机械设计总论 2

机械零件设计2006年9月陈少克机械设计总论机械传动设计总论带传动螺旋传动链传动齿轮传动蜗杆传动轴滚动轴承滑动轴承联轴器和离合器轴系结构设计螺纹联接弹簧机械设计本章的学习要点机械零件设计步骤机械零件的工作能力和计算准则机械中的摩擦、磨损和润滑设计机器的基本原则和设计程序

本课程中“设计”的含义是指机械装置的实体设计，涉及零件的应力、强度的分析计算，材料的选择、结构设计，考虑加工工艺性、标准化以及经济性、环境保护等。§1机械设计概述一、课程性质《机械零件设计》是机械类专业的一门技术基础课，是初步掌握机械设计能力的必然环节。机器组成：原动机传动装置—→工作机—→控制系统辅助系统（如仪表、照明等）轿车组成：

任何机器都是由许多零件组合而成的。部件：为完成同一使命而协同工作的许多零件的组合。零件：组成机器的不可拆的基本单元（即制造的基本单元）。如：滚动轴承、联轴器。用途专用零部件：只在一定类型机器中使用的零件，如曲轴。通用零部件：各种机器中普遍使用的零部件，如齿轮、螺栓。标准件：制定了国家标准，并由专门工厂生产的零部件。

如：滚动轴承、螺栓等。二、任务(1)掌握通用机械零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具有机械系统的综合设计能力，能进行一般机械传动部件和简单机械装置的设计；(2)培养机械设计的创新能力；(3)具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资科的能力；(4)初步建立正确的设计思想方法和工作方法(5)学习一些机械设计的实验方法；(6)对机械设计的新发展有所了解。三、机械设计的一般程序机械设计是一个创新与借鉴相结合的过程，一般程序如下：明确任务调研——→方案设计——→技术设计——→施工设计——→投产试验修改五、设计机器的的一般步骤骤设计准备达成目标首先应明确确设计任务务、设计要要求及其工工作条件，，针对设计计任务和要要求进行分分析调研，，查阅有关关资料，有有条件的可可参观有相相似机械装装置的现场场或实物。。方案设计根据分析调调研结果，，选择原动动机、传动动装置和执执行机构及及它们之间间的联接方方式，拟定定若干可行行的总体设设计方案。。总体设计对所拟定的的设计方案案进行必要要的计算，，如总传动动比和各级级传动比、、各轴的受受力、转矩矩、转速、、功率等，，并对执行行机构和传传动机构进进行初步设设计，进行行分析比较较，择优确确定一个正正确合理的的设计方案案，绘制传传动装置和和执行机构构的总体方方案简图。。结构设计针对整机或或某一部件件，如部分分传动装置置或执行机机构等，进进行详细设设计，根据据各个零部部件的强度度、刚度、、寿命和结结构要求，，确定其结结构尺寸和和装配关系系，并根据据整机运转转要求，进进行箱体和和附件设计计，完成装装配图样设设计和零件件图样设计计，编写计计算说明书书、使用说说明书、标标准件明细细表等其他他技术文件件。六、课程内容和和要求1、课程内容主要介绍通通用机械零零件的常用用设计方法法2、课程学习方方法(1)系统性(2)综合性(3)工程性(4)典型性3、课程安排排(1)讲课48学时(2)实验12学时，由实验室负负责。4、要求(1)实验、平时时作业不能能缺，否则则没成绩。。(2)课堂纪律、、考勤(3)课堂回答5、成绩(1)期末考试（（闭卷）60%(2)实验20%(3)作业、平时时表现20%7、答疑每周一次集集中答疑,周三下午,机电楼房306电话：82902253，136230365836、参考书目目1．《机械设计》邱宣怀高高等教育出出版社2．《机械设计》陈东电子子工业出版版社3.《《机械原理与与设计课程程设计》王三民机机械工业出出版社4.《《机械设计综综合课程设设计》王之栎、王王大康机机械工业业出版社§2机械零部件件设计一、设计机机械零件时时应满足的的基本要求求1、满足功能要要求（强度、刚刚度、寿命命）；2、满足工艺性性要求（便于加工工、装配））；3、能保证使用用者安全，，操作方便便；4、外形美观观；5、经济性要要求（材料料、加工方方法、精度度等级）6、有市场竞竞争能力二、机械零零件的失效效分析和计计算准则失效--零件丧失工工作能力或或达不到设设计要求的的性能。常见失效形形式--破裂或塑性性变形；弹弹性变形过过大；表面面磨损、胶胶合；打滑滑；联接松松动性。零件工作—→承受载荷—→载荷欲使零件失效零件据自身身结构、材材料反抗失失效—→反抗失效＞＞失效—→解决办法：：合理设计计遵循设计准则设计准则1、强度准则则强度：零件件抵抗断裂、塑变、疲劳破坏的能力。方法：1）或2）S——安全系数，，S＞1—→S↑：安全，浪费材料S↓：经济，不不安全2、刚度准则则刚度：抵抗弹性变形的能力。机床主轴等等弹性变形形过大将影影响加工精精度。3、寿命准则则实际使用寿寿命大于或或等于预期期寿命，L≥[L]。4、温升准则则Δt≤[ΔΔt]§3机械零件的的强度计算算一、机械零零件的疲劳劳强度1）载荷分类类静载荷：不随时间间变化或变变化缓慢。。动载荷：随时间变变化。2）应力分类类名义载荷与计算载荷。变应力静应力：r=1σt脉动循环：r=0σt0对称循环：r=-1σt0非对称循环tσ01、疲劳强度度的基本知知识3）稳定循环环变应力的的基本参数数和种类a)基本参数应力循环特特性最大应力最小应力平均应力应力幅b)稳定循环变变应力种类类：-1<r<+1——不对称循环环变应力r=+1——静应力r=–1——对称循环变变应力r=0——脉动循环变变应力静应力只能由静载荷产生，变应力可能由变载荷或静载荷产生。aσ0tt0σa在变应力下下，零件的的主要失效效形式为：：疲劳破坏静应力由载荷产生，，变应力由载荷产生。。1）断裂过程程：①产生生初始裂纹纹（应力力较大处））②裂纹尖端端在切应力力作用下，，反复扩展，直至产产生疲劳裂裂纹。2）断裂面：：①光滑区区（疲劳发发展区）②粗糙区（（脆性断裂裂区）3）无明显塑塑性变形的的脆性突然然断裂4）破坏时的的应力（疲疲劳极限））远小于材材料的屈服服极限2、材料的疲疲劳特性5）影响因素素：不仅与材料料性能有关关，变应力力的循环特特性，应力力循环次数数，应力幅幅都对疲劳劳极限有很很大影响。。3、疲劳强度度的基本理理论—疲劳极限，，循环变应应力下应力力循环N次后材料不不发生疲劳劳破坏时的的最大应力力称为材料料的疲劳极极限疲劳寿命（（N）—材料疲劳失失效前所经经历的应力力循环次数数N1）疲劳曲线线：应力力循环特性性一定时，，材料的疲疲劳极限与与应力循环环次数之间间关系的曲曲线No—循环基数—持久极限（1）有限寿命命区当N<103(104)—低周循环，，疲劳极限限接近于屈屈服极限，，按静强度度计算当N>103(104)——高周循环疲疲劳当时时随循环次次数↑疲劳劳极限↓（2）无限寿命命区——持久极限对称循环：：脉动循环：：疲劳曲线方方程——寿命系数∴疲劳极限几点说明：：①No硬度≤350HBS钢，No=107≥350HBS钢，No=(10-25)x107有色金属(无水平部分分)，规定当No>25x107时,近似为无限限寿命区②m—指数与应力力与材料的的种类有关关。钢m=9——拉、弯应力力、剪应力力m=6——接触应力青铜m=9——弯曲应力m=8——接触应力2）材料的疲疲劳极限应应力图—同一种材料料在不同的的应力循环环特性下的的疲劳极限限图（图图）对任何材料料（标准试试件）而言言，对不同同的应力循循环特性下下有不同的的持久极限限，即每种种应力循环环特性下都都对应着该该材料的最最大应力=，再由应力力循环特性性可求出和和、、以为为横坐标、、为纵纵坐标，即即可得材料料在不同应应力循环特特性下的极极限和和的的关系图图曲线上的点点对应着不不同应力循循环特性下下的材料疲疲劳极限A——对称疲劳极极限点B——脉动疲劳极极限点G——屈服极限点点C——强度极限点点材料的简化化极限应力力线图，可可根据材料料的和三个个试验数据据和和而而作出疲劳强度线屈服强度线AD上各点：如如果不不会疲疲劳破坏DG上各点：如如果不不会屈服破破坏疲劳强度线屈服强度线AD段的方程为：：式中：－－等效系数，其值见教材P11（2）极限应力图的用途：在于根据确定非对称循环应力下的疲劳极限以计算安全系数。

（3）对于切应力，只需将各式中的换成即可。注：（1）疲劳曲线线的用途：：在于根据据σ确定某个循循环次数N下的条件件疲劳极限限σN3）零件件的极限应应力线图影响零件疲疲劳强度的的主要因素素有以下三三个：（1）应力集中中的影响机械零件上上的应力集集中会加快快疲劳裂纹纹的形成和和扩展。从从而导致零零件的疲劳劳强度下降降。

用应力集中系数、计入应力集中的影响。（、的值见教材或有关手册）（2）尺寸的影影响零件的尺寸寸越大，在在各种冷、、热加工中中出现缺陷陷，产生微微观裂纹等等疲劳源的的可能性（（机会）增增大。从而而使零件的的疲劳强度度降低。用尺寸系数、，计入尺寸的影响。（3）表面质量量的影响表面质量：：是指表面面粗糙度及及其表面强强化的工艺艺效果。表表面越光滑滑，疲劳强强度可以提提高。强化化工艺（渗渗碳、表面面淬火、表表面滚压、、喷丸等））可显著提提高零件的的疲劳强度度。用表面状态系数计入表面质量的影响。影响疲劳强强度的主要要因素3综合影响系系数试验证明：：应力集中中、尺寸和和表面质量量都只对应应力幅有影影响，而对对平均应力力没有明显显的影响。。（即对静静应力没有有影响）在计算中，，上述三个个系数都只只计在应力力幅上，故故可将三个个系数组组成一个个综合影响系系数：零件的疲劳劳极限为：：σaA´D´G´Cσ0/2σSσmOADG零件的极限限应力线图图4）单向稳稳定变应力力时机械零零件的疲劳劳强度计算算步骤：①根据零件件载荷及结结构情况，，求σmin、σmax及σa、σm，并将其标标在零件的的极限应力力线图中，，如图中M、N点；②求该工作作应力点的的零件疲劳劳极限σ´max。说明应遵循与工工作应力变变化规律相相一致的原原则，一般般工作应力力有三种变变化情况：：r=C（机器中转转轴的应力力状态）；；σm=C（加载振动动弹簧）；；σmin=C（受轴向力力的紧螺栓栓联接）。。但通常采用用r=C来进行疲劳劳强度计算算。③建立计算算安全系数数的计算公公式，进行行计算。（1）r=C的情况当r=C时，找出一一个与工作作应力变化化规律相同同的极限应应力直线OM´1方程：直线AG方程：联解可求出出σ´ae、σ´me，于是M´1点的零件极极限应力则（疲劳强度计计算公式）当工作应力力点N处于于OGC区时时：：（2）σm=C的情情况况联解解直直线线MM´´2和AG方程程，，可可得得M´´2点的的坐坐标标σ´´ae、σ´´me，于于是是M´´2点的的零零件件极极限限应应力力则（3）σmin=C的情情况况说明明：：①具具体体设设计计零零件件时时，，如如果果难难于于确确定定应应力力可可能能变变化化的的规规律律，，在在实实践践中中往往往往采采用用r=C时的的公公式式；；②对对于于剪剪切切变变应应力力，，只只需需把把以以上上各各公公式式中中的的正正应应力力符符号号σ改为为切切应应力力符符号号τ即可可；；稳定定循循环环变变应应力力下下机机械械零零件件的的疲疲劳劳强强度度双向向稳稳定定循循环环变变应应力力下下机机械械零零件件的的疲疲劳劳强强度度式中：、－－为单向恒幅循环应力下的安全系数。二、、机机械械零零件件的的接接触触疲疲劳劳强强度度三、、许许用用安安全全系系数数的的选选择择§4机械械中中的的摩摩擦擦、、磨磨损损和和润润滑滑一、、摩摩擦擦在在机机械械中中的的作作用用1、主主要要的的能能量量损损耗耗2、机机械械传传动动的的动动力力3、能能量量转转换换的的中中介介§4机械械中中的的摩摩擦擦、、磨磨损损和和润润滑滑二、、摩摩擦擦的的类类型型边界界摩摩擦擦：：极极限限状状态态、、边边界界膜膜作作用用；；流体体摩摩擦擦：：两两表表面面完完全全隔隔开开；；混合合摩摩擦擦：：部部分分固固体体凸凸峰峰接接触触；；干摩摩擦擦：：两两表表面面直直接接接接触触；；根据据摩摩擦擦副副表表面面润润滑滑状状态态干摩擦流体摩擦边界摩擦对于于要要求求低低摩摩擦擦的的摩摩擦擦副副，，液液体体摩摩擦擦是是比比较较理理想想的的状状态态，，维维持持边边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；；对于于要要求求高高摩摩擦擦的的摩摩擦擦副副，，则则希希望望处处于于干干摩摩擦擦状状态态或或边边界界摩摩擦擦状状态态。。磨损：使摩擦擦表面面物质质不断断损失失的现现象称称为磨损。单位时时间里里的磨磨损量量称为为磨损率率。摩擦：一物物体与与另一一物体体直接接接触触，当当两者者间有有运动动或有有运动动趋势势时，，接触触表面面要产产生切切向阻阻力（（即摩擦力力），这这种现现象成成为摩擦。三、一一般磨磨损过过程1、磨合合磨损损过程程2、稳定定磨损损阶段段3、失效效磨损损阶段段在一定定载荷荷作用用下形形成一一个稳稳定的的表面面粗糙糙度，，且在在以后后过程程中，，此粗粗糙度度不会会继续续改变变，所所占时时间比比率较较小经磨合合的摩摩擦表表面加加工硬硬化，，形成成了稳稳定的的表面面粗糙糙度，，摩擦擦条件件保持持相对对稳定定，磨磨损较较缓,该段时时间长长短反反映零零件的的寿命命经稳定定磨损损后，，零件件表面面破坏坏，运运动副副间隙隙增大大→动动载振振动→→润滑滑状态态改变变→温温升↑↑→磨磨损速速度急急剧上上升→→直至至零件件失效效四、磨磨损的的类型型1、磨粒粒磨损损—外界硬硬颗粒粒或对对磨表表面上上的硬硬突起起物在在摩擦擦过程程中引引起表表面材材料脱脱落的的现象象2、粘着着磨损损—当摩擦擦副表表面相相对滑滑动时时，相相互接接触的的表面面由于于粘着着效应应形成成粘着着结点点发生生剪切切断裂裂，被被剪切切的材材料或或脱落落成磨磨屑，，或由由一个个表面面迁移移到另另一表表面3、表面面疲劳劳磨损损—两个相相互滚滚动或或滚动动兼滑滑动的的摩擦擦表面面，在在循环环接触触应力力作用用下，，由于于材料料疲劳劳剥落落而形形成凹凹坑4、腐蚀蚀磨损损—由于金金属与与周围围介质质发生生化学学或电电化学学反应应，造造成摩摩擦副副的表表面摩摩擦5、微动动磨损损—在相互互压紧紧的金金属表表面间间由于于小振振幅振振动而而产生生的一一种复复合形形式的的磨损损五、润润滑方方式与与润滑滑剂润滑方方式：：连续续润滑滑和定定期润润滑润滑剂剂：润润滑油油、润润滑脂脂和固固体润润滑剂剂六、润润滑油油主要要特性性1、粘度：流体体抵抗抗变形形能力力，衡衡量流流体内内摩擦擦阻力力大小小的指指标。。粘度↑↑——摩擦力力↑——发热↑↑η——动力粘粘度Pa·s（泊P）2、（润润滑剂剂）油性油吸附附于摩摩擦表表面的的性能能，边界界润滑滑取决决于油油的吸吸附能能力。。工业上常用运动粘度：（斯St）

对于层流（牛顿流体）：3、粘度的的测定定3种方法法——3种单位位动力粘粘度(绝对粘粘度））恩氏粘粘度Et——相对粘粘度1Pa.s=1N.s/m2——国际单位位制P(泊)—物理单位位1Pa.s=10P1P=100cP=(Pa.s)/(kg/m3)m2/stc=0.0064Et–0.0055/Et常用斯St1St=1cm2/s=100cSt运动粘度度转速高、、压力小小时，油油的粘度度应低一一些；反反之，粘粘度应高高一些。。高温时，，粘度应应高一些些；低温温时，粘粘度可低低一些。。4、选择原原则七、润滑滑脂◆特点：无无流动性性，可在在滑动表表面形成成一层薄薄膜，承载能力力大，但但性