機械設(shè)計基礎(chǔ)緒論1章設(shè)計概論

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機械設(shè)計MechanicalDesigning聊城大學汽車與交通工程學院張翠華 機械設(shè)計課程編號：509020(汽服)409128(車輛)適用專業(yè)：機制、汽服、車輛課程性質(zhì)：專業(yè)必修課學時數(shù)：48(講授40，實驗8)學分數(shù)：3 第0章緒論重點與難點掌握本課程的研究對象、性質(zhì)及學習方法。教學基本要求本課程的研究對象及學習方法 第0章緒論0.1機器的組成與本課程的研究對象0.1.1機器的組成 醫(yī)療機械圖NJP900型全自動硬膠囊填充機ACM803呼吸機ACM603麻醉機 1）電動機2）內(nèi)燃機3）風力機動力機械圖 具有較大活動范圍、以搬運為主要目的的機械，統(tǒng)稱為交通運輸機械。1）汽車2）飛機3）輪船4）海陸空“飛行船” 各類加工機床圖電火花數(shù)控線切割機床CJL06系列儀表車床 農(nóng)業(yè)機械圖 林業(yè)機械圖MQ-G1300C貼面機定向結(jié)構(gòu)板生產(chǎn)線成套設(shè)備(部分) 礦山機械圖輪式裝載機粉碎機雷蒙磨雙轉(zhuǎn)子反擊破碎機 冶金機械圖步進式高速冷床冷軋機組及酸洗、卷取、分條機組設(shè)備 化工機械圖發(fā)酵罐電加熱反應(yīng)鍋WZI型外加熱式真空蒸發(fā)器ZJG型內(nèi)加熱攪拌真空干燥機板框壓濾機振動篩 工程機械圖 紡織機械圖紡織機紡織機箭桿織機 印刷機械圖羅蘭百花(PAPVA)對開機海德堡（M-OFFSET）四開機 包裝機械圖TM1400型半自動貼面機 GR-300型家禽骨肉分離機食品機械圖Unp-803電動刨冰機易拉罐封裝口生產(chǎn)線 鉆探開采機械圖ZQ80y型鉆桿鉗950-H旋轉(zhuǎn)器抽油機 工業(yè)機器人工業(yè)機器人的定義：其操作機是自動控制的，可重復(fù)編程、多用途，并可對三個或三個以上的軸進行編程。它可以是固定式或移動式。工業(yè)機器人包括操作機和控制系統(tǒng)（硬件和軟件）。所謂操作機是一種機器，其機構(gòu)通常是由一系列相互鉸接或相對滑動的構(gòu)件所組成。它通常有幾個自由度，用以抓取或移動物體。機器人焊接機器人去毛刺 認識機器3工業(yè)機器人數(shù)控加工中的工業(yè)機器人注：左鍵單擊圖片可演示視頻 工業(yè)機器人示教板用于輸入控制命令或控制程序控制系統(tǒng)用于控制操作機各關(guān)節(jié)內(nèi)伺服電機的運動工業(yè)機器人的組成操作機在控制系統(tǒng)的控制下，實現(xiàn)各種復(fù)雜運動。每個關(guān)節(jié)內(nèi)有電動機和減速器 機器組成(1)原動機(2)傳動裝置(3)執(zhí)行機構(gòu)(4)控制系統(tǒng)原動機部分傳動部分執(zhí)行部分潤滑、顯示、照明等輔助系統(tǒng)控　制　系　統(tǒng)傳感器傳感器傳感器 轎車組成：常用機器實例 帶式運輸機 原動機:是機械設(shè)備完成其工作任務(wù)的動力來源。括電動機、內(nèi)燃機、液壓馬達、氣動機等。 是按執(zhí)行機構(gòu)作業(yè)的特定要求，把原動機的運動和動力傳遞給執(zhí)行機構(gòu)。如減速器、變速裝置。傳動裝置：電機帶傳動減速器FVD聯(lián)軸器卷筒運輸帶 執(zhí)行機構(gòu)：是機器中最接近作業(yè)端的機構(gòu)，直接與被作業(yè)件相接觸，以完成作業(yè)任務(wù)。 機構(gòu)?具有確定相對運動的組合體，是機器的主要組成部分。（傳遞運動和力或改變運動形式）電動機齒輪機構(gòu)連桿機構(gòu)螺旋機構(gòu)機器?根據(jù)某種使用要求而設(shè)計的一種執(zhí)行機械運動的裝置，用來變換或傳遞能量、物料和信息 連桿機構(gòu)凸輪機構(gòu)齒輪機構(gòu)間歇機構(gòu) 剛性地連接在一起的零件共同組成一個獨立的運動單元體稱為構(gòu)件連桿是內(nèi)燃機中的一個構(gòu)件，它由連桿體1、連桿蓋2、軸瓦3、4和5以及螺栓6、螺母7、開口銷8等零件構(gòu)成。構(gòu)件（運動的整體）零件（制造的單元）65438712910汽缸體1、活塞2、進氣閥3、排氣閥4、連桿5、曲軸6、凸輪7、頂桿8、齒輪9、10 部件：機械的一部分，由若干裝配在一起的零件所組成。在機械裝配過程中，這些零件先被裝配成部件(部件裝配)，然后才進入總裝配。某些部件(稱為分部件)在進入總裝配之前還先與另外的部件和零件裝配成更大的部件。 機械零件六角頭螺栓六角螺母轉(zhuǎn)軸孔板式帶輪實心式齒輪 齒輪實物 實物 螺紋連接件實物 通用零部件圓螺母六角頭螺母圓螺母用止動墊圈圓柱螺旋拉伸彈簧深溝球軸承彈性套柱銷聯(lián)軸器 專用零部件曲軸 機械部件滾動軸承部件對開式滑動軸承滑動軸承部件 機械零件――組成機器的不可拆的基本單元（即制造的基本單元）是機器的基本組成要素。分為：通用零件：各種機器中常用的。(是本課程的主要學習對象）例如：齒輪、鏈傳動、帶傳動、軸、聯(lián)軸器軸承、螺栓、鍵、彈簧等。專用零件：只在某些特定的機器中才用到的。（在有關(guān)專業(yè)課中學習）例如：葉片、曲軸等。部件――為完成同一使命在結(jié)構(gòu)上組合在一起并協(xié)同工作的零件。例如：滾動軸承、減速器等。機械零件－－常用泛指零件和部件。機械機構(gòu)：由機械零件組成，構(gòu)件間運動規(guī)律機器：轉(zhuǎn)換機械能，或用機械能作功。 研究內(nèi)容：從承載能力出發(fā)，考慮結(jié)構(gòu)、工藝、維護等方面來解決通用零件的設(shè)計問題。包括如何確定零件尺寸、如何選擇材料、精度、表面質(zhì)量及繪制零件圖等。研究對象：一般參數(shù)的通用零部件的設(shè)計理論和設(shè)計方法。0.1.2本課程的研究對象及研究內(nèi)容 0.1.3本課程的性質(zhì)和任務(wù)技術(shù)基礎(chǔ)課任務(wù)2)掌握通用零部件的設(shè)計方法和一般規(guī)律3)掌握一定的設(shè)計技能4)了解機械設(shè)計的最新動態(tài)1)培養(yǎng)正確的設(shè)計思想 三性：設(shè)計性、綜合性和實踐性四多：公式多、圖表多、關(guān)系多、系數(shù)多0.1.4學習本課程應(yīng)注意的問題特點 學習本課程應(yīng)注意的問題１）理論聯(lián)系實際２）抓住本課程的體系３）綜合運用先修課程的知識解決機械設(shè)計問題４）要理解系數(shù)引入的意義５）培養(yǎng)解決工程實際問題的能力 第0章緒論1第1章機械設(shè)計總論1第2章帶傳動4第3章鏈傳動3第4章齒輪傳動7第5章蝸桿傳動3課程安排： 第6章軸和軸轂連接4第7章滾動軸承4第8章滑動軸承5第9章聯(lián)軸器和離合器2第10章連接6 考試成績計算：考試成績=試卷成績×80%+平時成績×10%+實驗成績×10%平時成績包括平時作業(yè)，曠課情況以及上課表現(xiàn)。 1．了解機械設(shè)計的一般步驟和方法；2．掌握機械零件常見失效形式和計算準則。機械零件的失效形式和計算準則。教學基本要求：重點與難點：第1章機械設(shè)計總論 第1章機械設(shè)計總論設(shè)計具有一定使用功能的機械技術(shù)系統(tǒng)。1.1機械設(shè)計概述一、機械設(shè)計的任務(wù)1.1.1機械設(shè)計的任務(wù)及設(shè)計步驟 1）實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換3）實現(xiàn)物料轉(zhuǎn)換2）實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換 二、機械設(shè)計的基本要求１）使用要求：２)經(jīng)濟性要求（設(shè)計制造經(jīng)濟性和使用經(jīng)濟性）３）安全性要求４）其他要求：環(huán)保要求　外觀要求　體積重量要求三方面：生產(chǎn)成本低、使用消耗小、維護費用低。措施：1）設(shè)計中采用“三化”零部件；標準化、系列化、通用化2）應(yīng)用成熟的新技術(shù)、新材料。3）選用高效率設(shè)備，減少動力、燃料消耗。 三、機械設(shè)計的一般步驟機械設(shè)計是一個創(chuàng)新與借鑒相結(jié)合的過程，一般程序如下：設(shè)計任務(wù)調(diào)研——→總體設(shè)計——→技術(shù)設(shè)計——→試制——→投產(chǎn)試驗修改 1.1.2機械設(shè)計中創(chuàng)新及優(yōu)化1）無新技術(shù)，但形式上有翻新2）含有重要的新技術(shù)一、創(chuàng)新3）具有完全創(chuàng)新的功能 二、優(yōu)化1）基于經(jīng)驗的優(yōu)化設(shè)計2）基于計算機的枚舉尋優(yōu)3）數(shù)學規(guī)劃尋優(yōu)4）人工智能尋優(yōu) 1.1.4機械設(shè)計的最新進展設(shè)計理論的不斷完善與發(fā)展,設(shè)計手段和方法的不斷更新。機械設(shè)計的綜合程度越來越高機械設(shè)計的實驗研究技術(shù)有了很大的發(fā)展和提高,實驗與理論相互結(jié)合、相互促進。1.1.3機械設(shè)計中的標準化 1.2機械零件設(shè)計概述一、要求1.2.1機械零件應(yīng)滿足的要求及設(shè)計步驟1)避免在預(yù)期壽命內(nèi)失效的要求（強度、剛度、壽命）；2)結(jié)構(gòu)工藝性要求（便于加工、裝配）；3)經(jīng)濟性要求（材料、加工方法、精度等級）；4)質(zhì)量小的要求（節(jié)約材料、↓慣性力）；5)可靠性要求； 二、設(shè)計方法2）根據(jù)機器的工作要求，計算作用在零件上的載荷。名義載荷（F、P、T）：力學公式計算出的載荷。但：由于載荷作用的不平穩(wěn)性、分布的不均勻性等因素，實際載荷大于名義載荷?！d荷系數(shù)K∴計算載荷(Fc、Pc、Tc)=載荷系數(shù)×名義載荷3）選擇適當?shù)牟牧稀?）根據(jù)零件工作能力準則，確定零件的主要尺寸，并元整和標準化。a.理論設(shè)計5）畫零件圖，編寫設(shè)計說明書。1）根據(jù)使用要求，選擇零件的類型和結(jié)構(gòu)。 b.經(jīng)驗設(shè)計根據(jù)經(jīng)驗關(guān)系式，用類比的方法所進行的設(shè)計。如：箱體、傳動件個各結(jié)構(gòu)要素等c.模型實驗設(shè)計把初步設(shè)計的零、部件或機器作成小模型或小尺寸樣機進行實驗。如：飛機、橋梁的風洞實驗。 1.2.2機械零件的失效形式及設(shè)計準則一、失效形式1）失效：機械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效。a)失效并不單純指破壞，破壞只是失效的形式之一。機械零件的可能失效形式很多，歸納起來主要有強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性以及溫度等方面的失效。b)同一種零件可能的失效形式往往有若干種。例如：軸在工作中可能產(chǎn)生斷裂、過大彈性變形、共振等失效。注意： 失效分析振動失效高速運轉(zhuǎn)的零件，當其轉(zhuǎn)速等于或接近零件的自振頻率時，會發(fā)生共振，使振幅急劇增大，導(dǎo)致零件及系統(tǒng)在短時期破壞。零件失效磨損表面壓潰過量塑性變形表面失效過量彈性變形打滑振動失效斷裂膠合疲勞點蝕 失效形式（Failuretypes）①整體斷裂過載斷裂疲勞斷裂②表面破壞磨損冷膠合熱膠合點蝕塑性變形過大彈變⑤功能失效③變形過大膠合④過大振動⑥綜合失效 二、設(shè)計準則1）工作能力：即機械零件在一定條件下抵抗失效的能力。2）承載能力：對載荷而言的工作能力。（也就是用載荷表示的工作能力）3）工作能力計算準則：為防止機械零件發(fā)生某種失效而應(yīng)滿足的條件。（也可以理解為是機械零件不發(fā)生失效的“安全條件”，是設(shè)計零件時的理論依據(jù)）。為了防止機械零件在工作中失效，設(shè)計時，需要以零件的工作能力計算準則為依據(jù)進行必要的計算，常用的計算方法（過程）有兩種：4）設(shè)計計算：先分析零件的可能失效形式，根據(jù)該失效形式的計算準則通過計算確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸。5）校核計算：先確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸，然后再驗算零件是否滿足計算準則。如不滿足，則應(yīng)修改零件的尺寸。a.幾個名詞 6)載荷由于運動中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等引起的載荷稱為動載荷。靜載荷變載荷按是否隨時間變化，載荷分為：按是否考慮動載荷的影響，載荷分為：名義載荷：在理想平穩(wěn)條件下所受的載荷。（不考慮動載荷的影響）計算載荷＝載荷系數(shù)K×名義載荷。（代表機器或零件實際所受載荷）載荷系數(shù)K：用于計入在實際工作中受到的各種動載荷的影響。額定載荷：由原動機的額定功率推算出的載荷。 7)應(yīng)力應(yīng)力分為靜應(yīng)力：循環(huán)應(yīng)力：smax─最大應(yīng)力；smin─最小應(yīng)力sm─平均應(yīng)力；sa─應(yīng)力幅值r─應(yīng)力比（循環(huán)特性）循環(huán)應(yīng)力對稱循環(huán)脈動循環(huán)常見的循環(huán)應(yīng)力有：靜應(yīng)力（可看作是循環(huán)應(yīng)力的一個特例） 注：靜應(yīng)力只在靜載荷作用下產(chǎn)生，循環(huán)應(yīng)力可由變載荷產(chǎn)生，也可由靜載荷產(chǎn)生。另外，應(yīng)力還分為名義應(yīng)力：根據(jù)名義載荷求得的應(yīng)力計算應(yīng)力：根據(jù)計算載荷求得的應(yīng)力對稱循環(huán)應(yīng)力r=-1、sm＝0脈動循環(huán)應(yīng)力r=0、smin＝0靜應(yīng)力r=1 根據(jù)失效原因建立的工作能力判定條件，稱為零件的設(shè)計計算準則。1）強度準則b.設(shè)計準則強度：指機械零件工作時抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。強度條件有兩種表示方法：1）用應(yīng)力表示：≤＝2）用安全系數(shù)表示：≥＝式中：—計算最大應(yīng)力—極限應(yīng)力—計算安全系數(shù)—許用應(yīng)力—許用安全系數(shù)注：對于切應(yīng)力，只須將上述各公式中的換成即可。 2）剛度準則剛度是指機械零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。如果零件的剛度不足，有些零件則會因為產(chǎn)生過大的彈性變形而失效。例如：機床主軸的彈性變形過大將會影響所加工工件的精度。剛度條件為：實際變形量≤［許用變形量］或式中：實際變形量可用相關(guān)理論計算或由實驗方法確定。［許用變形量］－－是保證正常工作所允許的變形量。注：1）零件材料的彈性模量E越大，則其剛度越大。2）用合金鋼代替碳鋼能提高零件的強度，但不能提高零件的剛度。 4）振動穩(wěn)定性準則當作用在零件上的周期性外力的變化頻率接近或等于零件的自激振動頻率（固有頻率）時，便發(fā)生共振，導(dǎo)致零件失效。這種現(xiàn)象稱之為“失去振動穩(wěn)定性”。振動穩(wěn)定性準則：使零件的自激振動頻率f遠離外力變化的頻率。即＜0.85f或＞1.15f3）熱平衡準則機械零件若溫升過度，將使?jié)櫥宛ざ认陆担瑵櫥?，零件間加劇磨損并產(chǎn)生膠合，最后導(dǎo)致零件失效，所以要進行熱平衡計算，把溫升控制在許用范圍內(nèi)，即：其中——溫升——許用溫升 5）摩擦學準則（耐磨性準則）到目前為止對于磨損失效還沒有一個完善的計算方法。通常只進行條件性計算，通過限制影響磨損的主要因素防止產(chǎn)生過大的磨損量。即壓強不超過許用值p≤［p］速度不超過許用值≤［］壓強與速度乘積不超過許用值p≤［p］注：限制p值就是間接的限制因摩擦而產(chǎn)生的熱量，防止溫度過高。 6）可靠性準則可靠性是指零件在一定條件下和規(guī)定時間內(nèi)正常工作的能力。用可靠度Rt表示，可靠度指零件在一定的條件下和規(guī)定時間內(nèi)正常工作的概率。不可靠度為：N個相同零件在相同條件下同時工作，在規(guī)定的時間內(nèi)有Nf個失效，剩下Nt個仍繼續(xù)工作，則： 謝謝 曲軸整體斷裂實況返回疲勞斷口斷口對斷口放大 斷口放大返回 斷口對返回 曲軸疲勞斷裂斷口特征返回裂紋源區(qū)疲勞擴展區(qū)最終瞬斷區(qū) 內(nèi)部缺陷引起疲勞斷軸：初始裂紋起源于軸內(nèi)部，裂紋由內(nèi)至外擴展裂紋源區(qū)擴展區(qū)瞬斷區(qū)裂紋擴展方向返回 鍵槽應(yīng)力集中導(dǎo)致齒輪軸疲勞斷裂鍵槽初始裂紋源裂紋擴展區(qū)最終瞬斷區(qū)返回曲軸疲勞斷裂內(nèi)部缺陷引起疲勞斷軸 冷膠合：低速重載，接觸零件擠壓粘著，相對運動撕裂。返回 綜合失效：齒面磨損、斷齒、疲勞斷軸返回 輪齒塑性變形返回 軋鋼機壓下螺旋絲杠斷牙宏觀返回絲杠斷牙部位絲杠斷牙局部放大 熱膠合：潤滑不良引起的齒面返回 整體塑變返回輪齒塑性變形 點蝕返回 輪齒磨損返回 螺栓聯(lián)接滑移被聯(lián)接件斷裂返回被聯(lián)件相對滑移被聯(lián)件拉斷