机械设计 课程总结-2012

最后一课《机械设计》课程总结机电工程学院机械设计系敖宏瑞2012一般机械设备原动机：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=KFFFca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；2.1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[σ]和[τ]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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--线数旋线数S--导程同一螺旋线φ--螺纹升角—牙型角--牙侧角旋向螺纹连接和螺旋传动螺纹副的自锁条件螺纹连接和螺旋传动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：常用细牙螺纹的缺点：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螺纹的优点：螺杆强度较高，自锁性能更好螺纹连接和螺旋传动13螺纹连接基本类型普通螺栓连接铰制孔螺栓连接1、螺栓连接螺纹连接和螺旋传动14螺纹连接基本类型2、螺钉连接螺纹连接和螺旋传动15螺纹连接基本类型3、双头螺柱连接螺纹连接和螺旋传动16螺纹连接基本类型4、紧定螺钉连接螺纹连接和螺旋传动17螺纹连接的预紧螺纹连接和螺旋传动预紧的目的：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σs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拧紧力矩T：T=T1+T218螺纹连接的防松螺纹连接和螺旋传动产生松脱的原因：冲击、振动或变载荷下、或温度变化大防松的实质：防止螺纹副之间的相对转动摩擦防松机械防松永久性防松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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214[]Fd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螺纹连接和螺旋传动单个螺栓连接的强度计算螺纹连接和螺旋传动受横向工作载荷的紧螺纹连接:普通螺纹连接F′F′FsFs21'tan'2dTF'F预紧力摩擦力矩螺栓截面上的拉应力和扭转切应力：214'Fd21232111'tan'24'2tan'16tdFTdFdWdd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:2222330.51.3e单个螺栓连接的强度计算螺纹连接和螺旋传动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:][42mdFss螺栓与孔壁的挤压强度条件为：pssphdF][min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FsFshminds单个螺栓连接的强度计算螺纹连接和螺旋传动•受轴向工作载荷的紧螺栓连接：变形协调条件FCCCFFmBB'0FCCCFFmBm'''单个螺栓连接的强度计算螺纹连接和螺旋传动][3.14210dF][3.1401Fd校核公式：设计公式：静强度计算疲劳强度条件为amBBadFCCC][221amaSKk1][螺栓组的设计计算螺纹连接和螺旋传动在实际应用中，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提高螺栓强度的措施螺纹连接和螺旋传动一、改善螺纹牙上载荷的分配二、提高疲劳强度的措施1）减小应力幅2）减小应力集中21212)1(2dFCCCdFCCCmBmmBBa减小螺栓刚度或增大被连接件刚度，都可减小螺栓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。带传动的受力分析带传动2.由离心力产生的应力1.由紧边和松边拉力产生的应力3.由带弯曲产生的应力弹性滑动和打滑带传动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）弹性滑动会引起的后果：（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。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。失效形式和设计准则带传动带传动的失效形式：打滑和带的疲劳破坏带传动的设计准则：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][11maxcb普通V带传动的设计计算带传动设计功率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a1V带根数z初拉力F0压轴力Q带的张紧带传动定期张紧装置自动张紧装置用带轮张紧1)带进行张紧的目的2)张紧措施主要内容齿轮传动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主要失效形式齿轮传动主要失效形式：设计准则齿轮传动•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。计算载荷齿轮传动载荷系数KKKKKA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。掌握各系数的物理意义及影响因素！受力分析齿轮传动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。齿面接触疲劳强度齿轮传动齿面接触疲劳强度的设计公式:2312311)][.(2)1±(≥)][(1±.2≥HHEdHHEdZZZuKTuaZZZuuKTd或两轮的工作接触应力σH1＝σH2，但许用接触应力不相等，即[σ]H1≠[σ]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[σ]H＝min｛[σ]H1，[σ]H2｝齿根弯曲疲劳强度齿轮传动大小齿轮应分别进行弯曲强度校核时11111111][2FsFsFtFYYYbmdKTYYYbmKF22211222][2FsFsFtFYYYbmdKTYYYbmKF设计模数时,应按下式选择}][,][max{][222111FsFFsFFsFYYYYYY3211][.2FsFdYYYZKTm标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算齿轮传动斜齿轮传动的受力分析齿轮传动主要参数的选择齿轮传动1、模数m和齿数z12、齿宽系数d、a3、分度圆压力角4、齿数比u5、螺旋角齿轮传动主要参数的选择蜗杆传动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中间平面与蜗杆传动的正确啮合条件蜗杆传动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22121tatammm旋向相同标准参数条件螺旋线旋向条件为什么蜗杆传动的标准参数是m2d1？蜗杆传动为了限制蜗轮滚刀的数目，便于蜗轮刀具标准化，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。运动分析蜗杆传动受力分析蜗杆传动强度计算蜗杆传动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。蜗轮齿面接触疲劳强度计算的校核公式为：HEEHZdmKTZddKTZ][99221222212，MPa效率计算蜗杆传动321式中：1—啮合效率，)tan(tan123—分别为轴承效率和搅油效率，一般取23=0.95~0.96改善闭式蜗杆传动散热的常用