機械設計課程資料 享

機械設計課程的主要內容總論齒輪傳動軸及軸系零、部件蝸桿傳動帶傳動鏈傳動聯(lián)軸器、離合器和制動器聯(lián)接機械零部件的潤滑與密封彈簧機械系統(tǒng)總體方案設計機械系統(tǒng)的組成(1)動力系統(tǒng)提供動力、實施能量轉換如：水輪機電動機機械能水能(自然界能源)電能(二次能源)(2)傳動系統(tǒng)將動力機的動力和運動傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)的中間裝置功能：減速變速傳遞動力改變運動規(guī)律多驅動(3)執(zhí)行系統(tǒng)直接完成預定任務的裝置(4)操縱及控制系統(tǒng)使各部分協(xié)調動作(5)輔助裝置如冷卻、潤滑、記數(shù)、照明機械能性質和任務1.性質2.任務3.機械零件設計的步驟機類各專業(yè)重要的技術基礎課樹立正確的設計思想和設計方法具有初步設計傳動裝置和簡單機械的能力了解機械系統(tǒng)總體方案的設計過程失效：零件失去正常工作的能力計算準則：衡量零件工作能力的指標受力分析選擇材料確定計算準則技術文檔理論計算(參數(shù)設計)結構設計約束條件式如強度準則1.載荷一、載荷和應力機械設計中的強度問題機器正常工作時所受的實際載荷(一般難以確定)名義載荷：工作載荷：計算載荷：載荷系數(shù)(考慮各種附加載荷)按原動機功率求得(理想狀態(tài))功率kW轉速r/min2.應力靜應力：不隨時間而變的應力變應力：隨時間而變的應力穩(wěn)定循環(huán)：不穩(wěn)定循環(huán)：隨機：不隨時間變之一隨時間變變化無規(guī)律3.幾種穩(wěn)定循環(huán)變應力)(1)變應力參數(shù)(以正應力為例、可將替換(2)對稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力(3)脈動循環(huán)變應力最大應力最小應力應力幅平均應力已知2個參數(shù)可確定其余參數(shù)循環(huán)特征非對稱循環(huán)變應力(4)靜應力二、靜應力作用下的強度條件1.危險剖面的應力正應力：剪應力：極限應力脆性材料取強度極限塑性材料取屈服極限2.危險剖面的安全系數(shù)三、變應力作用下的強度條件1.靜、變應力下的零件損壞和極限應力(2)極限應力靜應力極限應力：與材料性能有關變應力疲勞極限：與材料有關外，還與循環(huán)特征r、應力循環(huán)次數(shù)N、應力集中、絕對尺寸、表面狀態(tài)有關(1)零件損壞機理靜應力作用下：危險剖面塑性變形或斷裂變應力作用下：疲勞斷裂零件表面應力超過極限值微裂紋擴展斷裂2.不同循環(huán)次數(shù)N時的疲勞極限(1)疲勞曲線在循環(huán)特征為r的變應力作用下對一組試樣作疲勞試驗一個值記錄下試樣破壞的值(2)循環(huán)基數(shù)當值小到某一數(shù)值時，“無數(shù)”次循環(huán)試樣都不會疲勞破壞，則用替代“無數(shù)”次。如碳鋼(3)材料疲勞極限與對應的值曲線方程：(4)不同N的疲勞極限當時當時3.不同應力循環(huán)特征r時的疲勞極限材料的極限應力簡圖零件的疲勞極限則結論：對于塑性材料對于脆性材料以上正應力公式，用替代則對剪應力同樣適用。齒輪傳動齒輪傳動閉式傳動開式傳動半開式傳動—封閉在箱體內，潤滑條件好—外露，潤滑較差，易磨損—介于上兩者之間,有防護罩齒輪傳動的特點優(yōu)點：傳遞功率和轉速適用范圍廣；具有穩(wěn)定的傳動比；效率高、結構緊湊。缺點：制造成本較高；精度低時，噪聲和振動較大；不宜用于軸間距離較大的傳動。齒輪輪傳傳動動失失效效形形式式和和設設計計準準則則一、、失失效效1、輪齒折斷★疲勞折斷★過載折斷全齒折斷—常發(fā)生于齒寬較小的直齒輪局部折斷—常發(fā)生于齒寬較大的直齒輪，和斜齒輪措施：增大齒根圓角半徑、提高齒面精度、正變位、增大模數(shù)等2、齒面疲勞點蝕★點蝕常發(fā)生于閉式軟齒面（HBS≤350）傳動中★點蝕的形成與潤滑油的存在密切相關★點蝕常發(fā)生于偏向齒根的節(jié)線附近★開式傳動中一般不會出現(xiàn)點蝕現(xiàn)象措施：提高齒面硬度和齒面質量等3、齒面膠合配對齒輪采用異種金屬時，其抗膠合能力比同種金屬強措施：采用異種金屬、降低齒高、提高齒面硬度等5、齒面塑性變形措施：提高齒面硬度，采用油性好的潤滑油4、齒面磨損是開式傳動的主要失效形式措施：改善潤滑和密封條件二、、齒齒輪輪傳傳動動的的設設計計準準則則主要針對疲勞折斷和齒面點蝕這兩種失效形式齒根彎曲疲勞強度—齒輪抵抗輪齒疲勞折斷的能力齒面接觸疲勞強度—齒輪抵抗齒面疲勞點蝕的能力開式式齒齒輪輪傳傳動動采采用用準準則則二二，，但但不不校校核核齒齒面面接接觸觸強強度度設計準則一：對于閉式軟齒面（HBS≤350）傳動，主要失效形式是齒面點蝕，所以按齒面接觸疲勞強度設計，而校核齒根彎曲疲勞強度。設計準則二：對于閉式硬齒面（HBS>350）傳動，主要失效形式是齒根彎曲疲勞折斷，所以按齒根彎曲疲勞強度設計，而校核齒面接觸疲勞強度。直齒齒圓圓柱柱齒齒輪輪傳傳動動的的受受力力分分析析及及計計算算載載荷荷一、、輪輪齒齒受受力力分分析析條件件：：標標準準齒齒輪輪并并忽忽略略齒齒面面間間的的摩摩擦擦力力圓周力—徑向力—法向力—各力方向：Ft1與主動輪回轉方向相反Ft2與從動輪回轉方向相同F(xiàn)r1、Fr2分別指向各自齒輪的輪心各力關系：Fr1=-Fr2Ft1=-

Ft2Fn1=-Fn2二、、計計算算載載荷荷FncK=KAKvKαKβFnc=KFn=KFt/cosα

三、、齒齒面面接接觸觸疲疲勞勞強強度度計計算算強度度條條件件：：σH≤σHP（校校核核式式））討論論：：齒面面接接觸觸疲疲勞勞強強度度主主要要取取決決于于分分度度圓圓直直徑徑d齒寬寬b的大大小小應應適適當當，，b過大大會會引引起起偏偏載載令：ψd=b/d1—齒寬系數(shù)軟齒面、對稱布置：ψd=0.8~1.4非對稱布置：ψd=0.6~1.2懸臂布置、開式傳動：ψd=0.3~0.4直齒輪取小斜齒輪取大硬齒面降低50%模數(shù)數(shù)的的大大小小對對接接觸觸強強度度無無直直接接影影響響d越大，接觸強度σH越小,越大設計計式式：：σH1=σH2，而σHP1≠σHP2設計時，σHP=min{σHP1,σHP2}求出出d1→選選擇擇z→計計算算m=d1/z1為便便于于裝裝配配，，取取b1=b2+(5~10)mmb2=ψd

d1b1=b2b1>b2四、、齒齒根根彎彎曲曲疲疲勞勞強強度度計計算算σF≤σσFP校核式：設計式：討論論：：影響齒根彎曲疲勞強度的主要參數(shù)是模數(shù)mm↑→彎曲強度→齒厚s→截面積↑→σF配對的大小齒輪的彎曲應力不等計算模數(shù)時，比較與的大小，代入大值單側側受受載載時時，，σF看成成脈脈動動循循環(huán)環(huán)，，雙雙側側受受載載時時，，σF看成成對對稱稱循循環(huán)環(huán)五、、提提高高齒齒面面接接觸觸、、齒齒根根彎彎曲曲疲疲勞勞強強度度的的主主要要措措施施斜齒齒輪輪的的特特點點——輪輪齒齒呈呈螺螺旋旋形形；；嚙嚙合合時時接接觸觸線線傾傾斜斜斜齒齒圓圓柱柱齒齒輪輪傳傳動動的的強強度度計計算算一、、斜斜齒齒圓圓柱柱齒齒輪輪傳傳動動的的受受力力分分析析圓周力徑向力軸向力法向力αn—法面壓力角αt—端面壓力角β—螺旋角各力關系：21各力方向：Ft、Fr與直齒輪相同F(xiàn)a—決定于齒輪的轉向和輪齒的旋向例：n2n1Fr2Fr1Ft1Ft2n1n2Fa2Fa1用“主動輪左、右手定則”判斷二、、齒齒面面接接觸觸疲疲勞勞強強度度計計算算斜齒輪的強度當量直齒圓柱齒輪的強度相當于當量直齒圓柱齒輪：模數(shù)=斜齒輪法面模數(shù)mn

壓力角=斜齒輪法面壓力角αn齒數(shù)=當量齒數(shù)zv=z/cos3β分度圓直徑

dv=d/cos2β法向力=斜齒輪的法向力Fn把斜齒齒圓圓柱柱齒齒輪輪的強強度度計計算算問問題題轉轉化化成成直齒齒圓圓柱柱齒齒輪輪的強強度度計計算算問問題題引入齒寬系數(shù)ψ

d=b/d1，得設計式：校核式：相同同條條件件下下，，斜斜齒齒輪輪接接觸觸應應力力比比直直齒齒輪輪小小,故故斜齒齒輪輪接接觸觸強強度度比比直直齒齒輪輪大大原因：●重合度大，同時嚙合的齒數(shù)多●接觸線是傾斜的●當量齒輪直徑大，齒廓平直斜齒齒輪輪的的彎彎曲曲強強度度也也按按當量量齒齒輪輪進行行三、、齒齒根根彎彎曲曲疲疲勞勞強強度度強強度度計計算算校核式：設計式：注意：●

YFS應按ZV=Z/cos3β查取●設計時代入YFS1YFa1/σFP1與YFS2YFa2/σFP2中的大值結論：◎斜齒輪的強度等同于其當量直齒輪的強度◎條件相同時,斜齒輪的強度大于直齒輪(β的影響)一、、直直齒齒錐錐齒齒輪輪傳傳動動受受力力分分析析作用于齒寬中點的法向力分解成三個分力：圓周力徑向力軸向力直齒齒圓圓錐錐齒齒輪輪傳傳動動的的強強度度計計算算各力方向：Ft、Fr與圓柱齒輪相同F(xiàn)a1、Fa2—分別指向各自齒輪的大端各力關系：校核式：設計式：同直齒輪校核式：設計式：按當量齒數(shù)查圖表三、、齒齒根根彎彎曲曲疲疲勞勞強強度度強強度度計計算算二、、齒齒面面接接觸觸疲疲勞勞強強度度計計算算撓性傳動通過環(huán)形曳引元件，在兩個或多個傳動輪之間傳遞運動和動力的傳動。主要包含帶傳動、鏈傳動和繩傳動按工作原理可分為：摩擦型傳動靠曳引元件與傳動輪表面間的摩擦力來傳遞運動和動力靠特殊形狀的曳引元件與傳動輪輪齒的嚙合來傳遞運動和動力嚙合型傳動帶傳傳動動二、帶傳動的特點：1、帶具有彈性，能吸振，傳動平穩(wěn)，噪聲小2、過載時帶在帶輪上打滑，可保護其它零件，起安全保護作用3、適用于中心距較大的場合4、結構簡單，裝拆方便，成本較低6、帶在帶輪上有相對滑動，傳動比不恒定7、傳動效率低，帶的壽命較短8、傳動的外廓尺寸大9、需要張緊，支承帶輪的軸和軸承受力較大10、不宜用于高溫、易燃等場合三、、帶帶傳傳動動的的受受力力分分析析帶未工作之前，以一定的初拉力張緊在帶輪上，設初拉力為帶工作時，兩邊拉力不再相等，緊邊拉力由增加到，松邊拉力由減小到FfF0F0F1F2n1n2Ff帶工工作作前前：：帶工工作作時時：：由于帶是彈性體，且?guī)У目傞L不變，因此緊邊拉力增量應等于松邊拉力減量，即：所以有：有效拉力也即帶所能傳遞的圓周力，等于接觸面間的摩擦力總和，為緊邊、松邊的拉力差設帶傳遞的功率為P，帶速為v,則所需帶的有效拉力為：或要讓帶能正常工作，必須使：當帶與帶輪間的摩擦力達到極限值時，緊邊拉力與松邊拉力可用歐拉公式表示：極限摩擦力與下列因素有關：1、初拉力。越大，傳動時的摩擦力也越大。2、包角.包角越大，極限摩擦力也越大。3、摩擦系數(shù)。越大，就越大。思考考題題：：如何何提提高高帶帶的的承承載載能能力力？？F0不能能太太大大，，否否則則帶帶的的壓壓軸軸力力也大大，，帶帶的的壽壽命命降降低低；；F0不能能太太小小，，否否則則帶帶的的傳傳動動能能力不不能能充充分分發(fā)發(fā)揮揮，，容容易易打打滑滑。。四、、傳傳動動帶帶的的應應力力分分析析1、拉應力：緊邊松邊兩者者相相差差越越大大，，帶越越易易產產生生疲疲勞破破壞壞?。?、離心拉應力：V越大大，，帶帶往往外外甩甩得得越越厲厲害害，，承承載載能能力力下下降降,所所以以：：v<25m/s3、彎曲應力：為控控制制帶帶中中的的彎彎曲曲應應力力不不宜宜過過大大，，因因此此必必須須限限制制小小帶帶輪輪的的最最小小直直徑徑dd1帶在預期壽命內不發(fā)生疲勞破壞的條件：

五、、帶帶傳傳動動的的彈彈性性滑滑動動與與打打滑滑彈性滑動帶是彈性體，受力后發(fā)生彈性變形，由于緊邊和松邊拉力不等，導致帶在帶輪上有微小的相對滑移現(xiàn)象。后果從動輪的圓周速度下降功率損失、降低傳動效率增加帶的磨損滑動率：由于彈性滑動引起從動輪的圓周速度的相對降低量故帶傳動的傳動比應為：從動輪的直徑和轉速分別為：在要求較高的場合，按上式計算帶輪直徑，圓整即可；在要求不高的場合，可用下式算帶輪直徑，再取標準值。2、打滑當帶傳遞的載荷增大，有效拉力也相應增大，如果有效拉力達到或超過極限摩擦力時，相對滑動將在整個接觸弧上發(fā)生，導致帶傳動失效的現(xiàn)象稱為打滑。帶傳傳動動運運動動不不平平穩(wěn)穩(wěn)，，帶帶磨磨損損相相當當厲厲害害，，應應當當避避免免什么么是是彈彈性性滑滑動動？？什什么么是是打打滑滑？？它它們們有有何何區(qū)區(qū)別別？？六、、帶帶傳傳動動的的主主要要失失效效形形式式及及計計算算準準則則1）打滑2）疲勞破壞1、主要失效形式2、計算準則既不打滑，由具有一定的疲勞強度和壽命七、、帶帶傳傳動動的的設設計計————帶帶的的型型號號、、根根數(shù)數(shù)、、長長度度等等2、不打滑條件1、疲勞強度條件或1.概述撓性傳動帶傳動鏈傳動套筒滾子鏈與帶帶傳傳動動相相比比、、鏈鏈傳傳動動具具有有：：(1)沒有滑動，平均傳動比準確(2)張緊力小，故軸上受力小(3)能在高溫、潮濕、油污等惡劣環(huán)境下工作(4)工作時有沖擊和噪音，不宜在高速中使用(5)價昂鏈傳傳動動工工作作情情況況分分析析鏈的平均速度平均傳動比2.鏈鏈傳傳動動的的平平均均傳傳動動比比3.鏈鏈傳傳動動運運動動的的不不均均勻勻性性每一鏈節(jié)從進入到脫離嚙合，鏈條前進的瞬時速度周期性由小－大－小變化范圍瞬時速度變化垂直分速度亦周期性變化，鏈條抖動鏈輪轉速越高節(jié)距越大(齒數(shù)越少)鏈傳動的動載荷越大4.鏈鏈傳傳動動的的失失效效及及其其設設計計準準則則與帶帶傳傳動動設設計計類類似似，確確定定不不發(fā)發(fā)生生失失效效的的鏈鏈條條規(guī)規(guī)格格(鏈鏈號號)設計計準準則則：：轉速鏈額定功率鏈號（節(jié)距）失效形式：(3)多次沖擊破斷(5)過載拉斷(4)膠合(2)鏈的疲勞破壞(1)鉸鏈磨損軸一、、軸軸的的功功能能及及分分類類支撐回轉類零件，并使其有確定的工作位置，傳遞運動和動力。功能：分類：1、按載荷性質心軸傳動軸轉軸只承受彎矩不傳遞轉矩只傳遞轉矩不承受彎矩或彎矩很小即承受彎矩又傳遞轉矩二、、軸軸的的失失效效形形式式疲勞斷裂受彎矩或扭矩作用的軸其應力多為變應力，在變應力的反復作用下軸易發(fā)生疲勞斷裂塑性變形瞬時過載很大，應力狀態(tài)接近靜應力三、、軸軸的的設設計計步步驟驟選擇材料估算軸的最小直徑結構設計剛度強度驗算1、按扭轉強度估算軸徑2、、按按經經驗驗公公式式估估算算最最小小軸軸徑徑對于于一一般般減減速速裝裝置置中中的的軸軸，，和和電電機機相相連連的的高高速速軸軸最最小小直直徑徑可可用用電電機機軸軸徑徑估估算算:各低低速速軸軸最最小小直直徑徑可可按按同同級級齒齒輪輪中中心心距距估估算算:d=（（0.8~1.2））Dd=(0.3~0.4)a軸的的結結構構設設計計目的的:1、合理定出軸各部分的幾何形狀和尺寸2、軸上零件要準確定位和可靠的固定3、提高軸的結構工藝性4、提高軸的強度和剛度一、、軸軸上上零零件件的的軸軸向向定定位位和和固固定定的的方方法法二、、軸軸上上零零件件的的周周向向定定位位和和固固定定三、、軸軸的的結結構構工工藝藝性性1、、為為了了裝裝拆拆的的方方便便，，軸軸及及軸軸肩肩的的端端部部應應加加工工出出必必要要的的倒倒角角；；2、、為為了了加加工工的的方方便便，，應應使使同同一一軸軸上上的的圓圓角角、、倒倒角角、、鍵鍵槽槽、、越越程程槽槽、、退退刀刀槽槽等等尺尺寸寸一一致致；；3、、同同一一軸軸上上，，鍵槽槽應應開開在在同同一一條條母母線線上上。。需需磨磨削削的的軸軸段段應應有有砂砂輪輪越越程程槽槽；；需需切切削削螺螺紋紋的的軸軸段段應應有有退退刀刀槽槽。。4、、為為了了便便于于加加工工和和檢檢驗驗，，軸軸的的直直徑徑應應取取圓圓整整值值；；與與滾滾動動軸軸承承相相配配合合的的軸軸段段直直徑徑應應符符合合軸軸承承內內徑徑標標準準；；有有螺螺紋紋的的軸軸段段直直徑徑應應符符合合螺螺紋紋標標準準直直徑徑。。四、、提提高高軸軸的的強強度度和和剛剛度度1、、減減小小應應力力集集中中2、、改改善善軸軸的的表表面面質質量量3、、改改善善軸軸的的受受力力狀狀況況A））適適當當增增大大圓圓角角半半徑徑B））凹凹切切圓圓角角C））肩肩環(huán)環(huán)結結構構可采采用用輾輾壓壓、、噴噴丸丸、、滲滲碳淬淬火火、、氮氮化化、、高高頻頻淬淬火等等方方法法1））改改善善軸軸上上零零件件結結構構2））減減小小軸軸上上載載荷荷3））改改善善應應力力特特征征軸的的強強度度驗驗算算驗算方法：彎扭合成法對于于一一般般