机械设计基础知识 PPT

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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2、机械零件的主要失效形式和计算准则
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
若某产品工作至3000小时的可靠度R（t）=0.96，则表示有
96%的产品可以正常工作到3000小时以上，对具体一件产品来讲 ，其工作到3000小时的概率为96%。
失效率是指产品工作到t时刻，在下阶段 的单位时间内发生
失效的概率，可以证明，其数学表达式为
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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。
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
➢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
➢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。
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
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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
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。
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。
----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
机械设计基础知识
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主讲人—洪延梓 2010年11月5日
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
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。
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
流程：
计
提出任务
分析对机器的要求
划
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
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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
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
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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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2、机械零件的主要失效形式和计算准则
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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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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
2.2.6、可靠性准则
可靠性是产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规 定功能的能力。产品的质量一般应包含性能指标和可靠性指标 。机械产品的性能指标是指产品具有的技术指标，如机械的功 率、转矩、工作力、工作速度等。如果只有性能指标，没有可 靠性指标，产品的性能指标也得不到保证。例如，一台技术先 进的飞机，如果可靠性不高，势必经常发生故障，影响正常飞 行和增加维修费用，甚至可能造成严重的事故。产品的可靠性 用可靠度R（t）来衡量。可靠度的定义是：产品在规定的条件 下和规定的时间内完成规定功能的概率。可靠度是时间的函数 。有一批数量为n的相同产品，在t=0开始工作，随着时间的延 续，失效的件数no（t）在加大，正常工作的件数ni（t）在减 少，在任意时刻t产品可靠度为
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 。