機(jī)械設(shè)計總論

1、第二章 機(jī)械設(shè)計總論§ 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)傳動裝置原動件§ 2 2 設(shè)計機(jī)器的一般程序一部機(jī)器的質(zhì)量基本上決定于設(shè)計質(zhì)量，機(jī)器的設(shè)計階段是決定機(jī)器好壞的關(guān)鍵。它是一個創(chuàng)造性的工作過程，同時也是一個盡可能多地利用已有的成功經(jīng)驗的工作。作為一部完整的機(jī)器，它是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。要提高設(shè)計質(zhì)量，必須有一個科學(xué)的設(shè)計程序。設(shè)計機(jī)器的一般程序：w 計劃階段w 方案設(shè)計階段w 技術(shù)設(shè)計階段w 技術(shù)文件編制階段§ 2 3 對機(jī)器的主要要求設(shè)計機(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)器的類型如何，一般來說

2、，對機(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 勞動保護(hù)要求w 可靠性要求w 其它專用要求§ 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)械零件常見的失效形式有：整體斷裂、過大的殘余變形、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，其危險截面的應(yīng)力超過零件的強度極限而導(dǎo)致的斷裂，或在變應(yīng)力作用下，危險截面發(fā)生的疲勞斷裂。（二）過大的殘余變形當(dāng)作用于零件上的應(yīng)力超過了材料的屈服極限，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： 液體摩擦的滑動軸承，只有在存在完整的潤滑油膜時才能正常工作。 帶傳動只有在傳遞的有效圓周力小于臨界摩擦力時才能正常工作。 高速轉(zhuǎn)動的零件，只有在轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動件系統(tǒng)的固有頻率避開一個適當(dāng)?shù)拈g隔才能正常工作。零件在工作時會發(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)計機(jī)械零件時應(yīng)滿足的基本要求機(jī)器是由各種各樣的零部件組成的，要使所設(shè)計的機(jī)器滿

4、足基本要求，就必須使組成機(jī)器的零件滿足以下要求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度、剛度、壽命。q 結(jié)構(gòu)工藝性要求設(shè)計的結(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)計準(zhǔn)則設(shè)計零件時，首先應(yīng)根據(jù)零件的失效形式確定其設(shè)計準(zhǔn)則以及相應(yīng)的設(shè)計計算方法。一般來講，有以下幾種準(zhǔn)則：w 強度準(zhǔn)則確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過大的塑性變形，是最基本的設(shè)計準(zhǔn)則。w 剛度準(zhǔn)則確保零件不發(fā)生過大的彈性變形。w 壽命準(zhǔn)則通常與零件的疲勞

5、、磨損、腐蝕相關(guān)。w 振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則高速運轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計應(yīng)注重此項準(zhǔn)則。w 可靠性準(zhǔn)則當(dāng)計及隨機(jī)因素影響時，仍應(yīng)確保上述各項準(zhǔn)則。§ 2 7機(jī)械零件的設(shè)計方法機(jī)械零件的設(shè)計方法通常分為常規(guī)設(shè)計方法和現(xiàn)代設(shè)計方法兩大類。常規(guī)設(shè)計方法是指采用一定的理論分析和計算，結(jié)合人們在長期的設(shè)計和生產(chǎn)實踐中總結(jié)出的方法、公式、圖表等進(jìn)行設(shè)計的方法。它又可分為： 理論設(shè)計 經(jīng)驗設(shè)計 模型實驗設(shè)計現(xiàn)代設(shè)計方法是指在近二、三十年發(fā)展起來的更為完善、科學(xué)、計算精度高、設(shè)計與計算速度更快的機(jī)械設(shè)計方法。如機(jī)械優(yōu)化設(shè)計、機(jī)械可靠性設(shè)計、計算機(jī)輔助設(shè)計等等。§ 2 8 機(jī)械零件設(shè)計的一般步驟機(jī)械零件的設(shè)計

6、一般要經(jīng)過以下幾個步驟：1.選擇零件類型、結(jié)構(gòu)2.計算零件上的載荷3.確定計算準(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7.校 核 計 算8.畫出零件工作圖9.寫出計算說明書§ 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：強如鋼、輕如鋁、硬如金剛石復(fù)合材料：強度高、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)計中的標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化就是要通過對零件的尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料性能、設(shè)計方法、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)計工作量，便于零部件的互換和組織專業(yè)化的大生產(chǎn)，以降低生產(chǎn)成本。與設(shè)計有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn):國際標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等如：ISOGBJB、HBQB國標(biāo)分為：強制標(biāo)準(zhǔn)和推薦標(biāo)準(zhǔn)強制性國家標(biāo)準(zhǔn)：代號為GB ××××(為標(biāo)準(zhǔn)序號) ××××(為批準(zhǔn)年代)強制性國標(biāo)必須嚴(yán)格遵照執(zhí)行，否則

8、就是違法。推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)：代號為GBT ××××××××這類標(biāo)準(zhǔn)占整個國標(biāo)中的絕大多數(shù)。如無特殊理由和特殊需要，必須遵守這些國標(biāo)，以期取得事半功倍的效果。 傳動裝置在原動件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間傳遞運動、轉(zhuǎn)換運動方式的裝置。機(jī)械傳動裝置是本課程研究的主要內(nèi)容之一。第二節(jié) 機(jī)械零件的計算準(zhǔn)則【幾個概念】1失效：機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效注意：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：強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、聯(lián)接的松動以及可靠性等。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：對載荷而言的工作能力。在設(shè)計中，應(yīng)保證所設(shè)計的機(jī)械零件在正常工作中不發(fā)生任何失效。為此對于每種失效形式都制定了防止這種失效應(yīng)滿足的條件，這樣的條件就是所謂的工作能力計算準(zhǔn)則。它是設(shè)計機(jī)械零件的理論依據(jù)。在機(jī)械零件的設(shè)計中，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，同時又不能在工作中發(fā)生任何失效。設(shè)計時就需要進(jìn)行必要的計算。常用的計算方法有兩種：1設(shè)計計算：先分析零件的可能失效形式，根據(jù)該失效形式的計算準(zhǔn)則通過計算確定零件的機(jī)構(gòu)尺寸。 2校核計算：先根據(jù)經(jīng)驗確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸，然后在驗算零件是否滿足計算準(zhǔn)則。如

10、不滿足，則應(yīng)修改零件的尺寸。 一、載荷和應(yīng)力的分類1載荷載荷分為靜載荷和變載荷。動載荷：由于運動中產(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。計算載荷：載荷系數(shù)K×名義載荷。其中載荷系數(shù)K用于計入在實際工作中機(jī)械零件受到的各種動載荷的影響。2 應(yīng)力靜應(yīng)力 對稱循環(huán)應(yīng)力 r1 恒幅循環(huán)變應(yīng)力 脈動循環(huán)應(yīng)力 r=0 循環(huán)變應(yīng)力 非對稱循環(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。計算應(yīng)力： 根據(jù)計算載荷求得的應(yīng)力。表示的是零件在工作中實際受到的應(yīng)力。二、機(jī)械零件的強度1

11、強度準(zhǔn)則 強度： 指機(jī)械零件工作時抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。機(jī)械零件的強度準(zhǔn)則有兩種表示方法：1） =2） S S式中：最大計算應(yīng)力；許用應(yīng)力；極限應(yīng)力；S計算安全系數(shù)；許用安全系數(shù)；對于一個具體的機(jī)械零件而言，兩差值和S可稱為安全裕度。其大小表示零件安全的程度。當(dāng)計算應(yīng)力相同時，越大，則越安全。當(dāng)許用應(yīng)力相同時，越大，則越安全。2 靜應(yīng)力下的強度在靜應(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：單向應(yīng)力狀態(tài)下： 塑性材料 復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下： 按第三或第四強度理論計算當(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： 按第一強度理論計算當(dāng)量應(yīng)力。3

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

13、形后，理論上的點、線接觸變成了很小的面接觸，在接觸處局部會產(chǎn)生很高的應(yīng)力，這樣的應(yīng)力稱為表面接觸應(yīng)力，用表示。的大小用赫茲公式計算，見教材。實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，接觸嚙合時受應(yīng)力作用，脫離嚙合時不受應(yīng)力作用。在接觸循環(huán)應(yīng)力作用下的強度稱為表面接觸疲勞強度。強度條件為： 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，在零件的表面形成小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞點蝕（簡稱點蝕）。點蝕是接觸應(yīng)力作用下的失效形式，屬于疲勞破壞。點蝕的危害：1） 破壞零件的光滑表面

14、，引起振動和噪音。2） 減小零件的有效工作面積。2表面擠壓強度當(dāng)兩零件之間為面接觸時，在載荷作用下表面產(chǎn)生的應(yīng)力稱為擠壓應(yīng)力，用表示。在擠壓應(yīng)力作用下的強度稱為擠壓強度，其強度條件為：擠壓應(yīng)力過大時，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，則有的零件會因為產(chǎn)生過大的彈性變形而失效。例如：機(jī)床的主軸如產(chǎn)生過大的彈性變性會影響所加工工件的精度；剛度條件為： 實際變形量許用變形量式中：實際變形量可用相關(guān)理論計算或由實驗方法確定。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度，但不能提高零件的剛度。五、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則機(jī)械零件周期性產(chǎn)生彈性變形的現(xiàn)象稱為振動。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頻率時，便發(fā)生共振，導(dǎo)致零件失效。這種現(xiàn)象稱之為“失去振動穩(wěn)定性”。振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則：應(yīng)使受激振作用零件的自激振動頻率遠(yuǎn)離外力變化的頻率。即 0.85f 或 1.15 f式中：f零件的自激振動頻率外力變化的頻率.六、摩擦學(xué)（耐磨性計算）準(zhǔn)則在滑動摩擦條件下工作的機(jī)械零件，常因為過度磨損而失效。影響磨損的因素很多而且比較復(fù)雜，因此，到目前為止對于磨損失效還沒有一個完善的計算方法。通常只進(jìn)行條件性計算，通過限制影響磨損的主要條件防止產(chǎn)生過大的磨損量。為防止產(chǎn)生過大的磨損應(yīng)滿以下條件：壓強不超過許用值 pp速度不超過許用