機械設(shè)計學(xué)做一體化PPT完整全套教學(xué)課件

目錄緒論第1章機械設(shè)計概論第2章傳動裝置的總體設(shè)計第3章帶傳動設(shè)計第4章鏈傳動設(shè)計第5章齒輪傳動設(shè)計第6章軸系零部件目錄第7章軸設(shè)計第8章螺紋連接和螺旋傳動第9章減速器的結(jié)構(gòu)第10章減速器裝配圖的設(shè)計第11章減速器零件工作圖的設(shè)計第12章設(shè)計說明書的編寫第13章現(xiàn)代機械設(shè)計方法簡介緒論0.1機械設(shè)計在經(jīng)濟建設(shè)中的作用0.2本課程研究的對象和內(nèi)容0.3本課程的性質(zhì)和任務(wù)0.4學(xué)習(xí)本課程應(yīng)注意的問題思考與練習(xí)

0.1機械設(shè)計在經(jīng)濟建設(shè)中的作用

機械工業(yè)擔(dān)負(fù)著向國民經(jīng)濟各部門,包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)和社會生活各個方面提供各種性能先進、價格低廉、使用方便以及安全可靠的技術(shù)裝備的任務(wù),在現(xiàn)代化建設(shè)中起著舉足輕重的作用。人們通常把使用機械進行生產(chǎn)的水平作為衡量一個國家技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度的重要指標(biāo)之一。

人類為了減輕體力勞動、提高生產(chǎn)效率,創(chuàng)造發(fā)明了各種各樣的機械,隨著生產(chǎn)的發(fā)展,對機械的研究也不斷深入,有關(guān)機械方面的知識也日趨完善,到19世紀(jì)中期逐漸形成了系統(tǒng)研究機械設(shè)計的學(xué)科?？茖W(xué)理論的提高,相應(yīng)地又促進了生產(chǎn)的發(fā)展,加之材料科學(xué)、力學(xué)、制圖和機械制造工藝學(xué)等學(xué)科的研究進一步深入,逐漸形成了一整套機械設(shè)計的理論和方法。近幾十年來,隨著電子計算機的發(fā)展與廣泛應(yīng)用,機械設(shè)計被引入了有限元法、優(yōu)化設(shè)計和計算機輔助設(shè)計等先進方法,使機械設(shè)計方法更加科學(xué)化、系統(tǒng)化和現(xiàn)代化。

機械設(shè)計是機械產(chǎn)品制造的第一道工序。設(shè)計工作質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、研制周期和經(jīng)濟效益。有關(guān)統(tǒng)計資料表明,在產(chǎn)品生產(chǎn)的整個階段,設(shè)計本身的經(jīng)濟成本并不高,大約為15%,而對整個產(chǎn)品質(zhì)量、性能的影響作用卻占到75%以上。工業(yè)發(fā)達國家都十分重視產(chǎn)品設(shè)計,因為市場競爭的生命力在于產(chǎn)品的創(chuàng)新,而具有競爭力的產(chǎn)品,設(shè)計的好壞極為關(guān)鍵。所以機械設(shè)計這門學(xué)科在我國現(xiàn)代化建設(shè)中起著重要的作用。

0.2本課程研究的對象和內(nèi)容

一體化機械設(shè)計課程主要研究在普通條件下,一般參數(shù)的通用零部件的設(shè)計理論與設(shè)計方法,并不研究高溫、高壓、高速、尺寸過大、尺寸過小以及有特殊要求的零部件,這些特殊零部件及其他專用零部件的設(shè)計將在其他專業(yè)課中研究。所謂通用零部件,是指各種機械都經(jīng)常使用的零部件。常用的通用零部件包括齒輪、蝸桿、軸、軸承和聯(lián)軸器等。

0.3本課程的性質(zhì)和任務(wù)

一體化機械設(shè)計是以一般通用零部件的設(shè)計為核心的一門設(shè)計性、綜合性和實踐性都很強的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。這門課程將綜合理論力學(xué)、材料力學(xué)、機械制圖、機械原理、金屬工藝學(xué)、工程材料及熱處理、公差與測量技術(shù)基礎(chǔ)等多門課程的知識來解決一般通用零部件的設(shè)計問題,并為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)的專業(yè)課程打下基礎(chǔ)。

通過較為典型、系統(tǒng)的機械裝置設(shè)計的項目學(xué)習(xí)和實戰(zhàn)訓(xùn)練,“一體化機械設(shè)計”課程力圖達到下列目標(biāo):

(1)培養(yǎng)正確的設(shè)計思想,包括設(shè)計時應(yīng)考慮節(jié)約能源、合理利用資源、減少環(huán)境污染和堅持可持續(xù)發(fā)展的原則。

(2)掌握機械傳動裝置及其通用零部件的設(shè)計方法和一般規(guī)律,具有確定機械系統(tǒng)方案、設(shè)計機械傳動裝置和簡單機械的能力。

(3)掌握機械設(shè)計的基本技能,包括計算能力、繪圖能力和運用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊及圖冊查閱有關(guān)技術(shù)資料的能力。

(4)在上述基礎(chǔ)上,了解機械設(shè)計發(fā)展的趨勢和最新動態(tài)。

0.4學(xué)習(xí)本課程應(yīng)注意的問題

機械設(shè)計課程的研究對象和性質(zhì)決定了本課程的特點,即內(nèi)容本身的復(fù)雜性,主要體現(xiàn)在公式多、系數(shù)多、圖表多、關(guān)系多等方面,因此在學(xué)習(xí)本課程時應(yīng)注意以下問題:(1)理論聯(lián)系實際。機械設(shè)計是技術(shù)性和實踐性都很強的課程。機械設(shè)計的理論源于機械設(shè)計的實踐,是與工程實際緊密聯(lián)系的。

因此在學(xué)習(xí)機械設(shè)計的理論時應(yīng)充分利用各種機會和條件深入生產(chǎn)車間、實驗室,注意觀察機械的實物和模型,增加對常用機構(gòu)和通用機械零部件的感性認(rèn)識,了解機械工作的條件和要求,做到理論知識和生產(chǎn)實際的有機結(jié)合。機械設(shè)計的理論是為機械設(shè)計的實踐服務(wù)的,學(xué)習(xí)本課程,應(yīng)理論和實踐同時交替進行,學(xué)是為了做,做是為了更好地學(xué),學(xué)習(xí)了理論知識點,就要將其及時地應(yīng)用到機械設(shè)計的實踐中,在做中學(xué),在學(xué)中做,邊學(xué)邊做,邊做邊學(xué),通過機械設(shè)計的實踐,才能學(xué)得深、記得牢。

(2)抓住課程體系,掌握機械零部件設(shè)計的共性問題及一般思路。機械設(shè)計是以機械零件為載體的設(shè)計。標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計以選擇型號為主,然后進行適當(dāng)?shù)男：?。普通零件的設(shè)計,都要先從零件的工作原理、失效形式、材料選擇入手,然后進行工作能力計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計,確定零件的形狀和尺寸。零件的類型雖然很多,設(shè)計的內(nèi)容不盡相同,但設(shè)計流程基本一致。要善于分析機械零部件設(shè)計的共性,從“零碎”的數(shù)據(jù)中理出頭緒,會起到事半功倍的效果。

(3)綜合運用先修課程的知識解決機械設(shè)計的實際問題。機械設(shè)計是一門綜合性較強的課程,在設(shè)計零件過程中,要用到多門先修課程的知識。例如軸設(shè)計這一部分,當(dāng)對軸進行強度剛度校核時,就要運用理論力學(xué)和材料力學(xué)的知識。因此在學(xué)習(xí)本課程時,必須及時復(fù)習(xí)先修課程的有關(guān)內(nèi)容,做到融會貫通、綜合運用。

(4)理解系數(shù)引入的意義。機械設(shè)計中,由于實際影響因素很復(fù)雜,而這些因素常常由系數(shù)來反映,所以在公式中存在很多系數(shù),要充分理解系數(shù)的物理意義、影響系數(shù)的因素及如何取值。

(5)重視結(jié)構(gòu)設(shè)計。對機械工程來說,理論計算固然重要,但往往只作為設(shè)計的參考,最終要落實到具體的結(jié)構(gòu)上,結(jié)構(gòu)設(shè)計有時是解決問題的關(guān)鍵。大量的工程實踐表明,一個好的機械設(shè)計工程師,首先必須是一個好的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計師。沒有合理的結(jié)構(gòu),再好的理論計算也毫無意義。大量的教學(xué)實踐也表明,機械設(shè)計的難點也在機械的結(jié)構(gòu)設(shè)計上。因此,在學(xué)習(xí)機械設(shè)計時,自始至終,要對結(jié)構(gòu)設(shè)計問題予以足夠的重視,課程開始就著手結(jié)構(gòu)設(shè)計的學(xué)習(xí)和練習(xí),并保證足夠的結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)時間;除此之外,還要注意對機械零部件的結(jié)構(gòu)多觀察、多分析,及時與相應(yīng)的知識點相對照,逐步養(yǎng)成理論計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝問題相結(jié)合的思維。

通過對本課程的學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng)逐步掌握機械裝置和機械零部件的設(shè)計方法以及有關(guān)機械設(shè)計的一些基本理論與注意事項,了解機械設(shè)計的一般過程,具備簡單機械的整體設(shè)計能力;同時學(xué)生應(yīng)能夠應(yīng)用本課程的基本理論知識,對現(xiàn)有的機械設(shè)備進行結(jié)構(gòu)、性能等方面的分析,以便更好地應(yīng)用、維修或改進現(xiàn)有設(shè)備,不斷挖掘機械設(shè)備的潛力,提高機械的運行效率。

思考與練習(xí)

試說明一體化機械設(shè)計課程的性質(zhì)和任務(wù)及學(xué)習(xí)本課程應(yīng)注意的問題。第1章機械設(shè)計概論1.1－機械的組成1.2機械設(shè)計的一般程序1.3機械零件的失效形式和設(shè)計準(zhǔn)則1.4機械零件的材料和選用原則

1.5機械零件的強度1.6機械零件的結(jié)構(gòu)工藝性1.7機械設(shè)計中的標(biāo)準(zhǔn)化思考與練習(xí)

1.1－機械的組成

機械是生產(chǎn)與生活中不可缺少的產(chǎn)品,從古代到現(xiàn)代一直與人類的生活息息相關(guān),因此,為了滿足生產(chǎn)和生活的需要,人類已經(jīng)設(shè)計和制造出了種類繁多、功能各異的機械,如機床、起重機、汽車、包裝機、軋鋼機、縫紉機、自行車等。從功能和結(jié)構(gòu)上看,這些機械的差異顯著,之間好像并沒有什么聯(lián)系,但從機械設(shè)計的角度看,它們卻有許多共同點。

這些機械在完成它的功能時,必須由動力裝置提供動力,在沒有出現(xiàn)蒸汽機之前是靠人力和畜力等來實現(xiàn)的,蒸汽機出現(xiàn)后才由蒸汽機來實現(xiàn),所以機械具有完整的形態(tài)是從蒸汽機出現(xiàn)后才形成的。后來,電動機、內(nèi)燃機逐步取代了蒸汽機,如金屬切削機床是利用電動機提供動力完成切削任務(wù)的,汽車是利用發(fā)動機提供動力來實現(xiàn)汽車的行駛的,帶式輸送機是靠電動機的帶動完成物料的輸送的(見圖1－1)。

圖1－1－帶式輸送機

在機械設(shè)計中,把機械上為工作機構(gòu)供給動力的部分稱為原動機?，F(xiàn)代機械的原動機主要以電動機(見圖1－2)和內(nèi)燃機(見圖1－3)為主。圖1－2電動機圖1－3內(nèi)燃機

為了實現(xiàn)具體的功能,機械必須能夠完成某些具體的要求,如汽車必須能夠?qū)崿F(xiàn)運動,機床必須能夠進行金屬的切削,像這樣的機構(gòu)通常稱為執(zhí)行機構(gòu)。顯然,這些機械完成各自功能依靠的結(jié)構(gòu)是不同的,但從機械設(shè)計的角度考慮,這些不同的結(jié)構(gòu)都可以被看做是機械的工作部分或工作機構(gòu)。

可以說,簡單的機械通常由三部分組成,見圖1－4。圖1－4機械的組成

(1)動力部分(即原動機部分):其功能是將其他形式的能量轉(zhuǎn)換為機械能(如內(nèi)燃機和電動機分別將熱能和電能轉(zhuǎn)換為機械能)。原動機部分是驅(qū)動整部機械完成預(yù)定功能的動力源。

(2)工作部分(或執(zhí)行部分):其功能是利用機械能轉(zhuǎn)換或傳遞能量、物料、信號,如發(fā)電機把機械能轉(zhuǎn)換為電能,軋鋼機變換物料的外形,等等。

(3)傳動部分:其功能是把原動機的運動形式、運動和動力參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鞑糠炙璧倪\動形式、運動和動力參數(shù)。

1.2機械設(shè)計的一般程序

機械設(shè)計是機械產(chǎn)品生產(chǎn)中的一個非常重要的過程,設(shè)計的好壞直接決定著機械的質(zhì)量?？梢哉f,機械的設(shè)計階段是決定機械產(chǎn)品好壞的關(guān)鍵。機械設(shè)計是一個廣義的概念,是設(shè)計者利用自己的成功經(jīng)驗進行繼承和創(chuàng)新的過程。

由于機械系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng),而且機械的種類也十分繁多,再加上設(shè)計者的經(jīng)驗、機械加工的條件等因素的影響,所以機械設(shè)計沒有固定通用的程序,需要根據(jù)具體情況具體設(shè)計。根據(jù)人們設(shè)計機械的長期經(jīng)驗,一般來說,一部機械的設(shè)計程序基本上包含如下幾個階段。

1.計劃階段

計劃階段是設(shè)計的最初階段,這個階段是根據(jù)生產(chǎn)和生活的需要,提出要設(shè)計機械的目標(biāo),從而進行準(zhǔn)備的一個階段,這時對所要設(shè)計的機械還是一個比較模糊的概念。在這個階段中主要對設(shè)計的機械進行充分的調(diào)查和分析,進一步明確機械的具體功能,為以后的決策提出環(huán)境、加工、經(jīng)濟和時限等各個方面的約束條件,并以此為基礎(chǔ),寫出設(shè)計任務(wù)的具體要求及細節(jié),最后形成設(shè)計任務(wù)書,作為本階段的一個總結(jié)。

設(shè)計任務(wù)書應(yīng)該包括所要設(shè)計機械的功能、經(jīng)濟性及環(huán)保性的估計,制造要求方面的大致估計,基本使用要求,設(shè)計時限等。本階段給出的設(shè)計要求和條件僅僅是一個合理的范圍,而不是準(zhǔn)確的數(shù)字,例如確定可以達到的要求、最低要求、希望達到的要求等。

2.方案設(shè)計階段

方案設(shè)計階段是機械設(shè)計最為重要的階段之一,也是體現(xiàn)設(shè)計者能力的階段。在明確了設(shè)計需要解決的問題后,該階段研究實現(xiàn)機械功能的可能性,并討論各功能之間有無矛盾,相互是否可以取代等,提出可能實現(xiàn)機械功能的多種方案,每個方案應(yīng)該包括原動機、傳動機構(gòu)和工作機構(gòu)(對復(fù)雜的機械甚至還包括控制系統(tǒng))。尋求方案時,應(yīng)該分別對原動部分、傳動部分和執(zhí)行部分進行分析討論,然后在考慮機械的使用要求、現(xiàn)有的技術(shù)水平和經(jīng)濟性能的基礎(chǔ)上,綜合運用各方面的知識與經(jīng)驗對各個方案進行分析,最后通過分析比較確定原動機,選定傳動機構(gòu),確定工作機構(gòu)的工作原理及應(yīng)滿足的工作參數(shù),繪制原理工作圖,完成機械的方案設(shè)計。

傳動方案的選擇更為復(fù)雜。最常用的傳動機構(gòu)有鏈傳動、帶傳動、齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動等。對于同一傳動任務(wù),可以由一種傳動來完成,也可以由多種傳動機構(gòu)組合來完成。常用的傳動類型如圖1－5所示。圖1－5常用的傳動類型

通常實現(xiàn)機械功能的方案有很多。如果用N1－表示原動機可能的方案數(shù),N2表示傳動機構(gòu)可能的方案數(shù),N3表示執(zhí)行機構(gòu)可能的方案數(shù),那么機械的總體方案數(shù)N為N1·N2·N3個。此時要對這些可行方案從技術(shù)方面和經(jīng)濟方面以及環(huán)保等方面進行綜合評價,找出最優(yōu)方案,這就是方案尋優(yōu)。

在方案設(shè)計過程中,要注意借鑒與采用同類機械成功的先例,這些成功先例是經(jīng)過設(shè)計者的思考與實踐檢驗的,應(yīng)該繼承下來。而且還要對先前設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)及不符合現(xiàn)有任務(wù)要求的部分進行適當(dāng)?shù)母倪M或根本的改變。同時,注意相關(guān)學(xué)科與技術(shù)的新成果的應(yīng)用,如材料科學(xué)、先進制造技術(shù)和先進控制技術(shù)的發(fā)展使得原來不能實現(xiàn)的方案變?yōu)榭赡?這些都為方案設(shè)計的創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。

3.技術(shù)設(shè)計階段

技術(shù)設(shè)計階段是產(chǎn)品的定型階段。它將對機械裝置進行全面的技術(shù)規(guī)劃,確定零部件的結(jié)構(gòu)、尺寸、配合關(guān)系以及技術(shù)條件等。技術(shù)設(shè)計也是機械設(shè)計工作中最重要的階段之一,是機械設(shè)計的核心。機械結(jié)構(gòu)的合理性、工藝性、經(jīng)濟性和可靠性等,都取決于這一設(shè)計階段。

在技術(shù)設(shè)計過程中,要完成對運動方案的運動學(xué)和動力學(xué)分析,確定各部件及其零件的相關(guān)設(shè)計參數(shù),通過各種設(shè)計方案計算完成零件的設(shè)計,確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸以及各部件之間的連接,最后繪制出產(chǎn)品總裝配圖、部件裝配圖和零件工作圖。

技術(shù)設(shè)計大致需要做以下工作:

(1)運動學(xué)設(shè)計。根據(jù)設(shè)計方案和工作機構(gòu)的工作參數(shù),確定原動機的動力參數(shù),如功率和轉(zhuǎn)速,進而完成各運動構(gòu)件的運動參數(shù)(轉(zhuǎn)速、速度、加速度)計算。

(2)動力學(xué)計算。根據(jù)運動學(xué)設(shè)計的相關(guān)計算參數(shù),計算出作用于零件上的載荷大小及特性,這些載荷稱為零件設(shè)計的公稱載荷(名義載荷)。

(3)零件設(shè)計。根據(jù)零件的載荷大小及特性即可完成零件的受力分析,根據(jù)零件的設(shè)計準(zhǔn)則,通過計算、類比或模型試驗的方法,確定零部件的基本尺寸。

(4)裝配圖設(shè)計。根據(jù)已定出的主要零部件的基本尺寸和機構(gòu)的結(jié)構(gòu)關(guān)系,設(shè)計出總裝配圖和部件裝配圖。在綜合考慮零件的裝配、調(diào)整、潤滑、加工工藝等的基礎(chǔ)上,對草圖中所有零件的結(jié)構(gòu)及裝配尺寸進行優(yōu)化,完成所有零件的結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計。

(5)總裝配圖與部件裝配圖設(shè)計。根據(jù)最后定型的零件工作圖上的結(jié)構(gòu)尺寸,重新繪制總裝配圖和部件裝配圖。如有條件,可以通過虛擬裝配技術(shù)完成產(chǎn)品的虛擬裝配,通過這一過程可以檢查出可能隱含的尺寸和結(jié)構(gòu)上的錯誤及零部件之間的干涉等問題。最后,完成總裝配圖與部件裝配圖。

4.技術(shù)文件編制階段

技術(shù)文件所包含的種類較多,通常有機械的設(shè)計計算說明書、使用說明書、標(biāo)準(zhǔn)件明細表、外購件明細表和驗收條件等。在編寫機械的設(shè)計計算說明書時,應(yīng)包括機械方案的分析選擇和技術(shù)設(shè)計中的結(jié)論性內(nèi)容。使用說明書應(yīng)向用戶介紹機械的性能參數(shù)、具體操作使用方法、日常維護保養(yǎng)、簡單維修方法及相關(guān)備用件目錄等。

5.試制、試驗、鑒定

機械的設(shè)計是否能夠滿足預(yù)期的功能需求,必須通過樣機的試驗來加以檢驗,對檢驗的結(jié)果進行鑒定,來確定是否進行投產(chǎn)或者再修改設(shè)計。

以上過程為機械設(shè)計的一般程序,這個程序的各個階段是相互聯(lián)系的,任何一個階段出現(xiàn)問題都要返回到前邊的相關(guān)階段去修改,有時,甚至整個方案都要推倒重來。在生產(chǎn)中,隨時都有可能出現(xiàn)由于工藝等原因修改設(shè)計的情況,出廠后,根據(jù)跟蹤調(diào)查的結(jié)果也要對產(chǎn)品進行修改等。所以,機械設(shè)計是一個不斷反復(fù)地修改設(shè)計的過程,只有這樣才能使設(shè)計的產(chǎn)品質(zhì)量不斷的提高,更好地滿足生產(chǎn)和生活的需要。

1.3機械零件的失效形式和設(shè)計準(zhǔn)則

圖1－6為不同形式螺紋連接設(shè)計的一個簡單實例。圖(a)中的螺栓受到軸向載荷作用,工作中有可能會被拉斷;圖(b)中的螺栓受到橫向載荷作用,工作中有可能會被剪斷。在對螺紋連接進行設(shè)計時,設(shè)計過程和程序都基本相同,但由于失效形式不同,在螺栓或螺母材料的選擇上就會出現(xiàn)差異。圖1－6不同形式的螺紋連接

1.3.1－機械零件的失效形式

機械零件由于某些原因喪失原有設(shè)計所規(guī)定的功能稱為失效。零件出現(xiàn)失效將直接影響機械的正常工作。因此,研究機械零件的失效及其產(chǎn)生的原因?qū)C械零件設(shè)計具有重要意義。機械零件的常見失效形式有以下幾種。

1.整體斷裂

整體斷裂是指零件在拉、壓、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等外來工作載荷的作用下,當(dāng)危險截面的應(yīng)力超過了零件材料的強度極限而發(fā)生斷裂,或者在循環(huán)變應(yīng)力作用下,零件某一危險截面上的應(yīng)力超過其疲勞極限而發(fā)生疲勞斷裂。斷裂是嚴(yán)重的失效,有時會導(dǎo)致嚴(yán)重的人身和設(shè)備事故,所以在設(shè)計過程中要盡量避免。

2.過大的變形

零件承受載荷工作時,會發(fā)生彈性變形,而嚴(yán)重過載時,塑性材料的零件會出現(xiàn)塑性變形。變形造成零件的尺寸、形狀和位置發(fā)生改變,破壞零件之間的相互位置或配合關(guān)系,導(dǎo)致零件乃至機械不能正常工作。過大的彈性變形還會引起零件振動,如機床主軸的過大彎曲變形不僅產(chǎn)生振動,而且造成工件加工質(zhì)量降低。

3.表面破壞

機械零件的表面破壞主要是指腐蝕、磨損和接觸疲勞破壞。機械中的大多數(shù)零件都與其他零件通過其表面發(fā)生接觸,載荷作用在表面上,摩擦發(fā)生在表面上,周圍介質(zhì)又與表面接觸,從而造成零件表面發(fā)生破壞。零件表面破壞會導(dǎo)致能量消耗增加、溫度升高、振動加劇、噪聲增大,最終使得零件無法正常工作。

根據(jù)失效機理,表面破壞又分為以下幾種情況:

(1)點蝕。如滾動軸承、齒輪等點、線接觸的零件,在高接觸應(yīng)力(接觸部分受載荷后產(chǎn)生彈性變形,接觸表面產(chǎn)生的壓力)及一定工作循環(huán)次數(shù)下能在局部表面上形成小塊的、甚至是片狀的麻點或凹坑,進而導(dǎo)致零件失效,稱為點蝕。

(2)磨料磨損。不論是摩擦表面的硬凸峰,還是外界滲入的硬質(zhì)顆粒,在摩擦過程中都會對摩擦表面起切削或輾破作用,引起表面材料的脫落,這種失效稱為磨料磨損。

(3)腐蝕磨損。在接觸過程中摩擦表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)的磨損,即腐蝕與磨損同時起作用的磨損稱為腐蝕磨損。

(4)膠合。零件在表面接觸時,實際上只有少數(shù)凸起與凹峰接觸,因為受壓力大而產(chǎn)生彈塑性變形,使摩擦表面的吸附膜破裂;同時,因摩擦而產(chǎn)生高溫,造成基體金屬的“焊接”現(xiàn)象。當(dāng)摩擦表面相對滑動時,切向力將黏著表面撕開呈撕脫狀態(tài)。被撕脫的金屬黏在摩擦表面上形成表面凸起,嚴(yán)重時會造成運動副咬死。這種由于黏著作用使材料由一個零件表面轉(zhuǎn)移到另一個零件表面的失效稱為膠合。

4.破壞正常工作條件所引起的失效

有些零件只有在一定的工作條件下才能正常工作,若破壞了這些必備條件將發(fā)生不同類型的失效。例如,V帶傳動中當(dāng)傳遞的有效圓周力大于最大摩擦力時產(chǎn)生的打滑失效,受橫向工作載荷的普通螺栓連接的松動失效等,都屬于這類失效。

零件最終發(fā)生哪種失效形式,與很多因素有關(guān),并且在不同的行業(yè)中也是不同的。統(tǒng)計表明,腐蝕、磨損和疲勞破壞所引起的失效占73.88%,斷裂引起的失效占4.79%。所以腐蝕、磨損和疲勞破壞是零件的主要失效形式。

1.3.2機械零件設(shè)計準(zhǔn)則

零件設(shè)計時所依據(jù)的準(zhǔn)則是與零件的失效形式緊密地聯(lián)系在一起的。對于一個具體的零件,為了保證所設(shè)計的機械零件能夠安全、可靠地工作,在設(shè)計工作之前,應(yīng)確定相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則。

1.強度準(zhǔn)則

強度準(zhǔn)則是指零件的應(yīng)力不超過允許的極限值。強度準(zhǔn)則針對的是零件的斷裂失效(靜應(yīng)力作用產(chǎn)生的斷裂和變應(yīng)力作用產(chǎn)生的疲勞斷裂)、塑性變形失效和點蝕失效。對于這幾種失效,強度準(zhǔn)則要求零件的應(yīng)力分別不超過材料的強度極限、零件的疲勞極限、材料的屈服極限和材料的接觸疲勞極限。

強度準(zhǔn)則的表達式為

式中:σ為零件的應(yīng)力,單位為MPa;σlim為材料的極限應(yīng)力,單位為MPa;S為安全系數(shù)。

2.剛度準(zhǔn)則

剛度是零件抵抗彈性變形的能力。剛度準(zhǔn)則是針對零件的過大彈性變形失效而提出的。對于彎曲變形,如圖1－7(a)所示,要求零件在載荷作用下產(chǎn)生的撓度y小于等于機械所要求的允許值[y],軸的偏轉(zhuǎn)角θ也要小于其許用偏轉(zhuǎn)角[θ]。對于扭轉(zhuǎn)變形,如圖1－7(b)所示,零件在扭矩Mn的作用下發(fā)生變形,在l長度上縱向線變形角為γ,此時在截面上的扭轉(zhuǎn)角為φ,它要求扭轉(zhuǎn)角φ也要小于其許用扭轉(zhuǎn)角[φ]。有些條件,如機床主軸、電動機軸等,其基本尺寸是由剛度條件確定的。圖1－7零件的彈性變形

對重要的零件要驗算剛度是否滿足剛度準(zhǔn)則:

式中:y為撓度,單位為mm;θ為偏轉(zhuǎn)角,單位為rad;φ為扭轉(zhuǎn)角,單位為rad。

3.壽命準(zhǔn)則

影響零件壽命的主要失效形式有腐蝕、磨損及疲勞,它們是三個不同范疇的問題,所以各自的產(chǎn)生機理及發(fā)展規(guī)律完全不同。迄今為止,關(guān)于腐蝕與磨損的壽命計算尚無成熟的方法;關(guān)于疲勞壽命計算,通常是求出使用壽命時的疲勞極限或額定載荷來作為計算的依據(jù)。

4.振動準(zhǔn)則

振動準(zhǔn)則針對的是高速機械中零件出現(xiàn)的振動、振動的穩(wěn)定性和共振,它要求零件的振動應(yīng)控制在允許范圍內(nèi),而且是穩(wěn)定的,對于強迫振動應(yīng)使零件的固有頻率與激振頻率錯開。高速機械中存在著許多激振源,如齒輪的嚙合、滾動軸承的運轉(zhuǎn)、滑動軸承中的油膜振蕩、柔性軸的偏心轉(zhuǎn)動等。設(shè)計高速運動的機械零件時,除滿足強度準(zhǔn)則外,還要考慮滿足振動準(zhǔn)則。

對于強迫振動,振動準(zhǔn)則的表達式為

式中:ω為零件的固有頻率,單位為Hz;ωn為激振頻率,單位為Hz。

5.耐磨性準(zhǔn)則

耐磨性準(zhǔn)則針對的是零件的表面失效,它要求零件在正常條件下工作的時間能達到零件的壽命。腐蝕和磨損是影響零件耐磨性的兩個主要因素。目前,關(guān)于材料耐腐蝕和耐磨損的計算尚無實用有效的方法。因此,在工程上對零件的耐磨性只能進行條件性計算。

一是驗算壓強p使其不超過許用值[p],以防此壓強過大使零件工作表面油膜破壞而產(chǎn)生過快磨損,其驗算式為

二是驗算滑動速度v比較大的摩擦表面,還要防止摩擦表面溫升過高使油膜破壞,導(dǎo)致磨損加劇,嚴(yán)重時產(chǎn)生膠合。因此,要限制單位接觸面積上單位時間產(chǎn)生的摩擦功,不要使其過大。如果摩擦系數(shù)f為常數(shù),則可驗算pv值不超過許用值[pv],即

式中:p為零件表面壓強,單位為MPa;v為零件表面的線速度,單位為m/s;[pv]為pv的許用值,單位為MPa·m/s。

6.可靠性準(zhǔn)則

產(chǎn)品、系統(tǒng)在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi),完成規(guī)定功能的能力稱為可靠性,當(dāng)用概率來度量時,稱為可靠度。產(chǎn)品可靠性定義的三要素是:規(guī)定條件、規(guī)定時間和規(guī)定功能。

對產(chǎn)品而言,可靠度越高越好?？煽慷雀叩漠a(chǎn)品,可以長時間正常工作(這正是所有消費者想要得到的)。從專業(yè)術(shù)語上來說,就是產(chǎn)品的可靠度越高,產(chǎn)品可以無故障工作的時間就越長。

如有一大批某種零件,其件數(shù)為N0,在一定的工作條件下進行試驗,如果在t時間后仍有N個零件在正常工作,則此種零件在該工作環(huán)境條件下工作t時間的可靠度R可表示為

如果時間再延長,則N將不斷地減小,那么可靠度也將發(fā)生改變,這說明可靠度是時間的一個函數(shù)。

如果再將時間延長dt,則又會有dN個零件發(fā)生破壞,則在dt時間間隔內(nèi)的破壞比率λ(t)可以表示為

式中:λ(t)為失效率,負(fù)號表示dN的增大將使N減小。

將失效率對時間進行積分可以得到:

即

可以知道,零件的失效率λ(t)與時間t的關(guān)系曲線是浴盆曲線,分為三個階段:早期失效區(qū)、偶然失效區(qū)和耗損失效區(qū)。早期失效區(qū)的失效率為遞減形式,即新產(chǎn)品失效率很高,但經(jīng)過磨合期后失效率會迅速下降。偶然失效區(qū)的失效率為一個平穩(wěn)值,意味著產(chǎn)品進入了一個穩(wěn)定的使用期。耗損失效區(qū)的失效率為遞增形式,即產(chǎn)品進入老年期,失效率呈遞增狀態(tài),產(chǎn)品需要更新。

1.4機械零件的材料和選用原則

1.4.1－機械零件常用材料1.金屬材料

金屬材料是指以金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的具有金屬特性的材料的統(tǒng)稱,包括純金屬、合金、金屬材料、金屬間化合物和特種金屬材料等。

在各類工程材料中金屬材料使用最廣。其主要原因是:

第一,金屬材料具有很好的力學(xué)性能,尤其是合金鋼的力學(xué)性能非常優(yōu)良,常用在一些重要場合的零件上;

第二,金屬材料的價格相對比較便宜和容易獲得;

第三,在有色金屬鋁、銅及其合金中,有的具有質(zhì)量小的優(yōu)點,有的具有導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能好的優(yōu)點,通常還可用于有耐磨損及耐腐蝕要求的場合。

2.高分子材料

高分子材料是由相對分子質(zhì)量較高的化合物構(gòu)成的材料。高分子材料通常包含三大類型,即塑料、橡膠及合成纖維。高分子材料獨特的結(jié)構(gòu)和易改性、易加工、原料豐富、密度小、彈性好、耐腐蝕性強等優(yōu)點,使其具有其他材料不可比擬的優(yōu)異性能,從而被廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)、國防建設(shè)和國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域中,并已成為現(xiàn)代社會生活中衣食住行用各個方面不可缺少的材料。近年來高分子材料在機械中應(yīng)用得越來越廣泛,如應(yīng)用在水管、化工設(shè)備、冷凍設(shè)備、食品設(shè)備中等。但高分子材料也有明顯的缺點:容易老化、材料阻燃性差、耐熱性不好等。

3.陶瓷材料

陶瓷材料以抗高溫、超強度、多功能等優(yōu)良性能在新材料世界獨領(lǐng)風(fēng)騷。尤其是精細陶瓷應(yīng)用更為廣泛。精細陶瓷是指以精制的高純度人工合成的無機化合物為原料,采用精密控制工藝燒結(jié)的高性能陶瓷,又稱為先進陶瓷或新型陶瓷。精細陶瓷大致可分成三類。

第一類是結(jié)構(gòu)陶瓷,這種陶瓷主要用于制作結(jié)構(gòu)零件。機械工業(yè)中的一些密封件、軸承、刀具、球閥、缸套等都是頻繁經(jīng)受摩擦而易磨損的零件,用金屬和合金制造使用不了多久就會發(fā)生損壞,而先進的結(jié)構(gòu)陶瓷零件就能經(jīng)受住這種“磨難”。

第二類是電子陶瓷,指用來生產(chǎn)電子元器件和電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)零件的功能性陶瓷。這些陶瓷除了具有高硬度等力學(xué)性能外,對周圍環(huán)境的變化能“無動于衷”,具有極好的穩(wěn)定性,這對電子元件是很重要的性能,而且它還耐高溫。

第三類是生物陶瓷,是用于制造人體“骨骼肌肉”系統(tǒng),以修復(fù)或替換人體器官或組織的一種陶瓷。有些科學(xué)家預(yù)言,由于精細陶瓷的出現(xiàn),人類將從鋼鐵時代重新進入陶瓷時代。但是陶瓷材料的主要缺點是比較脆,韌度低、易斷裂,價格昂貴,加工工藝性差等。

4.復(fù)合材料

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上具有明顯不同的物理和力學(xué)性能的材料復(fù)合制成的,不同的材料可分別作為材料的基體相和增強相。增強相起著提高基體相的強度和剛度的作用,而基體相起著使增強相定型的作用,從而獲得單一材料難以達到的優(yōu)良性能。復(fù)合材料的主要優(yōu)點是有較高的強度和彈性模量,而質(zhì)量又特別小,但耐熱性差,導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能也較差,而且價格比較貴。

1.4.2機械零件材料的選用原則

機械設(shè)計中對材料的選擇是一項非常復(fù)雜的工作,但選擇原則基本上是相同的,由于鋼鐵是在機械設(shè)計中應(yīng)用得最多和最廣的材料,下面就以金屬材料的選用原則為例進行說明。

1.載荷性質(zhì)

零件的強度是由零件所受載荷的性質(zhì)和零件材料的力學(xué)性能共同決定的。因此,選擇材料時就要首先考慮零件所受載荷的性質(zhì)。脆性材料一般只適用在靜載荷下工作的零件,塑性材料可以使零件在交變載荷和沖擊載荷的情況下正常工作。

2.零件的工作情況

零件的工作情況是指零件所處的環(huán)境特點、工作溫度、摩擦磨損的程度等。在濕熱環(huán)境下工作的零件,其材料應(yīng)有良好的防銹和耐腐蝕的能力。在不同的工作溫度下要考慮零件材料的線膨脹系數(shù),以免在溫度變化時產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力,或者使配合松動;另一方面也要考慮材料的力學(xué)性能隨溫度而改變的情況。如零件在工作中有可能發(fā)生磨損,就要提高其表面硬度,以增強其耐磨性。

3.零件的尺寸

零件尺寸的大小與材料的品種及毛坯制取方法有關(guān)。用鑄造材料制造毛坯時,一般可以不受尺寸大小的限制,而用鍛造材料制造毛坯時,則需注意鍛壓機械及設(shè)備的生產(chǎn)能力。

4.制造工藝性

當(dāng)零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大時,宜采用鑄件或焊接件制造。這就對材料提出了鑄造性、可焊性的要求。采用冷拉或深拔工藝制造的零件,如鍵、銷,要考慮材料的延伸率和冷作硬化對材料機械性能的影響。當(dāng)零件在機床上的加工量很大時,應(yīng)當(dāng)考慮材料的可切削性能,減小刀具磨損,提高生產(chǎn)效率和加工精度。

5.材料的經(jīng)濟性

要根據(jù)零件的使用要求和制造的數(shù)量,綜合考慮材料本身的價格、材料的加工費用或毛坯材料的費用(如鑄件或切割的鋼板)、材料的利用率等來選擇材料。當(dāng)用價格低廉的材料能滿足使用要求時,就不選用價格高的材料。有時可以將零件設(shè)計成組合結(jié)構(gòu),用兩種以上的材料制造,如蝸輪的齒圈和輪轂、滑動軸承的軸瓦和軸承襯等,將“好鋼用在刀刃上”,從而充分利用普通材料,節(jié)省貴重材料。

1.5機械零件的強度

1.5.1－材料的疲勞特性

1.載荷與應(yīng)力機械工作時所受的力或力矩統(tǒng)稱為載荷。載荷的大小或方向不隨時間變化或變化極緩慢時,稱為靜載荷;載荷大小或方向不斷隨時間變化時,稱為變載荷。

根據(jù)機械的額定功率和負(fù)載,按照理論力學(xué)的方法計算出零件所受的載荷稱為名義載荷(或公稱載荷),表示符號是Fn

或Tn。名義載荷是一個理論上的值,沒有考慮到實際工作情況所產(chǎn)生的載荷變化。名義載荷和零件實際所受的載荷是不一樣的,在機械設(shè)計上通常利用一個載荷系數(shù)K對此進行修正,這個修正后的載荷稱為計算載荷Fca或Tca,即

式中:K為載荷系數(shù),具體可查表確定,一般情況下其值為大于等于1的一個數(shù)。

載荷作用在零件上將產(chǎn)生應(yīng)力。大小不隨時間而變或隨時間緩慢變化的應(yīng)力稱為靜應(yīng)力;大小不斷地隨時間而變的應(yīng)力稱為變應(yīng)力,如圖1－8所示。靜載荷和變載荷均可能產(chǎn)生變應(yīng)力。

如果應(yīng)力的大小及應(yīng)力變化周期、應(yīng)力幅和平均應(yīng)力均不隨時間而變,這樣的應(yīng)力稱為穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力,如圖1－8(a)、(b)所示。如果應(yīng)力的大小隨時間作周期性變化,而變化幅度也是按一定規(guī)律周期性變化,這樣的變應(yīng)力稱為不對稱循環(huán)變應(yīng)力,如圖1－8(c)所示。如果變應(yīng)力不作周期性變化而帶有偶然性,如汽車的懸架彈簧上受的應(yīng)力,這樣的變應(yīng)力稱為隨機變應(yīng)力,如圖1－8(d)所示。圖1－8變應(yīng)力

2.各種應(yīng)力之間的關(guān)系

各種應(yīng)力之間的關(guān)系如圖1－9所示。零件所受的周期內(nèi)的最大應(yīng)力為σmax,周期內(nèi)所承受的最小應(yīng)力為σmin,其應(yīng)力幅σa

與平均應(yīng)力σm之間的關(guān)系為

通常把r稱為應(yīng)力循環(huán)特性,-1≤r≤1。r=1表示應(yīng)力為靜應(yīng)力,r=0表示應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力,r=-1表示應(yīng)力為對稱循環(huán)變應(yīng)力(見圖1－9(b)),-1<r<1表示應(yīng)力為任意非對稱循環(huán)變應(yīng)力(見圖1－9(a)),各種應(yīng)力的特性如表1－1所示。圖1－9應(yīng)力關(guān)系

1.5.2材料的疲勞特性曲線

1.σN曲線

材料的疲勞特性通常是通過試驗來確定的,在材料的標(biāo)準(zhǔn)試件上加上應(yīng)力循環(huán)特性為r的變應(yīng)力,通過試驗,記錄在不同最大應(yīng)力下所引起的試件疲勞破壞所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)N,然后把結(jié)果用曲線表示出來,這個曲線就稱為σ－N曲線,如圖1－10所示。材料在循環(huán)特性r一定的情況下,當(dāng)循環(huán)N次后不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力通常稱為疲勞極限,表示符號為σrN,r代表材料的循環(huán)特性,N代表循環(huán)次數(shù)?？梢钥闯霾牧系钠跇O限是隨循環(huán)次數(shù)N和循環(huán)特性r的變化而變化的。圖1－10σN曲線

金屬材料的疲勞曲線通常可分為兩類,對于大多數(shù)的黑色金屬和合金材料,當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N達到某一數(shù)值N0后,疲勞曲線就呈現(xiàn)水平,無論循環(huán)次數(shù)如何增加,疲勞極限σrN都不會發(fā)生變化,如圖1－10(a)所示;對于有色金屬和高硬度合金鋼,無論N值多大,疲勞曲線都不會出現(xiàn)水平部分,如圖1－10(b)所示。

可以將有明顯水平部分的疲勞曲線分為兩個區(qū):有限壽命區(qū)和無限壽命區(qū)。N≤N0的部分稱為有限壽命區(qū),N>N0的部分稱為無限壽命區(qū)。

在有限壽命區(qū)內(nèi),應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)和疲勞極限之間的關(guān)系可以用下面的方程式來表示:

式中:C為試驗常數(shù);m為材料常數(shù),其值與應(yīng)力狀態(tài)、材料性質(zhì)和熱處理方法等有關(guān),通常是通過試驗來確定的,在一般設(shè)計中,對于鋼材,在彎曲疲勞和拉伸疲勞時,m=6~20,鋼制零件彎曲疲勞時,m=9;N0

為循環(huán)基數(shù),設(shè)計時,當(dāng)要求的循環(huán)次數(shù)N>N0

時,按無限壽命設(shè)計;當(dāng)循環(huán)次數(shù)小于103時,材料一般不會發(fā)生疲勞破壞,按靜力強度設(shè)計;KN

為材料的壽命系數(shù)。

2.等壽命疲勞曲線(極限應(yīng)力曲線)

等壽命疲勞曲線也叫材料的極限應(yīng)力曲線,是同一材料在不同的應(yīng)力循環(huán)特性r下的疲勞極限值σr(最大的極限應(yīng)力)在σa－σm坐標(biāo)系中的表達,其曲線如圖1－11(a)所示。圖1－11－材料的極限應(yīng)力曲線

圖中曲線上任意一點的橫坐標(biāo)σm

與縱坐標(biāo)σa之和代表某一循環(huán)特性下的材料疲勞極限σr。在縱坐標(biāo)軸上平均應(yīng)力σm

等于零,循環(huán)特性r=-1,為對稱循環(huán)應(yīng)力,所以縱坐標(biāo)軸上的A點代表著對稱循環(huán)應(yīng)力σ-1。在橫坐標(biāo)軸上應(yīng)力幅σa等于零,循環(huán)特性r=1,為靜應(yīng)力,所以橫坐標(biāo)上的B點代表著材料的抗拉強度極限σB。曲線上的D點代表著脈狀循環(huán)應(yīng)力σ0。

在工程應(yīng)用中,常以直線來近似替代疲勞特性曲線。圖1－11(b)所示的AGC雙直線極限應(yīng)力曲線圖就是一種常用的近似替代曲線圖。取A和D兩點創(chuàng)建直線并延長,在橫坐標(biāo)取一點C,使C點的值等于材料的屈服極限σs,過C點作一條與橫坐標(biāo)軸成45°的射線,與AD延長線交于G點,那么曲線AGC就為簡化的等壽命曲線。

當(dāng)材料的應(yīng)力處于曲線AGC與兩坐標(biāo)軸所圍區(qū)域以內(nèi)時,材料不會發(fā)生破壞;如果材料應(yīng)力處于曲線AGC與兩坐標(biāo)軸所圍區(qū)域以外時,材料將發(fā)生破壞;如果材料應(yīng)力處于曲線AGC上時,材料的應(yīng)力剛好達到極限狀態(tài)。所以要判斷材料是否發(fā)生破壞就要判斷其應(yīng)力是在曲線與兩坐標(biāo)軸所圍區(qū)域的內(nèi)部還是外部,為此必須求出曲線的方程。

AG線段的方程為

直線GC的方程為

式中:ψσ為材料受循環(huán)彎曲應(yīng)力時的材料常數(shù),其值由試驗及下面的公式確定:

根據(jù)經(jīng)驗,碳鋼的ψσ≈0.1~0.2,合金鋼的ψσ≈0.2~0.3

1.5.3機械零件的疲勞強度計算

1.影響零件疲勞強度的主要因素

材料的疲勞極限和材料的極限應(yīng)力曲線都是以標(biāo)準(zhǔn)試件通過疲勞試驗測得的,都是標(biāo)準(zhǔn)試件的疲勞強度指標(biāo)。工程設(shè)計中的各機械零件與標(biāo)準(zhǔn)試件之間在尺寸、幾何形狀、表面狀態(tài)、加工質(zhì)量及強化等因素上都是不同的,這使得零件的疲勞極限要小于材料試件的疲勞強度極限。影響機械零件疲勞強度的主要因素有三個:應(yīng)力集中、零件尺寸與表面狀態(tài)。

1)應(yīng)力集中的影響

在零件剖面的幾何形狀突然變化之處,如過渡圓角、鍵槽、螺紋小孔等處,局部應(yīng)力要遠遠大于理論計算應(yīng)力,這種由于零件形狀突然變化而引起的局部應(yīng)力增大的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。由于應(yīng)力集中的存在,零件的疲勞極限有所降低,其影響通常通過應(yīng)力集中系數(shù)kσ、kτ

來表示:

式中:σ-1、τ-1分別為無應(yīng)力集中試件的對稱循環(huán)疲勞極限;σ-1k、τ-1k分別為有應(yīng)力集中試件的對稱循環(huán)疲勞極限。

2)零件尺寸的影響

當(dāng)其他條件相同時,零件的絕對尺寸越大,則其疲勞強度越低。其原因是由于尺寸大時,材料晶粒變粗,導(dǎo)致出現(xiàn)缺陷的概率增大,加工后表面冷作硬化層相對較薄,在變應(yīng)力的作用下更容易形成疲勞裂紋,使零件的疲勞強度降低。在設(shè)計中通常用εσ、ετ來表示尺寸的影響:

式中:σ-1、τ-1分別為標(biāo)準(zhǔn)試件的對稱循環(huán)疲勞極限;σ-1d、τ-1d分別為與試件應(yīng)力集中情況相同的某尺寸零件的對稱循環(huán)疲勞極限。

3)表面狀態(tài)的影響

零件的表面狀態(tài)包括表面粗糙度和表面處理?？赏ㄟ^零件表面強化處理(如噴丸、表面熱處理、表面化學(xué)處理等)來提高零件的表面光滑程度,從而提高機械零件的疲勞強度。表面狀態(tài)對疲勞極限的影響可用表面狀態(tài)系數(shù)β來表示:

式中:σ-1為標(biāo)準(zhǔn)表面狀態(tài)試件的對稱循環(huán)疲勞極限;σ-1β為某種表面狀態(tài)試件的對稱循環(huán)疲勞極限。

為了綜合考慮這三種因素對零件的疲勞極限影響,在此定義一個綜合影響系數(shù)Kσ、Kτ。試驗證明,綜合影響系數(shù)只對應(yīng)力幅有影響,其公式為

2.零件疲勞強度的計算

一般用材料的對稱循環(huán)疲勞極限σ-1與零件的對稱循環(huán)疲勞極限σ-1e的比值來表示綜合影響系數(shù)Kσ,可以得到:

當(dāng)已知綜合影響系數(shù)

Kσ和材料的對稱循環(huán)疲勞極限σ-1后,就可以得到零件的對稱循環(huán)疲勞極限σ-1e為

通過公式(1－32)可以看出把材料的極限應(yīng)力曲線按一定比例向下平移就可以得到零件的極限應(yīng)力曲線,如圖1－12所示。圖1－12零件的極限應(yīng)力曲線

直線A'G'方程:

式中:ψσ

為標(biāo)準(zhǔn)試件中的材料常數(shù);ψσe為零件的材料常數(shù);ψσe可用下面的公式計算:

3.單向穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強度計算

在對機械零件進行疲勞強度計算時,首先求出危險截面上的最大工作應(yīng)力σmax和最小工作應(yīng)力σmin;再計算出應(yīng)力幅σa

和平均應(yīng)力σm,然后找出該點在極限應(yīng)力圖上的坐標(biāo)點M(N),找出該點對應(yīng)的極限應(yīng)力σ'max,那么σ'max與σmax的比值就是計算安全系數(shù)Sca,驗證其是否大于等于許用安全系數(shù)S就可以了。

下面將對三種最常見的情況進行討論。

情況一:

如圖1－13所示,當(dāng)r=C時,可以得到

過原點引一條射線通過工作應(yīng)力點M(N),與極限應(yīng)力曲線相交于M'1(N'1)點,得到OM'1。由于直線上任一點的應(yīng)力循環(huán)特性均相同,只要在這條線上的點都滿足r=C,因此M'1(N'1)點即為所求的極限應(yīng)力點,該點的坐標(biāo)所代表的應(yīng)力就是計算時所用的極限應(yīng)力σlime。圖1－13r=C時零件的極限應(yīng)力曲線

(1)當(dāng)工作應(yīng)力點位于OAG區(qū)域內(nèi)時,極限應(yīng)力為疲勞極限,按疲勞強度計算,零件的極限應(yīng)力(疲勞極限)為

強度條件為

(2)當(dāng)工作應(yīng)力點位于OGC區(qū)域內(nèi)時,極限應(yīng)力為屈服極限σs,按靜強度計算,零件的強度條件為

情況二:

需在極限應(yīng)力圖上找一個其平均應(yīng)力與工作應(yīng)力相同的極限應(yīng)力,如圖1－14所示。過工作應(yīng)力點M(N)作與縱軸平行的軸線交AGC于M2(N'2)點,即為極限應(yīng)力點,該點的坐標(biāo)所代表的應(yīng)力就是計算時所用的極限應(yīng)力σlime。圖1－14σm=C時的極限應(yīng)力

(1)當(dāng)工作應(yīng)力點位于OAGH區(qū)域時,有

(2)當(dāng)工作應(yīng)力點位于GHC區(qū)域時,有

只需按靜力強度進行校核就可以了。

情況三:

過工作應(yīng)力點M(N)作與橫坐標(biāo)成45°的直線,則這條直線上任一點的最小應(yīng)力均相同,所以該直線與極限應(yīng)力線的交點M'3(N'3)即為所求極限應(yīng)力點,如圖1－15所示。圖1－15σm=C時的極限應(yīng)力

(1)當(dāng)工作應(yīng)力點位于OJGI區(qū)域內(nèi)時,有

(2)當(dāng)工作應(yīng)力點位于IGC區(qū)域時,有

上述公式應(yīng)用時應(yīng)該注意以下幾點問題:

(1)若零件所受應(yīng)力變化規(guī)律不能肯定,這時可采用r=C的近似情況計算。

(2)通過等壽命曲線的含義及公式中的推導(dǎo)可以看出,上述公式計算均按無限疲勞壽命進行零件的疲勞安全系數(shù)設(shè)計,若按有限壽命要求設(shè)計零件,即當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)104<N<N0時,上述公式中的極限應(yīng)力應(yīng)為有限壽命的疲勞極限σrN,即在以前的公式中用σrN

來代替σr。這說明如果用上面的公式來計算有限壽命的安全系數(shù),則計算結(jié)果是偏大的。

(3)當(dāng)未知工作應(yīng)力點在區(qū)域內(nèi)時,應(yīng)同時考慮可能出現(xiàn)的兩種情況。

(4)對于切應(yīng)力,上述公式同樣適用,只需將σ改為τ即可。

(5)分析公式(1－38),分子是對稱循環(huán)的彎曲疲勞極限,分母為工作應(yīng)力幅乘以綜合影響系數(shù)Kσ再加上ψσσm,可以這樣來理解,把ψσσm

看做是一個折算的等效應(yīng)力幅,ψσ看做是等效應(yīng)力幅的一個折算系數(shù),經(jīng)過折算后,Kσσa+ψσσm

就可以看成是原來不對稱循環(huán)變應(yīng)力的一個等效循環(huán)變應(yīng)力,由于是對稱循環(huán),所以將其標(biāo)記為σad。這樣的一個轉(zhuǎn)化過程稱為應(yīng)力的等效轉(zhuǎn)化。

所謂等效應(yīng)力,也可以這樣來概括,就是將非對稱循環(huán)變應(yīng)力按照強度相等的原則等效折算成對稱循環(huán)的變應(yīng)力的一個等效應(yīng)力的過程,即

于是計算安全系數(shù)為

1.5.4機械零件的抗斷裂強度

在工程實際中,有這樣一些結(jié)構(gòu),若按常規(guī)的強度理論來分析,它們是能滿足強度條件的,即工作應(yīng)力小于許用應(yīng)力。但在實際使用中,又往往會發(fā)生突然性的斷裂。這種在工作應(yīng)力小于許用應(yīng)力時所發(fā)生的突然斷裂,常稱為低應(yīng)力脆斷。結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋和缺陷的存在是導(dǎo)致低應(yīng)力斷裂的內(nèi)在原因。另外,蓬勃發(fā)展的近代先進科學(xué)技術(shù),對傳統(tǒng)的強度理論提出了挑戰(zhàn),主要有三方面:第一是高強度材料和超高強度材料的使用;第二是構(gòu)件的大型化;第三是全焊接結(jié)構(gòu)的使用。這些方面的應(yīng)用尤其需要解決材料的脆斷問題,而解決這一問題的主要理論工具就是斷裂力學(xué)。

斷裂力學(xué)的研究內(nèi)容包括裂紋的起裂條件;裂紋在外部載荷和(或)其他因素作用下的擴展過程;裂紋擴展到什么程度物體會發(fā)生斷裂。另外,為了工程方面的需要,斷裂力學(xué)還研究含裂紋的結(jié)構(gòu)在什么條件下可能被破壞;在一定荷載下,可允許結(jié)構(gòu)含有多大裂紋;在結(jié)構(gòu)裂紋和結(jié)構(gòu)工作條件一定的情況下,結(jié)構(gòu)還有多長的壽命等。

傳統(tǒng)的強度理論是運用應(yīng)力和許用應(yīng)力來度量和控制結(jié)構(gòu)的強度與安全性的。為了度量含裂紋結(jié)構(gòu)體的強度,在斷裂力學(xué)中運用了應(yīng)力強度因子KⅠ(或KⅡ、KⅢ)和平面應(yīng)變斷裂韌度KⅠC(或KⅡC、KⅢC)兩個新的度量指標(biāo),并以此建立了以損傷容限為設(shè)計判據(jù)的設(shè)計方法(其中腳標(biāo)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別表示按承載時裂紋產(chǎn)生不同的變形現(xiàn)象或趨勢而劃分的裂紋類型)。

高強度材料的廣泛應(yīng)用,推進了斷裂力學(xué)的發(fā)展。對斷裂力學(xué)研究的不斷深入,又使其應(yīng)用范圍不斷擴大。目前,斷裂力學(xué)在工程上主要應(yīng)用于估計含裂紋構(gòu)件的安全性和使用壽命,確定構(gòu)件在工作條件下所允許的最大裂紋尺寸,用斷裂力學(xué)指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計。

例如,某燃氣輪機的一個零件是由高強度合金鋼制成的。工作時,零件所受最大應(yīng)力為410MPa。經(jīng)超聲波無損探傷以及進一步的分析,確定其結(jié)構(gòu)內(nèi)部可能有最大長度為3mm的等效裂紋。根據(jù)斷裂力學(xué)的計算得到應(yīng)力強度因子,由試驗可以確定該零件材料的斷裂韌度,進一步可計算出斷裂破壞的計算安全系數(shù)。因此,可判斷該零件的安全性是足夠的。

1.5.5機械零件的接觸疲勞強度

機械中各零件之間力的傳遞,總是通過兩零件相互接觸來實現(xiàn)的,如圖1－16所示。零件之間若為面接觸,將產(chǎn)生表面擠壓應(yīng)力;若為點、線接觸,將產(chǎn)生接觸應(yīng)力。機械零件中接觸應(yīng)力往往是變應(yīng)力,像滾動軸承、齒輪和凸輪等零件,在較高的接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下,會在接觸表面的局部區(qū)域產(chǎn)生小塊或小片金屬剝落,形成麻點和凹坑,使零件運轉(zhuǎn)噪聲增大,振動加劇,溫度升高,磨損加快,最后導(dǎo)致零件點蝕失效。接觸強度問題大多屬于接觸疲勞強度問題,因此,設(shè)計這類零件時,必須考慮接觸強度。圖1－16圓柱體的接觸應(yīng)力分布

物體表面的接觸狀況,按初始幾何條件可分為點接觸和線接觸兩類。施加載荷后,接觸點或接觸線實際上變成接觸面(圓、橢圓、矩形或梯形)。在計算接觸面積時假設(shè):

①彈性體材料各向同性;

②接觸區(qū)域的應(yīng)力不超過彈性極限;

③接觸面積比接觸物體總表面積小得多;

④接觸應(yīng)力垂直于物體的接觸表面。

根據(jù)上述假設(shè),兩個彈性物體接觸面為一橢圓,最大壓應(yīng)力(即最大接觸應(yīng)力)發(fā)生在接觸面的中心。

高副零件工作時,理論上是點接觸或線接觸,但實際上由于材料接觸部分的局部彈性變形而形成面接觸,這種接觸由于接觸面積很小,表層產(chǎn)生的應(yīng)力實際上是很大的,該應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。

如圖1－16所示,設(shè)兩圓柱體所受的壓力為F,圓柱體1與圓柱體2的曲率半徑分別為ρ1－和ρ2,長度為b,圓柱體1和2的彈性模量和泊松比分別為E1、γ1－和E2、γ2。根據(jù)彈性力學(xué)中的赫茲公式,則兩圓柱體的接觸應(yīng)力為

當(dāng)兩圓柱體未受力接觸前,兩圓柱體沿與軸線平行的一條直線接觸;當(dāng)受力后,接觸線就產(chǎn)生彈性變形,這個時候不再是線接觸,而形成了一個寬度為2a的矩形接觸面。假設(shè)變形在彈性范圍內(nèi),由于在接觸面上隨寬度的不同圓柱體的變形不同,應(yīng)力也是不同的,在初始接觸線上應(yīng)力最大,在矩形邊緣接觸應(yīng)力為零。

當(dāng)零件相互對滾時,接觸線或接觸點將連續(xù)改變位置,零件上任一點的接觸應(yīng)力只能在0到σH之間改變,接觸應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力。進行接觸疲勞計算時,極限應(yīng)力也應(yīng)是脈動循環(huán)的極限接觸應(yīng)力。

在機械設(shè)計中,可采用提高接觸強度的措施來提高零件的使用壽命。例如,提高零件表面質(zhì)量,在接觸表面加潤滑劑,用各種熱處理工藝提高接觸表面的硬度等。

1.6機械零件的結(jié)構(gòu)工藝性

1.6.1－機械零件結(jié)構(gòu)工藝性的基本原則

機械零件結(jié)構(gòu)工藝性的基本原則是:(1)與生產(chǎn)條件、批量大小及獲得毛坯的方法相適應(yīng)。(2)造型簡單化。(3)加工的可能性、方便性、精確性和經(jīng)濟性。(4)裝拆的可能性和方便性。

1.6.2良好工藝性對機械零件結(jié)構(gòu)的具體要求

1.鑄造工藝性對零件的結(jié)構(gòu)要求

具有較復(fù)雜外形的機械零件,如減速箱的箱體等,常采用鑄造工藝。鑄造工藝性有如下要求:

(1)應(yīng)使造型方便,砂箱和型芯盡量少,具有必要的起模斜度等。

(2)鑄造件應(yīng)有一定的壁厚,壁厚變化及布置應(yīng)避免出現(xiàn)縮孔,避免局部金屬堆積。

(3)應(yīng)考慮零件在機床上切削加工時有必要的基準(zhǔn)面,注意澆鑄過程中不應(yīng)造成激冷過硬的被切削加工面。

2.鍛造工藝性對零件的結(jié)構(gòu)要求

機械中負(fù)載高、工作條件嚴(yán)峻的重要零件,如減速器齒輪等多采用鍛件。鍛造工藝性有如下要求:

(1)自由鍛。自由鍛件應(yīng)當(dāng)盡量避免圓錐體形狀以及圓柱體與圓柱體相交接、加強筋、表面凸臺等結(jié)構(gòu),以免鍛造困難。

(2)模鍛。模鍛件的結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)使鍛件易從鍛模中取出,要考慮分模面問題;因模鍛件的精度較高,故要考慮模鍛斜度和圓角;形狀盡量簡單、平直和對稱,避免出現(xiàn)薄壁、高的突起和深的凹槽;模鍛件的厚度不能太小,以防止金屬坯料冷卻太快影響金屬充滿模槽。

3.熱處理工藝性對零件結(jié)構(gòu)的要求

(1)避免銳邊和尖角,采用的過渡圓角應(yīng)盡可能大。

(2)盡量使零件截面均勻。為提高零件結(jié)構(gòu)的剛性,必要時可增添加強筋。

(3)零件幾何形狀力求簡單、對稱。

(4)形狀特別復(fù)雜或者不同部位有不同性能要求時,可改成組合結(jié)構(gòu)。

4.切削加工工藝性對零件結(jié)構(gòu)的要求

幾乎所有的機械零件都要經(jīng)過切削加工,切削加工工藝對零件結(jié)構(gòu)設(shè)計影響很大。切削加工工藝主要考慮的因素有:

(1)提高切削效率。

(2)便于切削加工。

(3)減少切削加工量。

(4)防止切削加工使零件變形。

常見的切削加工合理結(jié)構(gòu)和不合理結(jié)構(gòu)示例見表1－2

5.裝配工藝性對零件結(jié)構(gòu)的要求

設(shè)計零件的結(jié)構(gòu)時必須考慮它的裝配工藝性。裝配工藝性對零件結(jié)構(gòu)的要求如下:

(1)零件應(yīng)有正確的裝配基面。

(2)應(yīng)使零件的裝配和拆卸方便。

(3)應(yīng)盡量避免或減少裝配時的切削加工和手工修配(如攻絲、刮削、研配等)。

(4)盡可能組成獨立部件或裝配單元(總成)。

裝配工藝性示例見表1－3。

1.7機械設(shè)計中的標(biāo)準(zhǔn)化

1.機械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的意義(1)標(biāo)準(zhǔn)化后,同一型號零件的機械加工數(shù)量大大增加,便于采用高生產(chǎn)率的先進設(shè)備和技術(shù)進行大規(guī)模生產(chǎn)或組織專業(yè)化生產(chǎn),可以合理利用原材料,節(jié)約能源,降低生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量。

(2)統(tǒng)一零件的性能指標(biāo),提高產(chǎn)品的可靠性。

(3)產(chǎn)品的零部件具有互換性。

(4)可以大大減少設(shè)計和制造的工作量。

(5)便于維修,減少了維修更換零部件的工作量和時間。

2.機械設(shè)計中的標(biāo)準(zhǔn)化

按照標(biāo)準(zhǔn)化分類,將機械零件分為標(biāo)準(zhǔn)件、重復(fù)使用件、相似類型件和特殊件。

(1)標(biāo)準(zhǔn)件。標(biāo)準(zhǔn)件的特點是它的全部特征都在標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了,設(shè)計零件時已不存在任何設(shè)計自由度,設(shè)計者只需按標(biāo)準(zhǔn)選用即可。這就要求設(shè)計中盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)件,這樣既可以減少設(shè)計工作量,還可以降低制造成本。

(2)重復(fù)使用件。機械中的零件與原有的產(chǎn)品零件相同,此類零件稱為重復(fù)使用件。采用重復(fù)使用件也是減少工廠生產(chǎn)零件種數(shù)的有效方法。使用時可以直接應(yīng)用原有圖紙和原有加工工藝。

(3)相似類型件。有些零件在結(jié)構(gòu)上具有高度的相似性,則稱之為相似類型件。相似類型件在機械設(shè)計中是大量存在的。實際上重復(fù)使用件也屬于相似類型件的范疇。相似類型件的工作條件、加工方法基本類似,且經(jīng)過一定的實際檢驗,在設(shè)計時其主要參數(shù)可作為重要參考。

(4)特殊件。機械中的有些零件與其他種類零件相似性較少、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、用途特別,稱之為特殊件,如機床床身、機架等。這類零件在機械產(chǎn)品中所占比例為5%~10%。在設(shè)計這類零件時,一些功能要素和重要參數(shù)也應(yīng)盡可能標(biāo)準(zhǔn)化,如中心距、總體尺寸等。

思考與練習(xí)

1.機械設(shè)計的一般步驟是什么?2.零件常見的失效有哪些,相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則是什么?3.材料的選擇原則是什么?機械工業(yè)中常見的材料有哪幾種?4.現(xiàn)代設(shè)計方法有哪些?5.名義載荷與計算載荷的關(guān)系是什么?6.應(yīng)力分類有哪些?請列舉出常見的集中應(yīng)力形式。

7.σN曲線與等壽命曲線有何不同?它們的用途是什么?

8.某材料的對稱循環(huán)彎曲疲勞極限σ-1=480MPa,取循環(huán)基數(shù)N0=5×106,m=9,試求循環(huán)次數(shù)N分別為7000、25000、620000時的有限疲勞壽命彎曲疲勞極限。

9.已知材料的屈服極限σs=300MPa,σ-1=210MPa,ψσ=0.2,繪出此材料的簡化極限應(yīng)力圖。

10.某受穩(wěn)定彎曲變應(yīng)力作用的軸類零件,最大工作應(yīng)力σmax=400MPa,最小工作應(yīng)力σmin=-100MPa。已知材料的對稱循環(huán)疲勞極限σ-1－=450MPa,脈狀循環(huán)疲勞極限σ0=700MPa,屈服極限σs=800MPa。

(1)試?yán)L出材料按折線簡化的極限應(yīng)力圖;

(2)在簡化極限應(yīng)力圖上標(biāo)明工作應(yīng)力點M;

(3)說明該零件可能的失效形式(簡單加載)。

11.機械設(shè)計中的標(biāo)準(zhǔn)化有何意義?第2章傳動裝置的總體設(shè)計2.1傳動方案的擬訂2.2-減速器的類型、特點和應(yīng)用2.3電動機的選擇2.4傳動比的計算與分配2.5各軸的轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩2.6總體設(shè)計實例思考與練習(xí)

2.1傳動方案的擬訂

1.傳動方案確定原則

滿足工作機性能要求的傳動方案,可以由不同的傳動機構(gòu)類型以不同的組合形式和布置順序構(gòu)成。合理的方案首先應(yīng)滿足工作機的性能要求,以保證工作可靠。此外,還應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、加工方便、成本低廉、傳動效率高和使用維護便利的特點。要同時滿足上述要求,往往比較困難,因此,應(yīng)根據(jù)具體設(shè)計任務(wù)有所側(cè)重地保證主要設(shè)計要求,選用比較合理的方案。

圖2-1所示為帶式運輸機的工作機部分,它由機架、前后兩個滾筒和輸送帶組成。工作機的輸送帶以一定的拉力、運行速度運動,將遠距離的物料傳送到生產(chǎn)鏈的下游裝置中。圖2-1帶式運輸機工作機

要保證帶式運輸機工作機的正常工作,必須提供合適的原動機和傳動裝置,通常原動機可選為電動機。因電動機的轉(zhuǎn)速較高,工作機的轉(zhuǎn)速較低,二者相差較大,故在電動機和工作機之間常采用不同種類的傳動機構(gòu)組合成多級傳動的大傳動比,來實現(xiàn)電動機的減速。各類傳動裝置的特點和適用范圍如表2-1所示。

在多級傳動中,各級傳動機構(gòu)的排列順序?qū)鲃拥钠椒€(wěn)性、傳動效率以及傳動裝置的結(jié)構(gòu)尺寸的影響很大,下列幾點原則可供確定設(shè)計方案時參考。

(1)帶傳動承載能力較低,但傳動平穩(wěn),緩沖吸振能力強,宜布置在高速級。

(2)鏈傳動運轉(zhuǎn)不均勻,有沖擊,宜布置在低速級。

(3)蝸桿傳動效率低,但傳動平穩(wěn),當(dāng)與齒輪傳動同時應(yīng)用時,宜布置在高速級。

(4)當(dāng)傳動中有圓柱齒輪和圓錐齒輪傳動時,圓錐齒輪傳動宜布置在高速級,以減小圓錐齒輪的尺寸。

(5)開式齒輪傳動由于工作環(huán)境較差,潤滑不良,為減少磨損,宜布置在低速級。

(6)斜齒輪傳動比較平穩(wěn),常布置在高速級。

2-.傳動方案分析

有很多傳動方案都可以保證帶式運輸機工作機的正常工作,以如圖2-2所示的五種較為典型的方案進行分析。

方案(一)選用V帶傳動和閉式齒輪傳動,帶傳動布置于高速級,起到傳動平穩(wěn)、緩沖吸振和過載保護的作用。但此方案結(jié)構(gòu)尺寸較大,帶傳動也不適用于繁重的工作要求和惡劣的工作環(huán)境。

方案(二)采用一級蝸桿減速器傳動,結(jié)構(gòu)緊湊,傳動比比較大,但是蝸桿傳動效率較低,長期連續(xù)工作不經(jīng)濟。

方案(三)采用二級閉式齒輪傳動,適應(yīng)在繁重及惡劣的條件下長期工作,且使用維護方便。但要求大啟動力矩時,啟動沖擊大。

方案(四)采用二級圓錐圓柱齒輪傳動,適合布置在狹窄的通道中工作,但加工圓錐齒輪比加工圓柱齒輪困難,成本也較高。

方案(五)采用V帶傳動、閉式齒輪傳動和鏈傳動,能滿足傳動比要求,但鏈傳動的抗沖擊性能差,噪音大,鏈磨損快,壽命短。圖2-2-帶式運輸機傳動方案

以上五種傳動方案都可以滿足帶式輸送機的功能要求,但其結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟成本各不相同,一般應(yīng)根據(jù)具體工作條件選定較好的方案。

其中方案(五)中包含有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動,從機械設(shè)計知識體系的完整性來說較為典型,后面將以此方案作為設(shè)計案例重點講解。

2.2-減速器的類型、特點和應(yīng)用

減速器在傳動裝置中應(yīng)用最廣泛,為了便于合理選擇減速器的類型,表2-2列出了常用減速器的類型、特點及應(yīng)用,供學(xué)生選型時參考。

2.3電動機的選擇

1.選擇電動機類型和結(jié)構(gòu)形式電動機有交、直流之分,一般工廠都采用三相交流電,因而選用交流電動機。交流電動機分異步、同步電動機,異步電動機又分為籠型和繞線型兩種,其中以普通籠型異步電動機應(yīng)用最多。目前應(yīng)用較廣的Y系列全封閉自扇冷式籠型三相異步電動機,結(jié)構(gòu)簡單,啟動性能好,工作可靠,價格低廉,維護方便,適用于不易燃、不易爆、無腐蝕性氣體、無特殊要求的場合,如運輸機、機床、農(nóng)機、風(fēng)機和輕工機械等。

2.確定電動機的功率

電動機功率的選擇直接影響到電動機工作性能和經(jīng)濟性能的好壞。若所選電動機的功率小于工作要求,則不能保證工作機正常工作;若功率過大,則電動機不能滿載運行,功率因數(shù)和效率較低,從而增加電能消耗,造成能源浪費。

確定電動機的功率時要考慮電動機的發(fā)熱、過載能力和啟動能力三方面因素,但一般情況下電動機的容量主要根據(jù)電動機運行時的發(fā)熱條件而定。對于載荷不變或變化不大,且在常溫下長期連續(xù)運轉(zhuǎn)的電動機,只要電動機的負(fù)載不超過額定值,電動機便不會過熱,通常不必校驗發(fā)熱和啟動轉(zhuǎn)矩。

確定電動機功率的步驟如下:

(1)工作機所需功率Pw(kW)。若已知工作機的阻力F(N)和圓周速度v(m/s),則

若已知作用在工作機上的阻力矩T(N·m)及轉(zhuǎn)速nw(r/min),則

(2)電動機的輸出功率Pd。

式中:η為從電動機到工作機的總效率。則總效率為

其中,η1、η2、…、ηn分別為傳動系統(tǒng)中各傳動副(齒輪、帶或鏈傳動等)效率、一對軸承的效率和每個聯(lián)軸器的效率,其數(shù)值見表2-3。

在進行效率計算時,還應(yīng)注意以下幾點:

(1)軸承效率是針對一對軸承而言的,如一根軸上有三個軸承時,應(yīng)按兩對計算。

(2)同類型的多對傳動副,要分別計入各自的效率。

(3)表2-3內(nèi)所推薦的效率為一個范圍,工作條件差時,效率取低值,反之則取高值。

(4)按電動機的額定功率Ped≥Pd的條件選擇電動機的型號。

3.確定電動機的轉(zhuǎn)速

同一類型且相同額定功率的電動機低速的級數(shù)多,外部尺寸較大,重量較重以及價格較高,但可使傳動裝置的總傳動比和尺寸減小;高速電動機則與低速電動機相反,設(shè)計時應(yīng)綜合考慮各方面因素,選取適當(dāng)?shù)碾妱訖C轉(zhuǎn)速。

三相異步電動機常用的同步轉(zhuǎn)速有3000r/min、1500r/min、1000r/min和750r/min,實際應(yīng)用中常選用1500r/min或1000r/min的電動機。

Y系列電動機為全封閉自扇冷式籠型三相異步電動機,用于空氣中不含易燃、易爆或腐蝕性氣體的場合。常用在一般機械裝置的設(shè)計中。其技術(shù)數(shù)據(jù)、安裝代號和安裝尺寸見表2-4和表2-5。

根據(jù)工作機的轉(zhuǎn)速要求和各級傳動的合理傳動比范圍,可按下式推算出電動機轉(zhuǎn)速的可選范圍,即

式中:n為電動機可選轉(zhuǎn)速范圍,單位為r/min;nw為工作機軸的轉(zhuǎn)速,單位為r/min;i1·i2·i3·…·in為各級傳動的傳動比合理范圍。

設(shè)計傳動裝置時一般按實際工作需要的電動機輸出功率Pd計算,轉(zhuǎn)速則取滿載轉(zhuǎn)速。

2.4傳動比的計算與分配

電動機選定后,根據(jù)電動機的滿載轉(zhuǎn)速nm和工作機的轉(zhuǎn)速nw,即可確定傳動系統(tǒng)的總傳動比i為總傳動比為各級傳動比的連乘積,即

合理分配傳動比是傳動系統(tǒng)設(shè)計中的一個重要步驟,它將直接影響到傳動系統(tǒng)的外廓尺寸、重量、潤滑及傳動機構(gòu)的中心距等問題。分配傳動比的基本原則是:

(1)各級傳動的傳動比應(yīng)在合理的范圍內(nèi)(見表2-6),不超出容許的最大值,以利于發(fā)揮各級傳動的性能,并使結(jié)構(gòu)緊湊。

(2)使各傳動件尺寸協(xié)調(diào),結(jié)構(gòu)均勻合理。例如,電動機至減速器間有帶傳動,一般應(yīng)使帶傳動的傳動比小于齒輪傳動的傳動比,以免大帶輪半徑大于減速器中心高,使帶輪與底架相碰,如圖2-3所示。圖2-3大帶輪半徑過大

(3)盡量使傳動裝置的總體尺寸緊湊。如圖2-4所示,在中心距和總傳動比相同時,粗實線所示方案較細實線所示方案具有較小的外廓尺寸。圖2-4中心距和傳動比

(4)使各級傳動的大齒輪浸油深度合理,如圖2-5所示。圖2-5大齒輪浸油深度

2.5各軸的轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩

為了進行傳動零件和軸的設(shè)計計算,應(yīng)將傳動裝置中各軸的轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩計算出來。計算時可先將各軸從高速軸至低速軸依次編號,如Ⅰ軸、Ⅱ軸、Ⅲ軸、…,再按順序逐步計算,并設(shè):i0、i1、…為相鄰兩軸之間的傳動比;η01、η12、…為相鄰兩軸之間的傳動效率;PⅠ

、PⅡ、…為各軸輸入功率,單位為kW;TⅠ

、TⅡ

、…為各軸輸入轉(zhuǎn)矩,單位為N·m。

(1)各軸的轉(zhuǎn)速。

式中:nⅠ為電動機Ⅰ軸的轉(zhuǎn)速,單位為r/min;nm為電動機的滿載轉(zhuǎn)速,單位為r/min;i0為電動機軸至Ⅰ軸的傳動比。

依次序得

其余類推。

(2)各軸輸入功率。

式中:Pd為電動機實際輸出功率,單位為kW;PⅠ為Ⅰ軸的實際輸入功率,單位為kW;η01為電動機軸與Ⅰ軸間的傳動效率。

依次序得

(3)各軸輸入轉(zhuǎn)矩。

式中:Td為電動機軸的輸出轉(zhuǎn)矩,單位為N·m。

同理

依次序得

2.6總體設(shè)計實例

圖2-6所示為帶式輸送機傳動方案,已知運輸機滾筒軸功率P=5kW;運輸機滾筒軸轉(zhuǎn)速n=78r/min;滾筒輪中心高度H=600mm。工作條件:用于鍋爐房運煤,兩班制工作,每班工作8小時,空載啟動,單向、連續(xù)運轉(zhuǎn),載荷平穩(wěn)。使用期限:工作期限為10年,每年工作300天。生產(chǎn)批量及加工條件:小批量生產(chǎn),無鑄造設(shè)備。試完成該方案的總體設(shè)計。圖2-6帶式輸送機傳動方案

解(1)選擇電動機。

①選擇電動機的類型。按已知的工作要求和工作條件,選擇Y系列三相異步電動機,此系列電動機屬于一般用途的全封閉自扇冷式籠型三相異步電動機,結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠,價格低廉,維護方便,適用于不易燃、不易爆、無腐蝕性氣體和無特殊要求的機械。

②選擇電動機的效率。按表2-3選取。V帶傳動效率η1=0.96,每對軸承效率η2=0.99,齒輪效率η3=0.96,滾子鏈傳動效率η4=0.98,滾筒效率η5=0.96。

傳動裝置的總效率η為

已知運輸機滾筒軸功率P=5kW,即工作機的功率Pw=5kW,則電動機的輸出功率為

③確定電動機的轉(zhuǎn)速。因載荷平穩(wěn),故電動機額定功率Ped略大于Pd即可。由表2-4中Y系列電動機技術(shù)參數(shù),選電動機的額定功率Ped為7.5kW。初選電動機轉(zhuǎn)速為1500r/min,選定電動機型號為Y132M-4,其滿載轉(zhuǎn)速nm=1440r/min。

(2)計算傳動裝置的總傳動比,并分配各級傳動比。

傳動裝置的總傳動比為

根據(jù)表2-6中各級傳動傳動比的薦用值,初選V帶傳動的傳動比i1=2,滾子鏈傳動的傳動比i3=2.5,則齒輪傳動的傳動比為

各級傳動的傳動比均在推薦值范圍內(nèi),故設(shè)計合理。

(3)計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)。

式中,i0為電機到Ⅰ軸的傳動比,i0=1。

②各軸輸入功率。

式中:η01為電機到Ⅰ軸的傳動比,η01=1;η12為V帶傳動的效率;η23為包括一對軸承的效率和齒輪傳動的效率;η34為包括一對軸承的效率和滾子鏈傳動的效率。

③各軸輸入轉(zhuǎn)矩。

總體設(shè)計數(shù)據(jù)是傳動裝置進一步設(shè)計的重要依據(jù),現(xiàn)將設(shè)計計算的主要參數(shù)列表,如表2-7所示。

思考與練習(xí)

1.對照實例完成自選題目的總體設(shè)計。2.傳動裝置總體設(shè)計包括哪些部分?合理的傳動方案應(yīng)滿足哪些要求?3.在多級傳動中帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動應(yīng)如何布置?4.減速器的主要類型有哪些?各有什么特點?5.電動機的選擇包括哪幾方面的內(nèi)容?6.電動機的容量(功率)主要是根據(jù)什么條件確定的?

7.如何確定所需要的電動機的工作功率?設(shè)計傳動裝置時按什么功率來計算?為什么?

8.傳動裝置的總效率如何計算?計算時要注意哪些問題?

9.傳動裝置的總傳動比如何確定?如何分