机械设计课程总结

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Machine_Design_Ao_Hongrui_2010,*,机械设计,课程总结,哈尔滨工业大学 机械设计系,赵小力,2013-12-12,一,般,机,械,设,备,原动机：机械设备完成其工作任务的动力来源；,传动装置：将原动机的运动和动力传递给工作机的装置；,控制装置：根据机械系统的不同工况对原动机、传动装,置和工作机实施控制的装置；,工作机：完成生产任务的执行装置；,辅助装置：机架、润滑、照明、排污、通风等,机械零件,机械制造过程中不可分拆的最小单元；,机械部件,机械制造过程中为完成同一目的而由若干协同,工作的零件组合在一起的组合体。,1.1,机械的组成,名义载荷,根据原动机或工作机的额定功率计算出的作用于机,械零件上的载荷，或称为额定载荷,计算载荷,考虑到载荷不均匀性和其他影响因素的情况下，在,名义载荷的基础上乘上载荷系数,K,，,静载荷,不随时间变化或缓慢变化的载荷,动载荷,随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷,F,ca,=KF,F,F,ca,静应力,大小和方向不随时间变化或变化缓慢的应力；,变应力,大小和方向随时间变化的应力,零件在静应力作用下可能发生断裂或塑形变形；,零件在变应力作用下可能发生疲劳破坏；,2.2,载荷和应力,变应力又分为循环变应力和非循环变应力,2.2,载荷和应力,变循环应力有,5,个基本参数：最大应力、最小应力、平均应,力、应力幅和循环特征，其中只有,2,个为独立参数，其中循,环特征,r,是重要指标。,根据循环特征,r,可分为：对称循环变应力、脉动循环变应力和,非对称循环变应力。,2.2,载荷和应力,2.2,载荷和应力,工作应力,根据计算载荷，按照材料力学的基本公式求出,的、作用于机械零件剖面上的应力,计算应力,当零件危险剖面上呈复杂应力状态时，按照某,一强度理论求出、与单向拉伸时有同等破坏作用的应力,极限应力,按照强度准则设计机械零件时，根据材料性质,及应力种类而采用材料的某个应力极限值,疲劳极限的主要影响因素,：,（,1,）应力集中；（,2,）绝对尺寸；（,3,）表面状态,许用应力,设计零件时计算应力允许打到的最大值，是极,限应力和许用安全系数的比值，用,和,表示。,接触应力,当两物体在压力下接触时，若两接触面（或其中一个）为曲,面，那么在接触处的表层产生很大的局部应力，即接触应力。,高副接触中都存在接触应力，通常采用赫兹接触理论来计算。,2.2,载荷和应力,机械零部件的主要内容,原理特点，受力失效,设计准则，材料选择,强度计算，参数选择,结构设计,5.1,螺纹的主要参数,d,-,螺纹大径,公称直径,d,1,-,螺纹小径,校核直径,d,2,-,螺纹中径,基准直径,p,-,螺距,相邻两牙,n,-,线数,螺旋线数,S,-,导程,同一螺旋线,-,螺纹升角,牙型角,-,牙侧角,旋向,第五章 螺纹连接和螺纹传动,5.1,螺纹副的自锁条件,第五章 螺纹连接和螺纹传动,常用螺纹的特点与应用,按牙形：三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯,齿形螺纹、管螺纹,按母体形状：圆柱螺纹、圆锥螺纹,细牙螺纹与粗牙螺纹的比较,粗牙：常用,细牙的缺点：牙小，相同载荷下磨损快，易脱扣,适用场合：冲击、振动及变载荷、或空心、薄壁零件上及微调装置中,细牙的优点：螺杆强度较高，自锁性能更好,第五章 螺纹连接和螺纹传动,螺纹连接基本类型,普通螺栓连接 铰制孔螺栓连接,1,、 螺栓连接,螺纹连接基本类型,2,、螺钉连接,螺纹连接基本类型,3,、双头螺柱连接,螺纹连接基本类型,4,、 紧定螺钉连接,预紧的目的：,预紧可使连接在承受工作载荷之前就受到预紧力,F,的作用，增强连接的可靠性和紧密性，防止连接受载后被连接件间出现间隙或横向滑移。预紧也可以防松。,控制预紧力的原则：,拧紧后螺纹联接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限,s,的,80%,。预紧力过大，会使连接超载。预紧力不足，可能导致连接失效，重要的螺栓要控制预紧力。,拧紧螺母时，拧紧力矩需要克服两个力：,1,、螺纹副的摩擦力矩,T,1,2,、螺母与支承面间的摩擦力矩,T,2,故拧紧力矩,T,：,T,=,T,1,+,T,2,5.3,螺纹连接的预紧,5.4,螺纹连接的防松,当螺纹连接承受冲击、振动或变载荷下或温度变化大的情况下，螺纹副中的正压力就会发生变化，在某一瞬间可能消失，导致摩擦力为零，这样螺纹连接就会出现相对滑动，如此反复多次就使螺纹逐渐松脱，甚至脱落。,防,松,双螺母,弹簧垫圈,锁紧螺母,开口销与六角开槽螺母,止动垫圈,串联钢丝,5.5,单个螺栓连接的强度计算,松连接：螺栓连接在承受工作载荷之前不拧紧螺母 仅承受轴,向载荷,紧连接：螺栓连接在承受工作载荷之前必须拧紧螺母，即预紧,可承受横向和轴向载荷,松连接的强度条件,MPa,紧连接：,承受工作载荷之前螺母拧紧，使被连接件间产生足够的预紧力,目的：承受横向工作载荷时，防止摩擦力不足而相对运动,承受轴向工作载荷时，防止被连接件之间出现间隙,受横向工作载荷的紧螺纹连接,:,普通螺纹连接,F,F,F,s,F,s,预紧力,摩擦力矩,螺栓截面上的拉应力和扭转切应力：,在拉应力、扭转切应力的复合作用下，由第四强度理论可得螺,栓的当量应力,:,受横向工作载荷的紧螺纹连接：,铰制孔用螺纹连接,螺栓杆的剪切强度条件为,:,螺栓与孔壁的挤压强度条件为：,螺栓在接合面处的横截面受剪切,螺栓与孔壁接触表面受挤压,F,s,F,s,h,min,d,s,受轴向工作载荷的紧螺栓连接：,变形协调条件,校核公式：,设计公式：,静强度计算,疲劳强度条件为,5.6 螺栓组连接设计,在实际应用中，螺栓组连接所受的载荷通常由上述四种受力,状态的不同组合，故可采用静力学分析方法，将各种受力状,态转化为上述四种基本受力状态的某种组合。,普通螺栓连接：,铰制孔用螺栓连接：,横向载荷,+,旋转力矩,预紧力,总拉力,强度计算,横向载荷,+,旋转力矩,最大工作剪力,剪切和挤压强度计算,5.7,提高螺栓连接强度的措施,一 、改善螺纹牙上载荷的分配,二 、提高疲劳强度的措施,减小应力幅,减小应力集中,减小螺栓刚度或增大被连接件刚度，都可减小螺栓的应力幅,为减小螺栓刚度，可适当增大螺栓的长度、减小螺栓杆直径、或,做成空心杆、或在螺母下安装弹性元件。,为增大被连接件的刚度，应采用刚性大的垫片；如需密封元件时,可用密封环结构代替密封垫片。,带传动的应力分析,2.,由离心力产生的应力及其位置,1.,由紧边和松边拉力产生的应力及其位置,3.,由带弯曲产生的应力,带传动的受力分析,7.1-3,带传动,为什么,V,带传动比平带传动的传动能力大,?,1,）,弹性滑动,：,由于带的弹性变形而引起的带与带轮之间的相对滑动现象称为,弹性滑动。,2,）弹性滑动会引起下列后果,：,（,1,）从动轮的圆周速度总是,落后,于主动轮的圆周速度，并随载,荷变化而变化，导致此传动的传动比不准确；,（,2,）损失一部分能量，,降低了传动效率,，会使带的温度升高；,并引起传动带磨损。,弹性滑动,3,）打滑,若传递的基本载荷超过最大有效圆周力,带在带轮上发生显著的相对滑动即打滑,打滑总是在小轮上先开始的。,带传动的失效形式和设计准则,带传动的失效形式是：打滑和疲劳破坏,带传动的设计准则是：,在保证带工作时不打滑的条件下，具有一定的疲劳强度和寿命,设计功率,P,d,选择带型号,带轮基准直径,d,d1,d,d2,验算带速度,v,中心距,a,和带基准长度,L,d,小轮包角,a,1,V,带根数,z,初拉力,F,0,压轴力,Q,7.4,普通,V,带传动的设计计算,如图所示为一塔轮二级变速装置，如果输出轴,2,上的功率不变，应该按照那一种转速来设计带传动？为什么？,带的张紧,（目的、方法、优缺点）,定期张紧装置,自动张紧装置,用带轮张紧,齿轮传动特点、失效形式、设计准则,计算载荷（四个系数）,受力分析,(,转向、旋向、力方向,),直齿、斜齿圆柱齿轮的强度计算、各种修正系数影响因素,齿轮传动主要参数选择,齿轮结构,8 齿轮传动,主要失效形式,：,8.2 齿轮传动的失效形式和设计准则,齿轮传动的设计准则,闭式软齿面齿轮传动：常因齿面点蚀而失效，故通常先按齿面接触疲劳强度进行设计，然后校核齿根弯曲疲劳强度。,闭式硬齿面齿轮传动：其齿面接触承载能力较高，故通常先按齿根弯曲疲劳强度进行设计，然后校核齿面接触疲劳强度。,开式齿轮传动：其主要失效形式是齿面磨损，而且在轮齿磨薄后往往会发生轮齿折断。故目前多是按齿根弯曲疲劳强度进行设计，并考虑磨损的影响将模数适当增大。,高速重载齿轮传动：可能出现齿面胶合，故需校核齿面胶合强度。,载荷系数,8.4,齿轮传动的计算载荷,使用系数,K,A,：考虑由于齿轮啮合外部因素引起附加动载荷影响的系数。,动载系数,K,：考虑由于齿轮制造精度、运转速度等轮齿内部因素引起的附加动载荷影响系数。,齿向载荷分布系数,K,：考虑沿齿宽方向载荷分布不均匀对轮齿应力的影响系数。,齿间载荷分配系数,K,：考虑同时啮合的各对轮齿载荷分配不均匀对轮齿应力的影响系数。,轮齿受力分析,圆周力,径向力,法向力,力的方向判断,:,作用于主、从动轮上的各对力均大小相等，方向相反。,F,t,在主动轮上与运动方向相反，在从动轮上与运动方向相同。,F,r,的方向与啮合方式有关，对于外啮合，主、从动轮上的径向力分别指向各自的轮心 。,齿面接触疲劳强度的设计公式,:,或,两轮的,工作,接触应力,H1, ,H2,，,但,许用,接触应力不相等，即,H1,H2,，,它们与两轮的材料、热处理和应力循环次数等有关。,在设计和校核计算中，,取,H,min,H1,，,H2,。,大小齿轮应分别进行弯曲强度校核时,设计模数时,应按下式选择,齿根弯曲疲劳强度的设计公式,斜齿轮传动的受力分析,标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,齿轮传动主要参数的选择,1,、模数,m,和齿数,Z,1,2,、 齿宽系数,d,、,a,3,、分度圆压力角,4,、 齿数比,u,5,、 螺旋角,9,蜗杆传动,蜗杆传动特点,类型,失效形式、设计准则,受力分析,（转向、旋向、力的方向）,效率,结构,普通圆柱蜗杆传动,中间平面上的参数作为设计基准,蜗杆传动的正确啮合条件,旋向相同,由于切削蜗轮的滚刀直径和齿形参数（模数、压力角、导程角等）必须与相应的蜗杆相同，使得只要有一种蜗杆，就需要一把与之对应的蜗轮滚刀。同一模数，可以有很多不同直径的蜗杆，就需要对每一个模数都要配备很多把磨轮滚刀。为了限制滚刀的数目，国家标准对每一标准模数规定了一定数目的标准蜗杆分度圆直径,d,1,。,蜗杆传动的失效形式和设计准则,失效形式：主要是齿面胶合、点蚀、磨损和轮齿折断，而且失效通常发生在蜗轮轮齿上。,设计准则：通常按齿面（蜗轮）接触疲劳强度条件计算蜗杆传动的承载能力。,在选择许用应力时，要适当考虑胶合和磨损失效因素的影响。,对闭式传动进行热平衡计算，必要时对蜗杆强度和刚度进行计算。,为什么蜗杆传动的标准参数是,m,2,d,1,？,力的方向：,确定圆周力,F,t,及径向力,F,r,的方向的方法同外啮合圆柱齿轮传动，而轴向力,F,a,的方向则可根据相应的圆周力,F,t,的方向来判定，即,F,a1,与,F,t2,方向相反，,F,t1,与,F,a2,的方向相反。,也可按照主动件左右手定则来判断。,1,）,B,300MPa,，锡青铜时，材料本身抗胶合能力强，,多,发生点蚀失效,，,许用应力,的选择主要,与循环次数,有关,2,）,B,300MPa,，铝铁青铜或铸铁时，材料本身抗点蚀能力强，,多发生胶合失效,，进行齿面接触疲劳强度计算是条件性的，通过限制齿面接触应力大小来防止发生胶合。,许用接触应力,选择与,滑动速度和材料,有关，而与,循环次数,无关。,9.4,蜗杆传动的强度计算,蜗轮齿面接触疲劳强度计算的校核公式为：,，,MPa,蜗杆传动的效率,式中：,1,啮合效率,2,3,分别为轴承效率和搅油效率,一般取,2,3,=0.950.96,改善闭式蜗杆传动散热的常用措施有,:,1,、增加散热片,以增大散热面积；,2,、在蜗杆轴上装置风扇,以提高散热系数；,3,、在箱体油池内装设蛇行冷却水管,;,4,、压力喷油循环润滑,10,轴及轴毂连接,轴的分类,转轴,心轴,传动轴,转动心轴,固定心轴,按载荷分,转轴的一般设计步骤,三步：（,1,）初定轴径；,（,2,）结构设计画草图，确定轴的尺寸，得到跨距和力的作用点；,（,3,）强度计算，做出弯矩、扭矩图，校核危险截面强度。,已知,条件,选择,轴的,材料,初算,轴径,结构,设计,计算,弯矩,转矩,校核,计算,完善,设计,修改直径,不满足,第六章 轴毂联接,九、滚动轴承,滚动轴承结构、特点、类型、代号,受力分析和失效形式,寿命计算,角接触轴承的内部轴向力,轴承部件结构设计,滚动轴承代号,滚动轴承主要类型代号表,6,深沟球轴承,L,直线轴承,5,推力球轴承,U,外球面球轴承,4,双列深沟球轴承,NA,滚针轴承,3,圆锥滚子轴承,N,圆柱滚子轴承,29,推力调心滚子轴承,9,推力圆锥滚子轴承,2,双列调心滚子轴承,8,推力滚子轴承,1,双列调心球轴承,7,角接触球轴承,0,双列角接触球轴承,代号,轴承类型,代号,轴承类型,例如,:,7,2,10,C,7210 C/P5/DF,/P5,/DF,轴承类型为角接触球轴承,尺寸类型代号,其中,宽度类型代号为,0,窄系列,省略不写,直径系列代号为,2,轻系列,轴承内径,空一个字符,公称接触角,轴承精度等级为,5,级,面对面配置,（,1,）当载荷较大或有冲击载荷时，宜用,滚子轴承,；当载荷较小时，宜用,球轴承,。,（,2,）当只受径向载荷时，或虽同时受径向和轴向载 荷，但以径向载荷为主时，应用,向心轴承,。,当只受轴向载荷时，一般应用推力轴承，而当转速很高时，可用,角接触球轴承,或,深沟球轴承,。,当径向和轴向载荷都较大时，应采用,角接触轴承,。,轴承选型,（,4,）当要求支承具有较大刚度时，应用,滚子轴承,。,（,5,）当轴的挠曲变形大或轴承座孔直径不同、跨度大而对支承有调心要求时，应选用,调心轴承,。,（,6,）为便于轴承的装拆，可选用内、外圈分离的轴承。,（,7,）从经济角度看，球轴承比滚子轴承便宜，精度低的轴承比精度高的轴承便宜，普通结构轴承比特殊结构的轴承便宜。,（,3,）当转速较高时，宜用,球轴承,；当转速较低时，可用,滚子轴承,，也可用,球轴承,。,滚动轴承的失效形式,1.,疲劳点蚀,2.,塑性变形,3.,磨粒磨损,4.,胶合,滚动轴承的计算准则,寿命计算：对于转动的滚动轴承，疲劳点蚀是其主要失效形式，因而主要是进行寿命计算，必要时再作静强度校核。,静强度计算：对于不转动、低速或摆动的轴承，局部塑性变形是其主要失效形式，因而主要是进行静强度计算。,校核极限转速：对于高速轴承，发热以至胶合是其主要失效形式，因而除进行寿命计算外还应该校核极限转速。,滚动轴承的寿命计算,基本额定动负荷,：轴承工作温度在,以下,基本额定寿命,时，轴承所能承受的最大载荷，,用,C,表示。,基本额定寿命,： 一批相同轴承，在相同条件下运转，,90%,轴,承在疲劳点蚀前转过的总转数，单位为,10,6,r,。,在当量动载荷,P,作用下的基本额定寿命为,滚动轴承的载荷与寿命之间的关系,:,常用小时数表示基本额定寿命,L,h,引入温度系数,f,T,和载荷系数,f,P,当量动载荷,把实际载荷折算为与基本额定动负荷的方向相同的一假想载荷，在该假想载荷作用下轴承的寿命与实际载荷作用下的寿命相同，则称该假想载荷为当量动载荷，用,P,表示。,当量动载荷,P,的计算式：,角接触轴承的内部轴向力,由力的平衡条件得,作用在轴承,上的轴向载荷为,作用在轴承,上的轴向载荷只有自身的内部轴向力,即,轴承轴向载荷计算总结：,1,、轴承的轴向载荷与轴承部件的结构，与固定方式密切相关。,2,、在轴上的轴向载荷和轴承的内部轴向力同时作用下，,有一个轴承有被压紧的趋势，另一个有放松的趋势；,3,、被放松的轴承轴向载荷，等于自身的内部轴向力；,4,、被压紧的轴承轴向载荷，等于除自身以外的轴向力之和。,滚动轴承部件结构设计,1,、安装和拆卸,2,、定位和固定,3,、配合和调整,4,、润滑和密封,二、摩擦、磨损和润滑,摩擦分类：外摩擦（存在于两物体表面之间）,内摩擦（流体内部产生的粘剪力）,按照两表面的润滑状况，摩擦分为：,1,）干摩擦,-,无润滑状态,2,）边界摩擦,边界润滑状态,3,）,流体摩擦,流体润滑状态,4,）混合摩擦,混合润滑状态,磨损过程（三阶段）,磨损的五种形式,1,）粘着磨损,2,）磨粒磨损,3,）疲劳磨损,4,）冲蚀磨损,5,）腐蚀磨损,十、滑动轴承,滑动轴承分类、特点、应用,结构形式,轴瓦结构,计算,P,值、,Pv,值的意义,流体动压的形成原理、基本方程,滑动轴承的分类,按滑动轴承工作时轴瓦和轴颈表面间呈现的摩擦状态，滑动轴承可分为,:,液体摩擦轴承,非液体摩擦轴承,液体动压润滑轴承,液体静压润滑轴承,按滑动轴承承受载荷的方向可分为,:,径向滑动轴承,推力滑动轴承,滑动轴承的结构形式,1,、径向滑动轴承,整体式径向滑动轴承；,剖分式径向滑动轴承,2,、推力滑动轴承,轴瓦结构,单金属轴瓦：结构简单，成本低,双金属轴瓦：节省贵重金属,轴瓦上的油沟,非液体摩擦径向滑动轴承的计算,1.,验算压强,p,压强,p,过大可能使轴瓦产生塑性变形破坏边界膜,2.,验算,值,值大表明摩擦功大,温升大,边界膜易破坏,3.,验算速度,对于跨度较大的轴，高速易导致偏磨加剧。,边界膜的强度,与,润滑油的油性,轴瓦的材料,摩擦表面的压力和温度,有关,设计中：主要限制温度和压力,形成流体动压的条件,(1),流体必须流经收敛间隙,而且间隙倾角越大则产生的油膜压力越大；,(2),流体必须有足够的速度；,(3),流体必须是粘性流体。,流体动压基本方程（一维雷诺方程）,一、径向滑动轴承的工作过程,二、最小油膜厚度必须满足,十一、联轴器、离合器,联轴器的类型、特点、名称、应用,离合器类型、工作原理,十二、弹簧,弹簧的类型、特点,圆柱螺旋弹簧的主要几何参数和尺寸,弹簧指数,C=D/d,由强度条件确定弹簧丝的直径,d,和弹簧中径,D,由刚度条件确定弹簧的工作圈数,n,预 祝考试,顺利,，取得,好成绩,！,赵小力,机电学院 机械设计系,办公室电话：,86402012,手机号：,15245023791,Email:,机械楼,1051,室,