机械设计基础知识 PPT

1、机械设计的一般程序和基本要求
➢劳动保护要求 1）要使机器的操作者方便和安全。因此设计时要按照人机工程学的观点布 置各种按钮、手柄，使操作方式符合人们的 心理和习惯。同时，设置完善 的安全装置、报警装置、显示装置等。 2）改善操作者及机器的环境。所设计的机器应符合劳动保护法规的要求。 降低机器运转时的噪声水平，防止有毒、有害介质的渗漏，对废水、废气和 废液进行治理。
坚决反对
一味求新而把合理的原有经验弃置不用
1.1.3、技术设计阶段
绘制总装配草图、部件装配草图，由草图确定零部件的外形、 基本尺寸和零件工作图。
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1、机械设计的一般程序和基本要求
为了确定零件的基本尺寸，必须完成以下工作： 1）机器的运动学设计
确定原动机的参数（功率、转速、线速度等）。求解构件的 运动参数（转速、速度、加速度等）。 2）机器的动力学设计
1、机械设计的一般程序和基本要求
设计任务书
机器的功能 经济性估计 制造要求的大致估计 基本使用要求
预计的设计周期
1.1.2、方案设计阶段
对机器的功能进行综合分析、确定功能参数、提出实现方案。 在制定功能参数时一定要注意恰当处理需要与可能、理想与 现实、长远目标与当前目标等之间的关系。
一般而言，实现同一个功能，有多种可能的方案。以螺纹制 造为例：有车削、滚压、板牙加工等方法。方法不同，其执行 部分的工作原理也不同,因此，存在一个方案的比较和取舍问题。
为了延长机器的寿命，为了避免轴和机器的损坏，应验算轴 的振动稳定性，特别是高速机器的轴。振动稳定性准则要求机 械零件的固有频率应与激励的频率错开，保证不发生共振。
设机器中受激励作用的零部件的固有频率为f，激励力的频 率为fp，一般要求:
fp < 0.85 f 或 fp >1.15 f
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2、机械零件的主要失效形式和计算准则
2.2.3、耐热性准则
由于摩擦等原因，机械在运转时，机械零件和润滑剂的温 度一般会升高。过高的工作温度将导致润滑效果下降，同时， 还会引起零件的热变形、硬度和强度下降，甚至损坏。如在高 温时，金属机械零件可能发生胶合、卡死；塑料等非金属机械 零件可能发生软化，甚至熔化等，在某些场合还会引起热应力。 耐热性准则一般是控制机械零件的工作温度不要超过许用值， 以保证零部件正常工作，其表达式是
➢可靠性要求 机器的可靠度----指在规定的使用时间内和预定的环境下机器能够正常工作 的概率。
机器由于某种故障而不能完成预定的功能称为失效，它是随机发生的，其 原因是零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和机械性能等因素是随机 变化的。为了提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零件性能两个方面使 其变化尽可能小。
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1、机械设计的一般程序和基本要求
➢其它专用要求 其它专用要求----针对不同机器所特有的要求。例如： 1)对机床有长期保持精度的要求； 2)对飞机有质量小，飞行阻力小而运载能力大的要求； 3)对流动使用的机器有便于安装和拆卸的要求； 4)对大型机器有便于运输的要求等等。
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2、机械零件的主要失效形式和计算准则
磨损一般是不可避免的。在一定条件下，腐蚀也是不可避免 的，如桥梁结构件、地埋钢质管道的腐蚀等。在设计时，主要 是保证机械零件在寿命内，不要发生过度的磨损和腐蚀。磨损 发生的机理尚为完全被人们掌握，影响磨损的因素也比较多， 一般根据摩擦学设计原理来改善摩擦副的耐磨性。主要措施有： 合理选择摩擦副材料；合理选择润滑剂和添加剂；控制摩擦副 的工作条件，如压强、滑动速度和温升。
到目前为止，还没有实用、有效的腐蚀寿命计算方法，通常 从材料选择及防腐处理方面采取措施。如选用耐腐蚀的材料， 采用表面镀层、喷涂、磷化等处理。
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2、机械零件的主要失效形式和计算准则
t≤[t] 为了改善散热性能、控制温升，必要时可以采用水冷或气冷等 措施。
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3、机械零件的主要失效形式和计算准则
2.2.4、振动稳定性准则
当激励的频率等于物体固有频率时，物体振幅最大，激励的 频率与固有频率相差越大，物体的振幅越小。激励的频率接近 物体的固有频率时，受迫振动的振幅会很大，这种现象叫做共 振。振动稳定性指机械零件在机器运转时避免发生共振的品质。
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2、机械零件的主要失效形式和计算准则
2.2、机械设计的设计计算准则
设计机械零件时，保证零件不发生失效所依据的基本原则， 称为设计计算准则。概括地讲主要有以下几个准则：
➢强度准则 ➢刚度准则 ➢耐热性准则 ➢振动稳定性准则 ➢寿命准则 ➢可靠性准则
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1）合理地提高机器的机械化和自动 化水平，以期提高机器的生产率；
2）选用高效率的传动系统，尽可能 减少传动的中间环节，以期降低 能源消耗；
3）适当地采用防护及润滑，以延长 机器的使用寿命；
4）采用可靠的密封，减少或消除渗 漏现象。
5）力求改善零件的结构工艺性， 使其用料少、易加工、易装配。
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2、机械零件的主要失效形式和计算准则
刚度准则的表达式为：
y≤[y] （3–17）
y是弹性变形量，如挠度、纵向伸长（缩短）：[y]为相应的许
用弹性变形量。零件的弹性变形量可由理论计算或经实验得到， 许用变形量则取决于零件的用途，根据理论分析或经验确定。
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一般而言，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键一环。机 械设计是一个创造性的工作过程，实践经验是保证设计质量的 重要因素。因此，要求设计者特别注意经验的积累。
➢ 计划阶段 ➢ 方案设计阶段 ➢ 技术设计阶段 ➢ 技术文件编制阶段
1.1.1、计划阶段
包括：需求分析、明确功能、制定设计任务书。 返回目录
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2020/11/18
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目录
1、机械设计的一般程序和基本要求 2、机械零件的主要失效形式和设计准则 3、机械零件的设计方法和设计的一般步骤 4、机械零件材料的选用原则 5、机械零件设计中的标准化
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1、机械设计的一般程序和基本要求
1.1、机械设计的一般程序
等。
提高设计和制造经济性指标的主要 途径有:
1）采用先进的现代设计方法(CAD)， 使设计参数最优化,达到尽可能 精确的计算结果,保证机器足够 的可靠性；
2）最大限度地采用标准化、系列 化及通用化的零、部件；
3）尽可能采用新技术、新工艺、 新结构和新材料；
4）合理地组织设计和制造过程；
提高使用经济性指标的主要途径有:
为了避免发生零件疲劳引起的失效，如疲劳断裂，应根据机 械零件寿命对应的疲劳极限计算疲劳强度。即根据寿命要求， 结合零件转速等具体情况，计算出应力循环次数为N时的疲劳极 限，再代入强度条件式，计算疲劳强度。当满足疲劳强度时， 可以保证机械零件在破坏前的应力循环次数达到寿命要求。
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2、机械零件的主要失效形式和计算准则
2.1、机械零件的主要失效形式
机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。机械零件 的主要失效形式有断裂、塑性变形、过大的弹性变形、表面失 效、破坏正常工作条件引起的失效等。同一种零件可能有多种 失效形式，在各种失效形式中，到底哪一种为主要失效形式， 应根据零件的材料、具体结构和工作条件等来确定。以轴为例， 对于载荷稳定的、一般用途的转轴。疲劳断裂是其主要失效形 式；对于精密主轴，弹性变形量过大是其主要失效形式；而对 于速转动的轴，发生共振、丧失振动稳定性则可能是其主要失 效形式。
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2、机械零件的主要失效形式和计算准则
2.2.5、寿命准则
为了保证机器在一定寿命期限内正常工作，在设计机械零件 时必然要对机械零件的寿命提出要求。需要说明，在机器寿命 期限内，零件是可以更换的，也就是说某些机械零件的寿命可 以比机器的寿命短。机械零件的寿命主要受材料的疲劳、磨损 和腐蚀影响。
2、机械零件的主要失效形式和计算准则
2.2.1、强度准则
要求机械零件的工作应力σ不超过许用应力[σ]。其典型的计 算公式是：
（3-16）
σlim——极限应力，对受静应力的脆性材料取其强度极限， 对受静应力的塑性材料取其屈服极限，对受变应力的零取其疲 劳极限。
S——安全系数。
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1、机械设计的一般程序和基本要求
方案评价原则：经济性、技术上可行。
经济性----总费用最低。
费用
总费用
方案设计阶段要正确处理好借鉴与创
新的关系。
同类机器的成功的先例应当借鉴， 但其中的薄弱环节和不符合现有任
使用费用
设计 制造 费用
务要求的部分应当加以改进或替换。
复杂程度
保守和照搬原有设计
2、机械零件的主要失效形式和计算准则
改变机械零件的刚度和质量可以改变其固有频率。增大机械 零件的刚度和减小其质量，提高其固有频率；减小机械零件的 刚度和增大其质量则降低机械零件的固有频率。有时，机器运 转时为了防止共振要调节转速。
轴产生共振的主要原因是：由于材料内部质量不均匀，加之 制造和安装的误差，使其质心和它的旋转中心产生偏差，轴旋 转时产生惯性力，这个惯性力使转子作强迫振动。轴在引起共 振时的速度称为临界速度。在临界速度下，这个惯性力的频率 等于或几倍于转子的固有频率，因此发生共振。
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1、机械设计的一般程序和基本要求
1.1.4、技术文件编制
技术文件----用来说明产品性能、设计、制造、操作使用、 维护、或其它所有与产品相关的文档资料。
技术文件
设计说明书 使用说明书 零件明细表 标准件汇总表
产品验收条件 ………….
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1、机械设计的一般程序和基本要求
➢使用功能要求----机器应具有预定的使用功能。这主要靠正确地选择机器 的工作原理，正确地设计或选用能够全面实现功能要求的执行机构、传动 机构和原动机，以及合理地配置必要的辅助系统来实现。
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1、机械设计的一般程序和基本要求
➢经济性要求----机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，设计 机器时就要全面综合地进行考虑。设计制造的经济性表现为机器的成本低， 使用经济性表现为高生产率，高效率，低能耗，以及低的管理和维护费用
流程：
计
提出任务
分析对机器的要求
划
Hale Waihona Puke Baidu
确定任务要求
NG
方
机器功能分析
NG
提出可能的解决办法
案
组合几种可能的方案
设
评估
计 决策——选定方案
明确构形要求
NG
技
结构化
选择材料、确定尺寸
术
评估
决策——确定结构形状与尺寸
设
零件设计
部件设计
计
总体设计
编制技术文件
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1、机械设计的一般程序和基本要求
1.2、机械设计的基本要求
----在满足预期功能的前提下，要求性能好、效率高、成本低，造型美观， 在预定使用期限内要安全可靠，操作方便、维修简单。设计机器的任务是 在当前技术发展所能达到的条件下，根据生产及生活的需要提出的。不管 机器的类型如何，一般来说，对机器都要提出以下的基本要求：
➢使用功能要求 ➢经济性要求 ➢劳动保护要求 ➢可靠性要求 ➢其它专用要求
2、机械零件的主要失效形式和计算准则
2.2.2、刚度准则
机械零件在受载荷时要发生弹性变形，刚度是受外力作用的 材料、机械零件或结构抵抗变形的能力。材料的刚度由使其产 生单位变形所需的外力值来量度。机械零件的刚度取决于它的 弹性模量E或切变模量G、几何形状和尺寸，以及外力的作用形 式等。分析机械零件的刚度是机械设计中的一项重要工作。对 于一些需要严格限制变形的零件（如机翼、机床主轴等），须 通过刚度分析来控制变形。我们还需要通过控制零件的刚度以 防止发生振动或失稳。另外，如弹簧，须通过控制其刚度为某 一合理值以确保其特定功能。刚度准则是要求零件受载荷后的 弹性变形量不大于允许弹性变形量。
计算构件所受公称载荷（名义载荷）的大小和特性。 3）零件的工作能力设计
由公称载荷大小和特性，根据工作能力准则作零部件的初步 设计。通过计算或类比得出零件的基本尺寸。 4）部件装配草图及总装配草图的设计----结构设计 5）主要零件的校核计算
以结构设计尺寸为依据，对零件进行精确的受力分析和工作 能力校核计算。