2022年《机械设计基础》课件技术总结 .pdf

17231.研究对象 2.研究任务 4一、研究对象和任务 1.研究对象一台机器从运动的角度来看它是由一些机构构件所组成如果从制造的角度来看则它是由一些零件所组成。机械零件是组成机器的基本单元。注意前面讲的内容都是机构构件它是从运动的角度来研究的。机械零件分两大类通用零件和专用零件。1通用零件 在各种机器上经常使用的。如联接件螺栓、键、销等传动件带、链、齿轮、蜗杆蜗轮等。注意区分齿轮机构传递运动的角度来称呼齿轮传动传递动力的角度来称呼轴、轴承、联轴器弹簧。 5一、研究对象和任务 1.研究对象 2专用零件 在特定的机器上才用到的。如内燃机上的活塞汽轮机上的叶片螺旋桨轮船和老式飞机上用梭子纺织机上用机械设计只研究通用零件。6一、研究对象和任务 2.研究任务主要研究通用零件的工作能力 零件不发生失效能安全工作的限度。失效零件丧失工作能力不能正常工作。工作能力与许多因素有关如材料、结构、工作能力的计算即如何判断工作能力够否、制造、维护等。机械设计的内容包括了这些因素。工程制图只是画工程力学只是算机械零件设计就有条件在研究机械零件的基础上进行设计。研究通用零件的工作能力为主从而带动机械设计。7一、研究对象和任务 2.研究任务学习机械零件设计要达到以下要求1掌握通用零件的工作原理和特点目的是能够合理选择零件类型 2能计算通用零件的工作能力包括设计计算和校核计算3学习机械零件的结构设计了解使用、维护的知识4学习运用标准、规范指企业的标准和手册等设计资料5具有设计通用零件和简单传动装置的能力6具有分析机械零件的失效原因并能提出改进措施的能力。 81.机械零件设计应满足的要求2.机械零件设计的一般步骤3.机械零件的工作能力、失效形式、计算准则91.机械零件设计应满足的要求即零件设计好坏的标准 1工作可靠保证工作能力。 2成本要低成本包括材料的费用、制造的费用。材料应当合理选择制造是指零件的工艺性要好包括毛坯、加工、装配10二、机械零件设计概述 1选择零件类型如回转运动直线运动可有多种类型 2拟定零件的计算简图 3确定零件上所受的载荷载荷包括力和力矩4选择零件的材料 5找出零件的失效形式确定工作零件的计算准则计算零件的主要尺寸计算准则工作能力够不够的判定条件。主要尺寸 决定机械零件工作能力的尺寸。如轴上危险截面的轴径轴的主要尺寸链的节距 链的主要尺寸齿轮的模数 齿轮的主要尺寸。 2.机械零件设计的一般步骤11二、机械零件设计概述 6绘制零件的工作图不光画图还要进行结构设计、决定公差等级等。对齿轮来说有齿轮的精度等级、表面粗糙度、其它技?跻蟆峁股杓啤范慵髯槌刹糠值男巫春统叽纭缃滋葜嵬?: 定出危险截面的直径后再定出其它各截面的直径、长度。齿轮图2 定出模数、齿数后再确定其它的形状、尺寸。其中轮缘与齿轮连起来的部分轮毂与轴连的部分轮辐 连接轮缘、轮毂的部分。 结构设计好坏的标准好结构在满足工作能力的前提下重量小节约材料、工艺性好毛坯、加工、装配2.机械零件设计的一般步骤 12轴端挡圈带轮轴承盖套筒齿轮滚动轴承单级齿轮减速器的高速轴 13dh 1.6 ds 铸钢 dh1.6 ds 铸铁 lh 1.2.1.5ds 并使lh bc 0.2b 但不小于 10 mm 2.5.4mn 但不小于 8 mm h1 0.8 ds h2 0.8 h1 s 1.5 h1 但不小于 10 mm e 0.8 ds h2 0.8 h1bdsdhda 斜度1:20c lhh1eeh2s轮辐式齿轮 14二、机械零件设计概述 3.机械零件的工作能力、失效形式、计算准则工作能力机械零件不发生失效能安全工作的限度。或者说机械零件抵抗发生失效的能力。如果这个限度或能力是指载荷而言这个工作能力称承载能力。工作能力含义广承载能力含义窄以后常用到承载能力。失效零件丧失工作能力不能正常工作。失效的形式很多破坏是最主要、最基本的失效形式。破坏断裂脆性材料和塑性变形过大。刚度不够弹性变形过大。细长杆失稳15二、机械零件设计概述 3.机械零件的工作能力、失效形式、计算准则共振振幅超过了许用值。打滑摩擦传动带传动过载。磨损相对运动的表面。一个具体零件失效形式可能不止一种而有多种。针对不同的失效形式就有多种的承载能力。特别注意一名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 个零件的承载能力是指最小的承载能力。如轴按弯能承受5000N按刚度只能承受 2000N则轴的承载能力是 2000N。为避免失效承载能力的判定条件计算准则常用的计算准则有强度、刚度、耐磨性。16一、载荷的分类二、应力的分类三、强度条件式17载荷的分类 1.名义载荷 2.计算载荷 18载荷的分类 1.名义载荷名义载荷也称载荷是指机器在理想平稳的工作条件下作用在零件上的载荷。物理、力学中指的都是名义载荷 2.计算载荷大多数机器的工作都不是理想平稳的。零件除了受到工作载荷外还受到各种各样的附加载荷如何考虑这些附加载荷为简单起见引入一个载荷系数用K表示。K名义载荷计算载荷如 KFFcaKTTca机械零件常按计算载荷进行计算。载荷分静载荷和变载荷静载荷不随时间变化或变化缓慢的载荷。变载荷随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷。19应力的分类 1.静应力 2.变应力应力是受力杆件某一截面上的某一点处的内力集度即单位面积上的内力称为“ 应力” 。垂直于截面的应力分量称为正应力或法向应力用 表示相切于截面的应力分量称切应力或切向应力用 表示。应力的单位为 Pa。1 Pa1 Nm2 工程实际中应力数值较大常用MPa或GPa作单位 1 MPa106Pa 10 的6次方1 GPa109Pa 10的9次方20二、应力的分类 ot 常数max 脉动循环变应力 r 0m 静应力 : 常数变应力 : 随时间变化 2minmaxm平均应力 :2minmaxa应力幅 :T maxminaam循环变应力 ot 变应力的循环特性 :maxminr max minaa对称循环变应力r -1ot -脉动循环变应力 -对称循环变应力 -1 01-静应力 ot aaminr 1静应力是变应力的特例 21应力的分类特别注意零件的失效不应根据零件所受载荷的类型或性质而应根据零件受载后所产生的工作应力的变化类型或性质来判定。221.概述2.机械零件的强度 23三、强度条件式 1.概述强度条件式 承载能力取决于强度时的计算准则。如果承载能力取决于刚度时的计算准则则为刚度条件式。式中 、 危险截面处的最大正应力、切应力 、 许用正应力、切应力 lim 、lim极限正应力、切应力 S S 安全系数。注意两点 1应力分正应力、切应力。按正应力讨论对切应力情况一样只要用 代替 即可2静应力与变应力的许用应力的计算公式都为只是lim 不同。SlimSlimSlim24三、强度条件式 1静应力下零件的强度计算脆性材料lim b b 材料的抗拉强度材料试样受拉力时在考虑断裂拉断前所承受的最大应力。 b /S塑性材料 lim s s 材料的屈服强度材料试样在拉伸过程中考虑塑性变形过大负荷不增加或开始有所降低而变形继续发生的最小应力。 s /S2变应力下零件的强度计算其lim 是疲劳限无论脆性材料还是塑性材料lim 一样。疲劳限 如果变应力的应力循环特性r一定应力循环 N次材料不发生疲劳破坏的最大应力。 2.机械零件的强度 25三、强度条件式 2.机械零件的强度 2变应力下零件的强度计算如 1 对称循环的疲劳限作为材料的试件疲劳限0 脉动循环的疲劳限零件的疲劳限比材料的疲劳限要低影响因素有应力集中系数k? 騥 、尺寸系数、表面状态系数 。如1/k / 零件对称循环的疲劳限 0/k / 零件脉动循环的疲劳限对称循环的许用应力11/k / ?S 作为零件变应力下的许脉动循环的许用应力00/k / ?S 用应力P115 式911、式91226三、强度条件式 2变应力下零件的强度计算注意两点1k 、 的数值查有关设计手册 2有时k 、 不能详细考虑时可用降低许用应力或提高安全系数的办法进行近似计算。3安全系数 S安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响 S 零件尺寸大结构笨重浪费S 可能不安全说明安全系数实际上解决既安全又不浪费这样一个矛盾安全系数不是计算出来的而是人为决定的。它是根据长期的生产实践得出的不是随意想象的各名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 部门都有自己的一套经验得出的安全系数我们只需要会用即可典型机械的S可查手册中的表若没专门表格可按教材P116 推荐数据查用。 2.机械零件的强度 27一、接触应力二、接触疲劳破坏三、材料的接触疲劳限四、两平行圆柱面相压时接触应力的计算五、接触疲劳强度的判定条件28一、接触应力点、线接触的高副如齿轮、凸轮、轴承。由于接触点、接触线要承受很大的载荷接触点、线附近要产生很大的弹性变形实际上是一个小面积的接触这个小面积上单位面积上的力称为接触应力。简单来讲零件点、线接触时接触区表层材料的应力。因为接触面积很小往往接触应力很大。所以点、线接触的高副的承载能力往往取决于接触强度如齿轮多半是齿面接触强度破坏当然齿断也是一种破坏。整个材料体积内部存在的应力为体积应力如拉、压、剪、扭、弯曲应力该应力状态下的零件强度为整体强度体积强度。只存在材料表层的应力为表面应力对应的零件强度为表面强度。点、线高副接触受到的接触应力对应的接触强度。29二、接触疲劳破坏实际工作时接触应力随时间变化周期性变化。如果接触材料的接触疲劳强度不够就要发生疲劳破坏。首先零件在表面约20m 处发生裂纹此裂纹慢慢向表面扩散最后以贝壳状的小片掉下来这种称为“ 疲劳点蚀 ” 简称“ 点蚀” 。见图示。点蚀对工作的影响 1减小接触面积降低承载能力2破坏零件表面的光滑形状。如齿轮出现点蚀表面就不是理论上的光滑的渐开线形状不能保证瞬时传动比不变从动轮有时转得快有时转得慢有角加速度必然有惯性力惯性力是变化的。惯性力动载荷 运转时会产生振动、冲击产生或增大噪音。齿轮如果噪音很大则齿轮失效需要报废更换。因此点蚀现象往往是点、线接触高副常见的失效形式齿轮、凸轮常是。30二、接触疲劳破坏返回 31三、材料的接触疲劳限疲劳限材料抵抗疲劳破坏的能力。接触疲劳限 材料抵抗接触疲劳破坏的能力。材料的硬度越高接触疲劳限也越高也不容易点蚀。齿轮表面淬火提高表面硬度它的硬度用HRC洛氏硬度表示。 HRC2070 HB布氏硬度 23070032四、两平行圆柱面相压时接触应力的计算接触区表层材料附近产生小面积接触如图示。注意1接触应力中间大两边小呈椭圆分布2接触应力的计算公式按赫兹公式计算得到H 最大接触应力也称赫兹应力。教材P119还需注意两圆柱体接触处的接触弹性变形不等直径不同材料不同但接触应力是一样的。33四、两平行圆柱面相压时接触应力的计算返回外接触内接触34五、接触疲劳强度的判定条件 H H H Hlim/SH Hlim 接触疲劳限由实验测得。对钢经验公式Hlim2.76HBS70 MPaSH取等于或稍大于 1。35一、摩擦二、磨损三、润滑36外力作用下相互接触的两个物体作相对运动或有相对运动的趋势时其接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力这一现象叫做摩擦所产生的阻力叫做摩擦力。1. 干摩擦摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。摩擦系数0.31.5。2. 边界摩擦边界润滑两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开其摩擦性质与流体的黏度无关只与边界膜和表面的吸附性质有关。边界膜极薄不能避免金属间的直接接触这时仍有摩擦力产生其摩擦系数 0.10.3。3. 流体摩擦流体润滑摩擦表面间的润滑膜足以将两个表面完全隔开即形成了完全的流体摩擦。摩擦系数极小大约 0.0010.01无磨损产生是理想的摩擦状态。4 . 混合摩擦混合润滑摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态时称为混合摩擦。大约0.010.08。一、摩擦教材第 15章P253ffff37二、磨损 P121表面物质在摩擦过程中不 ?纤鹗 南窒蟪莆鹉稹间隙 、精度 、效率 、振动 、冲击 、噪音 据统计约有 80的损坏零件是因磨损而报废的。有摩擦必有磨损。38二、磨损 P1211粘着磨损胶合由于两摩擦表面间产生粘着现象而使材料由一个表面转移到另一个表面名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 而造成的磨损称为粘着磨损。严重的粘着磨损称“ 胶合” 它是高温高压或高速重载摩擦副常见的失效形式。 2磨粒磨损两接触表面受外界硬质颗粒的作用或粗糙硬表面把软表面擦伤而引起的表面材料脱落的现象称为磨粒磨损。3表面疲劳磨损点蚀两摩擦表面受交变接触应力的作用而形成疲劳裂纹或剥落出微片和颗粒而逐步破坏的磨损称为表面疲劳磨损。其特征是在开始破坏阶段表面上出现一个个小小的麻坑故又称这种磨损为 “ 点蚀” 。4腐蚀磨损摩擦表面在磨损过程中物体表面和周围介质发生化学和电化学作用造成表面材料的损失称为腐蚀磨损。一基本型式39二、磨损耐磨性和强度、刚度一样是材料的一种性能是材料抵抗磨损的能力。耐磨性好磨损速度慢。至今关于耐磨性世界上还没完善的、通用的计算方法主要影响耐磨性的因素太多很复杂。目前只能用一些条件性的计算方法。虽然影响的因素很多但主要因素是压强、温度。设法限制影响的因素从而限制磨损的速度。通过限制影响耐磨性的重要因素来限制磨损速度的计算方法耐磨性的条件性计算。计算内容1限制压强摩擦副之间的压强p 【p】p由实验或同类机器使用经验确定避免摩擦表面发生过度的磨损。相对滑动表面相对滑动速度小只需计算这一项即可。二耐磨性条件性计算 40二、磨损 2限制pv 【pv】v摩擦表面之间的相对滑动速度fpv消耗的功 .在摩擦系数 f一定的条件下限制 pv就是限制摩擦表面单位时间内摩擦所消耗的功即限制发热量最终限制摩擦表面上的工作温度。若v大时此项很重要。3限制v 【v】高速时需要限制滑动速度以免速度过高而加速磨损降低零件工作寿命。二耐磨性条件性计算41二、磨损 选用合适的摩擦副材料抗磨粒磨损 提高表面硬度抗磨粒磨损 降低表面粗糙度值增加接触面积抗粘着磨损 采用有效的润滑剂和润滑方式 表面镀层、氧化处理表面形成不同摩擦条件和摩擦形式的耐磨层 防止尘土落入两摩擦表面间如加防尘罩 限制工作温度过高如利用风扇散热三提高表面磨损强度的主要措施42向承载的两摩擦表面间引入润滑剂形成润滑膜这种方法称为润滑。润滑的主要作用是减小摩擦和磨损。此外还有冷却、吸振、防锈等作用。1润滑剂的分类和主要质量指标固体石墨、二硫化钼、尼龙等、半固体各种润滑脂、液体各种润滑油、水、液态金属等和气体空气、氦气、氮气等四类。润滑油的主要质量指标粘度、油性、闪点和燃点、凝点等。润滑脂的主要质量指标针入度、滴点等。 2润滑剂中的添加剂润滑剂中加入的微量但可大大改善其使用性能的物质称为添加剂。添加剂的种类很多起到的作用也各不相同。有抗氧化添加剂抑制润滑油氧化变质、降凝添加剂降低油的凝点、油性添加剂提高油性、极压添加剂在金属表面形成一层保护膜以减轻磨损等。3润滑的种类按摩擦面间的润滑状态润滑分为流体润滑、混合润滑和边界润滑。流体润滑按润滑膜形成的方法不同还可分为流体动压润滑和流体静压润滑两种。三、润滑教材第15章P25743一、金属材料二、非金属材料三、复合材料四、钢的热处理简介机械零件通常都是由金属材料制成的有时也用非金属材料和复合材料制造。44一、金属材料 1钢2铸铁3. 有色金属 451.钢含碳量 2 的铁、碳合金与铸铁相比钢具有高的强度、韧性和塑性并可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。钢制零件毛坯可用锻造、冲压、焊接或铸造等方法取得故应用极为广泛。钢的分类见下表。常用金属材料铸铁含碳量2钢含碳量 2 有色金属铁碳合金 46含碳量 2 的铁、碳合金 1.钢碳素钢碳素结构钢碳素工具钢 T7、T8普通碳素结构钢如 Q235、Q275等优质碳素结构钢低碳钢C0.25 如20 合金钢合金结构钢合金工具钢、高速工具钢、硬质合金工具钢特类钢不锈钢如2Cr13、滚动轴承钢如 GGr9SiMn、耐热钢如 3Gr18Ni25Si2等。合金结构钢如 35SiMn低合金结构钢如 12Mn弹簧钢如 65Mn中碳钢 0.3 C0.5 如45 高碳钢 0.55 C0.7 如60 钢选用原则优选碳素钢价格便宜且供应充分其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。我国资源丰富 472.铸铁含碳量 2的铁、碳合金 1具有适当的易熔性良好的液态流动性故可名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 铸成形状复杂的零件 2减震性、切削性指灰铸铁均较好且成本低。机械制造中应用很广。常用铸铁灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁。其特点如下482.铸铁含碳量大于 2的铁、碳合金 1灰铸铁如 HT150、HT250良好的铸造性、切削加工性、耐磨性消振性但抗拉强度低。 2球墨铸铁如 QT400-15、QT500-7强度和塑性比灰铸铁有很大的提高具有良好的耐磨性但铸造性较差。3可锻铸铁如 KTH300-06强度、塑性、韧性、耐磨性均较高能承受冲击振动但生产周期长成本较高。铸造大尺寸零件较困难。493.有色金属 1铜合金黄铜铜与锌的合金含少量锰、铝等元素如ZCuZn38等。青铜青铜以主加元素的不同又可分为锡青铜和铝青铜等如 CuAl10Fe3、ZCuSn5PbZn5 。青铜比黄铜有更高的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性。应用范围广泛。2铝及铝合金铝合金具有良好的导热、导电性能其导电性能大约为铜的60但由于重量轻在远距离输送的电缆中常代替铜线。50二、非金属材料 1工程塑料 1尼龙品种、数量及应用上居工程塑料之首它强度高耐磨性好耐化学腐蚀。但易吸收水分而影响尺寸的稳定性。2聚碳酸脂在工程塑料中韧性最好透光率达 90连续使用温度达 135145它正取代玻璃和有机玻璃作为飞机上的挡风夹层和天窗。 3聚甲苯在工程塑料中弹性模量最高并有高硬度低摩擦系数和较好的耐疲劳性能适用于制造小齿轮及轴套等。4聚苯醚在工程塑料中硬度最高热膨胀系数最小最耐热。 5ABS改性聚苯乙烯以丙烯晴 A、丁二烯 B和苯乙烯 S为基础的三组分所组成具有良好的综合性能。广泛应用在管材、家用电器和纺织机械中。用ABS制成的泡沫夹层板可作小轿车的车身。2橡胶常用来制造轮胎、垫板、隔热板、传动带和减振零件等3夹布胶木常用来制造板材、电工元件轻载无噪声齿轮和耐腐蚀元件等。 4其他工业上经常使用的非金属材料还有陶瓷、皮革、木材、纸板等。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -