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機(jī)械設(shè)計 MachineDesign 第一篇總論 第一章緒論 第二章機(jī)械設(shè)計總論 第三章機(jī)械零件的強(qiáng)度 第四章摩擦 磨損及潤滑概述 第一章機(jī)械設(shè)計概論 1 1引言 1 2機(jī)器的基本組成要素 1 3本課程的內(nèi)容 性質(zhì)與任務(wù) 1 3機(jī)械零件的計算準(zhǔn)則 1 1引言 1 1引言 機(jī)械工業(yè)的生產(chǎn)水平是一個國家現(xiàn)代化建設(shè)水平的重要標(biāo)志 機(jī)械工業(yè)肩負(fù)著為國民經(jīng)濟(jì)各個部門提供裝備和促進(jìn)技術(shù)改造的重任 大量地設(shè)計制造和廣泛采用各種先進(jìn)的機(jī)器 可大大促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的力度 加速我國的現(xiàn)代化建設(shè) 人類社會的進(jìn)步源于不斷地創(chuàng)新 產(chǎn)品的創(chuàng)新首先是從設(shè)計工作開始的 設(shè)計是生產(chǎn)產(chǎn)品的第一道工序 要想生產(chǎn)出好的產(chǎn)品 首先要有好的設(shè)計 機(jī)械設(shè)計是機(jī)械工程的 靈魂 1 3本課程的性質(zhì)和內(nèi)容和特點 1 2本課程的性質(zhì) 內(nèi)容和特點 一 本課程的性質(zhì)和內(nèi)容本課程是研究機(jī)械裝置和機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計問題 培養(yǎng)同學(xué)們具有機(jī)械設(shè)計能力的技術(shù)基礎(chǔ)課 是機(jī)械類專業(yè)的一門非常重要的主干課 機(jī)械零件的設(shè)計是機(jī)械設(shè)計的基礎(chǔ) 是機(jī)械設(shè)計的重要組成部分 本課程是一門適用性廣 實用性強(qiáng)的設(shè)計性課程 主要介紹通用零件的基本設(shè)計方法 本課程的基本教學(xué)內(nèi)容主要是通用零件的設(shè)計和計算 本課程的最終目的在于培養(yǎng)同學(xué)們綜合運(yùn)用各種機(jī)械零件和機(jī)構(gòu)以及其他先修課的知識 設(shè)計機(jī)械傳動裝置和簡單機(jī)械的能力 三 本課程的特點 涉及面廣關(guān)系多 與諸多先修課關(guān)系密切 要求多 設(shè)計一個機(jī)器或零件時 應(yīng)同時滿足強(qiáng)度 剛度 耐磨性 工藝 等各方面的要求 門類多 典型的通用零件多 類型多 各類零件 設(shè)計方法各有不同 公式多 除了定義式以外 對于大多數(shù)公式著重于公式的應(yīng)用 不強(qiáng)調(diào)公式的推導(dǎo) 圖表多 要求能看懂 會用 了解適用的范圍和變化趨勢 實踐性強(qiáng) 不僅要讀懂書 還要多聯(lián)系實際 要注重實踐性環(huán)節(jié) 無重點 又都是重點 設(shè)計工作必須詳盡 細(xì)小的疏忽也會導(dǎo)致嚴(yán)重事故 設(shè)計問題無統(tǒng)一答案 更多地談?wù)撜l設(shè)計得更好 要注意發(fā)展求異思維 1 2本課程的性質(zhì) 內(nèi)容和特點 本課程的特點 四 注意的幾個問題 著重學(xué)習(xí)零件的設(shè)計方法以及零件參數(shù)的合理選擇 除了理論分析和計算以外 更應(yīng)重視零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的學(xué)習(xí) 設(shè)計決非只是計算 性能要求與經(jīng)濟(jì)性 永遠(yuǎn)是一對矛盾 應(yīng)學(xué)會合理地解決這一對矛盾 經(jīng)驗設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計 二者均重要 前者是后者的基礎(chǔ) 1 2本課程的性質(zhì) 內(nèi)容和特點 注意的問題 傳動裝置 在原動機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間傳遞運(yùn)動 轉(zhuǎn)換運(yùn)動方式的裝置 機(jī)械傳動裝置是本課程研究的主要內(nèi)容之一 第二章機(jī)械設(shè)計總論 2 1機(jī)器的組成 1 2機(jī)器的基本組成要素 2 2機(jī)器的基本組成要素 機(jī)械 機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱 機(jī)械零件 是機(jī)器的制造單元 分為 通用零件 各種機(jī)器中常用的 是本課程的主要學(xué)習(xí)對象 例如 齒輪 鏈傳動 帶傳動 軸 聯(lián)軸器軸承 螺栓 鍵 鉚 焊結(jié)構(gòu)件 彈簧等 專用零件 只在某些特定的機(jī)器中才用到的 在有關(guān)專業(yè)課中學(xué)習(xí) 例如 葉片 曲軸等 部件 為完成同一使命在結(jié)構(gòu)上組合在一起并協(xié)同工作的零件 例如 滾動軸承 減速器等 機(jī)械零件 常用泛指零件和部件 2 3設(shè)計機(jī)器的一般程序和基本原則 一般程序 對所設(shè)計的機(jī)器需求情況進(jìn)行充分調(diào)查分析 明確機(jī)器功能及約束條件 形成設(shè)計任務(wù)書 分析機(jī)器功能 確定功能參數(shù) 擬定多種方案并進(jìn)行綜合評價 確定原動機(jī)參數(shù)及各運(yùn)動構(gòu)件的運(yùn)動參數(shù) 確定主要零件上的載荷大小 特性 依工作能力設(shè)計準(zhǔn)則初步完成零件基本尺寸的確定 作出零部件裝配草圖及總裝配圖 完成主要零件的校核計算 編制設(shè)計計算說明書 使用說明書及其它技術(shù)文件 下一頁 2 3設(shè)計機(jī)器的一般程序和基本原則 基本要求 機(jī)器組成 功能要求 經(jīng)濟(jì)要求 勞動保護(hù)要求 可靠性要求 其它要求 下一頁 2 4設(shè)計機(jī)械零件的基本要求及設(shè)計方法和步驟 基本要求 設(shè)計方法 2 4設(shè)計機(jī)械零件的基本要求及設(shè)計方法和步驟 設(shè)計步驟 1 根據(jù)機(jī)器具體工作情況確定作用在零件上的名義載荷及計算載荷 名義載荷 用力學(xué)公式計算出的載荷 計算載荷 考慮實際工作條件影響的載荷 2 選擇零件材料 3 由失效形式確定計算準(zhǔn)則并依此確定零件主要尺寸 4 進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行詳細(xì)校核計算 6 繪制工作圖 總目錄 上一頁 下一頁 2 5機(jī)械零件的計算準(zhǔn)則 一 幾個名詞 1 失效 機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作時 稱為失效 注意 a 失效并不單純指破壞 破壞只是失效的形式之一 機(jī)械零件的可能失效形式很多 歸納起來主要有強(qiáng)度 剛度 耐磨性 振動穩(wěn)定性以及溫度等方面的失效 b 同一種零件可能的失效形式往往有若干種 例如 軸在工作中可能產(chǎn)生斷裂 過大彈性變形 共振等失效 2 工作能力 即機(jī)械零件在一定條件下抵抗失效的能力 3 承載能力 對載荷而言的工作能力 也就是用載荷表示的工作能力 4 工作能力計算準(zhǔn)則 為防止機(jī)械零件發(fā)生某種失效而應(yīng)滿足的條件 也可以理解為是機(jī)械零件不發(fā)生失效的 安全條件 是設(shè)計零件時的理論依據(jù) 載荷和應(yīng)力1 機(jī)械零件的計算準(zhǔn)則 為了防止機(jī)械零件在工作中產(chǎn)生失效 設(shè)計時 需要以零件的工作能力計算準(zhǔn)則為依據(jù)進(jìn)行必要的計算 常用的計算方法 過程 有兩種 5 設(shè)計計算 先分析零件的可能失效形式 根據(jù)該失效形式的計算準(zhǔn)則通過計算確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸 6 校核計算 先確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸 然后再驗算零件是否滿足計算準(zhǔn)則 如不滿足 則應(yīng)修改零件的尺寸 二 載荷和應(yīng)力 1載荷 由于運(yùn)動中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等引起的載荷稱為動載荷 靜載荷 變載荷 按是否考慮動載荷的影響 載荷分為 載荷和應(yīng)力2 名義載荷 在理想平穩(wěn)條件下所受的載荷 不考慮動載荷的影響 計算載荷 載荷系數(shù)K 名義載荷 代表機(jī)器或零件實際所受載荷 載荷系數(shù)K 用于計入在實際工作中受到的各種動載荷的影響 額定載荷 由原動機(jī)的額定功率推算出的載荷 2應(yīng)力 應(yīng)力分為 靜應(yīng)力 循環(huán)應(yīng)力 機(jī)械零件的計算準(zhǔn)則 循環(huán)應(yīng)力 載荷和應(yīng)力3 對稱循環(huán) 脈動循環(huán) 常見的循環(huán)應(yīng)力有 靜應(yīng)力 可看作是循環(huán)應(yīng)力的一個特例 機(jī)械零件的計算準(zhǔn)則 注 靜應(yīng)力只在靜載荷作用下產(chǎn)生 循環(huán)應(yīng)力可由變載荷產(chǎn)生 也可由靜載荷產(chǎn)生 強(qiáng)度準(zhǔn)則 三 強(qiáng)度準(zhǔn)則 強(qiáng)度 指機(jī)械零件工作時抵抗破壞 斷裂或塑性變形 的能力 強(qiáng)度條件有兩種表示方法 1 用應(yīng)力表示 2 用安全系數(shù)表示 注 對于切應(yīng)力 只須將上述各公式中的換成即可 機(jī)械零件的計算準(zhǔn)則 靜應(yīng)力下的強(qiáng)度 1靜應(yīng)力下的強(qiáng)度 在靜應(yīng)力下工作的零件 其可能的失效形式是塑性變形或斷裂 材料種類不同 所取極限應(yīng)力也不同 復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下 按第三或第四強(qiáng)度理論計算當(dāng)量應(yīng)力 復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下 按第一強(qiáng)度理論計算當(dāng)量應(yīng)力 機(jī)械零件的計算準(zhǔn)則 注 1 對于塑性材料和組織不均勻的材料 如灰鑄鐵 在計算靜強(qiáng)度時 可不考慮應(yīng)力集中的影響 2 對于組織均勻的低塑性材料 如淬火鋼 在計算靜強(qiáng)度時 應(yīng)考慮應(yīng)力集中的影響 接觸強(qiáng)度 2循環(huán)應(yīng)力下的強(qiáng)度 計算變應(yīng)力下的強(qiáng)度時 應(yīng)取疲勞極限 詳見第二章 3許用安全系數(shù) 合理選擇許用安全系數(shù)是設(shè)計中的一項重要工作 過大 則機(jī)器會過于笨重 過小 可能不安全 因此 在保證安全的前提下 應(yīng)盡可能選用較小的許用安全系數(shù) 的取值主要受下列因素的影響 1 計算的準(zhǔn)確性 2 材料的均勻性 3 零件的重要性 4表面接觸疲勞強(qiáng)度 對于高副零件 理論上是點 線接觸 但實際上在載荷作用下材料發(fā)生彈性變形后 理論上的點 線接觸變成了很小的面接觸 在接觸處 機(jī)械零件的計算準(zhǔn)則 接觸強(qiáng)度2 局部會產(chǎn)生很高的應(yīng)力 這樣的應(yīng)力稱為表面接觸應(yīng)力 用表示 的大小用赫茲公式計算 公式見教材 機(jī)械零件的計算準(zhǔn)則 實際中的高副零件所受的接觸應(yīng)力都是循環(huán)變化的 例如齒輪的輪齒 接觸嚙合時受應(yīng)力作用 脫離嚙合時不受應(yīng)力作用 接觸循環(huán)應(yīng)力作用下的失效形式是 疲勞點蝕 簡稱點蝕 點蝕的危害 1 破壞零件的光滑表面 引起振動和噪音 2 減小零件的有效工作面積 擠壓強(qiáng)度及剛度準(zhǔn)則 機(jī)械零件的計算準(zhǔn)則 5表面擠壓強(qiáng)度 兩零件之間為面接觸時 在載荷作用下 接觸表面上產(chǎn)生的應(yīng)力稱為擠壓應(yīng)力 用表示 在擠壓應(yīng)力作用下的強(qiáng)度稱為擠壓強(qiáng)度 其強(qiáng)度條件為 擠壓應(yīng)力作用下 接觸面的失效形式是 壓潰 注 相互擠壓表面上的擠壓應(yīng)力相等 四 剛度準(zhǔn)則 剛度是指機(jī)械零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力 如果零件的剛度不足 有些零件則會因為產(chǎn)生過大的彈性變形而失效 例如 機(jī)床主軸的彈性變性過大將會影響所加工工件的精度 剛度準(zhǔn)則及振動穩(wěn)定性 機(jī)械零件的計算準(zhǔn)則 剛度條件為 實際變形量 許用變形量 式中 實際變形量可用相關(guān)理論計算或由實驗方法確定 許用變形量 是保證正常工作所允許的變形量 注 1 零件材料的彈性模量E越大 則其剛度越大 2 用合金鋼代替碳鋼能提高零件的強(qiáng)度 但不能提高零件的剛度 五 振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則 當(dāng)作用在零件上的周期性外力的變化頻率接近或等于零件的自激振動頻率 固有頻率 時 便發(fā)生共振 導(dǎo)致零件失效 這種現(xiàn)象稱之為 失去振動穩(wěn)定性 振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則