1、机械设计 Mechanical Designing,聊城大学 汽车与交通工程学院 张翠华,机械设计,课程编号：509020(汽服)409128(车辆) 适用专业：机制、汽服、车辆 课程性质：专业必修课 学 时 数：48(讲授40，实验8) 学 分 数：3,第0章 绪 论,重点与难点,掌握本课程的研究对象、性质及学习方法。,教学基本要求,本课程的研究对象及学习方法,第0章 绪 论,0.1 机器的组成与本课程的研究对象,0.1.1机器的组成,医疗机械图,NJP900型全自动硬胶囊填充机,ACM803呼吸机,ACM603麻醉机,1）电动机,2）内燃机,3）风力机,动力机械图,具有较大活动范围、以搬运
2、为主要目的的机械，统称为交通运输机械。,1）汽车,2）飞机,3）轮船,4）海陆空“飞行船”,各类加工机床图,电火花数控线切割机床,CJL06系列仪表车床,农业机械图,林业机械图,MQ-G1300C贴面机,定向结构板生产线成套设备(部分),矿山机械图,轮式装载机,粉碎机,雷蒙磨,双转子反击破碎机,冶金机械图,步进式高速冷床,冷轧机组及酸洗、 卷取、分条机组设备,化工机械图,发 酵 罐,电加热反应锅,WZI型外加热式真空蒸发器,ZJG型内加热搅拌真空干燥机,板框压滤机,振动筛,工程机械图,纺织机械图,纺织机,纺织机,箭杆织机,印刷机械图,罗兰百花(PAPVA)对开机,海德堡（M-OFFSET）四开
3、机,包装机械图,TM1400型半自动贴面机,GR-300型家禽骨肉分离机,食品机械图,Unp-803 电动刨冰机,易拉罐封装口生产线,钻探开采机械图,ZQ80y型钻杆钳,950-H旋转器,抽油机,工业机器人,工业机器人的定义：其操作机是自动控制的，可重复编程、多用途，并可对三个或三个以上的轴进行编程。它可以是固定式或移动式。工业机器人包括操作机和控制系统（硬件和软件）。所谓操作机是一种机器，其机构通常是由一系列相互铰接或相对滑动的构件所组成。它通常有几个自由度，用以抓取或移动物体。,机器人焊接,机器人去毛刺,认识机器3,工业机器人,数控加工中的工业机器人,注：左键单击图片可演示视频,工业机器人
4、,示教板 用于输入控制命令或控制程序,控制系统 用于控制操作机各关节内伺服电机的运动,工业机器人的组成,操作机 在控制系统的控制下，实现各种复杂运动。每个关节内有电动机和减速器,机器组成,(1) 原动机,(2)传动装置,(3) 执行机构,(4) 控制系统,原动机部分,轿车组成：,常用机器实例,带式运输机,原动机:,是机械设备完成其工作任务的动力来源。括电动机、内燃机、液压马达、气动机等。,是按执行机构作业的特定要求，把原动机的运动和动力传递给执行机构。如减速器、变速装置。,传动装置：,执行机构：,是机器中最接近作业端的机构，直接与被作业件相接触，以完成作业任务。,机构具有确定相对运动的组合体，
5、是机器的主要组成部分。（传递运动和力或改变运动形式）,机器根据某种使用要求而设计的一种执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料和信息,连杆机构 凸轮机构,齿轮机构 间歇机构,刚性地连接在一起的零件共同组成一个独立的运动单元体称为构件,连杆是内燃机中的一个构件，它由连杆体1、连杆盖2、轴瓦3、4和5以及螺栓6、螺母7、开口销8等零件构成。,构件（运动的整体） 零件（制造的单元）,汽缸体1、,活塞2、,进气阀3、,排气阀4、,连杆5、,曲轴6、,凸轮7、,顶杆8、,齿轮9、10,部件：机械的一部分，由若干装配在一起的零件所组成。在机械装配过程中，这些零件先被装配成部件(部件装配)，然后才进入总
6、装配。某些部件(称为分部件)在进入总装配之前还先与另外的部件和零件装配成更大的部件。,机械零件,六角头螺栓,六角螺母,转轴,孔板式带轮,实心式齿轮,齿轮实物,实物,螺纹连接件实物,通用零部件,圆螺母,六角头螺母,圆螺母用止动垫圈,圆柱螺旋拉伸弹簧,深沟球轴承,弹性套柱销联轴器,专用零部件,曲轴,机械部件,滚动轴承部件,对开式滑动轴承 滑动轴承部件,机械零件组成机器的不可拆的基本单元（即制造的基本单元）是机器的基本组成要素。 分为：,通用零件：各种机器中常用的。 (是本课程的主要学习对象）例如：齿轮、链传动、带传动、轴、联轴器轴承、螺栓、键、弹簧等。,专用零件：只在某些特定的机器中才用到的。（在
7、有关专业课中学习）例如：叶片、曲轴等。,部件为完成同一使命在结构上组合在一起并协同工作的零件。例如：滚动轴承、减速器等。,机械零件 常用泛指零件和部件。,机械,机构：由机械零件组成，构件间运动规律,机器：转换机械能，或用机械能作功。,研究内容：,从承载能力出发，考虑结构、工艺、维护等方面来解决通用零件的设计问题。包括如何确定零件尺寸、如何选择材料、精度、表面质量及绘制零件图等。,研究对象：一般参数的通用零部件的设计理论和设计方法。,0.1.2本课程的研究对象及研究内容,0.1.3本课程的性质和任务,技术基础课,任务,2)掌握通用零部件的设计方法和一般规律,3)掌握一定的设计技能,4)了解机械设
8、计的最新动态,1)培养正确的设计思想,三性：设计性、综合性和实践性,四多：公式多、图表多、关系多、系数多,0.1.4学习本课程应注意的问题,特点,学习本课程应注意的问题,）理论联系实际,）抓住本课程的体系,）综合运用先修课程的知识解决机械设计问题,）要理解系数引入的意义,）培养解决工程实际问题的能力,第0章 绪论 1 第1章 机械设计总论 1 第2章 带传动 4 第3章 链传动 3 第4章 齿轮传动 7 第5章 蜗杆传动 3,课程安排：,第6章 轴和轴毂连接 4 第7章 滚动轴承 4 第8章 滑动轴承 5 第9章 联轴器和离合器 2 第10章 连接 6,考试成绩计算：,考试成绩=试卷成绩 80
9、%+ 平时成绩10%+实验成绩10%平时成绩包括平时作业，旷课情况以及上课表现。,1了解机械设计的一般步骤和方法；2掌握机械零件常见失效形式和计算准则。,机械零件的失效形式和计算准则。,教学基本要求：,重点与难点：,第1章 机械设计总论,第1章 机械设计总论,设计具有一定使用功能的机械技术系统。,1.1 机械设计概述,一、机械设计的任务,1.1.1机械设计的任务及设计步骤,1）实现能量转换,3）实现物料转换,2）实现信息转换,二、机械设计的基本要求,）使用要求：,) 经济性要求（设计制造经济性和使用经济性）,）安全性要求,）其他要求：环保要求 外观要求 体积重量要求,三方面：生产成本低、使用消
10、耗小、维护费用低。,措施：,1）设计中采用“三化”零部件；,2）应用成熟的新技术、新材料。 3）选用高效率设备，减少动力、燃料消耗。,三、机械设计的一般步骤,机械设计是一个创新与借鉴相结合的过程，一般程序如下：,设计任务,调研 ,总体设计,技术设计,试制,投产,1.1.2 机械设计中创新及优化,1）无新技术，但形式上有翻新,2）含有重要的新技术,一、创新,3）具有完全创新的功能,二、优化,1）基于经验的优化设计 2）基于计算机的枚举寻优 3）数学规划寻优 4）人工智能寻优,1.1.4 机械设计的最新进展,设计理论的不断完善与发展,设计手段和方法的不断更新。,机械设计的综合程度越来越高,机械设计
11、的实验研究技术有了很大的发展和提高,实验与理论相互结合、相互促进。,1.1.3 机械设计中的标准化,1. 2 机械零件设计概述,一、要求,1.2.1机械零件应满足的要求及设计步骤,1)避免在预期寿命内失效的要求（强度、刚度、寿命）； 2)结构工艺性要求（便于加工、装配）； 3)经济性要求（材料、加工方法、精度等级）； 4)质量小的要求（节约材料、惯性力）； 5)可靠性要求；,二、设计方法,2）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。,名义载荷（F、P、T）：力学公式计算出的载荷。,但：由于载荷作用的不平稳性、分布的不均匀性等因素，实际载荷大于名义载荷。载荷系数K, 计算载荷(Fc、Pc、T
12、c)=载荷系数名义载荷,3）选择适当的材料。 4）根据零件工作能力准则，确定零件的主要尺寸，并元整和标准化。,a.理论设计,5）画零件图，编写设计说明书。,1）根据使用要求，选择零件的类型和结构。,b.经验设计,根据经验关系式，用类比的方法所进行的设计。,如：箱体、传动件个各结构要素等,c.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。,1.2.2 机械零件的失效形式及设计准则,一、失效形式,1）失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。,a) 失效并不单纯指破坏，破坏只是失效的形式之一。,机械零件的可能失效形式很多，归纳起来主要
13、有强度、刚度、耐磨性、振动稳定性以及温度等方面的失效。,b) 同一种零件可能的失效形式往往有若干种。例如：轴在工作中可能产生断裂、过大弹性变形、共振等失效。,注意：,失效分析,零件失效,磨损,表面 压溃,过量塑 性变形,表面失效,过量弹 性变形,打滑,振动 失效,断裂,胶合,疲劳 点蚀,失效形式（Failure types）,过载断裂,疲劳断裂, 表面破坏,磨损,冷胶合 热胶合,点蚀,塑性变形 过大弹变,功能失效,变形过大,胶合,过大振动,综合失效,二、设计准则,1）工作能力：即机械零件在一定条件下抵抗失效的能力。,2）承载能力：对载荷而言的工作能力。（也就是用载荷表示的工作能力）,3）工作能
14、力计算准则：为防止机械零件发生某种失效而应满足的条件。 （也可以理解为是机械零件不发生失效的“安全条件”，是设计零件时的理论依据）。,为了防止机械零件在工作中失效，设计时，需要以零件的工作能力计算准则为依据进行必要的计算，常用的计算方法（过程）有两种：,4）设计计算：先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。,5）校核计算：先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件是否满足计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。,a. 几个名词,6) 载荷,由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。,静载荷,变载荷,按是否考虑动载荷的影响，载荷分为：,名义载荷：在理想平
15、稳条件下所受的载荷。（不考虑动载荷的影响）,计算载荷载荷系数K名义载荷。（代表机器或零件实际所受载荷）,载荷系数K：用于计入在实际工作中受到的各种动载荷的影响。,额定载荷：由原动机的额定功率推算出的载荷。,7)应力,smax最大应力； smin最小应力,sm平均应力； sa应力幅值,r 应力比（循环特性）,循环应力,对称循环,脉动循环,常见的循环应力有：,静应力（可看作是循环应力的一个特例）,注：静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产生，也可由静载荷产生。,根据失效原因建立的工作能力判定条件，称为零件的设计计算准则。,1）强度准则,b. 设计准则,强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂
16、或塑性变形）的能力。,强度条件有两种表示方法：,1）用应力表示：,2）用安全系数表示：,注：对于切应力，只须将上述各公式中的 换成 即可。,2）刚度准则,刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。,例如：机床主轴的弹性变形过大将会影响所加工工件的精度。,刚度条件为：,实际变形量许用变形量或,式中：实际变形量可用相关理论计算或由实验方法确定。许用变形量是保证正常工作所允许的变形量。,注：1）零件材料的弹性模量E越大，则其刚度越大。2）用合金钢代替碳钢能提高零件的强度，但不能提高零件的刚度。,4）振动稳定性准则,当作用在零件上的周
17、期性外力的变化频率接近或等于零件的自激振 动频率（固有频率）时，便发生共振，导致零件失效。这种现象称之为 “失去振动稳定性”。,振动稳定性准则：使零件的自激振动频率 f 远离外力变化的频率 。 即 0.85 f 或 1.15 f,3）热平衡准则,机械零件若温升过度，将使润滑油黏度下降，润滑失效，零件间加剧磨损并产生胶合，最后导致零件失效，所以要进行热平衡计算，把温升控制在许用范围内，即：,其中 温升许用温升,5）摩擦学准则 （耐磨性准则）,到目前为止对于磨损失效还没有一个完善的计算方法。通常只进行条件性计算，通过限制影响磨损的主要因素防止产生过大的磨损量。,即 压强不超过许用值 p p 速度不
18、超过许用值 压强与速度乘积不超过许用值 p p ,注：限制 p 值就是间接的限制因摩擦而产生的热量，防止温度过高。,6）可靠性准则,可靠性是指零件在一定条件下和规定时间内正常工作的能力。用可靠度Rt表示，可靠度指零件在一定的条件下和规定时间内正常工作的概率。,不可靠度为：,N个相同零件在相同条件下同时工作，在规定的时间内有Nf个失效，剩下Nt个仍继续工作，则：,谢 谢,曲轴整体断裂实况,返回,疲劳断口,断口对,断口放大,断口放大,返回,断口对,返回,曲轴疲劳断裂断口特征,返回,裂纹源区,疲劳扩展区,最终瞬断区,内部缺陷引起疲劳断轴： 初始裂纹起源于轴内部，裂纹由内至外扩展,裂纹源区,扩展区,瞬断区,裂纹扩展方向,返回,键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂,键槽,初始裂纹源,裂纹扩展区,最终瞬断区,返回,曲轴疲劳断裂,内部缺陷引起疲劳断轴,冷胶合：低速重载，接触零件挤压粘着，相对运动撕裂。,返回,综合失效：齿面磨损、断齿、疲劳断轴,返回,轮齿塑性变形,返回,轧钢机压下螺旋丝杠断牙宏观,返回,丝杠断牙部位,丝杠断牙局部放大,热胶合：润滑不良引起的齿面,返回,整体塑变,返回,轮齿塑性变形,点蚀,返回,轮齿磨损,返回,螺栓联接滑移 被联接件断裂,返回,
