机械设计CH1机械设计概论

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1、第1章 机械设计概论 计划学时：1.5h 编写及制作：向敬忠,基本要求及重点、难点1.1机器的基本组成要素1.2机器的基本组成1.3机械设计的基本原则和设计程序1.4机械零件设计的一般步骤,1.5 机械零件设计应满足的基本要求及主要设计准则1.6 静应力时机械零件的强度计算1.7 零件的接触疲劳强度1.8 机械常用材料1.9 影响钢材力学性能的主要因素1.10材料的选用1.11机械零件的制造工艺性,基本要求:1)机器的基本组成，零件,构件的概念与区别2)机械零件设计的一般步骤3)机械零件设计时应满足的基本要求及主要设计准则 4)零件的接触疲劳强度 5)机械制造中常用的材料 6)影响钢材力学性能

2、的主要因素,重点、难点 :1)机器的基本组成，机械和机构、零件和构件2)机械设计的一般程序3)机械零件主要失效形式及设计准则 4)接触应力的基本概念和赫兹应力计算公式5)机械制造中常用的材料 6)影响钢材力学性能的主要因素 7)机械设计中的标准化 作业:,1.1 机器的基本组成要素,天然工具,简单机器,工业革命,现代机器,机械人类利用和转变机械能在生产时借以减轻体力劳动和提高生产率的主要工具。使用机器进行生产的水平是衡量一个国家现代化程度的重要标志之一。,古代机械,现代机械手,改革开放后：我国机械工业得到了长足发展。,如：火车发展：,蒸汽机车,内燃机车,电力机车,磁浮列车（常导高温超导）,高速

3、列车,轿车发展：,红旗,桑塔纳、捷达、奥迪,别克、本田、帕萨特,蒸汽机车,内燃机车,电力机车,高速列车,磁浮列车,任何机器都是由许多零件组合而成的。,创造机器的目的： 减轻体力劳动和提高生产率机器特征：1）许多实体组成；2）各实体之间有确定的相对运动；3）工作时能转换机械能(内燃机、发电机)或作有效的机械功(金属切削机床、启动机)；4）具有自动调节和自动控制功能，乃至人工智能,机构仅具有机器的前两个特征机械机器和机构的总称机器执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料或信息机械、装置或设备用来进行物料传递和变换的机器仪器用来进行信息传递和变换的机器,零件从加工、制造和安装角度考虑组成机器的不

4、可拆的最小实体称为机械零件，简称零件，零件是制造的单元。它必须考虑实现具体功用的每一个件的支承、联接、形状、结构尺寸、材料、热处理、加工精度、表面粗糙度等。构件从运动角度考虑组成机器或机构的不可拆的最小实体称为构件，构件是运动的单元。 构件可以是单一的零件,也可由多个零件装配成的刚性结构。,部件：为完成同一使命而协同工作的许多零件的组合。,零件：组成机器的不可拆的基本单元（即制造的基本单元） 。,如：滚动轴承,、联轴器。,机器的基本要素机械零件,1原动机部分:驱动整部机器以完成预定功能的动力源。2执行部分:完成机器预定功能的组成部分，也称工作机，是具体干活的部分。3传动部分:解决原动机与工作机

5、运动形式、运动及动力参数的转变。机器的传动部分多数使用机械传动系统。4其他部分:控制系统和辅助系统等。,机器组成：,原动机,1.2 机器的基本组成,轿车组成,1.3 机械设计的基本原则和设计程序,1、设计机器应满足的基本要求,1、使用要求,实现预定功能，工作可靠。,2、经济性要求,三方面：生产成本低、使用消耗小、维护费用低。,措施：,1）设计中采用“三化”零部件；,2）应用成熟的新技术、新材料。3）选用高效率设备，减少动力、燃料消耗。,3、外观造型要求,颜色、造型,4、环保要求,噪音、废气、废液。,2机械设计的一般设计程序,机械设计是一个创新与借鉴相结合的过程，一般程序如下：, 根据零件的使用

6、要求，选择零件的类型和结构。 根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。优先按原动机的额定功率确定零件上的工作载荷。 根据零件的工作条件及对零件的特殊要求(如温度、腐蚀性等)，选择适当的材料及热处理工艺。 分析零件的主要失效形式，找出设计准则，确定出零件的基本尺寸。 根据工艺性和标准化等原则及相联结和相配合的零件进行零件的结构设计。 根据各方面的要求进行详细的校核计算，以判定结构的合理性。 画出零件的工作图，并写出计算说明书。,1.4 机械零件设计的一般步骤,1.5 机械零件设计时应满足的基本要求及主要设计准则 1.5.1 工作可靠性的要求1强度 零件在工作中发生断裂或不允许的永久变形统属于

7、强度问题。具有适当的强度是设计零件时必须满足的最基本要求强度准则:零件中的应力不得超过允许的限度,2刚度 在一定载荷下，零件抵抗弹性变形的能力 刚度准则 :零件在载荷作用下产生的变形量(包括弯曲挠度、偏转角和扭转角)应小于或等于零件性能所允许的极限值 注意:只有当弹性变形过大要影响机器工作性能的零件，才需要满足这项要求。,3.寿命 零件在工作初期虽然能够满足各种要求，但在工作一定时间后，却可能由于某种(或某些)原因而失效。这个零件正常工作延续的时间叫做零件的寿命。影响零件寿命的主要因素：材料的疲劳，材料的腐蚀及相对运动零件接触表面的磨损。大部分机械零件均在变应力条件下工作，因而疲劳破坏是引起零

8、件失效的主要因素。 疲劳、腐蚀和磨损是3个不同范畴的问题,4可靠性 可靠度在规定的使用时间(寿命)内和预定的环境条件下，零件能够正常地完成其功能的概率。,失效率在t时间到t+dt的间隔中,又有dN个零件发生破坏，则在此时间间隔内破坏的比率,分析：,1）第段早期失效阶段。在这一阶段中，失效率由开始时很高的数值急剧地下降到某一稳定的数值。引起这一阶段失效率特别高的原因是零、部件中所存在的初始缺陷。在这一阶段可通过跑合避免过高的失效率，防止事故的发生。,2）第段正常使用阶段。在此阶段内如果发生失效，一般总是由于偶然的原因而引起的，其发生是随机的，失效率则表现为一常数。,3）第段报废阶段。由于长时间的

9、使用而使零件发生磨损、腐蚀、疲劳裂纹扩展等原因，使失效率急剧地增加。良好的维护和及时更换马上要发生破坏的零件，就可以延缓机器进入这一阶段工作的时间。,浴盆曲线零件或部件的失效率与时间的关系,5振动稳定性,机器中存在着很多的周期性变化的激振源。如果某一零件本身的固有频率f与激振源的频率fp重合或成整数倍时，这些零件就会发生共振，以至使零件破坏或机器工作情况失常。,或,1.5.2 经济性要求,经济准则：设计机械时应最大限度地考虑经济性，力求费用少、效率高、维修简便。,1良好的工艺性,基本要求：1)合理选择毛坯；2)结构简单合理；3)规定适当的制造精度及表面粗糙度值。,2合理选择材料,在满足机械的一

10、定工作要求下，应优先选用价格便宜和供应充分的材料，用适当的热处理方法改善材料的机械性能。,3质量小的要求,优点：1）可以节约材料；2）对运动的零件来说，可以减小惯性，改善机器的动力性能，减小作用于构件上的惯性载荷。,4标准化、系列化、通用化的要求,标准化通过对零部件的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、制图要求等，制定出各式各样的大家共同遵守的标准。系列化将某些零部件按尺寸不同加以划分。通用化指系列之内或跨系列的产品之间尽量采用同一结构和尺寸的零部件，以减少企业内部的零部件种数，从而简化生产管理和获得较高的经济效益。“三化”标准化、系列化、通用化通称“三化”。, 以最先进的方法在专门

11、化的工厂中对那些用途最广的零部件进行大量、集中的制造，提高了质量，降低了成本。, 统一材料的性能指标，使其能够比较，并提高了零、部件和机器的可靠性。, 采用标准结构的零部件可以减少技术过失的重复出现，并简化了设计工作，缩短了设计周期，提高了设计质量。, 增大了互换性，简化了机器的维修工作。, 有利于增加产品品种，扩大生产批量，达到产品的优质、高产和低消耗等。,标准分类：国际标准ISO、国家标准GB、行业标准和企业标准等。,“三化”的优越性：,1.6 静应力时机械零件的强度计算,静载荷零件上作用的由零缓慢的增加到某一数值后即保持不变力。,静应力不随时间变化或变化缓慢的应力，静应力只能在静载荷作用

12、下产生。实际上并无绝对静止不变的力。工程上一般把在整个使用寿命期间应力循环次数不超过1千次1万次时的通用零件按静强度计算。,静强度计算时，根据零件材料是塑性或脆性分别采用屈服极限或强度极限作为零件的极限应力。,1简单应力状态,1）拉（压）应力,2）剪应力,3）挤压应力,4）扭转剪应力,实心圆柱:,5）弯曲正应力,2.复杂应力状态,1）最大主应力理论（第一强度理论),当已知零件危险剖面上主应力满足,计算应力取两式中绝对值较大者,此理论只适合于脆性材料 (如灰铁),对于弯扭组合：,2）最大剪应力理论（第三强度理论）,当已知零件危险剖面上主应力满足,*此理论只适合于塑性材料（如钢材）,对于弯扭组合：

13、,3）最大形变能理论（第四强度理论）,*此理论只适合于塑性材料（如钢材）,对于弯扭组合：,强度条件：,1.7 零件的接触疲劳强度,当两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时,最大应力可由Hertz公式求出：,“+”用于外接触，“-”用于内接触,强度取决于两材料中许用接触应力较小者,1.8 机械常用材料,机械中常用材料有铁碳合金、有色合金、非金属材料和各种复合材料。钢和铸铁都是铁碳合金，应用最广。,钢：,1.9 影响钢材力学性能的主要因素,（1）含碳量的影响 钢的含碳量愈高，材料强度和硬度亦愈高，但塑性显著降低，切削性、锻造性、焊接性、导电性和导热性等亦随之下降。 （2）合金元素的影响 常用的合金元

14、素有铬、锰、硅、镍、钼、钨、钛、钒、稀土元素等。通过合金化，既可提高和改善钢的综合力学性能，又可获得某些特殊的物理和化学性能。 （3）温度的影响 一般高温零件的强度和硬度均随温度升高而降低，塑性则增高。绝大多数钢在低温下强度有所增加，而塑性和冲击韧性则有所降低，低温下材料变脆的现象称为冷脆。 （4）热处理工艺的影响,热处理将工件加热到一定温度，进行必要的保温，然后以一定的方法冷却，以改善其组织结构，从而得到所需的综合机械性能的工艺方法；,热处理,退火将工件加热到临界温度以上，进行必要的保温，然后随炉冷却，这种工艺方法称为退火； 正火将工件加热到临界温度以上，进行必要的保温，如果在空气中冷却称之

15、为正火； 淬火将工件加热到临界温度以上，进行必要的保温，如果在水或油中冷却称之为淬火。 回火如果加热到临界温度以下，保温后空冷或油冷，称之为回火。 调质淬火后高温回火称为调质。 表面淬火如果将工件表面迅速加热到临界温度以上，不等热量传至工件中心就快速冷却的工艺方法称之为表面淬火。 化学热处理即将不同元素的活性原子渗入到工件表面的热处理方法，如渗碳、氮化和氰化等。,主要热处理工艺的目的和应用,1.10 材料的选用 原则：使用要求、工艺要求和经济要求。,1.11 机械零件的制造工艺性良好的工艺性：在一定的生产规模和生产条件下，花费劳动量最小、加工费用最少的零件。 1毛坯的制取（1）型材 圆钢、方钢、钢管、钢板等，均可直接作毛坯。,轧制,（2）铸造 将液态合金浇铸到具有与零件形状相适应的铸型的孔腔中，待其冷却凝固后，获得零件或毛坯的加工方法。,铸造,（3）压力加工 在外力的作用下，通过使金属在固态下发生塑性变形，而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的加工方法。,挤压,拉拔,轧制,锻造,锻造,冲压,（4）焊接 实质是通过加热或加压，或两者并用，并且用填充材料，使焊件达到原子结合的一种加工方法。,