《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課件第1章

1.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求

1.2機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容與步驟

1.3機(jī)械零件的失效形式及設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則

1.4機(jī)械零件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化思考題和習(xí)題

第1章機(jī)械設(shè)計(jì)概論

1.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求

1.設(shè)計(jì)機(jī)械零件的基本要求

零件工作可靠且成本低廉是設(shè)計(jì)機(jī)械零件應(yīng)滿足的基本要求。零件的工作能力是指零件在一定的工作條件下抵抗可能出現(xiàn)的失效的能力，對載荷而言，稱為承載能力。失效是指零件由于某些原因不能正常工作。只有每個(gè)零件都可靠地工作，才能保證機(jī)器的正常運(yùn)行。設(shè)計(jì)機(jī)械零件必須堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)，力求綜合經(jīng)濟(jì)效益高。為此要注意以下幾點(diǎn):

(1)合理選擇材料，降低材料費(fèi)用;

(2)保證良好的工藝性，減少制造費(fèi)用;

(3)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化設(shè)計(jì)，簡化設(shè)計(jì)過程，從而降低設(shè)計(jì)成本。

2.機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下幾個(gè)方面的要求:

(1)實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。

(2)滿足可靠性要求。

(3)滿足經(jīng)濟(jì)性要求。

(4)操作方便、工作安全。

(5)造型美觀、減少污染。1.2機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容與步驟

機(jī)械設(shè)計(jì)的過程通常可分為以下幾個(gè)階段:

(1)產(chǎn)品規(guī)劃。產(chǎn)品規(guī)劃的主要工作是提出設(shè)計(jì)任務(wù)、明確設(shè)計(jì)要求，這是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)首先需要解決的問題。通常是人們根據(jù)市場需求提出設(shè)計(jì)任務(wù)，通過可行性分析后才能進(jìn)行產(chǎn)品規(guī)劃。

(2)方案設(shè)計(jì)。在滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書中設(shè)計(jì)具體要求的前提下，由設(shè)計(jì)人員構(gòu)思出多種可行方案并進(jìn)行分析比較，從中優(yōu)選出一種功能滿足要求、工作性能可靠、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行、成本低廉的方案。

(3)技術(shù)設(shè)計(jì)。在既定設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，完成機(jī)械產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)、部件設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)等，設(shè)計(jì)結(jié)果以工程圖及計(jì)算書的形式表達(dá)出來。

(4)制造及試驗(yàn)。經(jīng)過加工、安裝及調(diào)試制造出樣機(jī)，對樣機(jī)進(jìn)行試運(yùn)行或在生產(chǎn)現(xiàn)場試用，將試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題反饋給設(shè)計(jì)人員，經(jīng)過修改完善，最后通過鑒定。與設(shè)計(jì)機(jī)器一樣，設(shè)計(jì)機(jī)械零件也常需擬定出幾種不同方案，經(jīng)過認(rèn)真比較，選用其中最好的一種。設(shè)計(jì)機(jī)械零件的一般步驟如下:

(1)根據(jù)機(jī)器的具體運(yùn)轉(zhuǎn)情況和簡化的計(jì)算方案確定零件的載荷。

(2)根據(jù)零件工作情況的分析，判定零件的失效形式，從而確定其計(jì)算準(zhǔn)則。

(3)選擇主要參數(shù)，選定材料，根據(jù)計(jì)算準(zhǔn)則求出零件的主要尺寸，考慮熱處理及結(jié)構(gòu)工藝性要求等。

(4)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(5)繪制零件工作圖，制定技術(shù)要求，編寫設(shè)計(jì)說明書及有關(guān)技術(shù)文件。對于不同的零件和工作條件，以上這些設(shè)計(jì)步驟可以有所不同。此外，在設(shè)計(jì)過程中，這些步驟又是相互交錯(cuò)、反復(fù)進(jìn)行的。應(yīng)當(dāng)指出，在設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)往往是將較復(fù)雜的實(shí)際工作情況進(jìn)行一定的簡化，才能應(yīng)用力學(xué)等理論解決機(jī)械零件的設(shè)計(jì)計(jì)算問題，因此，這種計(jì)算或多或少帶有一定的條件性或假定性，稱為條件性計(jì)算。機(jī)械零件設(shè)計(jì)基本上是按條件性計(jì)算進(jìn)行的，如注意到公式的適用范圍，一般計(jì)算結(jié)果具有一定的可靠性，并充分考慮了機(jī)械零件的安全性。為了使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況，必要時(shí)可進(jìn)行模型試驗(yàn)或?qū)嵨镌囼?yàn)。本書在介紹各種零件設(shè)計(jì)時(shí)，其內(nèi)容的安排順序基本上是按照圖1-1所示的設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行的。1-1機(jī)械設(shè)計(jì)的一般過程1.3機(jī)械零件的失效形式及設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則

1.3.1失效形式機(jī)械零件最常見的失效形式有以下幾種。

1.斷裂機(jī)械零件的斷裂通常有以下兩種情況:

(1)零件在外載荷的作用下，某一危險(xiǎn)截面上的應(yīng)力超過零件的強(qiáng)度極限時(shí)，將發(fā)生斷裂(如螺栓的折斷)。

(2)零件在循環(huán)變應(yīng)力的作用下，危險(xiǎn)截面上的應(yīng)力超過零件的疲勞強(qiáng)度而發(fā)生疲勞斷裂。

2.過量變形

當(dāng)零件上的應(yīng)力超過材料的屈服極限時(shí)，零件將發(fā)生塑性變形。當(dāng)零件的彈性變形量過大時(shí)也會(huì)使機(jī)器的工作不正常，如機(jī)床主軸的過量彈性變形會(huì)降低機(jī)床的加工精度。

3.表面失效表面失效主要有疲勞點(diǎn)蝕、磨損、壓潰和腐蝕等形式。表面失效后通常會(huì)增加零件的摩擦，使零件尺寸發(fā)生變化，最終造成零件的報(bào)廢。

4.破壞正常工作條件引起的失效

有些零件只有在一定的工作條件下才能正常工作，否則就會(huì)引起失效，如帶傳動(dòng)因過載發(fā)生打滑，使傳動(dòng)不能正常工作。1.3.2設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則

同一零件對于不同失效形式的承載能力各不相同。根據(jù)不同的失效原因建立起來的工作能力判定條件，稱為設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則，主要包括以下幾種。1.強(qiáng)度準(zhǔn)則強(qiáng)度是零件應(yīng)滿足的基本要求。它是指零件在載荷作用下抵抗斷裂、塑性變形及表面失效(磨粒磨損、腐蝕除外)的能力。強(qiáng)度可分為整體強(qiáng)度和表面強(qiáng)度(接觸與擠壓強(qiáng)度)兩種。整體強(qiáng)度的判定準(zhǔn)則為:零件在危險(xiǎn)截面處的最大應(yīng)力(σ，τ)不應(yīng)超過允許的限度(稱為許用應(yīng)力，用［σ］或［τ］表示)，即σ≤［σ］或τ≤［τ］另一種表達(dá)形式為:危險(xiǎn)截面處的實(shí)際安全系數(shù)S應(yīng)大于或等于許用安全系數(shù)［S］，即

S≥［S］對于受擠壓的表面，擠壓應(yīng)力不能過大，否則會(huì)發(fā)生表面塑性變形、表面壓潰等。擠壓強(qiáng)度的判定準(zhǔn)則為:擠壓應(yīng)力σP

應(yīng)小于或等于許用擠壓應(yīng)力[σP]，即σP≤[σP]

2.剛度準(zhǔn)則

剛度是指零件受載后抵抗彈性變形的能力。其設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則為:零件在載荷作用下產(chǎn)生的彈性變形量應(yīng)小于或等于機(jī)器工作性能允許的極限值。

3.耐磨性準(zhǔn)則設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使零件的磨損量在預(yù)定期限內(nèi)不超過允許量。由于磨損機(jī)理比較復(fù)雜，通常采用條件性的計(jì)算準(zhǔn)則，即零件的壓強(qiáng)不大于零件的許用壓強(qiáng):P≤［P］

4.散熱性準(zhǔn)則零件工作時(shí)，溫度過高將導(dǎo)致潤滑劑失去作用，材料的強(qiáng)度極限下降，引起熱變形及附加熱應(yīng)力等，從而使零件不能正常工作。散熱性準(zhǔn)則為:根據(jù)熱平衡條件，工作溫度t不應(yīng)超過許用工作溫度[t]，即t≤[t]

5.可靠性準(zhǔn)則

可靠性用可靠度表示，對那些大量生產(chǎn)而又無法逐件試驗(yàn)或檢測的產(chǎn)品，更應(yīng)計(jì)算其可靠度。零件的可靠度用零件在規(guī)定的使用條件下、在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能正常工作的概率來表示，即用在規(guī)定的壽命時(shí)間內(nèi)能連續(xù)工作的件數(shù)占總件數(shù)的百分比表示。如有Nt個(gè)零件，在預(yù)期壽命內(nèi)只有Ns個(gè)零件能連續(xù)正常工作，則其系統(tǒng)的可靠度為1.4機(jī)械零件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、

系列化及通用化

按規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的零件稱為標(biāo)準(zhǔn)件。標(biāo)準(zhǔn)化給機(jī)械制造帶來以下好處:

(1)由專門化工廠大量生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件，能保證質(zhì)量、節(jié)約材料、降低成本;

(2)選用標(biāo)準(zhǔn)件可以簡化設(shè)計(jì)工作，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期;

(4)具有互換性，從而簡化機(jī)器的安裝和維修。設(shè)計(jì)中選用標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)，由于受到標(biāo)準(zhǔn)的限制而使選用不夠靈活，若選用系列化產(chǎn)品，則從一定程度上解決了這一問題。通用化是指在不同規(guī)格的同類產(chǎn)品或不同類產(chǎn)品中采用同一結(jié)構(gòu)和尺寸的零、部件，以減少零、部件的種類，簡化生產(chǎn)管理過程，降低成本和縮短生產(chǎn)周期。由于標(biāo)準(zhǔn)化、系