機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)總論

1、第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論§2 -1機(jī)器的組成機(jī)器的組成如下:§2 -2設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序一部機(jī)器的質(zhì)量基本上決定于設(shè)計(jì)質(zhì)量，機(jī)器的設(shè)計(jì) 階段是決定機(jī)器好壞的關(guān)鍵。它是一個(gè)創(chuàng)造性的工作過 程，同時(shí)也是一個(gè)盡可能多地利用已有的成功經(jīng)驗(yàn)的工 作。作為一部完整的機(jī)器，它是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。要提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，必須有一個(gè)科學(xué)的設(shè)計(jì)程序。設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序：計(jì)劃階段方案設(shè)計(jì)階段技術(shù)設(shè)計(jì)階段技術(shù)文件編制階段§2 -3對(duì)機(jī)器的主要要求設(shè)計(jì)機(jī)器的任務(wù)是在當(dāng)前技術(shù)發(fā)展所能達(dá)到的條件下，根據(jù)生產(chǎn)及生活的需要提出的。 不管機(jī)器的類型如何，一般來說，對(duì)機(jī)器都要提出以下的基本要求：使用功能要求經(jīng)濟(jì)性要求

2、 勞動(dòng)保護(hù)要求 可靠性要求 其它專用要求§2 -4機(jī)械零件的主要失效形式失效： 機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作時(shí)失效并不單純指破壞。破壞只是失效的形式之一。 同一種機(jī)械零件的可能失效形式往往有數(shù)種機(jī)械零件常見的失效形式有：整體斷裂、過大的殘余變形、零件的表面破壞以及破壞正常工作條件引起的失效（一）整體斷裂整體斷裂是指零件在載荷作用下， 其危險(xiǎn)截面的應(yīng)力超過零件的強(qiáng)度極限而導(dǎo)致的斷裂，或在變應(yīng)力作用下，危險(xiǎn)截面發(fā)生的疲勞斷裂。（二）過大的殘余變形當(dāng)作用于零件上的應(yīng)力超過了材料的屈服極限， 零件將產(chǎn)生殘余變形。（三）零件的表面破壞零件的表面破壞主要是腐蝕、 磨損和接觸疲勞 （點(diǎn)蝕）。（

3、四）破壞正常工作條件引起的失效有些零件只有在一定的工作條件下才能正常的工作，如：?液體摩擦的滑動(dòng)軸承，只有在存在完整的潤(rùn)滑油膜時(shí)才能正常工作。? 帶傳動(dòng)只有在傳遞的有效圓周力小于臨界摩擦力時(shí)才能正常工作。高速轉(zhuǎn)動(dòng)的零件，只有在轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動(dòng)件系統(tǒng)的固有頻率 避開一個(gè)適當(dāng)?shù)拈g隔才能正常工作。零件在工作時(shí)會(huì)發(fā)生那一種失效，這與零件的工作環(huán) 境、載荷性質(zhì)等很多因素有關(guān)。有統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，一般機(jī)械零件的失效主要是由于疲 勞、磨損、腐蝕等因素引起。§2 -5設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足的基本要求機(jī)器是由各種各樣的零部件組成的，要使所設(shè)計(jì)的機(jī) 器滿足基本要求，就必須使組成機(jī)器的零件滿足以下要求 避免在預(yù)定壽命

4、期內(nèi)失效的要求 應(yīng)保證零件有足夠的強(qiáng)度、剛度、壽命。結(jié)構(gòu)工藝性要求設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)便于加工和裝配經(jīng)濟(jì)性要求零件應(yīng)有合理的生產(chǎn)加工和使用維護(hù)的成本。質(zhì)量小的要求質(zhì)量小則可節(jié)約材料，質(zhì)量小則靈活、輕便。可靠性要求應(yīng)降低零件發(fā)生故障的可能性（概率） 。§2 -6機(jī)械零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)零件時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)零件的失效形式確定其設(shè)計(jì) 準(zhǔn)則以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。一般來講，有以下幾種準(zhǔn) 則：強(qiáng)度準(zhǔn)則確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過大的塑性變形，是最基 本的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。剛度準(zhǔn)則確保零件不發(fā)生過大的彈性變形。壽命準(zhǔn)則通常與零件的疲勞、磨損、腐蝕相關(guān)。振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則高速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)應(yīng)注重此項(xiàng)準(zhǔn)則?？煽啃詼?zhǔn)則當(dāng)計(jì)及隨

5、機(jī)因素影響時(shí)，仍應(yīng)確保上述各項(xiàng)準(zhǔn)則。§2 -7機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法通常分為常規(guī)設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)代設(shè) 計(jì)方法兩大類。常規(guī)設(shè)計(jì)方法是指采用一定的理論分析和計(jì)算，結(jié)合人們?cè)陂L(zhǎng)期的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出的方法、公式、圖表等進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。它又可分為：? 理論設(shè)計(jì)? 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)? 模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是指在近二、三十年發(fā)展起來的更為完善、科學(xué)、計(jì)算精度高、設(shè)計(jì)與計(jì)算速度更快的機(jī)械設(shè)計(jì)方法。如機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)§2 -8機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟機(jī)械零件的設(shè)計(jì)一般要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟：1. 選擇零件類型、結(jié)構(gòu)2. 計(jì)算零件上的載荷3. 確定計(jì)算準(zhǔn)則4 選

6、擇零件的材料5. 確定零件的基本尺寸6. 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)7. 校 核 計(jì) 算8. 畫出零件工作圖9. 寫出計(jì)算說明書§2 -8機(jī)械零件材料的選用原則一、常用材料金屬材料黑色金屬：灰鑄鐵、球墨鑄鐵 (如： HT300 QT500-5)低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼 (如： 08F 45 601Cr18)有色金屬，鋁 (LY12) 、銅 (ZCuSn10P1) .非金屬材料高分子材料：塑料、橡膠、合成纖維陶瓷：強(qiáng)如鋼、輕如鋁、硬如金剛石 復(fù)合材料：強(qiáng)度高、彈性模量大、質(zhì)量輕二、機(jī)械零件材料的選用原則載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì)零件的尺寸及重量9材料的經(jīng)濟(jì)性 零件的工作情況 零件的結(jié)構(gòu)及加工性&

7、#167;2 -9機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化就是要通過對(duì)零件的尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料性 能、設(shè)計(jì)方法、 制圖要求等， 制定出大家共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)。 標(biāo)準(zhǔn)化的益處： 標(biāo)準(zhǔn)化有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量，減輕設(shè)計(jì)工作量，便于 零部件的互換和組織專業(yè)化的大生產(chǎn)，以降低生產(chǎn)成本。與設(shè)計(jì)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn) :國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等如： ISO GBJB、HB QB國(guó)標(biāo)分為：強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)和推薦標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：代號(hào)為 GB xxxx（為標(biāo)準(zhǔn)序號(hào)）XXXX（為批準(zhǔn)年代）強(qiáng)制性國(guó)標(biāo)必須嚴(yán)格遵照?qǐng)?zhí)行，否則就是違法。 推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：代號(hào)為 GBT XXXXXXXX 這類標(biāo)準(zhǔn)占整個(gè)國(guó)標(biāo)中的絕大多數(shù)。 如無特殊理由和特

8、 殊需要，必須遵守這些國(guó)標(biāo)，以期取得事半功倍的效果。傳動(dòng)裝置在原動(dòng)件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間傳遞運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)換運(yùn) 動(dòng)方式的裝置。機(jī)械傳動(dòng)裝置是本課程研究的主要內(nèi)容之一。第二節(jié)機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則【幾個(gè)概念】1. 失效：一一機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作 時(shí)，稱為失效 失效并不單純指破壞。破壞只是失效的形式之一。機(jī) 械零件可能的失效形式很多：強(qiáng)度、剛度、耐磨性、振 動(dòng)穩(wěn)定性、聯(lián)接的松動(dòng)以及可靠性等。同一種機(jī)械零件的可能失效形式往往有數(shù)種2. 工作能力：一一機(jī)械零件不發(fā)生失效的安全工作限度。3. 承載能力： 對(duì)載荷而言的工作能力。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證所設(shè)計(jì)的機(jī)械零件在正常工作中不發(fā)生 任何失效。為此對(duì)于每種失效形式

9、都制定了防止這種失效應(yīng)滿 足的條件，這樣的條件就是所謂的工作能力計(jì)算準(zhǔn)則。它是設(shè) 計(jì)機(jī)械零件的理論依據(jù)。在機(jī)械零件的設(shè)計(jì)中，最終是要確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸。通 常情況下，都希望尺寸小、重量輕，同時(shí)又不能在工作中發(fā)生 任何失效。設(shè)計(jì)時(shí)就需要進(jìn)行必要的計(jì)算。常用的計(jì)算方法有 兩種：1. 設(shè)計(jì)計(jì)算：一一先分析零件的可能失效形式，根據(jù)該失 效形式的計(jì)算準(zhǔn)則通過計(jì)算確定零件的機(jī)構(gòu)尺寸。2. 校核計(jì)算：一一先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸，然 后在驗(yàn)算零件是否滿足計(jì)算準(zhǔn)則。 如不滿足，則應(yīng)修改零件的 尺寸。一、載荷和應(yīng)力的分類1. 載荷載荷分為靜載荷和變載荷。動(dòng)載荷：由于運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等引起的載荷 名義

10、載荷：在理想平穩(wěn)條件下，用力學(xué)公式求出的載荷。 計(jì)算載荷：=載荷系數(shù)K X名義載荷。其中載荷系數(shù) K用 于計(jì)入在實(shí)際工作中機(jī)械零件受到的各種動(dòng)載荷的影響。2. 應(yīng)力.廠靜應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力（r=- 1恒幅循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力r=0V 循環(huán)變應(yīng)力非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力匕變應(yīng)力 變幅循環(huán)變應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力需注意：變應(yīng)力由變載荷產(chǎn)生，也可由靜載荷產(chǎn)生。名義應(yīng)力：根據(jù)名義載荷求得的應(yīng)力。計(jì)算應(yīng)力：根據(jù)計(jì)算載荷求得的應(yīng)力。表示的是零件在工 作中實(shí)際受到的應(yīng)力。二、機(jī)械零件的強(qiáng)度1. 強(qiáng)度準(zhǔn)則強(qiáng)度：指機(jī)械零件工作時(shí)抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。機(jī)械零件的強(qiáng)度準(zhǔn)則有兩種表示方法:1):二 w 卜 I二丄-S12)

11、s > SS ；丁limco式中：-最大計(jì)算應(yīng)力；!一許用應(yīng)力；Gim 極限應(yīng)力；S計(jì)算安全系數(shù)；S 1許用安全系數(shù)；對(duì)于一個(gè)具體的機(jī)械零件而言，兩差值 41 匚和S S可 稱為安全裕度。其大小表示零件安全的程度。一當(dāng)計(jì)算應(yīng)力二相同時(shí)，二：越大，則越安全。當(dāng)許用應(yīng)力L-相同時(shí)，二越大，則越安全。2. 靜應(yīng)力下的強(qiáng)度在靜應(yīng)力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性變 形或斷裂。材料不同，所取極限應(yīng)力也不同：lim塑性材料單向應(yīng)力y-復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下: lim = s按第三或第四強(qiáng)度理論計(jì)1 6算當(dāng)量應(yīng)力脆性材料Clim復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下: lim = b按第一強(qiáng)度理論計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力3. 變應(yīng)力下的強(qiáng)度

12、計(jì)算變應(yīng)力下的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)取 二訕二疲勞極限二rN （詳見第二章）4. 許用安全系數(shù)合理選擇許用安全系數(shù)是設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作。is 1過大，則機(jī)器會(huì)過于笨重；S1過小，可能不安全。因此，在保 證安全的前提下，應(yīng)盡可能選用較小的許用安全系數(shù)。S啲取值主要受下列因素的影響：1） 計(jì)算的準(zhǔn)確性；2）材料的均勻性；3）零件的重要 性。1）對(duì)于塑性材料和組織不均勻的材料（如灰鑄鐵），在計(jì) 算其靜強(qiáng)度時(shí)可不考慮應(yīng)力集中的影響。2）對(duì)于組織均勻的低塑性材料（如淬火鋼），在計(jì)算其靜 強(qiáng)度時(shí)應(yīng)考慮應(yīng)力集中的影響。三、機(jī)械零件的表面強(qiáng)度1. 表面接觸疲勞強(qiáng)度對(duì)于高副接觸的機(jī)械零件，理論上是點(diǎn)、線接觸，但實(shí)際 上在

13、載荷作用下材料發(fā)生彈性變形后， 理論上的點(diǎn)、線接觸變 成了很小的面接觸，在接觸處局部會(huì)產(chǎn)生很高的應(yīng)力，這樣的 應(yīng)力稱為表面接觸應(yīng)力，用表示。二H的大小用赫茲公式計(jì) 算，見教材。實(shí)際中的高副零件所受的接觸應(yīng)力都是循環(huán)變化的，例如 齒輪的輪齒，接觸嚙合時(shí)受應(yīng)力作用，脫離嚙合時(shí)不受應(yīng)力作 用。在接觸循環(huán)應(yīng)力作用下的強(qiáng)度稱為表面接觸疲勞強(qiáng)度。強(qiáng) 度條件為：之后裂紋沿著在接觸循環(huán)應(yīng)力作用下， 首先在金屬表面上形成很小的微裂紋，與表面成銳角的方向發(fā)展， 當(dāng)?shù)竭_(dá)一定深度后， 又越出零件表面，最后有小片的金 屬剝落下來，在零件的表面形成小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞點(diǎn)蝕(簡(jiǎn)稱點(diǎn)蝕)。點(diǎn)蝕是接觸應(yīng)力作用下的失效形式，屬

14、于疲勞破壞。點(diǎn)蝕的危害：1) 破壞零件的光滑表面，引起振動(dòng)和噪音。2) 減小零件的有效工作面積。2. 表面擠壓強(qiáng)度當(dāng)兩零件之間為面接觸時(shí)，在載荷作用下表面產(chǎn)生的應(yīng)力 稱為擠壓應(yīng)力，用二p表示。在擠壓應(yīng)力作用下的強(qiáng)度稱為擠壓 強(qiáng)度，其強(qiáng)度條件為：二 p二 p 】擠壓應(yīng)力過大時(shí)，接觸面將產(chǎn)生“壓潰”失效。相互擠壓 表面上的擠壓應(yīng)力相等。四、機(jī)械零件的剛度剛度是指機(jī)械零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。如 果零件的剛度不足，則有的零件會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生過大的彈性變形而 失效。例如：機(jī)床的主軸如產(chǎn)生過大的彈性變性會(huì)影響所加工 工件的精度；剛度條件為：實(shí)際變形量w 許用變形量式中：實(shí)際變形量可用相關(guān)理論計(jì)算或由實(shí)驗(yàn)方法確定。 許用變形量是保證正常工作所允許的變形量。注意： 1）零件材料的彈性模量 E 越大，則其剛度越大。2）用合金鋼的代替碳鋼雖能提高零件的強(qiáng)度，但不能提 高零件的剛度。五、振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則機(jī)械零件周期性產(chǎn)生彈性變形的現(xiàn)象稱為振動(dòng)。當(dāng)作用在 零件上的周期性外力的變化頻率接近或等于零件自身的自激 振動(dòng)頻率時(shí)，便發(fā)生共振，導(dǎo)致零件失效。這種現(xiàn)象稱之為“失 去振動(dòng)穩(wěn)定性”。振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則：應(yīng)使受激振作用零件的自激振動(dòng)頻率遠(yuǎn) 離外力變化的頻率。即fF v 0.8