机械设计课件

机械设计凌玲[e-mail]87543972（东八楼403室）13517107388第一章绪论《机械设计》的研究内容课程的性质与目的机械零件设计的基本要求与一般方法机械系统的组成：以加热炉工件输送机为例电动机联轴器减速器齿轮传动连杆机构执行构件输送辊道机架机械系统的组成原动机传动系统执行机构控制系统机械零件通用零件专用零件传动件联接件支承件其它—齿轮、蜗杆、带、链—螺栓、键、花键—轴、轴承—联轴器、弹簧、机架—水轮机叶片、活塞、曲轴机械零件的分类通用零部件：以减速器为例齿轮轴滚动轴承螺栓键减速箱座《机械设计》的研究内容研究对象：各种机器中普遍使用的通用机械零部件，如齿轮、螺纹联接、轴承等。研究内容：通用零部件的工作原理、结构特点、选用原则以及参数设计和结构设计方法，在此基础上，研究机械及其传动系统的总体方案设计。课程的性质——设计性技术基础课，综合性强基础课机械设计专业课——机械设计是影响机械产品性能、质量和成本的主要因素。学习目的1、掌握通用零部件的设计方法和步骤2、初步具备设计机械传动装置及简单机械的能力；3、能在设计中运用各种技术资料（标准、规范、手册）。课程的性质与目的功能要求：能够准确实现预定的功能；可靠性要求：在预定的工作期限内不能失效；经济性要求：成本低廉（综合考虑产品的全生命周期成本）。机械零件设计的基本要求机械零件的失效形式失效：丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指破坏。断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂表面点蚀：工作表面片状剥落塑性变形：零件发生永久性变形过大弹性变形过度磨损过大振动和噪声、过热等强度问题：零件在载荷作用下抵抗破坏的能力刚度问题：零件抵抗变形的能力耐磨性问题动力学、声学、热学问题失效形式：疲劳断裂轴叶轮失效形式：表面点蚀失效形式：塑性变形承载能力：不失效条件下零件的安全工作限度。这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示。50kN吊钩最大起重量——50kN承载能力——50kN承载能力同一零件可能发生各种不同形式的失效Fn轴可能的失效形式：断裂、过大弹性变形、塑性变形、共振强度条件：工作应力≤许用应力σ≤[σ]或τ≤[τ]刚度条件：实际变形量≤许用变形量y≤[y]、θ≤[θ]、φ≤[φ]耐磨性条件振动和噪声条件热平衡条件承载能力判定条件3、选择材料4、确定计算准则5、理论设计计算1、类型选择2、受力分析6、结构设计7、绘制零件工作图8、编写设计计算说明书机械零件的一般设计步骤一、载荷及应力的分类1、载荷的分类静载荷变载荷——不随时间改变或变化缓慢——随时间作周期性或非周期性变化工作载荷名义载荷计算载荷——根据原动机功率求得的载荷——对名义载荷进行修正得到的近似值计算载荷名义载荷=K×载荷系数？——实际工作条件下的载荷许用应力和安全系数2、应力的分类静应力变应力——不随时间改变或变化缓慢——随时间作周期性或非周期性变化变应力稳定变应力——周期性循环变应力非稳定变应力——非周期性循环变应力稳定变应力非对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力静应力几个应力参数循环特征：maxminr——表示应力变化的情况对称循环—r=－1；脉动循环—r=0；非对称循环—r≠0且|r|≠1;静应力—r=+1平均应力：2minmaxm应力幅：2minmaxa对称循环:σm=0;σa=σmax脉动循环:σm=σa=σmax/2注意变载荷→变应力静载荷→静应力？或变应力nP●an横截面上各点正应力的大小与该点到中性轴的距离y正比。最大拉、压应力在截面上下缘。M0,y0时,0,上部受压M0,y0时,0,下部受拉zyOM’Mmax主要失效形式：断裂或塑性变形强度条件：σ≤[σ]或τ≤[τ]塑性材料：sslimlim][;][许用应力：σlim、τlim—极限应力s—安全系数σlim=σs；τlim=τs脆性材料：σlim=σB；τlim=τBσs、τs—材料屈服极限σB、τB—材料强度极限静应力作用下的强度问题变应力作用下：疲劳破坏零件表面应力较大处初始微裂纹裂纹扩展突然断裂初始裂纹疲劳区(光滑)粗糙区轴截面疲劳区三、变应力作用下的强度问题强度条件：σ≤[σ]slimσlim=？疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关NσσrNσrNN0疲劳曲线σrN—应力循环次数为N时的疲劳极限有限寿命区无限变应力时，取σlim=σr（无限寿命）或σlim=σrN（有限寿命）各种材料的σr可从有关手册中查取ssrNr或则][本章小结机械零件常见的失效形式有＿＿、＿＿、＿＿、＿＿、＿＿、＿＿等。机械零件常用的设计准则有＿＿条件、＿＿条件、耐磨性条件、振动噪声条件、热平衡条件。稳定变应力可分为＿＿循环变应力、＿＿循环变应力和非对称循环变应力。稳定循环变应力的五个参数：最大应力、最小应力、应力幅、平均应力、应力循环特征，它们之间的关系。静应力作用下零件的主要失效形式：塑性材料＿＿，脆性材料＿＿。变应力作用下零件的主要失效形式：＿＿。第二章齿轮传动齿轮传动闭式传动开式传动半开式传动—封闭在箱体内，润滑条件好—外露，润滑较差，易磨损—介于上两者之间，有防护罩齿轮传动的特点优点：传递功率和转速适用范围广；具有稳定的传动比；效率高、结构紧凑。缺点：制造成本较高；精度低时，噪声和振动较大；不宜用于轴间距离较大的传动。§2-1齿轮传动失效形式和设计准则一、失效形式1、轮齿折断★疲劳折断★过载折断全齿折断—常发生于齿宽较小的直齿轮局部折断—常发生于齿宽较大的直齿轮，和斜齿轮措施：增大齿根圆角半径、提高齿面精度、正变位、增大模数等2、齿面疲劳点蚀★点蚀常发生于闭式软齿面（HBS≤350）传动中★点蚀的形成与润滑油的存在密切相关★点蚀常发生于偏向齿根的节线附近★开式传动中一般不会出现点蚀现象措施：提高齿面硬度和齿面质量、增大直径3、齿面胶合配对齿轮采用异种金属时，其抗胶合能力比同种金属强4、齿面磨损是开式传动的主要失效形式5、齿面塑性变形措施：提高齿面硬度，采用油性好的润滑油措施：采用异种金属、降低齿高、提高齿面硬度等措施：改善润滑和密封条件二、齿轮传动的设计准则主要针对疲劳折断和齿面点蚀这两种失效形式齿根弯曲疲劳强度—齿轮抵抗轮齿疲劳折断的能力齿面接触疲劳强度—齿轮抵抗齿面疲劳点蚀的能力开式齿轮传动采用准则二，但不校核齿面接触强度设计准则一：对于闭式软齿面（HBS≤350）传动，主要失效形式是齿面点蚀，所以按齿面接触疲劳强度设计，而校核齿根弯曲疲劳强度。设计准则二：对于闭式硬齿面（HBS350）传动，主要失效形式是齿根弯曲疲劳折断，所以按齿根弯曲疲劳强度设计，而校核齿面接触疲劳强度。§2-2齿轮材料及其热处理一、齿轮材料金属材料45号钢中碳合金钢铸钢低碳合金钢最常用，经济、货源充足铸铁35SiMn、40MnB、40Cr等20Cr、20CrMnTi等ZG310-570、ZG340-640等HT350、QT600-3等非金属材料尼龙、夹木胶布等选材时考虑：工作条件、载荷性质、经济性、制造方法等齿轮毛坯锻造—选可锻材料；铸造—选可铸材料二、热处理调质正火表面淬火渗碳淬火表面氮化软齿面。改善机械性能，增大强度和韧性硬齿面。接触强度高、耐磨性好、可抗冲击配对齿轮均采用软齿面时：小齿轮受载次数多，故材料应选好些，热处理硬度稍高于大齿轮（约20~50HBS）法向力：圆周力—§2-3直齿圆柱齿轮传动的受力分析及计算载荷一、轮齿受力分析条件：标准齿轮并忽略齿面间的摩擦力受力图112bndTF小齿轮基圆直径mm小齿轮转矩N.mNdTFt11/2径向力—NtgFFtr法向力—NFFtncos/小齿轮分度圆直径分度圆压力角注意：下标“1”表示主动轮下标“2”表示从动轮21各力关系：21ttFF21rrFF各力方向：Ft1与主动轮回转方向相反Ft2与从动轮回转方向相同Fr1、Fr2分别指向各自齿轮的轮心例：n2n1Fr2Fr1Ft1Ft2n1n2注意：各力应画在啮合点上！二、计算载荷FncFnc=KFn=KFt/cosα载荷系数K=KAKvKαKβKA—使用系数Kv—动载系数Kα—齿间载荷分配系数Kβ—齿向载荷分布系数影响因素：1）外部附加动载荷—原动机、工作机的性能2）内部附加动载荷—加工误差引起基节不等3）各对齿载荷分配不均—弹性变形、制造误差4）载荷沿齿宽分布不均—变形及制造安装误差近似取：K=1.3~1.7原动机为单缸内燃机开式齿轮传动齿轮速度高K取大值原动机为电动机、汽轮机齿轮对称布置齿轮制造精度高斜齿轮传动K取小值§2-4直齿圆柱齿轮传动的强度计算齿轮承载能力计算标准：英国国家标准BS436德国国家标准DIN3990美国齿轮制造者协会AGMA标准国际标准化组织ISO齿轮标准中国齿轮承载能力计算国家标准3480-83基本理论：齿面接触强度—以赫兹（Hertz）公式为依据齿根弯曲强度—以路易士（Lewis）公式为依据一、齿根弯曲疲劳强度计算轮齿受载后，相当于悬臂梁故齿根部分弯曲应力最大，是危险截面Fn为防止轮齿折断，必须保证：σF≤σFP危险截面弯曲应力许用弯曲应力假设：全部载荷由一对轮齿承担，并忽略摩擦力载荷作用于齿顶时的受力分析：水平分力—F1=FncosαF垂直分力—F2=FnsinαF齿顶载荷作用角——引起弯曲应力——引起压应力（忽略不计）危险截面的具体位置在哪？cos)(cos)(62msmhbmKFFFFt常用30°切线法确定危险截面位置齿根弯曲疲劳强度计算以受拉边为计算依据齿根弯曲疲劳强度条件：FPFWM力臂为hF，齿根厚为sF弯矩：M=F1·hF=FncosαF·hFK抗弯截面系数：W=b·sF2/6（矩形截面）齿宽2cos6FFFnbshKFFn=Ft/cosα分子、分母同除以m2令其为齿形系数—YFa故，弯曲应力：FatFYbmKFcos)(cos)(62msmhYFFFFa齿形系数msmhFFλ、γ—与齿形有关的比例系数YFa与模数的大小无关，只取决于轮齿的形状当齿廓的基本参数已定时，YFa取决于齿数Z和变位系数χ考虑齿根应力集中，引入应力修正系数Ysa，则SaFatFYYbmKFSaFaYYbmdKT112Ft=2T1/d1标准齿轮：z越多，YFaYSa越小FPSaFaFYYbmdKT112弯曲强度条件：引入齿宽系数ψd=b/d1，并代入d1=mz1，则：FPSaFadFYYzmKT21312设计式：mmYYzKTmFPSaFad32112讨论：影响齿根弯曲疲劳强度的主要参数是模数mm↑→弯曲强度↑→齿厚s→截面积↑→σF↓↑配对的大小齿轮的弯曲应力不等标准齿轮YFa1YSa1YFa2YSa2＞故σF1＞σF2计算模数时，比较YFa1YSa1/σFP1与YFa2YSa2/σFP2的大小，代入大值因σF1＞σF2，且小齿轮应力循环次数多，故小齿轮的材料应选好些，齿面硬度稍高些单侧受载时，σF看成脉动循环，双侧受载时，σF看成对称循环齿数z1的选取中心距a、传动比i一定时(d不变）：z1↑YFaYSam→σF↓↓↓→σF↑σF↑z1↑εαm→平稳↓↑→h↓→切削量少原则：在保证齿根弯曲强度的前提下，选取尽可能多的齿数。闭式传动：z1=20~40开式传动：z1=17~20许用应力与材料、齿面硬度、应力循环次数等因素有关许用弯曲应力σFPMPaYSYNFSTFFPminlimσFlim—试验齿轮的弯曲疲劳极限，YST—试验齿轮的应力修正系数,YST=2YN—寿命系数,无限寿命时YN=1，有限寿命时YN1SFmin—弯曲强度最小安全系数一般取SFmin=1.3~1.5，重要传动SFmin=1.6~3.0HBSσFlimMEMQML一般按MQ线查取●三种硬度单位之比较：HV(维氏)≈HBS(布氏)；HRC(洛氏)×10≈HBS●应力循环次数N=60nat主动主动每转一圈同侧齿面啮