机械设计基础概述

2.1机器应满足的要求和设计制造程序2.2机械零件设计的基本知识2.3机械工程常用材料2.4机械零件的强度2.5机械零件的结构工艺性2.6摩擦、磨损和润滑2.7现代机械设计方法简介,第2章机械设计基础概述,2.1机器应满足的要求和设计制造程序,2.1.1机器应满足的要求,1.使用要求,2.经济性要求,3.社会要求,4.可靠性要求,5.其它特殊要求,2.1机器应满足的要求和设计制造程序,2.1.2机器设计、制造的一般程序,1.可行性研究阶段,2.方案设计阶段,3.技术设计阶段,(2)机器的动力学计算,(3)零件的工作能力设计,(1)机器的运动学设计,2.1机器应满足的要求和设计制造程序,4.施工设计阶段,6.投产销售阶段,5.样机试制阶段,（4）部件装配草图和总装配草图设计,（5）主要零件校核,2.2机械零件设计的基本知识,2.2.1机械零件的工作能力和计算准则,1.失效：机械零件丧失规定的功能。,2.工作能力：在不发生失效的条件下，在规定期限内，零件所能工作的限度，称为零件的工作能力，通常这个限度是对载荷而言，所以又称承载能力。,3.机械零件的失效原因：,(1)强度不够，发生断裂，如轮齿折断；,(2)刚度不够，发生过度的弹性变形，如轴的挠度和转角过大；,(3)磨损严重，使零件损坏或丧失精度，如轮齿过度磨损；,(4)摩擦力不够，如带传动打滑；,(5)强烈的共振，如轴所受干扰力频率接近自振频率时将引起共振，等等。,2.2机械零件设计的基本知识,4.零件工作能力的判定条件：,(1)强度判定条件，应力许用应力；(2)刚度判定条件，变形量许用变形量；(3)耐磨性判定条件，压强许用压强；,判定条件可概括为：计算量许用量,这种为防止零件失效而制定的判定条件，通常称为零件的计算准则，它是零件正常工作的必要条件，是确定零件主要尺寸的依据。,同一零件发生失效的形式可能有多种，如齿轮失效形式有轮齿折断、点蚀、磨损等。但其主要失效形式将由材料、结构和工作条件等决定。,2.2机械零件设计的基本知识,2.2.2机械零件设计的一般步骤,1.根据零件的使用要求，选择零件的类型或结构；,2.根据零件的工作条件及对零件的特殊要求，选择合适的材料和热处理方法；,3.根据零件的工作情况，确定作用于零件上的载荷(包括建立力学模型、进行载荷分析和计算、考虑各种因素对载荷的影响及确定零件的计算载荷)；,4.根据零件可能出现的失效形式，确定计算准则，并计算和确定出零件的基本尺寸；,5.根据工艺性和标准化等要求进行零件的结构设计；,6.必要时应对零件进行校核计算；,7.绘出零件的工作图。,2.2机械零件设计的基本知识,2.2.3机械零件的标准化,1.三化：零部件的标准化、通用化和产品系列化,(3)系列化:对同一类产品，在同一基本结构或基本尺寸条件下，规定出若干种不同尺寸参数的产品，形成系列。,(1)标准件:按规定标准生产的零件称为标准件。,(2)通用化：在系列产品内部或在跨系列产品之间采用同一结构和尺寸的零部件。,2.2机械零件设计的基本知识,2.三化的重要意义,（1）采用标准结构及零部件，可简化设计工作，缩短设计周期，提高设计质量，有利于把主要精力用于关键零件、部件的设计；,（2）可在专门工厂采用先进技术大规模集中生产标准零部件，有利于节约原材料和能源，保证产品质量、降低成本；,（3）增大互换性，便于用户使用和维修；,（4）有利于改进和提高产品质量、扩大生产批量和开发新品种。,3.我国现行的标准有：,国家标准(GB),部颁标准(如机械部标准JB、冶金部标准YB等),企业标准,出口产品应采用国际标准(ISO),2.3机械工程常用材料,2.3.1常用工程材料简介,机械工程中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属及其合金。非金属材料如工程塑料、橡胶、尼龙、木材、石墨、陶瓷等也在某些场合应用。,机械工程常用的材料和应用举例,常用钢铁材料的牌号及力学性能,2.3.2金属材料的热处理,许多金属材料，可以用整体热处理或表面热处理的方法改变其整体或表面的物理、力学性能，发挥其使用潜力。例如，合金钢如不经热处理，其力学性能并不明显优于碳素钢。为充分发挥合金钢的作用，合金钢零件一般都需经过热处理。,钢的常用整体热处理方法及应用,钢的表层热处理和化学热处理,2.3机械工程常用材料,2.3.3金属零件的表面处理,表面处理是使金属表面缠产生一层覆盖层，以达到防腐、改善性能及装饰的作用。通常分电镀、化学处理和涂漆三种。,（1）电镀。电镀是应用电解原理在某些金属（或非金属）表面镀上一层其他金属或合金的过程。,1)镀铬。适用于钢件、铜或铜合金件。2)镀镍。适用于钢、铜及铜合金、铝合金件。,（2）化学处理。金属零件表面的化学处理主要有氧化和磷化。,1)黑色金属的氧化与磷化。2)铝及铝合金的阳极氧化。,3)铜及铜合金的氧化。,（3）涂漆。,2.4机械零件的强度,2.4.1载荷和应力,1.载荷的分类,机械零件所受的载荷包括力F、转矩T、弯矩M和功率P等。,（1）载荷按其大小和方向是否随时间变化，可分为两类：,静载荷：不随时间变化(或变化缓慢)的载荷；变载荷：随时变化的载荷。,（2）在设计计算中，常把载荷分为名义载荷和计算载荷。,名义载荷：根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷。计算载荷：设计计算时所用的载荷，其值为载荷系数与名义载荷的乘积。载荷系数是考虑冲击、振动或载荷分布不均匀等因素的影响而加的系数，详见有关章节。,2.4机械零件的强度,2.应力的分类,应力分为静应力和变应力两类。,稳定变应力:在变应力中，周期、应力幅和平均应力都不随时间变化的变应力称为稳定变应力。,三种基本类型：非对称循环变应力、脉动循环变应力和对称循环变应力。,静应力：大小和方向不随时间变化或变化缓慢的应力。静应力只能在静载荷作用下产生。变应力：大小和方向随时间显著变化的应力。变应力由变载荷产生，也可由静载荷产生。受静载荷作用而产生变应力的零部件有齿轮、带、滚动轴承等。大多数零件都是处于变应力状态下工作。,5个参数：最大应力、最小应力、平均应力、应力幅和循环特性r。循环特性为最小应力与最大应力的比值。,2.4.2机械零件的静强度,在静应力作用下的零件，其主要失效形式是塑性变形或断裂。,强度计算准则：,和,中，,和,是材料的极限应力。,极限应力的取值与零件的工作应力性质和材料性质有关。,1.静应力下用塑性材料制造的零件，为防止过大的塑性变形失效，取材料的,2.4机械零件的强度,屈服极限（,）或（,）为极限应力。,即强度计算准则为：,或,或,2.静应力下脆性材料制造的零件，为防止断裂失效，取材料的强度极限（,）或（,）为极限应力。,即强度计算准则为：,2.4机械零件的强度,2.4.3机械零件的疲劳强度,(3)当裂纹达到临界尺寸后，发生瞬时断裂。疲劳断裂面由光滑的疲劳发展区和粗粒状的瞬断区组成。,绝大多数机械零件在变应力下工作，其失效形式是疲劳断裂。表面无宏观缺陷的金属材料，其疲劳过程可分为三个阶段:,(1)在变应力作用下形成初始裂纹；,(2)裂纹尖端在切应力作用下发生反复塑性变形，使裂纹扩展；,2.4机械零件的强度,2.4.4机械零件的接触强度,1.接触应力,如右图所示，平行的两圆柱体的接触为线接触。在力,作用下压紧时，由于弹性变形形成狭长矩形区,域上的面接触，最大接触应力发生在接触区中线上。若两圆柱体材料为钢或铸铁，根据弹性力学的赫兹(Hertz)公式，可得最大接触应力,2.接触强度,为防止疲劳点蚀，须满足接触疲劳强度，强度条件为：,=0.418,2.5机械零件的结构工艺性,1.机械零件的结构工艺性：指所设计的零、部件在保证产品使用性能的前提下，能用生产率高、劳动量小、生产成本低的方法制造出来。,零件的结构工艺性，反映在毛坯制备过程、热处理过程、切削加工过程和装配过程中。,2.零件加工工艺对零件的设计要求,（1）铸造1）应使造型方便，砂箱和型芯尽量少，具有必要的起模斜度等；2）壁厚变化及布置应避免出现缩孔，避免局部金属堆积；3）应考虑零件在机床上切削加工时有必要的基准面，注意浇铸过程中不应造成激冷过硬的被切削加工面。,（2）锻造,1）能使金属流动并充满锻模的壁腔，具有必要的起模斜度等。,2.5机械零件的结构工艺性,(3)热处理,5）形状特别复杂或者不同部位有不同性能要求时，可改成组合结构。,零件的切削加工工艺性和装配工艺性对零件结构设计影响示例,1）避免锐边和尖角，采用的过渡圆角应尽可能大；,2）尽量使零件截面均匀;,3）提高零件结构的刚性，必要时可增添加强肋;,4）零件几何形状力求简单、对称；,2.6摩擦、磨损和润滑,2.6.1摩擦,1.摩擦：在正压力作用下的两相接触的物体，接触面间产生抵抗切向滑动阻力的现象称为摩擦。,2.分类,1）按运动形式摩擦可分为滑动摩擦和滚动摩擦。,滑动摩擦：作相对滑动的两接触物体间的摩擦。如滑动轴承的轴瓦与轴颈、丝杆与螺母间的摩擦。,滚动摩擦：作相对滚动的以点或线接触的两物体，其接触处产生的摩擦。如滚动轴承中滚动体与内、外圈间、滚动螺旋与螺母、齿轮轮齿在节点啮合时的摩擦。,滚动摩擦要比滑动摩擦小得多。,2）按摩擦状态来分，滑动摩擦又分为：干摩擦、流体摩擦、边界摩擦和混合摩擦。,2.6摩擦、磨损和润滑,干摩擦,摩擦面间不加润滑剂时的摩擦为干摩擦图(a)。干摩擦时，金属表面直接接触，摩擦大，磨损严重，应予避免(依靠摩擦力工作的零件除外)。,2.6摩擦、磨损和润滑,边界摩擦,摩擦副间有少量润滑剂图(b)，摩擦表面上形成极薄的润滑剂膜，强度低，易破裂，致使摩擦面间部分直接接触，这种摩擦为边界摩擦。其摩擦和磨损均比干摩擦时小。,2.6摩擦、磨损和润滑,流体摩擦,摩擦副表面间被一层压力流体完全隔开时的摩擦称为流体摩擦图(c)。摩擦只产生于流体内部分子间，摩擦系数很小，是理想的摩擦状态。,2.6摩擦、磨损和润滑,混合摩擦,处于边界摩擦与流体摩擦的混合状态称为混合摩擦图(d)。混合摩擦时，大部分摩擦面处于流体摩擦，少量表面轮廓峰直接接触。其摩擦系数要比边界摩擦小得多。,2.6摩擦、磨损和润滑,2.6.2磨损,1.磨损：摩擦使零件表面材料逐渐损失的现象称为磨损。,2.耐磨性：材料抵抗磨损的能力称为耐磨性。3.磨损量：被磨损去的表面厚度称为磨损量。,4.磨损过程：,一般机械零件的磨损过程分为：磨合阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段。,2.6摩擦、磨损和润滑,5.磨损类型：,(1)粘着磨损。这是金属摩擦副中最普遍的一种磨损形式。,(2)磨粒磨损。这是一种机械磨损，甚为常见，如开式齿轮的磨损。(3)疲劳磨损。受变接触应力作用的摩擦副，表面形成疲劳点蚀，小片金属剥落，称为疲劳磨损。,(4)腐蚀磨损。金属表面材料与周围介质起化学反应或电化学作用而造成材料脱落，这是一种机械化学磨损。,6.减少磨损的方法,减少磨损的方法应结合磨损类型来考虑。一般为：合理选择摩擦副材料、表面硬度和表面粗糙度；良好的润滑：形成流体润滑、或采用含油性和极压添加剂的润滑剂、合理选择润滑油粘度；降低摩擦副表面温度；控制压强等。,2.6摩擦、磨损和润滑,2.6.3润滑,润滑就是向摩擦表面供给润滑剂。,润滑的主要目的是为了减小摩擦、减少磨损和冷却零件。此外，润滑还有防止零件锈蚀、缓冲吸振、洗除污物和密封等作用。,润滑问题包括选用合适的润滑剂、润滑方式和确定润滑装置。,润滑剂分为液体润滑剂、半固体润滑剂、固体润滑剂和气体润滑剂等四大类。对于一般机械设备，通常采用润滑油或润滑脂润滑。,1.润滑油,工业用润滑油有矿物油和合成油两类。,(1)矿物油的种类,矿物油种类繁多，一般按油品的特性和应用场合分类。GB7631.1-87将工业润滑油和有关产品分为18个组别，如全损耗系统用油、齿轮油、内燃机油、主轴、轴承油等等。每组根据用途又分为若干品种，例如齿轮油分为工业闭式齿轮油、工业开式齿轮油和车辆齿轮油。每种润滑油再按质量、使用条件和用途分为几个等级，如工业闭式齿轮油分为普通工业齿轮油、中负荷工业齿轮油、重负荷工业齿轮油、蜗轮蜗杆油等六个等级。每个等级润滑油又有不同牌号。,2.6摩擦、磨损和润滑,润滑油的牌号是按照油的粘度来划分的。,对于工业用润滑油，标准把温度在40时运动粘度在范围内的油分为18个牌号。每个牌号表示粘度数字中心值的整数。牌号数字愈大，油粘度愈高，即愈稠。,常用润滑油的性能和用途,(2)润滑油的主要性能指标,1）粘度。粘度是润滑油抵抗剪切变形的能力。它反映润滑油流动时内部摩擦阻力的大小。粘度是润滑油最重要的性能指标。粘度有动力粘度与运动粘度之分，前者用于流体动力计算；后者为动力粘度与密度之比值，常用于工业上。运动粘度的法定单位为，常用单位为。2）粘度指数。温度是影响油粘度的最重要的因素。温度升高，粘度将显著降低。粘度指数是衡量润滑油粘度随温度变化快慢的程度。粘度指数越大，温度变化对粘度的影响越小，说明油品的粘温性能越好。3）油性。油性是指润滑油湿润或吸附于干摩擦表面的性能。吸附能力越强，油性越好。,2.6摩擦、磨损和润滑,4)极压性。是润滑油中加入含硫、氯、磷的有机极性化合物后，油中极性分子在金属表面生成抗磨、耐高压化学反应膜的能力。机械在高速重载条件下工作时，要选用极压性好的油作润滑。5)闪点。闪点是润滑油在规定条件下加热并与火焰接触发生瞬间闪火时的最低温度。它是一个使用安全指标。一般要求油闪点高于工作温度2030。6)凝点。润滑油在规定条件下冷却，失去流动性的最高温度称为凝点，反映其可使用的最低温度。一般要求凝点比最低使用温度低510。国外常采用倾点表示油的凝固温度。倾点为油品在给定条件下丧失流动性的温度以上3的温度。,(3)润滑油的选用选用润滑油主要是确定油品的种类和粘度(牌号)。一般根据机械设备的工作条件、载荷和速度先确定出合适的粘度范围，再选择适当的润滑油品种。选择的原则是：在下列情况下宜选用粘度高的润滑油：高温、重载、低速；机器工作中有冲击、振动并经常变速变载、起动、停车、反转；轴与轴承间间隙较大，加工表面粗糙等。在下列情况下可选用粘度低的润滑油：高速轻载；低温，采用压力循环或滴油润滑。,2.6摩擦、磨损和润滑,润滑脂是润滑油与稠化剂的膏状混合物。润滑性能主要取决于所用的润滑油、稠化剂的种类和含量。,(1)润滑脂的种类,2.润滑脂,润滑脂分为矿物油润滑脂和合成油润滑脂两大类。矿物油润滑脂通常按所用的稠化剂来分类和命名，品种繁多，性能各异。,一些常用润滑脂的性能和用途,(2)润滑脂的性能指标针入度将重量为15N的标准圆锥体放入25的润滑脂试样中，经5秒钟后所沉入的深度称为润滑脂的针入度，以1/10mm为单位。润滑脂按针入度自大至小分为共10个牌号，牌号数字越大，针入度越小，脂越稠。针入度是表征润滑脂稠度的指标。2)滴点在规定的加热条件下，润滑脂从标准量杯孔口滴下第一滴油时的温度称为滴点。润滑脂的工作温度应比其滴点低。,2.6摩擦、磨损和润滑,3.添加剂为了改善润滑油、脂的使用性能，常加入一定量的其它物质添加剂，使其更好地满足不同使用场合的各种需要。添加剂种类很多，按所起的作用可分为：极压添加剂、油性剂、抗氧抗腐剂、粘度指数改进剂、降凝剂等等。,(3)润滑脂的特点与润滑油相比，润滑脂有如下特点：,1）粘附能力强，油膜强度高，具有耐高压和极压性，故承载能力较大；,2）适用于高温、极压、低速、冲击振动、间歇运转等苛刻工况条件；,3）使用温度范围宽广；密封性好；,4）使用寿命长，耗量少，润滑方便和维护较简单；流动性差，摩擦阻力较大，不宜用于特别高速高温场合；,5）脂中混入污物后不易清除。润滑脂特别适用于滚动轴承的润滑。,2.7现代机械设计方法简介,在机械设计中，已广泛采用一系列现代设计方法，如计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、动态设计、系统设计、造型设计、反求工程设计、模块化设计等等，使设计水平有了质的飞跃。机械产品也从单纯机械走向机电一体化，向着高效能、自动化、综合化和智能化等方向发展。,近二三十年来，科学技术飞速发展。新技术、新工艺、