第2章機械設計基礎知識

2.1機械設計的根本要求和普通程序2.2機械零件的主要失效方式和任務才干2.5摩擦、磨損與光滑第2章機械設計根底知識2.3機械零件的設計準那么和普通設計步驟2.4機械零件的資料及熱處置2.6機械零件的構造工藝性和規(guī)范化中南大學公用潘存云教授2.1機械設計的普通程序和根本要求普通而言，機器的設計階段是決議機器好壞的關鍵一環(huán)。機械設計是一個發(fā)明性的任務過程，實際閱歷是保證設計質量的重要要素。因此，要求設計者特別留意閱歷的積累。一部完好的機器是一個復雜的系統(tǒng)。要提高設計質量，必需有一個科學的設計程序。一、機械設計的普通程序▲方案階段▲方案設計階段▲技術設計階段▲技術文件編制階段1、方案階段包括：需求分析、明確功能、制定設計義務書。中南大學公用潘存云教授設計義務書機器的功能經濟性估計制造要求的大致估計根本運用要求估計的設計周期2、方案設計階段對機器的功能進展綜合分析、確定功能參數、提出實現方案。在制定功能參數時一定要留意恰當處置需求與能夠、理想與現實、長久目的與當前目的等之間的關系。普通而言，實現同一個功能，有多種能夠的方案。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)行部分的任務原理也不同。因此，存在一個方案的比較和取舍問題。中南大學公用潘存云教授潘存云教授研制方案評價原那么：經濟性、技術上可行。總費用設計制造費用運用費用費用復雜程度經濟性----總費用最低。方案設計階段要正確處置好自創(chuàng)與創(chuàng)新的關系。同類機器的勝利的先例該當自創(chuàng)，但其中的薄弱環(huán)節(jié)和不符合現有義務要求的部分該當加以改良或交換。一味求新而把合理的原有閱歷棄置不用保守和照搬原有設計堅決反對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、根本尺寸和零件任務圖。中南大學公用潘存云教授為了確定零件的根本尺寸，必需完成以下任務：1〕機器的運動學設計2〕機器的動力學設計3〕零件的任務才干設計4〕部件裝配草圖及總裝配草圖的設計----構造設計5〕主要零件的校核計算確定原動機的參數〔功率、轉速、線速度等〕。求解構件的運動參數〔轉速、速度、加速度等〕。計算構件所受公稱載荷〔名義載荷〕的大小和特性。由公稱載荷大小和特性，根據任務才干準那么作零部件的初步設計。經過計算或類比得出零件的根本尺寸。以構造設計尺寸為根據，對零件進展準確的受力分析和任務才干校核計算中南大學公用潘存云教授4、技術文件編制技術文件設計闡明書運用闡明書零件明細表規(guī)范件匯總表產品驗收條件………….技術文件----用來闡明產品性能、設計、制造、操作運用、維護、或其它一切與產品相關的文檔資料。中南大學公用潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制技術設計方案設計方案提出義務分析對機器的要求確定義務要求機器功能分析提出能夠的處理方法組合幾種能夠的方案決策----選定方案明確構形要求構造化選擇資料、確定尺寸零件設計編制技術文件評價決策—確定構造外形與尺寸評價部件設計總體設計機器設計的普通流程中南大學公用潘存云教授設計機器的義務是在當前技術開展所能到達的條件下，根據消費及生活的需求提出的。不論機器的類型如何，普通來說，對機器都要提出以下的根本要求：▲運用功能要求二、機械設計的主要要求運用功能要求----機器應具有預定的運用功能。這主要靠正確地選擇機器的任務原理，正確地設計或選用可以全面實現功能要求的執(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。----在滿足預期功能的前提下，要求性能好、效率高、本錢低，外型美觀，在預定運用期限內要平安可靠，操作方便、維修簡單。詳細要求如下：▲經濟性要求▲勞動維護要求▲可靠性要求▲其它公用要求中南大學公用潘存云教授經濟性要求----機器的經濟性表達在設計、制造和運用的全過程中，設計機器時就要全面綜合地進展思索。設計制造的經濟性表現為機器的本錢低，運用經濟性表現為高消費率，高效率，低能耗，以及低的管理和維護費用等?！\用功能要求▲經濟性要求▲勞動維護要求▲可靠性要求▲其它公用要求中南大學公用潘存云教授提高設計和制造經濟性目的的主要途徑有:1〕采用先進的現代設計方法(CAD)，使設計參數最優(yōu)化,到達盡能夠準確的計算結果,保證機器足夠的可靠性。2〕最大限制地采用規(guī)范化、系列化及通用化的零、部件。3〕盡能夠采用新技術、新工藝、新構造和新資料。4〕合理地組織設計和制造過程。5〕力求改善零件的構造工藝性，使其用料少、易加工、易裝配。中南大學公用潘存云教授1〕合理地提高機器的機械化和自動化程度，以期提高機器的消費率。提高運用經濟性目的的主要途徑有:2〕選用高效率的傳動系統(tǒng)，盡能夠減少傳動的中間環(huán)節(jié)，以期降低能源耗費。3〕適當地采用防護及光滑，以延伸機器的運用壽命。4〕采用可靠的密封，減少或消除滲漏景象。中南大學公用潘存云教授1)要使機器的操作者方便和平安。因此設計時要按照人機工程學的觀念布置各種按鈕、手柄，使操作方式符合人們的心思和習慣。同時，設置完善的平安安裝、報警安裝、顯示安裝等。2〕改善操作者及機器的環(huán)境。所設計的機器應符合勞動維護法規(guī)的要求。降低機器運轉時的噪聲程度，防止有毒、有害介質的滲漏，對廢水、廢氣和廢液進展治理?！\用功能要求▲經濟性要求▲勞動維護要求▲可靠性要求▲其它公用要求中南大學公用潘存云教授機器的可靠度----指在規(guī)定的運用時間內和預定的環(huán)境下機器可以正常任務的概率。機器由于某種缺點而不能完成預定的功能稱為失效，它是隨機發(fā)生的，其緣由是零件所受的載荷、環(huán)境溫度、零件本身物理和機械性能等要素是隨機變化的。為了提高零件的可靠性，就該當在任務條件和零件性能兩個方面使其變化盡能夠小?！\用功能要求▲經濟性要求▲勞動維護要求▲可靠性要求▲其它公用要求中南大學公用潘存云教授其它公用要求----針對不同機器所特有的要求。例如：1)對機床有長期堅持精度的要求；2)對飛機有質量小，飛行阻力小而運載才干大的要求；3)對流動運用的機器有便于安裝和裝配的要求；4)對大型機器有便于運輸的要求等等?！\用功能要求▲經濟性要求▲勞動維護要求▲可靠性要求▲其它公用要求中南大學公用潘存云教授機械零件的失效：機械零件由于某種緣由不能正常任務時，稱為失效。任務才干----在不發(fā)生失效的條件下，零件所能平安任務的限制。通常此限制是對載荷而言，所以習慣上又稱為：承載才干。例如：發(fā)生劇烈的振動；聯接的松弛;摩擦傳動的打滑等。2.2機械零件的主要失效方式和任務才干一、零件的失效方式整體斷裂;過大的剩余變形;外表損傷;破壞正常的任務條件;如軸、齒輪、軸瓦、軸頸、螺栓、帶傳動等。機械零件雖然有多種能夠的失效方式，歸納起來最主要的為中南大學公用潘存云教授機械零件失效的實例：潘存云教授研制輪齒塑性變形潘存云教授研制齒輪輪齒折斷潘存云教授研制軸承內圈破裂潘存云教授研制軸承外圈塑性變形中南大學公用潘存云教授失效緣由:強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、溫度等緣由。統(tǒng)計結果顯示：斷裂僅占4.79%;腐蝕、磨損、疲勞破壞占73.88%。--主要失效緣由。潘存云教授研制齒面接觸疲勞潘存云教授研制軸瓦磨損中南大學公用潘存云教授▲靜載荷▲動載荷工程計算中：▲名義載荷——理想任務條件下的載荷▲任務載荷——實踐任務條件下的載荷二、機械零件的載荷載荷能否隨時間變化：▲計算載荷——任務載荷乘上載荷系數K中南大學公用潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制三、應力的種類：靜應力和變應力otσσ=常數脈動循環(huán)變應力r=0靜應力:σ=常數變應力:σ隨時間變化平均應力:應力幅:循環(huán)變應力變應力的循環(huán)特性:對稱循環(huán)變應力r=-1----脈動循環(huán)變應力----對稱循環(huán)變應力-1=0+1----靜應力σmaxσmTσmaxσminσaσaσmotσσmaxσminσaσaotσotσσaσaσminr=+1靜應力是變應力的特例中南大學公用潘存云教授黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼金屬資料一、常用資料低碳鋼(08F)中碳鋼(45)高碳鋼(60)合金鋼(1Cr18〕…灰鑄鐵(HT1500)球墨鑄鐵(QT500-7)…2.4機械零件的資料及熱處置鋁合金(LY12)銅合金(ZCuSn10P1)鑄鐵--灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。特點：良好的液態(tài)流動性，可鑄呵斥外形復雜的零件。較好的減震性、耐磨性、切削性〔指灰鑄鐵〕、本錢低廉。運用：運用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。中南大學公用潘存云教授黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼金屬資料一、常用資料低碳鋼(08F)中碳鋼(45)高碳鋼(60)合金鋼(1Cr18〕…灰鑄鐵(TH300)球墨鑄鐵(QT500-5)…2.4機械零件的資料及熱處置鋁合金(LY12)銅合金(ZCuSn10P1)鋼--低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼、構造鋼、工具鋼、特殊鋼(不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)、鑄鋼等。特點：與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性?？捎脽崽幹梅椒ǜ纳破淞W性能和加工性能。中南大學公用潘存云教授潘存云教授研制鋼的選用原那么：優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。鋼制零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。運用：運用范圍極其廣泛。表2-1常用資料的相對價錢材料種類規(guī)格相對價錢熱軋圓剛碳素構造鋼Q235〔φ33~42〕1鑄件優(yōu)質碳素鋼〔φ29~50〕1.5~1.8合金構造鋼〔φ29~50〕1.7~2.5滾動軸承鋼〔φ29~50〕3合金工具鋼〔φ29~50〕3~204Cr9Si2耐熱鋼〔φ29~50〕5灰鑄鐵鑄件0.85碳素鋼鑄件1.7銅合金、鋁合金鑄件8~10價錢廉價且供應充分我國資源豐富中南大學公用潘存云教授黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼金屬資料低碳鋼(08F)中碳鋼(45)高碳鋼(60)合金鋼(1Cr18〕…灰鑄鐵(TH300)球墨鑄鐵(QT500-5)…鋁合金(LY12)銅合金(ZCuSn10P1)銅合金-銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳特點：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。青銅黃銅軸承合金〔巴氏合金〕-含錫青銅、不含錫青銅中南大學公用潘存云教授高分子資料復合資料陶瓷非金屬資料---塑料、橡膠、合成纖維。---強如鋼、輕如鋁、硬如金剛石。--強度高、彈性模量大、質量輕。橡膠--橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水光滑的軸承襯。塑料--塑料的比重小，易于制成外形復雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數大等，所以近年來在機械制造中其運用日益廣泛。中南大學公用潘存云教授▲載荷及應力的大小和性質▲零件的任務情況▲零件的構造及加工性▲資料的經濟性▲零件的尺寸及分量二、機械零件資料的選用原那么適用于制造機械零件的資料種類非常之多，在設計機械零件時，如何從各種各樣的資料中選擇出適宜的資料，是一項受多方面要素所制約的復雜的任務。設計者應根據零件的用途、任務條件和資料的物理、化學、機械和工藝性能以及經濟要素等進展全面思索。選材的普通原那么中南大學公用潘存云教授脆性資料----只適用于制造在靜載荷下任務的零件；1.載荷及應力的大小和性質2.零件的任務情況--指零件所處的環(huán)境特點、任務溫度、摩擦磨損程度等。這方面的要素主要是從強度觀念來思索的，應在充分了解資料的機械性能的前提下來進展選擇。金屬資料的性能普通可以經過熱處置加以提高和改善，因此，要充分利用熱處置手段來發(fā)揚資料的潛力。對于常用的調質鋼，由于其回火溫度的不同，可得到機械性能不同的毛坯。塑性資料----適用于在有沖擊情況下任務的零件?！跐駸岘h(huán)境下任務的零件，其資料應具有良好防腐蝕才干，可選用不銹鋼、銅合金等。中南大學公用潘存云教授零件的尺寸及質量的大小與資料的種類及毛坯制取方法有關。3.零件的尺寸及分量▲兩配合零件的線性膨脹系數不能相差過大，一面在溫度變化時產生過大熱應力或使配合松動，另一方面要思索資料機械性能隨溫度而變化的情況?！慵谌蝿罩心軌虬l(fā)生磨損的外表，應提高其外表硬度，添加耐磨性，因此應選擇淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼?！描T造資料制造毛坯時，普通可以不受尺寸及質量大小的限制；▲而用鍛造資料制造毛坯時，那么須留意鍛壓機械及設備的消費才干?！鴳M能夠選用強重比大的資料，以便減小零件的尺寸和質量。中南大學公用潘存云教授▲資料的加工費用;5.資料的經濟性選材時還應思索到當時當地資料的供應情況。為了簡化供應和儲存的資料種類，對于小批制造的零件，應盡能夠地減少同一部機器上運用的資料種類和規(guī)格。6.資料的供應情況資料的經濟性主要表如今以下幾方面：▲資料本身的相對價錢;▲資料的利用率;▲采用組合構造;▲節(jié)約稀有資料。各種資料的化學成分和力學性能可在相關國標、行標和機械設計手冊中查得。為了資料供應和消費管理上的方便，應盡量減少一臺機器所用資料的種類。中南大學公用潘存云教授潘存云教授研制表2-2常用鋼鐵資料的牌號及力學性能材料力學性能試件尺寸類別牌號強度極限σB屈服極限σS延伸率%mmQ215335-41021531碳素構造鋼Q235375-46023526d≤16Q275490-610275202041024525優(yōu)質碳素構造鋼3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金構造鋼40Cr9817859d≤2520CrMnTi107983410d≤1560Mn9817858d≤80ZG270-50050027018鑄鋼ZG310-57057031015d≤100ZG42SiMn60038012HT150145----灰鑄鐵HT200195----HT250240----壁厚10~20QT400-1540025015球墨鑄鐵QT500-75003207QT600-36003703壁厚30~200中南大學公用