機械設計 MachineDesign 第一篇總論 第一章緒論 第二章機械設計總論 第三章機械零件的強度 第四章摩擦 磨損及潤滑概述 第一章機械設計概論 1 1引言 1 2機器的基本組成要素 1 3本課程的內容 性質與任務 1 3機械零件的計算準則 1 1引言 1 1引言 機械工業的生產水平是一個國家現代化建設水平的重要標志 機械工業肩負著為國民經濟各個部門提供裝備和促進技術改造的重任 大量地設計制造和廣泛采用各種先進的機器 可大大促進國民經濟發展的力度 加速我國的現代化建設 人類社會的進步源于不斷地創新 產品的創新首先是從設計工作開始的 設計是生產產品的第一道工序 要想生產出好的產品 首先要有好的設計 機械設計是機械工程的 靈魂 1 3本課程的性質和內容和特點 1 2本課程的性質 內容和特點 一 本課程的性質和內容本課程是研究機械裝置和機械系統的設計問題 培養同學們具有機械設計能力的技術基礎課 是機械類專業的一門非常重要的主干課 機械零件的設計是機械設計的基礎 是機械設計的重要組成部分 本課程是一門適用性廣 實用性強的設計性課程 主要介紹通用零件的基本設計方法 本課程的基本教學內容主要是通用零件的設計和計算 本課程的最終目的在于培養同學們綜合運用各種機械零件和機構以及其他先修課的知識 設計機械傳動裝置和簡單機械的能力 三 本課程的特點 涉及面廣關系多 與諸多先修課關系密切 要求多 設計一個機器或零件時 應同時滿足強度 剛度 耐磨性 工藝 等各方面的要求 門類多 典型的通用零件多 類型多 各類零件 設計方法各有不同 公式多 除了定義式以外 對于大多數公式著重于公式的應用 不強調公式的推導 圖表多 要求能看懂 會用 了解適用的范圍和變化趨勢 實踐性強 不僅要讀懂書 還要多聯系實際 要注重實踐性環節 無重點 又都是重點 設計工作必須詳盡 細小的疏忽也會導致嚴重事故 設計問題無統一答案 更多地談論誰設計得更好 要注意發展求異思維 1 2本課程的性質 內容和特點 本課程的特點 四 注意的幾個問題 著重學習零件的設計方法以及零件參數的合理選擇 除了理論分析和計算以外 更應重視零件結構設計的學習 設計決非只是計算 性能要求與經濟性 永遠是一對矛盾 應學會合理地解決這一對矛盾 經驗設計與現代設計 二者均重要 前者是后者的基礎 1 2本課程的性質 內容和特點 注意的問題 傳動裝置 在原動機與執行機構之間傳遞運動 轉換運動方式的裝置 機械傳動裝置是本課程研究的主要內容之一 第二章機械設計總論 2 1機器的組成 1 2機器的基本組成要素 2 2機器的基本組成要素 機械 機器和機構的總稱 機械零件 是機器的制造單元 分為 通用零件 各種機器中常用的 是本課程的主要學習對象 例如 齒輪 鏈傳動 帶傳動 軸 聯軸器軸承 螺栓 鍵 鉚 焊結構件 彈簧等 專用零件 只在某些特定的機器中才用到的 在有關專業課中學習 例如 葉片 曲軸等 部件 為完成同一使命在結構上組合在一起并協同工作的零件 例如 滾動軸承 減速器等 機械零件 常用泛指零件和部件 2 3設計機器的一般程序和基本原則 一般程序 對所設計的機器需求情況進行充分調查分析 明確機器功能及約束條件 形成設計任務書 分析機器功能 確定功能參數 擬定多種方案并進行綜合評價 確定原動機參數及各運動構件的運動參數 確定主要零件上的載荷大小 特性 依工作能力設計準則初步完成零件基本尺寸的確定 作出零部件裝配草圖及總裝配圖 完成主要零件的校核計算 編制設計計算說明書 使用說明書及其它技術文件 下一頁 2 3設計機器的一般程序和基本原則 基本要求 機器組成 功能要求 經濟要求 勞動保護要求 可靠性要求 其它要求 下一頁 2 4設計機械零件的基本要求及設計方法和步驟 基本要求 設計方法 2 4設計機械零件的基本要求及設計方法和步驟 設計步驟 1 根據機器具體工作情況確定作用在零件上的名義載荷及計算載荷 名義載荷 用力學公式計算出的載荷 計算載荷 考慮實際工作條件影響的載荷 2 選擇零件材料 3 由失效形式確定計算準則并依此確定零件主要尺寸 4 進行零件結構設計 5 根據結構尺寸進行詳細校核計算 6 繪制工作圖 總目錄 上一頁 下一頁 2 5機械零件的計算準則 一 幾個名詞 1 失效 機械零件由于某種原因不能正常工作時 稱為失效 注意 a 失效并不單純指破壞 破壞只是失效的形式之一 機械零件的可能失效形式很多 歸納起來主要有強度 剛度 耐磨性 振動穩定性以及溫度等方面的失效 b 同一種零件可能的失效形式往往有若干種 例如 軸在工作中可能產生斷裂 過大彈性變形 共振等失效 2 工作能力 即機械零件在一定條件下抵抗失效的能力 3 承載能力 對載荷而言的工作能力 也就是用載荷表示的工作能力 4 工作能力計算準則 為防止機械零件發生某種失效而應滿足的條件 也可以理解為是機械零件不發生失效的 安全條件 是設計零件時的理論依據 載荷和應力1 機械零件的計算準則 為了防止機械零件在工作中產生失效 設計時 需要以零件的工作能力計算準則為依據進行必要的計算 常用的計算方法 過程 有兩種 5 設計計算 先分析零件的可能失效形式 根據該失效形式的計算準則通過計算確定零件的結構尺寸 6 校核計算 先確定零件的結構尺寸 然后再驗算零件是否滿足計算準則 如不滿足 則應修改零件的尺寸 二 載荷和應力 1載荷 由于運動中產生的慣性力和沖擊等引起的載荷稱為動載荷 靜載荷 變載荷 按是否考慮動載荷的影響 載荷分為 載荷和應力2 名義載荷 在理想平穩條件下所受的載荷 不考慮動載荷的影響 計算載荷 載荷系數K 名義載荷 代表機器或零件實際所受載荷 載荷系數K 用于計入在實際工作中受到的各種動載荷的影響 額定載荷 由原動機的額定功率推算出的載荷 2應力 應力分為 靜應力 循環應力 機械零件的計算準則 循環應力 載荷和應力3 對稱循環 脈動循環 常見的循環應力有 靜應力 可看作是循環應力的一個特例 機械零件的計算準則 注 靜應力只在靜載荷作用下產生 循環應力可由變載荷產生 也可由靜載荷產生 強度準則 三 強度準則 強度 指機械零件工作時抵抗破壞 斷裂或塑性變形 的能力 強度條件有兩種表示方法 1 用應力表示 2 用安全系數表示 注 對于切應力 只須將上述各公式中的換成即可 機械零件的計算準則 靜應力下的強度 1靜應力下的強度 在靜應力下工作的零件 其可能的失效形式是塑性變形或斷裂 材料種類不同 所取極限應力也不同 復合應力狀態下 按第三或第四強度理論計算當量應力 復合應力狀態下 按第一強度理論計算當量應力 機械零件的計算準則 注 1 對于塑性材料和組織不均勻的材料 如灰鑄鐵 在計算靜強度時 可不考慮應力集中的影響 2 對于組織均勻的低塑性材料 如淬火鋼 在計算靜強度時 應考慮應力集中的影響 接觸強度 2循環應力下的強度 計算變應力下的強度時 應取疲勞極限 詳見第二章 3許用安全系數 合理選擇許用安全系數是設計中的一項重要工作 過大 則機器會過于笨重 過小 可能不安全 因此 在保證安全的前提下 應盡可能選用較小的許用安全系數 的取值主要受下列因素的影響 1 計算的準確性 2 材料的均勻性 3 零件的重要性 4表面接觸疲勞強度 對于高副零件 理論上是點 線接觸 但實際上在載荷作用下材料發生彈性變形后 理論上的點 線接觸變成了很小的面接觸 在接觸處 機械零件的計算準則 接觸強度2 局部會產生很高的應力 這樣的應力稱為表面接觸應力 用表示 的大小用赫茲公式計算 公式見教材 機械零件的計算準則 實際中的高副零件所受的接觸應力都是循環變化的 例如齒輪的輪齒 接觸嚙合時受應力作用 脫離嚙合時不受應力作用 接觸循環應力作用下的失效形式是 疲勞點蝕 簡稱點蝕 點蝕的危害 1 破壞零件的光滑表面 引起振動和噪音 2 減小零件的有效工作面積 擠壓強度及剛度準則 機械零件的計算準則 5表面擠壓強度 兩零件之間為面接觸時 在載荷作用下 接觸表面上產生的應力稱為擠壓應力 用表示 在擠壓應力作用下的強度稱為擠壓強度 其強度條件為 擠壓應力作用下 接觸面的失效形式是 壓潰 注 相互擠壓表面上的擠壓應力相等 四 剛度準則 剛度是指機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 有些零件則會因為產生過大的彈性變形而失效 例如 機床主軸的彈性變性過大將會影響所加工工件的精度 剛度準則及振動穩定性 機械零件的計算準則 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 1 零件材料的彈性模量E越大 則其剛度越大 2 用合金鋼代替碳鋼能提高零件的強度 但不能提高零件的剛度 五 振動穩定性準則 當作用在零件上的周期性外力的變化頻率接近或等于零件的自激振動頻率 固有頻率 時 便發生共振 導致零件失效 這種現象稱之為 失去振動穩定性 振動穩定性準則