第1章机械设计总论课件.

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1、1-1 概 述 1-2 机械设计的基本要求与计算准则 1-3 机械零件的强度计算 1-4 机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题,1 基本概念 2 机械设计研究的对象 3 机械的组成 4 机械设计课程的研究内容 5 机械设计课程性质和任务,1-1 概 述,机械（Machinery) 机器和机构统称。 机构（Mechanics） 机构是用连接副连接起来的、有一个构件为机架的构件系统。只能传递运动和力。 机器(Machine) 主要是指能代替人类劳动和进行能量转化的机械装置。如电动机、内燃机、机床、汽车、火车、飞机、轮船、起重运输机械、冶金矿山机械、轻纺食品机械等。 机械设计(Machine Desig

2、n) 为各种机械装置的进行设计，机械设计是为了满足机器的某些特定功能而进行的创造性过程，设计是创造性的劳动，设计的本质在于创新。本课程主要介绍机械设计中的一些基础知识。,1 基本概念,内燃机,2 机械设计的研究对象机械,内燃机由气缸体、曲轴、连杆、活塞、进气阀、排气阀、推杆、凸轮及齿轮等组成。,曲柄滑块机构（将活塞的往复直线运动转变为连续的转动）； 机构 凸轮机构（将凸轮的连续转动转变成推杆的往复直线运动）； 齿轮机构（改变转速的大小和方向）。,带 式 运 输 机,专用零件 通用零件,专用零件 是只能用于某类机械的零件如曲轴，燃气轮机的叶轮,3 机械的组成,典型机构,机械零部件,控制操作系统,

3、通用零件 各类机械都要使用的零件.如轴、齿轮、链传动等。,带 传 动,齿轮传动,蜗杆传动,螺纹联接,轴,键 联 接,轴承,联轴器,通用机械零部件的工作原理、特点、选用及设计计算,4 机械设计课程的研究内容,链 传 动,齿轮传动,蜗杆传动,带 传 动,链 传 动,螺纹联接,轴,轴承,联轴器,键联接,花键联接,部件： 为满足某一功能要求由多个零件组成的组件。如变速器、减速器等。该内容由课程设计完成。,汽车变速器,减速器,轴系零部件设计,轴,滚动轴承,轴系结构分析,链 传 动,5 机械设计课程性质和任务,性质： 技术基础课。其特点为针对性强、内容丰富、公式多、涉及前期课程内容多、实用性强。 任务：

4、树立正确的设计思想； 掌握一般机械设计的基本理论和方法、培养设计机械的能力，为后续课程打基础； 培养查阅、应用资料的能力,5其他要求：环保、噪音、外观等,一机械设计的基本要求（价廉物美、安全可靠）,1实现预定的功能，工作可靠；,2经济性好：设计和制造周期短、成本低，产品生产 效率高、能耗低维护管理费用少；,3操作方便，运行安全；,4标准化、系列化程度高：以便简化设计工作，提高 产品质量；,1-2 机械设计的基本要求与计算准则,二机械零件的工作能力,1 定义 零件的工作能力是指在一定的运动、载荷和环境情况下，在预定的使用期限内，不发生失效的安全工作限度。,2 机械零件的主要失效形式,过大弹性变形

5、零件的刚度不够引起,塑性变形工作应力超过材料的屈服极限S引起,疲劳断裂工作应力超过零件的疲劳极限r引起,过载断裂工作应力超过材料的强度极限B引起,压溃、过度磨损零件接触表面上的压应力p过大,胶 合 零件工作温升t过高引起,表面疲劳损坏零件表面接触应力H过大引起,失效机械零件由于某种原因不能正常工作（不等于破坏）,计算准则 用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据。对于具体的零件，应根据它们的主要失效形式，采用相应的计算准则。,三.机械零件的计算准则,1强度准则,强度指零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及表面疲劳失效的能力。强度是保证零件工作能力的最基本要求。,强度的计算准则为： = MPa 或 =

6、 针对断裂或塑性变形 H H 针对表面疲劳损坏,材料的极限正应力,正应力的安全系数,2刚度准则 针对过大弹性变形 刚度 指零件在一定载荷作用下抵抗过大弹性变形的能力。 刚度的计算准则为:y y ； ； 式中，y、和 分别为零件工作时的挠度、偏转角 和扭转角；,3耐磨性准则 针对过度磨损、胶合破坏 耐磨性指零件在载荷作用下相对运动的两零件接触表面抵抗磨损的能力。 p p 防止过度磨损 pv pv 防止胶合破坏,一般来说，满足刚度要求的零件强度总是足够的。 提高刚度的措施：增大或改变截面形状尺寸以增大截面惯性矩； 减小支承间的跨距；合理增加加强筋。,4振动和噪声准则 针对高速机械的振动失稳（即共振

7、） 当零件的固有振动频率f等于或趋近于零件的强迫振动频率f p时，将产生共振。这不仅影响机械正常工作，甚至造成破坏性事故，而振动又是产生噪声的主要原因。 防止共振的条件为：f p 087 f 或 f p 118 f 式中，f 零件的固有振动频率，取决于零件的质量和 刚度 f p 零件受激振源作用引起的强迫振动频率,计算准则,1-3 机械零件的强度计算,1.载荷和应力的分类 2.机械零件的失效形式及强度条件 3.疲劳强度的基本理论 4.稳定变应力状态下机械零件的疲劳强度计算 5.非稳定变应力状态下机械零件的疲劳强度计算 6.机械零件的接触强度,1.载荷和应力的分类,静载荷 大小和方向均不随时间变

8、化（或变化极缓慢）的载荷 变载荷 大小或方向随时间变化的载荷,1.1 载荷的分类,工作载荷: 机器正常工作时所承受的实际载荷（实测载荷谱）,名义载荷: 按原动机功率求得的载荷,P：功率；,N：机器转速；,计算载荷:,K载荷系数,考虑各种附加载荷的影响,(考虑内部和外部附加动载荷而引入的系数）,稳定循环载荷,不稳定循环载荷,随机变载荷,：传动效率；,i:传动比。,（难以确定工作载荷时，采用名义载荷）,静应力: 应力不随时间而变化,稳定循环变应力,不稳定循环变应力,变应力: 应力随时间而变化,随机变应力,本课程仅讨论循环变应力,1.2 应力,非对称循环变应力,脉动循环变应力,对称循环变应力,变应力

9、,1.3 变应力参数及典型变应力,1）变应力参数,最大应力：max 最小应力：min,应力循环特征：用来表示应力的变化情况 =min/max,平均应力：,max,m,min,a,a,应力幅：,a）静应力：= +1 变应力特例,b）非对称循环变应力 在（+1-1）间变化,c）对称循环变应力= -1,d）脉动循环变应力= 0,2）典型变应力及应力循环特征,2机械零件的失效形式及强度条件,静应力作用下过载断裂、塑性变形,（2）零件强度条件： = lim / S,脆性材料制造的零件：lim =b,塑性材料制造的零件：lim =S,变应力作用下零件极限应力 lim = N,（1）零件的失效形式,变应力作

10、用下疲劳破坏约占零件损坏事故中的80%,安全系数S的取值对零件的结构尺寸、工作可靠性均有影响，设计时应根据零件的重要性、零件材料的质量、载荷计算准确性等方面，合理选取，具体数值可参考设计资料。,零件损坏机理,静应力作用下：,危险剖面塑性变形或断裂,变应力作用下：,疲劳断裂,零件表面应力超过极限值,微裂纹,扩展,断裂,极限应力,静应力极限应力：,和 与材料性能有关,变应力疲劳极限：,与材料有关外，还与,（3）零件损坏机理和极限应力,b,S,3.疲劳强度的基本理论,疲劳极限定义：在任一给定循环特性r的条件下，经过N次循环后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力，称为疲劳极限N 。 描述应力循环次数N和疲

11、劳极限N间关系的曲线称为疲劳曲线。,疲劳曲线,3.1 N 疲劳曲线,D,无限寿命区：D点以后的疲劳曲线呈一水平线，其方程：,由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数N0(称为循环基数)，用N0及其相对应的疲劳极限r来近似代表ND和 r，于是有：,有限寿命区：机械零件的疲劳大多发生在sN曲线D点以前,有限寿命区间内循环次数N与疲劳极限rN的关系为：,式中， r、N0及m的值由材料试验确定。,N应力循环次数,N = 60 n th ,用疲劳曲线求取疲劳极限N的方法,无限寿命区（NN0） 疲劳极限：N = ， kN = 1,kN 寿命系数,有限寿命区（NN0)疲劳极限:,3.2 极限应力

12、图,为了得到各种循环特征r下的疲劳极限值，常借助于极限应力图。,用AC折线表示零件材料的极限应力图是其中一种近似方法。,A直线的方程为：,C直线的方程为：,为平均应力折合为应力幅的等效系数，表示材料对应力循环不对称性的敏感程度，其值由试验及下式决定：,利用极限应力图可求不同应力循环特征 r 时的疲劳极限,已知材料的机械性能,折线ADG上任一点，表示在,不同 r 时的疲劳极限,应力循环特征：,对应的疲劳极限：,等效系数,影响机械零件疲劳强度的主要因素，除材料性能、应力循环特征 和循环次数外，还应考虑应力集中、绝对尺寸、表面状态的影响,应力集中：零件剖面几何形状突变处疲劳极限降低,绝对尺寸：剖面绝

13、对尺寸大、出现缺陷概率大、疲劳极限降低,表面状态：表面光滑或强化处理、能提高疲劳极限,3.3 影响机械零件疲劳强度的主要因素,3.4 零件的极限应力图,由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因素等的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。,以弯曲疲劳极限的综合影响系数表示材料对称循环弯曲疲劳极限-1与零件对称循环弯曲疲劳极限-1e的比值，即,在不对称循环时，是试件与零件极限应力幅的比值。,将零件材料的极限应力线图 中的直线ADG 按比例向下移， 成为右图所示的直线ADG，而极 限应力曲线的 CG 部分，由于是 按照静应力的要求来考虑的，故 不须进行修正。这样就得到了零 件的

14、极限应力线图。,4.稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算,4.1 单向应力状态下机械零件的疲劳强度计算,（1）根据零件危险截面上的 max 及 min确定平均应力m 与应力幅a ； （2）在极限应力图的坐标上标示出相应于m 和a的工作应力点M或N。连接OM，ON得到M，N为相应的疲劳极限应力。 是极限应力曲线上的某一个点所代表的应力。,根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律，从而决定以哪一个点来表示极限应力。 机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：,应力比为常数：r=C 平均应力为常数m=C 最小应力为常数min=C,计算安全系数及疲劳强度条件为：,当工作点位于塑性安全区

15、时，极限应力点位于GC直线上，此时零件的强度由静强度决定，应以屈服强度安全系数为安全系数，即,在实际计算中，由于工作点所在区域不能判断，为安全计，疲劳强度和屈服强度安全系数同时计算。,零件产生塑性变形,单向应力状态下的安全系数计算（当常数时）,当工作点位于疲劳安全区M点时，求解 与AD直线的交点，得 ，可求得,对正应力的安全系数为：,同理，可得对切应力的安全系数为：,零件产生疲劳破坏,单向应力状态下的安全系数计算（ ）,M点,N点,单向应力状态下的安全系数计算（ ）,M点,N点,4,4.2 复合应力状态下机械零件的疲劳强度计算,当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力a 和a时，对于钢材通过实验得极限应力关系式为：,式中 a及a为同时作用的切向及法向应力幅的极限值。,由于是对称循环变应力，故应力幅即为最大应力。弧线 AMB 上任何一个点即代表一对极限应力a及a。,（,）,，,代入式（1）可得,将,（1）,（2）,当应力为对称循环单向应力时（ ）：,式（3）代入式（2）得对称循环的复合应力