机械设计基础课件设计概论Z

2004-2005第一学期编制：吕亚清1机械设计基础主讲：吕亚清机械工程学院机械基础研究室2004-2005第一学期编制：吕亚清2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§9－1机械零件设计概述§9－2机械零件的工作能力准则§9－3许用应力和安全系数§9－4材料及其选择§9－5机械零件的工艺性和标准化2004-2005第一学期编制：吕亚清3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。一．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、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第一学期编制：吕亚清4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第一学期编制：吕亚清5补充：构件受力变形及应力分析一.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第一学期编制：吕亚清6一.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第一学期编制：吕亚清71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第一学期编制：吕亚清84扭转(轴)外力为力偶,作用面垂直杆件轴线。2004-2005第一学期编制：吕亚清9四种基本变形形式2004-2005第一学期编制：吕亚清10三.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第一学期编制：吕亚清11三.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：211mNPa2261101mmNmNMPa正应力σ－垂直于截面切应力τ－切于截面4.变形与应变：构件在外力作用下，其尺寸和几何形状的改变，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第一学期编制：吕亚清12三.内力与应力、变形与应变4.变形与应变：线应变ε－单位长度内的变形量角应变γ－夹角的改变量2004-2005第一学期编制：吕亚清13FF1.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FFFN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=FN是右段对左段的内力→轴力四.讨论一种基本变形－－轴向拉伸和压缩2004-2005第一学期编制：吕亚清14应力（τ）：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/AN——截面上的内力；A——截面的面积。例：F=100N,杆件截面为圆形，半径为10mm和15mm，计算两截面上的应力FF1221解：1）N1=N2=F2）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第一学期编制：吕亚清15解三种问题:⑴强度校核⑵设计截面尺寸⑶确定载荷解：由平衡条件得内力N=F，=N/A=38000／218.9=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σ=N/A≤[]2004-2005第一学期编制：吕亚清165.材料在拉伸和压缩时的力学性质0F-△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DEDE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第一学期编制：吕亚清17Q235钢受拉比例(弹性)极限P屈服极限S强度极限BDE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第一学期编制：吕亚清18Q235钢受拉比例(弹性)极限P屈服极限S强度极限BDE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第一学期编制：吕亚清19§9－1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.机械零件设计过程四.机械零件传统设计方法2004-2005第一学期编制：吕亚清20一、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第一学期编制：吕亚清21传动零件轴系零件联接零件附件机架2004-2005第一学期编制：吕亚清22二、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第一学期编制：吕亚清23三、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。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第一学期编制：吕亚清24四、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第一学期编制：吕亚清25§9－2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、耐磨性准则六、振动稳定性准则七、耐热性准则2004-2005第一学期编制：吕亚清26一、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、共振强度问题刚度问题耐磨性问题Fn2004-2005第一学期编制：吕亚清27二、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：吊钩最大起重量——50kN工作能力或承载能力——50kN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50kN2004-2005第一学期编制：吕亚清28三、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σ≤[σ]或τ≤[τ]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Slim][正应力：Slim][剪应力：极限应力2004-2005第一学期编制：吕亚清29四、刚度准则刚度：材料抵抗弹性变形的能力刚度准则：实际变形量≤许用变形量弯曲刚度：挠度条件：y≤[y]倾角条件：θ≤[θ]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第一学期编制：吕亚清30五、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第一学期编制：吕亚清31六、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：0.85ffp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第一学期编制：吕亚清32七、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第一学期编制：吕亚清33§9－3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2004-2005第一学期编制：吕亚清34一、载荷载荷：作用于零件上的力或力矩工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷名义载荷：理想工作条件下的载荷计算载荷：作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷计算载荷=K×名义载荷载荷系数2004-2005第一学期编制：吕亚清35二、应力静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力变应力：稳定变应力（随时间作周期性）、不稳定变应力（非周期性循环变应力）稳定变应力：对称循环变应力、脉动循环变应力、非对称循环变应力ttminmaxm2004-2005第一学期编制：吕亚清36应力参数以正应力为例最大应力:max=m+a最小应力