吉林大学机械设计要点.doc

第1章 机械设计概要1-1机械设计的基本要求一、设计机器的基本要求1.机器功能的要求2.经济性要求3.劳动保护要求4.环境保护要求5.可靠性要求二、设计机械零件的基本要求1.强度要求2.刚度要求3.耐磨性要求4.结构工艺性要求5.减小质量的要求1-2机械设计的一般程序一、明确设计任务二、方案设计三、技术设计1.运动学设计2.动力学设计3.零件设计4.总装配草图设计5.总装配图与零件工作图设计四、编写技术文件1-3机械零件的主要失效形式与设计准则机械零件由于某些原因而丧失工作能力称为失效。一、机械零件的主要失效形式1.断裂2.过大的变形3.表面破坏二、机械零件的设计准则1.强度准则2.刚度准则3.耐磨性准则4.振动准则1-4机械零件的设计方法与步骤一、机械零件的设计方法1.理论设计2.经验设计3.模型实验设计4.现代设计方法（1）优化设计（2）可靠性设计二、机械零件设计的步骤1-5机械零件设计的基本原则一、选择材料的基本原则1.强度2.刚度3.磨损4.制造工艺性5.材料经济性二、标准化的原则第2章 机械零件的强度与耐磨性2-1机械零件的疲劳强度一、机械零件的载荷根据机器的额定功率或负载，按理论力学的方法求出的作用在零件上的载荷称为名义载荷，用符号Fn或Tn表示。在机械设计过程中，通常用一个修正系数来补偿名义载荷与零件实际载荷之间的差异，这个修正系数称为载荷系数，用符号K表示。名义载荷乘以载荷系数就是设计计算时使用的计算载荷Fca，即Fca=KFn。二、材料的疲劳曲线材料的真实疲劳机械对应的循环次数都比较大，因此工程上规定一个循环基数N0，而N0对应的应力就视为材料的疲劳极限r。材料的疲劳曲线公式：rNmN=rmN0=C (NcNN0)三、材料的极限应力图循环极限应力m+a=r，屈服极限应力m+a=s。四、影响机械零件疲劳强度的因素1.应力集中的影响k=-1-1e2.尺寸效应的影响=-1d-13.表面质量的影响=-1q-1综合影响系数K=k用零件的工作应力幅a乘以综合影响系数K或材料极限应力的幅值除以综合影响系数K来考虑上述因素对零件疲劳强度的影响。五、单向稳定变应力下零件的疲劳强度1.对称循环变应力2.非对称循环变应力六、单项不稳定变应力下零件的疲劳强度1.疲劳损伤累积假说i=1nNiNi=12.不稳定变应力下零件的疲劳强度计算（1）计算当量应力（2）计算当量循环次数七、复合应力状态下的疲劳强度计算2-2机械零件的接触强度2-3机械零件的耐磨性一、摩擦的分类1.干摩擦2.边界摩擦3.流体摩擦4.混合摩擦二、磨损零件的磨损阶段可分为：1.初期磨损阶段2.稳定磨损阶段3.剧烈磨损阶段零件的磨损种类可分为：1.粘着磨损（胶合）2.腐蚀磨损3.磨料磨损4.接触疲劳磨损（点蚀）第3章 螺纹连接3-1螺纹一、螺纹的类型和应用二、螺纹的主要参数大径d螺纹的最大直径，在标准中规定为公称直径，表示螺纹大小。小径d1螺纹的最小直径，在强度计算中常作为螺杆危险截面的计算直径。中径d2通过螺纹轴向截面内牙型上的牙厚等于牙间宽处的假想圆柱面的直径，它近似等于螺纹的平均直径，d2(d+d1)/2。中径是确定螺纹几何参数和配合性质的直径。线数n螺纹的螺旋线数目。螺距P螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。导程S螺纹上任意一点沿同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离，S=nP。螺纹升角螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。牙型角螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。接触高度h内外螺纹旋合后的接触面的径向高度。三、常用螺纹的类型、特点和应用1.普通螺纹(=60)当量摩擦系数也较大，自锁性能好，主要用于连接。普通螺纹有粗牙和细牙之分。2.管螺纹(=55)主要用于管件连接的紧密螺纹。管螺纹有圆柱管螺纹和圆锥管螺纹之分。3.矩形螺纹(=0)主要用于传动。4.梯形螺纹(=30)主要用于传动。5.锯齿形螺纹(1=3,2=30)主要用于传动。四、螺纹精度标准中规定三种精度：精密、中等、粗糙。3-2螺纹连接的类型及应用一、螺纹连接的基本类型1.螺栓连接普通螺栓连接的结构特点是被连接件上的通孔和螺栓杆间留有间隙，通孔的加工精度要求低，结构简单，装拆方便，因此应用广泛。铰制孔用螺栓连接能精确固定被连接件的相对位置，并能承受横向载荷，但孔的加工精度要求较高。2.双头螺柱连接适用于结构上下不能采用螺栓连接的场合，如连接件之一太厚不宜制成通孔，材料又比较软，且需要经常拆装时。3.螺钉连接这种连接的特点是螺钉直接拧入被连接件的螺纹孔中，不用螺母，在结构上比双头螺柱连接简单、紧凑，但不宜经常拆卸。4.紧定螺钉连接紧定螺钉连接常用来固定两个零件的相对位置，并可传递不大的力或转矩。二、标准螺纹连接件1.螺栓2.双头螺柱3.螺钉4.螺母5.垫圈3-3螺纹连接的预紧和防松一、螺纹连接的预紧受载之前，拧紧螺母使得螺栓沿其轴线方向受到拉力作用，这个拉力称为预紧力。二、螺纹连接的防松防松的根本问题在于防止螺纹副的相对转动。螺纹连接常用的防松方法1.摩擦防松对顶螺母、弹簧垫圈、自锁螺母2.机械防松开口销与六角开槽螺母、止动垫圈、串联钢丝3.铆冲防松端铆、冲点3-4螺栓组连接的设计一、螺栓组连接的结构设计1.连接结合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状。2.螺栓的排列应有合理的间距、边距，以便扳手转动。3.分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成偶数。4.当连接受转矩或倾覆力矩作用时，螺栓的布置应靠近边缘，以减小螺栓的受力。二、螺栓组连接的受力分析1.受横向载荷2.受转矩3.受轴向载荷4.受倾覆力矩3-5单个螺栓连接的强度计算一、受拉螺栓连接的强度计算1仅承受预紧力的紧螺栓连接的强度计算计算时可只按照拉伸强度计算，并将所受的拉力增大30%来考虑。2.承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接的强度计算计算时可只按照拉伸强度计算，并仍可将所受的拉力增大30%来考虑。cbcb+cm称为螺栓的相对刚度二、受剪螺栓连接的强度计算3-6提高螺纹连接强度的措施一、降低影响螺栓疲劳强度的应力幅受轴向变载荷的紧螺栓连接，在最大应力不变的条件，应力幅越小，螺栓连接的疲劳强度越高。采取适当减小螺栓刚度、增大被连接件刚度及增大预紧力的方法，减小应力幅。减小螺栓刚度的措施：适当增加螺栓的长度、采用腰状杆螺栓、空心螺栓、螺母下安装弹性元件。二、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象1.悬置螺母、槽环螺母2.内斜螺母3.钢丝螺套三、减小应力集中的影响采用较大的圆角和卸载结构或将螺纹的收尾改为退刀槽。四、避免附加弯曲应力五、采用合理的制造工艺方法3-7螺纹连接件的材料及其许用应力第4章 轴与轮毂的连接和其他连接4-1键连接一、键连接的类型及其结构形式1.平键连接普通平键、导向平键、滑键平键连接具有结构简单、拆装方便、对中性好等优点，因而应用广泛。2.半圆键连接半圆键连接的结构简单，制造和装拆方便，但由于轴上键槽较深，对轴的强度削弱较大。3.楔形连接楔形键连接用于低俗、载荷平稳、定心精度要求不高的场合。4.切向键连接常用于对中性要求不高且载荷较大的重型机械中。二、键的选择和键连接的强度计算1.键的选择键的选择包括类型和尺寸两方面。键的截面尺寸可根据轴径的大小适当选取；键的长度可根据轮毂的宽度确定，可去键长等于或略短于轮毂的宽度。2.平键连接的强度计算对于普通平键连接只需进行挤压强度计算；对于导向平键或滑键连接还需进行耐磨性的条件性计算。4-2花键连接一、花键连接的特点及类型1.矩形花键连接采用小径定心2.渐开线花键连接采用齿形定心二、花键连接的强度计算花键连接的主要失效形式是工作面被压溃或磨损。4-3其他连接一、销连接销主要用于固定零件之间的相对位置，也用于轴与毂的连接或其他连接，可传递不大的载荷，还可作为安全装置中的过载保护元件。二、铆接三、焊接四、胶接五、过盈连接第5章 带传动和链传动5-1概述带传动、链传动都是通过挠性件实现运动和动力的传递。带传动分摩擦传动和啮合传动。平带、V带、圆带为摩擦传动，同步带为啮合传动。5-2 V带的类型普通V带制成环形，其结构由顶胶、承载层、底胶、包布层组成。顶胶和底胶之间的中性层称为节面。节面的节面宽度称为节宽bp，相应的带轮直径称为基准直径，位于带轮基准直径上的周线长度称为基准长度Ld。5-3带传动的工作情况分析一、带传动中的力分析带传动所能传递的最大有效拉力：Fec=2F0ef-1ef+1与最大有效拉力有关的因素：1.初拉力F0：最大有效拉力Fec与F0成正比。2.包角：最大有效拉力Fec随包角的增大而增大。3.摩擦系数f：最大有效拉力Fec随f的增大而增大。二、带的应力分析1.拉应力2.弯曲应力3.离心应力最大应力发生在紧边小带轮包角处三、带传动的弹性滑动和打滑这种由于带的弹性变形引起的滑动现象，称带传动的弹性滑动。弹性滑动是带传动的固有特性。打滑开始于小带轮松边。5-4 v带传动的设计一、单根V带的额定功率二、参数选择和设计计算三、V带轮设计四、带传动的张紧装置1.定期张紧装置2.自动张紧装置3.张紧轮装置当中心距不能调整时采用张紧轮，张紧轮放在松边。如设置在外侧，可设在靠近小带轮处，可以增加小带轮包角；如设置在内侧，应靠近大带轮，以减少对小带轮包角的影响。五、V带传动设计和使用时注意的问题5-5滚子链链条与链轮一、链条内链板与套筒之间、外链板与销轴之间分别用过盈配合。滚子与套筒之间、套筒与销轴之间均为间隙配合。滚子链两相邻链节铰链副理论中心的距离称链条的基本节距p。链长用链节数表示。链节数一般以偶数为宜，若节数为奇数则必须采用折曲的过渡链节。二、滚子链链轮1.链轮的基本参数和主要尺寸链轮的基本参数是节距p、齿数z、排数n。2.链轮齿形滚子链和链轮属于非共轭啮合，齿形有较大灵活性。3.链轮的结构小直径可制成实心式，中等尺寸可制成孔板式，大直径可制成装配式（常采用可更换的齿圈）。5-6滚子链传动的设计计算一、链传动的运动学和动力学特性由于链条围轮后形成多边形，致使链条中心线在运动中交替与链轮分度圆相切和相割，使链速周期性变化，这一运动特性称为链传动的多边形效应。二、链传动的主要失效形式1.铰链的磨损2.链条的疲劳破坏3.链条的胶合三、滚子链传动的额定功率曲线四、滚子链传动的设计计算五、链传动的张紧和润滑1.链传动的张紧链传动的倾角一般不大于60，如果大于60时，通常设有张紧装置。2.链传动的润滑第6章 齿轮传动6-1齿轮传动的失效形式及计算准则一、齿轮传动的失效形式按工作条件齿轮分为：开式、半开式、闭式按材料和热处理工艺齿轮分为：软齿面、硬齿面齿轮的失效形式：1.齿轮折断2.齿面点蚀3.齿面磨损4.齿面胶合5.齿面塑性变形二、设计准则对于闭式软齿面齿轮传动，一般先按接触强度设计，然后验算其弯曲强度；对于闭式硬齿面齿轮传动，通常按弯曲强度设计，然后验算其接触强度。对于开式齿轮传动，主要失效形式是齿面磨损。6-2齿轮材料一、钢中尺寸的齿轮用锻钢，尺寸较大的齿轮用铸钢。小齿轮的硬度比大齿轮高30-50HBS。软齿面齿轮经调质或正火处理，硬齿面齿轮经表面淬火、渗碳淬火、氮化等表面硬化处理。二、铸铁只用于制造低速、功率不大的开式齿轮。三、非金属材料6-3齿轮传动的计算载荷1.使用系数KA2.动载系数KV3.齿向载荷分布系数K4.齿间载荷分配系数K6-4直齿圆柱齿轮传动的强度计算一、轮齿的受力分析二、接触面疲劳强度计算增大齿轮直径或中心距，接触疲劳强度提高。三、齿根弯曲疲劳强度计算齿根危险剖面位置通常用30切线法确定增大齿轮模数，齿轮弯曲疲劳强度提高。四、齿轮传动基本参数的选择1.齿数比uu=z2/z10）的齿轮，能在不改变中心距的前提下提高小齿轮的弯曲强度。采用(x1+x20)的角度变位传动，因中心距增大，故接触强度提高。6-5斜齿圆柱齿轮传动的强度计算一、轮齿的受力分析当主动轮是右旋时，用右手四指弯曲方向表示主动轮的回旋方向，拇指指向表示主动轮所受轴向力的方向；当主动轮是左旋时则用左手来判断，方法同上。注意此方法只适用于主动轮。二、齿面接触疲劳强度计算斜齿圆柱齿轮节点处的曲率半径应按法面计算。三、齿根弯曲疲劳强度计算齿根弯曲应力比载荷全部作用于齿顶的直齿轮小，为此用螺旋角系数Y加以修正。螺旋角过大，导致轴向力剧增；过小，不能显示斜齿轮传动的优越性，通常=820。同一轴上有2个斜齿轮，应合理配置齿轮旋向，使轴向力方向相反。6-6直齿圆锥齿轮传动的强度计算一、几何尺寸计算二、轮齿的受力分析三、齿面解除疲劳强度计算四、齿根弯曲疲劳强度计算6-7渐开线圆柱齿轮精度一、齿轮精度检验项目1.单个齿距偏差fpt影响传动平稳性，fptmaxfpt2.齿距累积总偏差Fp影响传动精确性，FPFP3.齿廓总偏差F影响传动平稳性，FF4.螺旋线总偏差F影响齿宽方向载荷分布的均匀性，FF二、可采用的齿轮精度检验项目1.径向综合偏差2.齿轮径向跳动三、齿厚和侧隙的检验1.侧隙和齿厚偏差2.齿厚的检验6-8齿轮的结构设计6-9齿轮传动的润滑开式及半开式齿轮或低速闭式齿轮，通常人工定期加润滑剂。闭式齿轮的润滑方法根据齿轮圆周速度大小确定：v12m/s，采用喷油润滑。第7章 蜗杆传动7-1蜗杆传动的类型及特点一、蜗杆传动的类型按蜗杆形状：圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动、锥蜗杆传动。按蜗杆轮廓线形状：阿基米德蜗杆ZA、法向直廓蜗杆ZN、渐开线蜗杆ZI二、蜗杆传动的特点优点：传动比大、结构紧凑、传动平稳、自锁性缺点：效率低7-2圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸以中间平面上的参数和尺寸为基准。一、蜗杆传动的主要参数1.模数m和压力角ma1=mt2=ma1=t2ZA蜗杆的轴向压力角a为标准值20，ZN、ZI蜗杆的法向压力角n为标准值20。2.蜗杆分度圆柱导程角tan=z1md1随导程角增大效率提高。当两轴交角为90时，保证蜗杆与涡轮正确配合，蜗杆分度圆导程角应等于蜗轮分度圆螺旋角且螺旋线方向相同。3.蜗杆分度圆直径d1蜗杆分度圆直径d1与模数的比值称蜗杆直径系数q。4.蜗杆头数z15.传动比i和蜗轮齿数z2为增加传动的平稳性，蜗轮齿数应大于28，蜗轮齿数一般不超过80。6.蜗杆传动的中心距aa=m(q+z2)2二、蜗杆传动变位的特点蜗杆传动的变位主要目的是凑中心距或改变传动比。三、圆柱蜗杆传动的几何尺寸7-3蜗杆传动的失效形式和材料选择一、蜗杆传动的失效形式及设计准则闭式传动中，容易发生磨损、胶合或点蚀；开式传动中，主要失效形式是磨损；轮齿的折断，只是在模数过小或是由于磨损使轮齿过薄时才发生。二、蜗杆传动的材料选择及许用应力1.蜗杆材料蜗杆一般用碳钢或合金钢制作，表面经热处理而获得较高的硬度。2.蜗轮材料蜗轮材料通常采用青铜或铸铁，一般应根据齿面相对滑动速度选择。3.蜗轮材料的许用应力当采用锡青铜为材料时，主要失效形式是点蚀；当采用铸铁或铝青铜时，主要失效形式胶合。7-4蜗杆传动的承载能力计算一、蜗杆传动的受力分析当蜗杆主动时，Ft1的方向与蜗杆回转方向相反；Fr1的方向由啮合点指向轮心；Fa1的方向由左（右）手定则判定。二、蜗轮齿面接触疲劳强度计算三、蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算四、蜗杆轴的刚度计算五、蜗杆传动的热平衡计算7-5蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算一、蜗杆传动的效率=1231啮合时摩擦损耗，2轴承摩擦损耗，3浸入油池中的零件搅油时溅油损耗。二、蜗杆传动的润滑为提高蜗杆传动的抗胶合能力，宜选用粘度较高的润滑油。三、蜗杆传动的热平衡计算7-6圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计7-7蜗杆传动的精度第8章 轴8-1概述一、轴的分类1.转轴：工作中同时承受弯矩及转矩的轴。2.心轴：只承受弯矩而不承受转矩的轴。心轴又分为转动心轴和固定心轴。3.传动轴：主要承受转矩而不承受弯矩的轴。二、轴设计的主要内容三、轴的材料8-2轴的结构设计一、拟定轴上零件的装配方案二、轴上零件的定位和固定1.轴上零件的轴向定位和固定（1）轴肩和轴环（2）套筒（3）圆螺母（4）弹性挡圈和紧定螺钉（5）轴端挡圈和圆锥面2.轴上零件的周向定位和固定常用键、花键、紧定螺钉、销及过盈配合等方法实现。三、确定轴的各段直径和长度四、轴的结构工艺性五、提高轴强度的措施1.改善轴的受力状况（1）载荷分流（2）合理布置轴上零件2.减少应力集中的影响8-3轴的计算一、轴的强度计算二、轴的刚度计算三、轴的临界转速计算第9章 滚动轴承9-1滚动轴承的结构、类型、代号及其选择一、滚动轴承的结构二、滚动轴承的主要类型向心轴承主要承受径向载荷，推力轴承主要承受轴向载荷。圆锥滚子轴承通常成对使用。三、滚动轴承的代号四、滚动轴承类型的选择1.轴承的载荷2.轴承的转速3.支承限位要求4.轴承的调心性能5.轴承的安装和拆卸9-2滚动轴承的计算一、滚动轴承的失效形式及设计准则1.疲劳点蚀2.塑性变形二、滚动轴承的寿命计算1.滚动轴承基本额定寿命90%的轴承在疲劳点蚀前能够达到或超过的总转数L10（以106转为单位）或一定转速下的工作小时数L10h（以h为单位）为轴承的基本额定寿命。2.滚动轴承基本额定动载荷滚动轴承的基本额定动载荷，就是指能使轴承的基本额定寿命达到106转时轴承所能承受的载荷值，用字母C表示。3滚动轴承的寿命计算L10=(ftCP)L10h=10660n(ftCP)4.滚动轴承的当量动载荷5.角接触球轴承和圆锥滚子轴承轴向载荷Fa的计算“压紧”轴承的轴向载荷等于除去自身内部轴向力，其余各轴向力的代数和。“防松”轴承的轴向载荷等于自身内部轴向力。三、不稳定载荷和不稳定转速时轴承的寿命计算四、不同可靠度的滚动轴承寿命计算五、滚动轴承的静强度计算六、滚动轴承的极限速度9-3滚动轴承轴系结构设计一、滚动轴承的轴向固定1.两端固定支承2.一端固定、一端游动支承3.两端游动支承二、滚动轴承游隙和部件组合的调整三、滚动轴承的预紧四、支承部分的刚度和同轴度五、滚动轴承的配合六、滚动轴承的装拆七、滚动轴承的润滑八、滚动轴承的密封1.接触式密封2.非接触式密封（1）沟槽式密封（2）迷宫式密封第10章 滑动轴承10-1滑动轴承的类型和典型结构一、滑动轴承的类型二、滑动轴承的典型结构1.径向滑动轴承（1）整体式（2）剖分式（3）自动调心式2.推力滑动轴承10-2轴瓦的结构与材料一、轴瓦结构二、轴瓦材料轴瓦和轴承衬的材料统称轴瓦材料。10-3滑动轴承的润滑一、润滑剂及选择润滑剂分为气体、液体、半固态和固体四种基本类型。1.润滑油粘度是润滑油抵抗运动的能力。2.润滑脂适用于要求不高、转速较低、难以经常供油或摆动工作的非液体摩擦滑动轴承。3.固体润滑剂如石墨、二氧化钼、聚氟乙烯树脂等。二、润滑方法及装置间歇式和连续式。10-4非液体摩擦径向滑动轴承的设计计算一、失效形式和设计准则主要失效形式是磨损和胶合。二、计算方法和设计步骤1.确定轴承的结构形式2.确定轴瓦结构和材料3.确定轴承基本尺寸4.计算方法（1）验算平均压强p（2）验算pv值（3）验算滑动速度5.确定轴承间隙，选择相应配合10-5液体动压径向滑动轴承的设计计算一、液体动压润滑的基本方程形成液体动压油膜的必要条件1.相对运动的两表面必须形成收敛的楔形间隙。2两工作表面间必须有一定的相对滑动速度，其运动方向必须使润滑油由大口流进，从小口流出。3.润滑油必须有一定的粘度，且供油要充分。二、径向滑动轴承动压油膜的形成过程三、液体动压径向滑动轴承的承载能力计算四、最小油膜厚度hmin五、轴承的热平衡计算六、参数选择1.宽径比B/d宽径比小，承载能力低。2.相对间隙3.粘度10-6其他类型滑动轴承简介一、多油楔滑动轴承二、液体静压轴承三、气体轴承第11章 联轴器、离合器和制动器11-1联轴器一、联轴器的功用和分类功用：传递运动和转矩。分类：刚性联轴器和挠性联轴器。二、刚性联轴器可分为套筒式、夹壳式、凸缘式。三、挠性联轴器1.无弹性元件的挠性联轴器（1）滑块联轴器（2）齿式联轴器（3）滚子链联轴器（4）万向联轴器2.有弹性元件的挠性联轴器（1）弹性套柱销联轴器（2）弹性柱销联轴器（3）梅花形弹性联轴器四、联轴器的选择11-2离合器一、离合器的功用和分类功用：根据需要在机器工作时随时使两轴连接或分离。分类：操纵离合器和自控离合器。二、操纵离合器1.牙嵌离合器2.圆盘摩擦离合器三、自控离合器1.超越离合器2.安全离合器四、离合器的选择11-3制动器第12章 弹簧12-1概述弹簧的主要功用1.缓和冲击和吸收振动2.控制机构的运动3.储存及输出能量4.测量力的大小12-2圆柱螺旋弹簧的材料、结构及制造12-3圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计计算12-4其他类型弹簧简介一、扭簧二、板簧三、碟形弹簧四、空气弹簧五、橡胶弹簧