第2章機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的根本要求和普通程序2.2機(jī)械零件的主要失效方式和任務(wù)才干2.5摩擦、磨損與光滑第2章機(jī)械設(shè)計(jì)根底知識(shí)2.3機(jī)械零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)那么和普通設(shè)計(jì)步驟2.4機(jī)械零件的資料及熱處置2.6機(jī)械零件的構(gòu)造工藝性和規(guī)范化中南大學(xué)公用潘存云教授2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的普通程序和根本要求普通而言，機(jī)器的設(shè)計(jì)階段是決議機(jī)器好壞的關(guān)鍵一環(huán)。機(jī)械設(shè)計(jì)是一個(gè)發(fā)明性的任務(wù)過(guò)程，實(shí)際閱歷是保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要要素。因此，要求設(shè)計(jì)者特別留意閱歷的積累。一部完好的機(jī)器是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。要提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，必需有一個(gè)科學(xué)的設(shè)計(jì)程序。一、機(jī)械設(shè)計(jì)的普通程序▲方案階段▲方案設(shè)計(jì)階段▲技術(shù)設(shè)計(jì)階段▲技術(shù)文件編制階段1、方案階段包括：需求分析、明確功能、制定設(shè)計(jì)義務(wù)書(shū)。中南大學(xué)公用潘存云教授設(shè)計(jì)義務(wù)書(shū)機(jī)器的功能經(jīng)濟(jì)性估計(jì)制造要求的大致估計(jì)根本運(yùn)用要求估計(jì)的設(shè)計(jì)周期2、方案設(shè)計(jì)階段對(duì)機(jī)器的功能進(jìn)展綜合分析、確定功能參數(shù)、提出實(shí)現(xiàn)方案。在制定功能參數(shù)時(shí)一定要留意恰當(dāng)處置需求與能夠、理想與現(xiàn)實(shí)、長(zhǎng)久目的與當(dāng)前目的等之間的關(guān)系。普通而言，實(shí)現(xiàn)同一個(gè)功能，有多種能夠的方案。以螺紋制造為例：有車(chē)削、滾壓、板牙加工等方法。方法不同，其執(zhí)行部分的任務(wù)原理也不同。因此，存在一個(gè)方案的比較和取舍問(wèn)題。中南大學(xué)公用潘存云教授潘存云教授研制方案評(píng)價(jià)原那么：經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)上可行?？傎M(fèi)用設(shè)計(jì)制造費(fèi)用運(yùn)用費(fèi)用費(fèi)用復(fù)雜程度經(jīng)濟(jì)性----總費(fèi)用最低。方案設(shè)計(jì)階段要正確處置好自創(chuàng)與創(chuàng)新的關(guān)系。同類(lèi)機(jī)器的勝利的先例該當(dāng)自創(chuàng)，但其中的薄弱環(huán)節(jié)和不符合現(xiàn)有義務(wù)要求的部分該當(dāng)加以改良或交換。一味求新而把合理的原有閱歷棄置不用保守和照搬原有設(shè)計(jì)堅(jiān)決反對(duì)3、技術(shù)設(shè)計(jì)階段繪制總裝配草圖、部件裝配草圖，由草圖確定零部件的外形、根本尺寸和零件任務(wù)圖。中南大學(xué)公用潘存云教授為了確定零件的根本尺寸，必需完成以下任務(wù)：1〕機(jī)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)2〕機(jī)器的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)3〕零件的任務(wù)才干設(shè)計(jì)4〕部件裝配草圖及總裝配草圖的設(shè)計(jì)----構(gòu)造設(shè)計(jì)5〕主要零件的校核計(jì)算確定原動(dòng)機(jī)的參數(shù)〔功率、轉(zhuǎn)速、線速度等〕。求解構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)〔轉(zhuǎn)速、速度、加速度等〕。計(jì)算構(gòu)件所受公稱(chēng)載荷〔名義載荷〕的大小和特性。由公稱(chēng)載荷大小和特性，根據(jù)任務(wù)才干準(zhǔn)那么作零部件的初步設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)計(jì)算或類(lèi)比得出零件的根本尺寸。以構(gòu)造設(shè)計(jì)尺寸為根據(jù)，對(duì)零件進(jìn)展準(zhǔn)確的受力分析和任務(wù)才干校核計(jì)算中南大學(xué)公用潘存云教授4、技術(shù)文件編制技術(shù)文件設(shè)計(jì)闡明書(shū)運(yùn)用闡明書(shū)零件明細(xì)表規(guī)范件匯總表產(chǎn)品驗(yàn)收條件………….技術(shù)文件----用來(lái)闡明產(chǎn)品性能、設(shè)計(jì)、制造、操作運(yùn)用、維護(hù)、或其它一切與產(chǎn)品相關(guān)的文檔資料。中南大學(xué)公用潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制技術(shù)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)方案提出義務(wù)分析對(duì)機(jī)器的要求確定義務(wù)要求機(jī)器功能分析提出能夠的處理方法組合幾種能夠的方案決策----選定方案明確構(gòu)形要求構(gòu)造化選擇資料、確定尺寸零件設(shè)計(jì)編制技術(shù)文件評(píng)價(jià)決策—確定構(gòu)造外形與尺寸評(píng)價(jià)部件設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)機(jī)器設(shè)計(jì)的普通流程中南大學(xué)公用潘存云教授設(shè)計(jì)機(jī)器的義務(wù)是在當(dāng)前技術(shù)開(kāi)展所能到達(dá)的條件下，根據(jù)消費(fèi)及生活的需求提出的。不論機(jī)器的類(lèi)型如何，普通來(lái)說(shuō)，對(duì)機(jī)器都要提出以下的根本要求：▲運(yùn)用功能要求二、機(jī)械設(shè)計(jì)的主要要求運(yùn)用功能要求----機(jī)器應(yīng)具有預(yù)定的運(yùn)用功能。這主要靠正確地選擇機(jī)器的任務(wù)原理，正確地設(shè)計(jì)或選用可以全面實(shí)現(xiàn)功能要求的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和原動(dòng)機(jī)，以及合理地配置必要的輔助系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。----在滿足預(yù)期功能的前提下，要求性能好、效率高、本錢(qián)低，外型美觀，在預(yù)定運(yùn)用期限內(nèi)要平安可靠，操作方便、維修簡(jiǎn)單。詳細(xì)要求如下：▲經(jīng)濟(jì)性要求▲勞動(dòng)維護(hù)要求▲可靠性要求▲其它公用要求中南大學(xué)公用潘存云教授經(jīng)濟(jì)性要求----機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性表達(dá)在設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)用的全過(guò)程中，設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)就要全面綜合地進(jìn)展思索。設(shè)計(jì)制造的經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)為機(jī)器的本錢(qián)低，運(yùn)用經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)為高消費(fèi)率，高效率，低能耗，以及低的管理和維護(hù)費(fèi)用等。▲運(yùn)用功能要求▲經(jīng)濟(jì)性要求▲勞動(dòng)維護(hù)要求▲可靠性要求▲其它公用要求中南大學(xué)公用潘存云教授提高設(shè)計(jì)和制造經(jīng)濟(jì)性目的的主要途徑有:1〕采用先進(jìn)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法(CAD)，使設(shè)計(jì)參數(shù)最優(yōu)化,到達(dá)盡能夠準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果,保證機(jī)器足夠的可靠性。2〕最大限制地采用規(guī)范化、系列化及通用化的零、部件。3〕盡能夠采用新技術(shù)、新工藝、新構(gòu)造和新資料。4〕合理地組織設(shè)計(jì)和制造過(guò)程。5〕力求改善零件的構(gòu)造工藝性，使其用料少、易加工、易裝配。中南大學(xué)公用潘存云教授1〕合理地提高機(jī)器的機(jī)械化和自動(dòng)化程度，以期提高機(jī)器的消費(fèi)率。提高運(yùn)用經(jīng)濟(jì)性目的的主要途徑有:2〕選用高效率的傳動(dòng)系統(tǒng)，盡能夠減少傳動(dòng)的中間環(huán)節(jié)，以期降低能源耗費(fèi)。3〕適當(dāng)?shù)夭捎梅雷o(hù)及光滑，以延伸機(jī)器的運(yùn)用壽命。4〕采用可靠的密封，減少或消除滲漏景象。中南大學(xué)公用潘存云教授1)要使機(jī)器的操作者方便和平安。因此設(shè)計(jì)時(shí)要按照人機(jī)工程學(xué)的觀念布置各種按鈕、手柄，使操作方式符合人們的心思和習(xí)慣。同時(shí)，設(shè)置完善的平安安裝、報(bào)警安裝、顯示安裝等。2〕改善操作者及機(jī)器的環(huán)境。所設(shè)計(jì)的機(jī)器應(yīng)符合勞動(dòng)維護(hù)法規(guī)的要求。降低機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲程度，防止有毒、有害介質(zhì)的滲漏，對(duì)廢水、廢氣和廢液進(jìn)展治理?！\(yùn)用功能要求▲經(jīng)濟(jì)性要求▲勞動(dòng)維護(hù)要求▲可靠性要求▲其它公用要求中南大學(xué)公用潘存云教授機(jī)器的可靠度----指在規(guī)定的運(yùn)用時(shí)間內(nèi)和預(yù)定的環(huán)境下機(jī)器可以正常任務(wù)的概率。機(jī)器由于某種缺點(diǎn)而不能完成預(yù)定的功能稱(chēng)為失效，它是隨機(jī)發(fā)生的，其緣由是零件所受的載荷、環(huán)境溫度、零件本身物理和機(jī)械性能等要素是隨機(jī)變化的。為了提高零件的可靠性，就該當(dāng)在任務(wù)條件和零件性能兩個(gè)方面使其變化盡能夠小?！\(yùn)用功能要求▲經(jīng)濟(jì)性要求▲勞動(dòng)維護(hù)要求▲可靠性要求▲其它公用要求中南大學(xué)公用潘存云教授其它公用要求----針對(duì)不同機(jī)器所特有的要求。例如：1)對(duì)機(jī)床有長(zhǎng)期堅(jiān)持精度的要求；2)對(duì)飛機(jī)有質(zhì)量小，飛行阻力小而運(yùn)載才干大的要求；3)對(duì)流動(dòng)運(yùn)用的機(jī)器有便于安裝和裝配的要求；4)對(duì)大型機(jī)器有便于運(yùn)輸?shù)囊蟮鹊取！\(yùn)用功能要求▲經(jīng)濟(jì)性要求▲勞動(dòng)維護(hù)要求▲可靠性要求▲其它公用要求中南大學(xué)公用潘存云教授機(jī)械零件的失效：機(jī)械零件由于某種緣由不能正常任務(wù)時(shí)，稱(chēng)為失效。任務(wù)才干----在不發(fā)生失效的條件下，零件所能平安任務(wù)的限制。通常此限制是對(duì)載荷而言，所以習(xí)慣上又稱(chēng)為：承載才干。例如：發(fā)生劇烈的振動(dòng)；聯(lián)接的松弛;摩擦傳動(dòng)的打滑等。2.2機(jī)械零件的主要失效方式和任務(wù)才干一、零件的失效方式整體斷裂;過(guò)大的剩余變形;外表?yè)p傷;破壞正常的任務(wù)條件;如軸、齒輪、軸瓦、軸頸、螺栓、帶傳動(dòng)等。機(jī)械零件雖然有多種能夠的失效方式，歸納起來(lái)最主要的為中南大學(xué)公用潘存云教授機(jī)械零件失效的實(shí)例：潘存云教授研制輪齒塑性變形潘存云教授研制齒輪輪齒折斷潘存云教授研制軸承內(nèi)圈破裂潘存云教授研制軸承外圈塑性變形中南大學(xué)公用潘存云教授失效緣由:強(qiáng)度、剛度、耐磨性、振動(dòng)穩(wěn)定性、溫度等緣由。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：斷裂僅占4.79%;腐蝕、磨損、疲勞破壞占73.88%。--主要失效緣由。潘存云教授研制齒面接觸疲勞潘存云教授研制軸瓦磨損中南大學(xué)公用潘存云教授▲靜載荷▲動(dòng)載荷工程計(jì)算中：▲名義載荷——理想任務(wù)條件下的載荷▲任務(wù)載荷——實(shí)踐任務(wù)條件下的載荷二、機(jī)械零件的載荷載荷能否隨時(shí)間變化：▲計(jì)算載荷——任務(wù)載荷乘上載荷系數(shù)K中南大學(xué)公用潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制三、應(yīng)力的種類(lèi)：靜應(yīng)力和變應(yīng)力otσσ=常數(shù)脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力r=0靜應(yīng)力:σ=常數(shù)變應(yīng)力:σ隨時(shí)間變化平均應(yīng)力:應(yīng)力幅:循環(huán)變應(yīng)力變應(yīng)力的循環(huán)特性:對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力r=-1----脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力----對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力-1=0+1----靜應(yīng)力σmaxσmTσmaxσminσaσaσmotσσmaxσminσaσaotσotσσaσaσminr=+1靜應(yīng)力是變應(yīng)力的特例中南大學(xué)公用潘存云教授黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼金屬資料一、常用資料低碳鋼(08F)中碳鋼(45)高碳鋼(60)合金鋼(1Cr18〕…灰鑄鐵(HT1500)球墨鑄鐵(QT500-7)…2.4機(jī)械零件的資料及熱處置鋁合金(LY12)銅合金(ZCuSn10P1)鑄鐵--灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。特點(diǎn)：良好的液態(tài)流動(dòng)性，可鑄呵斥外形復(fù)雜的零件。較好的減震性、耐磨性、切削性〔指灰鑄鐵〕、本錢(qián)低廉。運(yùn)用：運(yùn)用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。中南大學(xué)公用潘存云教授黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼金屬資料一、常用資料低碳鋼(08F)中碳鋼(45)高碳鋼(60)合金鋼(1Cr18〕…灰鑄鐵(TH300)球墨鑄鐵(QT500-5)…2.4機(jī)械零件的資料及熱處置鋁合金(LY12)銅合金(ZCuSn10P1)鋼--低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼、構(gòu)造鋼、工具鋼、特殊鋼(不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)、鑄鋼等。特點(diǎn)：與鑄鐵相比，鋼具有高的強(qiáng)度、韌性和塑性?？捎脽崽幹梅椒ǜ纳破淞W(xué)性能和加工性能。中南大學(xué)公用潘存云教授潘存云教授研制鋼的選用原那么：優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類(lèi)合金鋼。鋼制零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。運(yùn)用：運(yùn)用范圍極其廣泛。表2-1常用資料的相對(duì)價(jià)錢(qián)材料種類(lèi)規(guī)格相對(duì)價(jià)錢(qián)熱軋圓剛碳素構(gòu)造鋼Q235〔φ33~42〕1鑄件優(yōu)質(zhì)碳素鋼〔φ29~50〕1.5~1.8合金構(gòu)造鋼〔φ29~50〕1.7~2.5滾動(dòng)軸承鋼〔φ29~50〕3合金工具鋼〔φ29~50〕3~204Cr9Si2耐熱鋼〔φ29~50〕5灰鑄鐵鑄件0.85碳素鋼鑄件1.7銅合金、鋁合金鑄件8~10價(jià)錢(qián)廉價(jià)且供應(yīng)充分我國(guó)資源豐富中南大學(xué)公用潘存云教授黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼金屬資料低碳鋼(08F)中碳鋼(45)高碳鋼(60)合金鋼(1Cr18〕…灰鑄鐵(TH300)球墨鑄鐵(QT500-5)…鋁合金(LY12)銅合金(ZCuSn10P1)銅合金-銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳特點(diǎn)：具有良好的塑性和液態(tài)流動(dòng)性。青銅合金還具有良好的減摩性和抗腐蝕性。青銅黃銅軸承合金〔巴氏合金〕-含錫青銅、不含錫青銅中南大學(xué)公用潘存云教授高分子資料復(fù)合資料陶瓷非金屬資料---塑料、橡膠、合成纖維。---強(qiáng)如鋼、輕如鋁、硬如金剛石。--強(qiáng)度高、彈性模量大、質(zhì)量輕。橡膠--橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動(dòng)的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水光滑的軸承襯。塑料--塑料的比重小，易于制成外形復(fù)雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點(diǎn)，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來(lái)在機(jī)械制造中其運(yùn)用日益廣泛。中南大學(xué)公用潘存云教授▲載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì)▲零件的任務(wù)情況▲零件的構(gòu)造及加工性▲資料的經(jīng)濟(jì)性▲零件的尺寸及分量二、機(jī)械零件資料的選用原那么適用于制造機(jī)械零件的資料種類(lèi)非常之多，在設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)，如何從各種各樣的資料中選擇出適宜的資料，是一項(xiàng)受多方面要素所制約的復(fù)雜的任務(wù)。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)零件的用途、任務(wù)條件和資料的物理、化學(xué)、機(jī)械和工藝性能以及經(jīng)濟(jì)要素等進(jìn)展全面思索。選材的普通原那么中南大學(xué)公用潘存云教授脆性資料----只適用于制造在靜載荷下任務(wù)的零件；1.載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì)2.零件的任務(wù)情況--指零件所處的環(huán)境特點(diǎn)、任務(wù)溫度、摩擦磨損程度等。這方面的要素主要是從強(qiáng)度觀念來(lái)思索的，應(yīng)在充分了解資料的機(jī)械性能的前提下來(lái)進(jìn)展選擇。金屬資料的性能普通可以經(jīng)過(guò)熱處置加以提高和改善，因此，要充分利用熱處置手段來(lái)發(fā)揚(yáng)資料的潛力。對(duì)于常用的調(diào)質(zhì)鋼，由于其回火溫度的不同，可得到機(jī)械性能不同的毛坯。塑性資料----適用于在有沖擊情況下任務(wù)的零件?！跐駸岘h(huán)境下任務(wù)的零件，其資料應(yīng)具有良好防腐蝕才干，可選用不銹鋼、銅合金等。中南大學(xué)公用潘存云教授零件的尺寸及質(zhì)量的大小與資料的種類(lèi)及毛坯制取方法有關(guān)。3.零件的尺寸及分量▲兩配合零件的線性膨脹系數(shù)不能相差過(guò)大，一面在溫度變化時(shí)產(chǎn)生過(guò)大熱應(yīng)力或使配合松動(dòng)，另一方面要思索資料機(jī)械性能隨溫度而變化的情況?！慵谌蝿?wù)中能夠發(fā)生磨損的外表，應(yīng)提高其外表硬度，添加耐磨性，因此應(yīng)選擇淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼。▲用鑄造資料制造毛坯時(shí)，普通可以不受尺寸及質(zhì)量大小的限制；▲而用鍛造資料制造毛坯時(shí)，那么須留意鍛壓機(jī)械及設(shè)備的消費(fèi)才干?！鴳?yīng)盡能夠選用強(qiáng)重比大的資料，以便減小零件的尺寸和質(zhì)量。中南大學(xué)公用潘存云教授▲資料的加工費(fèi)用;5.資料的經(jīng)濟(jì)性選材時(shí)還應(yīng)思索到當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)刭Y料的供應(yīng)情況。為了簡(jiǎn)化供應(yīng)和儲(chǔ)存的資料種類(lèi)，對(duì)于小批制造的零件，應(yīng)盡能夠地減少同一部機(jī)器上運(yùn)用的資料種類(lèi)和規(guī)格。6.資料的供應(yīng)情況資料的經(jīng)濟(jì)性主要表如今以下幾方面：▲資料本身的相對(duì)價(jià)錢(qián);▲資料的利用率;▲采用組合構(gòu)造;▲節(jié)約稀有資料。各種資料的化學(xué)成分和力學(xué)性能可在相關(guān)國(guó)標(biāo)、行標(biāo)和機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得。為了資料供應(yīng)和消費(fèi)管理上的方便，應(yīng)盡量減少一臺(tái)機(jī)器所用資料的種類(lèi)。中南大學(xué)公用潘存云教授潘存云教授研制表2-2常用鋼鐵資料的牌號(hào)及力學(xué)性能材料力學(xué)性能試件尺寸類(lèi)別牌號(hào)強(qiáng)度極限σB屈服極限σS延伸率%mmQ215335-41021531碳素構(gòu)造鋼Q235375-46023526d≤16Q275490-610275202041024525優(yōu)質(zhì)碳素構(gòu)造鋼3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金構(gòu)造鋼40Cr9817859d≤2520CrMnTi107983410d≤1560Mn9817858d≤80ZG270-50050027018鑄鋼ZG310-57057031015d≤100ZG42SiMn60038012HT150145----灰鑄鐵HT200195----HT250240----壁厚10~20QT400-1540025015球墨鑄鐵QT500-75003207QT600-36003703壁厚30~200中南大學(xué)公用