CH01-10.ppt

第一章绪论 1 0引言 1 1机械工业在现代化建设中的作用 1 2机器的基本组成要素 1 3本课程的内容 性质与任务 1 4认识机器 引言 引言 人类社会的进步源于不断地创新 设计活动则是创新的策划 起点和关键环节 机器是人们改造世界和现代化生活的重要工具 机器的发明 使用和发展是现代社会发展的一个重要创新过程 在这一创新过程中 人们总结出了进行机械设计的理论与方法 从而为更高层次的创新与设计奠定了基础 现代教育的目标是素质教育 而素质教育的核心应该是创新素质教育 作为集中了人们关于机械及装备创新智慧的机械设计的理论与方法 应该是同学们学习创新的理想内容 关于机械设计的理论与方法是博大精深的 而作为大学本科阶段的一门课程 机械设计课程的主要任务是讲述通用机械零部件的设计以及机械系统设计的基础知识 第一节 机械工业在现代化建设中的作用 机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志 机器是代替人们体力和部分脑力劳动的工具 机器既能承担人力所不能或不便进行的工作 又能较人工生产改进产品质量 特别是能够大大提高劳动生产率和改善劳动条件 只有使用机器 才能便于实现产品的标准化 系列化和通用化 尤其是便于实现高度的机械化 电气化和自动化 机械工业肩负着为国民经济各个部门提供装备和促进技术改造的重任 大量地设计制造和广泛采用各种先进的机器 可大大加强促进国民经济发展的力度加速我国的现代化建设 第二节 机器的基本组成要素 一个机械系统一般包含机械结构系统 驱动动力系统 检测与控制系统 一台机器的机械结构总是由一些机构组成的 每个机构又是由若干零件组成的 有些零件是在各种机器中常用的 称之为通用零件 有些零件只有在特定的机器中才用到 称之为专用零件 通用零件包括 齿轮 链传动 带传动 蜗杆传动 螺旋传动 轴 联轴器 离合器 滚动轴承 滑动轴承 螺栓 键 花键 销 铆 焊 胶结构件 弹簧 机架 箱体等 专用零件例如 叶片 犁铧 枪栓等 通用零件是本课程的主要学习对象 而专用零件的设计方法应在有关专业课中学习 第三节 本课程的内容 性质与任务 本课程的主要内容是 学习机械系统设计的基础知识 学习一般尺寸和参数的通用零件设计方法 本课程中 设计 的含义是指机械装置的实体设计 涉及零件的应力 强度的分析计算 材料的选择 结构设计 考虑加工工艺性 标准化以及经济性 环境保护等 机械设计结果的表现形式为 机械工程图 说明书和计算机程序 本课程所涉及的先修课程有 本课程的几个特点 涉及面广关系多 因与诸多先修课关系密切 要求多 强度 刚度 寿命 工艺 重量 安全 经济性 门类多 各类零件 各有特点 设计方法各异 公式多 计算多 有解析式 半解析式 经验的 半经验的及定义式 图表多 结构图 分析图 原理图 示意图 曲线图 标准 经验数表 实践性强 不仅读懂书就行 要多联系实际 要注重实践性环节 无重点 又都是重点 设计工作必须详尽 细小的疏忽也会导致严重事故 设计问题无统一答案 更多地谈论谁设计得更好 要注意发展求异思维 本课程的内容 性质与任务 第三节2 注意处理好几个关系 零件的设计与选用 零件设计的两个主要途径 设计计算与结构设计 设计决非只是计算 同学更应重视结构设计的学习 性能要求与经济性 永远是一对矛盾 应学会合理地解决这一对矛盾 经验设计与现代设计 二者均重要 前者是后者的基础 具体的设计方法与一般的设计能力 前者是学习的形式 后者是学习的目的 本课程的内容 性质与任务 第三节3 认识机器 认识机器 在学习机械设计课程之初 有必要对机械的组成 机械的基本要素有一个感性的了解 下面先看几个例子 全自动洗衣机 减速器与变速器 工业机器人 汽车防抱死系统 通过上述例子我们可以归纳以下几点 1 一个机械系统包含着机械结构系统 驱动动力系统 检测与控制系统 2 现代的机器不仅可以承担人类的体力劳动 还可以部分的脑力劳动 3 一台机器的机械结构总是由一些机构组成的 每个机构又是由若干零件组成的 有些零件是在各种机器中常用的 称之为通用零件 如 螺钉 齿轮 轴承等 有些零件只有在特定的机器中才用到 称之为专用零件 如 洗衣机中的波轮 工业机器人的末端执行器 军械中的枪栓等 第二章机械设计总论 2 1机器的组成 2 2设计机器的一般程序 2 3对机器的主要要求 2 4机械零件的主要失效形式 2 5设计机械零件时应满足的基本要求 2 6机械零件的计算准则 2 7机械零件的设计方法 2 8机械零件设计的一般步骤 2 9机械零件材料的选用原则 2 10机械零件设计中的标准化 2 11机械现代设计方法简介 机器的组成1 机器的组成 人们为了满足生产和生活的需要 设计和制造了类型繁多 功能各异的机器 一台完整的机器的组成大致可包括 原动机部分 设计机器的一般程序 设计机器的一般程序 计划阶段 方案设计阶段 技术设计阶段 技术文件编制阶段 一部机器的质量基本上决定于设计质量 机器的设计阶段是决定机器好坏的关键 它是一个创造性的工作过程 同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作 作为一部完整的机器 它是一个复杂的系统 要提高设计质量 必须有一个科学的设计程序 设计机器的一般程序 详细说明 对机器的主要要求 对机器的主要要求 设计机器的任务是在当前技术发展所能达到的条件下 根据生产及生活的需要提出的 不管机器的类型如何 一般来说 对机器都要提出以下的基本要求 使用功能要求经济性要求劳动保护要求可靠性要求其它专用要求 详细说明 机械零件的主要失效形式1 机械零件的主要失效形式 机械零件常见的失效形式有 整体断裂 过大的残余变形 零件的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效等 一 整体断裂 整体断裂是指零件在载荷作用下 其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂 或在变应力作用下 危险截面发生的疲劳断裂 齿轮轮齿断裂 轴承内圈断裂 机械零件的主要失效形式2 机械零件的主要失效形式 二 过大的残余变形 当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限 零件将产生残余变形 齿轮齿面塑形变形 轴承外圈塑性变形 机械零件的主要失效形式3 机械零件的主要失效形式 三 零件的表面破坏 零件的表面破坏主要是腐蚀 磨损和接触疲劳 点蚀 齿面接触疲劳 轴瓦磨损 机械零件的主要失效形式4 机械零件的主要失效形式 四 破坏正常工作条件引起的失效 有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作 如 液体摩擦的滑动轴承 只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作 带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作 高速转动的零件 只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔才能正常工作 零件在工作时会发生那一种失效 这与零件的工作环境 载荷性质等很多因素有关 有统计结果表明 一般机械零件的失效主要是由于疲劳 磨损 腐蚀等因素引起 设计机械零件时应满足的基本要求 设计机械零件时应满足的基本要求 避免在预定寿命期内失效的要求 结构工艺性要求 经济性要求 质量小的要求 可靠性要求 机器是由各种各样的零部件组成的 要使所设计的机器满足基本要求 就必须使组成机器的零件满足以下要求 详细说明 应保证零件有足够的强度 刚度 寿命 设计的结构应便于加工和装配 零件应有合理的生产加工和使用维护的成本 质量小则可节约材料 质量小则灵活 轻便 应降低零件发生故障的可能性 概率 机械零件的计算准则1 机械零件的设计准则 强度准则 刚度准则 设计零件时 首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法 一般来讲 有以下几种准则 寿命准则 振动稳定性准则 可靠性准则 详细说明 确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形 是最基本的设计准则 确保零件不发生过大的弹性变形 通常与零件的疲劳 磨损 腐蚀相关 高速运转机械的设计应注重此项准则 当计及随机因素影响时 仍应确保上述各项准则 机械零件的设计方法 机械零件的设计方法 理论设计 经验设计 模型实验设计 机械零件的设计方法通常分为常规设计方法和现代设计方法两大类 现代设计方法是指在近二 三十年发展起来的更为完善 科学 计算精度高 设计与计算速度更快的机械设计方法 如机械优化设计 机械可靠性设计 计算机辅助设计等等 常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算 结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法 公式 图表等进行设计的方法 它又可分为 详细说明 机械零件设计的一般步骤 机械零件设计的一般步骤 选择零件类型 结构 机械零件的设计一般要经过以下几个步骤 详细说明 机械零件材料的选用原则1 机械零件材料的选用原则 铝 LY12 铜 ZCuSn10P1 载荷及应力的大小和性质 零件的工作情况 零件的结构及加工性 材料的经济性 零件的尺寸及重量 一 常用材料 二 机械零件材料的选用原则 详细说明 塑料 橡胶 合成纤维 低碳钢 中碳钢 高碳钢 合金钢 如 08F45601Cr18 灰铸铁 球墨铸铁 如 TH300QT500 5 强如钢 轻如铝 硬如金刚石 强度高 弹性模量大 质量轻 机械零件设计中的标准化1 机械零件设计中的标准化 标准化的益处 与设计有关的标准 国际标准国家标准行业标准企业标准等如 ISOGBJB HBQB 国标分为 强制标准和推荐标准 标准化有利于保证产品质量 减轻设计工作量 便于零部件的互换和组织专业化的大生产 以降低生产成本 强制性国家标准 代号为GB 为标准序号 为批准年代 强制性国标必须严格遵照执行 否则就是违法 推荐性国家标准 代号为GB T 这类标准占整个国标中的绝大多数 如无特殊理由和特殊需要 必须遵守这些国标 以期取得事半功倍的效果 标准化就是要通过对零件的尺寸 结构要素 材料性能 设计方法 制图要求等 制定出大家共同遵守的标准 机械现代设计方法简介1 机械现代设计方法简介 机械现代设计方法通常是相对传统的设计方法而言的 现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用数学 应用力学 微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下列转换 以动态的取代静态的 如机器结构动力学计算 以定量的取代定性的 如有限元计算 以随机量取代确定量 如可靠性设计 以优化设计取代可行性设计 如优化设计 并行设计取代串行设计 如并行设计 微观的取代宏观的 如微 纳米摩擦学设计 系统工程法取代分部处理法 如系统工程 自动化设计取代人工设计的转化 如计算机辅助设计 3 1材料的疲劳特性 3 2机械零件的疲劳强度计算 3 3机械零件的抗断裂强度 3 4机械零件的接触强度 第三章机械零件的强度 材料疲劳的两种类别 材料的疲劳特性 一 交变应力的描述 描述规律性的交变应力可有5个参数 但其中只有两个参数是独立的 疲劳曲线 材料的疲劳特性 机械零件的疲劳大多发生在s N曲线的CD段 可用下式描述 D点以后的疲劳曲线呈一水平线 代表着无限寿命区其方程为 由于ND很大 所以在作疲劳试验时 常规定一个循环次数N0 称为循环基数 用N0及其相对应的疲劳极限 r来近似代表ND和 r 于是有 有限寿命区间内循环次数N与疲劳极限srN的关系为 式中 sr N0及m的值由材料试验确定 二 s N疲劳曲线 s N疲劳曲线 详细说明 极限应力线图 材料的疲劳特性 三 等寿命疲劳曲线 极限应力线图 机械零件材料的疲劳特性除用s N曲线表示外 还可用等寿命曲线来描述 该曲线表达了不同应力比时疲劳极限的特性 在工程应用中 常将等寿命曲线用直线来近似替代 用A C折线表示零件材料的极限应力线图是其中一种近似方法 A 直线的方程为 C 直线的方程为 y 为试件受循环弯曲应力时的材料常数 其值由试验及下式决定 详细介绍 对于碳钢 y 0 1 0 2 对于合金钢 y 0 2 0 3 机械零件的疲劳强度计算1 机械零件的疲劳强度计算 一 零件的极限应力线图 由于零件几何形状的变化 尺寸大小 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 以弯曲疲劳极限的综合影响系数 表示材料对称循环弯曲疲劳极限 1与零件对称循环弯曲疲劳极限 1e的比值 即 在不对称循环时 是试件与零件极限应力幅的比值 将零件材料的极限应力线图中的直线A D G 按比例向下移 成为右图所示的直线ADG 而极限应力曲线的CG部分 由于是按照静应力的要求来考虑的 故不须进行修正 这样就得到了零件的极限应力线图 详细介绍 机械零件的疲劳强度计算2 机械零件的疲劳强度计算 二 单向稳定变应力时的疲劳强度计算 进行零件疲劳强度计算时 首先根据零件危险截面上的 max及 min确定平均应力 m与应力幅 a 然后 在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点M或N 根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律 从而决定以哪一个点来表示极限应力 机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种 应力比为常数 r C平均应力为常数 m C最小应力为常数 min C 详细分析 相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线上的某一个点所代表的应力 计算安全系数及疲劳强度条件为 规律性不稳定变应力 机械零件的疲劳强度计算3 机械零件的疲劳强度计算 三 单向不稳定变应力时的疲劳强度计算 若应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用 则应力 1每循环一次对材料的损伤率即为1 N1 而循环了n1次的 1对材料的损伤率即为n1 N1 如此类推 循环了n2次的 2对材料的损伤率即为n2 N2 当损伤率达到100 时 材料即发生疲劳破坏 故对应于极限状况有 详细分析 机械零件的疲劳强度计算4 机械零件的疲劳强度计算 四 双向稳定变应力时的疲劳强度计算 当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力sa和ta时 由实验得出的极限应力关系式为 式中ta 及sa 为同时作用的切向及法向应力幅的极限值 若作用于零件上的应力幅sa及ta如图中M点表示 则由于此工作应力点在极限以内 未达到极限条件 因而是安全的 由于是对称循环变应力 故应力幅即为最大应力 弧线AM B上任何一个点即代表一对极限应力 a 及 a 详细推导 计算安全系数 机械零件的疲劳强度计算5 机械零件的疲劳强度计算 五 提高机械零件疲劳强度的措施 在综合考虑零件的性能要求和经济性后 采用具有高疲劳强度的材料 并配以适当的热处理和各种表面强化处理 适当提高零件的表面质量 特别是提高有应力集中部位的表面加工质量 必要时表面作适当的防护处理 尽可能降低零件上的应力集中的影响 是提高零件疲劳强度的首要措施 尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸 对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用 减载槽 在不可避免地要产生较大应力集中的结构处 可采用减载槽来降低应力集中的作用 机械零件的抗断裂强度 机械零件的抗断裂强度 在工程实际中 往往会发生工作应力小于许用应力时所发生的突然断裂 这种现象称为低应力脆断 对于高强度材料 一方面是它的强度高 即许用应力高 另一方面则是它抵抗裂纹扩展的能力要随着强度的增高而下降 因此 用传统的强度理论计算高强度材料结构的强度问题 就存在一定的危险性 断裂力学 是研究带有裂纹或带有尖缺口的结构或构件的强度和变形规律的学科 通过对大量结构断裂事故分析表明 结构内部裂纹和缺陷的存在是导致低应力断裂的内在原因 机机械零件的接触强度 机械零件的接触强度 当两零件以点 线相接处时 其接触的局部会引起较大的应力 这局部的应力称为接触应力 接触应力是不同于以往所学过的挤压应力的 挤压应力是面接触引起的应力 是二向应力状态 而接触应力是三向应力状态 接触应力的特点是 仅在局部很小的区域内产生很大的应力 式中 1和 2分别为两零件初始接触线处的曲率半径 其中正号用于外接触 负号用于内接触 对于线接触的情况 其接触应力可用赫兹应力公式计算 更多图片 第四章摩擦 磨损与润滑概述 4 1摩擦 4 2磨损 4 3润滑剂 添加剂和润滑方法 4 4流体润滑原理简介 4 0概述 摩擦是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象 磨损是由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移 润滑是减轻摩擦和磨损所应采取的措施 关于摩擦 磨损与润滑的学科构成了摩擦学 Tribology 摩擦学 摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦 磨损和润滑 以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科 随着科学技术的发展 摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观 由静态进入动态 由定性进入定量 成为系统综合研究的领域 世界上使用的能源大约有1 3 1 2消耗于摩擦 如果能够尽力减少无用的摩擦消耗 便可大量节省能源 另外 机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的 如果能控制和减少磨损 则既减少设备维修次数和费用 又能节省制造零件及其所需材料的费用 概述 摩擦 摩擦1 二 摩擦的分类 内摩擦 在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象 外摩擦 在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象 静摩擦 仅有相对运动趋势时的摩擦 动摩擦 在相对运动进行中的摩擦 滑动摩擦 物体表面间的运动形式是相对滑动 滚动摩擦 物体表面间的运动形式是相对滚动 机械说 产生摩擦的原因是表面微凸体的相互阻碍作用 分子说 产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸力作用 一 摩擦的机理 机械 分子说 两种作用均有 1785年 法国的库仑用机械啮合概念解释干摩擦 提出摩擦理论 后来又有人提出分子吸引理论和静电力学理论 1935年 英国的鲍登等人开始用材料粘附概念研究干摩擦 1950年 鲍登提出了粘附理论 摩擦2 摩擦 三 种滑动摩擦状态 详细介绍 干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦 边界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开 其摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦 详细介绍 摩擦3 摩擦 混合摩擦是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态 混合摩擦能有效降低摩擦阻力 其摩擦系数比边界摩擦时要小得多 流体摩擦是指摩擦表面被流体膜隔开 摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦 流体摩擦时的摩擦系数最小 且不会有磨损产生 是理想的摩擦状态 边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分 常统称为不完全液体摩擦 随着科学技术的发展 关于摩擦学的研究已逐渐深入到微观研究领域 形成了微 纳米摩擦学理论 引发出许多新的概念 比如提出了超润滑的概念等 从理论上讲 超润滑是实现摩擦系数为零的摩擦状态 但在实际研究中 一般认为摩擦系数在0 001量级 或更低 的摩擦状态即可认为属于超润滑 关于这方面的研究也是目前微 纳米摩擦学研究的一个重要方面 同学们应对此给予关注 磨损是运动副之间的摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移 磨损会影响机器的效率 降低工作的可靠性 甚至促使机器提前报废 磨损1 在设计或使用机器时 应该力求缩短磨合期 延长稳定磨损期 推迟剧烈磨损的到来 为此就必须对形成磨损的机理有所了解 一个零件的磨损过程大致可分为三个阶段 即 磨合阶段新的零件在开始使用时一般处于这一阶段 磨损率较高 稳定磨损阶段属于零件正常工作阶段 磨损率稳定且较低 剧烈磨损阶段属于零件即将报废的阶段 磨损率急剧升高 摩擦2 对磨损的研究开展较晚 20世纪50年代提出粘着理论后 60年代在相继研制出各种表面分析仪器的基础上 磨损研究才得以迅速开展 详细介绍 磨损 磨损2 磨粒磨损也简称磨损 是外部进入摩擦表面的游离硬颗粒或硬的轮廓峰尖所引起的磨损 冲蚀磨损流体中所夹带的硬质物质或颗粒 在流体冲击力作用下而在摩擦表面引起的磨损 微动磨损是指摩擦副在微幅运动时 由上述各磨损机理共同形成的复合磨损 微幅运动可理解为不足以使磨粒脱离摩擦副的相对运动 粘附磨损也称胶合 当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处由于瞬时的温升和压力发生 冷焊 后 在相对运动时 材料从一个表面迁移到另一个表面 便形成粘附磨损 疲劳磨损也称点蚀 是由于摩擦表面材料微体积在交变的摩擦力作用下 反复变形所产生的材料疲劳所引起的磨损 磨损 关于磨损机理与分类的见解颇不一致 大体上可概括为 更多介绍 腐蚀磨损当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀 在摩擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损 润滑剂 添加剂和润滑方法 一 润滑剂 润滑油 润滑脂 固体润滑剂 粘度的种类有很多 如 动力粘度 运动粘度 条件粘度等 润滑脂的主要质量指标是 锥入度 反映其稠度大小 粘度是润滑油的主要质量指标 粘度值越高 油越稠 反之越稀 润滑油的牌号与运动粘度有一定的对应关系 如 牌号为L AN10的油在40 时的运动粘度大约为10cSt 滴点 决定工作温度 应用矿物油作润滑剂的记载最早见于西晋张华所著 博物志 书中提到酒泉延寿和高奴有石油 并且用于 膏车及水碓甚佳 具体说明 润滑剂 添加剂和润滑方法 工程中常用运动粘度 单位是 St 斯 或cSt 厘斯 量纲为 m2 s 动植物油 矿物油 合成油 润滑油 稠化剂 石墨 二硫化钼 聚四氟乙烯等 添加剂 润滑剂 添加剂和润滑方法 为了提高油的品质和性能 常在润滑油或润滑脂中加入一些分量虽小但对润滑剂性能改善其巨大作用的物质 这些物质叫添加剂 二 添加剂 润滑方法 润滑油润滑在工程中的应用最普遍 常用的供油方式有 滴油润滑 浸油润滑 飞溅润滑 喷油润滑 油雾润滑等 油脂润滑常用于运转速度较低的场合 将润滑脂涂抹于需润滑的零件上 润滑脂还可以用于简单的密封 润滑剂 添加剂和润滑方法 三 润滑方法 常用的润滑装置 流体动力润滑形成的必要条件 楔形空间 相对运动 保证流体由大口进入 连续不断地供油 流体动力润滑是指两个作相对运动物体的摩擦表面 借助于相对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开 由流体膜产生的压力来平衡外载荷 英国的雷诺于1886年继前人观察到的流体动压现象 总结出流体动压润滑理论 20世纪50年代普遍应用电子计算机之后 线接触弹性流体动压润滑的理论开始有所突破 流体润滑原理简介 一 流体动力润滑 流体润滑1 动画 流体润滑 流体润滑原理简介 二 弹性流体动力润滑 弹性流体动力润滑理论是研究在点 线接触条件下 两弹性物体间的流体动力润滑膜的力学性质 这时的计算必须把在油膜压力下 摩擦表面的变形的弹性方程 表述润滑剂粘度与压力间关系的粘压方程与流体动力润滑的主要方程结合起来 以求解油膜压力分布 润滑膜厚度分布等问题 详细说明 流体静力润滑是指借助外部供入的压力油形成的流体膜来承受外载荷的润滑方式 三 流体静力润滑 详细说明 采用流体静力润滑可在两个静止且平行的摩擦表面间形成流体膜 其承载能力不依赖于流体粘度 故能用粘度极低的润滑剂 且既可使摩擦副有较高的承载能力 又可使摩擦力矩降低 第五章螺纹连接与螺旋传动 5 1螺纹 5 2螺纹连接的类型与标准连接件 5 3螺纹连接的预紧 5 6螺纹连接组的设计 5 5螺纹连接的强度计算 5 8提高螺纹连接强度的措施 5 7螺纹连接件的材料与许用应力 5 9螺旋传动 5 4螺纹连接的防松 螺纹有外螺纹与内螺纹之分 它们共同组成螺旋副 连接用螺纹的当量摩擦角较大 有利于实现可靠连接 传动用螺纹的当量摩擦角较小 有利于提高传动的效率 螺纹按工作性质分为连接用螺纹和传动用螺纹 一 螺纹的分类 螺纹 螺纹的类型与特点1 螺纹的类型与特点2 二 普通螺纹的主要参数 大径d 即螺纹的公称直径 小径d1 常用于连接的强度计算 中径d2 常用于连接的几何计算 螺距P 螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离 牙型角a 螺纹轴向截面内 螺纹牙型两侧边的夹角 升角y 螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角 线数n 螺纹的螺旋线数目 导程S 螺纹上任一点沿同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离 S nP 升角y的计算式为 螺纹 连接类型与标准件1 螺纹连接的类型与标准连接件 一 螺纹连接的基本类型 除上述连接的基本类型外 在机器中 还有一些特殊结构的螺纹连接 如 T型槽螺栓连接 吊环螺钉连接和地脚螺栓连接等 说明 连接类型与标准件2 螺纹连接的类型与标准连接件 二 标准螺纹连接件 螺纹连接的类型很多 在机械制造中常见的螺纹连接件的结构型式和尺寸都已经标准化 设计时可以根据有关标准选用 虚拟现实中的螺纹连接件 利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小 通常可采用测力矩扳手或定力矩扳手 对于重要的螺栓连接 也可以采用测定螺栓伸长的方法来控制预紧力 纹连接的预紧 螺纹连接的预紧 大多数螺纹连接在装配时都需要拧紧 使之在承受工作载荷之前 预先受到力的作用 这个预加作用力称为预紧力 增强连接的可靠性和紧密性 以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对移动 注意 对于重要的连接 应尽可能不采用直径过小 M12 的螺栓 预紧力限制 拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限ss的80 预紧力 预紧的目的 预紧力的确定原则 预紧力的控制 预紧力和预紧力矩之间的关系 详细推导 螺纹连接的防松 螺纹连接的防松 螺纹连接一般都能满足自锁条件不会自动松脱 但在冲击 振动或变载荷作用下 或在高温或温度变化较大的情况下 螺纹连接中的预紧力和摩擦力会逐渐减小或可能瞬时消失 导致连接失效 防松的根本问题在于防止螺旋副相对转动 按工作原理的不同 防松方法分为摩擦防松 机械防松等 此外还有一些特殊的防松方法 例如铆冲防松 在旋合螺纹间涂胶防松等 螺纹连接的强度计算1 螺纹连接的强度计算 螺栓连接的强度计算主要与连接的装配情况 预紧或不预紧 外载荷的性质和材料性能等有关 螺栓连接强度计算的目的是根据强度条件确定螺栓直径 而螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸均按标准选定 一 松螺栓连接强度计算 二 紧螺栓连接强度计算 1 仅受预紧力的紧螺栓连接 2 受轴向载荷的紧螺栓连接 3 承受工作剪力的紧螺栓连接 连接的失效形式 主要是指螺纹连接件的失效 对于受拉螺栓 其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂 对于受剪螺栓 其失效形式可能是螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃 详细推导 螺纹连接的强度计算2 螺纹连接的强度计算 1 仅受预紧力的紧螺栓连接 预紧力引起的拉应力 螺牙间的摩擦力矩引起的扭转剪应力 强度条件 当连接承受较大的横向载荷F时 由于要求F0 F f f 0 2 即F0 5F 因而需要大幅度地增加螺栓直径 为减小螺栓直径的增加 可采用减载措施 说明 根据第四强度理论 螺栓在预紧状态下的计算应力 螺纹连接的强度计算3 螺纹连接的强度计算 2 受轴向载荷的紧螺栓连接 螺栓预紧力F0后 在工作拉力F的作用下 螺栓的总拉力F2 这时螺栓的总拉力为 为使工作载荷作用后 连接结合面间有残余预紧力F1存在 要求螺栓连接的预紧力F0为 静强度条件 式中F1为残余预紧力 为保证连接的紧密性 应使F1 0 一般根据连接的性质确定F1的大小 详细分析 疲劳强度校核 螺纹连接的强度计算4 螺纹连接的强度计算 3 承受工作剪力的紧螺栓连接 这种连接是利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷的 螺栓杆与孔壁之间无间隙 接触表面受挤压 在连接结合面处 螺栓杆则受剪切 螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为 螺栓杆的剪切强度条件为 式中 F 螺栓所受的工作剪力 单位为N d0 螺栓剪切面的直径 可取螺栓孔直径 单位为mm Lmin 螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度 单位为mm 设计时应使Lmin 1 25d0 螺纹连接组的设计1 螺栓组连接的设计 在设计螺栓组连接时 关键是连接的结构设计 它是根据被连接件的结构和连接的用途 确定螺栓数目和分布形式 为了便于加工制造和对称布置螺栓 保证连接结合面受力均匀 通常连接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状 螺栓布置应使各螺栓的受力合理 螺栓的排列应有合理的间距 边距 为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线 通常分布在同一圆周上的螺栓数目取成4 6 8等偶数 避免螺栓承受附加的弯曲载荷 说明 说明 说明 一 螺栓组连接的结构设计 各螺栓之间的距离大小既要保证连接的可靠性又要考虑装拆方便 还应留有足够的扳手空间 大多数机械中螺栓都是成组使用的 螺纹连接组的设计2 螺栓组连接的设计 1 受横向载荷 2 受转矩 3 受轴向载荷 4 受倾覆力矩 受力分析的目的 根据连接的结构和受载情况 求出受力最大的螺栓及其所受的力 以便进行螺栓连接的强度计算 受力分析时所作假设 所有螺栓的材料 直径 长度和预紧力均相同 受载后连接接合面仍保持为平面 受力分析的类型 二 螺栓组连接的受力分析 螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合 螺纹连接组的设计3 1 对于铰制孔用螺栓连接 图b 每个螺栓所受工作剪力为 2 对于普通螺栓连接 图a 按预紧后接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷的要求 有 式中 z为螺栓数目 图示为由四个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组连接 1 受横向载荷的螺栓组连接 或 螺栓组连接的设计 Ks为防滑系数 设计中可取Ks 1 1 1 3 螺纹连接组的设计4 采用普通螺栓和铰制孔用螺栓组成的螺栓组受转矩时的受力情况是不同的 2 受转矩的螺栓组连接 采用普通螺栓 是靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T 采用铰制孔用螺栓 是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T 螺栓组连接的设计 螺纹连接组的设计5 螺栓组连接的设计 3 受轴向载荷的螺栓组连接 若作用在螺栓组上轴向总载荷F 作用线与螺栓轴线平行 并通过螺栓组的对称中心 则各个螺栓受载相同 每个螺栓所受轴向工作载荷为 通常 各个螺栓还承受预紧力F0的作用 当连接要有保证的残余预紧力为F1时 每个螺栓所承受的总载荷F2为 F2 F1 F 螺纹连接组的设计6 螺栓组连接的设计 4 受倾覆力矩的螺栓组连接 倾覆力矩M作用在连接接合面的一个对称面内 底板在承受倾覆力矩之前 螺栓已拧紧并承受预紧力F0 作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡 即 由此可以求出最大工作载荷 螺纹连接组的设计7 螺栓组连接的设计 螺栓的总拉力 为防止结合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙 要求 底板受倾覆力矩后 在轴线O O左侧 螺栓与地基的工作点分别移至B1和C1 两者作用在底板上的合力为F 受倾覆力矩的底板螺栓组连接的受力过程可用右图表示 在轴线O O右侧 螺栓与地基的工作点分别移至B2和C2 两者作用在底板上的合力为Fm 在倾覆力矩作用前 螺栓和地基的工作点都处于A点 提高螺纹连接强度的措施 提高螺纹连接强度的措施 以螺栓连接为例 螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度 因此 提高螺栓的强度 将大大提高连接系统的可靠性 影响螺栓强度的因素主要有以下几个方面 或从以下几个方面提高螺栓强度 改善螺纹牙上载荷分布不均的现象 降低影响螺栓疲劳强度的应力幅 减小应力集中的影响 采用合理的制造工艺 分析 分析 分析 国家标准规定了螺纹连接件的性能等级 螺栓 螺柱 螺钉的性能等级分为10级 螺母的性能等级分为7级 在一般用途的设计中 通常选用4 8级左右的螺栓 在重要的或有特殊要求设计中的螺纹连接件 要选用高的性能等级 如在压力容器中常采用8 8级的螺栓 螺纹连接件的材料与许用应力 螺纹连接件的材料与许用应力 一 螺纹连接件材料 常用的螺纹连接件材料为Q215 Q235 35 45等碳素钢 当强度要求高时 还可采用合金钢 如15Cr 40Cr等 性能等级 二 螺纹连接件的许用应力 1 螺纹连接件的许用拉应力 2 螺纹连接件的许用剪应力和许用挤压应力 3 螺纹连接件的安全系数 说明 被连接件为钢 被连接件为铸铁 螺旋传动1 螺旋传动 一 螺旋传动的类型和应用 传力螺旋传导螺旋调整螺旋 螺旋传动按其螺旋副摩擦性质的不同 又可分为 说明 滑动螺旋滚动螺旋静压螺旋 说明 螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的 它主要用于将回转运动转变为直线运动 同时传递动力 螺旋传动按其用途不同 可分为以下三种类型 螺旋机构在机床的进给机构 起重设备 锻压机械 测量仪器 工具 夹具 玩具及其他工业装备中有着广泛的应用 螺旋传动常见的运动形式有 螺杆转动 螺母移动或螺母固定 螺杆转动并移动 螺旋传动2 螺旋传动 二 滑动螺旋的结构和材料 1 滑动螺旋的结构 整体螺母 组合螺母 剖分螺母 螺母结构 滑动螺旋的结构主要是指螺杆 螺母的固定和支承的结构形式 螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系 螺杆的材料要有足够的强度和耐磨性 螺母的材料除了要有足够的强度外 还要求在与螺杆材料相配合时摩擦系数小和耐磨 2 滑动螺旋的材料 说明 螺旋传动3 螺旋传动 三 滑动螺旋传动的设计计算 主要失效形式 螺牙的磨损 设计准则 按抗磨损确定直径 选择螺距 校核螺杆 螺母强度等 设计方法和步骤 1 耐磨性计算 滑动螺旋的耐磨性计算 主要是限制螺纹工作面上的压力 其强度条件 设计公式 令 则得 螺旋传动4 螺旋传动 依据计算出的螺纹中径 按螺纹标准选择合适的直径和螺距 验算 若不满足要求 则增大螺距 对有自锁性要求的螺旋传动 应校核自锁条件 2 螺杆的强度计算 对于受力比较大的螺杆 需根据第四强度理论求出危险截面的计算应力 螺杆的强度条件 式中 F为螺杆所受的轴向压力 或拉力 T为螺杆所受的扭矩 螺旋传动5 螺旋传动 3 螺母螺牙的强度计算 螺牙上的平均压力为 F u 4 螺母外径与凸缘的强度计算 5 螺杆的稳定性计算 详细说明 详细说明 对于支撑螺母 需要校核螺母本体的强度 对于长径比较大的受压螺杆 需要校核压杆的稳定性 要求螺杆的工作压力F要小于临界载荷Fcr 其危险截面a a的剪切强度条件和弯曲强度条件分别为 第六章键 花键 无键连接和销连接 6 1键连接 6 3无键连接 6 2花键连接 6 4销连接 键连接1 平键的两侧面是工作面 上表面与轮毂上的键槽底部之间留有间隙 键的上 下表面为非工作面 工作时靠键与键槽侧面的挤压来传递扭矩 故定心性较好 普通平键应用极为广泛 轴上键槽可用指状铣刀或盘状铣刀加工 轮毂上的键槽可用插削或拉削 1 平键连接 键联接 普通平键与轮毂上键槽的配合较紧 属静连接 导向平键和滑键与轮毂或轴的键槽配合较松 属动连接 根据用途 平键又可分为普通平键导向平键滑键 详细说明 一 键连接的分类 结构型式及应用 键连接3 键连接 详细说明 详细说明 详细说明 键连接4 键连接 二 键的选择和强度校核 1 键的尺寸选择 b h根据轴径d由标准中查得 键的长度参考轮毂的长度确定 一般应略短于轮毂长 并符合标准中规定的尺寸系列 平键的尺寸主要是键的截面尺寸b h及键长L 2 平键连接的失效和强度校核 对于普通平键连接 静连接 其主要失效形式是工作面的压溃 有时也会出现键的剪断 但一般只作连接的挤压强度校核 对于导向平键连接和滑键连接 其主要失效形式是工作面的过度磨损 通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算 详细说明 设键侧面的作用力沿键的工作长度和高度均匀分布 则普通平键的强度条件为 当强度不足时 可适当增加键长或采用两个键按180 布置 考虑到两个键的载荷分布不均匀性 在强度校核中可按1 5个键计算 键连接 导向平键和滑键连接的强度条件为 键连接5 例题 式中 sp p 为许用应力与许用压力 花键连接1 花键连接 花键连接是将具有均布的多个凸齿的轴置于轮毂相应的凹槽中所构成的连接 其工作面是键齿侧 花键连接是多齿传递载荷 故比平键连接的承载能力高 定心性和导向性好 对轴的削弱小 齿浅 应力集中小 花键连接一般用于定心精度要求高和载荷较大的地方 花键加工需用专门的设备和工具 成本较高 花键连接按齿形不同 可分为矩形花键和渐开线花键两类 且均已标准化 详细说明 花键连接 花键连接强度计算 花键连接的受力情况如右图 其主要失效形式仍是工作面被压溃 静连接 或工作面过度磨损 动连接 强度计算时 假定载荷在键的工作面上均匀分布 且压力的合力F作用在平均直径dm处 并引入载荷分配不均匀系数y 则花键连接的强度校核式为 静连接 动连接 上两式中 矩形花键 键的工作高度为 花键连接2 sp p 为花键连接的许用挤压应力和许用压力 型面连接是用非圆截面的柱面体或锥面体的轴与相同轮廓的毂孔配合以传递运动和转矩的可拆连接 它是无键连接的一种型式 在家用机械 办公机械等中 采用了大量的压铸 注塑零件 要注塑出各种各样的非圆形孔是毫无困难的 故型面连接的应用获得了发展 应用较多的是带切口圆形和正六边形型面 由于型面连接要用到非圆形孔 以前因其加工困难 限制了型面连接的应用 一 型面连接 无键连接 型面连接 更多介绍 胀紧连接 胀套的尺寸选择 无键连接 胀紧连接是在毂孔与轴之间装入胀紧连接套 简称胀套 在轴向力作用下 同时胀紧轴与毂而构成的一种静连接 各型胀套已标准化 选用时可根据轴 毂尺寸及传递载荷大小 从标准中选择合适的型号和尺寸 选择时应满足 传递转矩时 传递轴向力时 传递联合作用的转矩和轴向力时 键连接4 二 胀紧连接 更多介绍 销连接 根据销的用途不同 一般有 定位销 连接销 安全销 根据销的结构形式有 圆柱销 圆锥销 槽销 销轴和开口销等 销连接主要用于确定零件之间的相互位置 并可传递不大的载荷 也可用于轴和轮毂或其他零件的连接 销连接 详细说明 详细说明 销的材料为35 45钢 开口销为低碳钢 许用应力 t 80MPa 许用挤压应力 sp 与键连接的挤压应力相同 第七章铆接 焊接 胶接和过盈连接 7 1铆接 7 2焊接 7 3胶接 7 4过盈连接 铆接1 一 概述 铆接是将铆钉穿过被连接件的预制孔中经铆合而成的连接方式 其连接部分称为铆缝 1 按接头型式分有 搭接缝 单盖板对接缝和双盖板对接缝 铆接具有工艺设备简单 工艺过程比较容易控制 质量稳定 铆接结构抗振 耐冲击 连接牢固可靠等特点 因此 在承受严重冲击和振动载荷的金属结构的连接中 如桥梁 建筑 造船 重型机械及飞机制造等工业部门中得到应用 2 按铆钉的排数分有 单排 双排和多排 铆接 铆缝的结构通常以下面三个方面来分类 3 按铆缝性能分有 以强度为基本要求的强固铆缝 要求有足够的强度和足够紧密性的强密铆缝 要求有足够的紧密性的紧密铆缝 图片说明 铆接2 铆接 铆钉有空心的和实心的两大类 且大部分都以标准化 铆接分冷铆和热铆 二 铆钉的主要类型 三 铆缝的设计要点 各类铆钉 强度计算主要是材料力学的基本公式 强度计算时 一般假设 连接的横向力F通过铆钉组形心 一组铆钉中各个铆钉受力均等 铆缝不受弯矩作用 被铆件结合面摩擦力略去不计 被铆件危险剖面上的拉 压 应力 铆钉的剪应力 工作挤压应力都是均匀分布的 破坏形式 设计铆缝时 先根据铆缝的破坏形式进行强度计算 钉杆直径d 12mm的钢制铆钉 通常是将铆钉加热后进行铆接 钉杆直径d 10mm的钢制铆钉和塑性较好的有色金属 轻金属及其合金制成的铆钉一般在常温下进行冷铆 铆接3 铆接 单排搭接铆缝的静强度分析 取图中宽度等于垂直与受载方向的钉距t的阴影部分进行计算 1 由被铆件的拉伸强度确定的铆缝承受的静载荷 2 由被铆件上孔壁的挤压强度确定的被铆件能承受的静载荷 3 由铆钉的剪切强度确定的铆钉能承受的静载荷 对于一般的强固铆缝 上述式中的许用应力可根据组成铆缝各元件的材料选取 许用应力 焊接1 焊接 焊接是利用局部加热 或加压 的方法使被连接件接头处的材料熔融连接成一体 一 概述 与铆接相比较 焊接结构重量轻 节约金属材料 施工方便 生产率高 易实现自动化 且焊接结构的成本低 应用很广 在机械制造中最常用的是电弧焊 电弧焊是利用焊条与焊件间产生电弧热将金属加热并熔化的焊接方法 焊接可分为 电弧焊 气焊 电渣焊 电阻焊 摩擦焊 爆炸焊 锡焊 铜焊 原理说明 焊接2 焊接 二 电弧焊缝的基本形式 焊接件经焊接后形成的结合部分叫做焊缝 电弧焊常见的焊缝有 对接焊缝和角焊缝两类 在机械制造中 最常用的被焊件材料是低碳钢和低合金钢 如Q215 Q235 15 20 16Mn等 焊条的材料最好与被焊件的材料相同 三 焊接件常用材料 四 焊缝的受力及破坏形式 1 对接焊缝 2 搭接角焊缝 通常正面角焊缝只用来承受拉力 侧面角焊缝和混合角焊缝可用来承受拉力或弯矩 实践证明 在静载荷作用下 搭接角焊缝的破裂通常从沿着与垂直平分线重合的最小剖面上开始 对接焊缝主要用来承受作用于被焊件所在平面内的拉 压 力或弯矩 对接焊缝的破坏形式是沿焊缝断裂 焊缝形式 受力形式 破坏形式 1 焊缝应按被焊件厚度制成相应坡口 或进行一般的侧棱 修边工艺 在焊接前 应对坡口进行清洗整理 焊接3 五 焊接件的工艺及设计注意要点 2 在满足强度条件下 焊缝的长度应按实际结构的情况尽可能地取得短些或分段进行焊接 并应避免焊缝交叉 3 在焊接工艺上采取措施 使构件在冷却时能有微小自由移动的可能 4 焊缝在焊后应经热处理 如退火 消除残余应力 5 在焊接厚度不同的对接板件时 应使对接部位厚度一致 以利于焊缝金属均匀熔化 6 设计焊接件时 注意恰当选择母体材料和焊条 7 合理布置焊缝及长度 8 对于那些有强度要求的重要焊缝 必须按照有关行业的强度规范进行焊缝尺寸校核 明确工艺要求和技术条件 并在焊后仔细进行质量检验 焊接 坡口形式 六 焊接在机器零件中的应用 焊接 焊接4 焊接的减速箱体 焊接的齿轮结构 由于焊接具有强度高 工艺简单 因连接而增加的质量小等特点 焊接技术的应用日益广泛 在技术革新 单件生产 新产品试制等情况下 采用焊接制造箱体 机架等 一般比较经济 随着焊接技术的发展 许多零件已改变了它们的传统制造方法 一向是铸造出的机座 机壳 大齿轮等零件 已有很大一部分改用了焊接 胶接1 胶接 胶接用于木材由来已久 随着新型胶粘剂的发展 胶接在金属构件的连接中也日渐增多 一 概述 胶接是用胶粘剂直接把被连接件连接在一起且具有一定强度的连接 利用胶粘剂凝固后出现的粘附力来传递载荷 胶粘剂的品种繁多 通常按其使用目的分为三类 结构胶粘剂 非结构胶粘剂和其它胶粘剂 在机械制造中常用的是结构胶粘剂中的环氧树脂胶粘剂 酚醛树脂胶粘剂等 二 胶粘剂 根据胶接件的使用要求及环境条件等选择综合性能良好的胶粘剂 实践表明 胶接接头的抗剪切及抗拉伸能力强 抗剥离和扯离能力弱 设计接头时应尽可能使接头承受剪切或拉伸载荷 三 胶接接头的结构形式及受力状况 与焊接相同 胶接接头分为对接 搭接和角接头三种 详细说明 受力形式 胶接的应用实例 胶接2 胶接 胶接件的缺陷有时不易发现 有良好的密封性 绝缘性和防腐性 四 胶接的特点 与铆接 焊接相比 胶接的主要优点 主要缺点 连接件的材料范围宽广 连接后的重量轻 材料的利用率高 成本低 在全部胶接面上应力集中小 故耐疲劳性能好 抗剥离 抗弯曲及抗冲击振动性能差 耐老化及耐介质 如酸 碱等 性能差 胶粘剂对温度变化敏感 影响胶接强度 过盈连接1 过盈连接 一 过盈连接的特点及应用 过盈连接是利用被联件间的过盈配合直接把被连接件连接在一起 过盈连接的优点 构造简单 定心性好 承载能力高 在振动下能可靠地工作 主要缺点 装配困难和对配合尺寸的精度要求较高 过盈连接主要用于轴与毂 轮圈与轮芯 滚动轴承的装配连接 二 过盈连接的工作原理及装配方法 当配合面为圆柱面时 可采用压入法或胀缩法 加热包容件或冷却被包容件 装配 当其他条件相同时 用胀缩法能获得较高的摩擦力或力矩 因为它不像压入法那样会擦伤配合表面 装配后包容件和被包容件的径向变形使配合面间产生了很大的压力 工作时载荷就靠着相伴而生的摩擦力来传递 过盈连接 三 圆柱面过盈连接 设计这种过盈连接时 被连接件的材料 构造和尺寸一般都已初步确定 连接