精密机械设计基础第一章优秀课件.ppt

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1、精密机械设计基础第一章第1页，本讲稿共24页 第二章:机械工程常用材料及钢的热处理四个阶段 应力-应变曲线 弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段 三个极限 弹性极限 p 屈服极限 s 0.2 强度极限 b强度：材料抵抗破坏（失效）的能力 在静应力作用下，机械零件的失效形式 主要是塑性屈服 和 脆性断裂 。刚度：材料抵抗弹性变形的能力 塑性：材料破坏时，遗留变形的大小断后伸长率 5%为塑性材料 0.6%）弹簧、工具、模具等。按质量等级分类（S、P的质量分数控制）：普通碳素钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢（A、B、C、D）按质量和用途分类：普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢（1）普通碳素结

2、构钢主要保证力学性能 牌号：Q+数字（屈服强度数值Mpa）一般不需热处理。多用于一般用途，生产过程中对质量控制无特殊规定。Q195、Q215、Q235钢的含碳量低，焊接性、塑性、韧性好，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋等，或制造普通铆钉、螺钉、螺母等零件。Q255、Q275钢的含碳量比上述高点，故其强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接。通常轧制成形钢、钢板作结构件以及制造简单机械的连杆、齿轮、联轴节和销子等零件。第3页，本讲稿共24页（2）优质碳素结构钢要求保证化学成分和力学性能 牌号：两位数字（碳的质量分数的万倍）在生产过程中需特别控制质量，一般要经过热处理提高力学性能。10、20冷冲压性与焊

3、接性好，可作冲压件和焊接件，经适当热处理（如渗碳）后也可制造轴、销等零件；30、40、45、50经热处理后，可获得良好的综合力学性能，用来制造齿轮、轴类、套筒等零件。55、60、65钢热处理后具有高的弹性极限，常用来制作弹簧。（3）碳素工具钢 牌号：T+数字（碳的质量分数的千倍）碳素工具钢经热处理后具有高硬度，用于制造各种要求高硬度和高耐磨性（碳的质量分数一般大于0.7%）的工具，如量具、刀具、模具等。如T8，T12A。2.合金钢 人为加入Cr、Mn、Ni、Ti、Mo等，具有高的强度、韧性、硬度，以及某些特殊性能（如耐腐蚀性、高温强度等）。3.铸铁：强度、塑性及韧性较差；良好的铸造性能、减摩性

4、能、吸振性能、切削加工性能、低的缺口敏感性，生产工艺简单、成本低廉。灰铸铁：C自由状态的片状石墨形式 灰铸铁的抗压强度高于抗拉强度，脆性很大，不宜承受冲击载荷，适于制作只承受静载荷、在受压状态下工作的零件，如底座、机床床身、法兰等。球墨铸铁：C球状石墨形式，较高的强度，良好的塑性和韧性。球墨铸铁强度高，综合力学性能接近于钢，同时还具有与灰铸铁类似的优良性能。在一些机件受力复杂、综合性能要求较高，但无较大冲击力的场合下，可成功取代某些钢件，如曲轴、凸轮轴、齿轮、轴套等。第4页，本讲稿共24页非铁金属1、铜合金：黄铜（Cu-Zn）优良的变形加工性能，较好的铸造性能和对大气和海水的抗蚀能力。青铜 锡

5、青铜，其强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性均高于黄铜，并有良好的弹性。无锡青铜是铜与铝、铍、锰等元素的合金。其力学性能以及耐腐蚀、耐磨性能得到改善。如铝青铜的强度和硬度高，耐磨性好，且价格便宜，常用来制造承受重载、耐磨的机械零件；铍青铜经热处理后，其强度、硬度、弹性极限和疲劳极限均能有较大的提高，以及其他优良性能，是制造某些弹性机械元件的极好材料，但成本较高2、铝合金：变形铝合金、铸造铝合金 铝资源丰富，其密度小，熔点低，导热、导电性均良好，塑性高，导磁性差。铝和铝合金有相当好的抗大气腐蚀的能力，但强度不高。铝合金通过加入合金元素、热处理可以提高其强度（硬铝-中等强度的构件和零件，超硬铝-受力大的重

6、要构件）和得到其他优良性能（如耐热性、耐腐蚀性等）。铝合金的比强度高（飞机骨架、蒙皮等），塑性好（薄壁、形状复杂、尺寸精度高的零件）。铸造铝合金制品应用广（气缸体、活塞、风扇叶片、仪表外壳等）。铝合金不耐磨，可镀铬提高耐磨能力。3、钛及其合金 钛和钛合金的密度很小（4.5103kg/m3），比强度高（工业纯钛b=350700MPa,钛合金b=1200MPa）。高低温性能好（500C，-253C），并具有良好的抗腐蚀性（大气、海水、硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠等介质中都很稳定）。钛具有“亲生物”性（在人体内，能抵抗分泌物的腐蚀且无毒，对任何杀菌方法都适应）。钛的切削性能差，易粘刀。钛材价格昂贵。第

7、5页，本讲稿共24页非金属1、工程塑料 分类：热固性塑料 酚醛塑料-电气开关 热塑性塑料 聚四氟乙烯-塑料王、ABS塑料-外壳 特点：密度小，比强度高（于金属材料），良好的抗蚀性（耐酸、碱、油、水等），优良的电绝缘性（电器工具、壳体、支架多采用），耐磨、减摩、自润滑性好（可在液体、半干和干摩擦状态下有效工作，制造轴承、轴瓦等），工艺性好（易热压成形，部分热固性塑料有较好的切削加工性），生产率高，加工成本低，此外还减振、隔音、防潮、易粘接等。但耐热性差，易发生蠕变，导热性差，易老化。2、橡胶 较大的弹性（弹性材料、密封材料、减振防振材料、传动材料）和良好的绝缘性（导线、电缆绝缘件、热缩管），此外

8、它还具有耐磨损、抗腐蚀和放射、储能等性能。广泛用来制作轮胎、传送带、电缆、电线、密封垫圈以及减震件。最大缺点:易老化（变色、发粘、发脆及龟裂等，使弹性、强度等发生变化），难回收（污染）。3，人工合成矿物1）刚玉 俗称宝石（Al2O3），很硬（仅次于钻石）。在仪器仪表和钟表行业多使用红宝石微型轴承，因其弹性模量、硬度很高，故可将轴承孔加工得十分光洁，使之与钢制轴颈之间的摩擦系数很小，则工作时摩擦损耗很小，可长期保持原始精度，提高使用寿命。2）石英 透明的晶体（SiO2），具有压电效应，可制作多种传感器；石英晶片（当晶片的固有频率与外加电场的交电频率相同时，晶片会产生谐振）用作振荡器。第6页，本讲

9、稿共24页第三章：零件强度，刚度分析的基本知识变形的种类：拉伸及压缩，剪切，扭转，弯曲第四章：平面机构的结构分析平面运动副的分类：低副：两构件之间以面接触的运动副。转动副 移动副。具有两个 约束，一个自由度。与高副相比，有较好的加工工艺性，且能承受较大的载荷，磨损也较轻。高副：两构件之间以点或线接触的运动副。具有一个约束，两个自由度。有相对较多相对运动可能。机构自由度为活动构件自由度的总数与运动副引入的约束总数之差：F=3n-2PL-PH复合铰链 同一轴线上有两个以上的构件用转动副联接时，则形成复合铰链。局部自由度 有些机构中，某些构件所产生的局部运动，并不影响其他构件的运动。这些局 部运动的

10、自由度称为局部自由度。虚约束 机构中，有些运动副引入的约束可能与其它运动副的约束重复，实际并无约 束作用，这类约束为虚约束。从机构运动观点看，虚约束是多余的，但为改善构件受力，增加机构刚度，有时则是必要的。计算机构自由度应注意的事项小结 复合铰链：存在于转动副处。正确处理方法：复合铰链处有m个构件则有(m-1)个转动副局部自由度：常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦变成滚动摩擦所增加的滚子处。正确处理方法：计算自由度时将局部自由度减去。虚约束：存在于特定几何条件或结构条件下。正确处理方法：将引起虚约束的构件和运动副除去不计。机构结构分析步骤：1）计算自由度，确定原动件。2）除去虚约束和局部自由度

11、，进行高副低代。3）从远离原动件的构件开始，先试拆级杆组，如不行再试拆级杆组。当拆去一个杆组后，按上述顺序重复进行，直到只剩下机架和原动件为止。4）确定机构的级别。注意：杆组的增减不应改变机构的自由度。第7页，本讲稿共24页第五章：平面连杆结构1.曲柄摇杆机构一个连架杆能作整周回转运动-曲柄。另一连架杆仅在一定角度范围内摆动-摇杆。曲柄原动件，摇杆从动件2.双曲柄机构两连架杆均为曲柄，可作整周回转运动。3.双摇杆机构两连架杆均为摇杆，只能在有限范围内往复摆动。4.曲柄滑块机构由曲柄摇杆机构演化而成。演化过程 摇杆长度趋于无穷曲柄滑块机构型式:对心曲柄滑块机构 偏置曲柄滑块机构5.导杆机构由曲柄

12、滑块机构演变而来,曲柄为机架四杆机构曲柄存在的必要条件为：1）曲柄、机架之一是最短杆2）最短杆与最长杆的长度之和小于或等于 其余两杆长度之和（杆长条件）必须同时满足，首先检查第二个条件：如果不满足杆长条件，机构中不可能有曲柄，不管以哪个杆件为机架，只能构成双摇杆机构。在满足杆长条件的前提下：1.若以最短杆为机架，则构成双曲柄机构2.若以最短杆相对的杆为机架，则构成双摇杆机构。3.若以最短杆任一相邻杆为机架，则构成曲柄摇杆机构。第8页，本讲稿共24页压力角a：从动件CD上C点所受作用力的方向与该点速度方向之间所夹的锐角。越小a，传动效率越高，可以用来判断四杆机构传动性能的好坏。传动角r：连杆与从

13、动件所夹锐角，压力角的余角。r90-a、死点位置机构运转时，摇杆为主动件，当连杆与从动件（曲柄）处于共线位置时，经连杆作用于从动件上的力F通过从动件的铰链中心，使驱动从动件的有效分力为零，不论力F多大，都不能使从动件转动。对于平行四边形机构，当曲柄与连杆共线时，传动角为零，同时整个机构的构件重合为一条直线，这时从动曲柄CD存在正、反转两种可能，称为转向点。克服死点、转向点的方法1在从动件上安装转动惯量大的飞轮。（缝纫机踏板机构）2.相同机构错位排列（汽车发动机）死点位置利用，利用死点位置实现特定的工作要求1.飞机起落架机构落地后作用力不会使起落架反转保证飞机安全可靠降落。2.夹具夹紧机构机构不

14、会松脱第9页，本讲稿共24页第八章：带传动普通带传动：利用张紧在带轮上的传动带与带轮的摩擦或啮合来传递运动和动力。挠性传动，结构简单，传动平稳，噪声小，可缓冲吸振。允许较大中心距。摩擦传动型带传动利用带与带轮接触面间的摩擦力传递运动和动力。特点具有过载保护功能，但不能保证恒定的传动比，传动精度较低常用张紧方法：调节两轮中心距、利用张紧轮带传动的受力1.紧边拉力F1：带在进入主动轮一边被拉紧为紧边，拉力由F0增加为F1。2.松边拉力F2：带在进入从动轮一边被放松称为松边，拉力由F0减少为F2。小的为主动轮3.有效拉力Ft：带传动所能传递的有效圆周力。Ft=F1-F2当传递的圆周力超过带与带轮间摩

15、擦力的极限值时，带将在轮面上打滑。弹性滑动：带是弹性体，工作时存在的紧、松边拉力，导致带在通过带轮时拉伸变形发生变化，使带与带轮之间产生相对滑动。这种滑动与带的弹性变形有关。第10页，本讲稿共24页同步带传动：特点：带与带轮间无相对滑动，传动比准确，速比恒定，传动比范围大，允许线速度高，传动效率可达98%，结构紧凑。但中心距要求严格，安装精度要求较高。否则同步带工作中会跑偏。运行时，带齿与带轮的齿槽相啮合传递运动和动力。综合了带传动和齿轮传动优点的新型带传动。第九章:螺旋传动一、滑动螺旋传动的特点：1）降速传动比大。2）具有增力作用。3）螺旋升角小于摩擦角时，能自锁。4）效率低，磨损快。二.滚

16、珠螺旋传动的特点：除螺旋传动的一般特点外，尚有如下特点：1）传动效率高，启动力矩小。2）高的传动精度、定位精度、轴向刚度。3）具有传动的可逆性，不能自锁。4）寿命长，维护简单。5）制造工艺复杂，成本高。第11页，本讲稿共24页第十章 轴 联轴器 离合器轴的分类1、按载荷和应力的不同，分为三种：心 轴随同回转零件一起或不一起转动。只承受弯矩而不传递转矩。转 轴既承受弯矩又承受转矩。传动轴主要承受转矩。二、设计内容：1，选择轴的材料。2，结构设计。应满足轴上零件的安装、固定及制造工艺性等要求。3，强度校核。4，根据需要进行刚度校核、振动稳定性计算5，绘制出轴的零件工作图。三.结构设计的基本要求1）

17、轴上的零件有准确的轴向、周向工作位置；2）便于装拆和调整；3）有良好的加工工艺性。联轴器联结两根轴一同回转，仅在停止时经拆卸才能将二者分离。联轴器的要求：工作可靠、质量较轻、尺寸较小、便于拆卸安装、位置尽量靠近轴承。联轴器分类根据两轴相对位置情况：刚性联轴器用于两轴严格对中，工作中不发生相对偏移的地方。挠性联轴器用于两轴有相对位移的地方。如果使用弹性元件，则称弹性联轴器。第12页，本讲稿共24页离合器联结两根轴一同回转，运动中可随时使二者分离或结合。滑块联轴器特点：用于联接径向位移或角位移很小的两根轴。可传递中等力矩。滑动面间存在磨损，存在偏心质量，产生离心力，不宜用于高速旋转，效率较低。空回

18、误差较大。十字轴万向节联轴器特点：结构简单，用于联接两交叉轴（夹角最大达3545）。不能传递等角位移，在转动一周过程中，两轴传动比不能始终为1。主要用于精度要求不高的传动中。双万向联轴器特点：用于联接需正、反转或启动频繁，在交变载荷下运转的两根轴，传递中、小转矩。弹性套柱销联轴器特点：良好的消振、缓冲和补偿两轴线偏移能力，结构简单，装卸方便，但径向尺寸较大。一般是用于潮湿、多尘、启动频繁、正反转多变、冲击载荷达及两轴线偏移较大场合。多盘摩擦离合器特点：可通过增加摩擦盘数目增加传递的转矩。离合器的径向尺寸、轴向压紧力不变，轴向尺寸增加有限，可在高速旋转时结合或脱开。机械、液压、气动、电磁控制方式

19、均有标准化供货。磨损后更换摩擦片即可。滚柱式超越离合器特点：从动轮可以高于或等于主动轮的转速旋转。第13页，本讲稿共24页第十一章：支 承一！滑动轴承的特点 优点：1.结构简单，制造、装卸方便；2.具有良好的耐冲击和吸振性能，运转平稳，旋转精度高；3.寿命长。缺点：1.保养、维护复杂，对润滑条件要求高；2.边界润滑轴承，摩擦损耗大；3.标准化程度比滚动轴承低。1.整体式圆柱面支承的结构特点：构造简单，但磨损后无法调整间隙，影响轴的旋转精度和正常工作。应用：间歇工作、低速和轻载场合2.剖分式式圆柱面支承的结构特点：克服了整体式的缺点，但结构复杂，刚度下降（同整体式相比）。3.轴瓦轴瓦要求：足够的

20、体积强度和良好的减摩性。二！滚动轴承组成：外圈 内圈 滚动体 保持架材料内、外圈和滚动体高碳铬轴承钢保持架低碳钢、铜合金、塑料等特点磨损小，效率高，允许转速高，承载大，刚性好，适应范围宽，良好的互换性和通用性，成本低。抗冲击能力差，径向尺寸较大，不易拆卸，高速重载寿命低。第14页，本讲稿共24页深沟球轴承 特点：主要承受径向载荷，也可同时承受少量双向轴向载荷。结构简单，价格低，应用广。基本额定动载荷比1 极限转速比高调心球轴承 特点：主要承受径向载荷，也可同时承受少量双向轴向载荷。外圈滚道为球面，具有自动调心功能。基本额定动载荷比0.60.9 极限转速比中圆柱滚子轴承（外圈无挡边）特点：只能承

21、受径向载荷，承载能力高。但对轴的偏斜和弯曲变形很敏感。内、外圈可分离，允许内、外圈有较小的相对轴向位移。基本额定动载荷比1.53 极限转速比高滚针轴承 特点：只能承受径向载荷，承载能力大。径向尺寸小。一般内外圈可分离，极限转速低；工作时不允许内外圈轴线有偏斜。角接触轴承 特点：同时承受径向和轴向载荷，或单独承受轴向载荷。一般成对使用。基本额定动载荷11.4 极限转速比高圆锥滚子轴承 特点：同时承受较大的径向和轴向载荷，或单独承受单向的纯轴向载荷。内外圈可分离、分别安装，安装时需调整游隙；一般成对使用。基本额定动载荷1.52.5 极限转速比中第15页，本讲稿共24页推力球轴承 特点：只能承受轴向

22、载荷，具有最小轴向载荷限制；高速时离心力大，钢球与保持架磨损、发热严重，寿命低。基本额定动载荷1 极限转速比低第十二章 直线运动导轨直线运动导轨作用支承和引导运动部件按给定方向作往复直线运动。滑动摩擦导轨运动件与承导件直接接触。优点：结构简单、接触刚度大，抗振性高。缺点：摩擦阻力大、磨损快、低速运动时易产生爬行现象。滑动摩擦导轨截面的常用形式凸形导轨 不易存屑、脏物、润滑油，低速使用。凹形导轨 与上相反，高速导轨，需保护装置。圆柱面导轨优点：加工和检验比较简单，易于达到较高精度。缺点：对温度变化比较敏感，间隙不能调整。棱柱面导轨 三角形导轨 导向精度高，无间隙，可自动补偿磨损。矩形导轨 制造简

23、单，承载能力大，需调整间隙，不能补偿磨损，导向精度低。第16页，本讲稿共24页燕尾形导轨 制造较复杂，磨损不能补偿，尺寸紧凑，调整（间隙）方便。形状复杂、摩擦力大，运动灵活性差。组合导轨双三角形导轨：导向精度高、承载能力大、精度保持性好；对温度变化较敏感。三角形平面导轨：导向精度高，承载能力大，对温度变化的不敏感性，工艺性好；磨损后不能自动调整间隙。双矩形导轨：承载能力和刚度较大，结构简单。！滚动摩擦导轨：运动件和承导件之间放置滚动体（滚珠、滚柱、滚动轴承等）特点摩擦系数小、运动灵便，不易出现爬行现象；定位精度高；磨损较小，寿命长，润滑方便；结构较为复杂，加工较困难，成本较高；对脏物及导轨面的

24、误差比较敏感。！弹性摩擦导轨 柔性铰链优点摩擦力极小；没有磨损，不需润滑；运动灵便性高；当运动件位移足够小时，精度很高，可达极高分辨率。缺点：只能作很小的移动。第17页，本讲稿共24页第十三章 弹性元件弹性元件主要功用：a.测力 b.产生振动、改变机械的自振频率 c.储存能量d.缓冲和吸振 e.控制机械运动 f.消除空回和配合间隙弹性元件常见类型（按结构特点分类）a.片簧 b.平面涡卷簧 c.螺旋弹簧 d.压力弹簧管 e.波纹管 f.膜片分类（根据用途）测量弹簧 力弹簧分类（根据所承受的载荷）拉伸弹簧 压缩弹簧 扭转弹簧 弯曲弹簧弹性元件的特点结构简单、价格低廉、占据空间小、安装和固定简单、工

25、作可靠。螺旋弹簧1.功能沿轴线方向的力或垂直于轴线平面内的力矩 弹簧两端的相对位移。2.圆柱形螺旋弹簧的型式（依载荷作用方式）-拉伸弹簧L型-压缩弹簧Y型-扭转弹簧N型第18页，本讲稿共24页平卷簧：1.发条2.游丝片簧：按其外形：直片簧、弯片簧热双金属弹簧1.组成：主动层、从动层2.应用：温度测量元件、温度控制元件、温度补偿元件压力弹簧管波纹管膜片、膜盒 a)平膜片 b)波纹膜片第十四章 联接分类根据联接结构的特点可拆联接 永久联接（不可拆联接）根据联接零件的性质机械零件的联接 光学零件的联接对联接的要求足够的联接强度、联接精度、联接可靠性，工艺性好，满足特殊要求可拆联接的主要型式螺钉（包括

26、螺栓）和螺纹联接销钉联接键联接第19页，本讲稿共24页螺钉联接利用联接零件进行联接a.螺栓联接b.螺钉联接c.双头螺栓联接螺纹联接利用被联接零件本身的螺纹螺钉联接零件的型式螺钉、螺栓、螺母、垫圈等电镀（镀铬、锌）、发黑处理防锈、美观螺钉联接的结构设计联接零件型式的选定 螺钉联接确定螺钉直径、长度、数量及排列形式。由结构条件、装配空间、工艺性等确定 足够的扳手空间 几何均布 同周偶数被联接零件的定位 定位装置 两个定位销 圆柱配合面一个定位销螺钉联接的防松 常用方法和典型结构 用增加摩擦力的方法防松 用机械固定的方法防松 用粘结方法防松销钉联接应用 定位元件、联接零件、保安零件类型 圆柱销 圆锥

27、销键联接键主要用于轴和轴上零件之间的联接，实现周向固定以传递转矩。第20页，本讲稿共24页键的类型、特点和应用平键两侧是工作面 普通平键静联接导键和滑键动联接，移动距离大时，宜滑键半圆键-两个侧面是工作面 主要用于锥形轴的辅助装置联接斜键-楔键上下两面都是工作面 靠摩擦力传递转矩，并能承受单方向的轴向力。适于定位精度要求不高，转速较低的联接中。花键联接 特点：承载能力高，对轴的削弱小，联接零件与轴的对中性好，导向精度高等。不可拆联接的主要联接型式焊接：电阻焊（点焊、缝焊、对焊）、钎焊铆接：铆接原则、铆接形式 原则：1.铆钉材料的弹性模量小于被连接零件的弹性模量，且被连接零件的弹性模量应尽可能大

28、，而铆钉材料的弹性模量要尽可能小2.尽可能增大被连接零件的支撑面。3.尽可能减小铆接力压合：过盈光面压合联接、滚花压合联接铸合：嵌件铸入基本零件 联接结构 应保证：在力或力矩作用下，嵌件和基本零件不致产生相对移动或转动。胶接：优点 1.可以胶结各种金属材料，非金属材料，也可以把金属材料和非金属材料胶接在一起。2.胶结表面平滑胶结处应力分布均匀。3.一般不需要加热，连接极薄的零件时，也不至于产生变形。4.胶结能满足绝缘，密封，防腐蚀，对光学零件的连接极为重要。5.结构简单，重量轻，无需另加压紧零件。缺点 1.随着温度的升高，胶结的强度会降低。2.胶结表面需经清洁处理。3.固化的时间比较长，不能立即使用。应用 光学度盘的固定结构第21页，本讲稿共24页光学零件的固紧方法圆形光学零件的固紧1.滚边法（d小于40mm）2.压圈法3.弹性元件法4.电镀法5.胶接法非圆形光学零件的固紧 1.夹板固紧2.平板和角铁固紧3.弹簧固紧4.胶粘固紧第22页，本讲稿共24页第23页，本讲稿共24页第24页，本讲稿共24页