机械设计-第四版--课程学习笔记

1机械设计第四版课程学习笔记第一篇总论第1章机械设计概论一、课程性质与任务1.机械机器器械:用于物料传递和变换的机器.仪器:用于信息传递和变换的机器.机构2.机器零件:不可折的基本单元;部件:协同工作的零件.3.零件:通用零件/专用零件4.标准件:经过优先.简化.统一.给以标准代号的零件和部件.5.机械系统:输入量—技术系统—输出量;6.设计:为了满足某一特定要求而进行的创造过程.二、设计机器的基本原则和设计程序设计机器时应满足的基本要求：功能和性能的基本要求；法律、法规的基本要求；使用：工作可靠性、人机合理性、操作安全性、维护方便性；经济：合理控制降低成本；外观造型：比例协调、大方，外观体现时代感、美感、安全感、科技感；色彩和产品功能相应。2消防、超重机械－鲜艳醒目色：给人紧迫感、预警感；医疗、食品机械－浅色：给人卫生、安静感；军用器械－保护色，给人安全感；冰箱、风扇－冷色，给人清凉感。噪声：控制在7０db-80db以下。每天工作８h的机器：噪声不高于９０～９５db;大于９５db的机器，操作时必须戴耳塞。大于１０５db的机器，须采用降噪声措施。噪声源：齿轮传动、链传动、滚动轴承、牙嵌离合器、液压系统、电动机等；设计方法：内插式设计／外推式设计／开发性设计设计程序四阶段：调查决策－研究设计－样机试制－投产销售设计任务－调查研究－开发计划书－试验研究－技术设计样机试制－样机试验－技术经济评价生产设计－小批试制-正式投产-销售服务设计研究：功能设计研究／技术设计研究机械零件设计应满足的要求：零件的工作能力准则：强度、刚度、振动稳定性、耐磨性、温升等。零件设计步骤：调查决策试验研究样机试制投产销售3确定零件载荷-选择材料－确定尺寸、工艺;设计计算和校核计算;标准化、系列化、通用化；结构设计第２章机械零件的工作能力和计算准则1.失效:机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能;齿面粘着磨损和胶合\齿面疲劳点蚀和剥落\轮齿疲劳折断和过载折断…2.工作能力:零件不发生失效时的安全工作限度;3.载荷:静载荷变载荷4.应力:静应力变应力:非对称循环变应力\脉动循环变应力\对称循环变应力;5.在变应力时工作的零件,其强度失效将是疲劳断裂.循环特性r一定时,应力循环N次后,材料不发生疲劳破坏时的最大应力,称为疲劳极限.6.提高机械零件强度的措施:合理布置零件,减少所受载荷降低载荷集中,均匀载荷分布采用等强度结构选用合理截面减小应力集中7.零件表面强度:表面接触强度\表面挤压强度\表面磨损强度.8.提高表面磨损强度的措施:选用合适的磨擦副材料,如钢-青铜;提高表面硬度;降低表面粗糙度值.采用有效的润滑剂和润滑方法;表面镀层\氧化处理;4防尘罩-防止尘土落入两磨擦表面间;限制工作温度过高.9机械零件刚度:零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力.刚度有时也是强度保证的一个重要条件,按刚度计算所有的零件截面一般要比按强度计算的大,故满足刚度要求的零件往往也能同时满足强度要求.刚度会影响零件的自振频率,刚度小的自振频率低,刚度大的自振频率高.10提高机械零件冲击强度和缓冲能力的措施材料的弹性模量越大,零件的刚度越大.金属的弹性模量一般远大于非金属的弹性模量;同类金属的弹性模量相差不大,因此以昂贵的高强度合金钢代替普通碳钢来提高零件的刚度是不起作用的.采用能增大零件弹性变形的结构;采用弹性模量低的材料,以获得大的弹性变形(非金属的弹性模量低,如尼龙齿轮)增加缓冲零件吸收冲击能.如橡胶\弹簧.采用无间隙或预紧的联接,防止由间隙引起冲击,如轴毂间采用过盈联接,弹簧预紧安装.10.温度对机械零件工作能力的影响.11.机械零件的振动稳定性.零件发生周期性弹性变形的现象称为振动.当机器或零件的自振频率和周期性外力的变化频率相等或相近时,就要发生共振.这时振幅将急剧增大,此种现象称为失稳,即丧失振动稳定性.12.减轻振动的措施:采用对称结构(如花键联接)\减少悬臂长度\缩短中心距(如V带传动)等.对转动零件进行平衡;利用阻尼作用消耗引起振动的能量.接触面磨擦阻尼\油或空气介质阻尼\零件内部的阻尼.设置隔振零件.如弹簧\橡胶垫\隔振层(木板\砂层)设置阻尼器或吸振器;13.机械零件的可靠性可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内,完成规定功能的能力.可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内,完成规定功能的概率;累积失效概率是指产品在规定的条件和规定的时间内失效的概率.14.机械零件的可靠性计算5机械零件的可靠性计算,是将工作应力和极限应力等参数看作随机变量,根据它们的失效分布规律,运用概率论和数理统计的方法得出可靠性的定量指标.和强度\刚度等零件的固有属性一样,可靠性也是零件的固有属性.15.提高机械零件可靠性的措施:设计上力求结构简单,传动链短,零件数少,调整环节少,联接可靠等提高系统中最低可靠度的零件的可靠度;选用可靠度高的标准件;避免采用容易出现维护疏忽和操作错误的结构.增加过载保护装置\自动停机装置等.6第3章机械零件的疲劳强度1、疲劳强度计算安全-寿命设计破损-安全设计２、疲劳断裂特征３、疲劳曲线和疲劳极限应力图４、影响机械零件疲劳强度的主要因素应力集中的影响：零件受载时，在几何形状突然变化处（如圆角、孔、凹槽等）要产生应力集中.尺寸的影响表面状态的影响可以采取下列改善表面状态来提高零件的疲劳强度,如淬火、渗氮、渗碳等热处理工艺,抛光、喷丸、滚压等冷作工艺.这些措施都有利于提高表面强度和产生残余压应力.残余压应力有降低平均拉应力和减少初始裂纹产生和扩展的作用.综合影响系数:应力集中\零件尺寸\表面状态合并7第4章摩擦磨损润滑1、机械零件相互摩擦，将造成能量损耗、效率降低、温度升高、表面磨损。2、摩擦的种类及基本性质干摩擦/边界摩擦/液体摩擦/混合摩擦3、磨损：使摩擦表面的物质不断损失的现象称为磨损，主要有四种基本类型：粘着磨损/表面疲劳磨损/磨粒磨损和腐蚀磨损4、润滑流体动力润滑弹性流体动力润滑流体静力润滑5、润滑剂润滑剂主要作用是减小摩擦和磨损，降低工作表面温度。6、润滑剂种类：液体润滑剂、半固体润滑剂、气体润滑剂和固体润滑剂。7、润滑剂性质粘度、凝点、闪点/燃点、油性、滴点、锥入度。8、粘度单位：Pa.S和m²/s;9、粘度等级：GB3141-8210、工业用润滑油和润滑脂简介GB7631.1-878第5章机械常材料和制造工艺性1、机械常用材料钢/铸钢/铸铁/铜合金/轴承合金/塑料/橡胶1．1钢碳素钢低碳钢（含碳量≤0.25%）铆钉、螺钉中碳钢（含碳量0.25%~0.60%）齿轮、轴、丝杠45#钢含碳量：均0.45#%高碳钢（含碳量0.60%）1.2合金钢低合金钢（合金元素总含量≤5%）中合金钢（合金元素总含量5%~10%）高合金钢（合金元素总含量10%）2.金属材料的力学、加工和使用性能2．1应力极限2．2屈服极限3．弹性模量E在比例极限范围内，应力与应变成正比，比例常数E（=σ/ε）即为弹性模量。弹性模量的大小反映了材料变形的能力，因此是衡量材料刚度的性能指标。弹性模量愈小，应力-应变曲线的斜率愈小，材料的刚度亦愈小；灰铸铁、铝合金和青铜的弹性模量均比钢小。不同钢种的弹性模量相差甚微，若为了提高刚度而采用合金钢，那将是无效的。4．延展性延展性是衡量材料塑性性能的指标，它包括伸长率和断面收缩率两项伸长率δ：试件拉断后，标距内的伸长量与标距原长之比的百分率断面收缩率φ：试件拉断后，断裂处面积的缩小量与原面积之比的百分率伸长率或断面收缩率愈大，材料的塑性愈高。需要进行压力加工的零件，应选用塑性高的材料，以免加工时开裂。冲击韧度9冲击韧度是衡量材料承受冲击载荷能力的性能指标.7.弹性能Ee和韧性能Et8.硬度:材料表面在一个小体积范围内抵抗弹性变、塑性变形或破裂的能力。表般地说材料硬度愈高，强度（包括接触强度）和耐磨性亦高，但塑性愈低。布氏硬度（ＨＢ）洛氏硬度（ＨＲＣ－洛氏Ｃ标硬度）＊国内加工常单位制维氏硬度（ＨＶ）９．加工性能：铸造性能，切削性能，焊接性能，冲压性能，热处理性能等。１０.使用性能：吸振性、耐磨性、减摩性、耐蚀性以及电、磁等特殊性能。１１.影响钢材力学性能的主要因素含碳量的影响：钢的含碳量愈高，材料强度和硬度亦愈高，但塑性显著降低，切削性、锻造性、焊接性、导电性和导热性等亦随之下降。合金元素的影响温度的影响热处理工艺的影响退火、正火、淬火及回火、渗碳淬火、渗氮、碳氮共渗（氰化）１２.材料的选用原则使用要求工艺要求经济要求１３.公差与配合的选择机械中广泛彩基孔制配合配合等级Ａ～Ｚ，a~Z公差等级ＩＴ０１～ＩＴ１８选择公差等级时，除必须满足功能要求外，也要考虑工艺的可能性和经济性。凡低等级能满足要求的，就不应采用高等级。很明显，ＩＴ８以上，每提高一级，费用增长很多。１３.表面粗糙度选择原则：10应满足零件的功能要求和符合生产的经济性要求。应与尺寸公差和形位公差相协调尺寸公差等级相同时轴比孔的Ｒa值小有下列要求是，宜选用较小的Ra值：降低应力集中，提高零件的疲劳强度；／提高接触强度；／降低摩擦；／减轻腐蚀；／提高密封性能。材料性质表面粗糙度和尺寸公差的关系：不同尺寸的不同公差等级和配合，应选择相适应的表面粗糙度。例如基本尺寸为５０mm～８０mm时，对应Ｈ７的Ra值应为１.6μm\h6的Ra值应为0.8μm;对应H8的Ra值应为1.6μm、h7的Ra值应为1.6μm。详见机械设计手册。11第二篇联接1．联接分类动联接/静联接螺纹联接联接可拆的联接键、花键、销联接楔联接弹性环联接过盈联接不可折的联接铆接焊接胶接2．常用的轴毂联接：键联接、花键联接、过盈联接、弹性环联接、销联接等都是常用的轴毂联接。3．等强度设计：联接的强度要力求与被联接的强度相等，力求联接对各种可能的失效具有相等的抗力—等强度设计。第6章螺纹联接1、螺纹紧固件的性能等级和材料螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为十级（见GB3098.1-82）:123.6/4.6/4.8/5.6/5.8/6.8/8.8/9.8/10.9/12.9点前数字为σBmin/100,点后数字为10（σSmin/σBmin）单位均为MPa.3.6低碳钢4.8~6.8低碳钢或中碳钢8.8、9.8中碳钢或低碳合金钢10.9中碳钢、低碳钢或中碳合金钢12.9合金钢8.8和8.8级以上的中碳钢、低碳钢或中碳合金钢都须经淬火并回火处理，其最低回火温度标准中有规定（约340°C~450°C）,低碳或中碳合金钢的合金元素为硼；锰或铬。2、螺母螺母的性能等级按螺母高度m不同有两类型（见GB3098.2-82、86）螺母材料为中碳钢，最高含碳量4、5、6级为0.5%，其余各级为0.58%。螺母等级与螺栓、螺柱、螺钉等级之间的相配关系标准中也有规定，如4---3.6、4.6、4.8;8—8.8等。3、螺纹公差和精度根据(GB197-81)规定:1)内螺纹的公差带为G和H两种,2)外螺纹的公差带为e、f、g、h四种，3)H和h的基本偏差为0，G的基本偏差为正值，e、f、g的基本偏差为负值。4)内、外螺纹的配合最好选：G/h，H/g或H/h5）螺纹常用的公差等级为4~8级，精密4~6级，中等7级，粗糙7~8级；旋合度也有短、中、长之分。4．螺栓联接的拧紧和防松拧紧防松在静载荷下，螺纹联接能满足的自锁条件：φρ。,螺母、螺栓头部等承压面处的摩擦也有防松作用。防松装置或方法13防松原理防松装置或方法利用摩擦对顶螺母弹簧垫圈金属锁紧螺母尼龙圈锁紧螺母楔紧螺纹锁紧螺母直接锁住开口锁与槽形螺母止动垫片串联金属丝破坏螺纹副关系焊信冲点胶接5.提高螺栓联接强度的措施均匀螺纹牙受力分配:悬置螺母/内斜螺母/环槽螺母减小附加应力减轻应力集中降低应力幅选择恰当的预紧力并保持不减退改善制造工艺6.螺旋传动滑动螺旋传动螺杆转动,螺母移动