第九章機(jī)設(shè)概論

第九章機(jī)設(shè)概論第1頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

例:機(jī)構(gòu)→齒輪機(jī)構(gòu)(三個(gè)構(gòu)件)齒輪1、齒輪2、機(jī)架3軸、軸承、套筒等→軸系零件構(gòu)件←零件→制造的單元齒輪→傳動(dòng)件鍵→聯(lián)接件

12構(gòu)件1←(小齒輪)3(一)機(jī)械零件的簡(jiǎn)介:最基本的通用零件機(jī)原研究對(duì)象→機(jī)構(gòu)←構(gòu)件→運(yùn)動(dòng)的單元前言第2頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳動(dòng)零件軸系零件聯(lián)接零件附件機(jī)架第3頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

機(jī)械零件→→一般尺寸參數(shù)的通用機(jī)械零件的設(shè)計(jì)總論→螺紋聯(lián)接→鍵聯(lián)接→帶傳動(dòng)→鏈傳動(dòng)→齒輪傳動(dòng)→蝸桿傳動(dòng)→滑動(dòng)軸承→滾動(dòng)軸承→聯(lián)軸器與離合器→軸繁雜（門(mén)類(lèi)多、關(guān)系多、要求多、公式多、圖形多、表格多）(二)課程特點(diǎn)本課程研究對(duì)象:

講課順序:通用零件專(zhuān)用零件（機(jī)架、手柄、車(chē)輪......）特點(diǎn)：第4頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則失效斷裂塑性變形強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)穩(wěn)定性、耐磨性強(qiáng)烈振動(dòng)打滑、過(guò)熱磨損、損傷過(guò)量的彈性變形第一節(jié)基本準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)步驟失效:機(jī)械零件由于某種原因喪失正常工作能力第5頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

計(jì)算準(zhǔn)則→┌強(qiáng)度準(zhǔn)則├剛度準(zhǔn)則├振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則└其它準(zhǔn)則→主要→介紹計(jì)算準(zhǔn)則:根據(jù)失效原因而制定的判定條件設(shè)計(jì)時(shí)將這些準(zhǔn)則作為防止失效和進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)。第6頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月⑴體積強(qiáng)度抵抗斷裂、過(guò)大的塑性變形能力1.強(qiáng)度體積強(qiáng)度表面強(qiáng)度強(qiáng)度或(9-1)(9-2)式中-----分別為正應(yīng)力和切應(yīng)力的許用安全系數(shù)-----分別為極限正應(yīng)力和極限切應(yīng)力（MPa）零件抵抗破壞的能力一、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則失效形式：斷裂、過(guò)大的塑性變形第7頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、靜應(yīng)力工作下的塑性材料零件：2、靜應(yīng)力工作下的脆性材料零件：σSσlim；τSτlimσbσlim；τbτlim3、變應(yīng)力工作下的塑性材料零件：變應(yīng)力工作下的脆性材料零件：疲勞極限作為σlim和τlim極限應(yīng)力應(yīng)根據(jù)零件材料性質(zhì)及所受應(yīng)力類(lèi)型作如下選擇：同時(shí)應(yīng)考慮零件尺寸、表面狀態(tài)及幾何形狀引起的應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。失效形式：塑性變形失效形式：斷裂失效形式：疲勞斷裂一、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則材料的屈服點(diǎn)材料強(qiáng)度極限第8頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月⑵表面強(qiáng)度抵抗表面損傷的能力表面擠壓強(qiáng)度：零件的最大擠壓應(yīng)力σbs≤[σbs]表面接觸強(qiáng)度：接觸應(yīng)力σH≤[σH]σH——變應(yīng)力疲勞點(diǎn)蝕接觸面光滑承載能力噪音振動(dòng)一、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則失效形式：表面損傷第9頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月y≤[y]；θ≤[θ]；φ≤[φ]2.剛度剛度是零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力零件剛度不足，產(chǎn)生的彈性變形過(guò)大，會(huì)影響機(jī)器的正常工作。設(shè)計(jì)時(shí)必須使零件在載荷作用下產(chǎn)生的最大變形量不超過(guò)許用變形量y、[y]

-----分別為零件的變形量和許用變形量θ、[θ]

-----分別為零件的轉(zhuǎn)角和許用轉(zhuǎn)角Ф、[Ф]

-----分別為零件的扭角和許用扭角一、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則第10頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月限制工作面的單位壓力和相對(duì)滑動(dòng)速度過(guò)度磨損尺寸改變間隙精度振動(dòng)失效抗磨損4.振動(dòng)穩(wěn)定性避免使零件的固有頻率與強(qiáng)迫震動(dòng)頻率相等或成整數(shù)倍硬度熱處理3.耐磨性潤(rùn)滑選擇合適的材料組合在載荷作用下相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩零件表面抵抗磨損的能力產(chǎn)生油膜一、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)零件的實(shí)際工作條件，分析主要失效形式，按其相應(yīng)的計(jì)算準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算；確定主要參數(shù)后，必要時(shí)在按其他準(zhǔn)則校核第11頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、機(jī)械設(shè)計(jì)的一般程序1、機(jī)器設(shè)計(jì)的一般程序

市場(chǎng)調(diào)研可行性研究原理方案設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)試制試驗(yàn)小批生產(chǎn)試銷(xiāo)投產(chǎn)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)定出最佳方案裝配圖、零件圖、技術(shù)文件樣機(jī)評(píng)價(jià)改進(jìn)考核工藝性收集用戶(hù)意見(jiàn)產(chǎn)品銷(xiāo)售第12頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟6)繪制零件工作圖，擬定必要的工作條件，編寫(xiě)計(jì)算說(shuō)明書(shū)5)按結(jié)構(gòu)工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化的要求，設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)及其他尺寸4)分析零件的主要失效形式，選擇設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，確定零件基本尺寸3)根據(jù)工作條件，選材料及熱處理的方法2)計(jì)算作用在零件上的載荷1)根據(jù)使用條件確定零件的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)，擬定計(jì)算簡(jiǎn)圖

二、機(jī)械設(shè)計(jì)的一般程序逆向設(shè)計(jì)第13頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度第14頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月r≠±1非對(duì)稱(chēng)循環(huán)一、交變應(yīng)力及其類(lèi)型

r=-1對(duì)稱(chēng)循環(huán)r=0脈動(dòng)循環(huán)循環(huán)特征r=1靜應(yīng)力最大應(yīng)力

最小應(yīng)力

平均應(yīng)力應(yīng)力幅應(yīng)力分為靜應(yīng)力變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力不穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力第15頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、疲勞問(wèn)題交變力、交變應(yīng)力疲勞破壞（產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂）是材料在變應(yīng)力作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后，產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂的過(guò)程。疲勞斷裂第16頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、疲勞斷裂的特征是材料在變應(yīng)力作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后，產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂的過(guò)程。疲勞斷裂疲勞斷裂與靜應(yīng)力下斷裂相比有以下特征：分兩個(gè)階段在零件表面應(yīng)力較大處產(chǎn)生初始裂紋，裂紋在切應(yīng)力作用下，反復(fù)發(fā)生塑性變形，裂紋擴(kuò)展到一定程度，發(fā)生突然斷裂①②斷面分兩個(gè)區(qū)表面光滑的疲勞發(fā)展區(qū)表面粗糙的脆性斷裂區(qū)③疲勞斷裂均為脆性斷裂塑性材料零件脆性材料零件④疲勞極限比同材料的屈服點(diǎn)低，疲勞極限的大小與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)及應(yīng)力循環(huán)特性有關(guān)第17頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、疲勞曲線疲勞極限是指試件經(jīng)過(guò)一定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N后，不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力，常用表示。表示循環(huán)次數(shù)N和疲勞極限關(guān)系的曲線，稱(chēng)為疲勞曲線（1）無(wú)限壽命區(qū)當(dāng)N≥N0時(shí)，試件的疲勞極限不再隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的增加而降低，如圖示曲線1的水平線部分，大部分中低碳鋼屬此類(lèi)曲線。N0—循環(huán)基數(shù)--對(duì)應(yīng)于N0的疲勞極限對(duì)稱(chēng)循環(huán)脈動(dòng)循環(huán)第18頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）有限壽命區(qū)按疲勞曲線水平部分進(jìn)行的設(shè)計(jì)計(jì)算----無(wú)限壽命設(shè)計(jì)當(dāng)要求零件在無(wú)限長(zhǎng)的使用工作期間工作而不發(fā)生疲勞破壞時(shí)，可將其工作應(yīng)力限制在疲勞極限以下，可得到理論上的無(wú)限壽命。有色金屬和高強(qiáng)度合金鋼的疲勞曲線，沒(méi)有無(wú)限壽命區(qū)，如圖曲線2當(dāng)N＜N0時(shí)，試件的疲勞極限隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的增加而降低，如圖示1曲線的斜線部分。按疲勞曲線斜線部分進(jìn)行的設(shè)計(jì)計(jì)算，-----有限壽命設(shè)計(jì)為充分利用材料，減輕重量，在確保使用壽命的條件下，常采用超過(guò)材料疲勞極限的工作應(yīng)力來(lái)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，在航空、汽車(chē)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。第19頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月疲勞曲線斜線部分的方程式為對(duì)應(yīng)一定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N時(shí)的有限壽命的疲勞極限為式(9-8)

式(9-9)

第20頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)力集中、尺寸、表面狀態(tài)第21頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、安全系數(shù)的計(jì)算1、單向應(yīng)力時(shí)的安全系數(shù)的計(jì)算由式（9-2）和式（9-9）得安全系數(shù)公式為：---分別為正應(yīng)力、切應(yīng)力下的計(jì)算安全系數(shù)---分別為正應(yīng)力、切應(yīng)力下的許用安全系數(shù)1）、當(dāng)零件受對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力作用，進(jìn)行有限壽命設(shè)計(jì)時(shí)，考慮零件幾何形狀引起的應(yīng)力集中、零件尺寸及表面狀態(tài)對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響，引入應(yīng)力集中系數(shù)（），尺寸系數(shù)（），表面狀態(tài)系數(shù)βσ（

）。（9-10）第22頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）、當(dāng)零件受非對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力作用，進(jìn)行有限壽命設(shè)計(jì)時(shí)，考慮引入應(yīng)力集中系數(shù)（），尺寸系數(shù)（），表面狀態(tài)系數(shù)βσ（

）只對(duì)應(yīng)力幅有影響；同時(shí)可把非對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力的、

通過(guò)

轉(zhuǎn)化為對(duì)稱(chēng)循環(huán)的當(dāng)量應(yīng)力幅來(lái)計(jì)算安全系數(shù)，其安全系數(shù)計(jì)算式為（9-11）式中---等效系數(shù)，是將平均應(yīng)力折算為應(yīng)力幅的系數(shù)，其值與材料的性質(zhì)有關(guān)。對(duì)于低碳鋼取=0.1~0.2;=0.05~0.1。對(duì)于合金鋼取=0.2~0.3；=0.1~0.15。第23頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、復(fù)合應(yīng)力時(shí)的安全系數(shù)的計(jì)算當(dāng)零件由塑性材料制成，且在彎扭復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下工作時(shí)，其安全系數(shù)計(jì)算式為（9-12）式中---為單向應(yīng)力作用下零件的安全系數(shù)，分別按式（9-10）或式（9-11）計(jì)算；---零件的許用安全系數(shù)第24頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、許用安全系數(shù)許用安全系數(shù)選擇是設(shè)計(jì)工作中一項(xiàng)重要工作，安全系數(shù)過(guò)大，將造成材料浪費(fèi)，零件體積大且笨重；安全系數(shù)過(guò)小將使零件工作不可靠。有一階梯軸，已知：材料為40Cr，硬度為240HBS，=210MPa，=360MPa，=0.2，=0.1，

=2.87，=2.66，=65MPa（對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力），=40MMPa(脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力)，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=6X106，許用安全系數(shù)=1.5，試校核此軸是否安全。例9-1第25頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解：（1）求工作應(yīng)力的、、、由式(9-5)及式(9-6)得

，（2）求壽命系數(shù)由式(9-9)得對(duì)于硬度小于等于350HBS的鋼，N0=107；受彎曲應(yīng)力和切應(yīng)力時(shí)m=9。第26頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）求單向應(yīng)力下的安全系數(shù)、由式(9-11)得（4）求復(fù)合應(yīng)力下的安全系數(shù)S由式(9-12)得由以上計(jì)算可知此軸安全第27頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月使用性工藝性（各種加工性能）材料的選取原則第三節(jié)機(jī)械零件的常用材料及選擇常用材料：碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬等受力環(huán)境經(jīng)濟(jì)性第28頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月標(biāo)準(zhǔn)件：按規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的零件。好處：

（1）由專(zhuān)門(mén)化工廠大量生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件，能保證質(zhì)量、節(jié)約材料、降低成本；

（2）選用標(biāo)準(zhǔn)件可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期；

（3）選用參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的零件，在機(jī)械制造過(guò)程中可以減少刀具和量具的規(guī)格；（4）具有互換性，從而簡(jiǎn)化機(jī)器的安裝和維修。第四節(jié)機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件第29頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化

通用化：在不同規(guī)格的同類(lèi)產(chǎn)品或不同類(lèi)產(chǎn)品中采用同一結(jié)構(gòu)和尺寸的零件、部件。

我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)分為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB）、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，國(guó)際上則推行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的標(biāo)準(zhǔn)。第30頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié):1.基本概念:失效、承載能力、主要失效形式及計(jì)算準(zhǔn)則強(qiáng)度(整體－整體斷裂、過(guò)大的殘余變形、疲勞斷裂、表面－磨損、壓潰、點(diǎn)蝕)剛度－過(guò)大的彈性變形載荷(名義、計(jì)算、靜載荷、變載荷)應(yīng)力(計(jì)算、靜、變應(yīng)力)交變應(yīng)力(特征－σmax,、σmin、σa、σm、γ、N

典型的交變應(yīng)力－)tσtσtσtσ靜γ=+1非對(duì)稱(chēng)對(duì)稱(chēng)γ=－1脈動(dòng)γ=0第31頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月是材料在變應(yīng)力作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后，產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂的過(guò)程。疲勞斷裂疲勞斷裂與靜應(yīng)力下