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1、第二章 机械设计总论,2-1 机器的组成,2-2 设计机器的一般程序,2-3 对机器的主要要求,2-4 机械零件的主要失效形式,2-5 设计机械零件时应满足的基本要求,2-6 机械零件的计算准则,2-7 机械零件的设计方法,2-8 机械零件设计的一般步骤,2-9 机械零件材料的选用原则,2-10 机械零件设计中的标准化,2-11 机械现代设计方法简介,机器的组成1,机器的组成,人们为了满足生产和生活的需要，设计和制造了类型繁多、功能各异的机器。,一台完整的机器的组成大致可包括：,原动机部分,设计机器的一般程序,设计机器的一般程序,计划阶段,方案设计阶段,技术设计阶段,技术文件编制阶段,一部机器
2、的质量基本上决定于设计质量，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。它是一个创造性的工作过程，同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作。,作为一部完整的机器，它是一个复杂的系统。要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。,设计机器的一般程序(传统设计) ：,详细说明,对机器的主要要求,对机器的主要要求,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 经济性要求 劳动保护要求 可靠性要求 其它专用要求,详细说明,机械零件的主要失效形式1,机械零件的主要失效形式,机械零件常见的失效形式有：整体
3、断裂、过大的残余变形、零件的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效等。,（一）整体断裂,整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。,齿轮轮齿断裂,轴承内圈断裂,机械零件的主要失效形式2,机械零件的主要失效形式,（二）过大的残余变形,当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。,齿轮齿面塑形变形,轴承外圈塑性变形,机械零件的主要失效形式3,机械零件的主要失效形式,（三）零件的表面破坏,零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。,齿面接触疲劳,轴瓦磨损,机械零件的主要失效形式4,机械零件的主要失
4、效形式,（四）破坏正常工作条件引起的失效,有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：,液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。 带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。 高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔才能正常工作。,零件在工作时会发生那一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很多因素有关。,有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起。,设计机械零件时应满足的基本要求,设计机械零件时应满足的基本要求,避免在预定寿命期内失效的要求,结构工艺性要求,经济性要求,质量小的要求,可靠性要求,机器
5、是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：,详细说明,应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。,设计的结构应便于加工和装配。,零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。,质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。,应降低零件发生故障的可能性（概率）。,机械零件的计算准则1,机械零件的设计准则,强度准则,刚度准则,设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：,寿命准则,振动稳定性准则,可靠性准则,详细说明,：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。,：确保零件不发生过大的弹性变
6、形。,：通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。,：高速运转机械的设计应注重此项准则。,：当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。,机械零件的设计方法,机械零件的设计方法,理论设计,经验设计,模型实验设计,机械零件的设计方法通常分为常规设计方法和现代设计方法两大类。,现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。如机械优化设计、机械可靠性设计、计算机辅助设计、模块化设计、绿色设计等等。,常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。它又可分为：,详细说明,机械零件设计的一
7、般步骤,机械零件设计的一般步骤,选择零件类型、结构,机械零件的设计一般要经过以下几个步骤：,详细说明,机械零件材料的选用原则,：铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1).,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,一、常用材料,二、机械零件材料的选用原则,详细说明,：塑料、橡胶、合成纤维,：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢(如：08F 45 60 1Cr18）,：灰铸铁、球墨铸铁(如：TH300 QT500-5),：强如钢、轻如铝、硬如金刚石,：强度高、弹性模量大、质量轻,机械零件设计中的标准化1,机械零件设计中的标准化,标准化的益处：,与设计有
8、关的标准:,国际标准国家标准行业标准企业标准等如： ISOGB JB、HBQB,国标分为：强制标准和推荐标准,标准化有利于保证产品质量，减轻设计工作量，便于零部件的互换和组织专业化的大生产，以降低生产成本。,强制性国家标准：代号为GB (为标准序号) (为批准年代)强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。,推荐性国家标准：代号为GBT ，这类标准占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的效果。,标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。,机械现代设计方法简介1,机械现代设计方法简介,机械现代设计
9、方法通常是相对传统的设计方法而言的。,现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下列转换：,以动态的取代静态的如机器结构动力学计算。以定量的取代定性的如有限元计算。以随机量取代确定量如可靠性设计。以优化设计取代可行性设计如优化设计。并行设计取代串行设计如并行设计。微观的取代宏观的如微纳米摩擦学设计。系统工程法取代分部处理法如系统工程。自动化设计取代人工设计的转化如计算机辅助设计。,现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合
10、效益最优为目的,以计算机辅助设计技术为主体,以知识为依托,以多种科学方法及技术为手段,研究、改进、创造产品和工艺等活动过程所用到的技术和知识群体的总称。,机械现代设计方法简介,内容,并行设计虚拟设计绿色设计可靠性设计智能优化设计计算机辅助设计动态设计,模块化设计计算机仿真设计人机学设计摩擦学设计疲劳设计反求设计,机械现代设计方法简介,并行设计是一种对产品及其相关过程（包括设计制造过程和相关的支持过程）进行并行和集成设计的系统化工作模式。强调产品开发人员一开始就考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和解决，以缩短产品开发周期
11、、降低产品成本、提高产品质量。,机械现代设计方法简介,一、并行设计,并行设计作为现代设计理论及方法的范畴，目前已形成的并行设计方法基本上可以分为两大类: 基于人员协同和集成的并行化。 基于信息、知识协同和集成的并行化。,机械现代设计方法简介,一、并行设计,并行工程应用于整车项目开发案例研究,图1 并行工程所需的体系结构,图2 围绕并行开发组成大循环体 的相关部门,机械现代设计方法简介,一、并行设计,机械现代设计方法简介,在达到产品并行的目的以后，为了使产品一次设计成功，减少反复，往往会采用仿真技术，而对机电产品模型的建立和仿真又属于是虚拟设计的范畴。虚拟设计能实现在产品加工制造之前，建立产品的
12、功能、结构模型，并能对其进行修改和评审，以满足不同客户的要求。它不仅继承了传统CAD设计的优点也具备了仿真技术可视化的特点，更能支持协同工作和并行设计，从而缩短了产品开发周期并通过各先进技术的利用和补充，使产品保持技术上的优势。,二、虚拟设计,机械现代设计方法简介,机电产品的虚拟设计要以计算机技术（尤其是计算机网络、通信技术）为基础。对机电产品虚拟设计平台应该包括三个层次的内容: 一是产品模型的建立以及产品设计的优化； 二是对产品(包括各部件)的评价和验证，比如产品性能评价、可制造性的评价； 三是产品模型以及相关信息的传输。要实现虚拟设计过程中产品信息的共享，一般采用了STEP(产品模型数据交
13、换标准)的格式。 在这些基础上可以建立机电产品虚拟设计系统，该系统集成了CAD/CAM系统、PDM系统、专家系统以及网络、通讯等系统。,二、虚拟设计,汽车车辆虚拟设计与制造技术应用实例,机械现代设计方法简介,机械现代设计方法简介,机电产品的可靠性设计可定义为： 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。可靠性设计是以概率论为数学基础，从统计学的角度去观察偶然事件，并从偶然事件中找出其某些必然发生的规律，而这些规律一般反映了在随机变量与随机变量发生的可能性（概率）之间的关系。,三、可靠性设计,机械现代设计方法简介,用来描述这种关系的模型很多，如正态分布模型、指数分布模和威尔分布模型。
14、可靠性常用的数值标准有： 可靠度(Reliability)、 失效率(FailureRate)、 平均寿命(MeanUfe)。,三、可靠性设计,机械现代设计方法简介,通常机电产品的可靠性设计包括以下几个方面的内容: 明确机电产品中机械部件和电气部件的设计制造要求。 系统可靠性建模 可靠性可预测 可靠性的分配,三、可靠性设计,机械现代设计方法简介,四、智能优化设计,随着与机电一体化相关技术不断的发展，以及机电一体化技术的广泛使用，我们面临的将是越来越复杂的机电系统。解决复杂系统的出路在于使用智能优化的设计手段。智能优化设计突破了传统的优化设计的局限，它更强调人工智能在优化设计中的作用。,机械现代
15、设计方法简介,四、智能优化设计,实现的手段(1)模糊设计。模糊设计是以模糊数学为理论基础，它首先通过对设计对象的各项性能指标建立满足某些模糊集合的隶属度函数，并按其重要性乘以不同的加权引子，然后按一定的算法得到综合模糊集合的隶属函数，再通过优化策略，把模糊问题向非模糊化转化，从而实现寻优的过程。现在机电产品中涉及到模糊理论的场合很多，如模糊冰箱、模糊洗衣机、模糊微波炉，它们正悄然地改变着人们的生活方式。,机械现代设计方法简介,四、智能优化设计,实现的手段(2)神经网络优化设计。神经网络是一种模仿人类大脑结构、功能的信息处理智能系统，一般由多输人单输出非线性单元组成神经元，各神经元按一定的模式连
16、接，并构成各种连接模型。它通过反复的训练和学习以及自身的适应能力来完成对复杂信息的处理，使输出达到最优。,机械现代设计方法简介,四、智能优化设计,为实现机电产品智能化的功能，还有一个途径就是利用专家系统的框架。通过提取人类成熟的操作经验和知识，以知识库为核心，配以特征知识处理，并采用不同的匹配法则和推理机制，构成完整的最优决策系统。,机械现代设计方法简介,习 题,1、机器的基本组成要素是什么？2、什么是通用零件？什么是专用零件？试各举三个实例？3、一台完整的机器通常是由哪些基本部分组成？各部分的作用是什么？4、机械零件有哪些主要的失效形式？5、机械零件常用的有哪些计算准则？它们是针对什么失效形式而建立的？,
