04第三章機械零部件設計總論

1、第二篇機械設計基礎本篇主要介紹軸的設計、齒輪傳動設計、蝸桿傳動設計、帶傳動設計、鏈傳 動設計、滾動軸承、滑動軸承、螺紋聯(lián)接設計、軸系聯(lián)接零件等九部分的內(nèi)容。 這些內(nèi)容包含機械設計的基礎知識、基本理論和基本設計方法，它對學習專門工 藝學是非常重要的，對從事機械方面的工作也是必備的基礎知識。第三章機械零部件設計總論具體內(nèi)容 機械零件設計的一般步驟；機械零件的常用材料和選用原則；機 械零件的工藝性能及標準化；機械零件的主要失效形式及計算準則；摩擦、磨損 和潤滑基礎。重點機械零件的主要失效形式及計算準則；機械零件的常用材料和選用原則。難點 無。第一節(jié)機械零件設計的一般步驟零件種類不同，具體的設計步驟也

2、不同，但一般可按下列步驟進行：（1）類型的選擇 根據(jù)使用條件及載荷性質、尺寸大小選擇零件的類型。（2）受力分析 通過受力分析求出作用在零件上的載荷，以便進行設計計算。（3）選擇材料根據(jù)零件工作條件及受力分析情況，選擇合適的材料，并確 定計算中的許用應力等。（4）確定計算準則 根據(jù)失效分析，確定出零件的設計計算準則。（5）理論設計計算 由設計準則得到的設計計算公式，確定出零件的主要幾 何尺寸和參數(shù)。（6）結構設計根據(jù)功能要求、加工及裝配工藝性能要求、強度要求等進行 零件的結構設計。（7）精確校核 零件全部設計完成后，對有些重要的零件應進行詳細的校核 計算，以判定結構的合理性。（8）繪制零件工作圖

3、 理論設計和結構設計最終都要通過零件工作圖體現(xiàn)出 來。在工作圖上除了標注詳細的零件尺寸外，還要對零件的配合尺寸等標注尺寸 公差及必要的形位公差，標注表面粗糙度及技術條件等。（9） 編寫設計計算說明書 將設計計算的資料整理成簡練的設計計算說明 書，作為技術文件存檔備查。第二節(jié) 機械零件的常用材料和選用原則機械零件的常用材料主要有鋼、鑄鐵及有色金屬合金，其次是非金屬材料（高 分子材料、陶瓷材料、復合材料等）。選擇材料時，主要考慮三個方面的要求：（1）使用要求 材料的機械性能、物理性能、化學性能能夠適合零件的工作 條件。（2）工藝要求材料的加工性能好，便于加工制造。（3）經(jīng)濟性要求 材料的費用、加工

4、制造費用、維護維修費用等費用總和要 經(jīng)濟。第三節(jié)機械零件的工藝性能及標準化一、機械零件的工藝性在一定的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)條件下，花費勞動量最小，加工、裝配及維修費用 少，這樣的零件就認為具有良好的工藝性。從工藝角度出發(fā)，對零件設計提出以下三點要求：1、造型簡單合理一般來講，結構和形狀越復雜，制造、裝配和維修越困難，成本也越高。在 滿足使用要求的情況下，幾何形狀應盡量簡單，最好為平面或圓柱面。2、合理選擇毛坯種類零件毛坯可用鑄造、鍛造、軋制、焊接等方法制造。選擇毛坯種類時，要根 據(jù)零件的使用要求、尺寸和形狀、生產(chǎn)條件及生產(chǎn)批量，如大件且結構復雜、批 量生產(chǎn)時，宜采用鑄件。3、規(guī)定合理的制造精度及表面

5、粗糙度零件表面粗糙度過小或尺寸精度過高，將會增加零件的制造成本，因此不應 盲目地提高零件的尺寸精度和降低表面粗糙度。二、機械設計中的標準化現(xiàn)在的標準化包括三個方面的內(nèi)容，即標準化、系列化和通用化。標準化是對產(chǎn)品規(guī)格、零件尺寸、結構要求、材料性質、檢驗方法、設計方 法或參數(shù)、公差配合及機械一般規(guī)范等所制定出的標準。系列化是按產(chǎn)品的規(guī)格尺寸大小依次分檔，制定系列化產(chǎn)品，以減少規(guī)格品 種滿足生產(chǎn)的廣泛需要。通用化是把同類型機械系列化的產(chǎn)品種有關零、部件特別是易損件最大程度 地實現(xiàn)通用互換。設計者在設計時必須認真地貫徹標準化。設計時貫徹標準化有如下的益處:采用標準件和通用件，可減少設計工作量，縮短設計

6、周期。減少設計、制造上的技術差錯。便于零件的維修和更換。第四節(jié)機械零件的主要失效形式及計算準則一、機械零件的主要失效形式機械零件在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，不能正常工作稱為失效。常見 的失效形式主要有以下幾種：整體斷裂 如螺栓破斷、齒輪斷齒、斷軸等。整體斷裂分為靜強度斷 裂和疲勞斷裂。靜強度斷裂是由于靜應力過大產(chǎn)生的；疲勞斷裂是由于變應力的 反復作用產(chǎn)生的。機械零件整體斷裂失效中，80%屬于疲勞斷裂。塑性變形過大載荷零件發(fā)生塑性形變，零件的尺寸和形狀隨之發(fā)生 變化而喪失工作能力。過大的彈性變形 彈性變形量超過許用范圍。彈性變形過大，將破 壞零件間的相互位置及配合關系；會引起附加動載荷及振動

7、；影響工作精度。 如，機床主軸的彈性變形過大會降低加工零件的精度。磨損 零件表面的尺寸、形貌及精度發(fā)生變化，使運動性能降低，摩 擦增大，能耗增加，嚴重時導致零件完全不能工作。功能失效零件的工作條件被破壞。如帶傳動的打滑，螺栓連接的松 動。二、機械零件的設計計算準則為保證機械零件在預定的使用期間內(nèi)不發(fā)生失效，設計時要根據(jù)其主要失效 形式采用相應的計算準則。1、強度準則a la MPa)、t rMPa J 該準則。2、剛度準則y yo bJ此準則是針對彈性變形的甲 tpl3、耐磨性準則p p MPapu pu MPa -m, s式中，p 一摩擦表面的壓強；pu 一摩擦功。此準則是針對磨損和膠合的4

8、、振動性準則fp 1.18f J式中，fp一外載荷作用頻率；f 一系統(tǒng)或零件固有頻率。第五節(jié)摩擦、磨損和潤滑基礎一、常見的摩擦狀態(tài)按摩擦表面的潤滑情況，摩擦分為三種狀態(tài)：1、十摩擦狀態(tài)兩摩擦表面間不加任何潤滑物質，兩表面直接接觸。如圖3.1（a）所示。此 狀態(tài)下，兩表面相對運動時，摩擦功損失嚴重、磨損嚴重。機械零件中不允許出 現(xiàn)十摩擦狀態(tài)。（a）（b）（c）圖3.1不同摩擦狀態(tài)2、邊界摩擦狀態(tài)兩表面間加有少量潤滑劑時，潤滑劑與金屬表面的吸附或化學反應作用，在 金屬表面上形成極薄的邊界油膜。當兩表面相對運動時，表面間的微凸峰仍能直 接接觸，相互搓削。見圖3.1（b）所示。此狀態(tài)下，兩表面間的摩擦

9、系數(shù)遠小于十摩擦狀態(tài)下的，f = 0.08 0.1。3、液體摩擦狀態(tài)若兩摩擦表面間有充足的潤滑油，并形成足夠厚度的油膜，將兩表面完全分 開，消除了兩表面的直接接觸。如圖3.1（c）所示。此狀態(tài)下，摩擦只發(fā)生在潤滑油的分子之間，摩擦系數(shù)極小，f 0.001 - 0.008。這是理想的摩擦狀態(tài)。一、磨損摩擦面間的相對運動產(chǎn)生摩擦，由此造成表面不同程度的材料損失或損傷， 被稱為磨損。根據(jù)破壞機理不同，磨損可分為：1、磨料磨損 摩擦表面的硬凸峰或外界摻入的硬粒，在摩擦過程中對摩擦 表面起切削或碾破作用，引起表面材料的脫落。2、點蝕 表面出現(xiàn)小塊的，甚至是片狀的麻點或凹坑。3、腐蝕磨損摩擦表面與周圍介質

10、發(fā)生化學反應或電化學反應的磨損。4、膠合 彈性變形使摩擦表面的吸附膜破裂。同時，因摩擦產(chǎn)生的高溫造成 基體金屬的“焊接”現(xiàn)象。當摩擦表面相對滑動時，切向力將粘著點切開呈撕脫 狀態(tài)。被撕脫的金屬粘在摩擦表面上形成表面凸起。三、潤滑劑1、潤滑劑的分類潤滑劑主要分為流體潤滑劑、氣體潤滑劑、半固體潤滑劑和固體潤滑劑。流體潤滑劑多為石油產(chǎn)品。氣體潤滑劑以純凈空氣為多見。半固體潤滑劑即為潤滑脂，多用液基添加添加劑制成。固體潤滑劑，如石墨、一硫化鉬、聚四氟乙烯。2、潤滑劑的性能指標潤滑劑的常用性能指標有：粘度、凝點、閃點、燃點、油性、滴點、錐入度。粘度一表達液體間粘性阻力大小的指標。粘度越小，液體越?。环粗?，越稠。凝點一液、固轉變的溫度。閃點一加熱時，潤滑油與空氣的混合氣體在火焰下發(fā)生瞬間閃火時的最低加 熱溫度。燃點一閃火持續(xù)5秒以上時的最低加熱溫度。油性