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機(jī)械設(shè)計(jì) MachineDesign 第一篇總論 第一章緒論 第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論 第三章機(jī)械零件的強(qiáng)度 第四章摩擦 磨損及潤(rùn)滑概述 第一章機(jī)械設(shè)計(jì)概論 1 1引言 1 2機(jī)器的基本組成要素 1 3本課程的內(nèi)容 性質(zhì)與任務(wù) 1 3機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則 1 1引言 1 1引言 機(jī)械工業(yè)的生產(chǎn)水平是一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)水平的重要標(biāo)志 機(jī)械工業(yè)肩負(fù)著為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)提供裝備和促進(jìn)技術(shù)改造的重任 大量地設(shè)計(jì)制造和廣泛采用各種先進(jìn)的機(jī)器 可大大促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的力度 加速我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè) 人類社會(huì)的進(jìn)步源于不斷地創(chuàng)新 產(chǎn)品的創(chuàng)新首先是從設(shè)計(jì)工作開(kāi)始的 設(shè)計(jì)是生產(chǎn)產(chǎn)品的第一道工序 要想生產(chǎn)出好的產(chǎn)品 首先要有好的設(shè)計(jì) 機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械工程的 靈魂 1 3本課程的性質(zhì)和內(nèi)容和特點(diǎn) 1 2本課程的性質(zhì) 內(nèi)容和特點(diǎn) 一 本課程的性質(zhì)和內(nèi)容本課程是研究機(jī)械裝置和機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題 培養(yǎng)同學(xué)們具有機(jī)械設(shè)計(jì)能力的技術(shù)基礎(chǔ)課 是機(jī)械類專業(yè)的一門(mén)非常重要的主干課 機(jī)械零件的設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ) 是機(jī)械設(shè)計(jì)的重要組成部分 本課程是一門(mén)適用性廣 實(shí)用性強(qiáng)的設(shè)計(jì)性課程 主要介紹通用零件的基本設(shè)計(jì)方法 本課程的基本教學(xué)內(nèi)容主要是通用零件的設(shè)計(jì)和計(jì)算 本課程的最終目的在于培養(yǎng)同學(xué)們綜合運(yùn)用各種機(jī)械零件和機(jī)構(gòu)以及其他先修課的知識(shí) 設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置和簡(jiǎn)單機(jī)械的能力 三 本課程的特點(diǎn) 涉及面廣關(guān)系多 與諸多先修課關(guān)系密切 要求多 設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器或零件時(shí) 應(yīng)同時(shí)滿足強(qiáng)度 剛度 耐磨性 工藝 等各方面的要求 門(mén)類多 典型的通用零件多 類型多 各類零件 設(shè)計(jì)方法各有不同 公式多 除了定義式以外 對(duì)于大多數(shù)公式著重于公式的應(yīng)用 不強(qiáng)調(diào)公式的推導(dǎo) 圖表多 要求能看懂 會(huì)用 了解適用的范圍和變化趨勢(shì) 實(shí)踐性強(qiáng) 不僅要讀懂書(shū) 還要多聯(lián)系實(shí)際 要注重實(shí)踐性環(huán)節(jié) 無(wú)重點(diǎn) 又都是重點(diǎn) 設(shè)計(jì)工作必須詳盡 細(xì)小的疏忽也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故 設(shè)計(jì)問(wèn)題無(wú)統(tǒng)一答案 更多地談?wù)撜l(shuí)設(shè)計(jì)得更好 要注意發(fā)展求異思維 1 2本課程的性質(zhì) 內(nèi)容和特點(diǎn) 本課程的特點(diǎn) 四 注意的幾個(gè)問(wèn)題 著重學(xué)習(xí)零件的設(shè)計(jì)方法以及零件參數(shù)的合理選擇 除了理論分析和計(jì)算以外 更應(yīng)重視零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí) 設(shè)計(jì)決非只是計(jì)算 性能要求與經(jīng)濟(jì)性 永遠(yuǎn)是一對(duì)矛盾 應(yīng)學(xué)會(huì)合理地解決這一對(duì)矛盾 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì) 二者均重要 前者是后者的基礎(chǔ) 1 2本課程的性質(zhì) 內(nèi)容和特點(diǎn) 注意的問(wèn)題 傳動(dòng)裝置 在原動(dòng)機(jī)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 第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論 2 1機(jī)器的組成 1 2機(jī)器的基本組成要素 2 2機(jī)器的基本組成要素 機(jī)械 機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱 機(jī)械零件 是機(jī)器的制造單元 分為 通用零件 各種機(jī)器中常用的 是本課程的主要學(xué)習(xí)對(duì)象 例如 齒輪 鏈傳動(dòng) 帶傳動(dòng) 軸 聯(lián)軸器軸承 螺栓 鍵 鉚 焊結(jié)構(gòu)件 彈簧等 專用零件 只在某些特定的機(jī)器中才用到的 在有關(guān)專業(yè)課中學(xué)習(xí) 例如 葉片 曲軸等 部件 為完成同一使命在結(jié)構(gòu)上組合在一起并協(xié)同工作的零件 例如 滾動(dòng)軸承 減速器等 機(jī)械零件 常用泛指零件和部件 2 3設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序和基本原則 一般程序 對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)器需求情況進(jìn)行充分調(diào)查分析 明確機(jī)器功能及約束條件 形成設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 分析機(jī)器功能 確定功能參數(shù) 擬定多種方案并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià) 確定原動(dòng)機(jī)參數(shù)及各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù) 確定主要零件上的載荷大小 特性 依工作能力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則初步完成零件基本尺寸的確定 作出零部件裝配草圖及總裝配圖 完成主要零件的校核計(jì)算 編制設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū) 使用說(shuō)明書(shū)及其它技術(shù)文件 下一頁(yè) 2 3設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序和基本原則 基本要求 機(jī)器組成 功能要求 經(jīng)濟(jì)要求 勞動(dòng)保護(hù)要求 可靠性要求 其它要求 下一頁(yè) 2 4設(shè)計(jì)機(jī)械零件的基本要求及設(shè)計(jì)方法和步驟 基本要求 設(shè)計(jì)方法 2 4設(shè)計(jì)機(jī)械零件的基本要求及設(shè)計(jì)方法和步驟 設(shè)計(jì)步驟 1 根據(jù)機(jī)器具體工作情況確定作用在零件上的名義載荷及計(jì)算載荷 名義載荷 用力學(xué)公式計(jì)算出的載荷 計(jì)算載荷 考慮實(shí)際工作條件影響的載荷 2 選擇零件材料 3 由失效形式確定計(jì)算準(zhǔn)則并依此確定零件主要尺寸 4 進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行詳細(xì)校核計(jì)算 6 繪制工作圖 總目錄 上一頁(yè) 下一頁(yè) 2 5機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則 一 幾個(gè)名詞 1 失效 機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作時(shí) 稱為失效 注意 a 失效并不單純指破壞 破壞只是失效的形式之一 機(jī)械零件的可能失效形式很多 歸納起來(lái)主要有強(qiáng)度 剛度 耐磨性 振動(dòng)穩(wěn)定性以及溫度等方面的失效 b 同一種零件可能的失效形式往往有若干種 例如 軸在工作中可能產(chǎn)生斷裂 過(guò)大彈性變形 共振等失效 2 工作能力 即機(jī)械零件在一定條件下抵抗失效的能力 3 承載能力 對(duì)載荷而言的工作能力 也就是用載荷表示的工作能力 4 工作能力計(jì)算準(zhǔn)則 為防止機(jī)械零件發(fā)生某種失效而應(yīng)滿足的條件 也可以理解為是機(jī)械零件不發(fā)生失效的 安全條件 是設(shè)計(jì)零件時(shí)的理論依據(jù) 載荷和應(yīng)力1 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則 為了防止機(jī)械零件在工作中產(chǎn)生失效 設(shè)計(jì)時(shí) 需要以零件的工作能力計(jì)算準(zhǔn)則為依據(jù)進(jìn)行必要的計(jì)算 常用的計(jì)算方法 過(guò)程 有兩種 5 設(shè)計(jì)計(jì)算 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(guò)計(jì)算確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸 6 校核計(jì)算 先確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸 然后再驗(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 二 載荷和應(yīng)力 1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稱為動(dòng)載荷 靜載荷 變載荷 按是否考慮動(dòng)載荷的影響 載荷分為 載荷和應(yīng)力2 名義載荷 在理想平穩(wěn)條件下所受的載荷 不考慮動(dòng)載荷的影響 計(jì)算載荷 載荷系數(shù)K 名義載荷 代表機(jī)器或零件實(shí)際所受載荷 載荷系數(shù)K 用于計(jì)入在實(shí)際工作中受到的各種動(dòng)載荷的影響 額定載荷 由原動(dòng)機(jī)的額定功率推算出的載荷 2應(yīng)力 應(yīng)力分為 靜應(yīng)力 循環(huán)應(yīng)力 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則 循環(huán)應(yīng)力 載荷和應(yīng)力3 對(duì)稱循環(huán) 脈動(dòng)循環(huán) 常見(jiàn)的循環(huán)應(yīng)力有 靜應(yīng)力 可看作是循環(huán)應(yīng)力的一個(gè)特例 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則 注 靜應(yīng)力只在靜載荷作用下產(chǎn)生 循環(huán)應(yīng)力可由變載荷產(chǎn)生 也可由靜載荷產(chǎn)生 強(qiáng)度準(zhǔn)則 三 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 強(qiáng)度條件有兩種表示方法 1 用應(yīng)力表示 2 用安全系數(shù)表示 注 對(duì)于切應(yīng)力 只須將上述各公式中的換成即可 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則 靜應(yīng)力下的強(qiáng)度 1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 材料種類不同 所取極限應(yīng)力也不同 復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下 按第三或第四強(qiáng)度理論計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力 復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下 按第一強(qiáng)度理論計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則 注 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)算靜強(qiáng)度時(shí) 應(yīng)考慮應(yīng)力集中的影響 接觸強(qiáng)度 2循環(huán)應(yīng)力下的強(qiáng)度 計(jì)算變應(yīng)力下的強(qiáng)度時(shí) 應(yīng)取疲勞極限 詳見(jiàn)第二章 3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 過(guò)大 則機(jī)器會(huì)過(guò)于笨重 過(guò)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) 的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 4表面接觸疲勞強(qiáng)度 對(duì)于高副零件 理論上是點(diǎn) 線接觸 但實(shí)際上在載荷作用下材料發(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 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則 接觸強(qiáng)度2 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 的大小用赫茲公式計(jì)算 公式見(jiàn)教材 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則 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 接觸循環(huán)應(yīng)力作用下的失效形式是 疲勞點(diǎn)蝕 簡(jiǎn)稱點(diǎn)蝕 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 擠壓強(qiáng)度及剛度準(zhǔn)則 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則 5表面擠壓強(qiáng)度 兩零件之間為面接觸時(shí) 在載荷作用下 接觸表面上產(chǎn)生的應(yīng)力稱為擠壓應(yīng)力 用表示 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 擠壓應(yīng)力作用下 接觸面的失效形式是 壓潰 注 相互擠壓表面上的擠壓應(yīng)力相等 四 剛度準(zhǔn)則 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 有些零件則會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生過(guò)大的彈性變形而失效 例如 機(jī)床主軸的彈性變性過(guò)大將會(huì)影響所加工工件的精度 剛度準(zhǔn)則及振動(dòng)穩(wěn)定性 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則 剛度條件為 實(shí)際變形量 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 1 零件材料的彈性模量E越大 則其剛度越大 2 用合金鋼代替碳鋼能提高零件的強(qiáng)度 但不能提高零件的剛度 五 振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則 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的自激振動(dòng)頻率 固有頻率 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