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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,Fca=KF,F,Fca,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d1-螺纹小径校核直径d2-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,12,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,13,螺纹连接基本类型,2、螺钉连接,14,螺纹连接基本类型,3、双头螺柱连接,15,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T12、螺母与支承面间的摩擦力矩T2故拧紧力矩T：T=T1+T2,5.3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,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,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,hmin,ds,21,受轴向工作载荷的紧螺栓连接：变形协调条件,22,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。,25,带传动的应力分析,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。,27,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Pd,选择带型号,带轮基准直径dd1dd2,验算带速度v,中心距a和带基准长度Ld,小轮包角a1,V带根数z,初拉力F0,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？,29,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,30,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,31,主要失效形式：,8.2齿轮传动的失效形式和设计准则,32,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。,33,载荷系数,8.4齿轮传动的计算载荷,使用系数KA：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。,34,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。,Ft在主动轮上与运动方向相反，在从动轮上与运动方向相同。Fr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。,35,齿面接触疲劳强度的设计公式:,或,两轮的工作接触应力H1H2，但许用接触应力不相等，即H1H2，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HminH1，H2。,36,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,37,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,38,齿轮传动主要参数的选择,1、模数m和齿数Z1,2、齿宽系数d、a,3、分度圆压力角,4、齿数比u,5、螺旋角,39,9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,40,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d1。,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m2d1？,42,力的方向：确定圆周力Ft及径向力Fr的方向的方法同外啮合圆柱齿轮传动，而轴向力Fa的方向则可根据相应的圆周力Ft的方向来判定，即Fa1与Ft2方向相反，Ft1与Fa2的方向相反。也可按照主动件左右手定则来判断。,1）B300MPa，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）B300MPa，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,45,蜗杆传动的效率,式中：1啮合效率,23分别为轴承效率和搅油效率一般取23=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,46,10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,第六章轴毂联接,48,九、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,49,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,51,例如:,7,2,10,C,7210C/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。,54,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106r。,56,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Lh,引入温度系数fT和载荷系数fP,57,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：,58,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。,60,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,64,二、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,66,十、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,67,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,68,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,69,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,70,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,72,十一、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,73,十二、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,74,预祝考试顺利，取得好成绩！,75,赵小力,机电学院机械设计系办公室电话：86402012手机号：15245023791Email:zhaoxl机械楼1051室,
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