项目一机械概述.docx
- 文档编号:27349528
- 上传时间:2023-06-29
- 格式:DOCX
- 页数:22
- 大小:29.94KB
项目一机械概述.docx
《项目一机械概述.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《项目一机械概述.docx(22页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
项目一机械概述
项目一 机械概述
§1-1 机器的组成
机器是现代社会生产劳动的主要工具之—,是社会生产力发展水平的重要标志。
一、机器和机构
1.机器
机器的种类繁多,如电动机、机床、机器人、汽车等。
它们的结构形式和用途虽各不相同,但从其组成、运动和功能角度看,却具有下列共同特征:
(1)机器是人工的物体组合;
(2)各部分(实体)之间具有确定的相对运动;
(3)能够转换或传递能量、物料和信,代替或减轻人类的劳动。
同时具有上述三个特征的机械称为机器。
2.机构
机构是人工的物体组合,各部分之间具有一定的相对运动。
机器与机构的区别主要是:
机器能完成有用的机械功或转换机械能,而机构只是完成传递运动、力或改变运动形式的实体组合。
机器包含着机构,机构是机器的主要组成部分。
一部机器可以只含有一个机构或多个机构。
3.机械
机器和机构的总称。
4.构件、零件
构件是指相互之间能作相对运动的机件(如实体)。
例如,
带传动机构中(图1-1),小带轮通过V带带动大带轮,大、小
带轮与V带之间都有相对运动,均是构件;而每个带轮与其轴,
以及联系带轮与轴的键,相互之间没有相对运动,所以不能看
成是构件。
带轮、键分别作为带轮构件系统的制造单元,叫轴、
做零件。
零件制成之后组合成构件。
构件可以由一个零件组
成,也可以由一组零件组成。
实体。
机构是机器的重要组成部分。
机器和机构统称为机械。
二、机器组成的四部分
机器的功能需要多种机构配合才能完成。
按照各部分实体的不同功能,一台完整的机器,通
・2・
图1-1 带传动机构
构件是运动的单元,零件是制造的单元,零件组成构件。
构件是组成机构的各个相对运动的
常由以下四个部分组成。
1.原动机部分
原动机部分也称动力装置,其作用是把其他形式的能量转变成机械能,以驱动机器各部分运
动、工作。
它是机器完成预定功能的动力源,常用的有电动机和内燃机等。
2.执行部分
执行部分也称工作部分(装置)。
它是机器中直接完成具体工作任务的部分,例如汽车的车
轮、缝纫机的机头等。
3.传动部分(装置)
这部分是原动机到工作机构之间的联系机构,用以完成运动和动力的传递和转换。
利用它
可以减速、增速、调速,改变转矩以及运动形式等,从而满足工作机构的各种要求。
传动机构在各
种机器中占有重要地位,对机器的结构和外形都有重大影响。
4.操纵或控制部分
这部分的作用是显示和反映机器的运行位置和状态,控制机器正常运行和工作。
控制装置
可采用机械、电子、电气、光波等。
简单的机器一般由上述的前三部分组成,有的甚至只有原动机和执行部分,如水泵、排风扇
等。
而现代新型的自动化机器,如数控机床、加工中心等,控制部分(包括检测)的地位愈来愈重
要。
§1-2 金属材料的性能
材料是机器的物质基础。
金属材料的性能是选择材料的主要依据。
金属材料的性能一般分
为工艺性能和使用性能。
工艺性能是指金属材料从冶炼到成品的生产过程中,在各种加工条件
下表现出来的性能;使用性能是指金属零件在使用条件下金属材料表现出来的性能。
金属材料
的使用性能决定了它的使用范围。
使用性能包括物理性能、化学性能和力学性能。
一、金属材料的物理性能
金属的物理性能是金属所固有的属性,它包括密度、熔点、导热性、热膨胀性和磁性等。
1.密度
金属的密度即是单位体积金属的质量,其单位为kg/m。
根据密度的大小,金属材料可分为轻金属和重金属。
密度小于4.5gcm的金属叫做轻金/
属。
密度是金属材料的一个重要物理性能,与材料的使用和检测等都有关系。
例如,在航空工业
和汽车工业中,为了增加有效载重量,密度是需要考虑的重要因素。
2.熔点
金属从固体状态向液体状态转变时的温度称为熔点。
熔点一般用摄氏温度(℃)表示。
各种
金属都有其固定熔点。
熔点对于冶炼、铸造、焊接和配制合金等都很重要。
易熔金属及合金可用来制造熔断器和防
火安全阀等零件;难熔金属及合金则用来制造要求耐高温的零件,广泛用于火箭、导弹、燃气轮机
・3・
3
3
和喷气飞机等。
熔点低于1000℃的金属称为低熔点金属,熔点在1000℃~2000℃的金属称为中熔点金
属,熔点高于2000℃的金属称为高熔点金属。
3.导热性
金属材料传导热量的能力称为导热性。
一般用热导率(导热系数)λ表示金属材料导热性能
的优劣。
热导率大的金属材料的导热性好。
热导率的单位为W/(mK)。
在一般情况下,金属材・
料的导热性比非金属材料好。
金属的导热性以银为最好,铜、铝次之。
导热性好的金属散热也好,可用来制造散热器零件。
4.热膨胀性
金属材料在受热时体积会增大,冷却时则收缩,这种现象称为热膨胀性。
各种金属的热膨胀
性能不同。
常用线膨胀系数α表示热膨胀性。
如铁在0℃~100℃时α=11.76×10ll
温度升高1℃铁增加11.76μ/m。
m
在实际工作中有时必须考虑热膨胀的影响。
例如,一些精密测量工具就要选用膨胀系数较
小的金属材料来制造;铺设铁轨,架设桥梁,金属工件加工过程中测量尺寸等都要考虑到热膨胀
的因素。
5.导电性
金属材料传导电流的性能称为导电性。
所有的金属都具有导电性,但各种金属材料的导电
性各不相同,其中以银为最好,铜、铝次之。
工业上,用铜、铝做导电的结构材料。
导电性差的高
电阻金属材料,如铁铬合金、镍铬铝、康铜和锰铜等用于制造仪表零件或电热元件。
6.磁性
金属导磁的性能称为磁性。
具有导磁能力的金属材料都能被磁铁吸引。
铁、钴等为铁磁性
材料,锰、铜、铬、锌为无磁性或顺磁性材料。
但对某些金属来说,磁性也不是固定不变的,如铁在
768℃以上就表现为没有磁性或顺磁性。
铁磁性材料可用于变压器、测量仪表等制造业;无(顺)磁性材料可用做要求避免磁场干扰的
零件和结构材料。
二、金属材料的化学性能
金属材料的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能,如耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳
定性等。
1.耐腐蚀性
金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀作用的能力,称为耐腐蚀性。
常见的
钢铁生锈,就是腐蚀现象。
腐蚀对金属材料危害很大,每年都有大量的钢铁被锈蚀。
严重时还会使金属构件遭到破坏
而引发重大恶性事故,特别是在腐蚀介质中工作的金属材料制件(如制药、制酸、碱、肥等化制化
工设备),必须考虑金属材料的耐腐蚀性能。
2.抗氧化性
金属材料抵抗氧化作用的能力,称为抗氧化性。
金属材料在加热时,氧化作用加速,如钢材在锻造、处理、接等加热作业时,会发生氧化热焊
・4・
-6
℃
-1
,即
和脱碳,造成材料的损耗和各种缺陷。
因此,在加热坯件或材料时,常在其周围制造一种还原气
体或保护气体,以避免金属材料的氧化。
3.化学稳定性
化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。
金属材料在高温下的化学稳定性叫
做热稳定性。
所以,用于制造在高温下工作的零件的金属材料,要有良好的热稳定性。
三、金属材料的力学性能
金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的抵抗性能。
金属材料在加工
和使用过程所受的作用力称为载荷(或称负载或负荷)。
根据载荷作用性质不同,可分为静载荷、
冲击载荷和交变载荷。
在这些载荷作用下,金属材料的力学性能主要指标有强度、塑性、硬度、韧
性和疲劳强度等。
1.强度
强度是金属材料在静载荷作用下,抵抗变形和破坏的能力。
抵抗能力越大,则强度越高;强
度越高的材料越能承受较大的外力而不变形和破坏。
由于材料承受载荷的方式不同,其变形有多种形式,所以材料的强度又分为抗拉、压、抗抗
扭、抗弯、抗剪等的强度,其中最常用的强度是抗拉强度或强度极限σ。
b
强度极限σ可以通过拉伸试验测定。
σ表示材料在拉伸条件下所能承受的最大应力,是bb
机械设计和选材的主要依据之一。
2.塑性
塑性是金属材料在静载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力。
塑性指标用伸长率δ和
断面收缩率ψ来表示。
δψ值越大,表示材料的塑性越好。
材料具有塑性才能进行压力加工;塑性好的材料制成、
的零件在使用时也较安全。
3.硬度
硬度是衡量金属材料软硬的一个指标。
一般可认为,硬度是指金属材料抵抗其他更硬物体
压入其表面的能力,是金属材料表面上不大体积内抵抗变形或破坏的能力。
它是材料塑性、强度
等性能的综合表征。
硬度试验条件简便,又不破坏零件,因此硬度广泛应用于检验原材料和热处
理件的质量,以及鉴定热处理工艺的合理性等。
硬度也是设计图样上的技术参数之一。
硬度试验方法可分为压入法和刻划法。
在生产上最常用的是压入法硬度试验,即布氏硬度
(HB)、洛氏硬度(HRC、HRB、HRA)和维氏硬度(HV)。
(1)布氏硬度(HB)
布氏硬度测定原理是用一定的作用力,把一定直径的淬火钢球或硬质合金球压入测试件表
面,保持一定时间后卸除力,测量压痕直径,以压痕单位面积上的压力表示材料的布氏硬度值,用
符号HBS(淬火钢球)或HBW(硬质合金球)表示。
在实际生产中,测试在布氏硬度机上进行,布
氏硬度值并不计算,也不用标注单位,只需测出压痕直径,查布氏硬度表即可得出HB值。
布氏硬度用于测定铸铁、铁(有色)金属、合金结构钢等原材料以及结构钢调质件的硬非低
度。
不能测试很硬(HBS≥450)、很薄以及表面质量要求高的工件。
(2)洛氏硬度
・5・
洛氏硬度试验是用锥角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588mm(1/16in)的钢球作为压头,
加上定载荷(载荷先后两次施加),使压头压入试件表面,根据压痕深度确定其硬度值。
根据试验
用的压头与载荷不同,洛氏硬度分为HRA、HRB、HRC三种,其中以HRC应用最广。
洛氏硬度值
可直接从试验机的表盘上读出,不需计算和标出单位。
洛氏硬度试验操作迅速简便,压痕小,可在工件表面进行试验,可测定各种金属材料的硬度,
也可测定较薄工件或表面薄层的硬度。
它是目前应用最广的硬度试验方法。
其缺点是因为压痕
较小,代表性差。
布氏硬度与洛氏硬度由于试验条件不同,因而两种硬度没有换算关系。
为了比较,可查各种
硬度对照表。
(3)维氏硬度(HV)
维氏硬度测试原理基本上与布氏硬度试验相同,也是根据压痕单位面积上的载荷来计量硬
度值。
但压头是一个两相对面间夹角为136°金刚石正四棱锥压头。
试验用的载荷,可根据试的
样大小、厚薄等条件进行选择。
在实际应用中,维氏硬度一般不进行计算,可根据压痕对角线的
长度,直接从表中查得。
维氏硬度因试验时所加的载荷较小,压入深度浅,故可测量较薄材料和表面硬化层的硬度,
而且维氏硬度值具有连续性[(10~1000)HV],可测定从极软到极硬的各种金属材料的硬度。
但
测试手续较繁,生产率不如洛氏硬度高,所以不宜用于成批生产的常规检验。
4.韧性
金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力,称为韧性。
材料的冲击韧性一般在一次摆锤
冲击试验机上进行测试,测得试样在冲断时断口单位面积所消耗的冲击吸收功,称为冲击韧度或
冲击值,常用ak表示①,其单位为J/cm。
ak值越大,冲击韧度越高。
承受冲击载荷的机器零件,
2
需要用具有较好韧性的材料制造。
5.疲劳强度
金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。
实际
上,金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验,所以一般试验时规定,钢在经受10次、有色金
属经受10次交变载荷作用时不产生断裂的最大应力称为疲劳强度。
当施加的交变应力是对称
循环力时,所得的疲劳强度用σ-1表示。
由于疲劳断裂是突然发生的,具有很大的危险性,所以要选择疲劳强度较好的材料来制造承
受交变载荷的机器零件,如轴、齿轮、弹簧等。
四、金属材料的工艺性能
金属材料的工艺性能是指其在各种加工条件下表现出来的适应能力,包括铸造性、压性、锻
焊接性、切削加工性、热处理性等。
1.铸造性
金属材料能否用铸造方法制成优良铸件的性能,称为铸造性能,又称可铸性。
铸造性能主要
Ak
,其中Ak为冲断试样所消耗的冲击功,J;A为试样缺口处的截面积,cm2。
A
8
7
①
ak=
・6・
决定于金属材料熔化后即金属液体的流动性,冷却时的收缩率和偏析倾向等。
不同的金属材料,
其铸造性差异较大。
常用金属材料中,灰铸铁具有优良的铸造性能,铸钢的铸造性低于铸铁。
铸
造铝合金和铸造铜合金的铸造性也较好。
2.锻压性或可锻性
金属材料能否用锻压方法制成优良锻压件的性能,称为锻压性或可锻性。
锻压性一般与材
料的塑性及其塑性变形抗力有关。
在一般情况下,材料塑性好,变形抗力小,则锻压性也好。
低
碳钢的锻压性最好,中碳钢次之,高碳钢则较次。
低合金钢的锻压性近似于中碳钢,高合金钢的
锻压性比碳钢差。
3.焊接性
金属材料在一定焊接条件下,是否易于获得优良焊接接头的能力称为焊接性或可焊性。
它
取决于焊缝产生裂纹、气孔等倾向。
焊接性能好的材料易于用一般的焊接方法和工艺焊接,焊接
时不易产生裂纹、气孔等缺陷。
焊缝接头有一定的力学性能。
低碳钢有较好的可焊性,高碳钢较
差,铸铁则更差。
铜、铝合金的可焊性一般都比碳钢差。
§1-3 机械零件的强度
强度是零件应满足的基本要求。
零件强度是指零件受载后抵抗断裂、性变形和表面失效塑
的能力。
为了保证零件具有足够的强度,必须使零件在受载后的工作应力σ不超过零件的许用
应力[σ]。
其表达式为
σ≤[σ 或 σ=]
F
≤[σ]
A
式中F是载荷,A是截面积。
利用上式计算零件的几何尺寸,是零件设计计算;如果零件尺寸已
知,由上式校验零件的强度,则是校核计算。
零件工作应力的类型不同,可能是静应力(即应力不随时间变化或变化缓慢),也可能是交变
应力(即应力随时间变化);分布不同,其强度表现行为也不同。
一、零件的体积强度
零件受载时,如果应力在较大体积内产生,则称这种应力状态下的零件强度为体积强度。
零件工作应力是静应力时,则体积强度主要表现为抵抗延性断裂或脆性断裂或塑性变形。
或者说,在静应力作用下,零件体积强度不能满足工作要求,主要失效形式是(延性或脆性)断裂
或塑性变形。
为了保证零件正常工作,必须满足零件的强度条件。
其具体强度条件及其计算将
在第三章讨论。
零件工作应力是交变应力时,其体积强度表现为抵抗疲劳断裂的能力,即疲劳强度。
即在交
变应力作用下,零件的失效形式是疲劳断裂。
疲劳断裂与应力的大小、环特性、循应力循环次数
有关。
为了保证零件在变应力下正常工作,其强度条件为
Σβrσσ
σ≤[σ]=
K0N
式中 Σ——零件尺寸系数;σ—
・7・
β ——零件表面状态系数;—
σ(σ-1、0)——零件材料的疲劳强度;σ—r
K0
N
——应力集中系数;—
——安全系数。
—
二、零件的表面强度
零件受载时,如果应力是在较浅的表层内产生,则称这种应力状态下的零件强度为表面强度。
两零件表面接触而无相对运动,承载后表面间因相互挤压作用而产生挤压应力。
此时零件
强度表现为抵抗表面压溃或表面塑性变形,即表面挤压强度。
有关表面挤压强度条件计算在第
三章详述。
机械中的高副,如齿轮副、蜗杆副、凸轮副、滚动轴承中的滚动体与套圈等,由于接触面很小,
即点接触或线接触,表层的局部应力很大,这种应力称为接触应力。
其中较大接触应力用σ表H
示。
接触应力一般都是变应力。
在接触应力作用下零件的强度称为接触强度。
当接触应力超过
材料相应疲劳强度时,零件表层金属便从本体剥落,形成小坑,这种现象称为疲劳点蚀。
疲劳点
蚀损坏了零件工作表面,使零件失效。
为保证零件正常工作,接触疲劳强度条件为
σlimH
σ≤[σ]=HH
NH
式中 σ ——接触应力;—H
[σ]——零件的许用接触应力;—H
σlim——零件材料的接触疲劳强度(实验测得);—H
NH
——接触强度安全系数(取1或稍大于1)。
—
§1-4 摩擦和磨损
摩擦和磨损是自然界和社会生活中普遍存在的现象。
有时人们利用它们有利的一面,例如
车辆行驶、带传动和制动等是利用摩擦作用,精加工中的磨削、抛光等是利用磨损的有用方面。
由于摩擦存在造成了机器的磨损、热和能量损耗。
据估计,目前世界上约有30%~50%的能发
量消耗在各种形式的摩擦中,约有80%的机器是因为零件磨损而失效。
因此,零件的磨损是决
定机器使用寿命的主要因素。
一、摩擦
摩擦是指两物体的接触表面阻碍它们相对运动的机械阻力。
摩擦的基本概念、分类、摩擦状态及物理值见表1-1。
・8・
表1-1 摩擦概念、分类、摩擦状态及物理值
概 念
基
本
概
念
静态摩擦
(起动摩擦)临界摩擦
动态摩擦
惯性摩擦
注 释
两个相对相互静止物体间的摩擦。
此时对物体施加的力(力矩)不够大,不致于产生相
对运动。
运动开始时的摩擦。
两个相对相互地运动物体间的摩擦。
运动结束时的摩擦,即速度大约为零时的摩擦。
移动
滑动摩擦
转动
分
类
滚动摩擦
球或压辊
滚滑动摩擦
滚动摩擦伴有滑动摩擦(打滑)
旋转摩擦
固
体
摩
擦
干摩擦
摩擦副在直接接触时产生的摩擦,摩擦因数大,磨损严重,应尽量避免。
滑动面部分地被氧化膜杂质、气体或液体覆盖。
摩擦因数比干摩擦小。
边界摩擦
摩
擦
状
态
液体摩擦
摩擦副被液体膜连续隔开下的摩擦。
这里可能产生液体静压的或液体动压的状态。
摩擦因数小,是理想的摩擦状态。
气体摩擦
摩擦副被气体膜连续隔开下的摩擦。
这里可能产生气体静压的和气体动压的状态。
摩擦因数小,是理想的摩擦状态。
混合摩擦
摩擦力FR
物
理
值
摩擦力矩MR=FR・r
摩擦功WR
摩擦功率PR=FRR・v
摩擦因数μ
固体摩擦和液体摩擦以及气体摩擦同时存在的摩擦。
摩擦力是指因摩擦而出现阻止相对运动的机械阻力。
摩擦力矩是指因摩擦而产生阻止转动的机械阻力。
为克服摩擦必要的且大部分转换成摩擦势的那部分功。
克服摩擦的必要功率。
由摩擦力:
μ=FR/FN
由摩擦力矩:
μ=MR/(r・FN)
・9・
二、磨损
运动副之间的摩擦将导致机件表面材料的逐渐丧失或转移,即形成磨损。
磨损会影响机器
的效率,降低工作的可靠性,甚至促使机器提前报废。
1.磨损过程
一个机件的磨损过程大致可分为三个阶段(图1-2)。
(1)跑合阶段
在运转初期,摩擦副的接触面积较小,单位面积上
的实际载荷较大,因此磨损速度较快,而且在不断变
化。
但随着跑合的进行,实际接触面积不断增大,磨损
速度在达到某一定值后,即转入稳定磨损阶段。
(2)稳定磨损阶段
这个阶段内,机件以平稳而缓慢的速度磨损,标志
着摩擦条件保持恒定不变。
这个阶段的长短代表着机
件使用寿命的长短。
(3)剧烈磨损阶段
经过稳定磨损阶段后,机件的表面遭到破坏,运动副中的间隙增大,引起额外的动载荷,出现
噪声和振动,最终导致失效。
这时就必须停机更换零件。
2.磨损的类型
大体上有两种分类方法:
一种是根据磨损结果着重对磨损表面外观的描述,如点蚀磨损、胶
合磨损、擦伤磨损等;另一种则是根据磨损机理分类,如粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损
及腐蚀磨损。
下面按后一种分类法对各种磨损的机理及影响因素作简要介绍。
(1)粘着磨损
当摩擦表面的不平度峰尖在相互作用的各点处发生“冷焊”,在相对滑动时,材料从一个表后
面转移到另一个表面,便形成了粘着磨损。
这种被转移的材料,有时也会再附着到原先的表面上
去,出现逆转移,或脱离所粘附的表面而成为游离颗粒。
严重的粘着磨损会造成运动副咬死。
这
种磨损是金属摩擦副之间最普通的一种磨损形式。
影响粘着磨损的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 项目一 机械概述 项目 机械 概述