機械設計總論 2

機械零件設計2006年9月陳少克機械設計總論機械傳動設計總論帶傳動螺旋傳動鏈傳動齒輪傳動蝸桿傳動軸滾動軸承滑動軸承聯(lián)軸器和離合器軸系結構設計螺紋聯(lián)接彈簧機械設計本章的學習要點機械零件設計步驟機械零件的工作能力和計算準則機械中的摩擦、磨損和潤滑設計機器的基本原則和設計程序

本課程中“設計”的含義是指機械裝置的實體設計，涉及零件的應力、強度的分析計算，材料的選擇、結構設計，考慮加工工藝性、標準化以及經(jīng)濟性、環(huán)境保護等。§1機械設計概述一、課程性質《機械零件設計》是機械類專業(yè)的一門技術基礎課，是初步掌握機械設計能力的必然環(huán)節(jié)。機器組成：原動機傳動裝置—→工作機—→控制系統(tǒng)輔助系統(tǒng)（如儀表、照明等）轎車組成：

任何機器都是由許多零件組合而成的。部件：為完成同一使命而協(xié)同工作的許多零件的組合。零件：組成機器的不可拆的基本單元（即制造的基本單元）。如：滾動軸承、聯(lián)軸器。用途專用零部件：只在一定類型機器中使用的零件，如曲軸。通用零部件：各種機器中普遍使用的零部件，如齒輪、螺栓。標準件：制定了國家標準，并由專門工廠生產(chǎn)的零部件。

如：滾動軸承、螺栓等。二、任務(1)掌握通用機械零件的設計原理、方法和機械設計的一般規(guī)律，具有機械系統(tǒng)的綜合設計能力，能進行一般機械傳動部件和簡單機械裝置的設計；(2)培養(yǎng)機械設計的創(chuàng)新能力；(3)具有運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊和查閱有關技術資科的能力；(4)初步建立正確的設計思想方法和工作方法(5)學習一些機械設計的實驗方法；(6)對機械設計的新發(fā)展有所了解。三、機械設計的一般程序機械設計是一個創(chuàng)新與借鑒相結合的過程，一般程序如下：明確任務調研——→方案設計——→技術設計——→施工設計——→投產(chǎn)試驗修改五、設計機器的的一般步驟驟設計準備達成目標首先應明確確設計任務務、設計要要求及其工工作條件，，針對設計計任務和要要求進行分分析調研，，查閱有關關資料，有有條件的可可參觀有相相似機械裝裝置的現(xiàn)場場或實物。。方案設計根據(jù)分析調調研結果，，選擇原動動機、傳動動裝置和執(zhí)執(zhí)行機構及及它們之間間的聯(lián)接方方式，擬定定若干可行行的總體設設計方案。。總體設計對所擬定的的設計方案案進行必要要的計算，，如總傳動動比和各級級傳動比、、各軸的受受力、轉矩矩、轉速、、功率等，，并對執(zhí)行行機構和傳傳動機構進進行初步設設計，進行行分析比較較，擇優(yōu)確確定一個正正確合理的的設計方案案，繪制傳傳動裝置和和執(zhí)行機構構的總體方方案簡圖。。結構設計針對整機或或某一部件件，如部分分傳動裝置置或執(zhí)行機機構等，進進行詳細設設計，根據(jù)據(jù)各個零部部件的強度度、剛度、、壽命和結結構要求，，確定其結結構尺寸和和裝配關系系，并根據(jù)據(jù)整機運轉轉要求，進進行箱體和和附件設計計，完成裝裝配圖樣設設計和零件件圖樣設計計，編寫計計算說明書書、使用說說明書、標標準件明細細表等其他他技術文件件。六、課程內容和和要求1、課程內容主要介紹通通用機械零零件的常用用設計方法法2、課程學習方方法(1)系統(tǒng)性(2)綜合性(3)工程性(4)典型性3、課程安排排(1)講課48學時(2)實驗12學時，由實驗室負負責。4、要求(1)實驗、平時時作業(yè)不能能缺，否則則沒成績。。(2)課堂紀律、、考勤(3)課堂回答5、成績(1)期末考試（（閉卷）60%(2)實驗20%(3)作業(yè)、平時時表現(xiàn)20%7、答疑每周一次集集中答疑,周三下午,機電樓房306電話：82902253，136230365836、參考書目目1．《機械設計》邱宣懷高高等教育出出版社2．《機械設計》陳東電子子工業(yè)出版版社3.《《機械原理與與設計課程程設計》王三民機機械工業(yè)出出版社4.《《機械設計綜綜合課程設設計》王之櫟、王王大康機機械工業(yè)業(yè)出版社§2機械零部件件設計一、設計機機械零件時時應滿足的的基本要求求1、滿足功能要要求（強度、剛剛度、壽命命）；2、滿足工藝性性要求（便于加工工、裝配））；3、能保證使用用者安全，，操作方便便；4、外形美觀觀；5、經(jīng)濟性要要求（材料料、加工方方法、精度度等級）6、有市場競競爭能力二、機械零零件的失效效分析和計計算準則失效--零件喪失工工作能力或或達不到設設計要求的的性能。常見失效形形式--破裂或塑性性變形；彈彈性變形過過大；表面面磨損、膠膠合；打滑滑；聯(lián)接松松動性。零件工作—→承受載荷—→載荷欲使零件失效零件據(jù)自身身結構、材材料反抗失失效—→反抗失效＞＞失效—→解決辦法：：合理設計計遵循設計準則設計準則1、強度準則則強度：零件件抵抗斷裂、塑變、疲勞破壞的能力。方法：1）或2）S——安全系數(shù)，，S＞1—→S↑：安全，浪費材料S↓：經(jīng)濟，不不安全2、剛度準則則剛度：抵抗彈性變形的能力。機床主軸等等彈性變形形過大將影影響加工精精度。3、壽命準則則實際使用壽壽命大于或或等于預期期壽命，L≥[L]。4、溫升準則則Δt≤[ΔΔt]§3機械零件的的強度計算算一、機械零零件的疲勞勞強度1）載荷分類類靜載荷：不隨時間間變化或變變化緩慢。。動載荷：隨時間變變化。2）應力分類類名義載荷與計算載荷。變應力靜應力：r=1σt脈動循環(huán)：r=0σt0對稱循環(huán)：r=-1σt0非對稱循環(huán)tσ01、疲勞強度度的基本知知識3）穩(wěn)定循環(huán)環(huán)變應力的的基本參數(shù)數(shù)和種類a)基本參數(shù)應力循環(huán)特特性最大應力最小應力平均應力應力幅b)穩(wěn)定循環(huán)變變應力種類類：-1<r<+1——不對稱循環(huán)環(huán)變應力r=+1——靜應力r=–1——對稱循環(huán)變變應力r=0——脈動循環(huán)變變應力靜應力只能由靜載荷產(chǎn)生，變應力可能由變載荷或靜載荷產(chǎn)生。aσ0tt0σa在變應力下下，零件的的主要失效效形式為：：疲勞破壞靜應力由載荷產(chǎn)生，，變應力由載荷產(chǎn)生。。1）斷裂過程程：①產(chǎn)生生初始裂紋紋（應力力較大處））②裂紋尖端端在切應力力作用下，，反復擴展，直至產(chǎn)產(chǎn)生疲勞裂裂紋。2）斷裂面：：①光滑區(qū)區(qū)（疲勞發(fā)發(fā)展區(qū)）②粗糙區(qū)（（脆性斷裂裂區(qū)）3）無明顯塑塑性變形的的脆性突然然斷裂4）破壞時的的應力（疲疲勞極限））遠小于材材料的屈服服極限2、材料的疲疲勞特性5）影響因素素：不僅與材料料性能有關關，變應力力的循環(huán)特特性，應力力循環(huán)次數(shù)數(shù)，應力幅幅都對疲勞勞極限有很很大影響。。3、疲勞強度度的基本理理論—疲勞極限，，循環(huán)變應應力下應力力循環(huán)N次后材料不不發(fā)生疲勞勞破壞時的的最大應力力稱為材料料的疲勞極極限疲勞壽命（（N）—材料疲勞失失效前所經(jīng)經(jīng)歷的應力力循環(huán)次數(shù)數(shù)N1）疲勞曲線線：應力力循環(huán)特性性一定時，，材料的疲疲勞極限與與應力循環(huán)環(huán)次數(shù)之間間關系的曲曲線No—循環(huán)基數(shù)—持久極限（1）有限壽命命區(qū)當N<103(104)—低周循環(huán)，，疲勞極限限接近于屈屈服極限，，按靜強度度計算當N>103(104)——高周循環(huán)疲疲勞當時時隨循環(huán)次次數(shù)↑疲勞勞極限↓（2）無限壽命命區(qū)——持久極限對稱循環(huán)：：脈動循環(huán)：：疲勞曲線方方程——壽命系數(shù)∴疲勞極限幾點說明：：①No硬度≤350HBS鋼，No=107≥350HBS鋼，No=(10-25)x107有色金屬(無水平部分分)，規(guī)定當No>25x107時,近似為無限限壽命區(qū)②m—指數(shù)與應力力與材料的的種類有關關。鋼m=9——拉、彎應力力、剪應力力m=6——接觸應力青銅m=9——彎曲應力m=8——接觸應力2）材料的疲疲勞極限應應力圖—同一種材料料在不同的的應力循環(huán)環(huán)特性下的的疲勞極限限圖（圖圖）對任何材料料（標準試試件）而言言，對不同同的應力循循環(huán)特性下下有不同的的持久極限限，即每種種應力循環(huán)環(huán)特性下都都對應著該該材料的最最大應力=，再由應力力循環(huán)特性性可求出和和、、以為為橫坐標、、為縱縱坐標，即即可得材料料在不同應應力循環(huán)特特性下的極極限和和的的關系圖圖曲線上的點點對應著不不同應力循循環(huán)特性下下的材料疲疲勞極限A——對稱疲勞極極限點B——脈動疲勞極極限點G——屈服極限點點C——強度極限點點材料的簡化化極限應力力線圖，可可根據(jù)材料料的和三個個試驗數(shù)據(jù)據(jù)和和而而作出疲勞強度線屈服強度線AD上各點：如如果不不會疲疲勞破壞DG上各點：如如果不不會屈服破破壞疲勞強度線屈服強度線AD段的方程為：：式中：－－等效系數(shù)，其值見教材P11（2）極限應力圖的用途：在于根據(jù)確定非對稱循環(huán)應力下的疲勞極限以計算安全系數(shù)。

（3）對于切應力，只需將各式中的換成即可。注：（1）疲勞曲線線的用途：：在于根據(jù)據(jù)σ確定某個循循環(huán)次數(shù)N下的條件件疲勞極限限σN3）零件件的極限應應力線圖影響零件疲疲勞強度的的主要因素素有以下三三個：（1）應力集中中的影響機械零件上上的應力集集中會加快快疲勞裂紋紋的形成和和擴展。從從而導致零零件的疲勞勞強度下降降。

用應力集中系數(shù)、計入應力集中的影響。（、的值見教材或有關手冊）（2）尺寸的影影響零件的尺寸寸越大，在在各種冷、、熱加工中中出現(xiàn)缺陷陷，產(chǎn)生微微觀裂紋等等疲勞源的的可能性（（機會）增增大。從而而使零件的的疲勞強度度降低。用尺寸系數(shù)、，計入尺寸的影響。（3）表面質量量的影響表面質量：：是指表面面粗糙度及及其表面強強化的工藝藝效果。表表面越光滑滑，疲勞強強度可以提提高。強化化工藝（滲滲碳、表面面淬火、表表面滾壓、、噴丸等））可顯著提提高零件的的疲勞強度度。用表面狀態(tài)系數(shù)計入表面質量的影響。影響疲勞強強度的主要要因素3綜合影響系系數(shù)試驗證明：：應力集中中、尺寸和和表面質量量都只對應應力幅有影影響，而對對平均應力力沒有明顯顯的影響。。（即對靜靜應力沒有有影響）在計算中，，上述三個個系數(shù)都只只計在應力力幅上，故故可將三個個系數(shù)組組成一個個綜合影響系系數(shù)：零件的疲勞勞極限為：：σaA′D′G′Cσ0/2σSσmOADG零件的極限限應力線圖圖4）單向穩(wěn)穩(wěn)定變應力力時機械零零件的疲勞勞強度計算算步驟：①根據(jù)零件件載荷及結結構情況，，求σmin、σmax及σa、σm，并將其標標在零件的的極限應力力線圖中，，如圖中M、N點；②求該工作作應力點的的零件疲勞勞極限σ′max。說明應遵循與工工作應力變變化規(guī)律相相一致的原原則，一般般工作應力力有三種變變化情況：：r=C（機器中轉轉軸的應力力狀態(tài)）；；σm=C（加載振動動彈簧）；；σmin=C（受軸向力力的緊螺栓栓聯(lián)接）。。但通常采用用r=C來進行疲勞勞強度計算算。③建立計算算安全系數(shù)數(shù)的計算公公式，進行行計算。（1）r=C的情況當r=C時，找出一一個與工作作應力變化化規(guī)律相同同的極限應應力直線OM′1方程：直線AG方程：聯(lián)解可求出出σ′ae、σ′me，于是M′1點的零件極極限應力則（疲勞強度計計算公式）當工作應力力點N處于于OGC區(qū)時時：：（2）σm=C的情情況況聯(lián)解解直直線線MM′′2和AG方程程，，可可得得M′′2點的的坐坐標標σ′′ae、σ′′me，于于是是M′′2點的的零零件件極極限限應應力力則（3）σmin=C的情情況況說明明：：①具具體體設設計計零零件件時時，，如如果果難難于于確確定定應應力力可可能能變變化化的的規(guī)規(guī)律律，，在在實實踐踐中中往往往往采采用用r=C時的的公公式式；；②對對于于剪剪切切變變應應力力，，只只需需把把以以上上各各公公式式中中的的正正應應力力符符號號σ改為為切切應應力力符符號號τ即可可；；穩(wěn)定定循循環(huán)環(huán)變變應應力力下下機機械械零零件件的的疲疲勞勞強強度度雙向向穩(wěn)穩(wěn)定定循循環(huán)環(huán)變變應應力力下下機機械械零零件件的的疲疲勞勞強強度度式中：、－－為單向恒幅循環(huán)應力下的安全系數(shù)。二、、機機械械零零件件的的接接觸觸疲疲勞勞強強度度三、、許許用用安安全全系系數(shù)數(shù)的的選選擇擇§4機械械中中的的摩摩擦擦、、磨磨損損和和潤潤滑滑一、、摩摩擦擦在在機機械械中中的的作作用用1、主主要要的的能能量量損損耗耗2、機機械械傳傳動動的的動動力力3、能能量量轉轉換換的的中中介介§4機械械中中的的摩摩擦擦、、磨磨損損和和潤潤滑滑二、、摩摩擦擦的的類類型型邊界界摩摩擦擦：：極極限限狀狀態(tài)態(tài)、、邊邊界界膜膜作作用用；；流體體摩摩擦擦：：兩兩表表面面完完全全隔隔開開；；混合合摩摩擦擦：：部部分分固固體體凸凸峰峰接接觸觸；；干摩摩擦擦：：兩兩表表面面直直接接接接觸觸；；根據(jù)據(jù)摩摩擦擦副副表表面面潤潤滑滑狀狀態(tài)態(tài)干摩擦流體摩擦邊界摩擦對于于要要求求低低摩摩擦擦的的摩摩擦擦副副，，液液體體摩摩擦擦是是比比較較理理想想的的狀狀態(tài)態(tài)，，維維持持邊邊界界摩摩擦擦或或混混合合摩摩擦擦是是最最低低要要求求；；對于于要要求求高高摩摩擦擦的的摩摩擦擦副副，，則則希希望望處處于于干干摩摩擦擦狀狀態(tài)態(tài)或或邊邊界界摩摩擦擦狀狀態(tài)態(tài)。。磨損：使摩擦擦表面面物質質不斷斷損失失的現(xiàn)現(xiàn)象稱稱為磨損。單位時時間里里的磨磨損量量稱為為磨損率率。摩擦：一物物體與與另一一物體體直接接接觸觸，當當兩者者間有有運動動或有有運動動趨勢勢時，，接觸觸表面面要產(chǎn)產(chǎn)生切切向阻阻力（（即摩擦力力），這這種現(xiàn)現(xiàn)象成成為摩擦。三、一一般磨磨損過過程1、磨合合磨損損過程程2、穩(wěn)定定磨損損階段段3、失效效磨損損階段段在一定定載荷荷作用用下形形成一一個穩(wěn)穩(wěn)定的的表面面粗糙糙度，，且在在以后后過程程中，，此粗粗糙度度不會會繼續(xù)續(xù)改變變，所所占時時間比比率較較小經(jīng)磨合合的摩摩擦表表面加加工硬硬化，，形成成了穩(wěn)穩(wěn)定的的表面面粗糙糙度，，摩擦擦條件件保持持相對對穩(wěn)定定，磨磨損較較緩,該段時時間長長短反反映零零件的的壽命命經(jīng)穩(wěn)定定磨損損后，，零件件表面面破壞壞，運運動副副間隙隙增大大→動動載振振動→→潤滑滑狀態(tài)態(tài)改變變→溫溫升↑↑→磨磨損速速度急急劇上上升→→直至至零件件失效效四、磨磨損的的類型型1、磨粒粒磨損損—外界硬硬顆粒?；驅δケ肀砻嫔仙系挠灿餐黄鹌鹞镌谠谀Σ敛吝^程程中引引起表表面材材料脫脫落的的現(xiàn)象象2、粘著著磨損損—當摩擦擦副表表面相相對滑滑動時時，相相互接接觸的的表面面由于于粘著著效應應形成成粘著著結點點發(fā)生生剪切切斷裂裂，被被剪切切的材材料或或脫落落成磨磨屑，，或由由一個個表面面遷移移到另另一表表面3、表面面疲勞勞磨損損—兩個相相互滾滾動或或滾動動兼滑滑動的的摩擦擦表面面，在在循環(huán)環(huán)接觸觸應力力作用用下，，由于于材料料疲勞勞剝落落而形形成凹凹坑4、腐蝕蝕磨損損—由于金金屬與與周圍圍介質質發(fā)生生化學學或電電化學學反應應，造造成摩摩擦副副的表表面摩摩擦5、微動動磨損損—在相互互壓緊緊的金金屬表表面間間由于于小振振幅振振動而而產(chǎn)生生的一一種復復合形形式的的磨損損五、潤潤滑方方式與與潤滑滑劑潤滑方方式：：連續(xù)續(xù)潤滑滑和定定期潤潤滑潤滑劑劑：潤潤滑油油、潤潤滑脂脂和固固體潤潤滑劑劑六、潤潤滑油油主要要特性性1、粘度：流體體抵抗抗變形形能力力，衡衡量流流體內內摩擦擦阻力力大小小的指指標。。粘度↑↑——摩擦力力↑——發(fā)熱↑↑η——動力粘粘度Pa·s（泊P）2、（潤潤滑劑劑）油性油吸附附于摩摩擦表表面的的性能能，邊界界潤滑滑取決決于油油的吸吸附能能力。。工業(yè)上常用運動粘度：（斯St）

對于層流（牛頓流體）：3、粘度的的測定定3種方法法——3種單位位動力粘粘度(絕對粘粘度））恩氏粘粘度Et——相對粘粘度1Pa.s=1N.s/m2——國際單位位制P(泊)—物理單位位1Pa.s=10P1P=100cP=(Pa.s)/(kg/m3)m2/stc=0.0064Et–0.0055/Et常用斯St1St=1cm2/s=100cSt運動粘度度轉速高、、壓力小小時，油油的粘度度應低一一些；反反之，粘粘度應高高一些。。高溫時，，粘度應應高一些些；低溫溫時，粘粘度可低低一些。。4、選擇原原則七、潤滑滑脂◆特點：無無流動性性，可在在滑動表表面形成成一層薄薄膜，承載能力力大，但但性