第一章绪论,第二章 机器及机械零件设计概要.doc

第一篇 总论在总论中，我们将概括地介绍与本门课程有关的内容：绪论；机械及机械零件设计概要；机械零件的强度；磨擦、磨损及润滑概述（一）教学要求：了解机械设计一般步骤和方法，掌握机械零件常见失效形式和计算准则（二）教学的重点与难点：失效形式、计算准则和零件的强度（三）教学内容第一章 绪论11 机器在经济建设中的作用机器的主要优点是：既能承当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。同时，只有使用机器，才能集中进行大量生产，并对生产进行严格的分工和科学的管理；也只有使用机器，才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。因此，机械工业为国民经济各部门担负着提供技术装备，和促进技术改造的重要任务。在国家工业现代化建设的进程中，起着主导和决定性的作用。12 机器的基本组成要素一、机器的基本组成要素： 机械系统 构件（主体） 各种机构 部件机器（机械） 电气系统 零件（零件是组成机器的最基本要素）液压气动系统 控制监测系统二、零件的分类：通用零件：在各种机器中都经常使用的零件，称为通用零件，例如齿轮、螺钉等。这一类零件在各种机器中都具有相同的功能，他们与机械零件 机器的用途关。专用零件： 只适宜于特定类型机器使用的零件，称为专用零件，例如曲柄、汽轮机叶片、纺锭、织梭等。这一类零件形成了它所属机器具有的特征。 标准零件机械零件 ，“三化”即：系列化、标准化、通用化三化程度是衡量产非标准件 品优劣的重要指标 另外我们把为完成同一职能，在结构上组合在一起的、一套协同工作的零件总称，称为部件，例如减速器、离合器、轴承等；而把组成部件的制造单元称为元件，例如滚动轴承中的滚子、内外圈、保持架等。三、机器与机械零件之间的关系：在机器中，机械零件或按确定的位置相互联接、或按给定的规律作相对运动，共同完成机器的功能而充分发挥各自的作用。因此，任何机器的性能，都是建立在他的主要零件的性能或关键零件的综合性能的基础上的。要想设计出一部很好的机器，必须很好地设计和选择它的零件；而每个零件的设计和选择，又是和整部机器的要求分不开的。四、课程的研究对象机械设计：是为了机器的某些特定功能要求而进行的创造性工作。本课程除了简要论述机械及械零件设计的基本理论、要求及一般方法外，将分章讨论各种一般参数的通用零件的设计理论与设计方法。13 本课程的内容、性质与任务一、本课程的内容在简要介绍关于整部机器设计的基本知识的基础上，重点讨论在普通条件下工作的、一般尺寸及参数的通用零件，包括他们的基本设计理论和方法，以及有关技术资料的应用等。具体的内容包括1、总论部分机器及零件设计的基本原则，设计计算理论，材料选择，结构要求，以及摩擦、磨损、润滑等方面的知识，2、联接部分螺纹联接、键、花键及销联接等；3、传动部分螺旋传动、带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动以及摩擦传动等；4、轴系部分滑动轴承、滚动轴承、联轴器、轴等；5、其他部分弹簧、机座和箱体、减速器等。二、本课程的性质本课程是一门以一般通用零件的设计为核心的设计性课程。在本课程中，将综合应用理论力学、材料力学、机械原理、金属工艺学、金属学及热处理、互换性与技术测量、机械制图等知识来解决通用零件的设计问题。三、本课程任务：是培养同学：1、掌握通用机械零件的设计原理、方法，和机械设计的一般规律，具有设计一般机械的能力；2、树立正确的设计思想，了解国家当前的有关技术经济政策；3、具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关资料的能力；4、掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技能的基本训练；5、为机械设计的新发展有所了解。在本学期同学所学的各门课程中，“机械设计”是一门主课考试课，希望同学们能够给予一定的注意。学习本课程的注意事项：1）注意理论联系实际，将机械零件的设计放到整个机械系统中加以考虑。2）注意掌握零部件的共性3）掌握机械零部件设计的一般思路第二章 机器及机械零件设计概要2-1机器的组成（自学）2-2 机器设计的一般程序（自学）2-3 对机器的主要要求（自学）机械设计的基本要求及设计程序一、机械设计的基本要求1、对机械设计的要求a) 对机器使用功能方面的要求 要注意协调、平衡！设计经济性，b) 对机器经济性的要求 要有最佳的性能价格比 使用经济性2、对机械零件设计的基本要求a) 在预定工作期限内正常、可靠地工作，保证机器的各种功能b) 要尽量降低零件的生产、制造成本对机器的设计要求和对机械零件的要求、两者相互联系、相互影响二、机械设计的一般程序1、机器设计的一般程序，如表1-1阶段 小批生产试销市场调研可行性研究投产试制、试验技术设计原理方案设计目标 设计任务书 定出最佳方案 装配图零件图及 样机评价 考核工艺性 产品 其它技术文件 改进 收集用户意见 销售对具体的机器，其设计程序可能各不相同。2、机械零件设计的一般步骤1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷名义载荷（公称载荷、额定载荷） K载荷系数2）选择零件的类型与结构3）选择零件的材料4）按可能的失效形式确定零件的计算准则，并确定零件的基本尺寸，并加于标准化和圆整5）零件的结构设计6）绘制零件的工作图，并编写计算说明书。 设计计算机械零件计算 交替进行 校核计算2-4机械零件常见的失效失效：（定义）零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能时，称为失效。机械零件常见的失效有：整体断裂、过大的残余变形、表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效。（一）整体断裂零件在受拉、压、弯、剪、扭等外载荷作用时，由于某一危险截面上的应力超过零件的强度极限而发生的断裂，或者零件在受变应力作用时，危险截面上发生的疲劳断裂均属此类。例如螺栓的断裂、齿轮轮齿根部的折断等。螺栓的断裂齿轮轮齿根部的折断（二）过大的残余变形如果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。例如：机床上夹持定位零件的过大的残余变形，要降低加工精度；高速转子轴的残余挠曲变形，将增大不平衡度，并进一步地引起零件的变形（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。处于潮湿空气中或与水、汽及其它腐蚀性介质相接触的金属零件均有可能发生腐蚀现象。腐蚀是发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象。腐蚀的结果是使金属表面产生锈蚀，从而零件表面遭到破坏。对于承受变应力的零件，还要引起腐蚀疲劳。所有作相对运动的零件接触表面都有可能发生磨损。磨损是两个接触表面在作相对运动的过程中表面物质丧失或转移的现象。在接触变应力条件下工作的零件表面将有可能发生接触疲劳。零件表面的接触疲劳是受到接触变应力长期作用的表面产生裂纹或微粒剥落的现象。 滚动轴承外圈滚道的磨损 滚动轴承滚道的疲劳点蚀 齿轮轮齿的疲劳点蚀（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地工作。例如：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地工作；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地工作；高速转子，只有其转速与系统的固有频率错开时才能正常地工作等。如果破坏了这些必备的条件，则将发生不同类型的失效。例如：滑动轴承将发生过热、胶合、磨损等形式的失效；带传动将发生打滑的失效；高速转子将发生共振从而使振幅增大，以致引起断裂的失效等。带传动是一种利用带与带轮之间的摩擦力来实现运动与动力传递。在安装时，带需要以一定的初拉力张紧在两个带轮之间。如果初拉力过小，会使得带与带轮之间的摩擦力过小，造成带与带轮之间的打滑，使带传动产生失效。如果初拉力过大，会造成带的早期断裂，使带产生失效。因此，带具有合适的初拉力是带传动正常工作的必要条件。如果破坏了这一必要的条件，就会使带传动发生打滑或带的过早断裂。 同一种零件发生的失效形式有可能是多种多样的。例如：在齿轮传动中常见失效形式有：轮齿齿体失效：轮齿脆性断裂；轮齿疲劳断裂；轮齿齿面失效：齿面磨损、齿面疲劳点蚀、齿面胶合以及齿面塑性变形等。齿轮传动在可能发生的各种失效形式中，究竟是哪一种失效形式为主，将取决于齿轮的材料、具体的结构和工作条件等因素的。例如，在多粉尘下工作的开式齿轮传动（例如建筑工地中常使用的卷扬机中的齿轮传动），其齿面磨损是主要失效形式；在润滑良好的闭式齿轮传动中（例如车床的床头箱中的齿轮传动）通常不会出现齿面磨损，而齿面疲劳点蚀有可能是其主要失效形式。2-5设计机械零件时应满足的基本要求（一）避免在预定寿命期内失效的要求1强度零件在工作中发生断裂或不允许的残余变形统属强度不足。上述失效形式，除了用于安全装置中预定适时破坏的零件外，对任何零件都是应当避免的。因此具有适当的强度是设计零件时必须满足的最基本条件。为了提高机械零件的强度，在设计时原则上可以采用以下的措施：采用强度高的材料； 使零件具有足够的截面尺寸； 合理地设计零件的截面形状，以增大截面的惯性矩； 采用热处理和化学热处理方法，以提高材料的机械强度特性； 提高运动零件的制造精度，以降低工作时的动载荷； 合理地配置机器中各零件的相互位置，以降低作用于零件上的载荷等。2刚度零件在工作时所产生的弹性变形不超过允许的限度，就叫做满足了刚度要求。显然，只有当弹性变形过大就要影响机器工作性能的零件，才需要满足这项要求。对于这类零件，设计时除了要作强度计算外，还必须作刚度计算。 为了提高零件的整体刚度，可采取如下措施： 增大零件截面尺寸或增大截面的惯性矩； 缩短支承跨距或采用多支点结构，以减小挠曲变形等。3寿命有的零件在工作初期虽然能够满足各种要求，但在工作一定时间后，却可能由于某些原因而失效。这个零件正常工作延续的时间就叫零件的寿命。影响零件寿命的主要原因有：材料的疲劳，材料的腐蚀以及相对运动零件接触表面的磨损等三个方面。大部分机械零件均在变应力条件下工作，因而疲劳破坏是引起零件失效的主要原因。近代对零件进行精确的强度计算时，都要考虑到零件材料的疲劳问题。影响零件材料疲劳强度的主要因素是：应力集中、零件尺寸大小、零件表面品质及环境状况。在设计零件时，应努力从这几方面采取措施，以提高零件抵抗疲劳破坏的能力。零件处于腐蚀性介质中工作时，就有可能使材料遭受腐蚀。对于这些零件，应选用耐腐蚀材料或采用各种防腐蚀的表面保护，例如发蓝、表面镀层、喷涂漆膜及表面阳极化处理等，以提高零件的耐腐蚀性能。关于磨损及提高耐磨性等问题见第四章。(二)结构工艺性要求零件具有良好的结构工艺性，是指在既定的生产条件下，能够方便而经济地生产出来，并便于装配成机器这一特性。所以，零件的结构工艺性应从毛坯制造、机械加工过程及装配等几个生产环节加以综合考虑。工艺性还和机器生产批量大小及具体的生产条件相关的。为了改善零件的工艺性，就应当熟悉当前的生产水平及条件。对零件的结构工艺性具有决定性影响的零件结构设计，在整个设计工作中占有很大的比重，因而必须予以足够的重视。（三）可靠性要求零件可靠度的定义与机器可靠度的定义是相同的，即在规定的使用时间内和预定的环境条件下，零件能够正常地完成其功能的概率。对于绝大多数机械来说,失效的发生都是随机性的。因此，为了提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零件的性能两个方面使其随机变化尽可能地小。此外，在使用中加强维护和对工作条件进行监测，也可以提高零件的可靠性。（四）经济性要求零件的经济性首先表现在零件本身的生产成本上。设计零件时，应力求设计出耗费（包括钱财、制造时间及人工）最少的零件。要降低零件的成本，首先要采用轻型的零件结构，以降低材料消耗；采用少余量或无余量的毛坯或简化零件结构，以减少加工工时。这些对降低零件成本均有显著的作用。工艺性良好的结构就意味着加工及装配费用低，所以工艺性对经济性有着直接的影响。采用廉价而供应充足的材料以代替贵重材料；对于大型零件采用组合结构以代替整体结构，都可以在降低材料费用方面起到积极的作用。另外，尽可能采用标准化的零、部件，就可在经济性方面取得很大的效益。（五）质量小的要求对绝大多数零件来说，都应当力求减小其质量。减小质量有两方面的好处：一方面可以节约材料；另一方面，对于运动零件来说，可以减小惯性，改善机器的动力性能。为了减小质量，可采取如下措施：采用缓冲装置来降低零件上所受到冲击载荷；采用安全装置来限制作用在主要零件上的最大载荷；从零件上应力较小处削减部分材料，以改善零件受力的均匀性，从而提高材料的利用率；采用与工作载荷相反方向的预载荷，以降低零件上的工作载荷；采用轻型薄壁的冲压件或焊接件来代替铸、锻零件，以及采用强重比高的材料等。2-6机械零件的设计准则在设计时对零件进行计算所依据的准则，无疑地是与零件的失效形式紧密地联系在一起的。概括地讲，大体有以下准则：（一）强度准则强度准则就是指零件中的应力不得超过允许的限度。即：lim其中：lim即为材料的极限应力，对于脆性材料：取limB（强度极限），对于塑性材料：取limS（屈服极限）。考虑到各种偶然性或难以精确分析的影响，上式右边要除以设计安全系数(简称安全系数)，即：lim/S 即 式中：安全系数S为大于1的数，S过大，虽安全但浪费材料；S过小，虽节省材料但趋危险，故S的选取应适当。称为许用应力。（二）刚度准则零件在载荷作用下产生的弹性变形量y，小于或等于机器工作性能所允许的极限值y（许用变形量），就叫做满足了刚度要求，或符合刚度计算准则。其表达式为：yy弹性变形量y可按各种变形量的理论或实验方法来确定，而许用变形量y则应随不同的使用场合，根据理论或经验来确定其合理的数值。（三）寿命准则由于影响寿命的主要因素腐蚀、磨损和疲劳是三个不同范畴的问题，所以它们各自发展过程的规律也就不同。迄今为止，还没有提出使用有效的腐蚀寿命计算方法，因而也无法列出腐蚀的计算准则。关于磨损的计算方法，由于其类型众多，产生的机理还未完全搞清，影响因素也很复杂，所以尚无通行的能够进行定量计算的方法。关于疲劳寿命，通常是求出使用寿命时的疲劳极限来作为计算的依据。（四）振动稳定性准则机器中存在着很多周期性变化的激振源。例如：齿轮的啮合，滚动轴承中的振动，滑动轴承中的油膜振荡，弹性轴的偏心转动等。如果某一零件本身的固有频率与上述激振源的频率重合或成整数倍关系时，这些零件就会发生共振，以致使零件破坏或机器工作关系失常等。所谓振动稳定性，就是说在设计时要使机器中受激振作用的各零件的固有频率与激振源的频率错开。例如，令f代表零件的固有频率，fp代表激振源的频率，则通常应保证如下的条件： 0.85ffp 或 1.15ffp 如果不能满足上述条件，则可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等办法来改变f值。把激振源与零件隔离，使激振的周期性改变的能量不传递到零件上去；或采用阻尼以减小受激振动零件的振幅，都会改善零件的振动稳定性。（五）可靠性准则 如有一大批某种零件，其件数为N0在一定的工作条件下进行试验。如在t时间后仍有N件在正常地工作，则此零件在该工作环境条件下工作t时间的可靠度R可表示为：R=N/N0如果试验时间不断延长，则N将不断地减小，故可靠度也将改变。这就是说，零件的可靠度是一个时间的函数。若在时间t到t+dt的间隔中，又有dN件零件发生破坏，则在此dt时间间隔内破坏的比率f（t）：式中f(t)称为失效率,负号表示dN的增大将使N减小。分离变量并积分，得：即：零件或部件的失效率f(t)与时间t的关系如右图所示。早期失效阶段，失效率由很高的数值急剧地下降到某一稳定的数值。引起这一阶段失效率特别高的原因是零、部件存在的初始缺陷。正常使用阶段如果发生失效，一般是由偶然的原因引起的，故其发生是随机性的，失效率则表现为一常数。损坏阶段主要是由于长期的使用而使零件发生磨损、疲劳裂纹扩展等原因，使失效率急剧地增加。表征失效率的另一个指标是两次失效间的平均工作时间MTBF，用符号m表示，和的关系为：m=1/。2-7 机械零件的设计方法机械零件的常规设计方法可概括地划分为以下几种（一）理论设计根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计，称为理论设计。现以简单受拉杆件的强度计算为例来讨论理论设计的概念。设计时强度计算公式为：lim/S或F/Alim/S式中：F作用于拉杆上的外载荷；A拉杆横截面面积；lim拉杆材料的极限应力；S设计安全系数（简称为安全系数）1设计计算由公式直接求出杆件必须的横截面尺寸A，即： AFS/lim2校核计算在按其它办法（检验估计或类比法）初步设计出杆件的横截面尺寸后，可选用下列四式之一进行校核计算：F/A= lim/SFlimA/SSca=lim/SlimS式中：Sca为安全系数计算值，或简称为计算安全系数。设计计算多用于能通过简单的力学模型进行设计的零件；校核计算则多用于结构复杂，应力分布较复杂，但又能用现有的应力分析方法（以强度为设计准则时）或变形分析方法（以刚度为设计准则时）进行计算的场合。（二）经验设计 根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式，或根据设计者本人的工作经验用类比的方法所进行的设计叫做经验设计。这对那些使用要求不大变动而结构形状已典型化的零件，是很有效的设计方法。例如箱体、机架、传动零件的各结构要素等。（三）模型实验设计对于一些尺寸巨大而机构又很复杂的重要零件，尤其是一些重型整体机械零件，为了提高设计质量，可采用模型实验设计的方法。即把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺寸样机，经过实验的手段对其各方面的特性进行检验，根据实验结果对设计进行逐步的修改，从而达到完善。这样的设计叫做模型实验设计。 2-8 机械零件的一般步骤机械零件的设计大体要经过以下几个步骤：1）根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。为此，必须对各种零件的不同用途、优缺点、特性与使用范围等，进行综合对比并正确选用。2）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。3)根据零件的类型、结构和所受载荷，分析零件可能的失效形式，从而确定零件的设计准则。4)根据零件的工作条件及对零件的特殊要求(例如高温或在腐蚀性介质中工作等)，选择适当的材料。5)根据设计准则进行有关的计算，确定出零件的基本尺寸。6）根据工艺性及标准化等原则进行零件的结构设计。7）细节设计完成后，必要时进行详细的校核计算，以判定结构的合理性。8）画出零件的工作图，并写出计算说明书。在进行设计时，对于数值的计算除少数与几何尺寸精度要求有关外，对于手算工作一般以两、三位有效数字的计算精度为宜。必须再度强调指出，结构设计是机械零件的重要设计内容之一，在有些情况下，它占用了设计工作量中的一个较大比例，一定要给予足够的重视。绘制的零件工作图应完全符合制图标准，并满足加工的要求。写出的设计说明书要条理清晰，语言简练，数字正确，格式统一，并附有必要的结构草图和计算草图。重要的引用数据，一般要指明来源出处。对于重要的计算结果，要写出简短的结论。2-9 机械零件材料的选择原则机械零件所使用的材料是多种多样的，但是金属材料，尤其是黑色金属材料，应用得最多和最广。此外各种新技术材料，如纳米材料等，在机械中的应用也将逐渐增多。以下是选择材料的一般原则，作为选择材料的依据。载荷的大小和性质，应力的大小、性质及其分布状况 这方面的因素主要是从强度观点来考虑的，应在充分了解材料的机械性能的前提下来进行选择。脆性材料原则上只适用于制造在静载荷下工作的零件。在有冲击的情况下，应选择塑性材料。金属材料的性能一般可以通过热处理加以提高和改善，因此，要充分利用热处理手段来发挥材料的潜力。对于常用的调质钢，由于其回火温度的不同，可得到力学性能不同的毛坯。零件的工作情况 零件的工作情况是指零件所处的环境特点、工作温度、摩擦磨损的程度等。在湿热环境下工作的零件，其材料应有良好的防锈和耐腐蚀的能力，例如选用不锈钢、铜合金等。工作温度对材料选择的影响，一方面要考虑互相配合的两零件的材料的线膨胀系数不能相差过大，以免在温度变化时产生过大的热应力，或者使配合松动；另一方面要考虑材料的机械性能随温度而变化的情况。零件在工作中有可能发生磨损之处，要提高其表面硬度，以增加耐磨性。因此，应选择适于进行表面处理的淬火钢、渗碳钢、氮化钢等品种。零件的尺寸及质量零件的尺寸及质量的大小与材料的品种及毛坯制取方法有关。用铸造材料制造毛坯时，一般可以不受尺寸及质量大小的限制；而用锻造材料制造毛坯时，则须注意锻压机械及设备的生产能力。此外，零件尺寸和质量的大小还和材料的强重比有关，应尽可能选用强重比大的材料，以便减小零件的尺寸和质量。零件结构的复杂程度及材料的加工可能性结构复杂的零件宜选用铸造毛坯，或用板材冲压出元件后再经焊接而成。结构简单的零件可用锻造法制取毛坯。对材料工艺性的了解，在判断加工可能性方面起着重要的作用。铸造材料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。锻造材料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。焊接材料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材料的可淬性、淬火变形倾向性及热处理介质对它的渗透能力等。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等。材料的经济性材料的经济性主要表现在以下几方面： 材料本身的相对价格。 材料的加工费用。 材料的利用率。 采用组合结构。 节约稀有材料。材料的供应状况选材时还应考虑到当时当地材料的供应状况。为了简化供应和贮存的材料品种，对于小批制造的零件，应尽可能地减少同一部机器上使用的材料品种和规格。2-10 机械现代设计方法简介现代机械设计方法通常是相对传统的设计方法而言的。由于现代设计方法正在不断发展，人们对它的内涵看法不一，尚无明确的界域。但对其特征和发展动向，可总体上概括为力求运用现代应用数学、应用物理、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下述某些方面的转化： 以动态的取代静态的如以机器结构动力学计算取代静力学计算；以实时在线测试数据作为评价依据等。 以定量的取代定性的如以有限元法或边界元法计算箱体的尺寸和刚度取代经验类比法的设计。 以变量取代常量如可靠性设计中用随机变量取代传统设计方法中当作常量的粗略处理方法。 以优化设计取代可行性设计用相关的设计变量恰当地建立设计目标的数学模型，从众多的可行解（方案）中寻求其最优解。 以并行设计取代串行设计并行设计（CD：concurrent design,也称为并行工程CE：concur