04第三章機(jī)械零部件設(shè)計(jì)總論

1、第二篇機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)本篇主要介紹軸的設(shè)計(jì)、齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)、蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)、帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)、鏈傳 動(dòng)設(shè)計(jì)、滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承、螺紋聯(lián)接設(shè)計(jì)、軸系聯(lián)接零件等九部分的內(nèi)容。 這些內(nèi)容包含機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論和基本設(shè)計(jì)方法，它對(duì)學(xué)習(xí)專(zhuān)門(mén)工 藝學(xué)是非常重要的，對(duì)從事機(jī)械方面的工作也是必備的基礎(chǔ)知識(shí)。第三章機(jī)械零部件設(shè)計(jì)總論具體內(nèi)容 機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟；機(jī)械零件的常用材料和選用原則；機(jī) 械零件的工藝性能及標(biāo)準(zhǔn)化；機(jī)械零件的主要失效形式及計(jì)算準(zhǔn)則；摩擦、磨損 和潤(rùn)滑基礎(chǔ)。重點(diǎn)機(jī)械零件的主要失效形式及計(jì)算準(zhǔn)則；機(jī)械零件的常用材料和選用原則。難點(diǎn) 無(wú)。第一節(jié)機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟零件種類(lèi)不同，具體的設(shè)計(jì)步驟也

2、不同，但一般可按下列步驟進(jìn)行：（1）類(lèi)型的選擇 根據(jù)使用條件及載荷性質(zhì)、尺寸大小選擇零件的類(lèi)型。（2）受力分析 通過(guò)受力分析求出作用在零件上的載荷，以便進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。（3）選擇材料根據(jù)零件工作條件及受力分析情況，選擇合適的材料，并確 定計(jì)算中的許用應(yīng)力等。（4）確定計(jì)算準(zhǔn)則 根據(jù)失效分析，確定出零件的設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則。（5）理論設(shè)計(jì)計(jì)算 由設(shè)計(jì)準(zhǔn)則得到的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，確定出零件的主要幾 何尺寸和參數(shù)。（6）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)功能要求、加工及裝配工藝性能要求、強(qiáng)度要求等進(jìn)行 零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（7）精確校核 零件全部設(shè)計(jì)完成后，對(duì)有些重要的零件應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的校核 計(jì)算，以判定結(jié)構(gòu)的合理性。（8）繪制零件工作圖

3、 理論設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最終都要通過(guò)零件工作圖體現(xiàn)出 來(lái)。在工作圖上除了標(biāo)注詳細(xì)的零件尺寸外，還要對(duì)零件的配合尺寸等標(biāo)注尺寸 公差及必要的形位公差，標(biāo)注表面粗糙度及技術(shù)條件等。（9） 編寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū) 將設(shè)計(jì)計(jì)算的資料整理成簡(jiǎn)練的設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明 書(shū)，作為技術(shù)文件存檔備查。第二節(jié) 機(jī)械零件的常用材料和選用原則機(jī)械零件的常用材料主要有鋼、鑄鐵及有色金屬合金，其次是非金屬材料（高 分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料等）。選擇材料時(shí)，主要考慮三個(gè)方面的要求：（1）使用要求 材料的機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能能夠適合零件的工作 條件。（2）工藝要求材料的加工性能好，便于加工制造。（3）經(jīng)濟(jì)性要求 材料的費(fèi)用、加工

4、制造費(fèi)用、維護(hù)維修費(fèi)用等費(fèi)用總和要 經(jīng)濟(jì)。第三節(jié)機(jī)械零件的工藝性能及標(biāo)準(zhǔn)化一、機(jī)械零件的工藝性在一定的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)條件下，花費(fèi)勞動(dòng)量最小，加工、裝配及維修費(fèi)用 少，這樣的零件就認(rèn)為具有良好的工藝性。從工藝角度出發(fā)，對(duì)零件設(shè)計(jì)提出以下三點(diǎn)要求：1、造型簡(jiǎn)單合理一般來(lái)講，結(jié)構(gòu)和形狀越復(fù)雜，制造、裝配和維修越困難，成本也越高。在 滿足使用要求的情況下，幾何形狀應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，最好為平面或圓柱面。2、合理選擇毛坯種類(lèi)零件毛坯可用鑄造、鍛造、軋制、焊接等方法制造。選擇毛坯種類(lèi)時(shí)，要根 據(jù)零件的使用要求、尺寸和形狀、生產(chǎn)條件及生產(chǎn)批量，如大件且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、批 量生產(chǎn)時(shí)，宜采用鑄件。3、規(guī)定合理的制造精度及表面

5、粗糙度零件表面粗糙度過(guò)小或尺寸精度過(guò)高，將會(huì)增加零件的制造成本，因此不應(yīng) 盲目地提高零件的尺寸精度和降低表面粗糙度。二、機(jī)械設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)化包括三個(gè)方面的內(nèi)容，即標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化。標(biāo)準(zhǔn)化是對(duì)產(chǎn)品規(guī)格、零件尺寸、結(jié)構(gòu)要求、材料性質(zhì)、檢驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)方 法或參數(shù)、公差配合及機(jī)械一般規(guī)范等所制定出的標(biāo)準(zhǔn)。系列化是按產(chǎn)品的規(guī)格尺寸大小依次分檔，制定系列化產(chǎn)品，以減少規(guī)格品 種滿足生產(chǎn)的廣泛需要。通用化是把同類(lèi)型機(jī)械系列化的產(chǎn)品種有關(guān)零、部件特別是易損件最大程度 地實(shí)現(xiàn)通用互換。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)必須認(rèn)真地貫徹標(biāo)準(zhǔn)化。設(shè)計(jì)時(shí)貫徹標(biāo)準(zhǔn)化有如下的益處:采用標(biāo)準(zhǔn)件和通用件，可減少設(shè)計(jì)工作量，縮短設(shè)計(jì)

6、周期。減少設(shè)計(jì)、制造上的技術(shù)差錯(cuò)。便于零件的維修和更換。第四節(jié)機(jī)械零件的主要失效形式及計(jì)算準(zhǔn)則一、機(jī)械零件的主要失效形式機(jī)械零件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，不能正常工作稱(chēng)為失效。常見(jiàn) 的失效形式主要有以下幾種：整體斷裂 如螺栓破斷、齒輪斷齒、斷軸等。整體斷裂分為靜強(qiáng)度斷 裂和疲勞斷裂。靜強(qiáng)度斷裂是由于靜應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生的；疲勞斷裂是由于變應(yīng)力的 反復(fù)作用產(chǎn)生的。機(jī)械零件整體斷裂失效中，80%屬于疲勞斷裂。塑性變形過(guò)大載荷零件發(fā)生塑性形變，零件的尺寸和形狀隨之發(fā)生 變化而喪失工作能力。過(guò)大的彈性變形 彈性變形量超過(guò)許用范圍。彈性變形過(guò)大，將破 壞零件間的相互位置及配合關(guān)系；會(huì)引起附加動(dòng)載荷及振動(dòng)

7、；影響工作精度。 如，機(jī)床主軸的彈性變形過(guò)大會(huì)降低加工零件的精度。磨損 零件表面的尺寸、形貌及精度發(fā)生變化，使運(yùn)動(dòng)性能降低，摩 擦增大，能耗增加，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致零件完全不能工作。功能失效零件的工作條件被破壞。如帶傳動(dòng)的打滑，螺栓連接的松 動(dòng)。二、機(jī)械零件的設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則為保證機(jī)械零件在預(yù)定的使用期間內(nèi)不發(fā)生失效，設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)其主要失效 形式采用相應(yīng)的計(jì)算準(zhǔn)則。1、強(qiáng)度準(zhǔn)則a la MPa)、t rMPa J 該準(zhǔn)則。2、剛度準(zhǔn)則y yo bJ此準(zhǔn)則是針對(duì)彈性變形的甲 tpl3、耐磨性準(zhǔn)則p p MPapu pu MPa -m, s式中，p 一摩擦表面的壓強(qiáng)；pu 一摩擦功。此準(zhǔn)則是針對(duì)磨損和膠合的4

8、、振動(dòng)性準(zhǔn)則fp 1.18f J式中，fp一外載荷作用頻率；f 一系統(tǒng)或零件固有頻率。第五節(jié)摩擦、磨損和潤(rùn)滑基礎(chǔ)一、常見(jiàn)的摩擦狀態(tài)按摩擦表面的潤(rùn)滑情況，摩擦分為三種狀態(tài)：1、十摩擦狀態(tài)兩摩擦表面間不加任何潤(rùn)滑物質(zhì)，兩表面直接接觸。如圖3.1（a）所示。此 狀態(tài)下，兩表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦功損失嚴(yán)重、磨損嚴(yán)重。機(jī)械零件中不允許出 現(xiàn)十摩擦狀態(tài)。（a）（b）（c）圖3.1不同摩擦狀態(tài)2、邊界摩擦狀態(tài)兩表面間加有少量潤(rùn)滑劑時(shí)，潤(rùn)滑劑與金屬表面的吸附或化學(xué)反應(yīng)作用，在 金屬表面上形成極薄的邊界油膜。當(dāng)兩表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面間的微凸峰仍能直 接接觸，相互搓削。見(jiàn)圖3.1（b）所示。此狀態(tài)下，兩表面間的摩擦

9、系數(shù)遠(yuǎn)小于十摩擦狀態(tài)下的，f = 0.08 0.1。3、液體摩擦狀態(tài)若兩摩擦表面間有充足的潤(rùn)滑油，并形成足夠厚度的油膜，將兩表面完全分 開(kāi)，消除了兩表面的直接接觸。如圖3.1（c）所示。此狀態(tài)下，摩擦只發(fā)生在潤(rùn)滑油的分子之間，摩擦系數(shù)極小，f 0.001 - 0.008。這是理想的摩擦狀態(tài)。一、磨損摩擦面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦，由此造成表面不同程度的材料損失或損傷， 被稱(chēng)為磨損。根據(jù)破壞機(jī)理不同，磨損可分為：1、磨料磨損 摩擦表面的硬凸峰或外界摻入的硬粒，在摩擦過(guò)程中對(duì)摩擦 表面起切削或碾破作用，引起表面材料的脫落。2、點(diǎn)蝕 表面出現(xiàn)小塊的，甚至是片狀的麻點(diǎn)或凹坑。3、腐蝕磨損摩擦表面與周?chē)橘|(zhì)

10、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)的磨損。4、膠合 彈性變形使摩擦表面的吸附膜破裂。同時(shí)，因摩擦產(chǎn)生的高溫造成 基體金屬的“焊接”現(xiàn)象。當(dāng)摩擦表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，切向力將粘著點(diǎn)切開(kāi)呈撕脫 狀態(tài)。被撕脫的金屬粘在摩擦表面上形成表面凸起。三、潤(rùn)滑劑1、潤(rùn)滑劑的分類(lèi)潤(rùn)滑劑主要分為流體潤(rùn)滑劑、氣體潤(rùn)滑劑、半固體潤(rùn)滑劑和固體潤(rùn)滑劑。流體潤(rùn)滑劑多為石油產(chǎn)品。氣體潤(rùn)滑劑以純凈空氣為多見(jiàn)。半固體潤(rùn)滑劑即為潤(rùn)滑脂，多用液基添加添加劑制成。固體潤(rùn)滑劑，如石墨、一硫化鉬、聚四氟乙烯。2、潤(rùn)滑劑的性能指標(biāo)潤(rùn)滑劑的常用性能指標(biāo)有：粘度、凝點(diǎn)、閃點(diǎn)、燃點(diǎn)、油性、滴點(diǎn)、錐入度。粘度一表達(dá)液體間粘性阻力大小的指標(biāo)。粘度越小，液體越??；反之，越稠。凝點(diǎn)一液、固轉(zhuǎn)變的溫度。閃點(diǎn)一加熱時(shí)，潤(rùn)滑油與空氣的混合氣體在火焰下發(fā)生瞬間閃火時(shí)的最低加 熱溫度。燃點(diǎn)一閃火持續(xù)5秒以上時(shí)的最低加熱溫度。油性