機(jī)械設(shè)計(jì)教程第3版第一章機(jī)械設(shè)計(jì)總論第一節(jié)機(jī)械設(shè)計(jì)概述

第二節(jié)機(jī)械零部件設(shè)計(jì)第三節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算第四節(jié)機(jī)械中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑第五節(jié)機(jī)械零件的材料和熱處理選擇第六節(jié)機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則

第一節(jié)機(jī)械設(shè)計(jì)概述

一、機(jī)械設(shè)計(jì)的任務(wù)我國(guó)目前正處于由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)和創(chuàng)新型國(guó)家轉(zhuǎn)變的過程中,機(jī)械設(shè)計(jì)工作在其中擔(dān)負(fù)著重要的任務(wù)。機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)的第一個(gè)步驟,設(shè)計(jì)師根據(jù)社會(huì)需要,經(jīng)過調(diào)查研究,深入分析,進(jìn)行設(shè)計(jì),為制造提供所需的圖樣、技術(shù)文件、計(jì)算機(jī)軟件等。設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的性能和技術(shù)水平起決定性的作用,據(jù)統(tǒng)計(jì),產(chǎn)品成本的70%~80%是在設(shè)計(jì)階段決定的。因此,設(shè)計(jì)的水平往往成為產(chǎn)品生產(chǎn)成敗的關(guān)鍵。當(dāng)前對(duì)機(jī)械產(chǎn)品不斷提出很多新的要求,我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)人員面臨著十分艱巨而偉大的任務(wù)。第一節(jié)機(jī)械設(shè)計(jì)概述

二、機(jī)械設(shè)計(jì)的典型步驟機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)按其不同要求可以分為開發(fā)性設(shè)計(jì)、適應(yīng)性設(shè)計(jì)、變型設(shè)計(jì)三種類型。其中開發(fā)性設(shè)計(jì)是研制全新的產(chǎn)品,其工作原理和結(jié)構(gòu)都是新的,難度和風(fēng)險(xiǎn)最大,是最具有代表性的創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。其典型步驟可以分為以下幾個(gè)階段:(1)明確任務(wù)(2)方案設(shè)計(jì)(3)技術(shù)設(shè)計(jì)(4)施工設(shè)計(jì)第一節(jié)機(jī)械設(shè)計(jì)概述

三、對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)師的要求對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)師首先要求具有創(chuàng)新能力,其次要求有堅(jiān)實(shí)的基本功和廣泛的實(shí)際知識(shí)。因此,對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)師提出以下要求:(1)對(duì)周圍事物的敏感性(2)善于聯(lián)想、有預(yù)見(3)掌握新的技術(shù)信息(4)有堅(jiān)實(shí)的機(jī)械設(shè)計(jì)基本功(5)有廣泛的實(shí)際知識(shí)、堅(jiān)強(qiáng)的意志及活躍的思路第一節(jié)機(jī)械設(shè)計(jì)概述

四、機(jī)械設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化是指在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、科學(xué)和管理等社會(huì)實(shí)踐中,對(duì)重復(fù)性的事物和概念,通過制訂、發(fā)布和實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到統(tǒng)一,以獲得最佳秩序和社會(huì)效益。在機(jī)械生產(chǎn)中推行標(biāo)準(zhǔn)化,是提高產(chǎn)品質(zhì)量、加快發(fā)展新產(chǎn)品、降低產(chǎn)品成本的重要措施。首先,在規(guī)劃時(shí)就應(yīng)該注意產(chǎn)品系列化,以便于組織生產(chǎn)。其次,各產(chǎn)品之間有些零部件應(yīng)該能夠通用化。零部件設(shè)計(jì)中選擇標(biāo)準(zhǔn)工程材料;各零部件應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件,如螺栓、螺母、墊圈、滾動(dòng)軸承、電動(dòng)機(jī)、密封件、銷釘、鉚釘?shù)?有些零部件的參數(shù)應(yīng)該標(biāo)準(zhǔn)化,如齒輪傳動(dòng)的模數(shù)、壓力角、螺旋傳動(dòng)的螺距、配合直徑、鍵連接的尺寸等。隨著現(xiàn)代消費(fèi)觀念的變化,現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)向特性化的趨勢(shì)發(fā)展,這種潛在需求是社會(huì)生產(chǎn)力不斷發(fā)展的結(jié)果,如汽車在顏色、結(jié)構(gòu)、裝置配置等方面各有特色,這就對(duì)設(shè)計(jì)者提出了更高的要求。第一節(jié)機(jī)械設(shè)計(jì)概述

五、現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展和人們物質(zhì)文化需求的不斷增長(zhǎng),機(jī)械設(shè)計(jì)迎來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)手段上,傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)正逐漸被現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)所取代。在設(shè)計(jì)理念上,傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)更注重產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)的要素和手段,以滿足人們對(duì)產(chǎn)品功能的需求為主要目標(biāo)。但在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的新理念中,產(chǎn)品的全壽命周期設(shè)計(jì)、可持續(xù)設(shè)計(jì)的理念等正在被工程設(shè)計(jì)人員接受和貫徹。全壽命周期過程設(shè)計(jì),是指在設(shè)計(jì)階段就考慮到產(chǎn)品壽命歷程的所有環(huán)節(jié),使所有相關(guān)因素在產(chǎn)品設(shè)計(jì)分階段得到綜合規(guī)劃和優(yōu)化的一種設(shè)計(jì)理論。全壽命周期設(shè)計(jì)意味著,不僅要設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu),而且要設(shè)計(jì)產(chǎn)品的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、經(jīng)銷、運(yùn)行、使用、維修保養(yǎng),直到回收再利用處置。可持續(xù)設(shè)計(jì)要求人和環(huán)境的和諧發(fā)展,設(shè)計(jì)既能滿足當(dāng)代人需要又兼顧保障子孫后代永續(xù)發(fā)展需要的產(chǎn)品、服務(wù)和系統(tǒng)。針對(duì)不斷擴(kuò)大的生產(chǎn)規(guī)模,這些先進(jìn)設(shè)計(jì)理念對(duì)于解決自然資源消耗和環(huán)境污染問題,更好地保護(hù)自然生態(tài)和人類生活環(huán)境,有著重要的意義。在設(shè)計(jì)方法上,以信息技術(shù)為背景,以中國(guó)制造2025為引導(dǎo),現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法融合了計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、思維科學(xué)學(xué)科以及設(shè)計(jì)理論系統(tǒng)工程等領(lǐng)域的知識(shí),使得通過現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出來的機(jī)械產(chǎn)品在功能上更加豐富和人性化,外觀上更加自然化和實(shí)用化,質(zhì)量上也更加可靠化和安全化,并且更注重節(jié)能減排?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的主要方法有系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、有限元分析方法以及反求工程設(shè)計(jì)方法等。第二節(jié)機(jī)械零部件設(shè)計(jì)一、機(jī)械零部件設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求一般的大型機(jī)電產(chǎn)品由機(jī)械(包括機(jī)架、傳動(dòng)部分、工作部分等)和電氣(包括拖動(dòng)、控制、顯示等)兩大系統(tǒng)組成。圖1-1所示為電梯主要部件示意,機(jī)械系統(tǒng)包括曳引系統(tǒng)、轎廂3和對(duì)重裝置4、導(dǎo)向系統(tǒng)包括(對(duì)重導(dǎo)軌5和轎廂導(dǎo)軌7)、安全保護(hù)系統(tǒng)(包括限位開關(guān)1和緩沖裝置6)等,其中曳引系統(tǒng)包括曳引機(jī)2、導(dǎo)向輪、鋼絲繩等部件。曳引機(jī)又包括電動(dòng)機(jī)1、制動(dòng)器2、減速器3、曳引輪4等部件,如圖1-2所示。把機(jī)械分為若干個(gè)部件,可以單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn),提高生產(chǎn)率和質(zhì)量。零部件設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)的重要組成部分,是機(jī)械總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),并可能對(duì)機(jī)械總體設(shè)計(jì)產(chǎn)生很大的影響。學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)多是由學(xué)習(xí)零部件設(shè)計(jì)開始的。第二節(jié)機(jī)械零部件設(shè)計(jì)一、機(jī)械零部件設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求圖1-1電梯主要部件示意1—限位開關(guān)2—曳引機(jī)3—轎廂4—對(duì)重裝置5—對(duì)重導(dǎo)軌6—緩沖裝置7—轎廂導(dǎo)軌8—控制箱第二節(jié)機(jī)械零部件設(shè)計(jì)一、機(jī)械零部件設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求圖1-2曳引機(jī)主要部件1—電動(dòng)機(jī)2—制動(dòng)器3—減速器4—曳引輪第二節(jié)機(jī)械零部件設(shè)計(jì)一、機(jī)械零部件設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求機(jī)械零部件設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括:根據(jù)總體設(shè)計(jì)的要求,對(duì)所設(shè)計(jì)的零部件提出應(yīng)具有的功能、主要參數(shù)等,據(jù)此進(jìn)行設(shè)計(jì),給出零部件裝配圖和全部零件圖,提供必要的技術(shù)文件。在一般情況下,對(duì)零部件的主要要求有以下幾個(gè)方面:1)滿足使用功能的要求。2)滿足工藝要求。3)滿足綠色設(shè)計(jì)的要求4)外形美觀。5)經(jīng)濟(jì)性好。6)有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,有自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。以上要求常常難以全部達(dá)到理想的程度,需要設(shè)計(jì)者綜合考慮,妥善處理。第二節(jié)機(jī)械零部件設(shè)計(jì)二、機(jī)械零部件的失效分析和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則機(jī)械零件由于各種原因不能正常工作稱為失效。機(jī)械零件在預(yù)期工作壽命期間不失效,這是最基本的要求。因此,設(shè)計(jì)者應(yīng)預(yù)先估計(jì)所設(shè)計(jì)零件的可能失效方式。一個(gè)零件可能有多種失效方式,防止失效是保證機(jī)械零件正常工作的首要措施。失效分析方法是機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本方法,其邏輯框圖如圖1-3所示。圖1-3機(jī)械零件失效分析邏輯框圖第二節(jié)機(jī)械零部件設(shè)計(jì)二、機(jī)械零部件的失效分析和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則用計(jì)算的方法使機(jī)械零件的工作載荷在其承載能力允許范圍之內(nèi),以避免失效,是常用的機(jī)械零件設(shè)計(jì)方法。計(jì)算依據(jù)的條件稱為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。常用的機(jī)械零件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則有:(1)強(qiáng)度準(zhǔn)則(2)剛度準(zhǔn)則(3)耐熱性準(zhǔn)則(4)可靠性準(zhǔn)則(5)壽命準(zhǔn)則(6)精度準(zhǔn)則第二節(jié)機(jī)械零部件設(shè)計(jì)三、機(jī)械零件的計(jì)算方法根據(jù)強(qiáng)度、剛度、耐磨性、熱平衡等要求計(jì)算機(jī)械零件的主要尺寸,是機(jī)械設(shè)計(jì)的常用方法。在計(jì)算中,會(huì)用到理論力學(xué)、材料力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、機(jī)械振動(dòng)學(xué)等理論公式。對(duì)于一般零件,要采用簡(jiǎn)化的計(jì)算方法;對(duì)于重要的機(jī)械零件,則采用復(fù)雜而精確的計(jì)算方法。而在這些計(jì)算中,也要對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化,建立物理模型,這是機(jī)械設(shè)計(jì)的常用方法。本書對(duì)齒輪、螺栓連接、滑動(dòng)軸承等零件的簡(jiǎn)化,具有典型性。除計(jì)算以外,設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)還常常進(jìn)行必要的試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,取得必要的數(shù)據(jù),使設(shè)計(jì)更加可靠。例如在中華世紀(jì)壇的設(shè)計(jì)過程中,為了保證旋轉(zhuǎn)圓壇能夠順利地轉(zhuǎn)動(dòng),必須確定安裝幾個(gè)驅(qū)動(dòng)輪,為此參考了多種機(jī)械(如起重機(jī)、火車等)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算方法,但是考慮到這些數(shù)據(jù)的來源與中華世紀(jì)壇的實(shí)際工作情況有差距,對(duì)于摩擦因數(shù)的確定沒有充足的把握,因此進(jìn)行了多項(xiàng)底盤驅(qū)動(dòng)力模擬試驗(yàn)(見《中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典》第6卷第52篇),確保了設(shè)計(jì)工作順利完成。第三節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算一、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度(一)疲勞強(qiáng)度的基本知識(shí)1.應(yīng)力循環(huán)特性具有周期性的變應(yīng)力稱為循環(huán)變應(yīng)力,否則稱為隨機(jī)變應(yīng)力。循環(huán)變應(yīng)力分為穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力(圖1-4)和規(guī)律性不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力(圖1-5)兩種。穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力又有三種基本類型:對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力、脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力和一般循環(huán)變應(yīng)力,如圖1-4所示。例如,勻速前進(jìn)的火車輪軸受穩(wěn)定徑向載荷作用時(shí),其橫截面內(nèi)某點(diǎn)的彎曲應(yīng)力就屬于對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力;壓路機(jī)壓輥表面的壓應(yīng)力屬于脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力;擰緊后的螺栓受到載荷后的應(yīng)力則屬于一般循環(huán)變應(yīng)力(見圖13-22)。圖1-5規(guī)律性不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力第三節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算一、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度(一)疲勞強(qiáng)度的基本知識(shí)1.應(yīng)力循環(huán)特性圖1-4穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力a)對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力b)脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力c)一般循環(huán)變應(yīng)力第三節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算一、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度(一)疲勞強(qiáng)度的基本知識(shí)1.應(yīng)力循環(huán)特性

第三節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算一、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度(一)疲勞強(qiáng)度的基本知識(shí)2.材料的疲勞特性在變應(yīng)力作用下,零件的主要失效形式是疲勞斷裂。在機(jī)械零件和構(gòu)件的斷裂事件中,絕大多數(shù)斷裂屬于疲勞斷裂疲勞斷裂具有以下特征:①疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠(yuǎn)比靜應(yīng)力下材料的強(qiáng)度極限低,甚至比屈服極限低。②不管脆性材料或塑性材料,其疲勞斷裂斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂。③疲勞斷裂是損傷的積累,它的初期現(xiàn)象是在零件表面或表層形成微觀裂紋。這種微觀裂紋隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展,直至余下的未斷裂截面不足以承受外載荷時(shí),就突然斷裂。由此可見,疲勞斷裂是與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān)的斷裂。在疲勞斷裂斷口上明顯地有兩個(gè)區(qū)域,如圖1-6所示,一個(gè)是在變應(yīng)力重復(fù)作用下裂紋兩邊互相摩擦形成的光滑疲勞區(qū),另一個(gè)是最終發(fā)生脆性斷裂的粗糙斷裂區(qū)。第三節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算一、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度(一)疲勞強(qiáng)度的基本知識(shí)2.材料的疲勞特性圖1-6疲勞斷裂斷口截面第三節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算一、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度(二)疲勞強(qiáng)度計(jì)算1.材料的極限應(yīng)力線圖圖1-8所示A'D'C'為當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)一定時(shí)(一般取N0)不同循環(huán)特性的極限應(yīng)力。圖中用σm-σa曲線來描述。該曲線通常稱為等壽命曲線或極限應(yīng)力線圖。圖1-8材料的極限應(yīng)力線圖第三節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算一、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度(二)疲勞強(qiáng)度計(jì)算2.零件的極限應(yīng)力線圖

第三節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算一、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度(二)疲勞強(qiáng)度計(jì)算3.穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力下機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度

第三節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算一、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度(二)疲勞強(qiáng)度計(jì)算3.穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力下機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度在上述計(jì)算步驟中,最關(guān)鍵的是計(jì)算極限應(yīng)力。強(qiáng)度計(jì)算時(shí)所用的極限應(yīng)力應(yīng)是零件的極限應(yīng)力線圖(AGC)上的某一個(gè)點(diǎn)所代表的應(yīng)力。零件的工作應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)特性有關(guān)。一般機(jī)械零件可能發(fā)生的典型應(yīng)力變化規(guī)律通常有下述三種:①變應(yīng)力的應(yīng)力比保持不變,即r=C,如絕大多數(shù)轉(zhuǎn)軸的彎曲應(yīng)力狀態(tài)。②變應(yīng)力的平均應(yīng)力保持不變,即σm=C,如振動(dòng)著的受載彈簧中的應(yīng)力狀態(tài)。③變應(yīng)力的最小應(yīng)力保持不變,即σmin=C,如氣缸蓋擰緊螺栓連接中螺栓受軸向載荷時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)(圖13-25)。對(duì)于應(yīng)力變化規(guī)律不明確的情況,可按r=C處理。第三節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算一、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度(二)疲勞強(qiáng)度計(jì)算4.規(guī)律性不穩(wěn)定單向循環(huán)變應(yīng)力下機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算規(guī)律性的不穩(wěn)定變應(yīng)力是指變應(yīng)力參數(shù)的變化有一定的規(guī)律,如機(jī)床主軸、高爐上料機(jī)構(gòu)的零件等所受的變應(yīng)力。在這種情況下,如果仍以最大應(yīng)力低于疲勞極限為安全依據(jù),顯然是不合理的。因?yàn)榇藭r(shí)最大應(yīng)力有時(shí)大于、有時(shí)小于疲勞極限,而且每一種應(yīng)力作用的循環(huán)次數(shù)也有多有少。對(duì)于這類問題,一般根據(jù)疲勞損失累積假設(shè)(常稱為Miner法則)來進(jìn)行計(jì)算。第三節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算二、機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度根據(jù)機(jī)械原理知識(shí),零件的高副接觸包括點(diǎn)接觸和線接觸。摩擦輪傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、凸輪傳動(dòng)、滾動(dòng)軸承等,在理論上載荷是通過點(diǎn)或線傳遞的?？紤]到高副接觸的零件受載后接觸處的彈性變形,實(shí)際接觸處為一很小的區(qū)域,最大應(yīng)力發(fā)生在接觸面的中央。通常在此小區(qū)域中會(huì)產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力,這種應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力,用σH表示,這時(shí)零件的強(qiáng)度稱為接觸強(qiáng)度。例如齒輪、滾動(dòng)軸承等機(jī)械零件,其工作能力取決于表面接觸強(qiáng)度。在機(jī)械零件設(shè)計(jì)中遇到的接觸應(yīng)力,大多數(shù)是隨時(shí)間變化的。零件在交變的接觸應(yīng)力反復(fù)作用下,首先在表層下的某一深度內(nèi)產(chǎn)生微觀疲勞裂紋,然后表層裂紋沿著與表面成某一角度的方向逐漸擴(kuò)展,最后零件表面甲殼狀的小片狀材料脫落,在零件表面上遺留下一個(gè)個(gè)小坑,這種現(xiàn)象稱為疲勞點(diǎn)蝕(圖6-2)。點(diǎn)蝕形成后,零件的有效接觸面積減小并形成應(yīng)力集中源,傳遞載荷的能力也隨之降低。此外,由于表面平滑性被破壞,所以工作時(shí)可能引起振動(dòng)、噪聲和磨料磨損。因此,疲勞點(diǎn)蝕會(huì)影響傳動(dòng)零件的正常工作。高副接觸的零件,如齒輪和滾動(dòng)軸承等零件,在有潤(rùn)滑的條件下點(diǎn)蝕是其主要的失效形式之一。第三節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算三、許用安全系數(shù)按式(1-1)有,σ≤σlim/[S],其中,σ為工作應(yīng)力,σlim為極限應(yīng)力,[S]為許用安全系數(shù)。在強(qiáng)度計(jì)算中,許用安全系數(shù)確定得適當(dāng)與否對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的影響很大。許用安全系數(shù)過大,將使零件的結(jié)構(gòu)笨重。許用安全系數(shù)過小,零件的可靠性就無法保證。靜強(qiáng)度許用安全系數(shù)計(jì)算時(shí),塑性材料的極限應(yīng)力為其屈服強(qiáng)度,即σlim=σs,由于塑性材料可以緩和過大的局部應(yīng)力,因此可取較小的安全系數(shù)1.2~1.5;使用脆性材料時(shí),如鑄鐵件受拉伸應(yīng)力,則極限應(yīng)力取為材料的抗拉強(qiáng)度,即σlim=σb,由于失效形式是斷裂,而不是塑性變形,其危險(xiǎn)程度更大,所以取較大的許用安全系數(shù)3~4。在變應(yīng)力作用下,疲勞強(qiáng)度許用安全系數(shù)可參照表1-10推薦值選取。第四節(jié)機(jī)械中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑一、摩擦1.摩擦在機(jī)械中的作用

第四節(jié)機(jī)械中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑一、摩擦2.摩擦的類型按照摩擦副的表面潤(rùn)滑狀態(tài),可以將摩擦分為干摩擦、邊界摩擦、流體摩擦和混合摩擦。干摩擦是指零件表面直接接觸,不加入任何潤(rùn)滑劑或能夠自潤(rùn)滑的摩擦狀態(tài)。此時(shí),實(shí)際工作的零件之間會(huì)有氧化膜,其摩擦因數(shù)在0.5~1之間。邊界摩擦指相互接觸的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)表面被吸附于表面的邊界膜(指在摩擦表面上生成的一層與介質(zhì)性質(zhì)不同的薄膜,其厚度一般在0.1μm以下)隔開(圖1-17a),其摩擦性質(zhì)取決于兩表面的性質(zhì)和潤(rùn)滑劑的油性,而與潤(rùn)滑劑的黏度無關(guān)。流體摩擦指相互接觸的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)表面被流體層(液體或氣體)隔開(圖1-17b),其摩擦性能取決于流體內(nèi)部分子間的黏性阻力?；旌夏Σ林赶嗷ソ佑|的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)表面處于干摩擦、邊界摩擦及流體摩擦的混合狀態(tài)(圖1-17c),其摩擦磨損的性能主要取決于邊界摩擦狀態(tài),而載荷主要由彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑油膜來承擔(dān)。一般情況下,機(jī)械中的摩擦副常常是幾種摩擦狀態(tài)同時(shí)存在,即處于混合摩擦狀態(tài)。第四節(jié)機(jī)械中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑一、摩擦2.摩擦的類型圖1-17摩擦的類型a)邊界摩擦b)流體摩擦c)混合摩擦第四節(jié)機(jī)械中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑一、摩擦通過摩擦因數(shù)值可以判斷摩擦副的摩擦狀態(tài),如圖1-18所示。各種材料在不同摩擦狀態(tài)下的摩擦因數(shù)值參見參考文獻(xiàn)[8]。圖1-18不同摩擦狀態(tài)下的摩擦因數(shù)值3.摩擦狀態(tài)的判斷第四節(jié)機(jī)械中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑二、磨損磨損是指摩擦副表面間由于摩擦,而使表面材料不斷損失的過程。由摩擦造成的磨損是機(jī)械設(shè)備中主要的失效形式。機(jī)械零件的磨損失效占零件失效的60%~80%,機(jī)械零件的耐磨性設(shè)計(jì)對(duì)于節(jié)約材料和能源、提高零件使用壽命、減少維修費(fèi)用等有著巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,越來越受到機(jī)械設(shè)計(jì)人員的重視。第四節(jié)機(jī)械中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑二、磨損1.機(jī)械零件的一般磨損過程圖1-19所示為工作情況保持不變時(shí)的典型磨損過程曲線。其中,磨損量W表示由于磨損引起的材料損失(圖1-19a),單位時(shí)間(或行程)內(nèi)的材料磨損量稱為磨損率(圖1-19b)。磨損一般包括三個(gè)階段。(1)磨合磨損磨合磨損指在機(jī)器使用初期,為改善機(jī)器零件的適應(yīng)性、表面形貌和摩擦相容性的磨損過程。此階段,磨損率呈逐漸下降趨勢(shì)。(2)穩(wěn)定磨損磨損率保持不變,屬于正常工作階段。磨損率越低,零件的使用壽命越長(zhǎng)。(3)失效磨損磨損率急劇增加,使工作條件迅速惡化,導(dǎo)致失效。第四節(jié)機(jī)械中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑二、磨損1.機(jī)械零件的一般磨損過程圖1-19工作情況保持不變時(shí)的典型磨損過程曲線第四節(jié)機(jī)械中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑二、磨損2.磨損的主要類型對(duì)磨損的分類表示了人們對(duì)磨損機(jī)理的認(rèn)識(shí)程度,通常將磨損分為以下四類。(1)磨粒磨損(2)黏著磨損(3)表面疲勞磨損(4)腐蝕磨損(5)微動(dòng)磨損第四節(jié)機(jī)械中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑二、磨損3.耐磨性設(shè)計(jì)隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,提高機(jī)械的使用壽命和可靠性,特別是降低能源損耗的節(jié)能設(shè)計(jì)越來越受到各方面的重視。因?yàn)槟p是縮短機(jī)械壽命和產(chǎn)生能源損耗的主要原因,因此機(jī)械的耐磨性設(shè)計(jì)具有重要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義。耐磨性設(shè)計(jì)涉及零部件的耐磨性設(shè)計(jì)、機(jī)械的磨損監(jiān)控及工藝等內(nèi)容。零部件的耐磨性設(shè)計(jì)主要包括:潤(rùn)滑與密封設(shè)計(jì)、摩擦副材料的匹配與材料表面強(qiáng)化、耐磨性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、摩擦副表面形貌的控制等方面。磨損監(jiān)控就是對(duì)機(jī)械進(jìn)行定期或連續(xù)的磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè),并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施,保證機(jī)械的正常工作。主要的方法有:光譜分析法和鐵譜分析法,都是通過對(duì)機(jī)械所用潤(rùn)滑油中的磨損顆粒進(jìn)行分析,從而判斷機(jī)械零部件磨損情況;噪聲(或振動(dòng))分析法,通過將機(jī)械正常工作狀態(tài)下的噪聲(振動(dòng))與零件發(fā)生磨損后的噪聲(振動(dòng))頻譜進(jìn)行比較,預(yù)測(cè)或預(yù)報(bào)嚴(yán)重磨損的出現(xiàn)。第四節(jié)機(jī)械中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑三、潤(rùn)滑潤(rùn)滑是減少摩擦和磨損最常用、最有效的方法。1.潤(rùn)滑方式與潤(rùn)滑劑機(jī)械中常用的潤(rùn)滑方法有連續(xù)潤(rùn)滑和定期潤(rùn)滑兩種形式。常用的潤(rùn)滑劑主要包括:潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂和一些固體潤(rùn)滑劑,其特性見表1-11。第四節(jié)機(jī)械中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑三、潤(rùn)滑2.潤(rùn)滑油的黏度及其特性

第四節(jié)機(jī)械中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑三、潤(rùn)滑3.潤(rùn)滑脂的稠度稠度是潤(rùn)滑脂在規(guī)定的剪切力或剪切速度下變形的程度。它指用質(zhì)量為150g的標(biāo)準(zhǔn)圓錐體在25°C的恒溫下,由潤(rùn)滑脂表面經(jīng)5s后沉入潤(rùn)滑脂內(nèi)的深度(以0.1mm為單位)。錐入度越小,稠度越大。在使用中潤(rùn)滑脂的稠度會(huì)發(fā)生變化,一般隨溫度的升高變稀,即錐入度增加。關(guān)于潤(rùn)滑脂的其他性能指標(biāo)可查閱相關(guān)手冊(cè)或產(chǎn)品目錄。4.添加劑為改善普通潤(rùn)滑劑的使用性能而加入到潤(rùn)滑劑中的少量物質(zhì),稱為添加劑。其主要作用是:①延長(zhǎng)潤(rùn)滑劑的使用壽命,提高潤(rùn)滑劑的油性、極壓性等。②提高潤(rùn)滑油在極端工作條件下的工作能力。③改善潤(rùn)滑劑的物理性能。常用的添加劑類型有:抗磨添加劑、清靜分散劑、抗腐蝕劑、抗氧化劑、油性劑、極壓劑、防銹劑等。第五節(jié)機(jī)械零件的材料和熱處理選擇一、機(jī)械零件的常用材料制造機(jī)械的常用材料目前仍然是鋼和鑄鐵。此外,還使用有色金屬合金、塑料、玻璃、陶瓷、木材等。二、選擇材料的原則1.滿足機(jī)械零件的使用要求一般包括以下幾個(gè)方面:1)承受工作載荷的能力。2)保持使用性能的能力。3)其他要求,如重量輕、美觀、安全等。2.滿足工藝性要求3.滿足經(jīng)濟(jì)性要求第六節(jié)機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié),它是根據(jù)原理方案圖設(shè)計(jì)出具體結(jié)構(gòu)圖的過程,即確定完成功能要求所需各個(gè)零件的尺寸、形狀、材料、熱處理工藝以及各個(gè)零件間的裝配關(guān)系。產(chǎn)品的使用者關(guān)心的是機(jī)器的功能和性能,而對(duì)設(shè)計(jì)和制造者,他們?cè)O(shè)計(jì)和制造的是一套機(jī)械結(jié)構(gòu)。機(jī)械結(jié)構(gòu)的重要性體現(xiàn)在以下幾方面1.結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器功能的載體2.結(jié)構(gòu)圖是產(chǎn)品加工和裝配的依據(jù)3.結(jié)構(gòu)是機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)和計(jì)算結(jié)果的體現(xiàn)第六節(jié)機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是:實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的預(yù)定功能,提高質(zhì)量,延長(zhǎng)壽命,降低成本。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求是明確、簡(jiǎn)單和安全可靠。1.明確(1)功能明確(2)工作原理明確(3)工況及載荷狀況明確2.簡(jiǎn)單3.安全可靠第六節(jié)機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則(一)提高強(qiáng)度和剛度的原則機(jī)械零部件在工作時(shí)應(yīng)滿足強(qiáng)度和剛度的要求。提高零部件強(qiáng)度和剛度的主要途徑:一是改善零件的受力情況,即減小作用在零部件上的載荷;二是提高零部件的承載能力。1.改善零部件的受力情況載荷分擔(dān)(2)載荷抵消(3)載荷均布2.提高零部件承載能力降低零件的最大應(yīng)力(2)減小應(yīng)力集中(3)合理利用材料性能3.提高剛度的措施常用的提高機(jī)械零件剛度的措施有加肋板、用空心軸代替實(shí)心軸、用槽鋼和工字鋼等鋼材做機(jī)架等。第六節(jié)機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則(二)改善工藝性的原則機(jī)械產(chǎn)品按既定的規(guī)模生產(chǎn),設(shè)計(jì)時(shí)要考慮零部件的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足加工工藝和裝配工藝要求,使零件的生產(chǎn)率高,材料損耗少,質(zhì)量易保證,產(chǎn)品裝配方便,從而在保證質(zhì)量的前提下降低產(chǎn)品的成本。統(tǒng)計(jì)表明,改善產(chǎn)品工藝能夠使成本降低5%~10%,對(duì)個(gè)別零件可能更多。滿足工藝性的原則貫穿在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工的全過程,從材料的選擇、毛坯的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、加工和檢驗(yàn)方法的選擇、裝配方法的選擇、產(chǎn)品的運(yùn)輸和維修及保養(yǎng),直到產(chǎn)品的報(bào)廢回收。下面針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)滿足加工工藝和裝配工藝要求的原則加以說明。第六節(jié)機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則(二)改善工藝性的原則1.滿足加工工藝合理的零件結(jié)構(gòu)涉及零件的毛坯選擇、毛坯的生產(chǎn)工藝和零件的機(jī)械加工工藝。毛坯選擇及其工藝要求。1)鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性。①為防止?jié)沧⒉蛔?鑄件的壁厚應(yīng)大于該零件材料和鑄造方法允許的最小值。②壁厚過渡均勻,盡量避免兩壁連接成銳角,以防出現(xiàn)縮孔,如圖1-31所示。③鑄件應(yīng)有明確的分型面,沿起模方向有相應(yīng)的起模斜度,盡量少用活塊、砂芯等,如圖1-32所示。④鑄件應(yīng)避免大的水平面,避免鐵液慢流發(fā)生冷隔,如圖1-33所示。2)鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性。

(2)機(jī)械加工的工藝性機(jī)械切削加工是機(jī)械零件加工的主要方法,常用的機(jī)械切削加工方法有車、銑、刨、磨、鉆等。表1-12是機(jī)加工零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。2.滿足裝配工藝盡量采用模塊化設(shè)計(jì)(2)保證正確安裝(3)方便零部件的裝拆第六節(jié)機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則(三)其他原則1.提高經(jīng)濟(jì)性的原則2.提高耐磨性的原則3.減小噪聲的原則4.綠色設(shè)計(jì)的原則第六節(jié)機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則四、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟和方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅僅是簡(jiǎn)單地使原理方案具體化的過程,它既要使機(jī)器實(shí)