机械设计基础知识

第一章机械设计基础知识第一章机械设计基础（Generalconcepts）•1.1绪论•1.2机械设计一般程序•1.3零件的失效形式与设计准则•1.5对称循环变应力下零件疲劳强度计算•1.6非对称循环变应力下零件疲劳强度计算•1.4静应力下零件的强度计算•1.7规律性非稳定变应力零件疲劳强度计算•1.8双向变应力下零件疲劳强度计算§1.1绪论（Introduction）一、机械的定义具有确定相对运动的构件组合能实现能量转换或作有用功例：电动机—挖掘机—电能→机械能内燃机：热能→机械能→驱动液压系统→铲斗作功（机器+机构）§1.1绪论（Introduction）二、机械的组成二、机械的组成传动装置原动机工作机皮带运输机传动简图原动机工作机传动装置控制系统抽象：§1.1绪论（Introduction）二、机械的组成制造角度（机械设计）零件:制造单元运动角度具体：（机械原理）构件:运动单元零件—构件—机械（机构、机器）连杆§1.1绪论（Introduction）三、课程的内容与特点三、课程的内容、特点、任务阐述机械设计的共性问题研究通用机械设计的理论、方法通用零件的工作原理、设计理论与方法、标准规范等。内容：联接件：螺纹联接、键联接传动件：齿轮、蜗杆、带、链支撑件：轴、轴承（滚动、滑动）其他：联轴器、离合器、弹簧§1.1绪论（Introduction）三、课程的内容与特点理论内容章间联系弱设计应用中相互关联强特点：技术基础课—理论+工程实际考虑因素多—修正系数多掌握机械设计基础理论任务：具备设计传动装置及简单机械的能力培养设计机械装置的总体构思能力§1.2机械设计一般程序(Generalprocedureofmachinedesign)一、机械设备应满足的要求4、操作、维护方便5、造型美观6、运输方便等3、制造、运行费用低1、使用要求--完成预定功能，生产率高2、安全可靠、寿命足够§1.2机械设计一般程序二、机械设计一般程序二、机械设计一般程序运动与动力学设计施工设计控制系统设计调试方案设计设计任务分析明确设计目的、要求拟定系统组成、方案选择考虑结构、公差工艺要求，绘装配图、零件图调试测试控制功能确定原动机功率、零件运动动力参数工程试验、修改设计§1.2机械设计一般程序三、机械零件设计步骤三、机械零件设计步骤确定零件上的载荷选择材料、热处理方式分析失效形式、设计准则、定形状和主要尺寸按工艺、标准规范要求，设计尺寸建立计算模型拟定零件的计算简图工程试验、修改设计一、失效概念（Failure）§1.3零件的失效形式与设计准则(Failuretypesanddesigncriteria)规定使用条件下规定的寿命期限内不能完成规定功能失效零件例:齿轮轴断裂—失效§1.3零件的失效形式与设计准则(Failuretypesanddesigncriteria)二、失效形式二、失效形式（Failuretypes）1、整体断裂过载断裂疲劳断裂2、表面破坏磨损冷胶合热胶合点蚀塑性变形过大弹变5、功能失效3、变形过大胶合4、过大振动§1.3零件的失效形式与设计准则(Failuretypesanddesigncriterias)三、设计准则四、常用设计准则（Designcriteria)1、强度准则强度—抗整体断裂、接触疲劳、塑变的能力强度准则：（基本准则）σ≤[σ]；τ≤[τ]2、刚度准则刚度—抗弹变能力刚度准则：y≤[y]、θ≤[θ]三、工作能力准则（设计准则）工作能力准则：预定使用寿命期限内，零件安全工作的限度--承载能力指标、受失效形式限制、确定零件尺寸的依据§1.3零件的失效形式与设计准则(Failuretypesanddesigncriterias)三、设计准则3、寿命准则：设计寿命L≥[L]要求寿命4、耐磨性准则耐磨性—零件抗磨损失效的能力5、振动稳定性准则fP＜0.87f0fP＞1.18f0fP—激振频率（工作频率）；f0—固有频率（1）压强条件：p≤[p]防表面间油膜破坏产生磨损（2）pv值条件：pv≤[pv](v—滑动速度)防表面间温升过高，油膜破坏加剧磨损—胶合§1.4静应力下零件的零件的强度计算(Strengthcalculationofmachinepartsunderstaticstress)一、载荷与应力(Loadandstress)（2）载荷算法名义载荷：F原动机功率工作机阻力（理想工况）F公式推算计算载荷：Fca=KF载荷系数：K—考虑外载变化、零件上载荷不均等影响1、载荷分类Ft随机Ft周期Ft（1）载荷性质静载荷：变载荷：常矢)(tFF变矢)(tFF§1.4静应力下零件的零件的强度计算(Strengthcalculationofmachinepartsunderstaticstress)一、载荷与应力2、应力分类(Stresstype)(1)静应力：σt常矢)(t稳定变应力σt随机σt非稳定变应力规律性、非稳定—周期σt(2)变应力：变矢)(t§1.4静应力下零件的零件的强度计算(Strengthcalculationofmachinepartsunderstaticstress)一、载荷与应力(1)非对称循环变应力3、变应力的参数(Parametersofvariablestress)σtσmaxσminσmσa应力幅：σa=(σmax-σmin)/2平均应力：σm=(σmax+σmin)/2应力循环特性：r=σmin/σmax(-1≤r≤+1)(3)脉动循环变应力σt(2)对称循环变应力σt最大应力：σmax最小应力：σminσmin=0；σm=σar=σmin/σmax=0σm=0；σmax=σa=-σminr=σmin/σmax=-1应力描述：五个参数(4)静应力σtσm=σmax=σmin、σa=0r=σmin/σmax=+1§1.4静应力下零件的零件的强度计算(Strengthcalculationofmachinepartsunderstaticstress)二、静应力下的强度计算二、静应力下零件强度计算(Strengthcalculationofmachinepartsunderstaticstress)应力比较法：σca≤[σ]=σlim/[S]安全系数法：Sca=σlim/σca≥[S]式中：σca–计算应力—与载荷、结构尺寸、形状有关[S]–安全系数—材料数据可靠性、计算准确性、零件重要性有关（查表)σlim–极限应力—与材料、热处理有关塑性材料：σlim=σs脆性材料：σlim=σB§1.5对称循环变应力下零件强度计算(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle)一、材料的疲劳曲线与疲劳极限(Curveoffatigueandfatiguelimit)1、疲劳破坏(Fatiguefailure)疲劳破坏：变应力、多次作用下，材料发生破坏疲劳破坏特征：①小应力:②持续性:③敏感性:④突发性:变应力最大值低于材料静强度限变应力多次作用对材料、几何形状敏感突然断裂曲轴断裂内源断裂疲劳破坏过程：①裂纹萌生②裂纹扩展③最终瞬断实例§1.5对称循环变应力下零件强度计算一、疲劳曲线与疲劳极限(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle)2、材料的疲劳曲线σrN–N（Curveoffatigue）N0有限寿命区无限寿命区ABCσrNNoσr—疲劳极限N0—循环基数m、C—系数CNmrNrσrN1σrN2N1N2σrN0103设计寿命N≥N0时：材料σlim=σr设计寿命NN0时：材料σlim=？§1.5对称循环变应力下零件强度计算一、疲劳曲线与疲劳极限(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinalternatingsymmetricalcycle)3、材料的条件疲劳极限σrN（有限寿命疲劳极限）mNNK0N式中：KN--寿命系数N＜103时，按静强度计算当N＞N0时，KN=1;设计寿命103≤N≤N0：材料σlim=σrNN0有限寿命区无限寿命区σrNNABCoCNmrNrrNN103AB:0NNmrmrNrNrNKm、C—材料常数（与材料性质、应力状态、热处理有关）§1.5对称循环变应力下零件强度计算二、疲劳强度的影响因素（Influencefactorsoffatiguestrength）1、应力集中：零件几何不连续处，实际应力远大于名义应力尺寸效应:绝对尺寸系数:3、表面状态尺寸增加，疲劳极限表面状态效应：表面粗糙，疲劳极限降低有效应力集中系数1)(11Kk缺口试样疲劳极限标准试样疲劳极限2、绝对尺寸1)(11dd标准试样疲劳极限试样疲劳极限直径表面状态系数:1)(11标准试样疲劳极限极限某种表面状态试样疲劳的现象降低kK:三种因素综合影响系数三、对称循环变应力下零件疲劳强度计算（Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinalternatingsymmetricalcycle）1、零件的疲劳曲线σ-1N–N(r=-1)0NA'103NABC'oN1B'c)10(13)10(13c11C材料CNmNc1零件疲劳极限时点310N:A0)10(1)10(1/33kc1)1(00qkk式中：k0—N=103时的有效应力集中系数敏感性反映材料对应力集中的查图修正系数),61(0qKc11零件疲劳极限点）点(:B0NN§1.5对称循环变应力下零件强度计算三、对称循环变应力下零件疲劳强度计算2、零件疲劳极限Kc11)1(零件疲劳极限：0NA'103NABC'oN1B'c)10(13)10(13c11C材料CNmNc1零件疲劳极限设计寿命N≥N0：零件σlim=σ-1cc1Nc1cNNcK1'1)2(零件条件疲劳极限：设计寿命103≤N≤N0：零件σlim=σ-1Nc与零件条件疲劳极限mNNKN0ccNm)10(11033lglglg10lg其中：零件§1.5对称循环变应力下零件强度计算三、对称循环变应力下零件疲劳强度计算（2）有限寿命零件疲劳强度安全系数SSaNc1maxlim3、对称循环变应力下，零件疲劳强度安全系数计算SSac1maxlim[S]—安全系数，推荐[S]=1.3~2.5材料均匀性、工艺质量载荷及应力计算准确性零件重要性（1）无限寿命时零件疲劳强度安全系数力学公式计学σa式中：解决：对称循环变应力下零疲劳强度安全系数计算SSmaxlim安全系数：§1.6非对称循环变应力下零件强度计算(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinalternatingunsymmetricalcycle)一、极限应力线图(Curveoffatiguelimit)1、材料的极限应力线图σm–σa同种材料、r不同时，σr在σm–σa坐标系下的关系曲线aBmDCA45°OEBS45°A:σrm=0,r=-1C:σrm=σra,r=0B:σra=0,r=+1σrmax=σrm+σra(-1≤r≤+1)ACB—实验线图ACED—简化线图σtσmaxσminσmσa§1.6非对称循环变应力下零件强度计算一、极限应力线图(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressin