機械工程學(xué)基本知識

機械工程學(xué)基本知識一、機器的基本組成1、機器的基本組成要素在一臺現(xiàn)代化的機器中，常會包含著機械、電氣、液壓、氣動、潤滑、冷卻、信號、控制、監(jiān)測等系統(tǒng)的部分或所有，但是機器的主體仍為機械系統(tǒng)。無論分解哪一臺機器，它的機械系統(tǒng)總是由一些機構(gòu)組成；每個機構(gòu)又是由許多零件組成。所以，機器的基本組成要素就是機械零件（也就是制造裝配的單元）。通用零件—在各種機器中經(jīng)常都能用到的零件，如螺釘、螺母、齒輪、鏈輪等等機械零件專用零件—在特定類型的機器中才干用到的零件，如渦輪機的葉片、飛機的螺旋槳、往復(fù)式活塞內(nèi)燃機的曲軸等等任何機器的性能，都是建立在它的重要零件的性能或某些關(guān)鍵零件的綜合性能的基本之上的。比如我們公司的成型機，其重要性能在于轉(zhuǎn)輪、壓棒、壓輪以及模具等等之間的配合，只有這些零件的性能得到保證，我們才干保證整機的綜合性能，才干保證機臺的精密度（暫不考慮人的因素）。2、機器的基本組成部分控制系統(tǒng)輔助系統(tǒng)，例如潤滑、顯示、照明等執(zhí)行部分傳動部分原動機部分一部完整的機器的組成如下圖所示：控制系統(tǒng)輔助系統(tǒng)，例如潤滑、顯示、照明等執(zhí)行部分傳動部分原動機部分原動機部分：驅(qū)動整部機器以完畢預(yù)定功能的動力源（簡樸的一個原動機，復(fù)雜的有好幾個，現(xiàn)代使用的為電動機或熱力機，如我們的成型機，切割機都用電動機）執(zhí)行部分：完畢機器預(yù)定功能的組成部分。（如成型機的模具壓制成型功能，切割機的砂輪的切割功能等等）傳動部分：完畢把原動機的運動形式、運動及動力參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行部分所需的運動形式、運動及動力參數(shù)。例如把旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，高轉(zhuǎn)速變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速，小轉(zhuǎn)矩變?yōu)榇筠D(zhuǎn)矩，把轉(zhuǎn)輪的軸線轉(zhuǎn)過90度（應(yīng)用渦輪渦桿）。以上三部分只是機器的三個基本部分，隨著機器功能越來越復(fù)雜，對機器的精確度規(guī)定也就越來越高，如只有以上三個部分，使用起來就會碰到很大的困難，所以，我們還會在機器上不同限度地增長其它部分，如控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。例如新成型機的報數(shù)系統(tǒng)。以新成型機為例，電動機是成型機的原動機；渦桿渦輪組成傳動部分；模具及上下滾輪組成執(zhí)行部分；控制面板上的啟動、停止、調(diào)速器等等組成控制系統(tǒng)；速度表、電表、產(chǎn)品記數(shù)器等組成顯示系統(tǒng)；照明燈及儀表盤燈組成照明系統(tǒng)；報數(shù)警報器及安全感應(yīng)器組成信號系統(tǒng)等。二、機械零件設(shè)計的一般環(huán)節(jié)（一）根據(jù)機器的總體設(shè)計方案，針對零件的工作情況進行載荷分析、建立力學(xué)模型、考慮影響載荷的各項因素，擬定零件的計算載荷。（二）分析零件在工作時也許出現(xiàn)的失效形式，擬定零件工作能力的計算準(zhǔn)則。（三）根據(jù)零件的工作條件和對零件的特殊規(guī)定選擇合適的材料，并擬定必要的熱解決或其它解決。（四）分析零件的應(yīng)力或變形，根據(jù)工作能力計算準(zhǔn)則建立或選定相應(yīng)的計算式，計算出零件的重要尺寸，并加以標(biāo)準(zhǔn)化或圓整。（五）根據(jù)計算得出的重要尺寸并結(jié)合結(jié)構(gòu)上和工藝上的規(guī)定，繪制零件工作圖。并寫出零件的計算說明書。三、機械零件的重要失效形式整體斷裂：零件在受拉、壓、彎、剪、扭等外載荷作用時，由于某一危險截面上的應(yīng)力超過零件的強度極限而發(fā)生的斷裂，或者零件在受變應(yīng)力作用時，危險截面上發(fā)生的疲勞斷裂均屬此類。如螺栓的斷裂、齒輪齒根部的折斷等。過大的殘余變形：假如作用于零件上的應(yīng)力超過了材料的屈服極限，則零件將產(chǎn)生殘余變形。機床上夾持定位零件的過大的殘余變形，要減少加工精度；高速轉(zhuǎn)子軸的殘余撓曲變形，將增大不平衡度，并進一步地引起零件的變形。零件的表面破壞：重要是腐蝕、磨損和接觸疲勞。 腐蝕：發(fā)生在金屬表面的一種電化學(xué)或化學(xué)侵蝕現(xiàn)象，其結(jié)果是使金屬表面產(chǎn)生銹蝕，從而使零件表面遭到破壞，與些同時，對于承受變應(yīng)力的零件，還要引起腐蝕疲勞的現(xiàn)象。 磨損：兩個接觸表面在作相對運動的過程中表面物質(zhì)喪失或轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。（我廠此失效最多） 疲勞：受到接觸應(yīng)力長期作用的表面產(chǎn)生裂紋或微粒剝落的現(xiàn)象。四、設(shè)計機械零件時應(yīng)滿足的基本規(guī)定 1、避免在預(yù)定的壽命期內(nèi)失效 1）強度（斷裂、不允許的殘余變形屬于強度的問題；再者要考慮到在運送中的強度問題） 措施：a材料;b截面尺寸；c熱解決；d制造精度（減少工作中的動載荷）等等2）剛度（彈性變形不超過允許的限度，就滿足規(guī)定） 整體剛度（整體伸長、縮短、撓曲、扭轉(zhuǎn)）：可增大截面尺寸或截面的慣性距等； 表面接觸剛度：增大貼合面而減少壓力；精加工；3）壽命：正常工作延緩的時間。影響因素：a材料的疲勞；b材料的腐蝕；c相對運動零件接觸表面的磨損；2、結(jié)構(gòu)工藝性規(guī)定，即在既定的生產(chǎn)條件下，可以方便而經(jīng)濟地生產(chǎn)出來，并便于裝配成機器。 3、經(jīng)濟性規(guī)定，零件的設(shè)計、生產(chǎn)成本等（受工藝性影響） 4、質(zhì)量小的規(guī)定（好處：節(jié)省材料；對運動零件來說，可減小慣性；）可采用措施：a緩沖裝置，減少沖擊載荷；b采用安全裝置來限制作用在重要零件上的最大載荷；c從零件上應(yīng)力較小處削減部分材料，以改善零件受力的均勻性，從而提高材料的運用率；d采用與工作載荷相反方向的預(yù)載荷，以減少零件上的工作載荷；e采用輕型薄壁的沖壓件或焊接件來代替鑄、鍛零件，以及采用強重比（即強度與單位體積材料所受的重力之比）高的材料等。 5、可靠性規(guī)定：即在規(guī)定的使用時間（壽命）內(nèi)和預(yù)定的環(huán)境條件下，零件可以正常地完畢其功能的概率。（提高措施：使工作條件和零件性能兩個方面的隨機變化盡也許?。┪濉C械零件的設(shè)計準(zhǔn)則 1、強度準(zhǔn)則：指零件中應(yīng)力不得超過允許的限度。其代表性的表達(dá)式為δ≤δlim考慮到各種偶爾性或精確分析的影響，上式右邊要除以設(shè)計安全系數(shù)S，即δ≤δlim/S 2、剛度準(zhǔn)則：即零件在載荷作用上產(chǎn)生的彈性變形量y（y由理論或?qū)嶒灧椒〝M定）小于或等于機器工作性能所允許的極限值[y].，y≤[y] 3、壽命準(zhǔn)則：由于影響壽命的重要因素----腐蝕、磨損和疲勞是三個不同的范疇的問題，所以它們各自發(fā)展過程的規(guī)律也就不同。迄今為止，還沒提出實用有效的腐蝕壽命計算方法，因而也無法列出腐蝕的計算準(zhǔn)則。關(guān)于磨損的計算方法，由于其類型眾多，產(chǎn)生的機理尚未完全搞清，影響因素也很復(fù)雜，所以尚無可供工程實際使用的可以進行定量計算的方法。關(guān)于疲勞壽命，通常是求出使用壽命時的疲勞極限或額定載荷來作為計算的依據(jù)。 4、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則：在設(shè)計時要使機器中受激振作用的各零件的固有頻率與激振源的頻率錯開。f代表零件的固有頻率，fp代表激振源的頻率，則通常應(yīng)保證如下的條件：0.85f＞fp或1.15f＜fp 5、可靠性準(zhǔn)則：可靠度R=N/N0（總件數(shù)為N0t時間后仍有N件正常）如實驗時間延長，則N減小，R也變化。則R是t函數(shù)。設(shè)時間t到t+dt的間隔中，又有dN件零件壞了，則在此dt時間間隔內(nèi)破壞的比率λ(t)定義為λ(t)=-dN/(dt*N)-------失效率，負(fù)號表dN的增大將使N減小。分離變量并積分得-∫t0λ(t)dt=∫NN0dN/N=lnN/N0=lnR即R=e-∫t0λ(t)dt零件的失效率λ(t)與時間t的關(guān)系如下圖所示Ⅰ代表初期失效階段（存在初始缺陷；需磨合）Ⅱ代表正常使用階段（如失效則為偶爾的因素引起，為隨機性的，失效率表現(xiàn)為緩慢增長）Ⅲ代表損壞階段（需良好的維護和及時更換立即要發(fā)生破壞的零件，可延緩機器進入此階段的時間）五、零件的設(shè)計方法機械零件的設(shè)計方法可分為常規(guī)設(shè)計方法和現(xiàn)代設(shè)計方法。一、常規(guī)設(shè)計方法常規(guī)設(shè)計方法是目前廣泛和長期所采用的設(shè)計方法。也是本課程中機械零件設(shè)計時所采用的設(shè)計方法。常規(guī)設(shè)計方法有以下三種：（一）理論設(shè)計理論設(shè)計是根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計理論和實驗數(shù)據(jù)所進行的設(shè)計。按照設(shè)計順序的不同，零件的理論設(shè)計計算可分為設(shè)計計算和校核計算。1．設(shè)計計算

該計算方法是根據(jù)零件的工作情況、規(guī)定，進行失效分析，擬定的零件工作能力準(zhǔn)則，并按其理論設(shè)計公式擬定零件的形狀和尺寸。2．校核計算

該計算方法是先參照已有實物、圖紙和經(jīng)驗數(shù)據(jù)初步擬定出零件的結(jié)構(gòu)和尺寸，然后根據(jù)工作能力準(zhǔn)則所擬定的理論校核公式進行校核計算。（二）經(jīng)驗設(shè)計經(jīng)驗設(shè)計是根據(jù)同類機器及零件已有的設(shè)計和長期使用累積的經(jīng)驗而歸納出的經(jīng)驗公式，或者是根據(jù)設(shè)計者的經(jīng)驗用類比法所進行的設(shè)計。經(jīng)驗設(shè)計簡樸方便，對于那些使用規(guī)定變動不大而結(jié)構(gòu)形狀已典型化的零件，是比較實用可行的設(shè)計方法。例如普通減速器箱體、齒輪、帶輪等傳動零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。（三）模型實驗設(shè)計對于尺寸特大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以進行理論計算的重要零件可采用模型實驗設(shè)計。即把初步設(shè)計的零、部件或機器做成小模型或小樣機，通過模型或樣機實驗對其性能進行檢查，根據(jù)實驗結(jié)果修改初步設(shè)計，從而使設(shè)計結(jié)果滿足工作規(guī)定。二、現(xiàn)代設(shè)計方法簡介機械設(shè)計在近30年來發(fā)生相稱大的變化，設(shè)計方法更趨于科學(xué)、完善，計算精度更高，計算速度更快?，F(xiàn)代設(shè)計的重要方法有以下幾種：（一）計算機輔助設(shè)計計算機輔助設(shè)計（ComputerAidedDesign），簡稱CAD。它是借助計算機進行設(shè)計信息解決，運用計算機具有運算快速準(zhǔn)確、存貯量大、邏輯判斷功能強等特點，通過人和計算機的交互作用完畢設(shè)計工作。它相對于傳統(tǒng)的設(shè)計方法具有以下優(yōu)越性：1．顯著提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期。加快產(chǎn)品更新?lián)Q代，增強市場競爭能力；2．可以貯存大量的設(shè)計信息和設(shè)計經(jīng)驗，使一些缺少設(shè)計經(jīng)驗及新從事設(shè)計工作的人員也能順利完畢設(shè)計任務(wù)；3．能在較短時間內(nèi)給出很多設(shè)計方案，并進行分析比較，以獲得最佳設(shè)計方案；4．把設(shè)計人員從繁瑣的反復(fù)性工作中解脫出來，將更多的時間和精力集中到發(fā)明性的工作上；5．可與計算機輔助制造（CAM）、計算機管理自動化結(jié)合起來形成計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS），從公司總效益最高出發(fā)，綜合進行市場預(yù)測、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)計劃、制造和銷售等一系列工作，以實現(xiàn)人力、物力和時間等各種資源的有效運用。（二）優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化設(shè)計是將設(shè)計問題的物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，運用最優(yōu)化數(shù)學(xué)理論，選用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法，并借助計算機求解該數(shù)學(xué)模型，從而得出最佳設(shè)計方案的一種設(shè)計方法。近些年來，優(yōu)化設(shè)計和其它一些設(shè)計方法結(jié)合起來，形成了新的優(yōu)化設(shè)計方法。例如，和可靠性設(shè)計結(jié)合形成可靠性優(yōu)化設(shè)計；和模糊設(shè)計結(jié)合形成模糊優(yōu)化設(shè)計等。（三）可靠性設(shè)計機械可靠性設(shè)計是將概率論、數(shù)理記錄、失效物理和機械學(xué)相結(jié)合而形成的一種綜合性設(shè)計技術(shù)。它的重要特點是將常規(guī)設(shè)計方法中所涉及到的設(shè)計變量，如載荷、應(yīng)力、強度、壽命等，所具有的多值現(xiàn)象當(dāng)作是服從某種分布規(guī)律的隨機變量，用概率記錄方法設(shè)計出符合機械產(chǎn)品可靠性指標(biāo)規(guī)定的零部件和整機的重要參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸。（四）模塊化設(shè)計模塊化設(shè)計是在對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合就可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場的不同需求。產(chǎn)品模塊化的重要目的之一是以盡也許少的模塊種類和數(shù)量組成盡也許多的種類和規(guī)格的產(chǎn)品。模塊化設(shè)計相對于傳統(tǒng)設(shè)計具有如下優(yōu)點：1．減少產(chǎn)品的設(shè)計和制造時間，縮短供貨周期，有助于爭取客戶；2．有助于產(chǎn)品的更新?lián)Q代和新產(chǎn)品的開發(fā)，增長公司對市場的快速應(yīng)變能力；3．有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少成本，增長產(chǎn)品的市場競爭能力；4．便于產(chǎn)品的維修。（五）機械系統(tǒng)設(shè)計機械系統(tǒng)設(shè)計是應(yīng)用系統(tǒng)的觀點進行機械產(chǎn)品設(shè)計的一種設(shè)計方法。其過程一般涉及計劃、外部系統(tǒng)設(shè)計（簡稱外部設(shè)計）、內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)計（簡稱內(nèi)部設(shè)計）和制造銷售四個階段。與傳統(tǒng)設(shè)計相比，傳統(tǒng)設(shè)計注重內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)計，重點在于改善零件或子系統(tǒng)的特性，而對各零部件之間、內(nèi)部與外部系統(tǒng)之間的互相作用和影響考慮較少。機械系統(tǒng)設(shè)計遵循系統(tǒng)的觀點，研究內(nèi)、外系統(tǒng)和各子系統(tǒng)之間的互相關(guān)系，通過各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，取長補短來實現(xiàn)整個系統(tǒng)最佳的總功能。（六）價值分析價值分析（ValueAnalysis，簡稱VA）又叫價值工程（ValueEngineering，簡稱VE），它是一種使產(chǎn)品達(dá)成物美價廉的有效的一種現(xiàn)代管理技術(shù)，由于它應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計尤見成效，故已發(fā)展成為現(xiàn)代設(shè)計方法中的一個重要內(nèi)容。此法一方面要擬定價值分析的對象，然后對它們進行成本分析和功能價值計算，應(yīng)用最新的科學(xué)技術(shù)成果，對實現(xiàn)產(chǎn)品功能的原理和方法進行革新和發(fā)明，提出新的方案，并對新方案進行評價和決策，選出最佳設(shè)計方案，以提高產(chǎn)品的價值。（七）專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是一種可以在專家水平上工作的計算機程序系統(tǒng)。由于它具有領(lǐng)域?qū)＜业呢S富知識，又能進行邏輯演繹推理，因此，它可以在特定的領(lǐng)域和范圍內(nèi)，運用領(lǐng)域?qū)＜业膶ｉT知識的推理能力，解決各種問題。在機械設(shè)計中應(yīng)用機械設(shè)計專家系統(tǒng)，可以明顯提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，獲得較好的經(jīng)濟效益。（八）機械動態(tài)設(shè)計機械動態(tài)設(shè)計是現(xiàn)代機械設(shè)計區(qū)別于傳統(tǒng)機械設(shè)計的重要特性之一。它是根據(jù)機械產(chǎn)品的動載工況，以及對該產(chǎn)品提出的動態(tài)性能規(guī)定與設(shè)計準(zhǔn)則，按動力學(xué)方法進行分析計算、優(yōu)化與實驗，并反復(fù)進行的設(shè)計。這種設(shè)計方法可使機械產(chǎn)品的動態(tài)性能在設(shè)計時就得到預(yù)測和優(yōu)化。（九）并行設(shè)計對機械產(chǎn)品的設(shè)計，長期以來一直采用串行工程（又叫順序工程）的方法。這種方法的缺陷在于：在產(chǎn)品的設(shè)計、制造等過程中，后一個環(huán)節(jié)必須等待前一個環(huán)節(jié)結(jié)束后才干開始。這樣，設(shè)計改動量大，產(chǎn)品開發(fā)周期長，成本高，并行工程（ConcurrentEngineering，簡稱CE）又叫同步工程（Simult