機械設計基礎知識課件

1、機械設計基礎知識 PPT(1)2022/7/28機械設計基礎知識PPT目錄1、機械設計的一般程序和基本要求2、機械零件的主要失效形式和設計準則3、機械零件的設計方法和設計的一般步驟5、機械零件設計中的標準化 4、機械零件材料的選用原則 機械設計基礎知識PPT1、機械設計的一般程序和基本要求1.1、機械設計的一般程序 一般而言，機器的設計階段是決定機器好壞的關鍵一環(huán)。機械設計是一個創(chuàng)造性的工作過程，實踐經(jīng)驗是保證設計質(zhì)量的重要因素。因此，要求設計者特別注意經(jīng)驗的積累。 計劃階段 方案設計階段 技術設計階段 技術文件編制階段1.1.1、計劃階段 包括：需求分析、明確功能、制定設計任務書。返回目錄機

2、械設計基礎知識PPT設計任務書機器的功能 經(jīng)濟性估計 制造要求的大致估計 基本使用要求 預計的設計周期 1.1.2、方案設計階段 對機器的功能進行綜合分析、確定功能參數(shù)、提出實現(xiàn)方案。 在制定功能參數(shù)時一定要注意恰當處理需要與可能、理想與現(xiàn)實、長遠目標與當前目標等之間的關系。 一般而言，實現(xiàn)同一個功能，有多種可能的方案。以螺紋制造為例：有車削、滾壓、板牙加工等方法。方法不同，其執(zhí)行部分的工作原理也不同,因此，存在一個方案的比較和取舍問題。1、機械設計的一般程序和基本要求機械設計基礎知識PPT方案評價原則：經(jīng)濟性、技術上可行。 總費用設計制造費用使用費用費用復雜程度經(jīng)濟性-總費用最低。 方案設計

3、階段要正確處理好借鑒與創(chuàng)新的關系。 同類機器的成功的先例應當借鑒，但其中的薄弱環(huán)節(jié)和不符合現(xiàn)有任務要求的部分應當加以改進或替換。一味求新而把合理的原有經(jīng)驗棄置不用保守和照搬原有設計堅決反對1.1.3、技術設計階段 繪制總裝配草圖、部件裝配草圖，由草圖確定零部件的外形、基本尺寸和零件工作圖。 1、機械設計的一般程序和基本要求機械設計基礎知識PPT為了確定零件的基本尺寸，必須完成以下工作：1）機器的運動學設計 確定原動機的參數(shù)（功率、轉速、線速度等）。求解構件的運動參數(shù)（轉速、速度、加速度等）。2）機器的動力學設計 計算構件所受公稱載荷（名義載荷）的大小和特性。3）零件的工作能力設計 由公稱載荷大

4、小和特性，根據(jù)工作能力準則作零部件的初步設計。通過計算或類比得出零件的基本尺寸。4）部件裝配草圖及總裝配草圖的設計-結構設計5）主要零件的校核計算 以結構設計尺寸為依據(jù)，對零件進行精確的受力分析和工作能力校核計算。1、機械設計的一般程序和基本要求機械設計基礎知識PPT1.1.4、技術文件編制 技術文件 設計說明書 使用說明書 零件明細表 標準件匯總表產(chǎn)品驗收條件. 技術文件-用來說明產(chǎn)品性能、設計、制造、操作使用、維護、或其它所有與產(chǎn)品相關的文檔資料。 1、機械設計的一般程序和基本要求機械設計基礎知識PPT提出任務分析對機器的要求確定任務要求機器功能分析提出可能的解決辦法組合幾種可能的方案決策

5、選定方案評估明確構形要求結構化選擇材料、確定尺寸評估決策確定結構形狀與尺寸零件設計部件設計總體設計編制技術文件流程：計劃方案設計技術設計NGNGNG1、機械設計的一般程序和基本要求機械設計基礎知識PPT使用功能要求經(jīng)濟性要求勞動保護要求可靠性要求其它專用要求使用功能要求-機器應具有預定的使用功能。這主要靠正確地選擇機器的工作原理，正確地設計或選用能夠全面實現(xiàn)功能要求的執(zhí)行機構、傳動機構和原動機，以及合理地配置必要的輔助系統(tǒng)來實現(xiàn)。-在滿足預期功能的前提下，要求性能好、效率高、成本低，造型美觀，在預定使用期限內(nèi)要安全可靠，操作方便、維修簡單。設計機器的任務是在當前技術發(fā)展所能達到的條件下，根據(jù)生

6、產(chǎn)及生活的需要提出的。不管機器的類型如何，一般來說，對機器都要提出以下的基本要求：1.2、機械設計的基本要求1、機械設計的一般程序和基本要求機械設計基礎知識PPT提高使用經(jīng)濟性指標的主要途徑有: 1）合理地提高機器的機械化和自動化水平，以期提高機器的生產(chǎn)率；2）選用高效率的傳動系統(tǒng)，盡可能減少傳動的中間環(huán)節(jié)，以期降低能源消耗；3）適當?shù)夭捎梅雷o及潤滑，以延長機器的使用壽命；4）采用可靠的密封，減少或消除滲漏現(xiàn)象。經(jīng)濟性要求-機器的經(jīng)濟性體現(xiàn)在設計、制造和使用的全過程中，設計機器時就要全面綜合地進行考慮。設計制造的經(jīng)濟性表現(xiàn)為機器的成本低，使用經(jīng)濟性表現(xiàn)為高生產(chǎn)率，高效率，低能耗，以及低的管理和

7、維護費用等。提高設計和制造經(jīng)濟性指標的主要途徑有: 1）采用先進的現(xiàn)代設計方法(CAD)，使設計參數(shù)最優(yōu)化,達到盡可能精確的計算結果,保證機器足夠的可靠性；2）最大限度地采用標準化、系列化及通用化的零、部件；3）盡可能采用新技術、新工藝、新結構和新材料；4）合理地組織設計和制造過程；5）力求改善零件的結構工藝性，使其用料少、易加工、易裝配。1、機械設計的一般程序和基本要求機械設計基礎知識PPT勞動保護要求1）要使機器的操作者方便和安全。因此設計時要按照人機工程學的觀點布置各種按鈕、手柄，使操作方式符合人們的 心理和習慣。同時，設置完善的安全裝置、報警裝置、顯示裝置等。2）改善操作者及機器的環(huán)境

8、。所設計的機器應符合勞動保護法規(guī)的要求。降低機器運轉時的噪聲水平，防止有毒、有害介質(zhì)的滲漏，對廢水、廢氣和廢液進行治理。可靠性要求機器的可靠度-指在規(guī)定的使用時間內(nèi)和預定的環(huán)境下機器能夠正常工作的概率。 機器由于某種故障而不能完成預定的功能稱為失效，它是隨機發(fā)生的，其原因是零件所受的載荷、環(huán)境溫度、零件本身物理和機械性能等因素是隨機變化的。為了提高零件的可靠性，就應當在工作條件和零件性能兩個方面使其變化盡可能小。1、機械設計的一般程序和基本要求機械設計基礎知識PPT其它專用要求其它專用要求-針對不同機器所特有的要求。例如：1)對機床有長期保持精度的要求；2)對飛機有質(zhì)量小，飛行阻力小而運載能力

9、大的要求；3)對流動使用的機器有便于安裝和拆卸的要求；4)對大型機器有便于運輸?shù)囊蟮鹊取?、機械設計的一般程序和基本要求機械設計基礎知識PPT2.1、機械零件的主要失效形式 機械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效。機械零件的主要失效形式有斷裂、塑性變形、過大的彈性變形、表面失效、破壞正常工作條件引起的失效等。同一種零件可能有多種失效形式，在各種失效形式中，到底哪一種為主要失效形式，應根據(jù)零件的材料、具體結構和工作條件等來確定。以軸為例，對于載荷穩(wěn)定的、一般用途的轉軸。疲勞斷裂是其主要失效形式；對于精密主軸，彈性變形量過大是其主要失效形式；而對于速轉動的軸，發(fā)生共振、喪失振動穩(wěn)定性則可能

10、是其主要失效形式。返回目錄2、機械零件的主要失效形式和計算準則機械設計基礎知識PPT2.2、機械設計的設計計算準則 設計機械零件時，保證零件不發(fā)生失效所依據(jù)的基本原則，稱為設計計算準則。概括地講主要有以下幾個準則：強度準則 剛度準則 耐熱性準則振動穩(wěn)定性準則壽命準則 可靠性準則2、機械零件的主要失效形式和計算準則機械設計基礎知識PPT2、機械零件的主要失效形式和計算準則2.2.1、強度準則 要求機械零件的工作應力不超過許用應力。其典型的計算公式是： （3-16） lim極限應力，對受靜應力的脆性材料取其強度極限，對受靜應力的塑性材料取其屈服極限，對受變應力的零取其疲勞極限。 S安全系數(shù)。 機械

11、設計基礎知識PPT2、機械零件的主要失效形式和計算準則2.2.2、剛度準則 機械零件在受載荷時要發(fā)生彈性變形，剛度是受外力作用的材料、機械零件或結構抵抗變形的能力。材料的剛度由使其產(chǎn)生單位變形所需的外力值來量度。機械零件的剛度取決于它的彈性模量E或切變模量G、幾何形狀和尺寸，以及外力的作用形式等。分析機械零件的剛度是機械設計中的一項重要工作。對于一些需要嚴格限制變形的零件（如機翼、機床主軸等），須通過剛度分析來控制變形。我們還需要通過控制零件的剛度以防止發(fā)生振動或失穩(wěn)。另外，如彈簧，須通過控制其剛度為某一合理值以確保其特定功能。剛度準則是要求零件受載荷后的彈性變形量不大于允許彈性變形量。機械設

12、計基礎知識PPT2、機械零件的主要失效形式和計算準則剛度準則的表達式為：yy （317） y是彈性變形量，如撓度、縱向伸長（縮短）：y為相應的許用彈性變形量。零件的彈性變形量可由理論計算或經(jīng)實驗得到，許用變形量則取決于零件的用途，根據(jù)理論分析或經(jīng)驗確定。 機械設計基礎知識PPT2、機械零件的主要失效形式和計算準則2.2.3、耐熱性準則 由于摩擦等原因，機械在運轉時，機械零件和潤滑劑的溫度一般會升高。過高的工作溫度將導致潤滑效果下降，同時，還會引起零件的熱變形、硬度和強度下降，甚至損壞。如在高溫時，金屬機械零件可能發(fā)生膠合、卡死；塑料等非金屬機械零件可能發(fā)生軟化，甚至熔化等，在某些場合還會引起熱

13、應力。耐熱性準則一般是控制機械零件的工作溫度不要超過許用值，以保證零部件正常工作，其表達式是 tt為了改善散熱性能、控制溫升，必要時可以采用水冷或氣冷等措施。機械設計基礎知識PPT3、機械零件的主要失效形式和計算準則2.2.4、振動穩(wěn)定性準則 當激勵的頻率等于物體固有頻率時，物體振幅最大，激勵的頻率與固有頻率相差越大，物體的振幅越小。激勵的頻率接近物體的固有頻率時，受迫振動的振幅會很大，這種現(xiàn)象叫做共振。振動穩(wěn)定性指機械零件在機器運轉時避免發(fā)生共振的品質(zhì)。 為了延長機器的壽命，為了避免軸和機器的損壞，應驗算軸的振動穩(wěn)定性，特別是高速機器的軸。振動穩(wěn)定性準則要求機械零件的固有頻率應與激勵的頻率錯

14、開，保證不發(fā)生共振。 設機器中受激勵作用的零部件的固有頻率為f，激勵力的頻率為fp，一般要求:fp 1.15 f機械設計基礎知識PPT2、機械零件的主要失效形式和計算準則 改變機械零件的剛度和質(zhì)量可以改變其固有頻率。增大機械零件的剛度和減小其質(zhì)量，提高其固有頻率；減小機械零件的剛度和增大其質(zhì)量則降低機械零件的固有頻率。有時，機器運轉時為了防止共振要調(diào)節(jié)轉速。 軸產(chǎn)生共振的主要原因是：由于材料內(nèi)部質(zhì)量不均勻，加之制造和安裝的誤差，使其質(zhì)心和它的旋轉中心產(chǎn)生偏差，軸旋轉時產(chǎn)生慣性力，這個慣性力使轉子作強迫振動。軸在引起共振時的速度稱為臨界速度。在臨界速度下，這個慣性力的頻率等于或幾倍于轉子的固有頻

15、率，因此發(fā)生共振。機械設計基礎知識PPT2、機械零件的主要失效形式和計算準則2.2.5、壽命準則 為了保證機器在一定壽命期限內(nèi)正常工作，在設計機械零件時必然要對機械零件的壽命提出要求。需要說明，在機器壽命期限內(nèi)，零件是可以更換的，也就是說某些機械零件的壽命可以比機器的壽命短。機械零件的壽命主要受材料的疲勞、磨損和腐蝕影響。 為了避免發(fā)生零件疲勞引起的失效，如疲勞斷裂，應根據(jù)機械零件壽命對應的疲勞極限計算疲勞強度。即根據(jù)壽命要求，結合零件轉速等具體情況，計算出應力循環(huán)次數(shù)為N時的疲勞極限，再代入強度條件式，計算疲勞強度。當滿足疲勞強度時，可以保證機械零件在破壞前的應力循環(huán)次數(shù)達到壽命要求。機械設

16、計基礎知識PPT2、機械零件的主要失效形式和計算準則 磨損一般是不可避免的。在一定條件下，腐蝕也是不可避免的，如橋梁結構件、地埋鋼質(zhì)管道的腐蝕等。在設計時，主要是保證機械零件在壽命內(nèi)，不要發(fā)生過度的磨損和腐蝕。磨損發(fā)生的機理尚為完全被人們掌握，影響磨損的因素也比較多，一般根據(jù)摩擦學設計原理來改善摩擦副的耐磨性。主要措施有：合理選擇摩擦副材料；合理選擇潤滑劑和添加劑；控制摩擦副的工作條件，如壓強、滑動速度和溫升。 到目前為止，還沒有實用、有效的腐蝕壽命計算方法，通常從材料選擇及防腐處理方面采取措施。如選用耐腐蝕的材料，采用表面鍍層、噴涂、磷化等處理。機械設計基礎知識PPT2、機械零件的主要失效形

17、式和計算準則2.2.6、可靠性準則 可靠性是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。產(chǎn)品的質(zhì)量一般應包含性能指標和可靠性指標。機械產(chǎn)品的性能指標是指產(chǎn)品具有的技術指標，如機械的功率、轉矩、工作力、工作速度等。如果只有性能指標，沒有可靠性指標，產(chǎn)品的性能指標也得不到保證。例如，一臺技術先進的飛機，如果可靠性不高，勢必經(jīng)常發(fā)生故障，影響正常飛行和增加維修費用，甚至可能造成嚴重的事故。產(chǎn)品的可靠性用可靠度R（t）來衡量?？煽慷鹊亩x是：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率?？煽慷仁菚r間的函數(shù)。有一批數(shù)量為n的相同產(chǎn)品，在t=0開始工作，隨著時間的延續(xù)，失效的件數(shù)no（t）

18、在加大，正常工作的件數(shù)ni（t）在減少，在任意時刻t產(chǎn)品可靠度為機械設計基礎知識PPT2、機械零件的主要失效形式和計算準則 若某產(chǎn)品工作至3000小時的可靠度R（t）=0.96，則表示有96%的產(chǎn)品可以正常工作到3000小時以上，對具體一件產(chǎn)品來講，其工作到3000小時的概率為96%。 失效率是指產(chǎn)品工作到t時刻，在下階段 的單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率，可以證明，其數(shù)學表達式為 分離變量，兩邊積分，得 機械設計基礎知識PPT2、機械零件的主要失效形式和計算準則機械設計基礎知識PPT2、機械零件的主要失效形式和計算準則 零部件的失效率和時間的關系一般如圖3-13所示?？梢杂迷囼灥姆椒ㄇ蟮檬是€

19、。失效率曲線反映產(chǎn)品總體壽命期失效率的情況。從失效曲線可以看出，失效大體可以分為三個階段。 機械設計基礎知識PPT2、機械零件的主要失效形式和計算準則 第階段為早期失效階段，曲線為遞減型。產(chǎn)品投入使用的早期，失效率較高而下降很快。其原因主要是設計、制造、貯存、運輸?shù)刃纬傻娜毕?，以及調(diào)試、跑合、起動不當?shù)热藶橐蛩厮斐傻?。當這些由于先天不良引起的失效發(fā)生后，設備運轉逐漸正常，則失效率就趨于穩(wěn)定。應該盡量設法避免零件的早期失效，降低失效率和早期失效階段的時間t0。 第階段為偶然失效階段，其失效率緩慢增長。失效主要由非預期的過載、誤操作、意外的天災等偶然因素所造成。由于失效原因多屬偶然，故稱為偶然失

20、效階段。降低偶然失效期的失效率則能提高有效壽命，所以應注意提高產(chǎn)品的質(zhì)量，精心使用維護。 第階段為損壞失效階段，其失效率是遞增型。在t1以后失效率明顯上升。這是由于產(chǎn)品已經(jīng)老化，疲勞、磨損、蠕變、腐蝕等所謂有耗損的原因所引起的，故稱為耗損失效期。針對這一階段失效的原因，應該注意檢查、監(jiān)控等，提前維修，使失效率仍不上升。機械設計基礎知識PPT2、機械零件的主要失效形式和計算準則2.2.7、精度準則 對于高精度的機械零件、機構或設備，要求其運動誤差小于許用值。例如在精密機械中，導軌的直線性誤差、主軸的徑向跳動誤差、齒輪傳動的轉角誤差等，必須要有一定的精度要求?？梢愿鶕?jù)機器和零件的功能要求，選用合適

21、的公差與配合，即進行精度設計，并能正確地標注到圖樣上。還可以按照零件圖給定的公差值，求出機構的誤差，與要求的機構精度比較。機械設計基礎知識PPT3、機械零件的設計方法和設計的一般步驟 3.1、機械零件的設計方法 目前常用的機械零件設計方法有四種。3.1.1、理論設計根據(jù)長期總結出來的設計理論和實驗數(shù)據(jù)所進行的設計，稱為理論設計。理論設計分為設計計算和校核計算兩種。設計計算指由理論設計計算公式確定零件的主要參數(shù)和尺寸；校核計算是先按經(jīng)驗和某些簡易的方法初步確定出零件的主要參數(shù)和尺寸，然后用理淪校核公式進行校核計算。設計計算多用于能通過簡單的力學模型進行設計的零件；校核計算則多用于結構及應力分布較

22、復雜，但又能進行強度計算或剛度計算的零件。返回目錄機械設計基礎知識PPT3、機械零件的設計方法和設計的一般步驟 3.1.2、經(jīng)驗設計根據(jù)對某類零件已有的設計與使用實踐而歸納出的經(jīng)驗公式和數(shù)據(jù)，或用類比的方法所進行的設計，稱為經(jīng)驗設計。經(jīng)驗設計對那些使用要求變動不大而結構形狀已典型化的零件 (如箱體、機架等)，是很有效的設計方法。 機械設計基礎知識PPT3、機械零件的設計方法和設計的一般步驟 3.1.3、模型實驗設計對于一些尺寸很大、結構復雜、工況條件特殊而又難以進行理論計算的重要零部件 ( 如一些重型整體機械零件 ) ，為了提高設計的可靠性，可采用模型實驗設計的方法。即把初步設計的零部件或機器

23、根據(jù)相似理論做成小模型或小尺寸樣機，經(jīng)過實驗考核其性能，取得必要的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)實驗結果對設計進行逐步的修改，使其達到完善。這樣的過程稱為模型實驗設計。機械設計基礎知識PPT3、機械零件的設計方法和設計的一般步驟 3.1.4、計算機輔助設計(CAD)利用電子計算機及配套設備和相應的設計計算程序，輔助設計人員進行工程和零、部件設計的過程，稱為計算機輔助設計(簡稱 CAD)。利用計算機輔助機械設計，可以使那些從前難以想象的龐大的設計工作量，在很短的時間內(nèi)完成，并能取得相當高的計算精度 。機械設計基礎知識PPT3、機械零件的設計方法和設計的一般步驟 3.2、機械零件的設計，一般要經(jīng)過以下幾個步驟 :

24、 根據(jù)零件的使用要求，選擇零件的類型和結構。為此，必須對各種零件的不同類型、優(yōu)缺點、特性與使用范圍等，有綜合對比及正確選用的能力。根據(jù)機器的總體設計方案，針對零件的工作情況進行載荷分析，確定零件的計算載荷。根據(jù)零件的工作條件和零件的特殊要求，選擇合適的材料。分析零件可能出現(xiàn)的失效形式，確定零件的設計計算準則。機械設計基礎知識PPT3、機械零件的設計方法和設計的一般步驟 根據(jù)設計計算準則，確定出零件的主要參數(shù)和尺寸，并進行標準化或圓整。根據(jù)結構上和工藝上的要求，進行零件的結構設計；在細節(jié)設計完成后，必要時還需進行詳細的校核計算，以判定結構的合理性，并在作必要地修改后繪制零件工作圖。 編寫設計計算

25、說明書。機械設計基礎知識PPT4、機械零件材料的選用原則 機械零件常用的材料有：鋼、鑄鐵、有色金屬、非金屬材料等。材料的選擇及熱處理方法是機械設計中的一個重要問題，也是一個受多方面因素制約的問題。在以后各有關章節(jié)中，將分別介紹根據(jù)經(jīng)驗而推薦的適用材料。以下僅介紹選擇材料的一般原則，做為選擇材料的依據(jù)：（1）零件所受載荷及應力的大小和性質(zhì) 通常，受載大的零件應選用機械強度高的材料；在靜應力作用下工作的零件可選用脆性材料；在沖擊、振動及變載荷作用下工作的零件應選用塑性材料。返回目錄機械設計基礎知識PPT4、機械零件材料的選用原則 (2) 零件的工作情況 零件的工作情況是指零件所處的環(huán)境特點、工作溫

26、度和摩擦、磨損的程度等。通常，在濕熱環(huán)境下工作的零件應選用防銹和耐腐蝕能力強的材料，如不銹鋼、銅合金、鋁合金等；當工作溫度變化很大時，則既要考慮互相配合的兩零件材料的線膨脹系數(shù)相差不能過大，又要考慮材料的機械性能隨溫度而變化的情況；當零件在工作中可能發(fā)生摩擦、摩損時，應選用適于進行表面硬化處理的材料和減摩耐磨材料。機械設計基礎知識PPT4、機械零件材料的選用原則 (3) 零件的尺寸和質(zhì)量零件尺寸和質(zhì)量的大小與零件材料的品種及毛坯制取方法有關。當用鑄造材料制造毛坯時，一般可不受零件尺寸和質(zhì)量大小的影響；而用鍛造材料制造毛坯時，則需考慮鍛造機械設備的生產(chǎn)能力，故一般用于零件尺寸和質(zhì)量不大的情況；此外，為了減小零件的尺寸和質(zhì)量，應盡可能選用強度高而密度小的材料。機械設計基礎知識PPT4、機械零件材料的選用