机械设计基础第1至2章.docx
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机械设计基础第1至2章
第一章绪论
机械:
机器和机构的总称
第一节机器的组成及其特征
一、机器
1、机器在社会生活中的作用
洗衣机、汽车、摩托车、计算机等
2、机器的共同特征:
1)人为之物
2)机器具有确定运动
机器对其它参照物的相对运动,如汽车(飞机)相对于地面;
机器内部各部分间相对运动,破碎机,榨汁机;
二者兼有,如叉车工作时,汽车行驶时;
3)机器可以实现能量、物料和信息的变换和传递
3、机器定义:
是一种根据特定使用要求而设计的执行机械运动的装置,它可用来变换或传递能量、物料和信息等。
虽然机器种类很多,结构、用途及外观又各不相同,但从基本组成来看,又具有共同点。
4、机器的组成
1)原动部分(动力机):
提供动力
2)执行部分(工作机):
直接实现规定的功能,完成生产任务
3)传动部分:
将原动机的动力和运动传递到执行部分去的中间环节
4)控制和操纵部分:
协调原动部分、执行部分、传动部分更好工作
控制系统
以汽车为例
原动部分:
发动机
执行部分:
车轮、悬挂系统的底盘(包括车身)等
传动部分:
离合器、变速器、传动轴、差速器等
控制和操纵部分:
方向盘、刹车及其踏板、油门等
并不是所有机器组成结构一样,如电风扇(电动机、控制部分、执行部分),砂轮机(电机、控制部分、执行部分)。
二、机构
理论力学中已经对一些机构(连杆机构,齿轮机构等)的运动学和动力学问题进行过研究,在工程实践中,还有带传动、链传动、凸轮机构等。
1、机构的特征:
1)人为之物
2)各构件间具有确定运动
2、机构定义:
是一种用来传递运动和动力的可动的装置。
3、机器和机构的关系:
机器由一系列的机构组成。
三、机器与零件的关系
1、机器的基本组成要素零件
2、零件分类通用零件螺栓、齿轮等
专用零件涡轮机的叶片、飞机的螺旋桨等
3、构件:
运动单元体
4、机器的装配单元体部件
5、部件分类通用部件减速器、离合器等
专用部件汽车转向器
6、机器与零件的关系由于机器是由零件组成的,所以任何机器的性能,都是建立在它的主要零件的性能或关键零件的综合性能的基础之上。
由此可见,要设计出一部很好的机器,必须很好地设计或选择它的零件;而每个零件的设计或选择又是和整部机器的要求分不开的。
第二节本课程的内容、性质和任务
一、内容
机械原理和机械零件
二、性质:
技术基础课
综合各门学科、实践性很强、创新性很强
三、任务培养学生具有设计一般机械的相关能力。
具体为
(1)树立正确的设计思想,运用创造性思维掌握机械设计的一般方法;
(2)掌握机构的结构、运动特性,初步具有分析和设计常用机构的能力,对机械动力学的一些基本知识有所了解;
(3)掌握通用零件的工作原理、结构特点、设计计算等知识,初步具有设计通用机械传动装置的能力;
(4)熟悉和熟练应用机械设计手册、图册、标准等有关技术资料的能力,并获得实验技能的基本训练;
(5)对机械设计的新发展及现代设计方法有所了解,并在条件许可时尽可能在设计中加以应用。
四、学习方法
1、熟悉基本概念,理解基本原理,掌握机构分析和设计的基本方法。
2、理论联系实际
雨伞到曲柄滑块机构,雷达天线俯仰装置到连杆机构
3、养成科学的学习作风:
实事求是,综合分析,全面考虑
第二章机械设计基础概论
第一节概述
一、机械设计应满足的基本要求
1、使用要求要求机器在寿命期内正常工作
2、经济性要求耗材少、材料便宜、制造方便、加工余量少、标准件
3、社会要求环保、安全、人机工程学等
4、结构工艺性在既定的生产条件下,能够方便而经济地生产出来,并便于装配成机器
5、可靠性要求在规定的条件下和规定的使用期限内,完成规定功能的能力(可靠性)。
6、其他专用要求质量小(飞机)、精度高(机床)、便于运输(大型机器)、卫生(食品机械)
二、机械设计的主要内容及一般程序
(一)、设计对机器质量的影响机器的质量基本上决定于设计质量。
制造过程对机器质量所起的作用,本质上就决定于实现设计时所规定的质量。
因此,机器的设计阶段是决定机器质量好坏的关键。
(二)、机械设计方法分类
1、常规设计(理论设计、经验设计、模型设计)
2、现代设计(有限元、优化设计、计算机辅助设计等)
3、创新设计(独创性、实用性、多方案选优等)
(三)、常规机器设计的内容和程序
1、计划阶段调研、明确机器应具有的功能,并为以后的决策提出环境、经济、加工以及时限等各方面所确定的约束条件,尔后编写包含机器的功能、经济性估计等方面的设计任务书。
2、方案设计阶段
(1)功能分析
首先对设计任务书提出的机器功能中必须达到的要求、最低要求及希望达到的要求进行综合分析,即这些功能能否实现,多项功能间有无矛盾,相互间能否代替等。
此时要正确处理需要与可能、理想与现实、发展目标与当前目标等之间可能产生的矛盾问题。
然后确定出功能参数,提出可能的解决办法,即可能采用的方案。
注意:
在方案设计阶段,要正确处理借鉴与创新的关系;
方案从原动部分、传动部分、执行部分分别进行讨论;
一般从执行部分开始考虑。
如
则总体方案
(2)方案评价
a、经济性
A
由图中可以看出A点总费用最低,最可行
b、可靠性一般情况下,系统越复杂,可靠性越低
c、决策通过对方案的评价,确定一个方案进行下一步技术设计的原理图或机构运动简图。
3、技术设计阶段产生总装配图、部件装配草图、继而确定出零件的尺寸及相互联接关系。
为了确定出主要零件的基本尺寸,必须做以下工作:
(1)机器的运动学设计(根据确定的结构方案,确定出原动机的运动参数,如功率转速、线速度等;然后作运动学分析,从而确定各运动构件的运动参数)
(2)机器的动力学计算(计算主要零件所受力情况)
(3)零件的工作能力设计(根据受力和计算准则,确定出零件基本尺寸)
(4)部件装配草图及总装配草图的设计(根据零、部件基本尺寸,设计出部件装配草图及总装配草图,在草图上对所有零件的外形及尺寸进行结构优化)
(5)主要零件的校核(根据草图校核零件,直到满意为止,再画出草图)
草图设计完成后,根据草图已经确定的零件基本尺寸,设计零件工作图。
再由零件工作图画正式装配图(目的是为了查出零件工作图中可能被隐藏的尺寸和结构上的错误,该过程为“纸上装配”)。
4、样机试验和鉴定样机试验纠正问题,并请专家进行技术鉴定。
5、产品定型设计先做小批量生产的产品定型设计,产品制成后,试验。
最后大批量生产。
6、技术文件的编制含设计计算说明书,使用说明书,标准件明细表等。
第二节机械零件设计的基础知识
一、零件变形的基本形式及其强度条件
1、拉伸和压缩
2、剪切和挤压
3、圆柱的扭转
4、弯曲
5、弯扭合成
第三强度理论
由于
是对称循环应力,
不是对称循环应力,特引入折合系数
,则
二、机械零件设计应满足的基本要求
1、工作能力要求(避免在预定寿命期内失效的要求)
(1)强度热处理和高强度材料
表面接触刚度增大贴合面
(2)
(3)寿命疲劳、腐蚀、磨损
2、结构工艺性
要求在既定的生产条件下,方便、经济地生产出来,并便于装配成机器
3、经济性要求耗材少、材料便宜、制造方便、加工余量少、标准件
4、质量小要求采用冲压、焊接件来代替铸、锻件,采用强重比高的材料等
5、可靠度要求
将工作条件、零件本身的物理和机械性能的随机变化尽可能地降低
三、机械零件的主要失效形式
1、失效机械零件由于某些原因不能正常工作
2、分类
断裂、表面失效(磨损、疲劳点蚀、腐蚀)、过量变形、破坏正常工作条件而引起的失效(带传动打滑、滑动轴承因油膜的破裂而发生过热、胶合、磨损等)
四、机械零件的计算准则
1、计算准则根据零件的失效分析,以防止出现失效为目的,所制定的计算该零件工作能力所依据的基本原则。
2、分类
1)强度准则
、
————材料的极限正应力和极限切应力
————扭转角或扰角
2)刚度准则
或
3)耐磨性准则
,
4)散热性准则(蜗杆传动、滑动轴承)
5)振动稳定性准则
措施改变零件及系统的刚性,改变支承位置,增加或减少辅助支承,把激振源与零件隔离,采用阻尼等办法。
6)可靠性准则
(1)可靠度零件在规定的使用时间(寿命)内和预定的环境条件下,能正常完成其功能的概率。
(2)表达式
——总零件数,
——一段时间后仍能正常工作的零件,
——一段时间后失效的零件
(3)系统
五、机械零件设计的一般步骤
1、选择类型根据使用要求
2、计算载荷根据工作要求
3、选择材料根据工作条件及对零件的特殊要求,如飞机、坦克
4、基本尺寸根据失效形式,确定设计准则,计算出零件的基本尺寸
5、结构设计根据工艺性及标准化等原则
6、校核计算
7、画工作图标出形位公差、尺寸公差、表面粗糙度及技术条件
8、编说明书写设计计算说明书以备查
下面以齿轮设计为例,简要说明
1)根据使用要求选直齿轮、斜齿轮、圆锥齿轮
2)计算该齿轮的载荷
3)选材及相应的热处理,如40、45、40Cr、调质、渗碳后淬火
4)确定齿轮的基本尺寸
5)结构设计,如整体式、齿轮轴式、腹板式、轮辐式等
6)校核,判断结构的合理性
7)画齿轮工作图
8)写说明书
六、机械零件的标准化
(1)标准件:
按规定标准生产的零件称为标准件。
(2)通用化:
在系列产品内部或在跨系列产品之间采用同一结构和尺寸的零部件。
(3)系列化:
对同一类产品,在同一基本结构或基本尺寸条件下,规定出若干种不同尺寸参数的产品,形成系列。
1、标准化的意义
1)集中加工,降低成本
2)统一零件和材料的性能指标,使其能够比较,并提高零件的可靠性
3)简化设计工作,缩短设计周期,提高设计质量
4)互换性好,便于维护
5)有利于产品走向国际
第三节机械工程常用材料及选用原则
一、材料
钢:
含碳量越高,强度就越高,但塑性越低
铸铁:
脆性、良好的铸造性、抗拉强度及塑性和韧性较差
有色金属及其合金:
轴承合金(铜合金);质量轻、强度高(铝合金)
非金属材料:
工程塑料、橡胶
复合材料:
高强度和弹性模量,质量小等优点及耐热性、导电性差等缺点(战斗机、直升机、人造卫星,高尔夫球杆网球拍)
二、材料选用原则
1、使用要求
1)、载荷的大小、性质、应力的大小、性质及其分布状况
a、从强度方面来考虑,应在充分了解材料的机械性能的基础上进行选择。
脆性材料只能在静载荷下工作,冲击载荷下最好用塑性材料
b、可通过热处理改变金属材料的性能。
如热处理提高塑性,降低强度和硬度。
2)、零件的工作情况(环境特点、工作温度、摩擦磨损)
a、湿热环境下用防锈和耐腐蚀材料,如不锈钢。
b、工作温度
互相配合的两零件,其材料的线膨胀系数不能相差过大。
材料的机械性能随温度而改变的情况。
c、工作中发生摩擦磨损处,要提高硬度,以增强耐磨性。
3)、零件的尺寸及质量
铸件不受尺寸和质量所限,锻件毛坯时,必须注意锻压机械及设备的生产能力,尽可能选用强重比大的材料,以减小零件的尺寸及质量。
4)、零件结构的重要程度
综合力学性能好的材料
2、制造工艺要求
结构简单用锻件,结构复杂用铸件或用板材冲压出元件后再焊接。
(锻件的工艺性是指材料的延展性、热脆性、及冷态和热态下塑性变形的能力等。
铸件的工艺性是指材料的液态流动性、收缩率、偏析程度及产生缩孔的倾向性等。
焊件的工艺性是指材料的焊接性及焊缝产生裂纹的倾向性等。
材料的热处理工艺性是指可淬性、淬火变形倾向性及热处理介质对它的渗透能力。
冷加工工艺性是指材料的硬度、易切削性、冷作硬化程度及切削后可能达到的表面粗糙度。
)
3、材料的经济性
1)、材料本身的相对价格
2)、材料的加工费用
3)、材料的利用率
4)、采用组合结构
5)、节约稀有金属(用铝青铜代替锡青铜制造轴瓦)
4、材料的供应状况
三、金属材料的热处理
1、分类:
整体热处理表面热处理
2、目的:
改变其整体或表面的物理、力学性能,发挥其使用潜力。
例如,合金钢如不经热处理,其力学性能并不明显优于碳素钢。
为充分发挥合金钢的作用,合金钢零件一般都需经过热处理。
常用整体热处理有:
退火:
加热到临界温度以上30-50OC,保温一段时间,然后冷却。
正火:
加热到临界温度以上30-50OC,保温一段时间,然后在空气中冷却,冷却速度比退火快。
淬火:
加热到临界温度以上,保温一段时间,然后在水、盐水或者油中快速冷却。
回火:
将淬火后的钢件再加热到临界以下的温度,保温一定时间,在空气、油或水中冷却。
调质:
淬火后再进行高温回火。
时效:
将钢件加热到120-130OC以下,长时期保温,随炉或在空气中冷却。
钢的表面热处理和化学热处理:
火焰表面淬火、感应加热表面淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗等
四、金属零件的表面处理
1、目的:
表面处理是使金属表面缠产生一层覆盖层,以达到防腐、改善性能及装饰的作用。
2、分类:
电镀、化学处理和涂漆。
(1)电镀。
电镀是应用电解原理在某些金属(或非金属)表面镀上一层其他金属或合金的过程。
1)镀铬。
适用于钢件、铜或铜合金件。
2)镀镍。
适用于钢、铜及铜合金、铝合金件。
(2)化学处理。
金属零件表面的化学处理主要有氧化和磷化。
1)黑色金属的氧化与磷化
2)铝及铝合金的阳极氧化
3)铜及铜合金的氧化。
(3)涂漆
第四节机械零件的强度
一、载荷和应力的分类
(一)载荷的分类
1、载荷作用在机器零件上的力、力矩的统称
计算载荷考虑实际条件下产生的附加载荷后的全部载荷
2、载荷分类
(二)应力的分类
脉动循环变应力
1、分类
2、变应力的主要参数
、
、
、
、
、
、
二、机械零件的疲劳强度
(一)、静应力下机械零件的强度计算
危险截面处的最大应力(
)是否小于许用应力([
]、[
])
强度条件为
式中
分别极限正应力和切应力,对塑性材料为屈服极限(
),对脆性材料为强度极限(
)
(二)、变应力下机械零件的强度计算
变应力强度
1、疲劳曲线
1)、疲劳极限在循环特性r下的变应力,经过N次循环后,材料不发生破坏的应力最大值。
用
或
表示
无限寿命区
2)、疲劳曲线用来表示循环次数N与疲劳极限间的关系曲线
(
——N或
——N)
1)无限寿命区(N≥NB)
特点疲劳曲线为水平线,对应于NB时材料的极限应力为疲劳极限
在对称循环变应力或脉动循环变应力时,只要工作应力
小于或等于
或
,寿命为无限长
2)有限寿命区(103特点工作应力
小于等于某一疲劳极限
时,N值是确定的。
3)低周循环或疲劳(N<104)
如一次性使用的火箭发动机的某些零件、导弹壳体等,在整个使用寿命期间应力变化次数只有几百到几千次
4)高周循环或疲劳(N>104)
5)疲劳曲线方程
对于有限寿命内的AB段,有
无限寿命疲劳曲线在B点后为水平线
由于NB有时很大(25×107或更大),所以人们在做疲劳试验时,常规定一个循环次数N0,称为循环基数。
若已知N0和疲劳极限
,则N次循环时的疲劳极限为
——寿命系数
注意:
(1)材料不同,性质不同,N0值也不同,如钢的硬度越高,N0越大
(2)N值过大时,取法不同,如NB=5×107、N=6×107则N=NB=5×107
(3)指数m随材料不同,受力形式不同而不同
(4)不同r时的疲劳曲线不同,但相似。
r越大
越大
r=-1
(5)延性(塑性)金属与脆性金属疲劳曲线比较
延性金属
(a)公式一样,同为双曲线;
(b)延性金属有转折点,脆性金属无;
(c)对脆性金属,当N>NB时,均以N实际值代入。
(三)影响零件疲劳强度的因素
由于零件尺寸及几何形状变化、加工质量及强化因素等的影响,使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。
三、机械零件的表面接触疲劳强度
接触形式
注意
1、接触线连续改变位置时,对于零件上任意点处的接触应力只能在0到
之间改变。
接触应力是一个脉动循环变应力,极限应力也是一个脉动循环的极限接触应力。
2、外接触产生的接触面积小,而变形量大,所以接触应力大(点、线接触通用)
3、内接触产生的接触面积大,而变形量小,所以接触应力小(点、线接触通用)
4、当外接触改为内接触时,接触应力降低,接触强度提高。
第五节机械零件的结构工艺性
1.机械零件的结构工艺性:
指所设计的零、部件在保证产品使用性能的前提下,能用生产率高、劳动量小、生产成本低的方法制造出来。
零件的结构工艺性,反映在毛坯制备过程、热处理过程、切削加工过程和装配过程中。
2.零件加工工艺对零件的设计要求
1)铸造
(1)应使造型方便,砂箱和型芯尽量少,具有必要的起模斜度等;
(2)壁厚变化及布置应避免出现缩孔,避免局部金属堆积;
(3)应考虑零件在机床上切削加工时有必要的基准面,注意浇铸过程中不应造成激冷过硬的被切削加工面。
2)锻造
(1)能使金属流动并充满锻模的壁腔,具有必要的起模斜度等。
3)热处理
(1)避免锐边和尖角,采用的过渡圆角应尽可能大;
(2)尽量使零件截面均匀;
(3)提高零件结构的刚性,必要时可增添加强肋;
(4)零件几何形状力求简单、对称;
(5)形状特别复杂或者不同部位有不同性能要求时,可改成组合结构。
第六节摩擦、磨损及润滑
摩擦(运动、运动趋势)导致能量损耗(30%),表面物质的丧失和迁移
一、摩擦
1
混合摩擦
2、摩擦状态分类标准
>3(流体摩擦)
——表面轮廓算术平均偏差(μm)
二、磨损
1、磨损的原因:
摩擦导致材料逐渐丧失或迁移
2、磨损的利用:
磨削及抛光、机器的“磨合”过程,地板的打磨
3、磨损过程:
磨合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段
O
磨合期载荷不应过大,缩短磨合期,延长稳定磨损期,推迟剧烈磨损期
4、减轻磨损的方法
1)、选用润滑剂和润滑方法
2)、合理选择材料
3)、合理选择热处理
4)、降低粗糙度
5)、滚动代滑动
6)、正确结构设计(受力均匀、密封)
7)、正确使用、科学维护和管理
三、润滑
固体(石墨、MoS2)
1、润滑剂的作用降低摩擦,减轻磨损,保护零件不遭锈蚀,散热降温、缓冲吸振、密封等。
2、分类
(一)润滑油
1、粘度润滑油抵抗变形的能力,标志着液体内部产生相对运动时内摩擦阻力的大小
(1)动力粘度牛顿液体中,任意点处的切应力均与该处流体的速度梯度成正比,该比例系数为此液体的动力粘度。
——液体单位面积上的剪切阻力,即切应力;
——液体沿垂直于运动方向的速度梯度;
——比例常数,即液体的动力粘度;
“—”号表示
随y的增大而减小。
υ
1P=0.1Pa·s=100cP
单位
(2)运动粘度动力粘度与同温度下该液体的密度的比值
1St=1cm2/s=100cSt=10-4m2/s
单位
(3)条件粘度(相对粘度):
在一定温度下,200cm3的油样流过直径2.8mm小孔所需时间,与同体积200C的蒸馏水流过该孔所需时间的比值。
单位恩氏度0Et
(4)运动粘度与条件粘度的换算
0Et
当1.35<0Et<3.2时,
0Et
当3.2<0Et时,
0Et(cSt)
当16.2<0Et时,
注:
指平均温度t时的运动粘度
(5)粘度与温度和压力的关系
a、粘度指数越大,粘度随温度变化越小,即粘温性能越好;
b、温度升高,粘度下降;
c、压力增大,粘度增大。
2、油性(润滑性)润滑油在金属表面上形成吸附油膜的性能
油性越好,吸附能力越强。
对低速、重载、润滑不充分的场合更重要。
3、闪点(燃点)油在标准仪器中加热所蒸发的油气,遇火焰即能发光的最低温度
注意:
工作温度要比闪点低30-400C
4、凝点油在规定条件下,不能自由流动时所达到的最高温度
注意:
其影响到低温下的起动性能和磨损情况。
5、极压性油中加入含S、P的有机化合物,使金属表面能生成抗磨、耐高压的化学反应边界膜的性能
优点:
在重载、高速、高温条件下,可改善边界润滑性能
(二)、润滑脂
油加入稠化剂作成的膏状混合物
1、分类(按皂基不同)
铝基润滑脂(抗水性好、对金属表面吸附能力强、防锈)
2、针入度(稠度)
标志着润滑脂内部阻力的大小和流动性的强弱,针入度越小,润滑脂越稠。
3、滴点规定的加热条件下,润滑脂从标准测量杯的孔口滴下第一滴时的温度。
润滑脂的工作温度至少要低于滴点200C。
(三)、添加剂
普通润滑剂在恶劣条件下(高温、低温、重载等)会很快变质,失去润滑能力。
添加剂的作用:
1、提高油性、极压性和在极端工作条件下更有效的工作能力;
2、延长使用寿命;
3、改善物理性能,如降低凝点、消除泡沫、提高粘度、改进粘温性能等。
(四)、润滑剂的选用
1、类型的选用随场合和条件而变
F
2、润滑剂牌号的选用
1)载荷
当载荷大时,
、油性、极压性
2)运动速度
速度小,用针入度低的脂或粘度大的油;速度大,用针入度高的脂或粘度小的油
3)温度
低温下用粘度小的油或凝点低的脂,高温下用粘度大、闪点高及抗氧化性的油
4)表面粗糙度和间隙大小
粗糙度大,用粘度大的油或针入度小的脂;间隙小,用粘度小的油或针入度大的脂
5)结构特点
开式齿轮传动,链传动,垂直润滑面,采用高粘度油或润滑脂以保持附着性
3、润滑方法:
油润滑(滴油、油杯、飞溅、压力循环)、脂润滑
油润滑
1)间歇式供油
旋套式注油油杯压配式压注油杯
2)连续式供油
(滴油润滑)
(飞溅润滑)
四、润滑状态
1、
弹性流体动力润滑
分类
2、
液体润滑
润滑状态的转化