第一章精密机械设计的基础知识课件.ppt

1、第一章 机械设计的基础知识1-1 概述1-2 机械零件的工作能力及其计算准则1-3 零件与机构的误差估算和精度零件与机构的误差估算和精度1-4 零件部件的工艺性零件部件的工艺性1-5 标准化标准化 系列化系列化 通用化通用化（称三化）（称三化）1-6 零件的设计方法及其发展零件的设计方法及其发展第一章 机械设计的基础知识 11 概述 一、设计精密机械时应满足的基本要求（其他机械也一样）1功能要求：首先满足功能要求。如设计发动机活塞检测仪时首先满足功能要求：监测、控制、显示记录、数据处理、打印、误差校正和补偿等功能 2 可靠性要求；在一定时间、一定使用条件下有效地实现预期功能工作安全可靠、操作维

2、修方便。要有足够的强度、刚度、绕度（稳定性）3 精度要求：精度要求是精密机械的一项重要指标，设计时必须保证精密机械正常工作时的精度要求。如回转精度、导轨导向精度4经济性要求：成本低零件结构简单、工艺性好、省料，标准化、通用化、系列化 5人-机友好：造型美观大方、色彩柔和、操作宜人 二、精密机械设计的一般步骤 新产品开发都必须经过设计过程：开发性设计利用新原理、新技术设计新产品;适应性设计保留原产品的原理及方案不变，只对个别零 部件进行重新设计;变参数设计保留原产品的功能、原理方案和结构，仅改变零部件的尺寸和结构布局形成系列产品。新产品开发设计，从提出任务到投放市场的全部程序要经过如下四个阶段：

3、1调查决策阶段：了解市场（用户）需求，收集有关的技术资料及新技术、新工艺、新材料的应用情况。拟定新产品开发计划书。方案多样，反复分析优化。决策是非常关键的一不，直接影响设计工作和产品开发成本2研究设计阶段：在决策后进行。1）第一步主要为功能设计研究称前期开发，任务是解决技术中的关键问题。需要对新产品进行实验研究和技术分析，验证原理的可靠性和发现存在的问题。并写出总结报告和、总布局图和外形图等等 2）第二步为新产品的技术设计称后期开发，完成后应绘制总装配图、部件装配图、零件工作图、各种系统图（传动系统、液压系统、电路系统、光路系统等）以及详细的设计说明书、使用说明和验收规程等各种技术文件。以上各

4、个环节须相互配合与联系，设计工作往往经过多次修改与反复，逐步逼近，达到优化（技术先进可靠、经济合理、造型美观）3试制阶段：样机试制完成后，应进行样机实验，并作出全面的技术经济评价，以决定设计方案是否可行或需要修改。投产销售阶段：样机实验成功后，对于批量生产的产品尚须进行工艺、工装方面的生产设计。经小批试制、用户试用、改进和鉴定后，即可投入正式生产与销售。经过开展售后服务（），发现产品薄弱环节，进一步完善产品设计，提高产品可靠性，萌发新的设计构思，开发新产品。精密机械（机器）设计的一般程序 市场调研可行性研究原理方案设计技 术设 计试制试验小批生产试销投产设计任务书定出最佳方案装配图、零件图、技

5、术文件样机评价改进考核工艺性收集用户意见产品销售 1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷 2）选择零件的类型与结构PKPAd三、机械零件设计的一般步骤3）选择零件的材料4）按可能的失效形式确定零件的计算准则，并确定零件的 基本尺寸，并加于标准化和圆整5）零件的结构设计 6）绘制零件的工作图，并编写计算说明书12 机械零件的工作能力及其计算准则 一、机械零件的工作能力 工作能力零件不发生失效时的安全工作限度。即零件为达到预期的设计要求较长期使用（在一定时间、一定使用条件下有效地实现预期功能）的能力，如要有足够的强度、刚度、绕度（稳定性）、耐磨性、精度等 失效零件丧失正常工作能力或达不到设计要

6、求的性能失效形式：强度失效、刚度失效、磨损失效、振动、噪声失效、精度失效、可靠性失效二、机械零件的计算准则 计算准则以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件工作能力计算依据的基本原则1、强度准则 tSSlimlim疲劳极限塑性材料脆性材料)()()()(limlimYYSSBB2、刚度准则 零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力 是零件抵抗外载荷作用的能力，即零件在载荷作用下抵抗破坏的能力。强度不够产生断裂、变形零件丧失工作能力。衡量参数有：yy y可以是挠度、偏转角或扭转角 3、耐磨性准则 作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力 pvpvpp4、振动和噪声准则 ffffpp15.1,85.05

7、、热平衡准则 tt6、可靠性准则 系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。：可靠度表示零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率 tRN个相同零件在同样条件下同时工作，在规定的时间内有Nf个失效，剩下Nt个仍继续工作，则 NNNNNNNRfftt1不可靠度（失效概率）：1,1tttftFRRNNFn个零件组成的串联系统，单个零件的可靠度:R1、R2、Rn，则系统的可靠度为Rf=R1R2Rn三、强度在计算零件强度时，需要根据作用在零件上载荷的大小、方向、性质和工作情况，确定零件中的应力。作用在零件上的载荷和相应的应力，按随时间变化的情况可分为：2）变载荷、变应力：

8、随时间作周期变化的载荷与应力。1）静载荷、静应力：不随时间变化或缓慢变化的载荷与应力 1载荷与应力一 个 循 环OOtt规律性不稳定变应力随机变应力注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生。如转动齿轮轴应力(径向力方向不变即弯矩不变)，OatOta应力循环中最大应力max与最小应力min平均为平均应力m，平均应力m、应力幅度、循环特性r、min、max之间关系为：=（max-min）/2A）对称循环应力：|min|=|max|，即 r=-1、m=0B）不对称循环应力：r-1、m0C）脉动应力：特例r=0、m=1/2|max|载荷又分：1名义载荷稳定、理想工作状

9、态下作用在零件上的载荷。2计算载荷为提高零件可靠性，考虑零件工作实际情况，如变形、工作阻力变化、工作状态变化（启停）、冲击等因素，将名义载荷乘以一些系数加以修正。maxmintm=（min+max）/2r=min/max 零件整体抵抗载荷作用的能力称零件整体强度。判断零件整体强度的方法（准则）有两种：、而=lim/s、=lim/slim、lim 零件材料的极限应力，s、s=s1*s2*s3许用安全系数2.零件的整体强度1）将零件在载荷作用下产生的应力（、）与零件许用应力（、）相比较，其强度条件为:应力-应变图1）2）将零件在载荷作用下的实际安全系数s、s与许用安全系数 s、s比较，其强度条件为

10、A）对静应力情况下的强度：可以使用以上两种判断方法。对塑性材料制成的零件取材料的屈服极限s、s作为零件的极限应力；对脆性材料制成的零件取材料的强度极限sb、b作为零件的极限应力。B）对变应力情况下的强度：零件失效形式主要为疲劳断裂（先形成初始裂纹-扩展直到断裂），它不仅与应力的大小有关，还与应力循环次数有关。因此提出疲劳极限用rN的概念s=lim/s、s=lim/s特别是当r=一定时，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为表示。NrN关系图为应力疲劳曲线)(NNNN当r一定时，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为疲劳极限用rN表示。疲劳寿命（N）材料疲劳失效前所经历的

11、应力循环次数N疲劳曲线：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线No 循环基数 对应无限寿命区的疲劳极限，称持久极限ONN0NN有 限 寿 命 区N无 限 寿 命 区）有限寿命区 当N103(104)高周循环疲劳当 时随循环次数疲劳极限043)10(10NN ONN0NN有 限 寿 命 区N无 限 寿 命 区l注意：有色金属和高强度合金钢无限寿命区，没有水平部分。）无限寿命区0NN N持久极限对称循环：脉动循环：0011l）疲劳曲线方程)10(10(043NN CNNmmN00CNNmmNm-与应力状态有关的指数，为常数LmNKNN0mLNNK0寿命系数l推出疲劳极限几点

12、说明：l No 硬度350HBS钢，No=107l 350HBS钢，No=(10-25)x107l有色金属(无水平部分)，规定当No25x107时,近似为无限寿命区 m指数与应力与材料的种类有关。l钢 m=9拉、弯应力、剪应力 m=6接触应力l青铜 m=9弯曲应力 m=8接触应力 应力循环特性越大，材料的疲劳极限与持久极限越大，对零件强度越有利。对称循环（应力循环特性=-1）最不利无限寿命零件承受的变应力低于疲劳极限r时，总循环次数NN0影响疲劳强度的因素：应力集中的影响（圆角、凹槽、缺口）；绝对尺寸大小（剖面尺寸）尺寸大疲劳强度小；表面光洁度；表面硬度；提高材料疲劳强度的因素：高屈服极限高和

13、细晶粒的材料；零件截面形状变化平缓，减小应力集中；改善表面质量（表面喷丸，表面碾压）；减少材料冶金缺陷分）表面接触强度H；2）表面磨损强度P或PV在精密机械中，经常遇到两个零件上的曲面相互接触传递压力，理论上是点接触或线接触实际上由于接触部分的局部弹性变形而形成面接触由于接触面积很小，使表层产生的局部应力却很大。该应力称为接触应力。在表面接触应力作用下的零件强度称为接触强度计算依据：弹性力学的赫兹公式 1）表面接触强度（应力）(1)两圆柱体接触2HmaxHmaxF2 abF1.零件的表面强度H 最大接触应力；F接触线单位长度上的应力，=b；两圆柱体在接触处的综合曲率半径。1/=1/11/2 正

14、号用于外接触，负号用于内接触。E1、E2两圆柱体材料的弹性模量；1、2两圆柱体材料的泊松比，当1=1=时，H可简化为：22212111EEFHbFEEEEH418.0,3.0max2121）21(2EFH当两钢制圆拄两钢制圆拄在力F作用下相压时，最大接触应力H为：(2)(2)两球接触两球接触3222121max1111EEpbFH322max2121388.0,3.0pEFEEEH时Hmax2FHmax2 c1F综合曲率半径内接触外接触21111ppp21maxFH31maxFH说明）圆柱体 ，球 Hmax与F不呈线性关系）同样的p1、p2下，内接触时较小，Hmax较小，约为外接触时的48%，

15、重载情况下，采用内接触，有利于提高承载能力或降低接触副的尺寸。211maxpH321maxpH）圆柱体 ，球 越大，Hmax越小(3)失效形式失效形式 静应力:表面压碎 脆性材料,表面塑性变形塑性材料变应力：疲劳点蚀齿轮、滚动轴承的常见失效形式。多数出现疲劳点蚀（局部应力大于许用强度）在循环应力作用下接触表面产生疲劳裂纹，裂纹扩展导致表面小块金属脱落。点蚀又分：扩张性点蚀（产生于硬度大的材料）；局限性点蚀（产生于软载荷小的材料），疲劳点蚀使零件表面失去正确形状、降低工作精度、产生噪声和振动、降低零件使用寿命。(4)提高接触疲劳强度的措施 控制最大接触应力 提高接触表面硬度（加大），改善表面加工

16、质量 增大综合曲率半径，降低接触应力H；改外接触为内接触，点接触线接触 采用高粘度润滑油，运动粘度是通过200CM3的油容器流过2。8MM的小管所需时间与200C时的蒸馏水在相同情况下时间比。HHmax2）表面磨损强度磨损零件的表面形状与尺寸在摩擦的条件下逐渐改变的过程，当磨损量超过允许值时，即失效（可以是表面间的硬质微粒或两表面相对运动产生刮削引起的）。磨损危害：降低零件的强度、增大接触面间的摩擦、降低传动效率和零件工作精度；但磨损也有好处如机器跑合、研磨等。磨损过程（零件从开始到失效的过程）分三个阶段：跑合阶段 稳定磨损阶段 崩溃磨损阶段减小磨损的基本方法：（1）良好润滑，减小或使表面不直

17、接接触（2）定期清洗或更换润滑剂；（3）采用密封；（4）合理选用摩擦表面材料；为减小贵重零件的过早磨损，常把另一零件的表面采用减磨材料制造。常用材料有巴氏合金、青铜、某些铸铁和塑料。抗磨损强度计算：影响磨损因数很多，如载荷的性质大小、相对运动速 度、润滑和冷却等，所以很难用理论公式计算。实践中采用如下方法判断：P P PVPVV接触表面相对滑动速度（M/S）；P许用压强；PV许用PV值刚度反映零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。刚度大小用产生单位变形所需的外力或外力矩表示。静刚度由静载荷与变形关系确定的刚度动刚度由变载荷与变形关系确定的刚度四、刚度 用金属材料制的零件静刚度、动刚度数值基本相同

18、；某些非金属材料制的零件他们不同，如橡胶材料机器工作中某些零件要求有足够的刚度，如齿轮传动中轴刚度影响齿轮传动精度；有些只要求一定的刚度，要求零件产生一定变形，如弹性元件、减震器等。刚度计算方法：由工程力学知F=F/=3EIa/L3=Ebh3/4L3计算刚度要先计算绕度（y）或扭转角 由于碳素钢与高强度合金钢的E相差很小，如只满足刚度要求时，应选价格低的碳素钢。提高刚度措施有加大截面面积、减小支承点之间的距离、采用加强筋等。部件刚度受多种因数影响，很难精确计算。目前部件的刚度计算只是估算。成量的镗刀。33343LEbhLEIFFaLbh 任何零件都具有一定的刚度和一定的质量，因此任何零件或部件

19、都有一定的固有频率。如圆柱形拉压螺旋弹簧的固有频率为：K与圆柱形拉压螺旋弹簧两端固定有关的系数；弹性元件或由弹性元件与其他零部件组成的系统，固有频率低，常常与载荷频率相同而产生共振。5.振动稳定性（抗振性）振动稳定性（抗振性）kmFn零件在变载荷作用下将产生振动，如零件固有频率与载荷固有频率一样，将发生共振现象。共振现象往往是有害的。防止共振的方法消除引起共振的载荷。使N远离载荷频率，N与外有振动频率成整数倍；或利用静动平衡或加平衡重方法加以解决；或将零件安装在减振器上。误差可用于不同的对象和场合，可理解为测得实际值与理想（论）值之差。精度精度高低是用误差大小衡量的，可理解为测得实际值与理想（

20、论）值接近程度。1、零件误差、零件误差，按其使用场合不同可分为两种：1）加工误差：加工时零件实际尺寸与形状与理想（论）值 之间的差异；2）特性误差：零件实际特性与给定特性之间的差异；13零件与机构的误差估算和精度零件与机构的误差估算和精度一、一、零件与机构的误差零件与机构的误差 2、机构的误差：机构的误差：1）机构的误差：指实际机构运动精度与理想机构运动精度之间的偏差，常用机构的位置误差和位移误差表示。理想机构：绝对精确地实现给定运动规律的机构。但机构的各个构件不是绝对刚体、又有制造精度，所以理想机构并不存在，实际机构与理想机构运动总有差别的。如图19为实际机构 2）机构的位置误差 实际机构与

21、理想机构的主动件位置相同时（在a0或a1 位置），两者从动件位置的偏差；如图所示B0B0或B1B1，用S表示初始位置误差 实际与理想机构的主动件位移相同时（从a0到a1），两者从动件位移的偏差；如图所示用位移误差S表示：S=B1B0-B0B13）机构的位移误差上式表示机构的位移误差等于机构在两个位置上的位置误差之差。=(B1B1B1B0)-(B1B0B0B0）=B1B1 B0B0 当零件或机构的运动解析式已知时，可采用全微分法计算其特性误差。如图1-8之片簧。其特性式为),(433EhbLfEbhFL二、误差估算的基本方法二、误差估算的基本方法写成增量式，并略去高介无穷小：dEEfdhhfdb

22、bfdllfd对上式全微分可得片簧特性的绝对误差：EEfhhfbbfllf 上式计算的值是绝对误差，绝对误差相同零件的运动范围越大，性能越好。因此用相对误差来表示零件的特性误差更能反映误差的实际大小，用下式表示。2222)()()()(EEfhhfbbfllf 当片簧制成后，L、b、h、E等分别产生的原始误差L、b、h、E为已知，则片簧特性误差可由前式计算。但原始误差L、b、h、E是以公差的形式给出，实际的具体误差值不能预知，是随机变量（大小方向不知），因此应采用数理统计的方法来计算max （1）设计误差：采用近似机构或采用近似假设，使设计的零件、机构在原理上产生误差，也称原理误差。正切机构

23、影响零件和机构特性误差的原始误差可归纳为以下三类；l 误差估算：（1）加工误差：系统误差大小方向按一定规律变化；偶然误差大小方向随机的（用数理统计方法）（2）特性误差的估算（2）工艺误差（制造误差）：加工、装配、调整不准（3）使用误差：产生在使用过程中，零件配合表面间的磨损、载荷作用下变形、环境温度变化引起零件尺寸改变及振动等因数造成的误差。精密机械能够最经济地制造出来，在机构设计过程中，经常应考虑整体的机构工艺性和各个零件的工艺性。一、工艺性良好的机构和零件应当是：（1）制造和装配工时少 （2）需要复杂设备少 （3）材料消耗少 （4）准备生产的费用少 对不同生产条件和不同企业，机构工艺性、零

24、件工艺性好与否并不相同，要具体问题具体分析。14 零件部件的工艺性零件部件的工艺性 二、改善机构工艺性的通用性原则：（1）整体结构易于拆卸成若干部件，装配、维修检验方便；（2）尽量使用标准件，及同一规格零件零部件具有互换性，精度要求高时，采用调节环，分组技术 l 三、改进零件工艺性的通用性原则：（1）合理选择毛坯的种类：模锻、冲压大批量生产；（2）零件形状简单，减少加工表面 （3）零件上的孔、槽、键用标准刀具 满足工作要求前提下，合理确定加工精度、表面粗糙度、热处理条件等。在不同类型、不同规格的各种精密机械中，有相当多的零部件可以是相同的，所以可将他们标准化，并按尺寸不同加以系列化。使设计者毋

25、须重复设计，只用查标准选用即可。通用化系列之内或跨系列的产品之间，尽量采用同一机构和尺寸的零部件，以减少零部件数，从而简化生产管理提高效率。15 标准化标准化 系列化系列化 通用化（称三化）通用化（称三化）（1）减轻设计工作量，设计人员主要精力用于关键零部件结构设计；（2）便于专业厂家大规模、专业化、高质量、经济地生产标准零部件；（3）增大互换性，便于维修与管理；（4）有利于增加产品品种，扩大批量，达到产品的优质、高产、和低消耗。采用三化的意义：三化是长期生产实践和科研成果的可靠的技术总结。三化是我国目前很重要的一项技术政策；是评定产品优劣的指标之一。目前我国现行标准分为国家标准、专业标准、行

26、业标准。加入WTO后，各国标准都可能接触。因此要逐步与国际标准接轨。新产品和出口产品首先应采用国际标准。16 零件的设计方法及其发展零件的设计方法及其发展 零件的设计方法有以下几种：1理论设计利用物理力学等基础课程及本课程的理论知识进行设计称理论设计。又可分：(1)设计计算根据载荷情况和给定的特性要求，由计算公式直接计算出某些零部件的主要尺寸。如圆拄形拉杆设计(2)校核设计先选用标准件、规格化零件、或结构空间初步定出零件尺寸和形状，再用理论计算的方法，校核零件截面的应力或其特性。2 经验设计 根据对某类零件已有的设计或使用实践而总结出来的经验关系式，或者根据设计者的经验，采用类比方法进行的设计

27、。由于经验设计经过实践的验证，具有较大的实用价值。用于目前不好理论分析设计的零件设计中。3 模型实验设计 对某些零件，先初步定出零件的尺寸和形状，做出模型，进行实验，根据实验结果进行修改。模型实验设计借助模型实验弥补理论上的不足。计算机技术发展，可用仿真技术，是既安全又经济的方法，在精密设计中越来越广。设计方法的新发展设计方法的新发展 现代产品的主要特点表现在广泛采用现代技术，对产品的功能、可靠性、效益提出了更高要求，而这些要求的实现主要取决于设计。可靠性设计；优化设计；CAD等出现加快了新产品的开发。1可靠性设计：按传统的强度设计方法（）设计零件，由于材料强度、外载荷、和加工尺寸等都存在着离

28、散性，有可能出现达不到预定工作时间而失效的情况。因此，希望能将出现失效情况的概率控制在一定范围之内，这就对零件提出了可靠性问题。采用可靠性设计能定量给出零件可靠性的概率值。2机械优化设计：利用现代数学、物理、力学的成就及计算机技术对各种机械设计问题如方案、参数匹配、机构设计、结构及系统设计等寻求最佳设计的一种理论和方法。优化设计的基本思想是选择一组设计变量，在满足给定的约束条件下，达到目标函数的最大值（极大或极小）。设计精密机械时，设计变量可以是结构尺寸、运动参数、节点位置坐标等。约束条件是对外形尺寸、位置的限制或强度刚度的限制。设计目的是根据机械使用要求确定的，如最小体积、最轻重量、最长寿命

29、、最低成本等。3CAD技术各种CAD技术不断涌现，发展和完善。OUTCADR10R142000。17 机械零件常用的材料及其选择原则 一、机械零件的常用材料 1、黑色金属 铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁铸钢铸造性比铸铁差，但比锻钢和轧制钢好。强度性比铸铁好，但比锻钢和轧制钢差碳钢与合金钢应用最广泛2、有色金属a)铝合金重量轻、导热导电性较好、塑性好、抗氧化性好，高强度铝合金强度可与碳素钢相近b)铜合金黄铜：Cu与Zn合金 青铜：Cu与Sn的合金 无锡青铜：Cu与铝、硅、锰、镍的合金。3、非金属材料 塑料轻、易加工成形、减摩性好，强度低，可作为普通机械零件、绝缘体 陶瓷电热性好，硬度高 橡胶弹

30、性、绝缘性好，常用作弹性元件和密封元件、减震元件4、复合材料二、机械零件材料选用的原则 1、使用要求2、工艺要求3、经济性要求比例极限p弹性极限e屈服极限s强度极限b低碳钢的拉伸图反映了试件的变形及破坏的情况，但还不能代表材料的力学性能。因为试件尺寸的不同，会使拉伸图在量的方面有所差异，为了定量地表示出材料的力学性能，将拉伸图纵、横坐标分别除以A0及l0，所得图形称为应力-应变图（-图），=F/A0（见第5章），=l/l。图4-3为低碳钢的应力 应变图。由图可见，应力 应变图的曲线上有n个特殊点（如图中a、b、c、e等），当应力达到这些特殊点所对应的应力值时，图中的曲线就要从一种形态变到另一种形态。