它专用要求 中南大学专用 作者 潘存云教授 机器的可靠度 指在规定的使用时间内和预定的环境 下机器能够正常工作的概率 机器由于某种故障而不能完成预定的功能称为失 效 它是随机发生的 其原因是零件所受的载荷 环
9、境温度 零件本身物理和机械性能等因素是随机变化 的 为了提高零件的可靠性 就应当在工作条件和零 件性能两个方面使其变化尽可能小 使用功能要求 经济性要求 劳动保护要求 可靠性要求 其它专用要求 中南大学专用 作者 潘存云教授 其它专用要求 针对不同机器所特有的要求 例如 1 对机床有长期保持精度的要求 2 对飞机有质量小 飞行阻力小而运载能力大的要求 3 对流动使用的机器有便于安装和拆卸的要求 4 对大型机器有便于运输的要求等等 使用功能要求 经济性要求 劳动保护要求 可靠性要求 其它专用要求 中南大学专用 作者 潘存云教授 机械零件的失效 机械零件由于某种原因不能正常工作时 称为失效 工作能
10、力 在不发生失效的条件下 零件所能安全 工作的限度 通常此限度是对载荷而言 所以习惯上 又称为 承载能力 例如 发生强烈的振动 联接的松弛 摩擦传动的打 滑等 2 2 机械零件的主要失效形式和工作能力 一 零件的失效形式 整体断裂 过大的残余变形 表面损伤 破坏正常的工作条件 如轴 齿轮 轴瓦 轴颈 螺栓 带 传动等 机械零件虽然有多种可能的 失效形式 归纳起来最主要的为 中南大学专用 作者 潘存云教授 机械零件失效的实例 潘存云教授研制 轮齿塑性变形 潘存云教授研制 齿轮轮齿折断 潘存云教授研制 轴承内圈破裂 潘存云教授研制 轴承外圈塑性变形 中南大学专用 作者 潘存云教授 失效原因 强度
11、刚度 耐磨性 振动稳定性 温度等 原因 统计结果显示 断裂仅占4 79 腐蚀 磨损 疲劳破坏占73 88 主要失效原因 潘存云教授研制 齿面接触疲劳 潘存云教授研制 轴瓦磨损 中南大学专用 作者 潘存云教授 静载荷 动载荷 工程计算中 名义载荷 理想工作条件下的载荷 工作载荷 实际工作条件下的载荷 二 机械零件的载荷 载荷是否随时间变化 计算载荷 工作载荷乘上载荷系数K 中南大学专用 作者 潘存云教授 潘存云教授研制 潘存云教授研制 潘存云教授研制 潘存云教授研制 三 应力的种类 静应力和变应力 ot 常数 脉动循环变应力 r 0 静应力 常数 变应力 随时间变化 平均应力 应力幅 循环变应力
12、 变应力的循环特性 对称循环变应力 r 1 脉动循环变应力 对称循环变应力 1 0 1 静应力 max m T max min a a m ot max min a a ot ot a a min r 1 静应力是变应力的特例 中南大学专用 作者 潘存云教授 黑色金属 有色金属 铸铁 钢 金属材料 一 常用材料 低碳钢 08F 中碳钢 45 高碳钢 60 合金钢 1Cr18 灰铸铁 HT1500 球墨铸铁 QT500 7 2 4 机械零件的材料及热处理 铝合金 LY12 铜合金 ZCuSn10P1 铸铁 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 合金铸铁等 特点 良好的液态流动性 可铸造成形状复杂的零件 较
13、好的减震性 耐磨性 切削性 指灰铸铁 成本低廉 应用 应用范围广 其中灰铸铁最广 球墨铸铁次之 中南大学专用 作者 潘存云教授 黑色金属 有色金属 铸铁 钢 金属材料 一 常用材料 低碳钢 08F 中碳钢 45 高碳钢 60 合金钢 1Cr18 灰铸铁 TH300 球墨铸铁 QT500 5 2 4 机械零件的材料及热处理 铝合金 LY12 铜合金 ZCuSn10P1 钢 低碳钢 中碳钢 高碳钢 合金钢 结构钢 工具 钢 特殊钢 不锈钢 耐热钢 耐酸钢等 铸钢等 特点 与铸铁相比 钢具有高的强度 韧性和塑性 可用 热处理方法改善其力学性能和加工性能 中南大学专用 作者 潘存云教授 潘存云教授研制
14、 钢的选用原则 优选碳素钢 其次是硅 锰锰 硼 钒类钒类 合金钢钢 钢制零件毛坯获取方法 锻造 冲压 焊接 铸造等 应用 应用范围极其广泛 表2 1 常用材料的相对价格 材 料 种 类 规 格 相对价格 热轧圆刚 碳素结构钢Q235 33 42 1 铸 件 优质碳素钢 29 50 1 5 1 8 合金结构钢 29 50 1 7 2 5 滚动轴承钢 29 50 3 合金工具钢 29 50 3 20 4Cr9Si2耐热钢 29 50 5 灰铸铁铸件 0 85 碳素钢铸件 1 7 铜合金 铝合金铸件 8 10 价格便宜且供应充分 我国资源丰富 中南大学专用 作者 潘存云教授 黑色金属 有色金属 铸铁
15、 钢 金属材料 低碳钢 08F 中碳钢 45 高碳钢 60 合金钢 1Cr18 灰铸铁 TH300 球墨铸铁 QT500 5 铝合金 LY12 铜合金 ZCuSn10P1 铜合金 铜锌合金 并含有少量的锰锰 铝 镍 特点 具有良好的塑性和液态流动性 青铜合金还具 有良好的减摩性和抗腐蚀性 青铜 黄铜 轴承合金 巴氏合金 含锡青铜 不含锡青铜 中南大学专用 作者 潘存云教授 高分子材料 复合材料 陶瓷 非金属 材料 塑料 橡胶 合成纤维 强如钢 轻如铝 硬如金刚石 强度高 弹性模量大 质量轻 橡胶 橡胶富于弹性 能吸收较多的冲击能量 常用 作联轴器或减震器的弹性元件 带传动的胶带等 硬 橡胶可用
16、于制造用水润润滑的轴轴承衬衬 塑料 塑料的比重小 易于制成形状复杂的零件 而 且各种不同塑料具有不同的特点 如耐蚀性 绝热热性 绝缘绝缘 性 减摩性 摩擦系数大等 所以近年来在机 械制造中其应应用日益广泛 中南大学专用 作者 潘存云教授 载荷及应力的大小和性质 零件的工作情况 零件的结构及加工性 材料的经济性 零件的尺寸及重量 二 机械零件材料的选用原则 适用于制作机械零件的材料种类非常之多 在设计 机械零件时 如何从各种各样的材料中选择出合适的 材料 是一项受多方面因素所制约的复杂的工作 设 计者应根据零件的用途 工作条件和材料的物理 化 学 机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑 选材的一般原则 中南大学专用 作者 潘存云教授 脆性材料 只适用于制造在静载荷下工作的零件 1 载荷及应力的大小和性质 2 零件的工作情况 指零件所处的环境特点 工作温度 摩擦磨损程度等 这方面的因素主要是从强度观点来考虑的 应在 充分了解材料的机械性能的前提下来进行选择 金属材料的性能一般可以通过热处理加以提高和改 善 因此 要充分利用热处理手段来发挥材料的潜力 对于常用的调质钢 由于其回火温度的不同
