機械設(shè)計概論

本書的重點研究內(nèi)容之一機器的組成：動力系統(tǒng)傳動系統(tǒng)→執(zhí)行系統(tǒng)→控制系統(tǒng)輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)

控制系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)

動力系統(tǒng)1、從功能上劃分第二章機械設(shè)計總論1第二章機械設(shè)計總論動力系統(tǒng)傳動系統(tǒng)→執(zhí)行系統(tǒng)→控制系統(tǒng)輔助系統(tǒng)2、從組成上劃分機械部分電氣部分液壓部分潤滑部分冷卻部分（機器的主體部分）機構(gòu)零件（制造的最小單元體）2第二章機械設(shè)計總論通用零件專用零件傳動件聯(lián)接件支承件其它—齒輪、蝸桿、帶、鏈—螺栓、鍵、花鍵—軸、軸承—聯(lián)軸器、彈簧、機架—水輪機葉片、活塞、曲軸本課程重點討論通用零件的設(shè)計。零件的分類：一臺機器，為何要分解成零件來制造，然后再來裝配？3第二章機械設(shè)計總論制造的可能裝配的可能便于降低成本采用不同材料4第二章機械設(shè)計總論設(shè)計機器的一般程序（一）計劃階段（二）方案設(shè)計階段（三）技術(shù)設(shè)計階段（四）技術(shù)文件編制階段機械設(shè)計是一個創(chuàng)造性的工作過程，同時也是一個基于成功實踐經(jīng)驗的工作。雖然沒有一個在任何情況下都有效的設(shè)計程序，但根據(jù)人們長期的經(jīng)驗，一臺機器的設(shè)計過程基本如下：（五）試制階段（六）投產(chǎn)銷售階段5第二章機械設(shè)計總論（一）計劃階段提出任務(wù)分析對機器的要求確定任務(wù)要求由分管產(chǎn)品研發(fā)的副總提出，這時對要設(shè)計的機器僅有一個模糊概念由市場部進行市場調(diào)查，以明確機器的功能、產(chǎn)品的市場定位以設(shè)計任務(wù)書的形式明確地寫出設(shè)計任務(wù)的全部要求及細(xì)節(jié)6第二章機械設(shè)計總論（二）方案設(shè)計階段方案設(shè)計，又稱概念設(shè)計，是機器設(shè)計最重要的環(huán)節(jié)之一。因為在本階段確定的方案，不僅決定了設(shè)計的成敗，也確定了機器的成本高低。這種成本，是無法通過詳細(xì)設(shè)計階段加以糾正的。潘存云教授研制洗衣機方案設(shè)計模擬人工手法模擬翻騰水流超聲波、臭氧方案設(shè)計階段流程7第二章機械設(shè)計總論提出可能的解決辦法組合幾種可能的方案選定最佳方案評價機器功能分析滿意明確必須達到的、盡量達到的及沒有必要的功能列出實現(xiàn)功能的若干方案切片上下往復(fù)切刀動作傳動類型原動機回轉(zhuǎn)運動帶傳動鏈傳動直流電機交流電機對各種方案進行組合技術(shù)經(jīng)濟環(huán)保方面綜合評價8第二章機械設(shè)計總論（三）技術(shù)設(shè)計階段運動學(xué)設(shè)計結(jié)構(gòu)化設(shè)計確定各構(gòu)件的運動參數(shù)動力學(xué)設(shè)計確定各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式確定各構(gòu)件的名義載荷零部件工作能力設(shè)計確定各構(gòu)件的基本尺寸裝配草圖設(shè)計基本尺寸→裝配草圖→零件外形及尺寸主要零部件工作能力精確校核不滿足零件工作圖繪制進一步確定各零件的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)（須考慮加工裝配工藝性等因素）裝配圖繪制最后檢驗零件圖中的尺寸、結(jié)構(gòu)錯誤（紙上虛擬裝配）9第二章機械設(shè)計總論（四）技術(shù)文件編制技術(shù)文件設(shè)計說明書使用說明書零件明細(xì)表標(biāo)準(zhǔn)件匯總表產(chǎn)品驗收條件

…………技術(shù)文件是用來說明產(chǎn)品性能、設(shè)計、制造、操作使用、維護、或其它所有與產(chǎn)品相關(guān)的文檔資料。10第二章機械設(shè)計總論（一）使用功能要求對機器的主要要求（二）經(jīng)濟性要求（三）勞動保護要求（四）可靠性要求（五）其它專用要求●正確地選擇機器的工作原理；●正確地選用能夠全面實現(xiàn)功能要求的執(zhí)行機構(gòu)、傳動機構(gòu)和原動機；●合理地配置必要的輔助系統(tǒng)●采用先進的設(shè)計方法；●采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化的零部件；●采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料；●合理地組織設(shè)計和制造過程；●改善零件的結(jié)構(gòu)工藝性，使其用料少、易加工、裝配?！褚箼C器的操作者方便和安全；●要把環(huán)境保護提高到一個重要位置?？煽慷取?/p>

在規(guī)定的時間和預(yù)定的環(huán)境下機器能夠正常工作的概率?！癫捎每煽啃栽O(shè)計●采用備用系統(tǒng)●加強維護與檢測例如：●對機床有長期保持精度的要求；●對飛機有質(zhì)量小，飛行阻力小而運載能力大的要求；●對流動使用的機器有便于安裝和拆卸的要求；●對大型機器有便于運輸?shù)囊螅?/p>

……機器部分結(jié)束11第二章機械設(shè)計總論機械零件由于某種原因不能正常工作稱為失效。——帶傳動的打滑、共振、螺紋的松弛

機械零件的主要失效形式整體斷裂——過載、疲勞過大的殘余變形——應(yīng)力超過屈服極限零件的表面破壞——腐蝕、磨損、點蝕破壞正常的工作條件而引起的失效零件的失效形式：斷裂占4.79%;腐蝕、磨損、疲勞破壞占73.88%。12第二章機械設(shè)計總論（一）避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求（二）工藝性要求（三）經(jīng)濟性要求（四）輕量化要求（五）可靠性要求機器由零部件組成。設(shè)計機械零件時應(yīng)滿足的基本要求要使機器滿足其基本要求，就必須使機械零件滿足以下要求：13第二章機械設(shè)計總論應(yīng)保證零件有足夠的強度、剛度、壽命。（一）避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求●采用高強度材料；●足夠的截面尺寸；●合理設(shè)計截面形狀；●采用熱處理、化學(xué)處理；●提高制造精度減少動載荷；●合理配置零件的相對位置。1、強度要求——

避免斷裂、殘余變形14第二章機械設(shè)計總論2、剛度要求：彈性變形小于允許值●增大零件的截面尺寸或增大慣性矩；

●縮短支承的跨距或采用多點支承。3、壽命要求：在規(guī)定的工作時間內(nèi)不發(fā)生失效影響壽命主要因素——影響因素疲勞腐蝕磨損●應(yīng)力集中●尺寸大小●表面質(zhì)量●環(huán)境狀況——耐磨性——防腐措施●表面發(fā)蘭●表面鍍層●表面涂漆●表面陽極化15第二章機械設(shè)計總論（二）結(jié)構(gòu)工藝性要求良好工藝性的特征1、毛坯選擇合理●型材●鑄件●鍛件●沖壓件●焊接件●生產(chǎn)批量●材料性能●加工可能性●大批量：選鑄、鍛、沖壓件●小批量：選棒料、板型材或焊件●便于加工●便于裝配●加工費用低措施●毛坯選擇合理●精度和表面粗糙度選擇合理●結(jié)構(gòu)簡單合理●用面向裝配的理念指導(dǎo)零件設(shè)計（便于加工、經(jīng)濟性好）16第二章機械設(shè)計總論三、經(jīng)濟性要求提高經(jīng)濟性的途徑●簡化零件結(jié)構(gòu)●采用無余量、少余量的毛坯●采用廉價而充足的材料●采用組合結(jié)構(gòu)●盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件17第二章機械設(shè)計總論四、質(zhì)量小的要求（略）

五、可靠性要求可靠度——在規(guī)定時間和預(yù)定環(huán)境下零件能正常工作的概率。零件失效是隨機的，通過實驗加概率統(tǒng)計方法研究可靠度；機器是零件的串聯(lián)系統(tǒng)，故機器可靠度小于零件可靠度。18第二章機械設(shè)計總論機械零件的設(shè)計準(zhǔn)則

強度準(zhǔn)則剛度準(zhǔn)則壽命準(zhǔn)則振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則可靠性準(zhǔn)則---確保零件不發(fā)生斷裂、過大的塑性變形。（最基本的準(zhǔn)則）---確保零件不發(fā)生過大的彈性變形。---通常與零件的疲勞、磨損、腐蝕相關(guān)。

---確保不發(fā)生共振。（高速機械須注重此準(zhǔn)則）---確保零件具有一定的可靠度。19選擇零件的材料第二章機械設(shè)計總論寫出計算說明書畫出零件工作圖計算零件上的載荷確定計算準(zhǔn)則確定零件的基本尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計機械零件設(shè)計的一般步驟校核計算20第二章機械設(shè)計總論黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼金屬材料（一）常用材料普通碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳碳鋼碳素合金鋼

……灰鑄鐵球墨鑄鐵

……機械零件的材料及選用原則鋁合金銅合金

……：金屬、非金屬特點：●良好的液態(tài)流動性，可鑄造成形狀復(fù)雜的零件;●較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）;●成本低廉。特點：●與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性;●可用熱處理方法改善其力學(xué)性能和加工性能。特點：●具有良好的塑性和液態(tài)流動性;●青銅合金還具有良好的減摩性和抗腐蝕性。高分子材料復(fù)合材料陶瓷非金屬——塑料、橡膠、合成纖維等——碳化硅、三氧化二鋁等——顆粒增強復(fù)合材料、纖維增強復(fù)合材料特點：能吸收沖擊能量●常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、傳動皮帶；●硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。

特點：●比重小，易于在模具中成型；●耐蝕、絕熱、絕緣；●減摩、摩擦系數(shù)大等。21第二章機械設(shè)計總論●載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì)●零件的工作情況

●零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及工藝性

●材料的經(jīng)濟性

●零件的尺寸及重量

（二）機械零件材料的選用原則

選材的一般原則

●靜載下：脆性材料●沖擊載荷：塑性材料：應(yīng)充分利用熱處理手段來發(fā)揮材料的潛力?！裨跐駸岘h(huán)境下，材料應(yīng)具有良好防腐蝕能力；●兩配合零件的線性膨脹系數(shù)不能相差過大，以免產(chǎn)生過大熱應(yīng)力或配合松動；●有磨損的表面，應(yīng)提高其表面硬度●選強重比大的材料，可減小零件的尺寸和質(zhì)量；●鑄造毛坯，一般不受尺寸大小的限制；●鍛造毛坯，須注意鍛壓設(shè)備的生產(chǎn)能力?！窠Y(jié)構(gòu)復(fù)雜性——

復(fù)雜：鑄件毛坯、沖壓加焊接；簡單：鍛件毛坯?！窆に囆浴?/p>

鑄造材料：液態(tài)流動性、收縮率等；焊接材料：可焊性、焊縫裂紋傾向等；熱處理：可淬性、淬火變形傾向等；冷加工：易切削性、切削后表面質(zhì)量等；●材料本身的相對價格;●材料的加工費用;●材料的利用率;●是否采用組合結(jié)構(gòu)●材料的供應(yīng)狀況

●當(dāng)?shù)夭牧瞎?yīng)是否充足；●小批量零件，減少材料品種。22許用應(yīng)力和安全系數(shù)許用應(yīng)力：設(shè)計零件時所依據(jù)的條件應(yīng)力對脆性材料：對塑性材料：23疲勞斷裂：初始裂紋—循環(huán)變應(yīng)力下裂紋擴展—臨界值時突然斷裂斷口區(qū)域分為：表面光滑的疲勞區(qū)和粗糙的脆性斷裂區(qū)24微孔聚合型斷口解理型斷口晶間斷裂晶內(nèi)斷裂25裂紋形成（萌生）階段裂紋擴展階段斷裂過程裂紋萌生：材料在外力作用下，形成微裂紋或以內(nèi)部缺陷作為裂紋源。裂紋擴展：微裂紋或裂紋源逐漸擴展至一臨界尺寸時，立即發(fā)生斷裂。前者段稱裂紋亞穩(wěn)擴展階段，后者稱裂紋失穩(wěn)擴展階段。26韌斷時，裂紋的亞穩(wěn)擴展階段較長，裂紋的擴展與塑性變形同時進行，故有明顯的塑性變形，斷裂慢。脆斷時，幾乎沒有亞穩(wěn)擴展階段，故無明顯塑性變形，斷裂快。27應(yīng)力的種類靜應(yīng)力變應(yīng)力脈動循環(huán)對稱循環(huán)一般循環(huán)σtσtσtσtσmaxσmin平均應(yīng)力應(yīng)力幅σaσm應(yīng)力比材料的疲勞特性r=-1r=0在變應(yīng)力作用下，材料發(fā)生疲勞破壞。材料的疲勞特性用σmax、r、N來描述。28（二）σ－N疲勞曲線該曲線為材料的疲勞特性曲線。σmaxN該曲線通過試驗獲得：施加對稱循環(huán)的等幅交變應(yīng)力。σtN=1N=1/4σmax該曲線反映了材料在某一應(yīng)力比r情況下，疲勞極限（以最大應(yīng)力表征）與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。29σmaxNA點：對應(yīng)N=1/4。加載到最大值時材料被拉斷，該最大應(yīng)力值為強度極限。