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机械设计 课程总结,哈尔滨工业大学 机械设计系 赵小力 2011,机械设计的主要内容,原理特点，受力失效 设计准则，材料选择 强度计算，参数选择 结构设计,3,一、 机械系统的组成,辅助系统：例如润滑、显示、照明等,动力系统,传动系统,执行系统,控制系统,4,机械制造过程中为完成同一目的而由若干协同工 作的零件组合在一起的组合体。,机械部件：,专用零件：气轮机的叶片；汽缸 通用零件：齿轮；螺栓,机械零件：,是机械制造过程中不可分拆的最小单元,2.2 机械零件的载荷和应力,2.2.1 载荷,机械设计中通常指施加于机械或结构上的外力,静载荷,动载荷,大小和方向,集中载荷,分布载荷,载荷分布情况,体载荷,线载荷,面载荷,拉伸载荷,弯曲载荷,机械零部件的变形作用,压缩载荷,扭转载荷,2.2 机械零件的载荷和应力,变应力有5个基本参数：最大应力、最小应力、平均应力、应 力幅和循环特征，其中只有2个为独立参数，其中循环特征r 是重要指标。,2.2 机械零件的载荷和应力,稳定循环变应力周期、应力幅和平均应力保持参数的变应力,根据循环特征r可分为：对称循环变应力、脉动循环变应力和 非对称循环变应力。,8,摩擦分类：外摩擦（存在于两物体表面之间） 内摩擦（流体内部产生的粘剪力）,按照两表面的润滑状况，摩擦分为： 1）干摩擦-无润滑状态 2）边界摩擦边界润滑状态 3）流体摩擦流体润滑状态 4）混合摩擦混合润滑状态,4.1 摩擦 在外力作用下，两个相互接触的物体或物体内部有相对运动或相对运动趋势时，在摩擦界面产生切向阻力，这种切向阻力称为摩擦力，这种现象称为摩擦。,9,磨损 磨损过程,磨损的五种形式,1）粘着磨损, 影响因素：材料、脆塑性、粗糙度等；,2）磨粒磨损，环境，硬度、粗糙度；,3）疲劳磨损，硬度、粗糙度，粘度；,4）冲蚀磨损，硬度；,5）腐蚀磨损，环境和润滑油的腐蚀性。,润滑油的粘度,润滑油的粘度反映了润滑油在外力作用下抵抗剪切变形的能力，是内摩擦力大小的标志。,剪切应力与流体沿y方向速度的梯度成正比，即,定义为流体的动力粘度。上式称为牛顿流体粘性定律 凡符合此定律的流体称为牛顿流体,否则称为非牛顿流体。,粘性流体模型,第5章 螺纹连接与螺旋传动,d-螺纹大径 公称直径 d1-螺纹小径 校核直径 d2-螺纹中径 基准直径 p-螺距 相邻两牙 n-线数 螺旋线数 s-导程 同一螺旋线 -螺纹升角 中径圆柱 牙型角 -牙侧角 螺旋线旋向,12,螺纹的自锁条件：,式中: -当量摩擦角，,-当量摩擦系数,13,常用螺纹及其特点、应用,对螺纹的要求：足够的强度和良好的工艺性 联接螺纹：自锁 管螺纹：紧密性、气密性 传动螺纹：效率高 调整螺纹：精度高 起重螺纹：效率高、自锁性好,螺纹的分类： 按牙形：三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯 齿形螺纹、管螺纹 按母体形状：圆柱螺纹、圆锥螺纹,14,螺纹连接基本类型,普通螺栓连接 铰制孔螺栓连接,1、 螺栓连接,15,螺纹连接基本类型,2、螺钉连接,16,螺纹连接基本类型,3、双头螺柱连接,17,螺纹连接基本类型,4、 紧定螺钉连接,18,螺纹连接的防松,1、 摩擦防松,(1) 双螺母,(2) 弹簧垫圈,(3)锁紧螺母,2、 机械防松,(1) 开口销与六角开槽螺母,(2) 止动垫圈,(3) 串联钢丝,19,螺纹连接的防松,3、 永久防松,焊接 冲点 涂胶,20,单个螺栓连接的强度计算,1 、松螺栓连接,21,单个螺栓连接的强度计算,2 、紧螺栓连接,受横向载荷的紧螺栓连接,（1） 普通螺栓连接,靠接合面的摩擦力传递外力 螺栓既受拉应力又受扭剪应力,22,对于常用的m10m68的普通螺栓,拉应力,剪应力,螺栓的当量应力,拉、扭复合应力的复合作用下，由第四强度理论可得：,上面的公式仅靠摩擦力传递横向工作载荷，其中工作载荷对螺栓的强度不构成影响。在承受冲击、振动或变载荷时，工作不可靠，需要较大的预紧力。使接合面不滑动的预紧力ffs/f，若f=0.2，那么就需要f 5fs，这就导致螺栓直径增大。,为了减小螺栓所承受的横向工作载荷，可采用套、键、销等各种抗剪件来承受横向载荷，此时螺栓仅发挥连接作用，故预紧力就变小，直径相应变小。,24,（2）铰制孔螺栓连接,螺栓杆的剪切强度条件为:,螺栓与孔壁的挤压强度条件为：,受轴向工作载荷的紧螺栓连接,螺栓的相对刚度,螺栓的总拉力,残余预紧力,校核公式：,设计公式：,静强度计算：,当工作载荷在0f之间变化时，螺栓所受的总拉力在ff0之间变化。,螺栓危险截面,最大拉应力：,最小拉应力：,应力幅：,疲劳强度计算：,5.6 螺栓组连接设计,螺栓组受力分析的主要任务：确定螺栓组受力最大的螺栓及 其所受工作载荷的大小，以便进行螺栓连接的强度计算。,二、 螺栓组联接的受力分析,在实际应用中，螺栓组连接所受的载荷通常由上述四种受力 状态的不同组合，故可采用静力学分析方法，将各种受力状 态转化为上述四种基本受力状态的某种组合。,普通螺栓连接：,铰制孔用螺栓连接：,横向载荷+旋转力矩,预紧力,总拉力,强度计算,横向载荷+旋转力矩,最大工作剪力,剪切和挤压强度计算计算,提高螺栓连接强度的措施 1. 改变螺纹牙上载荷分配 2. 提高疲劳强度的措施 （1）减少应力幅 （2）减少应力集中,28,提高螺栓连接强度的措施 2. 提高疲劳强度的措施 （1）减少应力幅 （2）减少应力集中,29,减小螺栓刚度或增大被连接件刚度，都可减小螺栓的应力幅,应力幅：,为减小螺栓刚度，可适当增大螺栓的长度、减小螺栓杆直径、或 做成空心杆、或在螺母下安装弹性元件。,为增大被连接件的刚度，应采用刚性大的垫片；如需密封元件时 可用密封环结构代替密封垫片。,30,五、挠性件传动,带传动的特点、类型、几何计算 受力、应力、失效形式、设计准则 带轮结构 带的张紧,31,带传动,1 总摩擦力ff,2 有效圆周力f,3 紧边和松边拉力与预紧力的关系,ff=f1-f2,f=f1-f2,2f0=f1+f2,4 紧边和松边拉力关系,5 最大有效圆周力,带传动的应力分析,传动带的受力分析,33,1）弹性滑动定义：由于带的弹性变形而引起的带与带轮之间的相对滑动现象称为弹性滑动。,3）弹性滑动会引起下列后果： （1）从动轮的圆周速度总是落后于主动轮的圆周速度，并随载 荷变化而变化，导致此传动的传动比不准确； （2）损失一部分能量，降低了传动效率，会使带的温度升高； 并引起传动带磨损。,2）弹性滑动特点：弹性滑动是带传动中不可避免的现象，是正常工作时固有的特性。,弹性滑动,2）打滑位置： 带在大轮上的包角大于小轮上的包角，所以打滑总是在小轮上先开始的。,4）避免打滑： 打滑是由于过载引起的，避免过载就可避免打滑,3）打滑后果： 造成带的严重磨损并使带的运动处于不稳定状态。,1）打滑定义： 若传递的基本载荷超过最大有效圆周力,带在带轮上发生显著的相对滑动即打滑。,35,五、带传动的失效形式和设计准则,1 带传动的失效形式：打滑和疲劳破坏 2 带传动的设计准则：在保证带工作时不打滑的条件 下具有一定的疲劳强度和寿命,-在一定条件下，由带的疲劳强度决定的许用拉应力,36,带的张紧,定期张紧装置,自动张紧装置,用带轮张紧,37,六、齿轮传动,齿轮传动特点、失效形式、设计准则 计算载荷（四个系数） 受力分析(转向、旋向、力方向) 直齿、斜齿圆柱齿轮的强度计算、各种修正系数影响因素 齿轮传动主要参数选择 齿轮结构,38,主要失效形式：,形成原因 发生位置 最终后果 预防措施,39,齿轮传动的设计准则, 闭式软齿面齿轮传动：常因齿面点蚀而失效，故通常先按齿面接触疲劳强度进行设计，然后校核齿根弯曲疲劳强度。 闭式硬齿面齿轮传动：其齿面接触承载能力较高，故通常先按齿根弯曲疲劳强度进行设计，然后校核齿面接触疲劳强度。 开式齿轮传动：其主要失效形式是齿面磨损，而且在轮齿磨薄后往往会发生轮齿折断。故目前多是按齿根弯曲疲劳强度进行设计，并考虑磨损的影响将模数适当增大。 高速重载齿轮传动：可能出现齿面胶合，故需校核齿面胶合强度。,40,载荷系数,齿轮传动的计算载荷,使用系数ka：考虑由于齿轮啮合外部因素引起附加动载荷影响的系数。,动载系数k：考虑由于齿轮制造精度、运转速度等轮齿内部因素引起的附加动载荷影响系数。,齿向载荷分布系数k：考虑沿齿宽方向载荷分布不均匀对轮齿应力的影响系数。,齿间载荷分配系数k：考虑同时啮合的各对轮齿载荷分配不均匀对轮齿应力的影响系数。,41,轮齿受力分析,圆周力,径向力,法向力,力的方向判断:,作用于主、从动轮上的各对力均大小相等，方向相反。,ft 在主动轮上与运动方向相反，在从动轮上与运动方向相同。 fr 的方向与啮合方式有关，对于外啮合，主、从动轮上的径向力分别指向各自的轮心 。,42,齿面接触疲劳强度的设计公式:,或,两轮的工作接触应力h1 h2，但许用接触应力不相等，即h1 h2，它们与两轮的材料、热处理和应力循环次数等有关。在设计和校核计算中，取hminh1 ， h2。,43,大小齿轮应分别进行弯曲强度校核时,设计模数时, 应按下式选择,齿根弯曲疲劳强度的设计公式,44,斜齿轮传动的受力分析,标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,45,齿面接触强度,齿根弯曲疲劳强度,46,齿轮传动主要参数的选择,1、模数m和齿数z1,2、 齿宽系数d、a,3 、分度圆压力角,4、 齿数比u,5、 螺旋角,齿轮传动的许用应力计算。,47,七、蜗杆传动,蜗杆传动特点 类型 失效形式、设计准则 受力分析（转向、旋向、力的方向） 效率 结构,48,1、特点：,单级传动比大; 结构紧凑; 传动平稳,无噪音; 可自锁; 传动效率低; 成本高。,2、蜗杆传动的类型,环面蜗杆传动,锥蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,按蜗杆形状分:,根据齿面形状不同分为：,普通蜗杆传动; 圆弧圆柱蜗杆传动,49,普通圆柱蜗杆传动,中间平面上的参数作为设计基准,蜗杆传动的正确啮合条件,旋向相同,50,为了限制蜗轮滚刀的数目并便于滚刀的标准化，因此对每一标准模数规定了一定数量的蜗杆分度圆直径md1.,蜗杆传动的失效形式和设计准则,失效形式：主要是齿面胶合、点蚀、磨损和轮齿折断，而且失效通常发生在蜗轮轮齿上。,设计准则：通常按齿面（蜗轮）接触疲劳强度条件计算蜗杆传动的承载能力。 在选择许用应力时，要适当考虑胶合和磨损失效因素的影响。 对闭式传动要进行热平衡计算，必要时对蜗杆强度和刚度进行计算。,51,力的方向： 确定圆周力ft及径向力fr的方向的方法同外啮合圆柱齿轮传动，而轴向力fa的方向则可根据相应的圆周力ft的方向来判定，即fa1与 ft2方向相反， ft1与 fa2的方向相反。 也可按照主动件左右手定则来判断。,1）b300mpa，锡青铜时，材料本身抗胶合能力强，多 发生点蚀失效，许用应力的选择主要与循环次数有关,2）b300mpa ，铝铁青铜或铸铁时，材料本身抗点蚀能力强，多发生胶合失效，进行齿面接触疲劳强度计算是条件性的，通过限制齿面接触应力大小来防止发生胶合。许用接触应力选择与滑动速度和材料有关，而与循环次数无关。,9.4.2 蜗轮齿面接触疲劳强度计算,蜗轮齿面接触疲劳强度计算的校核公式为：,，mpa,53,蜗杆传动的效率,式中：1啮合效率,2 3分别为轴承效率和搅油效率 一般取2 3=0.950.96,55,八、轴,轴的分类 设计轴的几种估算方法 轴的结构设计 轴上零件的固定方法（轴向、周向）,56,1. 轴的分类,转轴,心轴,传动轴,转动心轴,固定心轴,按受载荷分,2.轴径的初步估算,一、类比法,二、经验公式计算,三、按扭转强度计算,57,轴的结构设计 1.转轴的一般设计步骤 三步：（1）初定轴径； （2）结构设计画草图，确定轴的尺寸，得到跨距和力的作用点； （3）强度计算，做出弯矩、扭矩图，校核危险截面强度。 2.轴上零件的固定方法（轴向、周向） 3.安全系数和抗弯扭合成强度校核,第六章 轴毂联接,59,九、滚动轴承,滚动轴承结构、特点、类型、代号 受力分析和失效形式 寿命计算 角接触轴承的内部轴向力 轴承部件结构设计,60,滚动轴承代号,滚动轴承主要类型代号表,6,深沟球轴承,l,直线轴承,5,推力球轴承,u,外球面球轴承,4,双列深沟球轴承,na,滚针轴承,3,圆锥滚子轴承,n,圆柱滚子轴承,29,推力调心滚子轴承,9,推力圆锥滚子轴承,2,双列调心滚子轴承,8,推力滚子轴承,1,双列调心球轴承,7,角接触球轴承,0,双列角接触球轴承,代号,轴承类型,代号,轴承类型,62,例如:,7,2,10,c,7210 c/p5/df,/p5,/df,轴承类型为角接触球轴承,尺寸类型代号,其中 宽度类型代号为0,窄系列,省略不写, 直径系列代号为2,轻系列,轴承内径,空一个字符,公称接触角,轴承精度等级为5级,面对面配置,（1）当载荷较大或有冲击载荷时，宜用滚子轴承；当载荷较小时，宜用球轴承。,（2）当以径向载荷为主时，应用向心轴承；,当只受轴向载荷时，一般应用推力轴承，而当转速很高时，可用角接触球轴承或深沟球轴承。,当径向和轴向载荷都较大时，应采用角接触轴承。,轴承选型,（4）当要求支承具有较大刚度时，应用滚子轴承。,（3）当转速较高时，宜用球轴承；当转速较低时，可用滚子轴承，也可用球轴承。,64,滚动轴承的失效形式,1.疲劳点蚀,2.塑性变形,3.磨粒磨损,4.胶合,滚动轴承的计算准则,寿命计算：对于转动的滚动轴承，疲劳点蚀是其主要失效形式，因而主要是进行寿命计算，必要时再作静强度校核。,静强度计算：对于不转动、低速或摆动的轴承，局部塑性变形是其主要失效形式，因而主要是进行静强度计算。,校核极限转速：对于高速轴承，发热以至胶合是其主要失效形式，因而除进行寿命计算外还应该校核极限转速。,滚动轴承的寿命计算,基本额定动负荷：轴承工作温度在,以下,基本额定寿命,时，轴承所能承受的最大载荷，,用c表示。,基本额定寿命： 一批相同轴承，在相同条件下运转，90%轴,承在疲劳点蚀前转过的总转数，单位为106 r。,66,在当量动载荷p作用下的基本额定寿命为,滚动轴承的载荷与寿命之间的关系:,常用小时数表示基本额定寿命lh,引入温度系数ft和载荷系数fp,67,当量动载荷,把实际载荷折算为与基本额定动负荷的方向相同的一假想载荷，在该假想载荷作用下轴承的寿命与实际载荷作用下的寿命相同，则称该假想载荷为当量动载荷，用p表示。,当量动载荷p的计算式：,轴承轴向载荷计算总结： 1、轴承的轴向载荷与轴承部件的结构，与固定方式密切相关。 2、在轴上的轴向载荷和轴承的内部轴向力同时作用下， 有一个轴承有被压紧的趋势，另一个有放松的趋势； 3、被放松的轴承轴向载荷，等于自身的内部轴向力； 4、被压紧的轴承轴向载荷，等于除自身以外的轴向力之和。,69,滚动轴承部件结构设计,1、安装和拆卸,2、定位和固定,3、配合和调整,4、润滑和密封,73,十、滑动轴承,滑动轴承分类、特点、应用 结构形式 轴瓦结构 计算p值、pv值的意义 流体动压的形成原理、基本方程,