機(jī)械設(shè)計(jì)總論

1、第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論§ 2 1 機(jī)器的組成機(jī)器的組成如下：執(zhí)行機(jī)構(gòu)輔助系統(tǒng)控制系統(tǒng)傳動(dòng)裝置原動(dòng)件§ 2 2 設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序一部機(jī)器的質(zhì)量基本上決定于設(shè)計(jì)質(zhì)量，機(jī)器的設(shè)計(jì)階段是決定機(jī)器好壞的關(guān)鍵。它是一個(gè)創(chuàng)造性的工作過(guò)程，同時(shí)也是一個(gè)盡可能多地利用已有的成功經(jīng)驗(yàn)的工作。作為一部完整的機(jī)器，它是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。要提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，必須有一個(gè)科學(xué)的設(shè)計(jì)程序。設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序：w 計(jì)劃階段w 方案設(shè)計(jì)階段w 技術(shù)設(shè)計(jì)階段w 技術(shù)文件編制階段§ 2 3 對(duì)機(jī)器的主要要求設(shè)計(jì)機(jī)器的任務(wù)是在當(dāng)前技術(shù)發(fā)展所能達(dá)到的條件下，根據(jù)生產(chǎn)及生活的需要提出的。不管機(jī)器的類(lèi)型如何，一般來(lái)說(shuō)

2、，對(duì)機(jī)器都要提出以下的基本要求：w 使用功能要求w 經(jīng)濟(jì)性要求w 勞動(dòng)保護(hù)要求w 可靠性要求w 其它專(zhuān)用要求§ 2 4 機(jī)械零件的主要失效形式失效：機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作時(shí)s 失效并不單純指破壞。破壞只是失效的形式之一。s 同一種機(jī)械零件的可能失效形式往往有數(shù)種機(jī)械零件常見(jiàn)的失效形式有：整體斷裂、過(guò)大的殘余變形、零件的表面破壞以及破壞正常工作條件引起的失效等（一）整體斷裂整體斷裂是指零件在載荷作用下，其危險(xiǎn)截面的應(yīng)力超過(guò)零件的強(qiáng)度極限而導(dǎo)致的斷裂，或在變應(yīng)力作用下，危險(xiǎn)截面發(fā)生的疲勞斷裂。（二）過(guò)大的殘余變形當(dāng)作用于零件上的應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服極限，零件將產(chǎn)生殘余變形。（三

3、）零件的表面破壞零件的表面破壞主要是腐蝕、磨損和接觸疲勞（點(diǎn)蝕）。（四）破壞正常工作條件引起的失效有些零件只有在一定的工作條件下才能正常的工作，如： 液體摩擦的滑動(dòng)軸承，只有在存在完整的潤(rùn)滑油膜時(shí)才能正常工作。 帶傳動(dòng)只有在傳遞的有效圓周力小于臨界摩擦力時(shí)才能正常工作。 高速轉(zhuǎn)動(dòng)的零件，只有在轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動(dòng)件系統(tǒng)的固有頻率避開(kāi)一個(gè)適當(dāng)?shù)拈g隔才能正常工作。零件在工作時(shí)會(huì)發(fā)生那一種失效，這與零件的工作環(huán)境、載荷性質(zhì)等很多因素有關(guān)。有統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，一般機(jī)械零件的失效主要是由于疲勞、磨損、腐蝕等因素引起。§ 2 5 設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足的基本要求機(jī)器是由各種各樣的零部件組成的，要使所設(shè)計(jì)的機(jī)器滿(mǎn)

4、足基本要求，就必須使組成機(jī)器的零件滿(mǎn)足以下要求q 避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求應(yīng)保證零件有足夠的強(qiáng)度、剛度、壽命。q 結(jié)構(gòu)工藝性要求設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)便于加工和裝配q 經(jīng)濟(jì)性要求零件應(yīng)有合理的生產(chǎn)加工和使用維護(hù)的成本。q 質(zhì)量小的要求質(zhì)量小則可節(jié)約材料，質(zhì)量小則靈活、輕便。q 可靠性要求應(yīng)降低零件發(fā)生故障的可能性（概率）。§ 2 6 機(jī)械零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)零件時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)零件的失效形式確定其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。一般來(lái)講，有以下幾種準(zhǔn)則：w 強(qiáng)度準(zhǔn)則確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過(guò)大的塑性變形，是最基本的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。w 剛度準(zhǔn)則確保零件不發(fā)生過(guò)大的彈性變形。w 壽命準(zhǔn)則通常與零件的疲勞

5、、磨損、腐蝕相關(guān)。w 振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則高速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)應(yīng)注重此項(xiàng)準(zhǔn)則。w 可靠性準(zhǔn)則當(dāng)計(jì)及隨機(jī)因素影響時(shí)，仍應(yīng)確保上述各項(xiàng)準(zhǔn)則。§ 2 7機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法通常分為常規(guī)設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法兩大類(lèi)。常規(guī)設(shè)計(jì)方法是指采用一定的理論分析和計(jì)算，結(jié)合人們?cè)陂L(zhǎng)期的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出的方法、公式、圖表等進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。它又可分為： 理論設(shè)計(jì) 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì) 模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是指在近二、三十年發(fā)展起來(lái)的更為完善、科學(xué)、計(jì)算精度高、設(shè)計(jì)與計(jì)算速度更快的機(jī)械設(shè)計(jì)方法。如機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等等。§ 2 8 機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟機(jī)械零件的設(shè)計(jì)

6、一般要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：1.選擇零件類(lèi)型、結(jié)構(gòu)2.計(jì)算零件上的載荷3.確定計(jì)算準(zhǔn)則4選擇零件的材料5.確定零件的基本尺寸6.結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)7.校 核 計(jì) 算8.畫(huà)出零件工作圖9.寫(xiě)出計(jì)算說(shuō)明書(shū)§ 2 8 機(jī)械零件材料的選用原則一、常用材料金屬材料黑色金屬：灰鑄鐵、球墨鑄鐵(如：HT300 QT500-5)低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼(如：08F 45 60 1Cr18）有色金屬，鋁(LY12)、銅(ZCuSn10P1).非金屬材料高分子材料：塑料、橡膠、合成纖維陶瓷：強(qiáng)如鋼、輕如鋁、硬如金剛石復(fù)合材料：強(qiáng)度高、彈性模量大、質(zhì)量輕二、機(jī)械零件材料的選用原則載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì)零件的

7、尺寸及重量材料的經(jīng)濟(jì)性零件的工作情況零件的結(jié)構(gòu)及加工性§ 2 9 機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化就是要通過(guò)對(duì)零件的尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料性能、設(shè)計(jì)方法、制圖要求等，制定出大家共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)化的益處：標(biāo)準(zhǔn)化有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量，減輕設(shè)計(jì)工作量，便于零部件的互換和組織專(zhuān)業(yè)化的大生產(chǎn)，以降低生產(chǎn)成本。與設(shè)計(jì)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn):國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等如：ISOGBJB、HBQB國(guó)標(biāo)分為：強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)和推薦標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：代號(hào)為GB ××××(為標(biāo)準(zhǔn)序號(hào)) ××××(為批準(zhǔn)年代)強(qiáng)制性國(guó)標(biāo)必須嚴(yán)格遵照?qǐng)?zhí)行，否則

8、就是違法。推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：代號(hào)為GBT ××××××××這類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)占整個(gè)國(guó)標(biāo)中的絕大多數(shù)。如無(wú)特殊理由和特殊需要，必須遵守這些國(guó)標(biāo)，以期取得事半功倍的效果。 傳動(dòng)裝置在原動(dòng)件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間傳遞運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)方式的裝置。機(jī)械傳動(dòng)裝置是本課程研究的主要內(nèi)容之一。第二節(jié) 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則【幾個(gè)概念】1失效：機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作時(shí)，稱(chēng)為失效注意：s 失效并不單純指破壞。破壞只是失效的形式之一。機(jī)械零件可能的失效形式很多：強(qiáng)度、剛度、耐磨性、振動(dòng)穩(wěn)定性、聯(lián)接的松動(dòng)以及可靠性等。s 同一種機(jī)械零件的可能失效形式往往

9、有數(shù)種 2工作能力：機(jī)械零件不發(fā)生失效的安全工作限度。3承載能力：對(duì)載荷而言的工作能力。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證所設(shè)計(jì)的機(jī)械零件在正常工作中不發(fā)生任何失效。為此對(duì)于每種失效形式都制定了防止這種失效應(yīng)滿(mǎn)足的條件，這樣的條件就是所謂的工作能力計(jì)算準(zhǔn)則。它是設(shè)計(jì)機(jī)械零件的理論依據(jù)。在機(jī)械零件的設(shè)計(jì)中，最終是要確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸。通常情況下，都希望尺寸小、重量輕，同時(shí)又不能在工作中發(fā)生任何失效。設(shè)計(jì)時(shí)就需要進(jìn)行必要的計(jì)算。常用的計(jì)算方法有兩種：1設(shè)計(jì)計(jì)算：先分析零件的可能失效形式，根據(jù)該失效形式的計(jì)算準(zhǔn)則通過(guò)計(jì)算確定零件的機(jī)構(gòu)尺寸。 2校核計(jì)算：先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸，然后在驗(yàn)算零件是否滿(mǎn)足計(jì)算準(zhǔn)則。如

10、不滿(mǎn)足，則應(yīng)修改零件的尺寸。 一、載荷和應(yīng)力的分類(lèi)1載荷載荷分為靜載荷和變載荷。動(dòng)載荷：由于運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等引起的載荷名義載荷： 在理想平穩(wěn)條件下，用力學(xué)公式求出的載荷。計(jì)算載荷：載荷系數(shù)K×名義載荷。其中載荷系數(shù)K用于計(jì)入在實(shí)際工作中機(jī)械零件受到的各種動(dòng)載荷的影響。2 應(yīng)力靜應(yīng)力 對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力 r1 恒幅循環(huán)變應(yīng)力 脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力 r=0 循環(huán)變應(yīng)力 非對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力 變應(yīng)力 變幅循環(huán)變應(yīng)力 隨機(jī)變應(yīng)力需注意：變應(yīng)力由變載荷產(chǎn)生，也可由靜載荷產(chǎn)生。名義應(yīng)力： 根據(jù)名義載荷求得的應(yīng)力。計(jì)算應(yīng)力： 根據(jù)計(jì)算載荷求得的應(yīng)力。表示的是零件在工作中實(shí)際受到的應(yīng)力。二、機(jī)械零件的強(qiáng)度1

11、強(qiáng)度準(zhǔn)則 強(qiáng)度： 指機(jī)械零件工作時(shí)抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。機(jī)械零件的強(qiáng)度準(zhǔn)則有兩種表示方法：1） =2） S S式中：最大計(jì)算應(yīng)力；許用應(yīng)力；極限應(yīng)力；S計(jì)算安全系數(shù)；許用安全系數(shù)；對(duì)于一個(gè)具體的機(jī)械零件而言，兩差值和S可稱(chēng)為安全裕度。其大小表示零件安全的程度。當(dāng)計(jì)算應(yīng)力相同時(shí)，越大，則越安全。當(dāng)許用應(yīng)力相同時(shí)，越大，則越安全。2 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。材料不同，所取極限應(yīng)力也不同：?jiǎn)蜗驊?yīng)力狀態(tài)下： 塑性材料 復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下： 按第三或第四強(qiáng)度理論計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力。單向應(yīng)力狀態(tài)下： 脆性材料 復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下： 按第一強(qiáng)度理論計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力。3

12、 變應(yīng)力下的強(qiáng)度計(jì)算變應(yīng)力下的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)取疲勞極限（詳見(jiàn)第二章）4 許用安全系數(shù)合理選擇許用安全系數(shù)是設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作。過(guò)大，則機(jī)器會(huì)過(guò)于笨重；過(guò)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(jì)算的準(zhǔn)確性；2）材料的均勻性；3）零件的重要性。注意：1）對(duì)于塑性材料和組織不均勻的材料（如灰鑄鐵），在計(jì)算其靜強(qiáng)度時(shí)可不考慮應(yīng)力集中的影響。2）對(duì)于組織均勻的低塑性材料（如淬火鋼），在計(jì)算其靜強(qiáng)度時(shí)應(yīng)考慮應(yīng)力集中的影響。三、機(jī)械零件的表面強(qiáng)度1表面接觸疲勞強(qiáng)度對(duì)于高副接觸的機(jī)械零件，理論上是點(diǎn)、線接觸，但實(shí)際上在載荷作用下材料發(fā)生彈性變

13、形后，理論上的點(diǎn)、線接觸變成了很小的面接觸，在接觸處局部會(huì)產(chǎn)生很高的應(yīng)力，這樣的應(yīng)力稱(chēng)為表面接觸應(yīng)力，用表示。的大小用赫茲公式計(jì)算，見(jiàn)教材。實(shí)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(shí)受應(yīng)力作用，脫離嚙合時(shí)不受應(yīng)力作用。在接觸循環(huán)應(yīng)力作用下的強(qiáng)度稱(chēng)為表面接觸疲勞強(qiáng)度。強(qiáng)度條件為： 在接觸循環(huán)應(yīng)力作用下，首先在金屬表面上形成很小的微裂紋，之后裂紋沿著與表面成銳角的方向發(fā)展，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定深度后，又越出零件表面，最后有小片的金屬剝落下來(lái)，在零件的表面形成小坑，這種現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞點(diǎn)蝕（簡(jiǎn)稱(chēng)點(diǎn)蝕）。點(diǎn)蝕是接觸應(yīng)力作用下的失效形式，屬于疲勞破壞。點(diǎn)蝕的危害：1） 破壞零件的光滑表面

14、，引起振動(dòng)和噪音。2） 減小零件的有效工作面積。2表面擠壓強(qiáng)度當(dāng)兩零件之間為面接觸時(shí)，在載荷作用下表面產(chǎn)生的應(yīng)力稱(chēng)為擠壓應(yīng)力，用表示。在擠壓應(yīng)力作用下的強(qiáng)度稱(chēng)為擠壓強(qiáng)度，其強(qiáng)度條件為：擠壓應(yīng)力過(guò)大時(shí)，接觸面將產(chǎn)生“壓潰”失效。相互擠壓表面上的擠壓應(yīng)力相等。四、機(jī)械零件的剛度剛度是指機(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，則有的零件會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生過(guò)大的彈性變形而失效。例如：機(jī)床的主軸如產(chǎn)生過(guò)大的彈性變性會(huì)影響所加工工件的精度；剛度條件為： 實(shí)際變形量許用變形量式中：實(shí)際變形量可用相關(guān)理論計(jì)算或由實(shí)驗(yàn)方法確定。許用變形量是保證正常工作所允許的變形量。注意：1）零件材料的彈性模量E越

15、大，則其剛度越大。2）用合金鋼的代替碳鋼雖能提高零件的強(qiáng)度，但不能提高零件的剛度。五、振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則機(jī)械零件周期性產(chǎn)生彈性變形的現(xiàn)象稱(chēng)為振動(dòng)。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自身的自激振動(dòng)頻率時(shí)，便發(fā)生共振，導(dǎo)致零件失效。這種現(xiàn)象稱(chēng)之為“失去振動(dòng)穩(wěn)定性”。振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則：應(yīng)使受激振作用零件的自激振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離外力變化的頻率。即 0.85f 或 1.15 f式中：f零件的自激振動(dòng)頻率外力變化的頻率.六、摩擦學(xué)（耐磨性計(jì)算）準(zhǔn)則在滑動(dòng)摩擦條件下工作的機(jī)械零件，常因?yàn)檫^(guò)度磨損而失效。影響磨損的因素很多而且比較復(fù)雜，因此，到目前為止對(duì)于磨損失效還沒(méi)有一個(gè)完善的計(jì)算方法。通常只進(jìn)行條件性計(jì)算，通過(guò)限制影響磨損的主要條件防止產(chǎn)生過(guò)大的磨損量。為防止產(chǎn)生過(guò)大的磨損應(yīng)滿(mǎn)以下條件：壓強(qiáng)不超過(guò)許用值 pp速度不超過(guò)許用