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1、 第一章机械及机械零件设计概要 本章论述了机械设计课程教学内容总纲 设计基本知识和一些共性问题 一 机械 机器 的组成二 机械设计步骤三 零件的设计步骤四 课程的主要内容五 课程的特点六 学习要求七 达到的水平 国家教委制定 一 机械 机器 的组成我们以洗衣机为例 来说明机械的组成 二 机械设计步骤 计划阶段 提出要求 洗衣机 自动进水 洗涤 甩干 脱水 方案设计 提出尽可能多的解决方法 筛选 决策 评价 可靠性 经济上 选出最佳方案 单缸 双缸 滚筒 模糊控制 自适应控制 双模控制 技术设计 目的 确定机械中各个零部件的结构尺寸 量化 绘图 对方案具体实施 出图 技术文件编制 编制设计计算说
2、明书 三 零件的设计步骤失效的定义 在正常的工作条件下 机械零件丧失工作能力或达不到工作性能要求时 就称为零件失效 机械零件的失效形式 整体断裂 过大的残余变形 腐蚀 磨损和接触疲劳 机械零件的工作能力 强度 刚度 机械零件计算准则 强度准则 刚度准则 寿命准则 表示耐磨程度 寿命 耐磨性 耐腐蚀性 下面我们以设计千斤顶立柱为例 来说明机械零件的设计步骤 由此可求出d 其中Smin根据工作环境来定 机械零件的设计大体要经过以下几个步骤 1 载荷分析 受力分析 W2 应力分析 3 失效分析 断裂 4 材料的选择 45 钢 40Cr s 手册查到 5 确定计算准则 依据防止断裂失效 6 计算零件的
3、主要尺寸 7 结构设计l 根据人体的情况 操作情况 其他尺寸8 制图 设计最后都是用图纸来表达 然后拿到工厂去加工 这不仅是零件设计的一般步骤 而且也是讲课的顺序 四 课程的主要内容概括地说 机械零件可以分为两大类 本书讨论的具体内容是 设计方法 步骤 原理 1 传动部分 带传动 链传动 齿轮传动 蜗杆传动以及螺旋传动等 2 联接部分 螺纹联接 键 花键及无键联接 销钉联接 铆接 焊接 胶接与过盈配合联接等 3 轴系部分 滑动轴承 滚动轴承 联轴器与离合器以及轴等 4 其他部分 弹簧 机座与箱体 减速器等 零件 通用零件 专用零件 传动件 连接件 轴系件 其他 如螺钉 齿轮 链轮等 五 特点1
4、 实践性比较强 理论性差一些 经验 半经验公式 实验得出比较多 理论推导出的比较少 答案不唯一 2 综合性比较强 受力分析 理论力学 应力分析 材料力学 材料选择 材料与热处理 3 承上启下的作用 它是最后一门专业基础课 起到承接基础课和专业课的桥梁作用 六 要求以听课为主 自学为辅 考试内容以讲课和要求自学的为主 答疑两周一次 具体时间待定 考核20 80 平时作业质量 出席情况 实验数目占20 期末考试占80 要求课内 课外用时是1 2 七 水平1 掌握通用机械零件的设计原理 方法和机械设计的一般规律 具有设计机械传动装置和简单机械的能力 2 树立正确的设计思想 了解国家当前的有关技术经济
5、政策 3 具有运用标准 规范 手册 图册和查阅有关技术资料的能力 机械设计手册 其中的一个标准是查手册的能力 4 掌握典型机械零件的实验方法 获得实验技术的基本训练 5 对机械设计的新发展有所了解 1 机器的基本组成要素是什么 2 什么是通用零件 什么是专用零件 试各举三个实例 3 一台完整的机器通常是由哪些基本部分组成 各部分的作用是什么 4 机械零件有哪些主要的失效形式 5 机械零件常用的有哪些计算准则 它们是针对什么失效形式而建立的 6 机械零件设计的一般步骤有哪些 第一章结束 习题 第二章机械零件的疲劳强度计算 一 变应力的分类二 变应力参数三 几种特殊的变应力四 疲劳曲线 对称循环变
6、应力的 N曲线 五 非对称循环变应力的 极限应力图六 影响疲劳强度的因素七 不稳定变应力的强度计算八 复合应力状态下的强度计算 弯扭联合作用 一 变应力的分类 a 随时间按一定规律周期性变化 而且变化幅度保持常数的变应力称为稳定循环变应力 如图2 1a所示 变应力 循环变应力 周期 稳定 不稳定循环变应力 简单 复合 对称 脉动 非对称 随机变应力 非周期 图2 1变应力的分类 b 若变化幅度也是按一定规律周期性变化如图2 1b所示 则称为不稳定循环变应力 c 如果变化不呈周期性 而带有偶然性 则称为随机变应力 如图2 1c所示 二 变应力参数图2 2给出了一般情况下稳定循环变应力谱的应力变化
7、规律 图2 2给出了一般情况下稳定循环变应力谱的应力变化规律 零件受周期性的最大应力 max及最小应力 min作用 其应力幅为 a 平均应力为 m 它们之间的关系为 规定 1 a总为正值 2 a的符号要与 m的符号保持一致 其中 max 变应力最大值 min 变应力最小值 m 平均应力 a 应力幅 r 循环特性 1 r 1 由此可以看出 一种变应力的状况 一般地可由 max min m a及r五个参数中的任意两个来确定 三 几种特殊的变应力特殊点 不属于上述三类的应力称为非对称循环应力 其r在 1与 1之间 它可看作是由第一类 静应力 和第二类 对称循环应力 叠加而成 例1已知 max 200
8、N mm2 r 0 5 求 min a m 解 例2已知 a 80N mm2 m 40N mm2求 max min r 绘图 解 例3已知 A截面产生 max 400N mm2 min 100N mm2求 a m r 解 例4如图示旋转轴 求截面A上 max min a m及r 解 Pr A 对称循环变应力 Px A 静压力 第二章机械零件的疲劳强度计算 习题 一 选择题1 机械设计课程研究的内容只限于 1 专用零件和部件 2 在高速 高压 环境温度过高或过低等特殊条件下工作的以及尺寸特大或特小的通用零件和部件 3 在普通工作条件下工作的一般参数的通用零件和部件 4 标准化的零件和部件 2 下
9、列四种叙述中是正确的 1 变应力只能由变载荷产生 2 静载荷不能产生变应力 3 变应力是由静载荷产生 4 变应力是由变载荷产生 也可能由静载荷产生 3 4 3 发动机连杆横截面上的应力变化规律如图所示 则该变应力的应力比r为 1 0 24 2 0 24 3 4 17 4 4 17 4 发动机连杆横截面上的应力变化规律如题3图所示 则其应力幅 a和平均应力 m分别为 1 a 80 6Mpa m 49 4Mpa 2 a 80 6Mpa m 49 4Mpa 3 a 49 4Mpa m 80 6Mpa 4 a 49 4Mpa m 80 6Mpa 5 变应力特性 max min m a及r等五个参数中的
10、任意来描述 1 一个 2 两个 3 三个 4 四个 2 2 2 6 机械零件的强度条件可以写成 1 或 2 或 3 或 4 或 7 一直径d 18mm的等截面直杆 杆长为800mm 受静拉力F 36kN 杆材料的屈服点 s 270Mpa 取许用安全系数 S 1 8 则该杆的强度 1 不足 2 刚好满足要求 3 足够 8 在进行疲劳强度计算时 其极限应力应为材料的 1 屈服点 2 疲劳极限 3 强度极限 4 弹性极限 二 分析与思考题1 什么是变应力的应力比r 静应力 脉动循环变应力和对称循环变应力的r值各是多少 3 3 2 静应力r静 1 脉动循环r脉 0 对称循环变应力r 1 解 2 图示各
11、应力随时间变化的图形分别表示什么类型的应力 它们的应力比分别是多少 解 a 静应力r 1 b 非对称 或稳定 循环变应力0 r 1 c 脉动循环r 0 d 对称循环r 1 四 疲劳曲线 对称循环变应力的 N曲线 疲劳曲线的定义 表示应力循环次数N与疲劳极限的关系曲线 曲线上各点表示在相应的循环次数下 不产生疲劳失效的最大应力值 即疲劳极限应力 从图上可以看出 应力愈高 则产生疲劳失效的循环次数愈少 在作材料试验时 常取一规定的应力循环次数N0 称为循环基数 把相应于这一循环次数的疲劳极限 称为材料的持久疲劳极限 记为 1 或 r 疲劳曲线可分成两个区域 有限寿命区和无限寿命区 所谓 无限 寿命
12、 是指零件承受的变应力水平低于或等于材料的疲劳极限 1 工作应力总循环次数可大于N0 零件将永远不会产生破坏 在有限寿命区的疲劳曲线上 N N0所对应的各点的应力值 为有限寿命条件下的疲劳极限 对低碳钢而言 循环基数N0 106 107 对合金钢及有色金属 循环基数N0 108或 5 108 变应力 与在此应力作用下断裂时的循环次数N之间有以下关系式 此式称为疲劳曲线方程 或s N曲线方程 其中 1N r 1时有限寿命疲劳极限应力 N 与s 1N对应的循环次数 m 与材料有关的指数 C 实验常数 m c根据实验数据通过数理统计得到 s 1 r 1时持久疲劳极限应力 N0 循环基数 由上式 对于
13、不同的应力水平 可写出下式 因而材料的有限寿命 即寿命为N时 的疲劳极限s 1N则为 利用上式 可求得不同循环次数N时的疲劳极限值 1N kN称为寿命系数 例题2 1 某零件采用塑性材料 s 1 268N mm2 N0 107 m 9 当工作应力smax 240 或300 N mm2 r 1 试按下述条件求材料的疲劳极限应力 并在s N曲线上定性标出极限应力点和工作应力点 Sca 1 N N0 2 N 106解 当时 将会失效 五 非对称循环变应力的 极限应力图以上所讨论的s N曲线 是指对称应力时的失效规律 对于非对称的变应力 必须考虑循环特性r对疲劳失效的影响 在作材料试验时 通常是求出对
14、称循环及脉动循环的疲劳极限s 1及s0 把这两个极限应力标在sm sa坐标上 图2 3 由于对称循环变应力的平均应力sm 0 最大应力等于应力幅 所以对称循环疲劳极限在图中以纵坐标轴上的A 点来表示 由于脉动循环变应力的平均应力及应力幅均为sm sa s0 2 所以脉动循环疲劳极限以由原点0所作45 射线上的D 点来表示 连接A D 得直线A D 由于这条直线与不同循环特性时进行试验所求得的疲劳极限应力曲线非常接近 所以直线A D 上任何一点都代表了一定循环特性时的疲劳极限 横轴上任何一点都代表应力幅等于零的应力 即静应力 取C点的坐标值等于材料的屈服极限ss 并自C点作一直线与直线C0成45
15、 夹角 交A D 延长线于G 则CG 上任何一点均代表的变应力状况 于是 零件材料 试件 的极限应力曲线即为折线A G C 材料中发生的应力如处于OA G C区域以内 则表示不发生破坏 直线A G 的方程 由已知两点坐标A 0 s 1 及D s0 2 s0 2 求得为 疲劳区 令 试件的材料特性 等效系数 折算系数 直线G C方程为 静强度区 下面推导非对称循环变应力时机械零件的疲劳强度计算式 在极限应力线图的坐标上即可标示出相应于 m及 a的一个工作应力点M 或者N 见图5 显然 强度计算时所用的极限应力应是零件的极限应力曲线 AGC 上的某一个点所代表的应力 到底用哪一个点来表示极限应力才
16、算合适 这要根据应力的变化规律来决定 可能发生的典型应力变化规律通常有下述三种 a 变应力的循环特性保持不变 即r C 例如绝大多数转轴中的应力状态 b 变应力的平均应力保持不变 即 m C 例如振动着的受载弹簧中的应力状态 C 变应力的最小应力保持不变 即 min C 例如紧螺栓联接中螺栓受轴向变载时的应力状态 以下分别讨论这三种情况 1 r C的情况当r C时 需找到一个循环特性与工作应力点的循环特性相同的极限应力值 因为 因此 在图6中 从坐标原点引射线通过工作应力点M 或N 与极限应力曲线交于M1 或N1 得到0M1 或0N1 则在此射线上任何一个点所代表的应力循环都具有相同的循环特性 联解OM及A G 两直线的方程式 可以求出M1 点的坐标值 m 及 a 把它们加起来 就可以求出对应于M点的试件的极限应力 max 于是 安全系数计算值Sca及强度条件为 对应于N点的极限应力点N1 位于直线C G 上 此时的极限应力即为屈服极限 s 这就是说 工作应力为N点时 首先可能发生的是屈服失效 故只需进行静强度计算 其强度计算式为 分析图6得知 凡是工作应力点位于OGC区域内时 在循环
