机械设计课件 3

机械设计课程总复习,第一章绪论,本章重点是载荷和应力分析。一、载荷要了解载荷的形式和种类，形式有：集中力F（N,kN)、转矩T(Nm,Nmm)、弯矩M(Nmm)、功率P(KW)种类有：1、静载荷不随时间变化或变化非常缓慢的载荷2、变载荷大小和方向随时间变化而变化的载荷1）随机变载荷无规律变化2）循环变载荷有规律变化a一般循环变载荷b对称循环变载荷c脉动循环变载荷,二、应力分析,1、应力种类（1）静应力对称循环变应力（a）循环变应力脉动循环变应力（2）变应力（b）随机变应力（略）一般循环变应力,掌握应力的种类和变应力的主要参数的含义：应力幅：a=（max-min）/2平均应力：m=（max+min）/2最大应力：max最小应力：min应力特性系数：r=min/max,第二章摩擦、磨损和润滑,1、了解摩擦、磨损的基本概念，掌握润滑状态的概念边界润滑边界润滑是指两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质与流体的粘度无关，只与边界膜和表面的吸附性质有关。液体润滑当摩擦表面间的润滑膜厚度大到足以将两个表面完全隔开，即形成了完全的液体润滑。混合润滑当摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态时称为混合润滑。,2、了解机械零件的一般磨损过程：大致分为三个阶段1）跑合阶段新的摩擦副表面较粗糙，在10%50%的额定载荷下进行试运转，使摩擦表面的凸峰被磨平，实际接触面积逐步增大，压强减小，磨损速度在跑合开始阶段很快。跑合阶段对新的机械是十分必要的。2）稳定磨损阶段经过跑合，摩擦表面逐步被磨平，微观几何形状发生改变，建立了弹性接触的条件，进入稳定磨损阶段，这时零件的磨损速度缓慢，它表征零件正常工作寿命的长短。3）急剧磨损阶段经过长时间的稳定磨损阶段，积累了较大的磨损量，零件开始失去原来的运动轨迹，磨损速度急剧增加，间隙加大，精度降低，效率减小，出现异常的噪声和振动，最后导致零件失效。,机械零件的一般磨损过程,3、润滑油、润滑脂以及添加剂润滑油的主要质量指标是黏度，黏度越大，指油越稠，油膜的承载能力就越高。温度对粘度的影响很大，温度升高，粘度降低，在表明润滑油的粘度时，一定要注明温度，否则没意义！润滑脂的主要质量指标是锥入度：它是表征润滑脂稀稠程度的指标，针入度越大，润滑脂就越稀。普通润滑油和润滑脂在一些十分恶劣的工作条件下（如高温、低温、重载、真空等）会很快劣化变质，失去工作能力。为了提高它们的品质和使用性能，常加入某些分量很小（从百分之几到百万分之几）但对其使用性能的改善起巨大作用的物质，这些物质称为添加剂。,抗氧化添加剂可抑制润滑油氧化变质；降凝添加剂可降低油的凝点；油性添加剂可提高油性；极压添加剂可以在金属表面形成一层保护膜，以减轻磨损清净分散添加剂可使油中的胶状物分散和悬浮，以防止堵塞油路和减少因沉积而造成的剧烈磨损。,第三章圆柱齿轮传动,一、圆柱齿轮受力分析,一对齿轮互相啮合，在啮合线上存在着一个法向力Fn，忽略摩擦力，把分布力集中到齿宽中点！可分解成：切向力：Ft=Fncos径向力：Fr=Fnsin因为切向力为已知力：Ft=2T1/d1式中：T1=9.55X106P1/n1（Nmm）力的大小：切向力:Ft=2T1/d1径向力：Fr=Fttg法向力:Fn=Ft/cos力的方向：切向力:Ft1=-Ft2Ft1与n1相反,Ft2与n2相同径向力：Fr1=-Fr2指向各自的圆心法向力:Fn1=-Fn2,二、斜齿圆柱齿轮受力分析法向力Fn可分解成：切向力：Ft=Fncosncos径向力：Fr=Fnsinn轴向力:Fx=Fncosnsin因为切向力为已知力：Ft=2T1/d1径向力：Fr=Fttgn/cos轴向力:Fx=Fttg法向力:Fn=Ft/cosncos力的方向：切向力:Ft1=-Ft2Ft1与n1相反,Ft2与n2相同径向力：Fr1=-Fr2指向各自的圆心轴向力:Fx1=-Fx2左右手定则法向力:Fn1=-Fn2,轴向力的判断用左右手定则:只适用于主动齿轮左右手定则:左旋齿轮伸左手,右旋齿轮伸右手，四指方向与转动方向相同,拇指方向即为轴向力方向!左、右旋齿轮的判断：齿轮轴线与人的身体平行，正向看过去，轮齿线左边高为左旋，右边高为右旋！,三、齿轮传动的失效形式,齿轮的失效主要发生在轮齿上，其余部分，如轮毂、轮辐部分为金属实体，一般很少失效。1.疲劳断齿齿体失效2.过载断齿3.偏载断齿齿轮失效形式1.点蚀齿面失效2.胶合3.磨损4.塑性变形,通常开式齿轮的主要失效形式是齿面磨粒磨损，导致齿体变薄，进而断齿。闭式齿轮软齿面传动主要失效形式是齿面疲劳点蚀，闭式齿轮硬齿面传动主要失效形式是齿根弯曲折断。,四、选材,齿轮的材料及热处理方法的选择，应根据齿轮传动载荷大小与性质，工作环境条件，结构及经济性等多方面要求来确定。大小齿轮材料不同小齿轮基园小，齿廓曲线弯曲大，齿根部薄，再之，小齿轮齿数少，转速高，受循环应力次数多于大齿轮。故其材料要比大齿轮好些。假如大小齿轮材料一样，应采用不同的热处理方法，使小齿轮的齿面硬度高于大齿轮3050HBS。软硬齿面啮合的齿轮适合于上述原则，假如硬硬齿面的配对的齿轮，齿面硬度差基本保持相同。软齿面，硬度小于350HBS，硬齿面，两齿轮硬度都大于350HBS。,第四章锥齿轮传动,一、概述锥齿轮传动广泛用于两相交轴或两交错轴之间的运动和动力的传递！通常是90度相交！锥齿轮的几何参数是在大端上测量。,二、直齿圆锥齿轮受力分析为了计算简便，将锥齿轮沿整个齿宽作用的法向分布力的合力，看作是作用在齿宽的中点！法向力Fn可分解成三个力：切向力、径向力、轴向力力的方向：切向力:Ft1=-Ft2Ft1与n1相反,Ft2与n2相同径向力：Fr1=-Fx2指向各自的圆心轴向力:Fx1=-Fr2指向各自的大端,第五章蜗杆传动,5-1概述蜗杆传动用于两交错轴（一般为垂直交叉）间转矩的传递一、蜗杆传动的特点1、传动比大：i=n1/n2=Z2/Z1传递动力时：i=10-80,可达100传递运动时：i最大可达10002、传动平稳，噪音小3、效率低：一般时=0.7左右自锁时0.54、易磨损、用铜合金制造，造价高。,5-2阿基米德圆柱蜗杆传动,主平面：垂直与蜗轮的轴线并且通过蜗杆的轴线的平面。一、模数、压力角和正确啮合条件ma1=mt2=ma1=t2=(轴面=端面=标准）=（方向一致）(蜗杆螺旋线导程角=蜗轮轮齿螺旋角）,5-3蜗杆传动的效率,传动效率总效率：=123式中滚动轴承效率：2=0.990.995搅油效率：3=0.94左右对总效率影响最大的是啮合效率：式中：=arctg(f)当量摩擦角f当量摩擦系数蜗杆的转速直接影响当量摩擦系数f，速度越大f越小，当量摩擦角也越小，效率就越高。所以，通常将蜗杆传动布置在高速级。,当=45-/2时，有最大值，但因为越大，加工越困难，所以标准规定max=334124,在此范围内，较大的对应较多的Z1,对于闭式传动：Z1=1,=0.70.75Z1=2,=0.750.82Z1=3-4,=0.820.92对于开式传动：Z1=1-2时,=0.60.7,5-5蜗杆传动受力分析,一、法向力Fn及其分力通常蜗杆为主动轮，其法向力可分解为：切向力、径向力、轴向力二、各力的方向当蜗杆为主动时，并且忽略摩擦力：切向力：Ft1=-Fx2(Ft1与n1反向,Ft2与n2同向)径向力：Fr1=-Fr2(指向各自的圆心)轴向力：Fx1=-Ft2(左右手定则，只适用主动轮),三、受力分析投影图在啮合点处，蜗杆、蜗轮的三个分力如下图所示：首先，知道蜗杆的转向n1，便知蜗杆的切向力Ft1（与转向相反），它的反力是蜗轮的轴向力FX2，又知道蜗杆的旋向，按左右手定则，可知道蜗杆的轴向力FX1，它的反力是蜗轮的切向力Ft2，知道蜗轮的切向力，就知蜗轮的转向n2。径向力Fr指向各自的圆心！,已知：蜗杆的旋向和转向，画出蜗杆和蜗轮三个分力的方向。,一、蜗杆传动的润滑由于蜗杆传动效率低，发热量大，温升高，良好的润滑除减摩外，还可冷却，以保证正常的油温和粘度，防止胶合的发生。为了避免过大的搅油损失，对下置蜗杆传动常取油面浸泡12个齿高，对上置蜗杆传动，油面不超过1/21/3蜗轮半径。(v15m/s蜗杆下置，v15m/s蜗杆上置)二、热平衡计算因为蜗杆传动效率低，发热量大，相对滑动速度高，容易引起润滑油的温度升高，黏度降低，从而使油膜破坏，产生胶合失效。,6-7蜗杆传动的润滑与热平衡计算,1、单位时间内功率损失而产生的热量：2、单位时间内散发出去的热量：3、热平衡条件：得到达到热平衡时的温度：式中：Ks散热系数：通风良好时Ks=1417.45W/m2通风不佳时Ks=8.1510.5W/m2A散热面积m2T0周围空气温度t1达到热平衡时的温度，控制在60-70C,三、提高散热能力的措施:由热平衡时温度公式可以看出要提高散热能力，减小热平衡时的温度，可设法1、提高蜗杆的传动效率2、增大散热面积A如在减速器箱体外加散热片等3、提高散热系数Ks如1）在蜗杆轴端加装风扇，可使Ks=21285W/m22）在油内装蛇形循环冷却水管3）采用喷油润滑,已知：n1的转向，为使中间轴II的轴向力最小，问：斜齿轮的旋向应如何？,第七章带传动,一、熟悉带传动的力最大圆周力的表达式：影响带传动能力的主要因素：1、初拉力：F02、小带轮包角：13、带与带轮间的摩擦系数：f，fv4、带的型号截面尺寸大的V带，能传递更大的力！5、带的根数带的根数多，传动能力就越大！6、带速：带速越大，带的质量越大，离心力越大，正7、带的质量压力减小，摩擦力小，带传动能力减小。,二、应力分析1、紧边拉应力1和松边拉应力2：1=F1/A(MPa)2=F2/A(MPa)2、离心拉应力c：c=qv2/A3、弯曲应力：b1=2h0E/d1b2=2h0E/d24、最大应力max：在A点处。,三、弹性滑动与打滑弹性滑动是由于带的弹性引起的，他造成带速和轮速之间的速度差，形成相对滑动，降低传动效率，造成传动比不稳定，加速带的磨损，他是不可避免的，但它不影响带的正常工作。打滑是负载超过带的最大有效圆周力，带不动负载，便发生打滑。打滑是带传动的一种失效形式。尽量避免。,四、张紧轮（中心距不可调的场合）张紧轮要安装在带的内侧、松边、靠近大带轮内侧：避免带受到双向的弯曲应力松边：带本来就松弛，易于调节靠近大带轮：对小带轮的包角影响小。,第十章螺旋传动,一、螺纹主要参数1、大径d：螺纹标准中的公称直径，螺纹的最大直径2、小径d1:螺纹的最小直径，强度计算中螺杆危险断面的计算直径。3、中径d2:近似于螺纹的平均直径，d2(d1+d)/24、螺距p:相邻两螺纹牙平行侧面间的轴向距离。5、导程s:同一条螺纹线上两螺纹牙之间的距离。s=np6、螺旋升角:中径上s=d2tg=arctg(s/d2),二、螺纹联接的防松螺纹联接虽然能自锁，但在受到冲击、振动、温度变化等瞬时，螺纹联接的摩擦力会消失，产生松动，故要有可靠的防松措施。常用的放松措施有：(表183）1、弹簧垫圈4、尼龙圈锁紧螺母2、对顶螺母5、槽形螺母和开口销3、止动垫片6、圆螺母带翅垫片7、钢丝串联8、冲点、粘接,四、提高螺栓联接强度的措施1、改善螺纹牙间载荷分配不均现象1）、悬置螺母2）、内斜螺母3）、环槽螺母2、减小螺栓的应力幅由应力幅的公式：看出：减小应力幅，即减小Kc=CL/(CL+CF)1）、减小螺栓的刚度：CL柔性螺栓（中空或光杆部分变细）螺母下垫弹性垫圈2）、增大被联接件的刚度：CF结构上加加筋板、斜撑或加大被联接件厚度两被联接件之间的密封选用硬材料垫圈,第十一章轴毂联接,一、键联接各种各样的键装在轴与轮毂之间，以传递转矩1、松键1）平键工作面是两侧面两个按180布置标注：B16100GB109679B:型号（A不写），16:宽，100：长,2）半圆键多用于锥形轴，可适应轴的变形，键槽较深，对轴削弱较大，两个应并排布置。标注：61025GB1099796：宽，10：高，25：直径,二、平键的选择与校核1、选择首先按使用要求选择键的主要类型，再按轴的直径选择键的型号（剖面尺寸：宽度b，高度h以及轴上槽深t1、轮毂上槽深t2），按轮毂长度选择键的长度L，L应稍小与轮毂的长度，最后对联接进行必要的强度校核。2、校核键的主要失效形式是压溃、其次是剪切压溃强度条件：剪切强度条件：,第十二章轴,一、分类按承受载荷的情况分：1）传动轴：只承受转矩T。2）心轴：只承受弯矩M。3）转轴：即承受弯矩M，也承受转矩T。二、轴的直径估算对于转轴，按扭转强度条件：考虑弯矩的影响，适当降低值。式中：P：作用在该轴上的功率（KW）n:轴的转速(rpm)d:轴的最小直径,式中只与材料有关,希望同学们记住这个公式：,由公式可以看出：轴的直径与功率成正比，与转速成反比。这也正好说明一般减速器高速级轴的直径要比低速级轴的直径要小些。,三、轴的结构设计1、轴上圆角要小于轮毂上圆角或倒角2、轴上长度要小于轮毂上相应长度23mm。3、轴肩或轴环的高度一般不小于5，如果是用于滚动轴承定位，则不能高于滚动轴承内环的三分之二。4、各阶梯轴的轴端加倒角，便于安装。5、键槽应在同一个方向。6、减小应力集中，如加大圆角半径、用退刀槽砂轮越程槽等。7、合理安排轴的零件，减轻轴的负荷。,第十三章滚动轴承,一、分类1、按承受载荷分：1）向心轴承只承受径向力，接触角为02）推力轴承只承受轴向力，接触角为90度3）角接触轴承既受径向力，也受轴向力，接触角越大，所能承受的轴向力也越大！二、滚动轴承的结构1、内圈2、外圈3、滚动体4、保持架,三、轴承寿命和载荷1、实际寿命：L一套滚动轴承，其中一个套圈或滚动体的材料出现第一个疲劳扩散迹象时，一个套圈相对另一个套圈的转数。2、基本额定寿命：L10h对于一个滚动轴承或一组在同样条件下运转的近似相同的轴承，在与常用的材料和加工质量以及常规的运转条件下，能达到可靠性为90%的寿命。3、基本额定动载荷：C假想的恒定载荷，轴承在这个载荷作用下，基本额定寿命为106。4、当量动载荷：P假想的恒定载荷，轴承在这个载荷作用下，与实际载荷作用时具有相同的寿命。,四、滚动轴承接触疲劳强度的设计计算1、基本额定寿命L10h的计算载荷与寿命有如下关系：L10P=106C=常数则寿命为：L10=106（C/P）（转）寿命通常以小时为计量单位，用L10h表示：L10h=L10/60n,再考虑温度系数fT和动载系数fd的影响,式中：n轴承转速（r/min）指数：球轴承=3滚子轴承=10/3,2、当量动载荷P的计算:P=XFr+YFa式中：Fr：为径向力，Fa：为轴向力当X=1Y=0当X1Y0各种轴承的临界值e及X、Y值，见表1316,3、角接触轴承P值的计算对于“3”、“7”类轴承，由于本身结构特点，当施加径向力Fr后，会产生派生的轴向力S。（1）装配形式：“3”、“7”类轴承，必须成对使用！安装有：正装（面对面、大端对大端）反装（背对背、小端对小端）,面对面，支点近，刚度大,背对背，支点远，刚度小,悬臂形式必须反装,（2）支点：滚动体与外滚道接触点的法线和轴线的交点为轴承在轴上的支点。在大端一侧（3）派生的轴向力S：S指向大端！不同形式的轴承S有不同的计算公式S=eFr=15“7”类轴承S=0.68Fr=25S=1.14Fr=40“3”类轴承S=Fr/2Y(Y0时值),（4）轴向力Fa的计算如图轴承正装1）由轴系总的径向力Fr计算出每个轴承的径向力Fr1和Fr2。2）由径向力Fr1和Fr2分别计算出S1和S2。方向指向大端！对轴系的所有轴向力进行比较a、如果FA+S1S2轴向右移，2轴承受压，支撑件给2轴承一个反力S2，由平衡力式FA+S1-S2-S2=0则S2=FA+S1-S2受压轴承：Fa2=S2+S2=FA+S1不受压轴承：Fa1=S1,b、如果FA+S1S1=193.2(N)轴向左移，轴承正装，故1轴承受压！3、计算轴承的轴向力：受压轴承1：Fa1=S2+FA=2473.2(N)不受压轴承2：Fa2=S2=2293.2(N),4、轴向力和径向力比较：Fa1/Fr1=2473.2/276Fa2/Fr2=2293.2/3276=8.9e=0.7=0.7=eX1=0.4Y1=0.85X2=1Y2=05、当量动载荷：P1=X1Fr1+Y1Fa1P2=X2Fr2+Y2Fa2=0.4X276+0.85X2473.2=Fr2=3276(N)=2212.6(N)P2P12轴承危险,6、计算寿命,第十四章滑动轴承一、主要应用场合1、转速特别高的场合用滚动轴承的话，滚子的离心力势必很大，造成寿命急剧减低。2、载荷特别大的场合用滚动轴承的话，必须单件设计制造，成本很高。3、对轴的支承精度要求特别高的场合滑动轴承的零件少，可以比滚动轴承更精密的制造。4、承受较大冲击、振动的场合滑动轴承间隙中的油膜可以起到隔振、减振的作用。5、径向空间比较小的场合滑动轴承的径向尺寸比滚动轴承小，但轴向尺寸要大。6、特殊的支承场合，如曲轴。7、特殊的使用场合，如水下、有腐蚀的介质的场合。,二、分类1、按工作时的摩擦状态分：1）液体摩擦轴承a、液体动压滑动轴承b、液体静压滑动轴承2）非液体摩擦轴承a、边界润滑状态下的滑动轴承b、混合摩擦状态下的滑动轴承2、按润滑剂的种类分：1）液体润滑轴承2）气体润滑轴承3）半固体润滑轴承（润滑脂）4）固体润滑轴承,三、液体动压润滑基本方程获得液体摩擦有两种方法：1、在滑动表面间用足以平衡外载的压力输入润滑油，人为的把两个表面分离，用这样的方法来实现液体摩擦的轴承称为液体静压滑动轴承。2、利用两摩擦表面间的收敛间隙，靠相对的运动速度把润滑油带入其间，建立起压力油膜而平衡外载荷，把两摩擦表面分开，用这样的方法来实现液体摩擦的轴承称为液体动压滑动轴承。,13、形成动压润滑的必要条件（1）两工作表面必须形成楔形间隙；（2）间隙中必须充满具有一定粘度的润滑剂；（3）被润滑剂分隔的两表面必须有一定的相对滑动速度，并且保证润滑油从大截面流进、小截面流出。,（a）（b）（c）（d）两平板的四种情况哪种情况能形成动压油膜？,4、液体动压滑动轴承基本参数的选择（1）宽径比:B/d宽径比B/d常用范围是0.51.5，宽径比小，占用空间小，对于高速轻载的轴承，由于压强增大，对运转平稳性有利，但宽径比的减小，轴承的承载能力也随之减小。（2）相对间隙：一般情况下，相对间隙主要依据载荷和速度选取，速度高，相对间隙应大些，以减少轴承的发热。载荷大，相对间隙应小些，以提高承载能力（3）轴承压强：