東北大學機械設計課件第1章機械設計的基礎知識

第一章機械設計的基礎知識第一節(jié)概述第十節(jié)機械零件的工藝性和設計的標準化第九節(jié)機械零件的材料及選用原那么第八節(jié)雙向變應力下機械零件的疲勞強度計算第七節(jié)規(guī)律性非穩(wěn)定應力下機械零件的疲勞強度計算第六節(jié)非對稱循環(huán)應力下機械零件的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第四節(jié)靜應力下機械零件的強度計算第三節(jié)機械零件的主要失效形式及計算準那么第二節(jié)機械零件設計的一般步驟

本章目錄上一頁下一頁退出總目錄1-電動機2-V帶傳動3-齒輪傳動4-聯軸器5-卷筒6-運輸膠帶7-控制系統(tǒng)膠帶運輸機舉例機械:第一節(jié)概述原動機傳動機工作機控制器機械零件：制造單元構件：運動單元通用零件專用零件第一節(jié)概述零件與構件舉例一、機械設計的一般程序制定設計工作方案方案設計技術設計施工設計試制、試驗、鑒定定型產品設計第一節(jié)概述二、機器應滿足的根本要求〔設計階段〕1.具有預定功能的要求2.經濟性要求3.平安性要求4.可靠性要求5.操作使用方便的要求第一節(jié)概述三、本課程的內容、性質和任務內容:機械設計的根底知識聯接零件設計：螺紋聯接、軸轂聯接軸系零部零件設計：軸、滾動軸承、滑動軸承、聯軸器、離合器

其它零部件設計：彈簧機械設計新方法傳動零件設計：帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動、螺旋傳動、摩擦傳動第一節(jié)概述本課程的性質:專業(yè)技術根底課本課程的任務:使學生掌握機械設計的根本知識、根本理論和根本技能第一節(jié)概述第二節(jié)機械零件設計的一般步驟類型選擇受力分析選擇材料確定計算準那么理論設計計算結構設計精確校核繪制零件工作圖編寫設計計算說明書‘第三節(jié)機械零件的主要失效形式及計算準那么1.整體斷裂2.外表破壞3.變形量過大4.功能失效一、機械零件的主要失效形式二、機械零件的計算準那么1.強度準那么2.剛度準那么3.壽命準那么4.耐磨性準那么5.振動穩(wěn)定性準那么第三節(jié)機械零件的主要失效形式及計算準那么第三節(jié)機械零件的主要失效形式及計算準那么1.強度準那么第三節(jié)機械零件的主要失效形式及計算準那么2.剛度準那么第三節(jié)機械零件的主要失效形式及計算準那么3.壽命準那么疲勞壽命計算腐蝕和磨損第三節(jié)機械零件的主要失效形式及計算準那么4.耐磨性準那么第三節(jié)機械零件的主要失效形式及計算準那么5.振動穩(wěn)定性準那么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；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)靜應力下機械零件的強度計算一、載荷及應力的分類1.載荷的分類①靜載荷與變載荷②名義載荷與計算載荷名義載荷原動機傳動機工作機額定功率在理想工作條件工作阻力力學公式名義載荷P、M、T、F第四節(jié)靜應力機械零件的強度計算計算載荷第四節(jié)靜應力機械零件的強度計算2.應力的分類應力靜應力不隨時間變化或緩慢變化變應力穩(wěn)定變應力非穩(wěn)定變應力有規(guī)律非穩(wěn)定變應力無規(guī)律非穩(wěn)定變應力第四節(jié)靜應力機械零件的強度計算對稱循環(huán)脈動循環(huán)非對稱循環(huán)tσo不隨時間變化或緩慢變化。σmax=σmin=σmσa=0靜應力:第四節(jié)靜應力機械零件的強度計算σt0穩(wěn)定變應力第四節(jié)靜應力機械零件的強度計算σmaxσmσminσa穩(wěn)定變應力脈動循環(huán)r=0對稱循環(huán)r=－1非對稱循環(huán)－1<r<1σm=σa=σmax/2,σmin=0σmax=σa=－σmin,σm=0σmax=σm+σaσmin=σm－σaσt0σt0σt0第四節(jié)靜應力機械零件的強度計算非穩(wěn)定變應力有規(guī)律非穩(wěn)定變應力無規(guī)律非穩(wěn)定變應力σotσot周期第四節(jié)靜應力機械零件的強度計算二、靜應力下機械零件的強度判據第四節(jié)靜應力機械零件的強度計算三、極限應力塑性材料：脆性材料：第四節(jié)靜應力機械零件的強度計算四、計算應力復雜應力——按強度理論計算常用到第一、三、四強度理論單向應力〔拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉〕——危險剖面上的最大應力為計算應力第四節(jié)靜應力機械零件的強度計算五、許用平安系數與許用應力原那么：不同的機器制造部門，常制定有自己的許用平安系數或許用應力標準。在保證機器平安可靠的前提下,盡可能減小許用平安系數或提高許用應力。第四節(jié)靜應力機械零件的強度計算無標準可循時，可參照表1-3塑性材料脆性材料σs/σB0.45~0.550.55~0.70.7~0.9鑄件[S]1.2~1.51.4~1.81.7~2.21.6~2.53~4說明如載荷和應力的計算不十分準確時,[S]值加大20%~50%計算不十分準確時.[S]值加大50%~100%五、許用平安系數與許用應力第四節(jié)靜應力機械零件的強度計算影響許用平安系數的因素：1.載荷和應力計算的準確性；2.材料機械性能數據的可靠性；3.零件的重要性等五、許用平安系數與許用應力第四節(jié)靜應力機械零件的強度計算第五節(jié)對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算一、疲勞曲線及疲勞極限疲勞斷裂的三個階段：1.形成初始裂紋2.裂紋擴展3.瞬斷疲勞斷口疲勞破壞的特點：1.循環(huán)應力屢次反復作用下產生；2.無宏觀的、明顯的塑性變形跡象；4.對材料的組成、零件的形狀、尺寸、外表狀態(tài)、使用條件非常敏感。3.循環(huán)應力遠小于材料的靜強度極限；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區(qū)無限壽命區(qū)ABCσ－1疲勞曲線〔HB≤350〕〔HB>350〕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.N>N0KN=1；1.m由疲勞曲線決定。一般設計中，鋼制零件受彎曲應力，m=9;3.N0<103按靜應力問題處理;4.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o103107Nσ－10.5σB0.9σB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二、影響零件疲勞強度的因素1.應力集中2.絕對尺寸3.外表狀態(tài)第五節(jié)對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算σ－1(103)cσ－1cA有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)BCσ－1σ－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三

對

稱

循

環(huán)

應

力

下

疲

勞

強

度

計

算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

計

算有限壽命設計——A/B/段第五節(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

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

0/2BCA45°45°O

0/2疲勞極限線圖

sDECA45°45°O

0/2

-1

0/2第六節(jié)非對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算材料的謝林森折線圖第六節(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：OA/C/E/D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

sDE/C/A/45°O

a

-1M2M1M12加載方式

m

aE/N1M1(/rm,

/ra)A/DMNC(m,

a)OθθP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

aE/N1M1(/rm,

/ra)A/DMNC(m,

a)OθθP第六節(jié)非對稱循環(huán)應力下機械零件的疲勞強度計算等效的工作應力

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有限壽命疲勞強度計算第七節(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σ-N曲線第七節(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

小于σ-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σ-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到達破壞任選一應力水平為基準,如選第七節(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，σ-1用σ-1c代替，材料常數m用第八節(jié)雙向變應力下機械零件的疲勞強度計算雙向應力ABOM/MB/A/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平安系數為根據式1-21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)機械零件的材料及選用原那么1使用要求2工藝要求3經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。選用原那么：第十節(jié)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，本錢也越高。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.合理選擇毛坯種類零件毛坯可用鑄造、鍛造、軋制、焊接等方法制造。如大件、結構復雜且批量生產，宜采用鑄件。3.鑄件結構的工藝性設計中壁厚要均勻，過渡要平緩，以防止產生縮孔及裂紋；

應有適當的結構斜度及拔模斜度以便于取模，保證鑄件質量；鑄件各個面的交界處應采用圓角結構；為了加強剛度，在受力點處常采用加強肋。第十節(jié)機械零件的工藝性和設計的標準化第十節(jié)機械零件