机械设计实用培训课程

机械设计课程的主要内容总论齿轮传动轴及轴系零、部件蜗杆传动带传动链传动联轴器、离合器和制动器联接机械零部件的润滑与密封弹簧机械系统总体方案设计机械系统的组成(1)动力系统提供动力、实施能量转换如：水轮机电动机机械能水能(自然界能源)电能(二次能源)(2)传动系统将动力机的动力和运动传递给执行系统的中间装置功能：减速变速传递动力改变运动规律多驱动(3)执行系统直接完成预定任务的装置(4)操纵及控制系统使各部分协调动作(5)辅助装置如冷却、润滑、记数、照明机械能性质和任务1.性质2.任务3.机械零件设计的步骤机类各专业重要的技术基础课树立正确的设计思想和设计方法具有初步设计传动装置和简单机械的能力了解机械系统总体方案的设计过程失效：零件失去正常工作的能力计算准则：衡量零件工作能力的指标受力分析选择材料确定计算准则技术文档理论计算(参数设计)结构设计约束条件式如强度准则1.载荷一、载荷和应力机械设计中的强度问题机器正常工作时所受的实际载荷(一般难以确定)名义载荷：工作载荷：计算载荷：载荷系数(考虑各种附加载荷)按原动机功率求得(理想状态)功率kW转速r/min2.应力静应力：不随时间而变的应力变应力：随时间而变的应力稳定循环：不稳定循环：随机：不随时间变之一随时间变变化无规律3.几种稳定循环变应力)(1)变应力参数(以正应力为例、可将替换(2)对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力(3)脉动循环变应力最大应力最小应力应力幅平均应力已知2个参数可确定其余参数循环特征非对称循环变应力(4)静应力二、静应力作用下的强度条件1.危险剖面的应力正应力：剪应力：极限应力脆性材料取强度极限塑性材料取屈服极限2.危险剖面的安全系数三、变应力作用下的强度条件1.静、变应力下的零件损坏和极限应力(2)极限应力静应力极限应力：与材料性能有关变应力疲劳极限：与材料有关外，还与循环特征r、应力循环次数N、应力集中、绝对尺寸、表面状态有关(1)零件损坏机理静应力作用下：危险剖面塑性变形或断裂变应力作用下：疲劳断裂零件表面应力超过极限值微裂纹扩展断裂2.不同循环次数N时的疲劳极限(1)疲劳曲线在循环特征为r的变应力作用下对一组试样作疲劳试验一个值记录下试样破坏的值(2)循环基数当值小到某一数值时，“无数”次循环试样都不会疲劳破坏，则用替代“无数”次。如碳钢(3)材料疲劳极限与对应的值曲线方程：(4)不同N的疲劳极限当时当时3.不同应力循环特征r时的疲劳极限材料的极限应力简图零件的疲劳极限则结论：对于塑性材料对于脆性材料以上正应力公式，用替代则对剪应力同样适用。齿轮传动齿轮传动闭式传动开式传动半开式传动—封闭在箱体内，润滑条件好—外露，润滑较差，易磨损—介于上两者之间,有防护罩齿轮传动的特点优点：传递功率和转速适用范围广；具有稳定的传动比；效率高、结构紧凑。缺点：制造成本较高；精度低时，噪声和振动较大；不宜用于轴间距离较大的传动。齿轮传动动失效形形式和设设计准则则一、失效效1、轮齿折断★疲劳折断★过载折断全齿折断—常发生于齿宽较小的直齿轮局部折断—常发生于齿宽较大的直齿轮，和斜齿轮措施：增大齿根圆角半径、提高齿面精度、正变位、增大模数等2、齿面疲劳点蚀★点蚀常发生于闭式软齿面（HBS≤350）传动中★点蚀的形成与润滑油的存在密切相关★点蚀常发生于偏向齿根的节线附近★开式传动中一般不会出现点蚀现象措施：提高齿面硬度和齿面质量等3、齿面胶合配对齿轮采用异种金属时，其抗胶合能力比同种金属强措施：采用异种金属、降低齿高、提高齿面硬度等5、齿面塑性变形措施：提高齿面硬度，采用油性好的润滑油4、齿面磨损是开式传动的主要失效形式措施：改善润滑和密封条件二、齿轮轮传动的的设计准准则主要针对疲劳折断和齿面点蚀这两种失效形式齿根弯曲疲劳强度—齿轮抵抗轮齿疲劳折断的能力齿面接触疲劳强度—齿轮抵抗齿面疲劳点蚀的能力开式齿轮轮传动采采用准则则二，但但不校核核齿面接接触强度度设计准则一：对于闭式软齿面（HBS≤350）传动，主要失效形式是齿面点蚀，所以按齿面接触疲劳强度设计，而校核齿根弯曲疲劳强度。设计准则二：对于闭式硬齿面（HBS>350）传动，主要失效形式是齿根弯曲疲劳折断，所以按齿根弯曲疲劳强度设计，而校核齿面接触疲劳强度。直齿圆柱柱齿轮传传动的受受力分析析及计算算载荷一、轮齿齿受力分分析条件：标标准齿轮轮并忽略略齿面间间的摩擦擦力圆周力—径向力—法向力—各力方向：Ft1与主动轮回转方向相反Ft2与从动轮回转方向相同Fr1、Fr2分别指向各自齿轮的轮心各力关系：Fr1=-Fr2Ft1=-

Ft2Fn1=-Fn2二、计算算载荷FncK=KAKvKαKβFnc=KFn=KFt/cosα

三、齿面面接触疲疲劳强度度计算强度条件件：σH≤σHP（校核式式）讨论：齿面接触触疲劳强强度主要要取决于于分度圆圆直径d齿宽b的大小应应适当，，b过大会引引起偏载载令：ψd=b/d1—齿宽系数软齿面、对称布置：ψd=0.8~1.4非对称布置：ψd=0.6~1.2悬臂布置、开式传动：ψd=0.3~0.4直齿轮取小斜齿轮取大硬齿面降低50%模数的大大小对接接触强度度无直接接影响d越大，接触强度σH越小,越大设计式：：σH1=σH2，而σHP1≠σHP2设计时，σHP=min{σHP1,σHP2}求出d1→选择z→计算m=d1/z1为便于装装配，取取b1=b2+(5~10)mmb2=ψd

d1b1=b2b1>b2四、齿根根弯曲疲疲劳强度度计算σF≤σFP校核式：设计式：讨论：：影响齿根弯曲疲劳强度的主要参数是模数mm↑→弯曲强度→齿厚s→截面积↑→σF配对的大小齿轮的弯曲应力不等计算模数时，比较与的大小，代入大值单侧受受载时时，σF看成脉脉动循循环，，双侧侧受载载时，，σF看成对对称循循环五、提提高高齿面面接触触、齿齿根弯弯曲疲疲劳强强度的的主要要措施施斜齿轮轮的特特点——轮轮齿齿呈螺螺旋形形；啮啮合时时接触触线倾倾斜斜齿圆圆柱齿齿轮传传动的的强度度计算算一、斜斜齿圆圆柱齿齿轮传传动的的受力力分析析圆周力径向力轴向力法向力αn—法面压力角αt—端面压力角β—螺旋角各力关系：21各力方向：Ft、Fr与直齿轮相同Fa—决定于齿轮的转向和轮齿的旋向例：n2n1Fr2Fr1Ft1Ft2n1n2Fa2Fa1用“主动轮左、右手定则”判断二、齿齿面接接触疲疲劳强强度计计算斜齿轮的强度当量直齿圆柱齿轮的强度相当于当量直齿圆柱齿轮：模数=斜齿轮法面模数mn

压力角=斜齿轮法面压力角αn齿数=当量齿数zv=z/cos3β分度圆直径

dv=d/cos2β法向力=斜齿轮的法向力Fn把斜齿圆圆柱齿齿轮的强度度计算算问题题转化化成直齿圆圆柱齿齿轮的强度度计算算问题题引入齿宽系数ψ

d=b/d1，得设计式：校核式：相同条条件下下，斜斜齿轮轮接触触应力力比直直齿轮轮小,故斜齿轮轮接触触强度度比直直齿轮轮大原因：●重合度大，同时啮合的齿数多●接触线是倾斜的●当量齿轮直径大，齿廓平直斜齿轮轮的弯弯曲强强度也也按当量齿齿轮进行三、齿齿根弯弯曲疲疲劳强强度强强度计计算校核式：设计式：注意：●

YFS应按ZV=Z/cos3β查取●设计时代入YFS1YFa1/σFP1与YFS2YFa2/σFP2中的大值结论：◎斜齿轮的强度等同于其当量直齿轮的强度◎条件相同时,斜齿轮的强度大于直齿轮(β的影响)一、直直齿锥锥齿轮轮传动动受力力分析析作用于齿宽中点的法向力分解成三个分力：圆周力径向力轴向力直齿圆圆锥齿齿轮传传动的的强度度计算算各力方向：Ft、Fr与圆柱齿轮相同Fa1、Fa2—分别指向各自齿轮的大端各力关系：校核式：设计式：同直齿轮校核式：设计式：按当量齿数查图表三、齿齿根弯弯曲疲疲劳强强度强强度计计算二、齿齿面接接触疲疲劳强强度计计算挠性传动通过环形曳引元件，在两个或多个传动轮之间传递运动和动力的传动。主要包含带传动、链传动和绳传动按工作原理可分为：摩擦型传动靠曳引元件与传动轮表面间的摩擦力来传递运动和动力靠特殊形状的曳引元件与传动轮轮齿的啮合来传递运动和动力啮合型传动带传动动二、带传动的特点：1、带具有弹性，能吸振，传动平稳，噪声小2、过载时带在带轮上打滑，可保护其它零件，起安全保护作用3、适用于中心距较大的场合4、结构简单，装拆方便，成本较低6、带在带轮上有相对滑动，传动比不恒定7、传动效率低，带的寿命较短8、传动的外廓尺寸大9、需要张紧，支承带轮的轴和轴承受力较大10、不宜用于高温、易燃等场合三、带带传动动的受受力分分析带未工作之前，以一定的初拉力张紧在带轮上，设初拉力为带工作时，两边拉力不再相等，紧边拉力由增加到，松边拉力由减小到FfF0F0F1F2n1n2Ff带工作作前：：带工作作时：：由于带是弹性体，且带的总长不变，因此紧边拉力增量应等于松边拉力减量，即：所以有：有效拉力也即带所能传递的圆周力，等于接触面间的摩擦力总和，为紧边、松边的拉力差设带传递的功率为P，带速为v,则所需带的有效拉力为：或要让带能正常工作，必须使：当带与带轮间的摩擦力达到极限值时，紧边拉力与松边拉力可用欧拉公式表示：极限摩擦力与下列因素有关：1、初拉力。越大，传动时的摩擦力也越大。2、包角.包角越大，极限摩擦力也越大。3、摩擦系数。越大，就越大。思考题题：如何提提高带带的承承载能能力？？F0不能太太大，，否则则带的的压轴轴力也大，，带的的寿命命降低低；F0不能太太小，，否则则带的的传动动能力不能能充分分发挥挥，容容易打打滑。。四、传传动带带的应应力分分析1、拉应力：紧边松边两者相相差越越大，，带越易易产生生疲劳破坏坏！2、离心拉应力：V越大，，带往往外甩甩得越越厉害害，承承载能能力下下降,所以以：v<25m/s3、弯曲应力：为控制制带中中的弯弯曲应应力不不宜过过大，，因此此必须须限制制小带带轮的的最小小直径径dd1带在预期寿命内不发生疲劳破坏的条件：

五、带带传动动的弹弹性滑滑动与与打滑滑弹性滑动带是弹性体，受力后发生弹性变形，由于紧边和松边拉力不等，导致带在带轮上有微小的相对滑移现象。后果从动轮的圆周速度下降功率损失、降低传动效率增加带的磨损滑动率：由于弹性滑动引起从动轮的圆周速度的相对降低量故带传动的传动比应为：从动轮的直径和转速分别为：在要求较高的场合，按上式计算带轮直径，圆整即可；在要求不高的场合，可用下式算带轮直径，再取标准值。2、打滑当带传递的载荷增大，有效拉力也相应增大，如果有效拉力达到或超过极限摩擦力时，相对滑动将在整个接触弧上发生，导致带传动失效的现象称为打滑。带传动动运动动不平平稳，，带磨磨损相相当厉厉害，，应当当避免免什么是是弹性性滑动动？什什么是是打滑滑？它它们们有何何区别别？六、带带传动动的主主要失失效形形式及及计算算准则则1）打滑2）疲劳破坏1、主要失效形式2、计算准则既不打滑，由具有一定的疲劳强度和寿命七、带带传动动的设设计———带带的型型号、、根数数、长长度等等2、不打滑条件1、疲劳强度条件或1.概述挠性传动带传动链传动套筒滚子链与带传传动相相比、、链传传动具具有：：(1)没有滑动，平均传动比准确(2)张紧力小，故轴上受力小(3)能在高温、潮湿、油污等恶劣环境下工作(4)工作时有冲击和噪音，不宜在高速中使用(5)价昂链传动动工作作情况况分析析链的平均速度平均传动比2.链链传传动的的平均均传动动比3.链链传传动运运动的的不均均匀性性每一链节从进入到脱离啮合，链条前进的瞬时速度周期性由小－大－小变化范围瞬时速度变化垂直分速度亦周期性变化，链条抖动链轮转速越高节距越大(齿数越少)链传动的动载荷越大4.链链传传动的的失效效及其其设计计准则则与带传传动设设计类类似，确定定不发发生失失效的的链条条规格格(链链号)设计准准则：：转速链额定功率链号（节距）失效形式：(3)多次冲击破断(5)过载拉断(4)胶合(2)链的疲劳破坏(1)铰链磨损轴一、轴轴的功功能及及分类类支撑回转类零件，并使其有确定的工作位置，传递运动和动力。功能：分类：1、按载荷性质心轴传动轴转轴只承受弯矩不传递转矩只传递转矩不承受弯矩或弯矩很小即承受弯矩又传递转矩二、轴轴的失失效形形式疲劳断裂受弯矩或扭矩作用的轴其应力多为变应力，在变应力的反复作用下轴易发生疲劳断裂塑性变形瞬时过载很大，应力状态接近静应力三、轴轴的设设计步步骤选择材料估算轴的最小直径结构设计刚度强度验算1、按扭转强度估算轴径2、按按经验验公式式估算算最小小轴径径对于一一般减减速装装置中中的轴轴，和和电机机相连连的高高速轴轴最小小直径径可用用电机机轴径径估算算:各低速速轴最最小直直径可可按同同级齿齿轮中中心距距估算算:d=（（0.8~1.2））Dd=(0.3~0.4)a轴的结结构设设计目的:1、合理定出轴各部分的几何形状和尺寸2、轴上零件要准确定位和可靠的固定3、提高轴的结构工艺性4、提高轴的强度和刚度一、轴轴上零零件的的轴向向定位位和固固定的的方法法二、轴轴上零零件的的周向向定位位和固固定三、轴轴的结结构工工艺性性1、为为了装装拆的的方便便，轴轴及轴轴肩的的端部部应加加工出出必要要的倒倒角；；2、为为了加加工的的方便便，应应使同同一轴轴上的的圆角角、倒倒角、、键槽槽、越越程槽槽、退退刀槽槽等尺尺寸一一致；；3、同同一轴轴上，，键槽应应开在在同一一条母母线上上。需需磨削削的轴轴段应应有砂砂轮越越程槽槽；需需切削削螺纹纹的轴轴段应应有退退刀槽槽。4、为为了便便于加加工和和检验验，轴轴的直直径应应取圆圆整值值；与与滚动动轴承承相配配合的的轴段段直径径应符符合轴轴承内内径标标准；；有螺螺纹的的轴段段直径径应符符合螺螺纹标标准直直径。。四、提提高轴轴的强强度和和刚度度1、减减小应应力集集中2、改改善轴轴的表表面质质量3、改改善轴轴的受受力状状况A）适适当增增大圆圆角半半径B）凹凹切圆圆角C）肩肩环结结构可采用用辗压压、喷喷丸、、渗碳淬火火、氮氮化、、高频频淬火等方方法1）改改善轴轴上零零件结结构2）减减小轴轴上载载荷3）改改善应应力特特征轴的强强度验验算验算方法：弯扭合成法对于一一般钢钢制的的转轴轴，同同时受受弯矩矩和扭扭矩的的作用用，可可以用用第三三强度度理论论求危危险截截面上上的当当量应应力：：对于一一般的的转轴轴，b为