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第一章机械设计总论 1 1机械设计总论 1 2机械设计课程简介 1 3机械零件的计算准则 1 4机械零件的标准化 系列化 通用化 1 5机械零件常用材料和选择原则 1 1引言 1 1机械设计总论 1 1引言 1 1机械设计总论 一 机械的定义 具有确定相对运动的构件组合 能实现能量转换或作有用功 机器 机构 挖掘机 内燃机 热能 机械能 驱动液压系统 铲斗作功 1 1引言 1 1机械设计总论 二 机器的组成 1 1引言 1 1机械设计总论 1 1引言 1 1机械设计总论 1 1引言 1 1机械设计总论 认识机器4 示教板用于输入控制命令或控制程序 控制系统用于控制操作机各关节内伺服电机的运动 工业机器人的组成 操作机在控制系统的控制下 实现各种复杂运动 每个关节内有电动机和减速器 1 1引言 1 1机械设计总论 制造安装角度 运动角度 连杆 注意 零件 构件区别 1 1引言 1 1机械设计总论 认识机器5 工业机器人操作机 1 2机器的基本组成要素 1 1机械设计总论 机械零件 是机器的制造单元 通用零件 各种机器中常用的 是本课程的主要学习对象 例如 齿轮 链传动 带传动 轴 联轴器轴承 螺栓 键 铆 焊结构件 弹簧等 专用零件 只在某些特定的机器中才用到的 在有关专业课学习 例如 叶片 曲轴等 部件 为完成同一使命在结构上组合在一起并协同工作的零件 例如 滚动轴承 减速器等 机械零件 常用泛指零件和部件 1 2机器的基本组成要素 1 1机械设计总论 三 机械设计一般程序 1 2机器的基本组成要素 1 1机械设计总论 四 机械零件设计步骤 1 2机器的基本组成要素 1 1机械设计总论 五 机械设计的基本要求 1 3本课程的性质和内容和特点 1 2机械设计课程简介 一 本课程的性质和内容 内容 主要介绍通用零件的设计和计算 二 本课程的特点 涉及面广 实践性强 不仅要读懂书 还要多联系实际 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 1 2机械设计课程简介 本课程的特点 关系多 与诸多先修课关系密切 要求多 机器或零件应同时满足强度 刚度 耐磨性 工艺等各方面的要求 门类多 通用零件类型多 各类零件设计方法各有不同 公式多 除定义式外 大多数公式着重公式的应用 不强调公式的推导 图表多 要求能看懂 会用 了解适用的范围和变化趋势 三 注意的几个问题 着重学习零件的设计方法以及零件参数的合理选择 除了理论分析和计算以外 更应重视零件结构设计的学习 设计决非只是计算 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 注意的问题 1 2机械设计课程简介 1 4机械零件的计算准则 1 3机械零件的计算准则 一 几个名词 1 失效概念 Failure 例 齿面磨损 断齿 疲劳断轴综合失效 1 4机械零件的计算准则 1 3机械零件的计算准则 2 失效形式 机械零件的可能失效形式很多 归纳起来主要有强度 刚度 耐磨性 振动稳定性以及温度等方面的失效 注意 同一种零件可能的失效形式往往有若干种 例如 轴在工作中可能产生断裂 过大弹性变形 共振等失效 1 4机械零件的计算准则 1 3机械零件的计算准则 失效形式认知 齿轮轮齿断裂 轴承内圈断裂 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 过载 或在变应力作用下 危险截面发生的疲劳断裂 1 4机械零件的计算准则 1 3机械零件的计算准则 失效形式认知 整体断裂在变应力作用下 危险截面发生的疲劳断裂 初始裂纹源 裂纹扩展区 最终瞬断区 1 4机械零件的计算准则 1 3机械零件的计算准则 失效形式认知 齿轮齿面塑形变形 轴承外圈塑性变形 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 1 4机械零件的计算准则 1 3机械零件的计算准则 失效形式认知 轴瓦磨损 齿面接触疲劳 零件的表面破坏主要是腐蚀 磨损和接触疲劳 点蚀 1 4机械零件的计算准则 1 3机械零件的计算准则 3 工作能力 即机械零件在一定条件下抵抗失效的能力 4 承载能力 即用载荷表示的工作能力 5 工作能力计算准则 为防止机械零件发生某种失效而应满足的条件 也可以理解为是机械零件不发生失效的 安全条件 是设计零件时的理论依据 为了防止机械零件在工作中产生失效 设计时 需要以零件的工作能力计算准则为依据进行必要的计算 常用的计算方法 过程 有两种 1 设计计算 先分析零件的可能失效形式 根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸 2 校核计算 先确定零件的结构尺寸 然后再验算零件是否满足计算准则 如不满足 则应修改零件的尺寸 载荷和应力1 1 3机械零件的计算准则 二 载荷和应力 1 载荷分类 随机 1 载荷性质 静载荷 变载荷 载荷和应力1 1 3机械零件的计算准则 2 应力分类 Stresstype 载荷和应力2 3应力参数 机械零件的计算准则 循环应力 注意 五个参数中有二个独立 载荷和应力3 对称循环 脉动循环 常见的循环应力有 静应力 可看作是循环应力的一个特例 1 3机械零件的计算准则 注 静应力只在静载荷作用下产生 循环应力可由变载荷产生 也可由静载荷产生 强度准则 三 计算准则 1 3机械零件的计算准则 强度准则 一 强度 整体强度 表面强度 准则 强度 指机械零件工作时抵抗破坏 断裂或塑性变形 的能力 强度条件有两种表示方法 1 用应力表示 2 用安全系数表示 注 对于切应力 只须将上述各公式中的换成即可 1 3机械零件的计算准则 静应力下的强度 1静应力下的强度 在静应力下工作的零件 其可能的失效形式是塑性变形或断裂 材料种类不同 所取极限应力也不同 复合应力状态下 按第一强度理论计算当量应力 1 3机械零件的计算准则 注 1 对于塑性材料和组织不均匀的材料 如灰铸铁 在计算静强度时 可不考虑应力集中的影响 2 对于组织均匀的低塑性材料 如淬火钢 在计算静强度时 应考虑应力集中的影响 接触强度 2循环应力下的强度 计算变应力下的强度时 应取疲劳极限 详见第二章 3许用安全系数 合理选择许用安全系数是设计中的一项重要工作 过大 则机器会过于笨重 过小 可能不安全 因此 在保证安全的前提下 应尽可能选用较小的许用安全系数 的取值主要受下列因素的影响 1 计算的准确性 2 材料的均匀性 3 零件的重要性 4表面接触疲劳强度 对于高副零件 理论上是点 线接触 但实际上在载荷作用下材料发生弹性变形后 理论上的点 线接触变成了很小的面接触 在接触处 1 3机械零件的计算准则 接触强度2 局部会产生很高的应力 这样的应力称为表面接触应力 用表示 的大小用赫兹公式计算 公式见教材 1 3机械零件的计算准则 实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的 例如齿轮的轮齿 接触啮合时受应力作用 脱离啮合时不受应力作用 接触循环应力作用下的失效形式是 疲劳点蚀 简称点蚀 点蚀的危害 1 破坏零件的光滑表面 引起振动和噪音 2 减小零件的有效工作面积 接触强度2 1 3机械零件的计算准则 对于线接触的情况 其接触应力可用赫兹应力公式计算 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 挤压强度及刚度准则 5表面挤压强度 两零件之间为面接触时 在载荷作用下 接触表面上产生的应力称为挤压应力 用表示 在挤压应力作用下的强度称为挤压强度 其强度条件为 挤压应力作用下 接触面的失效形式是 压溃 注 相互挤压表面上的挤压应力相等 二 刚度准则 刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力 如果零件的刚度不足 有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效 例如 机床主轴的弹性变性过大将会影响所加工工件的精度 1 3机械零件的计算准则 刚度准则及振动稳定性 1 3机械零件的计算准则 刚度条件为 实际变形量 许用变形量 式中 实际变形量可用相关理论计算或由实验方法确定 许用变形量 是保证正常工作所允许的变形量 注 1 零件材料的弹性模量E越大 则其刚度越大 2 用合金钢代替碳钢能提高零件的强度 但不能提高零件的刚度 三 振动稳定性准则 当作用在零件上的周期性外力的变化频率接近或等于零件的自激振动频率 固有频率 时 便发生共振 导致零件失效 这种现象称之为 失去振动稳定性 振动稳定性准则 使零件的自激振动频率f远离外力变化的频率fF 即fF 0 85f或fF 1 15f 耐磨性计算 1 3机械零件的计算准则 四 摩擦学准则 耐磨性计算 到目前为止对于磨损失效还没有一个完善的计算方法 通常只进行条件性计算 通过限制影响磨损的主要因素防止产生过大的磨损量 即压强不超过许用值p p 速度不超过许用值V V 压强与速度乘积不超过许用值pV pV 注 限制p值就是间接的限制因摩擦而产生的热量 防止温度过高 五 温度对机械工作能力的影响 热平衡计算 t t 耐磨性计算 1 4机械零件的标准化 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 标准化的益处 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 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 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 1 5机械零件常用材料和选择原则 铝 LY12 铜 ZCuSn10P1 塑料 橡胶 合成纤维 强如钢 轻如铝 硬如金刚石 强度高 弹性模量大 质量轻 灰铸铁 球墨铸铁 如 TH300QT500 5 低碳钢 中碳钢 高碳钢 合金钢 如 08F45601Cr18 一 常用材料 1 5机械零件常用材料和选择原则 1 钢 1 5机械零件常用材料和选择原则 2 铜合金在机械中 各部分的联接是靠运动副实现的 而在运动副中 为了提高结构的可靠性 耐磨性 降低成本 维修 等原因 大量使用衬套 或轴瓦等零件 而这些零件的材料大多是铜合金 铜合金主要有 铜锌合金 含锡青铜 无锡青铜 3 非金属材料非金属材料的种类繁多 在工程上也发挥着重要的作用 例如橡胶密封垫 传动带 树脂材料制作摩擦片 塑料手柄等等 1 5机械零件常用材料和选择原则 二 材料选择原则 3 材料的经济性注意 材料的供应 按照综合指标和局部品质