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1、第一章 精密机械设计的基础知识,第一节 概述 第二节 零件的工作能力及其计算 第三节 零件与机构的误差估算和精度 第四节 工艺性 第五节 标准化、系列化、通用化 第六节 零件的设计方法及其发展,第一节 概述,功能要求 可靠性要求 精度要求-精密机械的一项重要技术指标 经济性要求 外观要求,一、设计精密机械时应满足的基本要求,开发性设计： 利用新原理、新技术 适应性设计： 保留原理方案，只个别零、部件重新设计 变参数设计： 保留功能、原理方案和结构，只改变尺寸或结构布局,二、精密机械设计的一般步骤,产品设计的类型：,新产品开发设计的四个阶段：,调查决策阶段： 调查研究 新产品开发计划书 研究设计
2、阶段 前期开发（试验研究） 后期开发（技术设计） 试制阶段 样机试制 样机试验 技术经济评价 投产销售阶段 生产设计 小批试制 正式投产 销售服务,（一）载荷和应力,静载荷和静应力：不随时间变化或变化缓慢 变载荷和变应力：随时间作周期性变化,应力循环： 应力作周期性变化时，一个周期所对应的应力变化,载荷： 名义载荷：稳定和理想工作条件下 计算载荷：考虑影响强度的各种因素,安全系数法,（二）零件的整体强度,整体强度：零件整体抵抗载荷作用的能力,判断方法：,许用应力法,静应力下的强度 塑性材料：s s 脆性材料：b b,变应力下的强度 失效形式： 疲劳断裂-取决于变应力大小和应力循环次数 疲劳极限
3、： 当循环特性r一定时，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力,疲劳曲线： 表示应力循环次数N与疲劳极限rN间关系的曲线 两种类型：,N0,无限寿命区：疲劳极限为一常数,有限寿命区：,循环次数为N时的疲劳极限：,提高零件疲劳强度的措施,应用屈服强度高和细晶粒组织的材料 零件截面形状的变化应平缓，以减小应力集中 改善零件的表面质量 减少材料的冶金缺陷,1. 表面接触强度,（三）零件的表面强度,疲劳点蚀：在循环接触变应力作用下，接触表面产生疲劳裂纹，裂纹扩展导致表层小块金属剥落。,提高表面接触强度的措施： 增大接触处的综合曲率半径，以降低接触应力 提高接触表面的硬度，以提高接触疲劳极限 提
4、高零件表面的加工质量，以改善接触情况 采用粘度较大的润滑油，以减缓疲劳裂纹的扩展,思考：疲劳点蚀对零件有何影响？,（三）零件的表面强度,2. 表面磨损强度 磨损： 零件的表面形状和尺寸在摩擦的条件下逐渐改变的过程。 当磨损量超过许用值时，即产生失效。 引起磨损的原因： 硬质微粒落入两接触表面间 两接触表面在相对运动中相互刮削 磨损有害方面： 会降低零件强度，增大摩擦，降低效率和精度 有益方面：跑合、研磨,零件磨损的三个阶段：,尽量延长稳定磨损阶段，避免出现剧烈磨损。,减少磨损的基本方法：,充分润滑摩擦表面，使接触表面部分或全部脱离接触 定期清洗或更换润滑剂 采用适当的密封装置 正确选用摩擦副配
5、对材料 减摩材料:巴氏合金、青铜、铸铁、塑料 用热处理、电镀、熔镀等方法提高接触表面的耐磨性 合理减小摩擦表面的粗糙度以改善接触情况,3. 表面强度判定准则,反映零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。用产生单位变形所需要的外力或外力矩表示。 静刚度：由静载荷与变形关系确定 动刚度：由变载荷与变形关系确定 有些零件要求足够大的刚度：齿轮 或一定的刚度：弹性元件、减震器,二、刚度,提高刚度的有效措施,改变零件的截面形状和尺寸 缩短支承点间的距离 采用加强筋结构,注意： 由于碳素钢和高合金结构钢两者的弹性模量相差极小，所以，零件仅有刚度要求时，应选碳素钢。,三、振动稳定性,在变载荷作用下，零件将产生机
6、械振动 若零件的固有频率与载荷的频率相同时，将发生共振，使零件丧失工作能力而失效。 固有频率：取决于零件的刚度和质量 弹性元件或弹性元件与其他零件组成的系统易共振。 防止共振的根本办法：消除引起共振的载荷,第三节 零件与机构的误差估算和精度,零件的误差 按使用场合不同分： 加工误差：加工时零件的实际尺寸或几何形状与理想值之间的差异 特性误差：零件的实际特性与给定特性之间的差异 机构的误差 指实际机构运动精度与理想机构运动精度之间的偏差。 用位置误差和位移误差表示,一、零件与机构的误差,理想机构：能绝对精确地实现给定运动规律的机构,位置误差： 理想机构的主动件位置相同时，两者从动件的位置偏差。
7、位移误差: 当实际机构与理想机构的主动件位移相同时，两者从动件位移量的偏差。,全微分法-零件或机构特性的解析式已知时 数理统计法-所有原始误差均为随即变量 相对误差法-绝对误差相同时,二、误差估算的基本方法,影响零件和机构特性的三类原始误差：,设计误差（原理误差） 工艺误差 使用误差,第四节 工艺性,制造和装配的工时较少; 需要复杂设备的数量较少; 材料的消耗较少; 准备生产的费用较少.,工艺性良好的结构和零件：,改善结构工艺性的原则：,整个结构能很容易地分拆成若干部件，各部件间的联系和配置应能保证易于装配、维修和检验。 在结构中应尽量采用已掌握并生产过的零部件，尽量选用标准件。同一结构中尽量
8、采用相同零件。 应使零部件具有互换性，在精度要求较高的情况下，可设有调整环节，尽可能不采用选配。,合理选择零件毛坯种类 模锻件、冲压件 零件形状力求简单，尽可能减少被加工表面数量，以降低加工费用。 零件上的孔、槽，应尽可能选用标准刀具加工 在满足工作要求的前提下，合理地确定加工精度、表面粗糙度和热处理条件等。,改善零件工艺性的原则：,第五节 标准化、系列化、通用化,“三化”的内容包括标准化、系列化和通用化。 标准化：对机械零件类型、尺寸、结构要素、材料性质、检验方法、设计方法、公差配合、制图规范等定出相应的标准，供设计制造者使用。 系列化：同一产品，为符合不同的使用条件，在同一基本结构或基本尺
9、寸条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品，即产品按大小分档，进行尺寸优选，成系列发展。 通用化：指同类机型的主要零部件，用统一的和减少品种数量的办法，消除其过分的多样性，最大限度地相互通用和互换。,一、“三化”的内容,二、标准化的意义,1、减轻设计工作量 2、便于安排专门工厂采用先进技术和设备，大规模集中生产标准件，有利于合理使用原材料，保证产品质量和降低制造成本。 3、增大互换性，便于维修和管理 4、有利于增加产品品种，扩大批量，达到优质、高产、低耗等。,三、我国标准化的分类,国家标准（GB） 行业标准（JB） 专业标准 ISO 国际标准：,第六节 零件的设计方法及其发展,一、零件的设计方法
10、,理论设计 根据设计理论和实验数据进行设计 （1）设计计算：按设计公式直接求零件的有关尺寸,经验设计 根据以往对某类零件的设计和使用经验总结出来的经验关系式，或根据设计人员的经验用类比法总结出来的数据进行的设计。,（2）校核计算：已知各部分尺寸，校核是否满足设计准则,模型实验设计 设计成小样机，通过试验手段进行特性实验，对设计进行修改,可靠性设计 可靠性： 产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。 可靠度(Rt) ： 产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。 累积失效概率 (Ft)： 产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率。,二、设计方法的新发展,失效分布密度,失效分布曲线：失效分布密度与时间的关系曲线常见的有正态分布、韦布尔分布、指数分布等。,零件工作应力与材料极限应力分布曲线,不可靠,机械优化设计 利用现代数学、物理、力学的成就及电子计算机技术对各种机械设计问题如方案选择、参数匹配、机构设计、结构及系统设计等寻求最佳设计的一种理论和方法。 基本思想： 优选一组设计变量，在满足给定的约束条件下，达到目标函数的最优值（极大或极小）,二、设计方法的新发展,计算机辅助设计（CAD) 将计算机与图形显示、自动绘图机等设备结合，在人机交互作用下进行设计。,二、设计方法的新发展,
