[東北大學機械設計課件]第1章機械設計的基礎知識

1、 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 第十節(jié)第十節(jié) 機械零件的工藝性和設計的標準化機械零件的工藝性和設計的標準化 第九節(jié)第九節(jié) 機械零件的材料及選用原則機械零件的材料及選用原則 第八節(jié)第八節(jié) 雙向變應力下機械零件的疲勞強度計算雙向變應力下機械零件的疲勞強度計算 第七節(jié)第七節(jié) 規(guī)律性非穩(wěn)定應力下機械零件的疲勞強度計算規(guī)律性非穩(wěn)定應力下機械零件的疲勞強度計算 第六節(jié)第六節(jié) 非對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算非對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 第五節(jié)第五節(jié) 對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 第四節(jié)第四節(jié) 靜應力下機械零件的強度計算靜應力下機械零件的強度計算 第三節(jié)

2、第三節(jié) 機械零件的主要失效形式及計算準則機械零件的主要失效形式及計算準則 第二節(jié)第二節(jié) 機械零件設計的一般步驟機械零件設計的一般步驟 本章目錄 本章目錄 上一頁上一頁下一頁下一頁退出退出總目錄總目錄 L D v F 1 2 3 4 5 6 7 1-電動機 2-V帶傳動 3-齒輪傳動 4-聯(lián)軸器 5-卷筒 6-運輸膠帶 7-控制系統(tǒng) 膠帶運輸機膠帶運輸機 舉例舉例 機械機械: 第一節(jié) 概 述 原動機原動機 傳動機傳動機 工作機工作機 控制器控制器 機械機械 零件：制造單元零件：制造單元 構件構件：運動單元：運動單元 通用零件通用零件 專用零件專用零件 第一節(jié) 概 述 零件與構件舉例 一、機械設計

3、的一般程序一、機械設計的一般程序 制制 定定 設設 計計 工工 作作 計計 劃劃 方方 案案 設設 計計 技技 術術 設設 計計 施施 工工 設設 計計 試制、試驗、鑒試制、試驗、鑒 定定 定型產(chǎn)品設計定型產(chǎn)品設計 第一節(jié) 概 述 二、機器應滿足的基本要求（設計階段）二、機器應滿足的基本要求（設計階段） 1.具有預定功能的要求具有預定功能的要求 2.經(jīng)濟性要求經(jīng)濟性要求 3.安全性要求安全性要求 4.可靠性要求可靠性要求 5.操作使用方便的要求操作使用方便的要求 第一節(jié) 概 述 三、本課程的內(nèi)容、性質和任務三、本課程的內(nèi)容、性質和任務 內(nèi)容內(nèi)容: 聯(lián)接零件設計：聯(lián)接零件設計：螺紋聯(lián)接螺紋聯(lián)接、

4、軸轂聯(lián)接、軸轂聯(lián)接 軸系零部零件設計軸系零部零件設計：軸軸、滾動軸承滾動軸承、滑動軸承滑動軸承、 聯(lián)軸器聯(lián)軸器、離合器離合器 其它零部件設計：其它零部件設計：彈簧彈簧 機械設計新方法機械設計新方法 傳動零件設計：傳動零件設計：帶傳動帶傳動、鏈傳動鏈傳動、齒輪傳動齒輪傳動、 蝸桿傳動蝸桿傳動、螺旋傳動、摩擦傳動、螺旋傳動、摩擦傳動 第一節(jié) 概 述 本課程的性質本課程的性質: 本課程的任務本課程的任務: 第一節(jié) 概 述 第二節(jié)第二節(jié) 機械零件設計的一般步驟機械零件設計的一般步驟 類型選擇類型選擇 受力分析受力分析 選擇材料選擇材料 確定計算準則確定計算準則 理論設計計算理論設計計算 結構設計結構設

5、計 精確校核精確校核 繪制零件工作圖繪制零件工作圖 編寫設計計算說明書編寫設計計算說明書 第三節(jié)第三節(jié) 機械零件的主要失效形式及計算準則機械零件的主要失效形式及計算準則 1.整體斷裂整體斷裂 2.表面破壞表面破壞 3.變形量過大變形量過大 4.功能失效功能失效 一、機械零件的主要一、機械零件的主要失效失效形式形式 二、機械零件的計算準則二、機械零件的計算準則 1.強度準則強度準則 2.剛度準則剛度準則 3.壽命準則壽命準則 4.耐磨性準則耐磨性準則 5.振動穩(wěn)定性準則振動穩(wěn)定性準則 第三節(jié)第三節(jié) 機械零件的主要失效形式及計算準則機械零件的主要失效形式及計算準則 第三節(jié)第三節(jié) 機械零件的主要失效

6、形式及計算準則機械零件的主要失效形式及計算準則 1.強度準則強度準則 MPa MPa 第三節(jié)第三節(jié) 機械零件的主要失效形式及計算準則機械零件的主要失效形式及計算準則 2.剛度準則剛度準則 yy 第三節(jié)第三節(jié) 機械零件的主要失效形式及計算準則機械零件的主要失效形式及計算準則 3.壽命準則壽命準則 疲勞壽命計算 腐蝕和磨損 第三節(jié)第三節(jié) 機械零件的主要失效形式及計算準則機械零件的主要失效形式及計算準則 4.耐磨性準則耐磨性準則 MPapp MPa.m/spvpv 第三節(jié)第三節(jié) 機械零件的主要失效形式及計算準則機械零件的主要失效形式及計算準則 5.振動穩(wěn)定性準則振動穩(wěn)定性準則 ff ff 18. 1

7、 87. 0 p p 1. 提高零件制造精度； 2. 提高回轉件動平衡精度； 3. 增加阻尼系統(tǒng)； 4. 提高材料或結構的衰減系數(shù)； 5.采用減振、隔振裝置等都可改善零件的振動穩(wěn)定性 。 第四節(jié)第四節(jié) 靜應力下機械零件的強度計算靜應力下機械零件的強度計算 一、載荷及應力的分類一、載荷及應力的分類 1.載荷的分類載荷的分類 靜載荷與變載荷靜載荷與變載荷 名義載荷與計算載荷名義載荷與計算載荷 名義載荷名義載荷 原動機原動機 傳動機傳動機工作機工作機 額定功率額定功率 在理想工作條件在理想工作條件 工作阻力工作阻力 力學公式力學公式 名義載荷名義載荷P、M、T、F 第四節(jié)第四節(jié) 靜應力機械零件的強度

8、計算靜應力機械零件的強度計算 計算載荷計算載荷 KFF KTT KMM KPP ca ca ca ca 第四節(jié)第四節(jié) 靜應力機械零件的強度計算靜應力機械零件的強度計算 2.2.應力的分類應力的分類 應力應力 靜應力靜應力不隨時間變化或緩慢變化不隨時間變化或緩慢變化 變應力變應力 穩(wěn)定變應力穩(wěn)定變應力 非穩(wěn)定變應力非穩(wěn)定變應力 有規(guī)律非穩(wěn)定有規(guī)律非穩(wěn)定 變應力變應力 無規(guī)律非穩(wěn)定無規(guī)律非穩(wěn)定 變應力變應力 第四節(jié)第四節(jié) 靜應力機械零件的強度計算靜應力機械零件的強度計算 對稱循環(huán)對稱循環(huán) 脈動循環(huán)脈動循環(huán) 非對稱循環(huán)非對稱循環(huán) t o 不隨時間變化或緩慢變化。 max= min=m a=0 靜應力

9、: 第四節(jié)第四節(jié) 靜應力機械零件的強度計算靜應力機械零件的強度計算 t0 穩(wěn)定變應力穩(wěn)定變應力 2 minmax m 2 minmax a max min r 第四節(jié)第四節(jié) 靜應力機械零件的強度計算靜應力機械零件的強度計算 max m min a 穩(wěn)定變應力穩(wěn)定變應力 脈動循環(huán)脈動循環(huán) r=0 對稱循環(huán)對稱循環(huán) r=1 非對稱循環(huán)非對稱循環(huán) 1r350） 011 NN mm N 11 NN K m N N N K 0 第五節(jié) 對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 注意: 2. NN0 KN=1； 1. m由疲勞曲線決定。一般設計中，由疲勞曲線決定。一般設計中， 鋼制零件受彎曲應力，鋼制零件受彎

10、曲應力，m=9; 3. N0103按靜應力問題處理按靜應力問題處理; 4. 近似的疲勞曲線近似的疲勞曲線. 第五節(jié) 對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 o 103107 N 1 0.5B 0.9B 近近 似似 的的 疲疲 勞勞 曲曲 線線 第五節(jié) 對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 011 NN mm N 二、影響零件疲勞強度的因素 1. 應力集中 2. 絕對尺寸 3. 表面狀態(tài) k k )( 1 1 k k )( 1 1 1 1) ( d 1 1) ( d 1 1) ( 第五節(jié) 對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 1(103)c 1c A NO 0 N 有限壽命區(qū) 無限壽命區(qū) N1 B

11、 C 1 1（103） 103 三 對 稱 循 環(huán) 應 力 下 疲 勞 強 度 計 算 第五節(jié) 對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 11 k c 0 )10(1 )10(1 3 3 3 10 k N c 時當 1) 1( 00 qkk 無限壽命設計B/C/段 第五節(jié) 對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 11 NN K 三 對 稱 循 環(huán) 應 力 下 疲 勞 強 度 計 算 1 1 max lim S k S aa c 無限壽命疲勞強度條件為： 三 對 稱 循 環(huán) 應 力 下 疲 勞 強 度 計 算 第五節(jié) 對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 三 對 稱 循 環(huán) 應 力 下 疲 勞 強 度

12、 計 算 有限壽命設計A/B/段 011 NN m c m Nc cN m cNc K N N 1 0 11 c c N m 1 )10(1 3 0 lglg lg10lg 3 第五節(jié) 對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 1 max lim SS a Nc 三 對 稱 循 環(huán) 應 力 下 疲 勞 強 度 計 算 第五節(jié) 對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 有限壽命疲勞強度條件為： 第六節(jié) 非對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 B a m -1 0/2 B C A 45 45 O 0/2 疲勞極限線圖 s D E C A 45 45 O 0/2 -1 0/2 a m 第六節(jié) 非對稱循環(huán)應力

13、下機械零件的疲勞強度計算 材料的謝林森折線圖 rmra 0 01 1 2 0 01 2 srarm 第六節(jié) 非對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 直線AE的方程為： 直線DE的方程為： / 1 rmra k O A/ C / E/ D m K2 0 K c 1 1 2 0 s a 第六節(jié) 非對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 零件的簡化疲勞極限線圖零件的簡化疲勞極限線圖 k K 二 非 對 稱 循 環(huán) 應 力 下 疲 勞 強 度 計 算 第六節(jié) 非對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 s D E/ C/ A/ 45 O a -1 a m m M2M 1 M 1 2 加載方式加載方式 ma

14、m rm k 1 / ma a ra k 1 / m a E/ N1 M1(/rm, /ra) A/ D M N C (m, a) O P 第六節(jié) 非對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 OM1的直線方程為 rm ra m a rmra k 1 ma ma am rarmr k k max1 1 / max )( 第六節(jié) 非對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 1 max / max S k S ma r SS ma s 零件無限壽命疲勞強度計算 第六節(jié) 非對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 射線與DE/ 相交 射線與A/E/ 相交 射線交點在E/ 附近 第六節(jié) 非對稱循環(huán)應力下機械零件的疲

15、勞強度計算 等效應力：就是將非對稱循環(huán)變應力從強度相等 的角度等效折算成對稱循環(huán)變應力。 m a E/ N1 M1(/rm, /ra) A/ D M N C (m, a) O P 第六節(jié) 非對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 )( 1 tan ma m amaad k K K c c cc K K / / 0 01 0 01 2 2 2 tan 等效的工作應力 tan maad 第六節(jié) 非對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算 0 m N N N K 零件有限壽命疲勞強度計算 111 S k K K S ma N ad cN ad Nc 第七節(jié) 規(guī)律性非穩(wěn)定應力下機械零件的疲勞強度計算 線性疲

16、勞損傷積累理論 當材料承受高于疲勞極限的應力時，每一循環(huán) 都使材料產(chǎn)生一定量的損傷，而這種損傷是可以積 累的，當損傷積累到臨界值時即發(fā)生疲勞破壞。 Miner理論 材料在各個應力下的疲勞損傷是獨立進行的， 并且總損傷可以線性地累加起來。 第七節(jié) 規(guī)律性非穩(wěn)定應力下機械零件的疲勞強度計算 規(guī)律性非穩(wěn)定變應力與-N曲線 n n N n N n N n ,., 2 2 1 1 壽命損傷率： 第七節(jié) 規(guī)律性非穩(wěn)定應力下機械零件的疲勞強度計算 Miner方程 1 1 2 2 1 1 n i i i n n N n N n N n N n 小于-1的應力可認為對材料不起損傷作用，故 計算時可不考慮；當大于

17、-1的各級應力對材料的壽 命損傷率之和等于 1 時，材料即發(fā)生疲勞破壞 。 第七節(jié) 規(guī)律性非穩(wěn)定應力下機械零件的疲勞強度計算 規(guī)律性非穩(wěn)定應力下的疲勞強度計算 m NN 1 1 01 m NN 2 1 02 m n n NN 1 0 1)( 1 10 1 12211 10 m n i m ii m nn mm m N n nnn N 011 NN mm N 代入Miner方程 第七節(jié) 規(guī)律性非穩(wěn)定應力下機械零件的疲勞強度計算 如果材料沒達到破壞 任選一應力水平為基準,如選 1 01 1 Nn m n i i m i 1 1 1 0 1 1 m m i n i i n N m i n i iv

18、nN 1 1 1 1 1 N K m v N N N K 0 1 1 S K S N 第七節(jié) 規(guī)律性非穩(wěn)定應力下機械零件的疲勞強度計算 疲勞強度條件為： 對于零件，有關疲勞強度計算公式均適用， 只是等效應力由前面的公式確定，-1用-1c代替， 材料常數(shù)m用m m i n i iv nN 1 1 第八節(jié) 雙向變應力下機械零件的疲勞強度計算 雙向應力 A B O a a a a ra ra S 1 1 S 1 1 M/ M B/ A/ 1)()( 2 1 2 1 rara 第八節(jié) 雙向變應力下機械零件的疲勞強度計算 零件的計算安全系數(shù)為 a ra a ra k k S 1)()( 2 1 2 1

19、rara 1 2 1 2 1 a a k S k S 22 S SS SS S 根據(jù)式1-21 aa k S k S 11 , 第八節(jié) 雙向變應力下機械零件的疲勞強度計算 疲勞強度條件為 第九節(jié)第九節(jié) 機械零件的材料及選用原則機械零件的材料及選用原則 1 使用要求 2 工藝要求 3 經(jīng)濟性要求 機械零件的材料：主要有鋼、鑄鐵、銅合金， 其次是非金屬材料（如高分子材料、陶瓷材料、復 合材料等），其中最常用的是鋼。 選用原則： 第十節(jié)第十節(jié) 機械零件的工藝性和設計的標準化機械零件的工藝性和設計的標準化 1. 造型簡單合理 結構和形狀越復雜，制造、裝配和 維修越困難，成本也越高。在滿足使用要 求的情況下，幾何形狀應盡量簡單，最好 為平面或圓柱面。 2. 合理