机械设计基础14专升本复习重点课件.ppt

1、机械设计机械设计 大纲内容 （1）机器设计的基本原则和一般程序 （2）机械零件设计概论。 （3）零件的主要失效形式、工作能力及计算准则。 （4）零件的强度分析，名义载荷与计算载荷、整体强度与表面接触强度 （5）常用材料选用、零件的工艺性和标准化。 （6）机械零件的耐磨性。机械设计包括以下两种设计:应用新技术、新方法开发创造新机械；在原有机械的基础上重新设计或进行局部改造。1.1 设计机械零件的基本要求工作可靠并且成本低廉;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。第第1章章 机械设计概述机械设计概述1）失效： 机械零件由于某种原因不能正常工作时，

2、称为失效。注意：a) 失效并不单纯指破坏，破坏只是失效的形式之一。 机械零件的可能失效形式很多，归纳起来主要有强度、刚度、耐磨性、振动稳定性以及温度等方面的失效。 b) 同一种零件可能的失效形式往往有若干种。 例如：轴在工作中可能产生断裂、过大弹性变形、共振等失效。2）工作能力： 即机械零件在一定条件下抵抗失效的能力。3）承载能力： 对载荷而言的工作能力。（也就是用载荷表示的工作能力）4）工作能力计算准则： 为防止机械零件发生某种失效而应满足的条件。 （也可以理解为是机械零件不发生失效的“安全条件”，是设计零件时的理论依据）。机械设计的过程通常可分为以下几个阶段：（1）产品规划（2）方案设计（

3、3）技术设计（4）制造及试验产品规划的主要工作是提出设计任务和明确设计要求。 由设计人员构思出多种可行方案进行分析比较，从中优选出一种方案。设计结果以工程图及计算书的形式表达出来。 经过加工、安装及调试制造出样机，对样机进行试运行或在生产现场试用。1.2 机械设计的内容与步骤1.2 机械设计的内容与步骤设计机械零件的一般步骤如下： （1）根据机器的具体运转情况和简化的计算方案确定零件的载荷。 （2）根据零件工作情况的分析，判定零件的失效形式，从而确定其计算准则。 （3）进行主要参数选择，选定材料，根据计算准则求出零件的主要尺寸，考虑热处理及结构工艺性要求等。（4）进行结构设计。 （5）绘制零件

4、工作图，制订技术要求，编写计算说明书及有关技术文件。在设计过程中，这些步骤又是相互交错、反复进行的。1.3 载荷和应力载荷和应力1 载荷由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。 静载荷变载荷按是否随时间变化，载荷分为：按是否考虑动载荷的影响，载荷分为：名义载荷： 在理想平稳条件下所受的载荷。（不考虑动载荷的影响）计算载荷载荷系数K名义载荷 。 （代表机器或零件实际所受载荷） 载荷系数K：用于计入在实际工作中受到的各种动载荷的影响。额定载荷： 由原动机的额定功率推算出的载荷。2 应力应力分为静应力循环应力：2minmaxm2minmaxamax最大应力； min最小应力m平均应力；

5、a应力幅值r 循环特性（熟记）maxminr循环应力对称循环脉动循环常见的循环应力有：静应力（可看作是循环应力的一个特例）需注意：已知任意两个参数会计算其余三个。对称循环应力r = -1、 m0脉动循环应力 r=0、 min0静应力 r=1注：静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产生，也可 由静载荷产生。另外，应力还分为名义应力：根据名义载荷求得的应力计算应力：根据计算载荷求得的应力1.4 机械零件设计的标准化、系列化及通用化标准件：按规定标准生产的零件。好处： （1）由专门化工厂大量生产标准件，能保证质量、节约材料、降低成本； （2）选用标准件可以简化设计工作，缩短产品的生产周期；

6、 （3）选用参数标准化的零件，在机械制造过程中可以减少刀具和量具的规格；（4）具有互换性，从而简化机器的安装和维修。提示 1.近三年没有在本章直接直接出过题。 2.与其他章节联系，例如，带传动、齿轮传动等的失效形式、强度准则。复习重点 1. 机械零件常见的失效形式 2. 机械设计中，主要的设计准则 习题 1-1 机械零件常见的失效形式有哪些？ 1-2 在机械设计中，主要的设计准则有哪些？ 1-3 在机械设计中，选用材料的依据是什么？ 1-5 机械零件设计的一般步骤是什么？ 1-6 机械零部件标准化的意义是什么？常见例题答： 第2章 润滑与密封概述 2-1 摩擦、磨损、润滑3-1摩 擦2.12.

7、1、摩擦、摩擦静 摩 擦动 摩 擦1 按运动的状态不同分为：滑动摩擦滚动摩擦2 按运动的形式不同分为：干摩擦边界摩擦流体摩擦混合摩擦3 滑动摩擦滑动摩擦按润滑状态不同分为：与滑动轴承结合摩 擦2摩 擦滑动摩擦的四种摩擦状态滑动摩擦的四种摩擦状态 1）干摩擦：是指表面间无任何润滑剂或保护膜，表面金属直接接触时的摩擦。 2）边界摩擦：是指两摩擦面被吸附在表面的边界膜隔开，摩擦性质取决于边界膜和表面吸附性能的摩擦。 研究干摩擦的理论主要 有：“机械理论”、“分子理论”、“机械分子理论”等。 （由于时间按关系不细讲） 其摩擦阻力最大，磨损最严重。摩 擦3摩 擦润滑剂中的极性分子与金属表面相互吸引，形成

8、定向排列的分子栅，称为物理吸附膜。 润滑油靠物理吸附形成边界膜的能力，称为油性。 润滑剂中的活性分子靠离子键吸附在金属表面上形成的吸附膜，称为化学化学吸附膜。 吸附膜反应膜边界膜分为：物理吸附膜化学吸附膜在润滑剂中添加入硫、磷、氯等元素，它们与表面金属发生化学反应生成的边界膜，称为反应膜。 边界摩擦靠边界膜起润滑作用，边界膜的类型如下： 摩 擦4摩 擦 ）流体摩擦：是指摩擦表面完全被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦。能生成反应膜的润滑油称为极压油。 注：温度对边界膜的影响很大。温度越高，边界膜越容易破坏。反应膜在高温下破裂后，能生成新的化合物，形成新的反应膜，这种能力称为

9、极压性。 流体摩擦（或称流体润滑）的原理在本章第四节详细介绍。 其摩擦系数最小，且不会产生磨损，是理想的摩擦状态。摩 擦5边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为边界摩擦。4 4）混合摩擦：是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数比边界摩擦时要小得多。摩 擦磨损主要是运动副中的摩擦导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，促使机器提前报废。3-2磨 损2.2 磨 损单位时间（或单位行程、转等）材料的损失量，称为磨损率。 耐磨性：是指材料抵抗脱落的能力。与磨损率成倒数关系。 一、典型宏观磨损过程一、典型宏观磨损

10、过程 磨损量时间O磨合稳定磨损剧烈磨损 一个机械零件的磨损过程大体可分为三个阶段：1）磨合阶段 磨合（跑合）：是指新零件在运转初期的磨损。 磨 损1新的摩擦副表面比较粗糙，真实微观接触面积比较小，压强大，因此运转初期的磨损比较快。但是，磨损以后表面的微观凸峰降低，接触面积增大，压强减小，磨损的速度逐渐减慢。 新摩擦表面的微观形貌2）稳定磨损阶段这个阶段属于零件的正常工作阶段，磨损率稳定且较低。这一阶段的长短直接影响机器的寿命。 3）剧烈磨损阶段零件经长时间工作磨损以后，表面精度下降，效率降低，温度升高，冲击振动加大，导致磨损加剧，最终导致零件报废。磨 损注： 应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损期

11、，推迟剧烈磨损的到来。磨 损2二、磨损的类型 磨 损 按磨损的机理不同，机械零件的磨损大体分为四种基本类型： 1）粘着磨损也称胶合 2）疲劳磨损即疲劳点蚀 3）磨粒磨损也称磨料磨损，（与齿轮传动失效形式结合） 4）腐蚀磨损 摩擦表面的微观凸峰粘在一起后，在相对运动中，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘着磨损。 是外界的硬颗粒或粗糙的硬表面在相对运动中，对摩擦表面的擦伤所引起的磨损。 是高副（点、线接触）机械零件的常件磨损形式。磨 损3摩擦表面在摩擦过程中，伴随有表面材料被腐蚀的现象，这种情况下产生的磨损即为腐蚀磨损。 三、减小磨损的主要方法三、减小磨损的主要方法 （1）润滑是减小摩擦、减

12、小磨损的最有效的方法。 （2）合理选择摩擦副材料 （3）进行表面处理 （4）注意控制摩擦副的工作条件等磨 损 除了上述四种基本磨损类型以外，还有侵蚀磨损、微动磨损等其他形式，由于时间关系，不多讲。3-3润滑2.3 润 滑润滑：是指在两个摩擦表面之间加入润滑剂，以减小摩擦和磨损。 此外，润滑还可起到散热降温，防锈、防尘，缓冲吸振等作用。 一、润滑的分类一、润滑的分类 1）流体动力润滑： 靠两摩擦表面的相对运动建立压力油膜（称为动压油膜），两表面被压力油膜完全分开，实现流体润滑。 2）流体静力润滑：两摩擦表面被外部供油装备输入的压力油完全分开，强迫形成压力油膜，实现流体润滑。 3）弹性流体动力润滑

13、：是指理论上为点、线接触的摩擦副，在考虑表面的弹性变形等因素的基础上建立的流体动力润滑。4）边界润滑和混合润滑 （即边界摩擦和混合摩擦）。 润滑剂二、润滑剂二、润滑剂润 滑：石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。凡是能减小摩擦阻力，减小磨损的物质都可作为润滑剂。1 润滑剂的分类1）液体润滑剂： 主要有：动植物油、矿物油、水、液态金属等。2）润滑脂：注：润滑油和润滑脂在实际中应用最广。俗称黄油。由润滑油+稠化剂混合而成。 润滑脂的主要性能指标是： 锥入度，反映其稠度大小。 滴点，决定工作温度。3) 固体润滑剂4）气体润滑剂：如空气、氮气、二氧化碳等。润滑油的主要性质润 滑2 润滑油的主要性质1）油性：是

14、润滑油吸附于摩擦表面形成边界膜的能力。油性越好， 吸附能力就越强。2）粘度：是表示油液内部相对运动时产生内摩擦阻力大小的性能 指标。 （粘度是选择润滑油的主要依据）。下面分析粘度的物理意义：duyudyOxyAB两个平行的平板之间充满润滑油，B板静止，A板以速度 运动，各油层的速度呈直线分布。相邻油层之间有相对运动，会产生内摩擦阻力。粘度润 滑研究表明：油液内摩擦切应力 与速度梯度 成正比。dydu即dydu式中： 即为润滑油的动力粘度。其国际单位为： （帕秒） sPa动力粘度 同温度下该流体的密度 之比，称为运动粘度 。即运动粘度 运动粘度 的国际单位是： ，sm2此单位太大，常用smm2注

15、：我国润滑油的牌号就是用40下运动粘度的平均值表示的。影响粘度的主要因素：a) 温度 温度 润滑油的粘度添加剂润 滑b) 压力 当压力5MPa时，对粘度的影响不大，可不予考虑。 当压力5MPa时，粘度随压力升高明显增加，不能忽略其影响。pe0式中： 为一个大气压下的粘度； 为粘压指数； 为压强。0p三、添加剂三、添加剂 为了改善润滑剂某些方面的性能，在润滑剂中加入的化学合成物，称为添加剂。 添加剂的种类很多，例如：油性添加剂、极压添加剂、降凝剂、增粘剂等第第3章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析 复习重点 1、机构及运动副的概念 2、自由度计算1.自由度和运动副约束自由度：把构件相对于参

16、考系具有的独立运动参数的数目称为自由度31 运动副及其分类运动副及其分类2.运动副运动副a)两个构件、两个构件、b) 直接接触、直接接触、c) 有相对运动有相对运动运动副元素直接接触的部分（点、线、面）运动副元素直接接触的部分（点、线、面）例如：例如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。等。定义：定义：运动副两个构件直接接触组成的仍能产运动副两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接。生某些相对运动的联接。三个条件，缺一不可三个条件，缺一不可 平面运动副分有：平面运动副分有： 高副点、线接触，应力高。高副点、线接触，应力高。低副面接触，应力低低副面接触，应力低例如：例

17、如：滚动滚动副副、凸轮副凸轮副、齿轮副齿轮副等。等。例如：例如：转动副转动副（回转副）、（回转副）、移动副移动副 。三副构件三副构件 两副构件两副构件 3.一般构件的表示方法一般构件的表示方法 有些容易看错若干若干1个或几个个或几个1个个4. 机构机构定义定义：具有确定运动的运动链称为机构具有确定运动的运动链称为机构 。机架机架作为参考系的构件作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。如机床床身、车辆底盘、飞机机身。机构的组成：机构的组成：机构机构机架机架原动件原动件从动件从动件原（主）动件原（主）动件按给定运动规律运动的构件按给定运动规律运动的构件。从动件从动件其余可动构件。其余可动

18、构件。F0，构件间无相对运动，不成为机构。F0,原动件数=F，运动确定原动件数F，机构破坏HLPPnF23机构的自由度：机构中各构件相对于机架所能有的机构的自由度：机构中各构件相对于机架所能有的独立运动的数目。独立运动的数目。 设设n个活动构件，个活动构件，PL个低副，个低副，PH个高副）个高副）重要内容机构有确定运动的条件？机构有确定运动的条件？5.5.计算计算F F时注意问题时注意问题 （1）复合铰链）复合铰链m m-1惯性筛机构C处为复合铰链计算中注意观察是否有复合铰链，以免漏算转动副数目，出现计算错误。n = 5, Pl = 7, Ph = 0= 35 -27 0 = 1F = 3n

19、- 2Pl Ph（2）局部自由度）局部自由度（与输出件运动无关的自由度称局部自由度）（与输出件运动无关的自由度称局部自由度）DCBADBA4231421213233F112223F 应除去局部自由度，即把滚子和从动件看作一个构件。处理方法处理方法 实际结构上为减小摩擦采用局部自由度，“除去”指计算中不计入，并非实际拆除。试计算图示自由度试计算图示自由度1123233F（3）虚约束：在特殊的几何条件下，有些约束所起的限制作用是重复的，这种不起独立限制作用的约束称为虚约束。 AMB2314NO3O1104233FAMBN1O3O006243F虚约束的作用不在传递运动。而在于改善受力情况：虚约束的作

20、用不在传递运动。而在于改善受力情况：1。增加构件的刚性。增加构件的刚性2。使构件受力均衡。使构件受力均衡练习3.2 机构具有确定运动的条件是什么?答：机构的主动件数等于自由度数时,机构就具有确定的相对运动。3.3 在计算机构的自由度时，要注意哪些事项？答：应注意机构中是否包含着复合铰链、局部自由度、虚约束。第第4章章 平面连杆机构平面连杆机构1、曲柄摇杆机构 在两连架杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆。应用举例：牛头刨床横向进给机构、搅面机、卫星天线、飞剪缝纫机脚踏板机构、自行车、走步机、送料机构 一般曲柄主动，将连续转动转换为摇杆的摆动，也可摇杆主动，曲柄从动。运动特点：根据连架杆运动形式的不同

21、，可分为三种基本形式4.1 四杆机构的基本形式及其演化4.1.1 四杆机构的基本形式2.双曲柄机构两连杆架均为曲柄的四杆机构4.1 四杆机构的基本形式及其演化应用举例：惯性筛、插床机构运动特点：从动曲柄变速回转4.1 四杆机构的基本形式及其演化3.双摇杆机构两连杆架均为摇杆的四杆机构港口起重机、飞机起落架、车辆的前轮转向机构应用举例：4.1 四杆机构的基本形式及其演化4.1.2 平面四杆机构的演化1.扩大转动副，使转动副变成移动副2.取不同的构件为机架4.1 四杆机构的基本形式及其演化铰链四杆机构有一个曲柄的条件：(1) 最短杆与最长杆之和小于或等于其余两杆长度之和；(2) 最短杆为连架杆。选

22、任一杆为机架，都能实现完全相同的相对运动关系，这称为运动的可逆性。在一个四杆机构中，选取不同的构件作机架，以获得输出构件与输入构件间不同的运动特性。这一方法称为连杆机构的倒置。4.2 平面四杆机构的基本特性4.2 平面四杆机构的基本特性可用以下方法来判别铰链四杆机构的基本类型：2.若机构满足杆长之和条件，则(1) 以最短杆的邻边为机架时为曲柄摇杆机构(2) 以最短杆为机架时为双曲柄机构(3) 以最短杆的对边为机架时为双摇杆机构1.若机构不满足杆长之和条件则只能成为双摇杆机构4.2 平面四杆机构的基本特性4.2.1 压力角和传动角1.压力角压力角：从动件所受的力F与受力点速度Vc所夹的锐角。有效

23、分力：Ft=Fcos有害分力：Fr=Fsin愈小，机构传动性能愈好。2.传动角传动角： 连杆与从动件所夹的锐角 。 =900- 越大，机构的传动性能越好，设计时一般应使min400,对于高速大功率机械应使min500。3.最小传动角的位置铰链四杆机构在曲柄与机架共线的两位置出现最小传动角。4.2 平面四杆机构的基本特性4.2.2 急回特性急回特性机构工作件返回行程速度大于工作行程的特性。工作行程时：V1=C1C2/t1 返回行程时：V2=C1C2/t2行程速比系数K为了表示工作件往复运动时的急回程度，用V2和V1的比值K来描述。由上式可得：111800kk0011212212112118018

24、0/tttcctccVVk急回特性的作用四杆机构的急回特性可以节省空间，提高生产率。4.2 平面四杆机构的基本特性4.2.3 死点死点的位置在从动曲柄与连杆共线的连个位置之一时，出现机构的传动角=0，压力角=90的情况，这时连杆对从动曲柄的作用里恰好通过其回转中心，不能推动曲柄转动，机构的这种位置称为死点位置。死点位置的利弊利：工程上利用死点进行工作。 弊：机构有死点，从动件将出现卡死或运动方向不确定现象，对传动机 构不利度过死点的方法增大从动件的质量、利用惯性度过死点位置。采用机构错位排列的方法图解法设计平面四杆机构 1.按给定连杆位置设计四杆机构 A1B2B3B1C2C3CD12b12c2

25、3b已知：连杆BC长度及三个位置（B1C1,B2C2,B3C3）要求：设计铰链四杆机构设计步骤：连接B1B2、B2B3，作线B1B2、B2B3的垂直平分线b12、b23，交于A点；连接C1C2、C2C3，作线C1C2、C2C3的垂直平分线c12、c23，交于D点；连接AB1、C1D。23c4.3 平面四杆机构的设计有多解，很大可能不考。4.3 平面四杆机构的设计2.按给定两连架杆的对应位置设计四杆机构 二、按预定连杆位置设计四杆机构二、按预定连杆位置设计四杆机构a)给定连杆两组位置给定连杆两组位置将铰链将铰链A、D分别选在分别选在B1B2，C1C2连线的垂连线的垂直平分线上任意位置都能满足设计

26、要求。直平分线上任意位置都能满足设计要求。b)给定连杆上铰链给定连杆上铰链BC的三组位置的三组位置有唯一解。有唯一解。有无穷多组解。有无穷多组解。B2C2ADADB2C2B3C3DB1C1B1C1有可能考。4.3 平面四杆机构的设计3.按给定行程速度变化系数K设计四杆机构 E 计算计算180(K-1)/(K+1);已知：已知：CD杆长，摆角杆长，摆角及及K，计此机构。步骤如，计此机构。步骤如下：下：任取一点任取一点D D，作等腰三角形，作等腰三角形 腰长为腰长为CDCD，夹角为，夹角为;作作C2PC1C2，作，作C1P使使作作P P C1C2的外接圆，则的外接圆，则A A点必在此圆上。点必在此

27、圆上。选定选定A A，设曲柄为，设曲柄为l1 ，连杆为，连杆为l2 ，则，则: :以以A A为圆心，为圆心，A A C2为半径作弧交于为半径作弧交于E,E,得：得： l1 =EC1/ 2 l2 = A = A C1EC1/ 2,A,A C2= =l2- - l1= = l1 =( A A C1A A C2)/ 2 C2C1P=90,交于交于P;P; 90-P A A C1= = l1+ +l2C1C2DA有可能考曲柄滑块设计。ADmn=D4.导杆机构导杆机构分析：分析： 由于由于与与导杆摆角导杆摆角相等，设计此相等，设计此 机构时，仅需要确定曲柄机构时，仅需要确定曲柄 a。计算计算180180(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);任选任选D D作作mDnmDn，取取A A点，使得点，使得AD=d, AD=d, 则则: a=dsin(: a=dsin(/2)/2)。=Ad作角分线作角分线; ;已知：机架长度已知：机架长度d，K，设计此机构。设计此机构。