机械设计教学课件

机械设计教学课件第一章机械设计概述机械设计定义机械设计是利用科学原理、技术信息和创造性思维，设计机械系统以实现特定功能的过程新设计开发针对新的需求和问题，创造从未有过的机械系统和解决方案现有设计改进对已有机械系统进行优化和升级，提高性能、降低成本或增加功能机械设计的重要性机械工程的核心影响产品性能机械设计是机械工程学科的基础和核心，它贯穿于产品从概念到实设计质量直接决定产品的功能实现程度、运行稳定性和使用寿命，现的全过程，是工程师必须掌握的关键技能良好设计可最大化产品性能决定生产成本保障安全可靠设计阶段确定了约的产品成本，合理设计可以显著降低材料使设计中的安全系数和可靠性分析直接关系到产品使用安全，对人身70%用量和制造复杂度，从而降低成本安全和财产保护至关重要设计流程总览需求分析确定产品功能、性能指标和约束条件，明确设计目标概念设计生成多种可行的设计方案，通过评估选择最优方案详细设计确定具体参数、尺寸和材料，完成工程图纸和技术文档制造与测试制作原型，进行性能测试和验证，发现问题反馈改进根据测试结果进行修改和优化，不断完善设计设计流程图示机械设计流程是一个系统化、结构化的过程，从市场需求分析开始，经过多个阶段的发展和完善，最终形成可制造的产品图示展现了从需求分析到制造实现的完整路径，包括各阶段之间的反馈与迭代关系在实际工程实践中，设计过程可能并非严格按照线性顺序进行，各阶段之间存在大量的信息交流和反馈调整第二章机械设计基本要求机械元件设计的基本要求强度与刚度耐磨性尺寸与重量最小化确保机械元件能够承受工作载荷而不发生破坏或提高工作表面的耐磨性，延长使用寿命在满足功能的前提下，尽量减小尺寸和重量过大变形可制造性安全性与可靠性维护方便考虑现有制造工艺能力，设计易于加工的结构确保产品安全可靠，包括足够的安全系数设计便于检修和维护的结构，易于更换易损件生命周期成本最低考虑产品全生命周期的总体经济性设计中常见的权衡第三章工程材料及性能材料选择的重要性影响机械性能决定制造成本材料的强度、硬度、韧性等特性直接材料成本通常占产品总成本的30%-决定了机械零件能否满足工作条件要材料的加工性能直接影响制造70%求不同工作环境（高温、低温、腐工艺的选择和制造成本合理的材料蚀、高载荷等）需要选择不同特性的选择可以显著降低产品成本材料多因素综合考量需要综合考虑材料的可得性、价格稳定性、供应链安全、加工设备要求、环保要求等多种因素，而非仅关注材料本身的性能指标材料性能介绍强度与刚度相关性能韧性与硬度相关性能强度Strength韧性Toughness材料在外力作用下抵抗破坏的能力，包括抗拉强度、抗压强度、屈服强度材料吸收能量而不破坏的能力，对承受冲击载荷的部件特别重要等延展性Ductility弹性Elasticity材料在拉伸下变形而不断裂的能力，通常用断裂伸长率表示材料在外力移除后恢复原状的能力，弹性模量是衡量材料刚度的重要指标硬度Hardness材料抵抗局部变形的能力，与耐磨性密切相关，通常用洛氏或布氏硬度表塑性Plasticity示材料在载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力，对冲压、锻造等成形工艺重要脆性Brittleness刚度Stiffness材料抵抗变形的能力，与弹性模量成正比，对控制精度要求高的部件尤为重要常用材料示例铸铁铸铁是一种含碳量在的铁碳合金，是机械制造中应用最广泛3%-4%的材料之一主要优点高抗压强度，适合制造承受压力的机床床身、底座等优异的减振性能，能有效吸收振动能量出色的耐磨性，适合制造摩擦部件如缸套、活塞环良好的铸造性能，能制造形状复杂的零件价格经济实惠，比钢材便宜约15%-20%常见类型灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、白口铸铁等，其中球墨铸铁具有较好的强度和韧性，正逐渐替代灰铸铁应用于要求更高的场合常用材料示例碳钢碳钢是机械制造中最常用的材料，根据含碳量可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢低碳钢

0.3%碳中碳钢

0.3%-

0.6%碳特点软且易加工，具有良好的塑特点强度和硬度适中，经热处理性和韧性，但强度和硬度较低后性能显著提高应用板材、型材、紧固件、低负应用轴、齿轮、连杆等重要机械荷零件零件高碳钢

0.6%碳特点高强度和硬度，热处理后耐磨性好，但韧性较差应用工具、弹簧、量具、模具等碳钢的性能可通过热处理（淬火、回火、正火等）和表面处理（渗碳、氮化等）进一步改善，使其适应各种工作条件材料性能对比图不同工程材料在强度、硬度、韧性等性能方面存在显著差异，设计师需要根据零件的工作条件和性能要求选择最合适的材料上图展示了常见工程材料的强度与硬度对比可以看出，高碳钢和合金钢具有较高的强度和硬度，适合制造承受高负荷的零件；而铝合金虽然强度较低，但比强度（强度与密度之比）很高，适合需要轻量化的场合第四章机械元件设计基础机械元件是构成机械系统的基本单元本章将介绍常见机械元件的类型、功能和设计要点，帮助学生掌握机械元件设计的基本方法机械元件分类连接元件传动元件螺栓、铆钉、键、销、焊接接头齿轮、带传动、链传动、凸轮支承元件轴、轴承、导轨、支架密封元件弹性元件密封圈、油封、填料、垫片弹簧、减震器、弹性联轴器机械元件是构成机械系统的基本单元，不同元件承担不同功能设计机械系统时，首先需要明确各部分的功能需求，然后选择合适的标准元件或设计专用元件来实现这些功能标准件的使用可以降低设计和制造成本，提高通用性和可维护性，但在特殊工况下可能需要设计非标准元件以满足特殊要求轴的设计要点轴是支撑旋转零件并传递扭矩的机械元件，是大多数机械系统的重要组成部分轴的主要受力情况扭矩由动力传递产生的转动力矩•弯矩由轴上零件重量和传动力产生的弯曲力矩•组合应力通常需考虑扭矩和弯矩共同作用下的等效应力•轴的设计流程确定轴的工作条件和受力情况

1.选择适当的轴材料（通常为中碳钢或合金钢）

2.根据强度和刚度要求计算轴的直径

3.设计轴上的台阶、键槽、螺纹等结构特征

4.检验轴的疲劳强度和振动特性

5.轴的设计需重点考虑疲劳强度，因为轴通常在交变载荷下工作，约的轴失效是由疲劳95%引起的齿轮设计基础齿轮是机械中最常用的传动元件之一，能够精确传递运动和动力齿轮基本参数齿形模数标准齿轮多采用渐开线齿形，保证传动比恒定齿轮大小的基本参数，决定齿的尺寸，单位mm压力角通常为°，影响传递效率和齿根强度20齿轮设计考虑因素齿面接触强度防止表面点蚀和磨损•齿根弯曲强度防止齿在根部折断•精度等级影响传动平稳性和噪音•热处理提高表面硬度和耐磨性•润滑条件减少磨损，延长使用寿命•齿轮设计需要综合考虑载荷、速度、寿命、噪音等多种因素，合理选择材料和热处理工艺弹簧设计简介弹簧是利用材料弹性变形来工作的机械元件，主要用于储存和释放能量、缓冲冲击、测量力等弹簧的主要类型压缩弹簧拉伸弹簧受压缩力作用，最常见的弹簧类型受拉伸力作用，通常两端有钩应用阀门、缓冲器、悬架系统应用平衡机构、张紧装置扭转弹簧弹簧材料通常选用弹簧钢（如、等），对于特殊工况60Si2Mn50CrVA受扭转力矩作用，储存扭转能量也可使用不锈钢、铜合金或橡胶等材料应用夹具、门铰链、开关机构弹簧设计中需重点考虑应力分布和疲劳寿命，特别是对于频繁工作的弹簧弹簧设计考虑因素工作载荷范围和变形量•所需的弹簧刚度（弹簧常数）•空间限制和安装方式•工作环境（温度、腐蚀等）•疲劳寿命要求•第五章机械设计中的应力与强度分析应力分析是机械设计中的关键环节，直接关系到机械零件的安全性和使用寿命本章将介绍应力、应变的基本概念以及常用的失效理论应力与应变基础应力的基本概念应变的基本概念应力是物体内部各点承受外力时产生的内力强度，单位为根据作用方向可分为MPa正应力σ垂直于截面的应力，包括拉应力和压应力公式（为垂直力，为截面积）σ=F/A FA剪应力τ平行于截面的应力，使材料产生相对滑移公式（为平行力，为承受面积）τ=F/A FA弹性变形外力去除后，物体能恢复原状的变形遵循胡克定律（为弹性模量）σ=E·εE失效理论简介失效理论用于预测材料在复杂应力状态下的破坏条件，是机械设计中进行强度校核的重要理论基础最大剪应力理论Tresca变形能理论von Mises当最大剪应力达到材料在简单拉伸时的屈服剪应力时，材料发生屈服当应变能密度达到材料在简单拉伸时的临界值时，材料发生屈服适用于延性材料，如低碳钢、铜、铝等更准确地预测延性材料的失效，被广泛应用于工程计算和有限元分析计算公式计算公式τmax=σ1-σ3/2≤[τs]σe=√[σ1-σ2²+σ2-σ3²+σ3-σ1²]/2≤[σs]对于脆性材料，通常采用最大正应力理论或莫尔理论来预测失效在实际工程应用中，需要根据材料特性和受力状况选择合适的失效理论Mohr疲劳失效与寿命预测疲劳是材料在循环载荷作用下逐渐累积损伤最终导致破坏的过程，是机械零件最常见的失效模式之一疲劳失效特点•在低于静载强度的应力水平下发生•无明显塑性变形，呈脆性断裂特征•断口通常有贝壳纹和疲劳条带•约90%的机械零件失效源于疲劳疲劳寿命预测方法根据循环次数可分为高周疲劳应力较低，循环次数10⁵低周疲劳应力较高，循环次数10⁵Paris公式与裂纹扩展Paris公式描述了疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子的关系式中•da/dN-裂纹扩展速率第六章现代机械设计工具随着计算机技术的发展，现代机械设计越来越依赖于各种数字化工具本章将介绍计算机辅助设计、分析和制造技术在机械设计中的应用计算机辅助设计（）CAD计算机辅助设计（）是使用计算机系统帮助创建、修改、分析和优化设计的过程CADCAD的主要功能2D绘图创建精确的二维工程图，包括尺寸标注、公差和表面处理等技术要求3D建模创建三维实体或表面模型，支持参数化设计和特征建模装配设计将多个零件组合成装配体，检查干涉和运动学分析数据管理管理设计数据，支持团队协作和版本控制常用CAD软件易用性强，广泛用于中小型设计项目SolidWorks老牌软件，强大的绘图功能AutoCAD CAD2D功能全面，适合复杂产品设计Creo高端集成软件Siemens NXCAD/CAM/CAE航空航天和汽车行业的首选CATIA有限元分析（）FEA有限元分析（）是一种数值计算方法，通过将复杂结构划分为有限个简单单元，FEA解决工程中的应力分析、热传导、流体流动等问题FEA在设计中的应用1应力与变形分析计算零件在各种载荷下的应力分布和变形情况，识别潜在的薄弱区域2振动与噪声分析确定结构的固有频率和振型，避免共振，减少噪声3热分析计算温度分布和热应力，优化散热设计4疲劳寿命预测案例齿轮齿根应力优化结合曲线预测零件在循环载荷下的使用寿命S-N上图展示了齿轮齿根处的应力分布通过分析发现，齿根处存在应力集中，是潜FEA在的失效点通过优化齿形（增加齿根过渡圆弧半径）和改进热处理工艺（增加表面硬度梯度），应力集中降低了约，疲劳寿命提高了倍25%3此案例展示了在机械设计优化中的强大功能，可以在实际制造前发现并解决潜在FEA问题快速成型与制造技术现代快速成型与制造技术极大地缩短了从设计到实物的周期，加速了产品开发过程3D打印技术数控加工（CNC）通过逐层叠加材料直接从3D模型制造实物由计算机控制的自动化机床加工技术•FDM（熔融沉积）最常见的技术，适合概念验证•数控铣床加工复杂外形和型腔•SLA（光固化）高精度，表面光滑•数控车床加工回转体零件•SLS（选择性激光烧结）可用于金属零件•线切割/电火花加工高硬度材料•应用原型验证、小批量生产、复杂结构制造•多轴加工中心一次装夹完成多面加工第七章机械设计教学案例与实践理论知识需要通过实践来巩固和应用本章将介绍机械设计的教学案例，帮助学生将所学知识应用于实际设计问题的解决机械设计综合案例简易机械手臂设计项目需求分析阶段1负载要求能够抓取不超过的物体•500g运动范围水平旋转角度°，垂直伸•≥1802材料选择阶段展≥300mm自由度至少个自由度•3结构支架铝合金型材（轻量、易加工）•成本控制材料成本不超过元•200关节连接中碳钢（强度高、成本适中）•执行器电机或舵机（精确控制）•结构设计阶段3抓取装置塑料（通过打印制作）•ABS3D设计机构类型串联式关节结构•传动方式选择齿轮传动或皮带传动•4应力分析阶段建立模型，进行运动学分析•3D设计关键零部件（轴、支架、连接件）•确定最不利工况下的载荷•进行静态强度校核•制造与测试阶段5本案例要求学生设计一款能够抓取和移动轻型物体的简易机械手臂，综合应用本应用进行关键部件优化•FEA课程所学的各项知识考虑安全系数和使用寿命选择适当的制造工艺••项目包含五个主要阶段，从需求分析到制造实现，全面覆盖机械设计的完整流程组装与调试•性能测试与评估•总结设计经验与改进方向•通过本项目，学生将系统应用机械设计的理论知识，培养实际问题解决能力，掌握设计流程和方法，为今后的专业工作奠定基础。