第1章机械设计总论.ppt

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1、第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.1 设计机器的一般程序1.2 对机器的主要要求1.3 机械零件的主要失效形式1.4 设计机械零件时应满足的基本要求1.5 机械零件的设计准则1.6 机械零件的设计方法1.7 机械零件设计的一般步骤1.8 机械零件材料的选用原则1.9 机械零件设计中的标准化第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.1 设计机器的一般程序设计机器的一般程序产品规划方案设计技术设计施工设计n机械产品的设计过程机械产品的设计过程n 需求分析、市场预测、可行性分析、确定总体参数、制定约束条件和设计要求。作为设计、评价和决策的纲领性文件

2、和依据；n市场/竞争对手调研报告n专利调查报告n可行性评估报告n产品规划书第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.1 设计机器的一般程序设计机器的一般程序产品规划方案设计技术设计施工设计n机械产品的设计过程n 又称为概念设计。对产品的功能原理进行设计。是整个产品设计的关键；n 需求分析、市场预测、可行性分析、确定总体参数、制定约束条件和设计要求。作为设计、评价和决策的纲领性文件和依据；n产品方案设计报告n产品设计草图第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.1 设计机器的一般程序设计机器的一般程序产品规划方案设计技术设计施工设计n机械产品的设计过程n功能原理设计n针对产品的主要功能提出一

3、些原理性的构思。n例如：设计一种点钞机例如：设计一种点钞机n构思将钞票逐张分离的工作原理推括摩擦离心力重力第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.1 设计机器的一般程序设计机器的一般程序产品规划方案设计技术设计施工设计n机械产品的设计过程n 又称为概念设计。对产品的功能原理进行设计。是整个产品设计的关键；n 需求分析、市场预测、可行性分析、确定总体参数、制定约束条件和设计要求。作为设计、评价和决策的纲领性文件和依据；n 将产品的功能原理具体化为机器产品及其零部件的具体结构，它又可进一步细分为总体设计、结构设计、商品化设计、模型试验等过程；n理论分析及设计计算资料n产品装配图第第1 1章章

4、机械设计总论机械设计总论1.1 设计机器的一般程序设计机器的一般程序产品规划方案设计技术设计施工设计n机械产品的设计过程n例题：硬币计数包卷机例题：硬币计数包卷机第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.1 设计机器的一般程序设计机器的一般程序产品规划方案设计技术设计施工设计n机械产品的设计过程n 又称为概念设计。对产品的功能原理进行设计。是整个产品设计的关键；n 需求分析、市场预测、可行性分析、确定总体参数、制定约束条件和设计要求。作为设计、评价和决策的纲领性文件和依据；n 将产品的功能原理具体化为机器产品及其零部件的具体结构，它又可进一步细分为总体设计、结构设计、商品化设计、模型试验等过

5、程；n 主要指零件、部件工程图绘制，工艺文件的编写，设计说明书和使用说明书的编写等工作；第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.2 对机器的主要要求对机器的主要要求使用功能要求经济性要求劳动保护和环境保护要求寿命与可靠性要求n对机器的主要要求其它专用要求第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.2 对机器的主要要求对机器的主要要求使用功能要求经济性要求劳动保护和环境保护要求寿命与可靠性要求n对机器的主要要求其它专用要求提高使用使用经济指标的主要途径：1)合理提高机械化、自动化水平，提高机器的生产效率。2)选用高效传动系统，减少中间环节，降低能源消耗。3)适当采用防护和润滑，延长机器的使用

6、寿命。4)采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象。提高设计和制造设计和制造经济指标的主要途径：1)采用现代设计方法，优化设计，保证可靠性。2)提高“标准化、系列化、通用化”的程度。3)采用新技术、新工艺、新结构、新材料。4)合理组织设计和制造过程。5)改善零件结构工艺性，使其用料少、易加工、易装配。第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.2 对机器的主要要求对机器的主要要求使用功能要求经济性要求劳动保护和环境保护要求寿命与可靠性要求n对机器的主要要求其它专用要求劳动保护有两层含义：1)使机器的操作者方便和安全。2)改善操作者及机器的环境。第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.2 对机器的

7、主要要求对机器的主要要求使用功能要求经济性要求劳动保护和环境保护要求寿命与可靠性要求n对机器的主要要求其它专用要求机器可靠度机器可靠度R：在规定的使用时间(寿命)内和预定的环境条件下，机器能够正常工作的概率。机器失效的概率F为：F=1-R机器出厂时已经存在的可靠性叫做机器的固有可靠性。考虑到用户的人为因素，已出厂的机器正确地完成预定功能的概率，叫做机器的使用可靠性。第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.3 机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式n机械零件的主要失效形式整体断裂过大的残余变形零件的表面破坏破坏正常工作条件引起的失效齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂(1)某一危险截面的应力超过零

8、件的强度极限(2)在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.3 机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式n机械零件的主要失效形式整体断裂过大的残余变形零件的表面破坏破坏正常工作条件引起的失效(1)某一危险截面的应力超过零件的强度极限(2)在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.3 机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式n机械零件的主要失效形式整体断裂过大的残余变形零件的表面破坏破坏正常工作条件引起的失效(1)某一危险截面的应力超过零件的强度极限(2)在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。第第1 1

9、章章 机械设计总论机械设计总论1.3 机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式n机械零件的主要失效形式整体断裂过大的残余变形零件的表面破坏破坏正常工作条件引起的失效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第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.3 机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式n机械零件的主要失效形式整体断裂过大的残余变形零件的表面破坏破坏正常工作条件引起的失效(1)腐蚀：金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象。(2)磨损：两个接触表面在作相对运动的过程中表面物质丧失或转移的现象。(3)接触疲劳：受到接触变应力长期作用的表

10、面产生裂纹或微粒剥落的现象。轴瓦磨损齿面接触疲劳第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.3 机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式n机械零件的主要失效形式整体断裂过大的残余变形零件的表面破坏破坏正常工作条件引起的失效破坏正常工作条件引起的失效：打滑、胶合、共振第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.3 机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式n机械零件的主要失效形式整体断裂过大的残余变形零件的表面破坏破坏正常工作条件引起的失效机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起！第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.4 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

11、基本要求n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应保证零件有足够的强度、刚度和寿命。提高零件强度的措施有：采用高强度的材料；使零件具有足够的截面尺寸；合理设计零件的截面形状；提高零件的制造精度，以减少工作时的动载荷；合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷。1.强度要求 第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.4 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n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应保证零件有足够的强度、刚度和寿命。2.刚度要求

12、 提高零件刚度的措施有：增大零件的截面尺寸或增大惯性矩；缩短支承的跨距或采用多点支承。第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.4 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n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应保证零件有足够的强度、刚度和寿命。3.寿命要求 影响零件寿命的主要因素有：影响疲劳强度的因素有：疲劳破坏腐蚀磨损应力集中；零件的尺寸大小；零件表面质量及环境状况。第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.4 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n设计机械零件时应满足的基本

13、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应保证零件有足够的强度、刚度和寿命。3.寿命要求 影响零件寿命的主要因素有：疲劳破坏腐蚀磨损抗腐蚀的措施有：表面发兰（发黑）；表面镀层；表面涂漆；表面阳极化。第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.4 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n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设计的结构应便于加工和装配。热套金属环，要留有槽第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.4 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

14、本要求n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零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。采用组合部件第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.4 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n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质量小则可节约材料；质量小则灵活、轻便。铸造薄板冲压第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.4 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n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

15、构工艺性要求经济性要求质量小的要求可靠性要求应降低零件发生故障的可能性（概率）。锅炉爆炸第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.5 机械零件的设计准则机械零件的设计准则n机械零件的设计准则强度准则刚度准则寿命准则振动稳定性准则可靠性准则确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形。零件中的应力不得超过许用值。即：limlim-材料的极限应力脆性材料：lim=B(强度极限)塑性材料：lim=S(屈服极限)为了安全起见，引入安全系数S，得：lim/S或 -许用应力第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.5 机械零件的设计准则机械零件的设计准则n机械零件的设计准则强度准则刚度准则寿命准则振动稳定性

16、准则可靠性准则确保零件不发生过大的弹性变形。零件在力作用下的弹性变形量不得超过许用值。即：y y 第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.5 机械零件的设计准则机械零件的设计准则n机械零件的设计准则强度准则刚度准则寿命准则振动稳定性准则可靠性准则通常与零件的疲劳*、磨损、腐蚀相关。第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.5 机械零件的设计准则机械零件的设计准则n机械零件的设计准则强度准则刚度准则寿命准则振动稳定性准则可靠性准则高速运转机械的设计应注重此项准则。保证机器中受激振零件的固有频率与激振源的频率错开。即：0.85 f fp 或 1.15 f fp第第1 1章章 机械设计总论机械

17、设计总论1.5 机械零件的设计准则机械零件的设计准则n机械零件的设计准则强度准则刚度准则寿命准则振动稳定性准则可靠性准则可靠度的定义：对件数为 N0 的一批零件进行试验，经过时间 t 之后有 N 件仍能正常工作，则该零件在该试验环境条件下工作时间t的可靠度定义为：R=N/N0可靠度R是时间的函数。t N R 根据许用可靠度R，计算预期寿命。第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.6 机械零件的设计方法机械零件的设计方法n机械零件的设计方法理论设计经验设计模型实验设计根据零件工作能力准则，确定零件的主要尺寸。a）设计计算：直接求出危险截面尺寸A。b）校核计算：其他方法初步设计 验算。第第1

18、1章章 机械设计总论机械设计总论1.6 机械零件的设计方法机械零件的设计方法n机械零件的设计方法理论设计经验设计模型实验设计根据经验关系式，用类比的方法所进行的设计。如：箱体、传动件各个结构要素等。第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.6 机械零件的设计方法机械零件的设计方法n机械零件的设计方法理论设计经验设计模型实验设计把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺寸样机进行实验。如：飞机、桥梁的风洞实验。第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.7 机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤n机械零件设计的一般步骤选择零件类型、结构 计算零件上的载荷失效形式-计算准则选择零件的材料确

19、定零件的基本尺寸结 构 设 计校 核 计 算画出零件工作图写出计算说明书第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.8 机械零件材料的选用原则机械零件材料的选用原则pn一、常用材料：铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1).黑色金属有色金属铁钢高分子材料复合材料陶瓷材料金属材料非金属材料：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、质量轻第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论常用钢铁材料的牌号及力学性能材 料 力 学 性 能 试件尺寸类 别 牌

20、号 强度极限B 屈服极限S 延伸率%mmQ215 335-410 215 31 碳素结构钢Q235 375-460 235 26 d 16 Q275 490-610 275 20 20 410 245 25 优质碳素 结构钢 35 530 315 20 d 25 45 600 355 16 35 SiMn 883 735 15 d 25 合金结构钢 40Cr 981 785 9 d 25 20CrMnTi 1079 834 10 d 15 60Mn 981 785 8 d 80 ZG270-500 500 270 18 铸 钢ZG310-570 570 310 15 d100 ZG42SiMn

21、 600 380 12 HT150 145 -灰铸铁HT200 195 -HT250 240 -壁厚壁厚1020QT400-15 400 250 15 球墨铸铁QT500-7 500 320 7 QT600-3 600 370 3 壁厚30200第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.8 机械零件材料的选用原则机械零件材料的选用原则n二、选用原则l载荷及应力的大小和性质l零件的工作情况l零件的结构及材料加工性l材料的经济性及供应状况l零件的尺寸及重量脆性材料-制造承受静载荷的零件；塑性材料-制造承受冲击载荷的零件。可以通过热处理提高和改善金属材料的性能。零件的工作情况是指零件所处的环境特点

22、、工作温度、摩擦磨损的程度等。选择适于进行表面处理的淬火钢、渗碳钢、氮化钢等品种。与材料的品种及毛坯制取方法有关。结构复杂的零件宜选用铸造毛坯，或用板材冲压出元件后再经焊接而成。结构简单的零件可用锻造法制取毛坯。了解铸造材料、锻造材料、焊接材料、材料的热处理、冷加工等的工艺性。材料本身的相对价格、加工费用、利用率。采用组合结构，节约稀有材料。（减少材料品种和规格)第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.9 机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化n机械零件设计中的标准化零件标准化的含义 零件标准化的益处与设计有关的标准对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共

23、同遵守的标准。第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.9 机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化n机械零件设计中的标准化零件标准化的含义 零件标准化的益处与设计有关的标准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，降低生产成本。第第1 1章章 机械设计总论机械设计总论1.9 机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化n机械零件设计中的标准化零件标准化的含义 零件标准化的益处与设计有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。