东北大学机械设计电子教案第一章机械设计基础.ppt

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1、第一章第一章 机械设计基础机械设计基础东北大学国家工科机械基础课程教学基地第一章 机械设计基础（General concepts）1.1 1.1 绪论绪论1.2 1.2 机械设计一般程序机械设计一般程序 1.3 1.3 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 1.5 1.5 对称循环变应力下零件疲劳强度计算对称循环变应力下零件疲劳强度计算1.6 1.6 非对称循环变应力下零件疲劳强度计算非对称循环变应力下零件疲劳强度计算1.41.4 静应力下零件的强度计算静应力下零件的强度计算1.7 1.7 规律性非稳定变应力零件疲劳强度计算规律性非稳定变应力零件疲劳强度计算1.8 1.8 双向变应

2、力下零件疲劳强度计算双向变应力下零件疲劳强度计算1.1 绪论（Introduction）一、机械的定义一、机械的定义具有确定相对运动的构件组合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能实现能量转换或作有用功例：例：电动机电动机挖掘机挖掘机电电能能 机械能机械能内内燃机：热能燃机：热能机械能机械能驱动液压系统驱动液压系统铲斗作功铲斗作功（机器（机器+机构）机构）1.1 绪论（Introduction）二、机械的组成 二、机械的组成二、机械的组成传动装置传动装置原动机原动机工作机工作机皮带运输机传动简图皮带运输机传动简图原动机原动机工作机工作机传动装置传动装置控制系统控制系统抽象：抽象：

3、1.1 绪论（Introduction）二、机械的组成 制造分析制造分析（机械设计）（机械设计）零件制造单元零件制造单元运动分析运动分析具体：具体：（机械原理）（机械原理）构件运动单元构件运动单元零件零件构构件件机机械（机构、机器）械（机构、机器）连连杆杆 1.1 绪论（Introduction）三、课程的内容与特点 三、课程的内容、特点、任务三、课程的内容、特点、任务研究机械设计理论、方法，阐述机械设计的共性问题。研究机械设计理论、方法，阐述机械设计的共性问题。含通用零件的工作原理、设计理论与方法、标准规范等含通用零件的工作原理、设计理论与方法、标准规范等。内容：内容：联接件：螺纹联接、键联

4、接联接件：螺纹联接、键联接传动件：齿轮、蜗杆、带、链传动件：齿轮、蜗杆、带、链 支撑件：轴、轴承（滚动、滑动）支撑件：轴、轴承（滚动、滑动）其其 他：联轴器、离合器、弹簧他：联轴器、离合器、弹簧 1.1绪论（Introduction）三、课程的内容与特点 理论内容章节间联系差理论内容章节间联系差,应用中相互联系密切。应用中相互联系密切。特点：特点：技术基础课技术基础课理论理论+工程实际工程实际考虑因素多考虑因素多修修正系数多正系数多 掌握机械设计基础理论，掌握机械设计基础理论，任务：任务：具备设计传动装置及简单机械的能力具备设计传动装置及简单机械的能力 培养机械装置整体构思能力培养机械装置整体

5、构思能力 1.2 机械设计一般程序机械设计一般程序(General procedure of machine design)一、机械应满足的要求一、机械应满足的要求1、使用要求：完成预定功能，生产率高、使用要求：完成预定功能，生产率高2、安全可靠、寿命足够、安全可靠、寿命足够3、制造、运行费用低，维护方便、制造、运行费用低，维护方便4、其他：运输方便、造型美观、其他：运输方便、造型美观 1.2 机械设计一般程序机械设计一般程序 二、机械设计一般程序二、机械设计一般程序二、机械设计一般程序运动与动力学设计运动与动力学设计施工设计施工设计控制系统设计调试控制系统设计调试方案设计方案设计设计任务分析

6、设计任务分析明确设计目的、要求明确设计目的、要求拟定系统组成、方案选择拟定系统组成、方案选择考虑结构、公差工艺要求，考虑结构、公差工艺要求，绘装配图、零件图绘装配图、零件图调试测试控制功能调试测试控制功能确定原动机功率、零件运确定原动机功率、零件运动动力参数动动力参数工程试验、修改设计工程试验、修改设计 1.2 机械设计一般程序机械设计一般程序 三、机械零件设计步骤三、机械零件设计步骤三、机械零件设计步骤选择材料选择材料分析失效形式、设计准则、定形状和主要尺寸分析失效形式、设计准则、定形状和主要尺寸按工艺、标准规范要求，圆整设计尺寸按工艺、标准规范要求，圆整设计尺寸确定零件上的载荷确定零件上的

7、载荷建立计算模型建立计算模型拟定零件的计算简图拟定零件的计算简图工程试验、修改设计工程试验、修改设计一、失效概念（一、失效概念（Failure）1.3 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 (Failure types and design criteria)规定使用条件下规定使用条件下规定的寿命期限内规定的寿命期限内不能完成不能完成规定功能规定功能失效失效零零件件例例:齿轮轴断裂齿轮轴断裂失失效效 1.3 零件的失效形式与设计准则(Failure types and design criteria)二、失效形式二、失效形式（二、失效形式（Failure types）1、整体断裂整

8、体断裂过载断裂过载断裂疲劳断裂疲劳断裂2、表面破坏表面破坏磨损磨损冷胶合冷胶合热胶合热胶合点蚀点蚀塑性变形塑性变形过大弹变过大弹变5、功能失效3、变形、变形 过大过大胶合胶合4、过大振动、过大振动 1.3零件的失效形式与设计准则(Failure types and design criterias)三、设计准则四、常用设计准则（四、常用设计准则（Design criterias）1、强度准则、强度准则 强度强度抗整体断裂、接触疲劳、塑变的能力抗整体断裂、接触疲劳、塑变的能力 强度准则：（基本准则强度准则：（基本准则）；2、刚度准则、刚度准则 刚度刚度抗弹变能力抗弹变能力 刚度准则：刚度准则：y

9、y三、工作能力准则（设计准则）三、工作能力准则（设计准则）工作能力准则：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、受失效形式限定、确定零件尺寸的依据承载能力指标、受失效形式限定、确定零件尺寸的依据 1.3 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则(Failure types and design criterias)三、设计准则三、设计准则3、寿命准则：设计寿命、寿命准则：设计寿命 LL 要求寿命要求寿命4、耐磨性准则、耐磨性准则 耐磨性耐磨性零零件抗磨损失效的能力件抗磨损失效的能力（1）压强条件：）压强条件：pp 防表面

10、间油膜破坏产生磨损防表面间油膜破坏产生磨损（2）pv值条件：值条件：pvpv (v滑动速度滑动速度)防表面间温升过高，油膜破坏加剧磨损防表面间温升过高，油膜破坏加剧磨损胶合胶合5、振动稳定性准则、振动稳定性准则 fP 0.87 f0 fP 1.18 f0 fP激振激振频率；频率；f0固固有频率有频率1.4 静应力下零件的零件的强度计算 (Strength calculation of machine parts under static stress)一、载荷与应力一、载荷与应力 (Load and stress)（2）载荷算法）载荷算法名义载荷：名义载荷：F原动机功率原动机功率 工作机阻力工

11、作机阻力（理想工况）（理想工况）F公式推算公式推算计算载荷：计算载荷：Fca=K F载荷系数：载荷系数：K考考虑外载变化、零件载荷不均等影响虑外载变化、零件载荷不均等影响1、载荷分类、载荷分类Ft随机随机Ft周期周期Ft（1）载荷性质）载荷性质静载荷：静载荷：变载荷：变载荷：1.4 静应力下零件的零件的强度计算(Strength calculation of machine parts under static stress)一、载荷与应力2、应力分类、应力分类(Stress type)(1)静应力：静应力：t(2)变应变应力：力：稳定变应力稳定变应力t随机随机t非稳定变应力非稳定变应力规律性

12、、非稳定规律性、非稳定t 1.4 静应力下零件的零件的强度计算(Strength calculation of machine parts under static stress)一、载荷与应力(1)非对称循环变应力非对称循环变应力3、变应力的参数、变应力的参数 (Parameters of variable stress)tmaxminma应应 力力 幅：幅：a=(max-min)/2平均应力：平均应力：m=(max+min)/2应力循环特性：应力循环特性：r=min/max(-1 r+1)(2)脉动循环变应力脉动循环变应力t(3)对称循环变应力对称循环变应力t最大应力：最大应力：max 最

13、小应力：最小应力：minmin=0；m=a r=min/max=0m=0；max=a=-minr=min/max=-1 1.4 静应力下零件的零件的强度计算 二、静应力下的强度计算 (Strength calculation of machine parts under static stress)二、静应力下零件强度计算二、静应力下零件强度计算 (Strength calculation of machine parts under static stress)应力比较法：应力比较法：ca=lim/S安全系数法：安全系数法：Sca=lim/ca S 式中：式中：ca 计计算应力算应力与与载载

14、荷、结构、尺寸、形状有关荷、结构、尺寸、形状有关S 安全系数安全系数与计算准确性、重要性有关（规范、查与计算准确性、重要性有关（规范、查表）表）lim 极限极限应力应力与与材料、热处理材料、热处理有关有关 塑性材料：塑性材料：lim=s脆性材料：脆性材料：lim=B1.5 对称循环变应力下零件强度计算对称循环变应力下零件强度计算(Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle )一、材料的疲劳曲线与疲劳极限一、材料的疲劳曲线与疲劳极限(Curve of

15、 fatigue and fatigue limit)1、疲劳破坏、疲劳破坏(Fatigue failure)疲劳破坏：疲劳破坏：变应力、多次作用变应力、多次作用下，材料发生破坏下，材料发生破坏疲劳破坏疲劳破坏特特 征：征：小应力小应力:持续性持续性:敏感性敏感性:突发性突发性:变应力最大值低于材料静强度限变应力最大值低于材料静强度限变应力多次作用变应力多次作用对材料、几何形状敏感对材料、几何形状敏感突然断裂突然断裂曲轴断裂曲轴断裂内源断裂内源断裂疲劳破坏疲劳破坏过过 程：程：裂纹萌生裂纹萌生裂纹扩展裂纹扩展最终瞬断最终瞬断实例实例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(

16、Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle )2、材料的疲劳曲线、材料的疲劳曲线rN N（Curve of fatigue）N0有限寿命区有限寿命区无限寿命区无限寿命区ABCrNNor 疲疲劳极限劳极限N0循循环基数环基数m、C系系数数rN1rN2N1N2rN0103设计寿命设计寿命NN0时：材料时：材料lim=r1.5 对称循环变应力下零件强度计算 一、疲劳曲线与疲劳极限(Strength calculation of machine parts

17、 under variable stress in alternating symmetrical cycle )3、材料的条件疲劳极限、材料的条件疲劳极限rN（对应于寿命（对应于寿命N材料的有限寿命疲劳极限）材料的有限寿命疲劳极限）式中：式中：KN-寿命系数寿命系数N 103时，按静强度计算时，按静强度计算当当 NN0时，时，KN=1;设计寿命设计寿命103NN0：材料：材料lim=rNN0有限寿命区有限寿命区无限寿命区无限寿命区rNNABCo103AB:m、C材材料常数（与材料性质、应力状态、热处理有关）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

18、劳强度的影响因素二、疲劳强度的影响因素二、疲劳强度的影响因素（Influence factors of fatigue strength）1、应力集中：、应力集中：零件几何不连续处，实际应力远大于名义应力零件几何不连续处，实际应力远大于名义应力尺寸效应尺寸效应:绝对尺寸系数绝对尺寸系数:3、表面状态、表面状态尺寸增加，疲劳极限尺寸增加，疲劳极限表面状态效应：表面粗糙，疲劳极限降低表面状态效应：表面粗糙，疲劳极限降低有效应力集中系数有效应力集中系数2、绝对尺寸、绝对尺寸表面状态系数表面状态系数:的的现象现象降低降低三、对称循环变应力下零件疲劳强度计算三、对称循环变应力下零件疲劳强度计算（Stre

19、ngth calculation of machine parts under variable stress in alternating symmetrical cycle）1、零件的疲劳曲线、零件的疲劳曲线-1N N (r=-1)A103NABCoBC材料材料式中：式中：k0N=103时的有效应力集中系数时的有效应力集中系数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、零件疲劳极限A103NABCoBC材料材料零件疲劳极限设计寿命设计寿命NN0：零件：零件lim=-1c设计寿命设计寿命103NN0：零件：零件lim=-1Nc与零件条件疲劳极限

20、与零件条件疲劳极限 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4、有限寿命零件疲劳强度计算、有限寿命零件疲劳强度计算3、无限寿命零件疲劳强度计算、无限寿命零件疲劳强度计算式中：式中：S安全系数，安全系数，推荐推荐S=1.32.5材料均匀性材料均匀性工艺质量工艺质量 载荷及应力计算准确性载荷及应力计算准确性1.6 非对称循环变应力下零件强度计算非对称循环变应力下零件强度计算(Strength calculation of machine parts under variable stress in alternating unsymmetrical cycle )

21、一、极限应力线图一、极限应力线图(Curve of fatigue limit)1、材料的极限应力线图、材料的极限应力线图同种材料、同种材料、r不同时，不同时，r在在m a 坐标系下的关系曲线坐标系下的关系曲线 aBm-10/2DCA45O0/2EBS45A:m=0,r=-1C:m=a,r=0B:a=0,r=+1 r=m+a(-1 r+1)ACB 实验线图实验线图ACED简简化线图化线图1.6 非非对称循环变应力下零件强度计算 一、极限应力线图(Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternati

22、ng symmetrical cycle )2、简化极限应力线图、简化极限应力线图谢谢林森折线林森折线ACEDAE:DE:A(0,-1)m-10/2D(S,0)C(0/2,0/2)45O0/2ES45a1.6 非非对称循环变应力下零件强度计算 一、极限应力线图(Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle )3、零件的极限应力线图、零件的极限应力线图ACED 试件线图试件线图ACED强度影响因素强度影响因素修修正正K零零件线图件线图ACEDmD45O

23、0/2S45a1.6 非非对称循环变应力下零件强度计算 二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算(Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle )二、非对称循环变应力下零件的疲劳强度计算（二、非对称循环变应力下零件的疲劳强度计算（r=C）mO45a疲劳强度区疲劳强度区OAE静强度区静强度区OED（1）工作应力点）工作应力点-由载荷、结构求得由载荷、结构求得1、极限应力线图分析、极限应力线图分析（2）极限应力点）极限应力点由工作应力点及对应的加载规律确定

24、由工作应力点及对应的加载规律确定1.6 非非对称循环变应力下零件强度计算 二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算(Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle )2、r=C简单加载分析简单加载分析加载曲线加载曲线OMM为直线，为直线，疲劳强度区疲劳强度区OAE、静强度区、静强度区OEDM点坐标：点坐标：3、无限寿命疲劳强度计算、无限寿命疲劳强度计算mOaD1.6 非非对称循环变应力下零件强度计算 二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算(Strengt

25、h calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle )对应工作应力点对应工作应力点M的极限应力：的极限应力：无限寿命疲劳强度计算安全系数无限寿命疲劳强度计算安全系数4、有限寿命疲劳强度计算安全系数、有限寿命疲劳强度计算安全系数1.6 非非对称循环变应力下零件强度计算 二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算(Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symme

26、trical cycle )4、静强度区安全系数计算、静强度区安全系数计算静强度计算安全系数静强度计算安全系数:当工作应力点当工作应力点N位于位于OED静强度区，极限应力点为静强度区，极限应力点为OM与与DE的交点的交点N,极限应力为：极限应力为：工作应力最大值工作应力最大值:mOa 1.7 规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算 (Strength calculation of machine parts under unstable variable stress )一、线性疲劳损伤累积理论一、线性疲劳损伤累积理论(Theory of fatigue dama

27、ge accumulation)1、疲劳损伤累积概念、疲劳损伤累积概念问题：问题：如何利用稳定变应力的分析方法，计算规律性、非稳如何利用稳定变应力的分析方法，计算规律性、非稳 定变应力下零件的疲劳强度？定变应力下零件的疲劳强度？(1)材料受高于疲劳极限的应力作用，每一循环均产生损材料受高于疲劳极限的应力作用，每一循环均产生损伤伤(2)损伤累积到一定程度，材料疲劳破坏损伤累积到一定程度，材料疲劳破坏1.7 规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算 一、线性疲劳损伤累积理论一、线性疲劳损伤累积理论(Strength calculation of machine part

28、 under unstable variable stress)Nmaxn44321n2n1n3OABC-1N2N1 N3(1)材料在各级应力作用下产生的疲劳损伤独立材料在各级应力作用下产生的疲劳损伤独立(2)总损伤线性累积总损伤线性累积2、Miner疲劳损伤线性累积理论疲劳损伤线性累积理论1.7 规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算 一、线性疲劳损伤累积理论一、线性疲劳损伤累积理论(Strength calculation of machine part under unstable variable stress)注注:(1)小于小于-1 应力的影响不计应力

29、的影响不计 (2)非对称循环变应力折算成当量对称循环变应力处理非对称循环变应力折算成当量对称循环变应力处理1.7 规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算 二、规律性非稳定应力下材料疲劳强度计算二、规律性非稳定应力下材料疲劳强度计算二、规律性非稳定应力下材料疲劳强度计算二、规律性非稳定应力下材料疲劳强度计算(r=-1)1、等效循环次数、等效循环次数Nv与条件疲劳限与条件疲劳限-1Nv由疲劳曲线方程：由疲劳曲线方程：代入代入Miner方程：方程：（损伤极限状态）（损伤极限状态）1.7 规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算 二、规律性非稳

30、定应力下材料疲劳强度计算二、规律性非稳定应力下材料疲劳强度计算2、安全系数、安全系数 计算计算1.7 规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算 三三 规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算三、规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算三、规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算 1.8 双向变应力下零件疲劳强度计算双向变应力下零件疲劳强度计算 (Strength calculation of machine parts under bi-direction variable stress )双向变应力：交变正应力和剪应力同时作用双向变应力：交变正应力

31、和剪应力同时作用双向变应力下极限应力图双向变应力下极限应力图AMBABOMM零件计算安全系数零件计算安全系数1.8 双向变应力下零件疲劳强度计算双向变应力下零件疲劳强度计算 (Strength calculation of machine parts under bi-direction variable stress )双向变应力下安全系数：双向变应力下安全系数：本章结束 应力集中L实实返回返回L名名MM应力集中区应力集中区尺寸效应Dmaxd临界临界危险区宽危险区宽危险区宽危险区宽返回返回曲轴整体断裂实况曲轴整体断裂实况返回返回疲劳断口疲劳断口断口对断口对断口放大断口放大断口放大返回断口对返

32、回返回疲劳断口疲劳断口曲轴疲劳断裂断口特征返回返回裂纹源区裂纹源区疲劳扩疲劳扩展区展区最终最终瞬断瞬断区区内部缺陷引起疲劳断轴：初始裂纹起源于轴内部，裂纹由内至外扩展初始裂纹起源于轴内部，裂纹由内至外扩展裂纹源区裂纹源区扩展区扩展区瞬断区瞬断区裂纹扩展裂纹扩展方向方向返回返回键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂键槽键槽初始裂初始裂纹源纹源裂纹扩裂纹扩展区展区最终瞬最终瞬断区断区返回冷胶合：低速重载，接触零件挤压粘着，相对运动撕裂。返回返回综合失效：齿面磨损、断齿、疲劳断轴齿面磨损、断齿、疲劳断轴返回轮齿塑性变形返回返回过载断齿轧钢机压下螺旋丝杠断牙宏观返回返回丝杠断牙部位丝杠断牙部位丝杠断牙局部放大丝杠断牙局部放大热胶合：润滑不良引起的齿面热胶合：润滑不良引起的齿面返回返回整体塑变返回返回点蚀返回返回轮齿磨损返回螺栓联接滑移被联接件断裂被联件相对滑移被联件拉断返回