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1、机械设计基础,机械基础研究室,2004-2005第一学期,1,编制：吕亚清,第9章 机械零件设计概论,机械设计的基本要求和一般过程 补充：构件受力变形及应力分析 91机械零件设计概述 92 机械零件的工作能力准则 93 许用应力和安全系数 94 材料及其选择 95 机械零件的工艺性和标准化,2004-2005第一学期,2,编制：吕亚清,机械设计的基本要求和一般过程 机械设计指规划和设计实现预期功能的新机械或改进原有 机械的性能。 设计机器应满足的基本要求 良好的使用性能：实现预期功能，满足使用要 求。操作容易，保养简单，维修方便。 安全：凡关系到时人身安全或重大设备事故的 零部件都必须进行认真
2、、严格的设计计算或校 核计算，不能凭经验或以“类比”代替。 可靠、耐用：在预定的使用期限内不发生或极 少发生故障。 经济：设计中应尽可能多使用标准件和成套组 件。 符合环保要求,2004-2005第一学期,3,编制：吕亚清,机械设计的基本要求和一般过程 二、机械设计的主要内容及一般过程 主要内容包括：确定机械的工作原理，选择合宜的机构；拟定设计方案；进行运动分析和动力分析，计算作用在各构件上的载荷；进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。 第一至九章着重介绍选择机构和拟定设计方案的有关知识；第十至二十章着重论述应力分析、零部件工作能力计算和结构设计的有关内容。,计划 阶段,总体方案 设计阶
3、段,总体设 计阶段,结构设 计阶段,技术文件 编制阶段,三、设计的一般过程,2004-2005第一学期,4,编制：吕亚清,补充：构件受力变形及应力分析,强度、刚度、稳定性的概念 力：物体之间的相互机械作用，是使物体获得加 速度(运动效应)和发生形变(变形效应)的外因。 物体力学模型： 1.刚体 2.变形固体 变形： 1.弹性变形外力去除而消失的变形 2.塑性变形外力去除后无法恢复的变形,2004-2005第一学期,5,编制：吕亚清,一.强度、刚度、稳定性的概念,构件正常工作应满足的基本要求： 1.足够的强度（抵抗破坏或永久变形的能力） 2.足够的刚度（抵抗弹性变形的能力） 3.足够的稳定性（保
4、持原有平衡形式的能力） 承载能力：构件在外载荷作用下能够满足强度、刚度、稳定性的能力 任务：根据构件受到的载荷及其工作要求，为构件选择材料、确定截面的形状及尺寸，使其具有相应的承载能力,2004-2005第一学期,6,编制：吕亚清,1 拉伸或压缩（杆） 外力作用线与杆的轴线重合,3 剪切 外力大小相等方向相反， 作用线相距很近。,2 弯曲(梁) 外力垂直于杆件轴线,拉伸,弯曲,二.杆件变形的基本形式,2004-2005第一学期,7,编制：吕亚清,4 扭转(轴) 外力为力偶,作用面垂直杆件轴线。,2004-2005第一学期,8,编制：吕亚清,四种基本变形形式,2004-2005第一学期,9,编制
5、：吕亚清,三.内力与应力、变形与应变,1.内力的概念： 变形固体没有受力之前,内部各点之间存在相互作用力以保持固体一定的形状；变形固体受力后，其内各点之间的相对位置发生变化，产生变形，各点之间产生相互作用力，称为“附加内力”，简称“内力”。这种内 力将随外力增大而 增大。当内力增大 到一定限度时杆件 就会发生破坏。,2.截面法求内力,2004-2005第一学期,10,编制：吕亚清,三.内力与应力、变形与应变,3.应力： 承受同样大小的力，细杆比粗杆易断，可见控制强度的是应力，即内力分布的集度或单位截面上的内力，单位：,正应力垂直于截面,切应力切于截面,4.变形与应变： 构件在外力作用下，其尺寸
6、和几何形状的改变，统称为变形。 一般地说，构件内的变形是不均匀的，因此，为了度量构件的变形程度，还需计算单位长度内的变形量（伸长或缩短）,2004-2005第一学期,11,编制：吕亚清,三.内力与应力、变形与应变,4.变形与应变：,线应变单位长度内的变形量,角应变夹角的改变量,2004-2005第一学期,12,编制：吕亚清,F,F,1.轴向拉伸和压缩的概念,受力特点：外力作用线与杆的轴线重合,主要变形：伸长或缩短拉（压）杆,2.拉伸和压缩时的内力、截面法和轴力,截面法和轴力,拉为正 压为负,内力： 外力作用下杆件内相互作用力的改变量,外力内力，内力过极限破坏,N=F,N是右段对左段的内力轴力,
7、四.讨论一种基本变形 轴向拉伸和压缩,2004-2005第一学期,13,编制：吕亚清,应力（）：单位面积上的内力。 度量截面分布内力的集度,拉、压应力的计算 =N/A N截面上的内力；A截面的面积。,例： F=100N, 杆件截面为圆形， 半径为10mm和15mm， 计算两截面上的应力,解：1）N1=N2=F,2）1=N1/0.012=F/ 0.012=1000000Pa=1MPa 2=N2/0.0152=F/ 0.0152=0.44MPa,单位：(帕Pa:N/m2) 兆帕MPa： 106N/m2 （多用）,3.应力的概念、拉压应力,2004-2005第一学期,14,编制：吕亚清,解三种问题:
8、 强度校核设计截面尺寸确定载荷,解：由平衡条件得内力N=F， = N/A=38000218.9 =173.6MPa 强度足够,例（强度校核） 已知 =200MPa， F=38kN 最小截面面积为218.9mm2,4. 拉压强度条件 = N/A ,2004-2005第一学期,15,编制：吕亚清,5. 材料在拉伸和压缩时的力学性质,0,F-L曲线,F,L,- 曲线 = F/A （应变 ）= L/L,弹性阶段OA(变形可恢复) 屈服阶段BC,强化阶段CD 局部变形阶段DE,D,E,脆性材料无明显的屈服和颈缩现象,无屈服极限,低碳钢受拉,2004-2005第一学期,16,编制：吕亚清,Q235钢受拉,
9、比例(弹性)极限P 屈服极限 S 强度极限 B,D,E,P,S,B,许用应力= lim /安全系数,极限应力lim :开始失效的最小应力 塑性材料lim =S， 脆性材料lim =B,材料的应力极限和许用应力, = N/A ,强度条件,2004-2005第一学期,17,编制：吕亚清,Q235钢受拉,比例(弹性)极限P 屈服极限 S 强度极限 B,D,E,P,S,B,受压,在屈服以前，拉、压曲线基本重合弹性模量相同 压力塑性变形不断裂无强度极限,拉压对比,拉、压曲线有什么不同？,2004-2005第一学期,18,编制：吕亚清, 91机械零件设计概述,一.机械零件分类 二.机械零件设计基本要求 三
10、.机械零件设计过程 四.机械零件传统设计方法,2004-2005第一学期,19,编制：吕亚清,一、机械零件分类,机器：机械、机构的总称 构件运动的单元 零件制造的单元,通用 零件,传动件：齿轮、蜗杆、带、链,联接件：螺栓、键、花键,支承件：轴、轴承,机械零件,专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴,飞机螺旋桨,其它：联轴器、弹簧、机架,2004-2005第一学期,20,编制：吕亚清,传动零件,轴系零件,联接零件,附件,机架,2004-2005第一学期,21,编制：吕亚清,二、机械零件设计基本要求,1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能。 2、使用要求。工作可靠，在预定的工作期限内不能失效。 3、经
11、济性要求。经济性要求贯穿于机械设计的全过程，实现机械零件成本低廉，应着重注意以下几个方面：正确选择材料，合理规定精度等级，赋予零件良好的工艺性，尽可能选用标准件。,2004-2005第一学期,22,编制：吕亚清,三、机械零件设计过程,零件设计时的共性：,过程： 1、根据零件的功能和使用要求选择零件类型。 2、分析零件的受力情况，考虑各种因素对载荷的影响，确定计算载荷的大小。 3、选择零件的材料及处理方法。 4、根据零件可能的失效形式，确定设计准则。 5、确定零件的主要参数和几何尺寸。 6、考虑零件的工作能力、工艺装配、使用维修等原则，设计零件的结构。 7、绘制零件工作图，写出必要的技术条件。,
12、工作原理、结构、 类型、应用场合,受力分析、 失效形式,设计准则、 设计计算,2004-2005第一学期,23,编制：吕亚清,四、机械零件传统设计方法,理论设计：,类比设计： 与已有的同类产品进行比较来设计新产品。这种方法在工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠 经验设计： 根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，缺乏创新 模型实验设计： 用于大型、复杂零件的设计,强度条件(或刚度),设计计算,尺寸,校核计算,强度条件(或刚度),2004-2005第一学期,24,编制：吕亚清, 92机械零件的工作能力准则,一、机械零件常见失效形式 二、工作能力准则 三、强度准则 四、刚度准则 五、耐
13、磨性准则 六、振动稳定性准则 七、耐热性准则,2004-2005第一学期,25,编制：吕亚清,一、机械零件常见失效形式,失效：丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指破坏 常见主要失效形式有： 断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂 表面点蚀：工作表面片状剥落 塑性变形：零件发生永久性变形 过大弹性变形 表面破坏 过大振动和噪声、过热等,例如轴可能的失效形式： 断裂、塑性变形、过大弹性变形、 共振,刚度问题,耐磨性问题,F,2004-2005第一学期,26,编制：吕亚清,二、工作能力准则,工作能力：不失效条件下零件的安全工作限度 这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又常称为“承载能力” 如
14、： 吊钩最大起重量50 kN 工作能力或承载能力50 kN,工作能力准则：为防止失效而制定的判定条件 对零件设计，针对其主要失效形式选择适合的工作能力准则进行设计 具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则、耐热性准则,2004-2005第一学期,27,编制：吕亚清,三、强度准则,机械零件工作能力的最基本准则 强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力 强度准则：工作应力许用应力 或 ,针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形 典型零部件：轴、齿轮、 带轮等,正应力：,剪应力：,极限应力,2004-2005第一学期,28,编制：吕亚清,四、刚度准则,刚度：材料抵抗弹性变形的能力 刚度准则：实
15、际变形量许用变形量 弯曲刚度：挠度条件： y y 倾角条件： 扭曲刚度：扭角条件：j j,针对失效形式：过大的弹性变形 典型零部件：轴、蜗杆等,2004-2005第一学期,29,编制：吕亚清,五、耐磨性准则,耐磨性：零件抗磨损的能力 磨损是相当复杂的物理化学过程 影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂的化学性质和物理性质等 具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损 耐磨性准则： P ,针对失效形式：零件表面破坏 典型零部件：齿轮、轴承、链等,2004-2005第一学期,30,编制：吕亚清,六、振动稳定性准则,共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变化频率相
16、同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等 振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值 振动稳定性准则：0.85f fp 或 1.15ffp,针对失效形式：共振产生的工作失常 典型零部件：轴等,2004-2005第一学期,31,编制：吕亚清,七、耐热性准则,高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、附加热应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间的间隙，降低精度等 耐热性准则：工作温度低于许用值,针对失效形式：高温引起的润滑不良、蠕变 典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等,2004-2005第一学期,32,编制：吕亚清, 93许用应力和安全系数,一、载荷 二、应力 三、极限应力 四、许用应力和安全系数
