《機械設計基礎》教案

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關于機械設計課程的說明 講授任何一門課程 都得首先對它有個輪廓的了解 因而有必要先對機械設計 課程作一簡要說明 一 本課程在專業(yè)教學計劃中的地位與作用 本課程是機械類各專業(yè)教學計劃中的一主門干課程 屬技術基礎課 因而它不 僅要求學生預先學完工程制圖 理論力學 材料力學 工程材料 機械制造基礎 機械原理 公差與技術測量等先修課程 而且要求學生結(jié)合本課程的學習 能夠綜 合運用所學的基礎理論和技術知識 聯(lián)系生產(chǎn)實際和機器的具體工作條件 去設計 合用的零 部 件及簡單的機械 以便為順利地過渡到專業(yè)課程的學習及進行專業(yè) 產(chǎn)品與設備的設計打下初步的基礎 因此 本課程具有從理論性課程過渡到結(jié)合 工程實際的設計性課程 從基礎課程過渡到專業(yè)課程的承先啟后的橋梁作用 另 一方面 本課程所討論的內(nèi)容 主要是通用機械零 部 件的設計和選用方面的基本 知識 基本理論和基本方法 所以是一般機械工程技術人員必備的基礎 二 本課程的性質(zhì)與任務 本課程是一門培養(yǎng)學生機械設計能力的技術基礎課 屬于設計性的課程 本課程的主要任務是培養(yǎng)學生 1 掌握通用機械零 部件的設計原理 方法和機械設計的一般規(guī)律 具有設 計機械傳動裝置和簡單的機械的能力 2 樹立正確的設計思想 了解國家當前的有關技術經(jīng)濟政策 3 具有運用標準 規(guī)范 手冊 圖冊和查閱有關技術資料的能力 4 掌握典型機械零件的實驗方法 獲得實驗技能的基本動訓練 5 對機械設計的新發(fā)展有所了解 三 本課程的教學環(huán)節(jié)及特殊性 本課程的教學環(huán)節(jié)除了 包括自學 外 還應有習題課 討論課 實驗課 現(xiàn) 場教學 答疑輔導 設計作業(yè)及課程設計等 雖然課堂教學是一個非常重要方面 但它遠非本課程的全部 因而企圖通過單單學習書本知識就把這門課程學好 最 后必將落得一知半解 缺乏實踐能力和設計素養(yǎng) 不能達到本課程的學習要求 這一點 務必提醒每個學生都必須充分注意 并隨時加以警惕 如果學生在作習 題 設計作業(yè)和課程設計時 不注意進行理論和技術分析 不認真查閱手冊 圖 冊和有關資料 做實驗時不詳細弄清實驗目的 原理 儀表功能及測試方法 在 現(xiàn)場教學中不細心觀察零件的結(jié)構(gòu) 材料 制法 工作情況 失效形式和有關機 器的運轉(zhuǎn)性能 就不可能學好這門課程 也不可能成為一個優(yōu)秀的機械設計者 所以學習本課程時必須明確 書本知識固屬重要 但在工程實際中 很少是靠單 獨運用書本知識就能正確解決問題的 而是還需掌握一定的經(jīng)驗資料和具備較強 的工程判斷能力 因為實際的機械設計問題幾乎都不會只有一個答案的 新理論 新技術 新材料 新工藝以及新的市場信息等 都將使答案發(fā)生變化 所以一定 要善于全面分析 綜合協(xié)調(diào) 靈活處理 并富有想象力 洞察力 探索精神和創(chuàng) 新勇氣 從而對各式各樣的設計問題作出機敏的工程判斷 而這些能力是要靠一 系列課程的各個教學環(huán)節(jié)來綜合培養(yǎng)的 本課程應該負擔培養(yǎng)的部分 則是通過 前述全部教學環(huán)節(jié)來實現(xiàn)的 決不是單單課堂教學就能奏效 四 本課程的特點 1 論述機械零 部 件設計時的一般順序及目的 機械設計 中 除第一篇 總論 是綜合論述本課程的主要內(nèi)容 性質(zhì) 任務及一般機械設計的共性問題外 以后四篇都是分章論述常用的通用機械零 部 件 設計問題 各章內(nèi)容的一般順序是 首先介紹零 部 件的主要類型 構(gòu)造 功能 材料 制法 標準 優(yōu)缺點 適用場合等基本知識 以便對該章論述的零 部 件 有初步的了解 從而為學習設計準備條件 然后論述工作情況 受力分析 應力 狀態(tài) 失效形式 設計準則 設計方法與步驟 參數(shù)選擇原則 常用參考資料以 及有關注意事項等 以便初步掌握零 部 件的設計理論與方法 最后給出釋義例 題 包括典型的工作圖 以便引向設計實踐 并給出若干習題 以便試行運用所學 的有關知識 設計理論 設計方法及參考資料 進行初步的設計鍛煉 從而加深與 鞏固所學的知識與技能 進一步開發(fā)智力 提高設計能力 這樣就為進行設計作業(yè) 課程設計和某些簡單的機械的設計 準備了必要的條件 2 機械設計的繁雜性及其對策 由于本課程研究對象和性質(zhì)上的特點 決定了教材內(nèi)容本身的繁雜性 只有對 這一點有較深的認識和充分的思想準備 才能在整個教學過程中加以正確的處理 教材內(nèi)容的繁雜性主要表現(xiàn) 關系多 門類多 要求多 公式多 圖形多 表格 多 形成上述 六多 的主要原因是 1 由于本課程是建立在前述很多門先修課程的基礎之上的 即 血緣 很雜 因而必須和那些先修課程內(nèi)容時時掛鉤 緊密聯(lián)系 才能把它們綜合地運用來為 機械設計服務 這就形成了 關系多 的特點 因此在教學過程中 需要經(jīng)常引 導學生回顧檢查自己對各有關先修課程內(nèi)容掌握的程度 并及時復習與深化有關 的內(nèi)容 清除學習道路上的障礙 提高學習效率與質(zhì)量 2 由于本課程要分門別類地選擇一些典型的通用零 部 件 分章論述 實際上 有些章里還包含了幾個獨立的部分 而各種零 部 件本身都包含著很多類型 所以就形成了 門類多 的特點 為此 教學時要引導學生從各種零件的工作性 能和適用場合等方面多作對比 從它們在機器中的功能 相互影響 裝配關系等 方面多作分析 找出各零件間的關聯(lián) 更要從設計理論及方法上找出各章之間的 共性和特性 要認真分析各個零件之間的內(nèi)在聯(lián)系 特別是要從中總結(jié)出某些普 遍規(guī)律 以便用來解決現(xiàn)在沒有學到而將來可能遇到的新型零件的設計問題 所 以 絕對不應把一個個的零件孤立起來 否則就難免產(chǎn)生內(nèi)容零碎雜亂的感覺 3 由于設計機械零件時 除了需要滿足強度 剛度 耐久性 工藝性 體積 質(zhì)量 經(jīng)濟 安全 方便 美觀等一系列一般要求外 有時還要滿足絕緣 抗磁 耐酸 防銹等特殊要求 對于部件還常會提出更多的要求 這就形成了 要求多 的特點 因此 教學時務必引導學生學會善于全面分析比較 權衡輕重 區(qū)別對 待 要求多 是由于全面考慮 分別論述的結(jié)果 而對于具體的零 部 件 則 應該用 具體問題具體分析 的方法來處理 4 由于本課程是設計性課程 內(nèi)容自應緊密圍繞零 部 件的設計問題 設計 包括多方面的內(nèi)容 但其主要部分通常是工作能力設計和結(jié)構(gòu)設計 而工作能力 設計一般須進行某些計算 如強度計算 剛度計算 壽命計算 熱平衡計算等 這就形成了 公式多 的特點 因此 教學時務必引導學生學會徹底搞清公式的 性質(zhì) 使用條件 符號意義及代入單位 計算結(jié)果的單位等 然后才能正確應用 它們 教材中的公式 有解析性的 經(jīng)驗性的 半經(jīng)驗性的 定義性的等 其中 有些是在先修課程里學過的 有些則是新遇到的 還有的是只要求會用而不要求 懂得其理論根據(jù)和推導方法的 如零件曲面接觸應力的計算公式是引自彈性力學 盡管公式很多 但除了一些定義性公式 如許用正應力 lim S 標準直齒 圓柱齒輪的模數(shù)m d z等 應在理解的基礎上記住外 其余公式只要求能正確使 用而不必硬記 5 由于本課程很多內(nèi)容要用圖形表達 這就必然形成 圖形多 的特點 因 此 教學時務必引導學生把所有的插圖一一看懂 并分清哪些是分析圖 哪些是 結(jié)構(gòu)圖 哪些是示意圖 哪些是定性的 哪些是定量的 哪些圖 曲線圖 相當于 表格 但比表格直觀 可以利用 引出線 直接查找數(shù)據(jù)而不需插算 只是精確 性比用表格差些 等等 這樣雖然圖形很多 也就不難對付了 6 由于設計性課程的教材需要附有為了闡明問題和作簡單習題所必須的最基 本資料 其余的則可查閱手冊 圖冊 標準 規(guī)范等 這就形成了 表格多 的 特點 教學時務必引導學生弄清每個表格的適用場合及如何查用 并應注意一些 表格下方的 標注 忽視了這點就會造成查用上的錯誤 甚至帶來嚴重的后果 還應注意觀察與分析表中數(shù)據(jù)的變化情況 遞減還是遞增 中間小還是兩頭小 原因何在 這會有助于了解有關各量之間的相互影響及概略的變化規(guī)律 五 本課程要求的學習方法 前面已指出 本課程要起到 從理論性課程過渡到結(jié)合工程實際的設計性課 程 從基礎課程過渡到專業(yè)課程 的作用 因而必須認清這個 過渡 對學習方 法提出的特殊要求 機械設計課程的學習方法 不僅和過去學習公共基礎課時有 根本的差別 而且和學習理論力學 材料力學 機械原理等技術基礎課時的方法 也大不相同 例如 材料力學由于研究范圍的不同 對于一個受有垂直集中載荷的 簡支梁 并不管梁上的載荷是哪個物體 零件 傳給它的 這個物體是怎樣安裝在梁 上的 更不要求設計或選擇出兩端所需的支承 機械原理研究一個機構(gòu)時 只要 求確定各個構(gòu)件的長度 并不要求確定構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形狀 材料 加工方法 強度 剛度 壽命等 但是到了機械設計課 就得解決一系列的實際問題 直到每個零 件能夠有效地完成其工作職能 并達到預期的工作壽命 因此 學習機械設計課 程時 在學習方法上就面臨著一個新的轉(zhuǎn)折點 如果仍舊沿用以前的學習方法 那就會輕重倒置 不得要領 因而如果在學習方法上 轉(zhuǎn)折 得好 那就會事 半功倍 迅速提高聯(lián)系實際分析問題與解決問題的能力 所以學習方法正確與否 是具有重要意義的 怎樣才能在學習方法上 轉(zhuǎn)折 得好 關鍵在于是否真正摸清了這門課程的 性質(zhì) 既然機械設計是一門實踐性很強的設計性課程 那就應該除了努力學好課 堂教學內(nèi)容外 還要認真學好各個實踐性教學環(huán)節(jié)的內(nèi)容 并注意把主要精力用 于鉆研零件的結(jié)構(gòu) 選材 制法 標準 規(guī)范 適用場合 工作情況 受力及 應力狀態(tài) 失效形式及其機理 設計準則 設計方法與步驟 以及可能出現(xiàn)的問 題與對策上 而對公式的推導 經(jīng)驗數(shù)據(jù)的取得 某些曲線的來歷等 只需作一 般的了解 不必反復深鉆 以免偏離重點 譬如在學習過程中 在適當?shù)臅r候到 實驗室去親手拆裝一臺較簡單的機器或一個完整的部件 例如減速器 詳細了解 一下它的構(gòu)造 功能 機構(gòu) 零件 材料 毛坯 加工 裝配 潤滑 密封 運 轉(zhuǎn) 維護等 就會幫助學生較全面地了解這門課程 抓住較好的學習方法 教學 時務必告訴學生 最后 還要特別向?qū)W生提醒兩點 一是必須明確 設計決非只是計算 計算雖也重要 但它只是為結(jié)構(gòu)設計提 供一個基礎 而零件 部件和機器的最后尺寸和形狀 通常都是由結(jié)構(gòu)設計取定 的 計算所得的數(shù)字 最后往往會被結(jié)構(gòu)設計所修改 結(jié)構(gòu)設計在設計工作量中 一般占較大比重 因而必須給予足夠的重視 二是必須明白 教材中給出的例題或某個零件的設計步驟及結(jié)果 僅為表明 如何運用基礎知識和經(jīng)驗資料去解決一個實際問題的范例 而不是唯一正確的答 案或一切設計方法的終結(jié) 論述某個零件的設計方法和步驟 決非僅僅為了使學 生學會那個零件的設計 而是為了培養(yǎng)學生掌握這些 武器 從而具備設計各 種有關零件的能力 機械設計 教案 第一章 緒論 一 本章的主要內(nèi)容 特點及教學要求 本章主要內(nèi)容是 機器的作用 組成機器的基本要素 零件 零件的概括 分類 零件 局部 與機器 總體 的關系 機械設計的主要內(nèi)容及處理有關矛盾 的原則 本課程的內(nèi)容 性質(zhì)與任務 本章的特點是 它既是本課程的序幕 又是本課程的總綱 因而它的內(nèi)容要 貫穿全課程的始末 并涉及本課程的前后關系 講好緒論課對搞好該門課程的教 學工作是至關重要的 必須予以高度重視 做好充分準備 保證把緒論講好 根據(jù)教育部 和我院制定的 機械設計教學大 綱 本章的教學要求為 1 明確 機械設計 在國民經(jīng)濟建設中的重要作用 2 弄清機械零件設計在機械設計中的地位 3 了解本課程的內(nèi)容 性質(zhì) 特點 與先修及后續(xù)課程之間的關系 以及相 應的學習方法 從而對整個課程獲得一個鳥瞰 4 使學生對機械設計學科的發(fā)展前沿有所了解 總的來說 本章的教學要求就是要使學生搞清楚 為什么學 學什么 和 如何學 這三大問題 并樹立起學好本課程的決心與信心 二 本章重點及難點 本章重點 一是機器的主體及其基本組成要素和機械零件的分類 機械零件 局部 和機器 總體 的關系 二是本課程的內(nèi)容性質(zhì)與任務 本章難點是 除了掌握本章的基本內(nèi)容之外 還應結(jié)合本課程的性質(zhì)與特點 積極探索具有針對性的學習方法 三 本章教學工作的組織及學時分配 本章的教學內(nèi)容安排 1 個學時 另外 在課外應再組織學生參觀一些實際機 械如印刷廠的印刷機 切紙機 零件陳列室的實物模型等 通過現(xiàn)場教學使學生 從感性上進一步了解本課程研究的對象和內(nèi)容 體會學習本課程的目的 并進一步 調(diào)動他們學習本課程的興趣和積極性 第二章 機械及機械零件設計概要 一 本章主要內(nèi)容 特點及教學要求 本章內(nèi)容概括起來講可分為兩部分 第一部分是關于及其總體設計的概述 包括 2 1 2 2 及 2 3 三節(jié) 第 二部分是關于機械零件設計的概述 包括 2 4 及以后的各節(jié) 本章特點在于從機器設計的總體要求出發(fā) 引出與機械零件設計有關的一些 原則性問題 這些問題 例如設計機器的一般程序 機械零件失效形式 零件的 設計要求 計算準則 設計方法 設計步驟及材料選擇等 始終貫穿在本書以后 的各章中 在講授本章時 由于學生還沒有接觸到各個具體零件的設計內(nèi)容 所 以不大容易較為深刻地掌握本章的內(nèi)容 也無法和以后的各章建立聯(lián)系 本章的教學要求 首先就是要從總體上建立起機器設計 尤其是機械零件設計的總括性的概念 即從機器的總體要求出發(fā) 引出對機械零件的要求 根據(jù)零件的失效形式 擬定 出設計準則 在選擇出適用的材料后 按一定的步驟 用理論設計或經(jīng)驗設計的 方法 設計出機械零件來 這個過程的系統(tǒng)性是很嚴密的 它對以后各章的學習 都具有提綱挈領的作用 其次 要掌握對機器和機械零件的基本要求 這些要求 不管列出多少條 從本質(zhì)上講卻只有兩條 第一是提高機器總體效益 第二是避 免失效 第一條要求是相對的 隨著科學技術的發(fā)展 對總體效益的要求總是不 斷變化的 第二條要求卻是最基本的 即在達到設計壽命前的任何時候 對機器 和零件總是有避免失效的要求的 以上要求不可能一下子掌握 因此要求在以后各章節(jié)的教學中 不斷的結(jié)合 各章的具體分析來逐步加深 二 本章重點及難點 本章重點是與機械零件設計有關的幾節(jié) 本章的難點不在于各節(jié)的具體內(nèi)容 而在于對各節(jié)的內(nèi)容要從總體上以及它們的相互聯(lián)系上予以理解 了解各節(jié)之間 在邏輯上的相互關系 本章的難點還在于本章的內(nèi)容非常原則而不具體 它的具 體化要在以后的各章中才能體現(xiàn) 1 機器的組成 2 1 本節(jié)概括的介紹了一部機器的組成情況 教學時要注意到 不管是機器的基 本組成部分 還是其余部分 都包含有由機械零 部件構(gòu)成的機械系統(tǒng) 即使在 今天高科技時代 高水平的機電一體化機器 其任何部分 包括控制系統(tǒng)在內(nèi) 也都離不開機械 這一點 一定要牢牢記住 2 設計機器的一般程序 2 2 本節(jié)從最一般的概念上介紹了一部機器的設計程序 必須說明 本課程并不 能負擔起關于整部機器一般設計程序所涉及的所有問題的研究任務 機器的設計 程序已成為一門新的專業(yè)課程 該章對機器的設計程序僅作一般的簡略介紹 其 目的除了使學生對機器設計過程有一個總體概念以外 還在于著重說明零件和部 件設計在整部機器中所占的地位及其重要性 本門課程主要服務于機器設計程序 中的技術設計階段 讓學生仔細地閱讀教材第 7 頁上 三 技術設計階段 的 內(nèi)容 不可展開講 3 對機器的主要要求 2 3 本節(jié)是為了能從其中引出對零件的基本要求而設的 對機器的要求在很大程 度上是要靠零件滿足設計要求來保證的 4 機械零件的主要失效形式 2 4 本節(jié)介紹的僅為零件失效形式的主要類型 是從完成零件技術功能的觀點來 定義失效的 并不涉及社會經(jīng)濟分析問題 事實上 隨著科學技術的進步 有時 有些機械零 部件甚至整部機器雖然沒有出現(xiàn)教材中所列舉的任何一種失效形式 但由于它們已不能適應技術發(fā)展的需要而必須予以淘汰或報廢 從廣義上講 這 也是一種失效形式 5 設計機械零件時應滿足的基本要求 2 5 本節(jié)所提出的五項基本要求中 避免在預定壽命期內(nèi)失效的要求和結(jié)構(gòu)工藝 性要求是最主要的 經(jīng)濟性和質(zhì)量小得要求是不言而喻的 可靠性要求是隨著機 器越來越復雜而 提出的新要求的 對于強度 要明確強度既與零件的斷裂有關 也與零件的不允許的殘余變形 有關 這和以后選擇零件材料的極限應力有密切聯(lián)系 對于剛度 要明確它涉及到的是零件的彈性變形 不能把它和殘余變形相混 淆 對于壽命 要注意主要制約壽命的技術因素是疲勞 腐蝕 和磨損 對于高溫下工作的機器及其零部件 或者對于工程塑料零件 蠕邊變形也是 影響壽命的一個因素 本課程是討論通用機械零件設計問題的 所以只列舉了前三個因素 結(jié)構(gòu)工藝性要求是應給予足夠重視的一個基本要求 要讓學生正確理解和掌 握結(jié)構(gòu)工藝性的要求 必須熟悉從毛坯生產(chǎn)到最后使用的全過程的有關工藝知識 此外 在機械設計工作中 從工作量上來說 處理結(jié)構(gòu)工藝性的問題所花費的精 力也是相當可觀的 學生在學習本課程時 工藝知識還不夠全面 因而要特別強 調(diào)這一要求 6 機械零件的計算準則 2 6 強度 剛度 壽命及振動穩(wěn)定性各準則 與先修的力學課程密切相關 比較 容易理解 關于零件的靠性 可以從不同的失效模型研究 得到不同的可靠度規(guī)律 本 章所述的指數(shù)規(guī)律 是在不具體考察零件失效的原因 而只從失效的表現(xiàn)來研究 零件的可靠性時所采用的規(guī)律 式 2 6 是一個概括性很強的公式 隨著失效率 的函數(shù)形式的不同 可以 得到多種不同的可靠度變化規(guī)律 對于它的理解應當是 a 隨著工作時間的延長 零件的可靠度 R 總是逐漸降低的 這個概念是符合 于常識的 從數(shù)學上看 零件的失效率 總是一個正值 b 失效率和可靠度之間既有嚴格區(qū)別又有相互聯(lián)系 失效率越高 則在某一 固定時刻的可靠度也就愈低 可靠度總是時間的函數(shù) 而失效率卻既可以是時 間的函數(shù) 也可以不是時間的函數(shù)而為某一常數(shù) 因此 說可靠度 必須同時 指明工作壽命 兩個零件的可靠度只有在同一壽命下才是可比的 兩次失效件的平均工作時間 MTBF 通常是用統(tǒng)計的方法來確定的 7 機械零件的設計方法 2 7 本節(jié)從設計方法的類比來討論設計方法 而不是各種設計方法的具體細節(jié)內(nèi) 容 不同零件的設計方法有不同的不表現(xiàn)形式 這在以后各種零件設計的有關 章節(jié)中再行討論 本節(jié)提出常規(guī)設計方法和現(xiàn)代設計方法兩個大類別 不能誤解為有了現(xiàn)代設 計方法 常規(guī)的設計方法就是過時了或不需要了 現(xiàn)代設計方法是在新的設計 思想以及有了現(xiàn)代的設計技術物質(zhì)手段的條件下 由常規(guī)設計方法發(fā)展而來的 在必要時用來彌補常規(guī)設計方法的不足 但它并不能完全取代常規(guī)設計方法 因為現(xiàn)代設計方法本身是離不開常規(guī)設計方法的 例如優(yōu)化設計方法中很多約 束條件就是要依靠常規(guī)設計方法來建立 所以要擺正這兩種設計方法件的關系 學生們一般對理論設計方法易于接受 但對經(jīng)驗設計方法卻往往不予重視 經(jīng)驗設計 是很有效的設計方法 所謂經(jīng)驗 總會隨著社會的不斷發(fā)展而不斷 積累 經(jīng)驗并不總是陳舊的 過時的東西 相反 它恰恰是在理論還不成熟時 用來解決各種問題的一種可靠的方法 后面各章中就有不少經(jīng)驗設計的內(nèi)容 很多經(jīng)驗數(shù)據(jù)也可以廣義理解為經(jīng)驗設計的內(nèi)容 從這一意義上來說 理論設 計也是離不開經(jīng)驗設計的 模型實驗設計是在理論設計知識還不完備 原有的經(jīng)驗又不足以解決設計問 題時 人們獲取新經(jīng)驗和發(fā)展新理論的一種設計方法 8 機械零件設計的一般步驟 2 8 本節(jié)只勾劃出零件設計步驟的一個輪廓 在實際運用時 由于所掌握的已知 條件的多寡不同 它會有相當?shù)撵`活性 例如 有時可先做結(jié)構(gòu)設計 然后根據(jù) 計算準則進行必要的驗算 有時還可能要反復地進行若干步驟的工作 9 機械零件材料的選用原則 2 9 由于后續(xù)各章將會對各種零件常用的材料作具體介紹 所以本節(jié)只重點說明 材料的選用原則 選用材料的前提是對材料性能 包括機械 物理和工藝性能 以及經(jīng)濟性的全面了解 選用材料的基本方法 是在分析與總結(jié)已有的成功地使 用經(jīng)驗及選材不當?shù)慕逃柕幕A上 結(jié)合對材料的了解 全面衡量 妥善取定 10 機械零件設計中的標準化 2 10 標準化是設計工作中的一個重要的內(nèi)容 要在熟悉現(xiàn)行的各種有關標準的前 提下 在設計中運用和遵守標準 標準是人制訂的 是為設計工作服務的 可以把各種設計標準分為兩類 一類是在設計中可以靈活處理的 例如直徑 標準 長度標準等 另一類通常是要嚴格遵守的 例如螺紋尺寸標準 齒輪模數(shù) 標準等 雖然如此 在某些特定條件下 這類標準也可以不予遵守 例如在航空 航天工業(yè)中 由于部件的尺寸及質(zhì)量的大小需要嚴格限制 也不乏采用非標準齒 輪模數(shù)的情況 三 本章教學工作的組織及學時分配 本章的教學內(nèi)容安排 2 學時 以課堂講授和板書表達為主 注意條理化 第三章 機械零件的強度 一 本章主要內(nèi)容 特點及教學要求 強度準則是最重要的設計準則 本章把各種零件強度計算的共性問題集中到 一起 略去零件的具體內(nèi)容 而突出闡述強度設計計算的基本理論和方法 以后 各章中各種強度的計算方法從本質(zhì)上來講都是一樣的 不同零件的強度計算公式 在形式上的不同 僅來源于零件本身的特殊性 以及設計工作中沿用的一些慣例 而不是強度計算方法的原則有什么不同 本章的教學要求 1 了解疲勞曲線及極限應力曲線的來源 意義及用途 能從材料的幾個基 本機械性能 0 s 1 及零件的幾何特性 繪制零件的極限應力簡化線圖 2 學會單項變應力時的強度計算方法 了解應力等效轉(zhuǎn)化的概念 3 了解疲勞損傷累計假說 Miner 法則 的意義及其應用 認識到以應力和 以載荷計算的情況系數(shù)之間的聯(lián)系及差別 4 學會雙向變應力時的強度校核方法 5 會查用附錄中的有關線圖及數(shù)表 二 本章重點 難點及注意事項 1 3 2 疲勞曲線內(nèi)容 絕大多數(shù)通用零件都是在變應力下工作的 因此 各式各樣的疲勞破壞是通 用零件的主要失效形式 1 式 3 1 式描述疲勞曲線右側(cè) CD 部分的一種公式 除該式以外 在 專門討論疲勞強度的文獻中還會看到其它形式的公式 但式 3 1 式有關公式 中形式最簡單 參數(shù)最少 只有 m 和 C 兩個 又能滿足工程計算的精確性要求 并且應用起來最為方便的公式 所以在設計中應用最廣泛 2 教材圖 3 3 上 N0和 ND是兩個不同的循環(huán)次數(shù) N 0是人為規(guī)定得值 所以 在不同的文獻中 其值常有差異 而 ND是隨著材料所固有的性質(zhì)的不同 通過實 驗來確定的一個常數(shù) 由于試驗技術上的原因 各文獻上對同一材料所介紹的 ND 值也往往有所不同 這主要是因為試驗條件及方法不同所致 在本節(jié)中 主要的是要知道 N0和 ND在定義上是不同的 至于它們的具體數(shù) 值 在以后各章節(jié)中用到時都會給出的 順便提一下 對于中碳鋼一類的材料 在拉壓 彎曲和扭轉(zhuǎn)條件下 由于 ND的值不很大 所以常常以 ND值作為 N0值 即 N0 ND 2 3 2 極限應力線圖 要得到疲勞強度計算時的極限應力線圖 應當在各種不同應力循環(huán)特性 r 條 件下進行材料的疲勞試驗 先求出各不同的 r 時的疲勞曲線 然后 根據(jù)這些不 同的疲勞曲線 得到很多個對應于不同循環(huán)特形式的材料的疲勞極限 rn 利用 這些 rN才能在 a m 坐標上繪制出材料的極限應力線圖 這是一條曲線 即 圖 3 1 上 ADB 曲線 可是要得到這一條曲線 需要耗費驚人的物力及時間 因此 人們提出只利用很少的幾個試驗數(shù)據(jù)來近似地求得在工程應用上足夠精確的極限 應力曲線的方法 圖 3 1 所示的材料的極限應力圖 是用光滑的 無應力集中源的 標準尺寸 的試件通過試驗的方法求出的 曲線 A D B 為極限應力曲線 為了便于計算 可用 A D 近似地代替 A D 由圖可知 這樣簡化 誤差很小 但計算公式大大簡 化 對于塑性材料承受靜應力時 其極限應力為屈服極限 s 故可用 CG 來表 示其極限應力線 注意 CG 上任一點所代表的極限應力均為 max a m s 再將 AD 延長到 G 與 CG 交于 G 經(jīng)過這樣的簡化 就得到了 A D G 和 G C 兩條分別對應于變應力及靜應力情況下的極限應力線 這就是圖 3 4 所示的 材料的簡化極限應力圖 教材圖 3 5 是用有應力集中源的試件作實驗求得的簡化極限應力線圖 有應 力集中源的試件中的應力是按照公稱 名義 應力來計算的 即根據(jù)截面尺寸不 考慮應力集中作用來計算應力的 由于有應力集中源 致使試件在 N0循環(huán)時發(fā)生 破壞的試驗載荷要比無應力集中源試件的破壞載荷低得多 因而求得的公稱應力 值就低得多 根據(jù)試驗數(shù)據(jù) 人們發(fā)現(xiàn) A 和 A 以及 D 和 D 點的縱坐標的比值 基本上都等于 K 因此 彎曲疲勞極限的綜合影響系數(shù) K 只是在相同平均應力 條件下 材料的與零件的極限應力幅的比值 這個意思在不少的書籍中表述為 綜合影響系數(shù)只對應力幅有作用 對平均應力不發(fā)生影響 這就是式 3 7a 所表 達的意思 3 7a 的 試件受循環(huán)彎曲應力時的材料特性 其含義就相 當于某種材料能把所承受的彎曲平均應力轉(zhuǎn)化成等效的彎曲應力幅的一種特性 所以也叫做 彎曲平均應力轉(zhuǎn)化系數(shù) 亦即彎曲應力的平均應力部分被它乘了 之后 就具有與彎曲應力的應力幅同等的疲勞損傷作用了 這個轉(zhuǎn)化可以用圖 3 2 來說明 不過 這樣的分析是以應力的循環(huán)特性不變的工作情況為前提的 由圖可見 圖 a 中的單向不對稱循環(huán)變應力 可以分解為圖 b 所示的平均應 力 圖 c 的平均應力又可等效轉(zhuǎn)化為圖 d 所示的對稱循環(huán)變應力了 因此 這個 應力的轉(zhuǎn)化過程也可以叫做不對稱循環(huán)變應力的等效轉(zhuǎn)化 這個應力等效轉(zhuǎn)化的 概念 就是把的工作應力 轉(zhuǎn)化成在強度上具有等效影響的對稱循環(huán)變應力 式 3 10 是各種文獻中計算彎曲疲勞極限的綜合影響系數(shù) k 的公式的一種 除此以外 還有其它的 k 的表達式 k 的計算式是人們根據(jù)經(jīng)驗擬合的 也就 是說它是該書的作者根據(jù)自己的經(jīng)驗和認識提出的 而不是一個理論公式 不同 資料不得混用 3 3 2 單向穩(wěn)定變應力時機械零件的疲勞強度計算 單向穩(wěn)定變應力雖然在實際的機械零件中是較少遇見的工作狀況 但它的計 算方法卻是疲勞強度計算的基礎 這是因為人們所知道的材料抗疲勞破壞的機械 性能 1或 0是在實驗室中按照單向穩(wěn)定變應力的工作狀況用試驗方法決 定的緣故 因此本節(jié)內(nèi)容非常重要 我們用平均應力 m和應力幅 a作為描述變應力的一對參量 這等效于用 max min和 r 中的任何兩個作為參量的描述方法 首先要明確的是 在一個已知的工作應力點 m a 條件下 由于零件中 應力變化規(guī)律的不同 可以求出對應于此工作應力點的無數(shù)個極限應力 即極限 應力曲線上任何一個點所代表的極限應力都有可能作為該工作應力的極限應力 對于基本的典型的應力變化規(guī)律 可以列出 r C m C 及 min C 這三種情況下 的極限應力計算方法 其次 零件在任一種應力變化規(guī)律下 都有可能出現(xiàn)靜應 力破壞或疲勞破壞的情況 到底哪一種破壞更易于發(fā)生 則取決于應力變化曲線 首先和極限應力曲線的那一段相交 如首先和 AG 部分相交 就說明零件將會首 先發(fā)生疲勞破壞 如和 GC 部分相交 則首先會發(fā)生靜應力破壞 由此道出不同 的疲勞強度校核公式 4 3 2 單向不穩(wěn)定變應力時疲勞強度計算 單向不穩(wěn)定變應力時強度計算的依據(jù)是疲勞損傷累計假說 即式 3 26 有些文獻上把它叫做 Palmgren Miner 假說 或者簡單的叫做邁納爾 Miner 法 則 這是一個基于能量觀點的假說 該假說認為材料發(fā)生疲勞破壞 是材料上所 作用的外力對材料所作的功積累到一定值時的必然結(jié)果 并認為同等的變應力中 每一應力循環(huán)都做同樣的功 都對材料起同樣的損傷作用 因此 設該變應力循 環(huán) N 次使材料發(fā)生疲勞破壞 則每一應力循環(huán)中外力所作的功就是引起破壞的總 能量的 這個值就是一次循環(huán)的損傷率 雖然 Miner 法則在許多試驗條件下與N1 試驗數(shù)據(jù)不能很好的吻合 但作為概念 它還是反映了總和損傷率的統(tǒng)計關系 因此 就工程計算精確性的意義上來說還是可用的 式 3 30 中的應力情況系數(shù) Ks的作用 是把對稱循環(huán)的不穩(wěn)定變應力 圖 3 3a 轉(zhuǎn)化為等效的對稱循環(huán)穩(wěn)定變應力 至于轉(zhuǎn)化成具有什么參數(shù)的穩(wěn)定變應 力 雖然可以在各級不穩(wěn)定變應力中任選一級變應力作為典型應力 但實用上通 常是選擇其中絕對值最大且作用時間也較長的一級變應力作為典型應力 對于那 些在零件整個工作壽命中循環(huán)很少次數(shù)的峰值過載應力 只要它通過了靜強度計 算 一般不作為典型應力 公式中以 1作為選取的典型應力值 其它各級變應 力都向 1等效轉(zhuǎn)化為相當于對稱循環(huán) N 次的穩(wěn)定變應力 1 圖 3 3b 然后 合并起來最后折算成 ks 1為應力幅的對稱循環(huán)變化 N0次的穩(wěn)定變應力 圖 3 3c 所以 安全系數(shù)計算值 Sca及強度條件就應當為 Sca 1 ks 1 S 這 就是教材中的式 3 31 如果原來作用的是不對稱循環(huán)的不穩(wěn)定變應力時 就先對各級應力的乘以 再 加上該級的應力幅 把各級不對稱循環(huán)變應力等效對稱化 然后再用系數(shù)進行等效 穩(wěn)定化 這樣就可以當作對稱循環(huán)穩(wěn)定變應力來處理 式 3 32 中的載荷情況系數(shù)與的意義相同 只不過是施加于變載荷 使之轉(zhuǎn)化 為等效的穩(wěn)定載荷 情況下的系數(shù)而已 5 3 2 雙向穩(wěn)定變應力時的疲勞強度計算 雙向穩(wěn)定變應力時的計算依據(jù)是圖 3 12 及式 3 33 式 3 33 是用于同相位 對稱循環(huán)的彎曲和扭轉(zhuǎn)變應力聯(lián)合作用的情況 對于一般的平面應力狀態(tài) 可以應 用最大切應力理論進行強度計算 事實上 式 3 33 就是彎曲 扭轉(zhuǎn)聯(lián)合作用下最 大且應力理論也是大致符合于試驗結(jié)果的 6 對 3 3 機械零件接觸強度的說明 和所有其它條件下的強度一樣 接觸強度計算也包括接觸應力的計算 極限 應力與許用應力的確定以及強度條件的校核三部分 極限應力與許用應力的確定 就是根據(jù)試驗數(shù)據(jù)來確定接觸疲勞極限 然后 再根據(jù)使用經(jīng)驗確定安全系數(shù) 從而計算出許用應力 應當特別指出 用試驗方 法求接觸疲勞極限時 由于試驗條件的不同 可能有純滾動及滾動帶滑動兩種情 況 同樣的材料在這兩種條件下得到的接觸疲勞極限值是有不小的差別的 接觸應力的分析必須借助于彈性力學的方法 對于大多數(shù)工程專業(yè)的大學生 來說 在學機械設計課程以前是不會安排彈性力學課程的 因此 對這個公式 只要會使用就可以了 三 本章教學工作的組織及學時分配 本章的教學內(nèi)容安排 4 個學時 以多媒體手段和板書推導相結(jié)合來共同完成 該章的教學任務 第四章 摩擦 磨損及潤滑概述 一 本章主要內(nèi)容 特點及學習要求 1 主要內(nèi)容 本章主要內(nèi)容是對摩擦學所研究的主要對象 即摩擦 磨損和潤滑的基本問 題 作簡單扼要的介紹 重點在于闡述摩擦和磨損的分類與機理 形成油膜的動 壓和靜壓原理 以及彈性流體動力潤滑的基本知識 2 特點 因本章涉及的內(nèi)容較廣 為了使讀者對摩擦學有一個概括的了解 因而本章 包含的內(nèi)容是較多的 這里只要求搞清概念 而無需做更深的探討 3 教學要求 1 明確摩擦學所包含的主要內(nèi)容 研究對象及發(fā)展摩擦學的重要經(jīng)濟價值 2 對于干摩擦 邊界摩擦 混合摩擦 流體摩擦的機理與物理要有扼要的 了解 3 初步了解磨損的一般規(guī)律 即磨損曲線 及各種磨損 粘附磨損 磨粒 磨損 疲勞磨損 沖蝕磨損 腐蝕磨損和微動磨損 的機理和物理特征 4 了解潤滑的作用及潤滑劑 油 脂 的主要指標 5 掌握流體動力潤滑的基本概念及楔效應承載原理 而對于彈性流體動力 潤滑和流體靜力潤滑只需有一個初步了解即可 二 本章重點 難點及注意事項 1 本章重點為 1 各類摩擦的機理與物理特征 2 各類磨損的機理與物 理特征 3 流體動力潤滑的基本原理 2 本章難點為楔效應承載理論及彈性流體動力潤滑原理 3 本章內(nèi)容分析及學習注意事項 1 概述部分 本部分應了解摩擦學所包含的主要內(nèi)容和研究對象 以及摩擦 磨損與潤滑 之間的有機聯(lián)系 明確摩擦是因其能量損耗的主要原因 磨損是造成零件失效和 材料損耗的主要原因 而潤滑則是減小摩擦和磨損的最有效的手段 隨著科學技 術的發(fā)展 材料和能源的節(jié)約日益重要 因此形成了一門新興的學科 摩擦學 它是研究相對運動中相互作用者的表面工作情況的科學和技術 2 講授 4 1 摩擦 一節(jié)內(nèi)容時應注意的問題 本節(jié)所討論的摩擦 不是先修課程內(nèi)容的簡單重復 而是更著重于摩擦的機 理和物理本質(zhì) 學習時要注意了解各種摩擦的機理及其狀態(tài) 干摩擦 關于干摩擦的理論 主要有機械嚙合理論 分子機械理論 靜電 力理論的粘附理論 目前認為粘附理論對金屬摩擦在宏觀上提出了最滿意地解釋 用粘附理論 結(jié)合試驗結(jié)果 證明了經(jīng)典摩擦定律的正確性 得出了干摩擦 時的摩擦力與表觀接觸面積無關而與載荷成正比的結(jié)論 見教材第四章公式 4 2 及 4 3 重點弄清以下概念 a 簡單粘附理論認為真實接觸面積 Ar取決于軟金屬的壓縮屈服極限 Sy和 法向載荷 Fn 但這一結(jié)論有一定的局限性 修正粘附理論認為真實接觸面積是與 金屬材料的塑性變形決定的 這是考慮在有摩擦的情況下 由于接觸區(qū)同時作用 有法向應力及切應力 并假設當最大切應力達到臨界值時 材料發(fā)生屈服 因此 真實接觸面積 Ar應該是考慮法向載荷的影響所得到的接觸面積與摩擦力產(chǎn)生的面 積增量之和 b 簡單粘附理論指出摩擦系數(shù) f B Sy 其中 B Sy皆指兩金屬中較軟 者的應力 對于大多數(shù)金屬 比值 B Sy均較接近 因而各種金屬的摩擦系數(shù) 相差很小 文獻 12 對此的解釋 認為是由于當兩種硬金屬發(fā)生摩擦時 其 B 及 Sy都較高而真實接觸面積 Ar卻很小 當軟金屬對硬金屬摩擦時 其 B及 Sy都較低而 Ar卻較大的緣故 事實上 將按簡單理論算得的摩擦系數(shù)絕對值與 通過試驗側(cè)得的數(shù)值作一比較 就可以證明它是不完全的 修正后的粘附理論 是一種較符合實際的理論 雖然它仍以簡單理論的模型為根據(jù)并作了若干假設 但它卻能解釋不少的摩擦現(xiàn)象 邊界摩擦 首先應該了解邊界摩擦的性質(zhì) 即這種摩擦特性主要取決于潤 滑油和金屬表面的化學性質(zhì) 其特征就在于相對滑動的兩金屬表面上形成了邊界 膜 進而應搞清楚物理吸附膜 化學吸附膜和化學反應膜形成的機理和特點 明 確前兩種邊界膜的潤滑性能稱為潤滑油的油性 后一種則叫極壓性 因為純粹的邊界摩擦只是在理想的光整表面間才能實現(xiàn) 而這種理想的光整 表面實際上并不存在 因此不可能有純粹的邊界摩擦 實際上 我們所說的邊界 摩擦都是邊界摩擦與干摩擦的混合 例如 當兩摩擦表面間的間隙很小或機器起 動機停車時 均會出現(xiàn)這種摩擦狀態(tài) 混合摩擦 首先應了解產(chǎn)生混合摩擦的條件 明確混合摩擦是一種兼有干 摩擦 邊界摩擦和流體摩擦的平均性質(zhì)的摩擦 例如 在滑動軸承中當軸頸滑動 速度不足或潤滑不足 而載荷過大時 便可產(chǎn)生這種混合摩擦 如內(nèi)燃機的連桿 銷 十字滑快銷和活塞銷等 甚至正確設計和計算能達到流體摩擦的軸承在啟 動 停車及在磨合時間內(nèi)也不可避免的會產(chǎn)生混合摩擦 此外 如在油中有硬質(zhì) 顆粒 其尺寸超過了油膜厚度 也會發(fā)生混合摩擦 如何評定混合摩擦時表面微觀峰尖與油墨分擔載荷的情況 教材中介紹了膜 厚比公式 4 1 即 h min Ra1 Ra2 它表示隨著 的增加 油膜所承擔的載 荷也增加 這是一個主要用于定性 且可粗略用來定量的公式 可供設計是確定 摩擦狀態(tài)的參考 流體摩擦 本小節(jié)中 對液體摩擦只作為一種摩擦狀態(tài)來介紹 沒有涉及 一些理論分析問題 因而只需掌握兩點 a 由于流體摩擦時摩擦面件的油膜厚 度足夠大 5 油分子大都不受金屬表面的吸附作用的支配而能自由移動 摩擦表現(xiàn)為油的粘性 b 形成流體摩擦是有一定條件的 3 講授 4 2 磨損 一節(jié)內(nèi)容時應注意的問題 首先應對機件磨損的普遍規(guī)律 及圖 4 6 所表示的磨損曲線 有一個初步 的認識 從而明確設計者的職責在于采取措施 力求縮短磨合期 延長穩(wěn)定磨損 期 推遲劇烈磨損期的到來 教材中所討論的五種形式的磨損 主要根據(jù) J T Burwell 提出的分類方法 對這五中磨損形式的機理 讀者應有一個概括性的認識 其中 粘附磨損 磨粒 磨損和疲勞磨損是應掌握的重點 對腐蝕磨損 沖蝕磨損以及復合形式的磨損 即粘附 磨粒 疲勞和腐蝕磨損形式的復合 微動磨損則只需有個基本概念 即可 順便指出 這些磨損形式可隨工作條件的變化而轉(zhuǎn)化 對于通常的機械摩擦 副 主要是隨相對滑動速度和載荷的變化而變化 這幾種磨損形式中的粘附磨損 磨粒磨損及疲勞磨損 在以后分析齒輪傳 動 蝸桿傳動 滑動軸承和滾動軸承的失效形式時均會碰到 因而要善于把三種 磨損形式的機理和有關基本概念與以后有關章節(jié)中所講到的零件具體的聯(lián)系起來 以便進一步深化概念 4 講授 4 3 潤滑劑和潤滑方法 一節(jié)時應注意的問題 首先應對潤滑的作用 潤滑劑的種類有一個初步的了解 對于潤滑油 潤滑脂的主要質(zhì)量指標這一小節(jié)中 重點是潤滑油 對潤 滑脂只作一般了解即可 潤滑油的諸質(zhì)量指標中 重點要了解粘度指標 明確潤滑油是牛頓液體 油的粘 度是流體潤滑中極為重要的一個因素 對常用的粘度單位 動力粘度 運動粘度 條件粘度 的定義 量綱及不同粘度單位的相互換算方法應能掌握 并對潤滑油 的粘 溫特性 粘 壓特性有一個初步概念 關于其它指標 只需建立一個印象 以便需要時查閱有關手冊 潤滑油 潤滑脂的添加劑種類很多 主要了解添加劑的作用 特別是油 性添加劑 極壓添加劑對提高潤滑油邊界膜的強度所起的作用 潤滑油或潤滑脂的供應方法在設計中是很重要的 最好能結(jié)合生產(chǎn)實際 掌握這一部分內(nèi)容 5 流體潤滑原理這一節(jié) 4 4 中 流體動力潤滑時學習本門課程時需掌 握的一個重要內(nèi)容 學習流體動力潤滑時 主要在于搞清兩滑動表面間動壓油膜 的形成原理 對彈性流體動力潤滑這一部分內(nèi)容只要求建立一個初步的概念 這 部分內(nèi)容寫的比較概括 為便于理解 這里作一些簡單的補充說明 彈性流體動力潤滑理論是計入了高壓下油的粘 壓特性在流體動壓油膜形成 中所起的重要作用 以及引起接觸區(qū)材料彈性變形的壓力與流體動力潤滑油膜壓 力的相互關系 例如 對于某些做相對滾動或滾動 滑動的兩個受潤零件 載荷 的傳遞是通過零件的局部接觸來實現(xiàn)的 如外嚙合齒輪的輪齒之間 滾動軸承的 滾動體與套圈之間 凸輪與從動件之間等 因為局部壓力很高 這時接觸區(qū)的 局部彈性變形量與油膜厚度差不多具有同樣的數(shù)量級 因而都不能予以忽略 在 這種載荷條件下 接觸體的局部彈性變形構(gòu)成立了受潤零件間的油膜形狀 而這 個油膜形成的流體動壓力又起到使接觸體產(chǎn)生彈性變形的作用 它們之間相互影 響 互為因果 這就構(gòu)成了彈性流體動力潤滑理論的研究內(nèi)容 兩個受潤零件是否能形成彈性流體動力潤滑 不僅要看局部受載的大小和形 成流體動壓油膜的所需的條件如何 而且還取決于接觸體材料的彈性和油的粘 壓特性 彈性流體動力潤滑理論的研究目的是根據(jù)這種理論來求出高副接觸處的 最小油膜厚度 根據(jù)對彈性流體動力潤滑理論進行的大量計算結(jié)果 發(fā)現(xiàn)了如下的普遍規(guī)律 a 在靠近接觸區(qū)口處突然出現(xiàn)第二峰值壓力 見圖 4 18 第二峰值壓力不可 忽視 因為它的數(shù)值很大而范圍極窄 可能產(chǎn)生很高的表層下的應力 從而 導致零件的點蝕破壞 b 在出口處的油膜厚度出現(xiàn)一種縮頸現(xiàn)象 使得 hmin比接觸區(qū)平行部 的油膜厚度 h0小 25 這可解釋為 當油從高壓接觸區(qū)排出后就迅速擴散開 壓 力便急劇下降 此時要保持流動的連續(xù)性 通道截面 即油膜厚 即必須減小 因而形成了這一油膜局部收縮現(xiàn)象 c 為了實現(xiàn)彈性流體動力潤滑 必須計算其膜厚比是否能滿足要求 關于流體靜力潤滑只需了解其原理與流體動力潤滑的本質(zhì)區(qū)別即可 三 本章教學工作的組織及學時分配 本章的教學內(nèi)容安排 2 個學時 以多媒體手段結(jié)合掛圖為主來共同完成該章 的教學任務 第五章 螺紋聯(lián)接和螺旋傳動 一 本章主要內(nèi)容 特點 及教學要求 1 本章主要內(nèi)容包括兩部分 第一部分為螺栓聯(lián)接的設計 包括螺栓聯(lián)接的 預緊 強度計算 螺栓組結(jié)構(gòu)設計 受力分析及提高聯(lián)接強度的措施 第二部分 為滑動螺旋傳動的設計計算方法 2 本章特點是內(nèi)容包括螺紋聯(lián)接和螺旋傳動兩個部分 前者屬于聯(lián)接 后者 屬于傳動 二者在內(nèi)容上雖有一定的聯(lián)系 但在設計要求上卻有很大的差別 3 本章的教學要求 1 對于螺紋聯(lián)接的基本知識 5 1 5 4 應了解螺紋及螺紋聯(lián)接的類 型 特性 標準 結(jié)構(gòu) 應用場合及有關的防松方法等 以便在設計時能夠正確 的選用它們 2 對于螺紋聯(lián)接設計及強度計算部分 5 5 5 7 應掌握其結(jié)構(gòu)設計 原則及強度計算的理論與方法 能正確進行螺拴組的受力分析 能較為合理的設 計出可靠的螺栓組聯(lián)接 3 對于螺旋傳動部分 主要是掌握螺旋傳動性能 效率 自鎖等 對螺紋選 型的要求及主要零件 螺桿 螺母 的設計計算方法 并通過一種基本類型 螺 旋起重器的設計 了解滑動螺旋傳動的主要設計過程 二 本章重點 難點 及注意事項 1 本章重點有兩個 其一是各類不同外載荷情況下 螺栓組中各螺栓的受力 分析 其二是螺栓聯(lián)接的強度計算 尤其是承受軸向拉伸載荷的緊螺栓聯(lián)接的強 度計算 2 本章中較為復雜的問題是承受傾覆力矩的底板螺栓組聯(lián)接的設計 實用中 常把這種螺栓組聯(lián)接設計成傾覆力矩作用在結(jié)合面的垂直對稱面內(nèi) 并做出一些 假設 如底板為絕對剛性體 地基與螺栓皆為均質(zhì)彈性體等 使問題得到簡化 3 本章教學注意事項 1 5 1 5 4 都是敘述性的內(nèi)容 對做好螺栓聯(lián)接的設計是必不可少的基 本知識 應當引導學生閱讀機械設計手冊 2 螺紋及螺紋聯(lián)接件大都已標準化 設計時 對不太重要的螺紋聯(lián)接一般只 需根據(jù)不同情況進行選用 不許自行設計 對重要的螺紋聯(lián)接 設計計算也只是 確定螺栓危險截面的直徑 螺紋小徑 螺紋聯(lián)接的其它部分尺寸由標準選定 但是 這并不排斥在個別特殊情況下 根據(jù)特殊的需要而自行設計某種非標準的 螺紋聯(lián)接件 3 螺紋聯(lián)接的設計主要是螺栓組聯(lián)接的設計 因為工程實際中螺栓聯(lián)接通常 是成組使用的 其設計工作包括兩部分內(nèi)容 第一部分內(nèi)容是正確進行結(jié)構(gòu)設 計 通過受力分析找出受力最大的螺栓 第二部分內(nèi)容是按照單個螺栓聯(lián)接的強 度計算公式來設計這個受力最大的螺栓的尺寸 其余的螺栓則按同樣尺寸選用 4 在設計螺栓組聯(lián)接時 應正確解決以下幾個問題 螺栓組的布置 螺栓組中螺栓的個數(shù)及其在結(jié)合面上的布置方案 一般可 參考現(xiàn)有設備按經(jīng)驗確定 不同的布置方案將影響總的載荷在各個螺栓上的分配 在計算總載荷在各螺栓中的分配時 可以采用這樣的步驟 先講總載荷分解 分 解后所得到的載荷不外乎軸向力 橫向力 扭矩和彎矩的等四種基本情況 接著 就按這四種情況分別進行載荷分配計算 然后再迭加起來 便得到了總載荷在各 螺栓中的分配情況 在這四種基本情況中 承受傾覆力矩的地板螺栓組聯(lián)接的載 荷分配計算是一個難點 學習時要注意所采用的簡化假定及受載前后各部分的載 荷和應力變化的關系 確定螺栓的擰緊力矩 緊螺栓聯(lián)接所需要的扳手力矩和由此而產(chǎn)生的預緊 力的大小 可以利用機械原理中關于螺旋副摩擦阻力的公式進行計算 擰緊力矩 過大 將對強度產(chǎn)生不利的影響 而過小又不能保證聯(lián)接的可靠性 因此 對于 重要的螺栓聯(lián)接 擰緊力矩或預緊力必需加以控制 所以 進行計算是必要的 而且應將計算的結(jié)果標注到相應的裝配圖紙上 于這一問題相聯(lián)系的扳手擰緊力 矩或預緊力的測定方法 以及擰緊后的防松措施 也必需考慮好 確定螺栓直徑 螺栓的直徑計算是整個螺栓聯(lián)接設計的核心部分 因為只 要直徑確定了 就可以根據(jù)標準確定螺栓其它部分的尺寸 螺栓的長度可根據(jù)杯 聯(lián)接零件的厚度和螺母 墊圈等的厚度來確定 教材中介紹了螺栓直徑的簡化 計算方法 以及螺母按疲勞強度的精確校核方法 在螺栓疲勞強度的精確校核中 螺栓聯(lián)接的受力變形線圖應該給予特別的注意 弄清楚為什么當緊螺栓受到軸向 拉伸載荷時 它的預緊力會變小 而螺栓的總載荷并不是預緊力與外載荷的和 在這個基礎上 了解為什么降低螺栓剛度 增大被聯(lián)接件剛度以及增大預緊力可 以提高螺栓的抗疲勞能力 提高螺栓聯(lián)接強度的措施 在初步確定以上三個問題的解決方案的基礎上 還應進一步考慮如何提高螺栓聯(lián)接的強度 在各類機器中所見到的各種螺紋聯(lián)接 件 大多數(shù)是標準化了的 但是也有許多重要的螺栓聯(lián)接 所用的螺栓 螺母或 墊圈具有各種非標準的形狀 其原因可以從提高螺栓聯(lián)接強度的措施這一節(jié)中找 到答案 應該注意的是 提高螺栓聯(lián)接強度并不是只有加粗直徑這一途徑 有時 候 其它的措施可能更為合理 更為有效 特別是對于受變載荷的螺栓聯(lián)接 三 本章內(nèi)容的分析與補充 1 螺紋 5 1 由于各類螺紋大多已標準化 少量未標準化的也有了推薦尺寸 因而 在講 授表 5 1 時 要從工藝性 工作時的自鎖性 強度 適宜于承受載荷的類型 密 封性 傳動效率等方面進行互相比較 掌握它們的特點及應用范圍 這里應該指 出 一般的三角形螺紋聯(lián)接是不能起密封作用的 所有的螺紋聯(lián)接都不能保證螺 桿與螺母之間有較高的同心度 因此 一般地說 不能用它們來滿足某種定位的 要求 2 螺紋聯(lián)接的類型和標準聯(lián)接件 5 2 螺紋聯(lián)接的種類很多 基本形式有螺栓聯(lián)接 雙頭螺柱聯(lián)接和螺釘聯(lián)接三種 它們分別適用于不同的情況 包括被聯(lián)接件的不同厚度和形狀 不同的材料以及 聯(lián)結(jié)的裝拆要求等 緊釘螺釘聯(lián)接及地腳螺栓聯(lián)接則是兩類特殊用途的聯(lián)接 因 而具有與一般聯(lián)接螺紋不同的形狀 這些聯(lián)接用的零件都已標準化 設計時應根 據(jù)有關標準選用 3 螺紋聯(lián)接的預緊 5 3 預緊力與擰緊力舉之間的關系式是根據(jù)機械原理課程中關于螺紋的摩擦力矩 的計算公式得出的 應該注意到 由于螺紋聯(lián)接中實際產(chǎn)生的預緊力比扳手一端 所施加的擰緊力要大許多倍 因此 重要的螺栓聯(lián)接要采用適當?shù)姆椒ㄅc工具來 控制擰緊力矩 使之既能達到預緊的目的 又不致擰斷螺栓 4 螺紋聯(lián)接的防松 5 4 應該指出 放松的根本點在于防止螺母和螺栓的相對轉(zhuǎn)動 凡能達到這個目 的的措施 都可列為防松方法 一般地說 機械防松要比摩擦防松更為可靠 但 成本較高 因而只宜用于比較重要的或機器內(nèi)部不容易檢查到的地方 5 螺紋聯(lián)接的強度計算 5 5 對于一般的緊螺栓聯(lián)接 在進行強度計算時 可以將總拉力增大 30 以考慮 擰緊時的扭轉(zhuǎn)切應力的影響 由于螺栓的相對剛度不易計算準確 總拉力也不宜 計算準確 因此 這一計算時近似的 但可以認為是偏于安全的 另外 在計算 時假定應力在危險截面上均勻分布 實際上 在螺紋根部有嚴重的應力集中 這 一點在變應力計算中通過綜合影響系數(shù) K 來考慮 在強度計算公式中 許用應力 由屈服極限 S除以安全系數(shù) S 得出 而 安全系數(shù)則由表 5 11 查出 應該注意 這時在強度計算公式中所使用的載荷必 須是計入各種影響后螺栓承受的總的載荷 對于松螺栓聯(lián)接 這個總載荷就是工 作載荷 F 對于只承受預緊力的緊螺栓聯(lián)接 這個總載荷要考慮擰緊力矩的影響 它等于預緊力 QP的 1 3 倍 對于同時承受軸向工作載荷的緊螺栓聯(lián)接 要考慮受 載后補充擰緊的影響 這個總載荷是總拉力 Q 的 1 3 倍 對于絞制孔用螺栓聯(lián)接 的強度計算 所用的安全系數(shù)也由表 5 11 給出 6 螺栓組聯(lián)接的設計 5 6 本節(jié)除應掌握螺栓組聯(lián)接結(jié)構(gòu)布置的一些原則外 還應注意到有些簡化假設 是有一定條件的 例如 假設絞制孔用螺栓組聯(lián)接在受橫向載荷時 各個螺栓均 勻受力 這種假設只適用于沿載荷作用方向排列的螺栓個數(shù)不很多的情況 下面對受傾覆力矩的螺栓組聯(lián)接的受力分析做一些補充說明 1 計算時假定地板是剛性的 傾轉(zhuǎn)時不變形 即仍能保持為平板 地基與 螺栓則是彈性的 同時 假定地板在受到傾覆力矩作用時 將繞對稱軸線 O O 旋 轉(zhuǎn) 參閱教材圖 5 27 后面的分析及所得到的計算公式都是在這個假定的前提下 產(chǎn)生的 這一假定對于剛性 例如剛或鑄鐵的 底座安裝在彈性 例如水泥的 地基上是合適的 如果不是這樣 則隨著地基和螺栓的剛度的不同 傾轉(zhuǎn)中心的 位置將發(fā)生變動 對于圖 5 27 所示的受力情況 如果地基相對螺栓來說 剛度 增大 傾轉(zhuǎn)中心將移向右側(cè) 各螺栓和地基所受的載荷情況將隨之而變動 其變 動情況可以用相同的方法進行分析 2 螺栓組中受力最大的螺栓的工作拉力 Fmax可由式 5 31 計算出 即 其中各符號的意義見教材 21maxmax iziLMLF 這里應注意的是 F 只是受力最大的螺栓中的工作載荷 它的總載荷應力 Q F Q 設計時應按總載荷 Q 來計算螺栓所需的最小直徑 3 為了防止結(jié)合面受壓最大處壓碎或受壓最小處出現(xiàn)間隙 應按式 5 32 及 5 33 檢查 受載后的 不超過允許值 不小于零 即 ppp maxmax0in 這里 代表由于加載而在地基結(jié)合面上產(chǎn)生的附加擠壓應力的最大值 它由公 式 5 34 計算 bmpCMW1max 其中