机械设计知识.doc

机械设计知识
绪 论
0.1 机器的组成及特征
0.2 本课程的内容、性质和任务
0.3 学习方法

0.1 机器的组成及特征
  在人们的生产和生活中广泛使用着各种机器。
机器的种类繁多，结构形式和用途也各不相同，但总的来说，机器有三个共同的特征：
（1）都是一种人为的实物组合；
（2）各部分形成运动单元，各单元之间具有确定的相对运动；
（3）能实现能量转换或完成有用的机械功。
点击图片可拆装

运动演示
运动演示
动画演示
动画演示
0.2 本课程的内容、性质和任务
    本课程研究的对象为机械中的常用机构及一般工作条件下和常用参数范围内的通用零、部件，研究其工
作原理、结构特点、运动和动力性能、基本设计理论、计算方法以及一些零部件的选用和维护。
    本课程的任务为：
（1）了解常用机构及通用零、部件的工作原理、类型、特点及应用等基本知识。
（2）掌握常用机构的基本理论和设计方法，掌握通用零、部件的失效形式、设计准则与设计方法。
（3）具备机械设计实验技能和设计简单机械及传动装置的基本技能。
0.3 学习方法
    本课程是从理论性、系统性很强的基础课和专业基础课向实践性较强的专业课过渡的一个重要转折点。
    因此，学习本课程时必须在学习方法上有所转变。
    1. 本课程将多门先修课程的基本理论应用到实际中去，解决有关实际问题。
    2.一接触本课程就会产生“没有系统性”、“逻辑性差”等错觉，这是由于习惯了基础课的系统性所造
 成的。本课程中，虽然不同研究对象所涉及到的理论基础不相同，且相互之间无多大关系，但最终的研
 究目的只有一个，即设计出能应用的机构、零件等。
    3. 由于实践中所发生的问题很复杂，很难用纯理论的方法来解决，因此常常采用很多经验公式、参数及其简化计算等，这样往往会给学生造成“不讲道理”、“没有理论”等错觉，要逐步适应。
第1章 机械设计概述
    本章扼要阐述机械设计的基本要求、内容与步骤以及设计计算准则等。

1.1 机械设计的基本要求
1.2 机械设计的内容与步骤
1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则

1.1 机械设计的基本要求
    1.1.1设计机械零件的基本要求
    零件工作可靠并且成本低廉是设计机械零件应满足的基本要求。
零件的工作能力是指零件在一定的工作条件下抵抗可能出现的失效的能力，对载荷而言称为承载能力。失效是指零件由于某些原因不能正常工作。只有每个零件都能可靠地工作，才能保证机器的正常运行。
    设计机械零件还必须坚持经济观点，力求综合经济效益高。为此要注意以下几点：(1)合理选择材料，降低材料费用；(2)保证良好的工艺性，减少制造费用；(3)尽量采用标准化、通用化设计，简化设计过程从而降低成本。

    1.1.2 机械设计的基本要求
    机械产品设计应满足以下几方面的基本要求。
    1.实现预定功能
    2.满足可靠性要求
    3.满足经济性要求
    4.操作方便、工作安全
    5.造型美观、减少污染

1.2 机械设计的内容与步骤
    随着科学技术的发展，设计方法也在不断地发展。近年来发展起来的“优化设计”、“可靠性设计”、“有限元设计”、“模块设计”、“计算机辅助设计”等现代设计方法已在机械设计中得到了推广与应用。但常规设计方法仍然是工程技术人员进行机械设计的重要基础。我们学习的是常规设计方法。

1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则
    1.3.1失效形式
    机械零件最常见的失效形式大致有以下几种。
    1.断裂
    机械零件的断裂通常有以下两种情况：(1)零件在外载荷的作用下，某一危险截面上的应力超过零件的强度极限时将发生断裂(如螺栓的折断)；(2)零件在循环变应力的作用下，危险截面上的应力超过零件的疲劳强度而发生疲劳断裂。
    2.过量变形
    当零件的应力超过材料的屈服极限时，零件将发生塑性变形。当零件的弹性变形量过大时也会使机器的工作不正常，如机床主轴的过量弹性变形会降低机床的加工精度。
    3.表面失效
    表面失效主要有疲劳点蚀、磨损、压溃和腐蚀等形式。表面失效后通常会增加零件的摩擦，便零件尺寸发生变化，最终造成零件的报废。
    4.破坏正常工作条件引起的失效
    带传动因过载发生打滑。

    1.3.2设计计算准则
    1.强度准则
    2.刚度准则
    3.耐磨性准则
    4.散热性准则
    5.可靠性准则
第2章 摩擦、磨损及润滑概述
    随着现代科学技术的发展，对摩擦、磨损的研究已经形成一门新的学科领域——摩擦学。为了节约能源、提高效率及延长机械零件的寿命，润滑是必不可少的。本章对摩擦、磨损作简要的介绍，重点将介绍润滑方式、润滑装置和密封装置。了解并掌握这方面的知识有利于正确地设计、使用和维护机器。
2.1 摩擦与磨损
2.2 润滑
2.3 密封

2.1 摩擦与磨损

    各类机器在工作时，其各零件相对运动的接触部分都存在着摩擦，摩擦是机器运转过程中不可避免的物理现象。摩擦不仅消耗能量，而且使零件发生磨损，甚至导致零件失效。据统计，世界上1／3—1／2的能源消耗在摩擦上，而各种机械零件因磨损失效的也占全部失效零件的一半以上。磨损是摩擦的结果，润滑则是减少摩擦和磨损的有力措施，这三者是相互联系不可分割的。

2.1.1摩擦及其分类
    在外力作用下，一物体相对于另一物体运动或有运动趋势时，两物体接触面间产生的阻碍物体运动的切向阻力称为摩擦力。这种在两物体接触区产生阻碍运动井消耗能量的现象，称为摩擦。摩擦会造成能量损耗和零件磨损，在一般情况下是有害的，因此应尽量减少摩擦。但有些情况下却要利用摩擦工作，如带传动，摩擦制动器等。
根据摩擦副表面问的润滑状态将摩擦状态分为四种：干摩擦、液体摩擦、边界摩擦和混合摩擦(如图所示)。

1.干摩擦
    如果两物体的滑动表面为尤任何润滑剂或保护膜的纯金属，这两个物体直接接触时的摩擦称为干摩擦，如图所示。干摩擦状态产生较大的摩擦功耗及严重的磨损，因此应严禁出现这种摩擦。
2.液体摩擦
    两摩擦表面不直接接触，被油膜(油膜厚度一般在1.5——2μm以上)隔开的摩擦称为液体摩擦，如图所示。
3.边界摩擦
    两摩擦表面被吸附在表面的边界膜(油膜厚度小于1μm)隔开，使其处于干摩擦与液体摩擦之间的状态，这种摩擦称为边界摩擦，如图所示。
4.混合摩擦
    在实践中有很多摩擦副处于干摩擦、液体摩擦与边界摩擦的混合状态，称为混合摩擦，如图所示。
    由于液体摩擦、边界摩擦、混合摩擦都必须在一定的润滑条件下才能实现，因此这三种摩擦又分别称为液体润滑、边界润滑和混合润滑。

2.1.2磨损及其过程
    运动副之间的摩擦将导致零件表面材料的逐渐损失，这种现象称为磨损。单位时间内材料的磨损量称为磨损率。磨损量可以用体积、质量或厚度来衡量。
    机械零件严重磨损后，将降低机器的工作效率和可靠性，使机器提早报废。因此，预先考虑如何避免或减轻磨损，是设计、使用、维护机器的一项重要内容。但另一方面，磨损也并非全都是有害的，工程上常利用磨损的原理来减小零件表面的粗糙度，如磨削、研磨、抛光、跑合等。
    在机械的正常运转中，磨损过程大致可分为以下三个阶段。
1.跑合(磨合)磨损阶段
    在这一阶段中，磨损速度由快变慢，而后逐渐减小到一稳定值。这是由于新加工的零件表面呈尖峰状态，使运转初期摩擦副的实际接触面积较小，单位接触面积上的压力较大，因而磨损速度较快，如图中磨损曲线的oa段。
    跑合磨损到一定程度后，尖峰逐渐被磨平，磨损速度即逐渐减慢。
2.稳定磨损阶段
    在这一阶段中磨损缓慢、磨损率稳定，零件以平稳而缓慢的磨损速度进入零件正常工作阶段，如图中的ab段。这个阶段的长短即代表零件使用寿命的长短，磨损曲线的斜率即为磨损率，斜率愈小磨损率就愈低，零件的使用寿命就愈长。经此磨损阶段后零件进入剧烈磨损阶段。
3.剧烈磨损阶段
    此阶段的特征是磨损速度及磨损率都急剧增大。当工作表面的总磨损量超过机械正常运转要求的某一允许值后，摩擦副的间隙增大，零件的磨损加剧，精度下降，润滑状态恶化，温度升高，从而产生振动、冲击和噪声，导致零件迅速失效，如图中的bc段。
    上述磨损过程中的三个阶段，是一般机械设备运转过程中都存在的。必须指出的是，在跑
合阶段结束后应清洗零件，更换润滑油，这样才能正常地进入稳定磨损阶段。

2．1．3磨损分类
    按照磨损的机理以及零件表面磨损状态的不同，一般工况下把磨损分为磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损等。
1.磨粒磨损
    由于摩擦表面上的硬质突出物或从外部进入摩擦表面的硬质颗粒，对摩擦表面起到切削或刮擦作用，从而引起表层材料脱落的现象，称为磨粒磨损。这种磨损是最常见的一种磨损形式，应设法减轻这种磨损。为减轻磨粒磨损，除注童满足润滑条件外，还应合理地选择摩擦副的材料，降低表面粗糙度值以及加装防护密封装置等。
2.粘着磨损
    当摩擦副受到较大正压力作用时，由于表面不平，其顶峰接触点受到高压力作用而产生弹、塑性变形，附在摩擦表面的吸附膜破裂、温升后使金屑的顶峰塑性面牢固地粘着并熔焊在一起，形成冷焊结点。在两摩擦表面相对滑动时，材料便从一个表面转移到另一个表面，成为表面凸起，促使摩擦表面进一步磨损。这种由于粘着作用引起的磨损，称为粘着磨损。
    粘着磨损按程度不同可分为五级：轻微磨损、涂抹、擦伤、撕脱、咬死。如气缸套与活塞环、曲轴与轴瓦、轮齿啮合表面等，皆可能出现不同粘着程度的磨损。涂抹、擦伤、撕脱又称为胶合，往往发生于高速、重载的场合。
      合理地选择配对材料(如选择异种金属)，采用表面处理(如表面热处理、喷镀、化学处理等)，限制摩擦表面的温度，控制压强及采用含有油性极压添加剂的润滑剂等，都可减轻粘
着磨损。
3．疲劳磨损(点蚀)
      两摩擦表面为点或线接触时，由于局部的弹性变形形成了小的接触区。这些小的接触区形成的摩擦副如果受变化接触应力的作用，则在其反复作用下，表层将产生裂纹。随着裂纹的扩展与相互连接．表层金属脱落，形成许多月牙形的浅坑．这种现象称为疲劳磨损，也称点蚀。
      合理地选择材料及材料的硬度(硬度高则抗疲劳磨损能力强)，选择粘度高的润滑油，加入极压添加剂及减小摩擦面的粗糙度值等，可以提高抗疲劳磨损的能力。
4．腐蚀磨损
      在摩擦过程中，摩擦面与周围介质发生化学或电化学反应而产生物质损失的现象，称为腐蚀磨损。腐蚀磨损可分为氧化磨损、特殊介质腐蚀磨损、气蚀磨损等。腐蚀也可以在没有摩擦的条件下形成，这种情况常发生于钢铁类零件，如化工管道、泵类零件、柴油机缸套等。
      应该指出的是，实际上大多数磨损是以上述四种磨损形式的复合形式出现的。

2.2 润滑   
    在摩擦副间加入润滑剂，以降低摩擦、减轻磨损，这种措施称为润滑。润滑的主要作用是：（1）减小摩擦系数，提高机械效率；（1）减轻磨损，延长机械的使用寿命。同时润滑还可起到冷却、防尘以及吸振等作用。
2.2.1 润滑剂的性能与选择
    常用的润滑剂除了润滑油和润滑脂外，还有固体润滑剂（如石墨等）、气体润滑剂(如空气等)。
1.润滑油
    润滑油是目前使用最多的润滑剂，主要有矿物油、合成油、动植物油等，其中应用最广的为矿物油。
    润滑油最重要的一项物理性能指标为粘度，它是选择润滑油的主要依据。粘度的大小表示了液体流动时其内摩擦阻力的大小，粘度愈大，内摩擦阻力就愈大，液体的流动性就愈差。粘度可用动力粘度、运动粘度、条件粘度(恩氏粘度)等表示。我国的石油产品常用运动粘度来标定。
    常用润滑油的性能和用途见表。
2.润滑脂
    润滑脂是在润滑油中加人稠化剂(如钙，钠。锂等金属皂基)而形成的脂状润滑剂．又称
为黄油或干油。

2.2.2 润滑方法和润滑装置
    机械设备的润滑，主要集中在传动件和支承件上。各种零、部件的润滑将在相关各章节中介绍。
2.3 密封装置
    为了使润滑持续、可靠、不漏油，同时为了防止外界脏物进入机体，必须采用相应的密封装置。密封装置从总体上可分为两大类：一类是固定密封，即密封后密封件之间固定不动；另一类是动密封，即密封后两密封件之间有相对运动。
    固定密封可采用各种垫片，包括金属、非金属垫片以及密封胶等。动密封又分为接触式、非接触式、半接触式密封，其中应用较广的是接触式密封，它主要是利用各种密封圈或毡圈密封。各种密封件都已标准化，可查阅手册选取适当的形式。非接触式密封有迷宫式密封、螺旋式密封(将在该动轴承的密封中论述等，半接触式密封有活塞环密封、机械密封等，其结构较复杂，主要用于重要部件的密封。

 滚动轴承的密封

    在一般常用的机械中，用得较多的密封装置是密封圈和填料。密封圈有各种型式，有带骨架的和不带骨架的，有普通型和双口型等，应根据使用条件查阅手册进行选择。密封圈也可作防尘密封件使用，但粉尘严重时，应使用专门的防尘密封圈。采用脂润滑时，可使用毡圈密封。