机械设计基础,本课程的内容 研究机械设计的基础知识、基本原理、设计步骤与过程。 机械原理 机械设计,机械原理,机器、机构、构件和零件的概念 (0章) 平面机构的结构分析与自由度的概念 (1章) 平面机构的运动、动力分析(2章) 常用机构（平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等）的组成、类型、特点和设计(37章) 机构运动方案的选择； 机器动力学的基本知识（机械调速、回转件的平衡）(8章),例: 机构齿轮机构 (三个构件) 齿轮1 、齿轮2、机架3,轴、轴承、套筒等 轴系零件,构件零件（制造的单元）,齿轮 传动件,键 联接件,3,机原研 究对象,机构构件（运动的单元）,直齿轮组装,传动零件,轴系零件,联接零件,附件,机架,机械设计,机械零件的工作能力和计算准则，常用材料的选择原则，零件的工艺性、标准化、通用化(9章) 一般尺寸参数的通用零件的设计(1018章) 联接件的设计：螺纹联接、键联接等； 传动件设计：带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动、螺旋传动等； 轴系的设计与计算：轴、滑动轴承、滚动轴承、联轴器、离合器等 其它零件：弹簧等,第9章 机械零件设计概论,9.1 机械零件的失效形式及设计准则 9.2 机械制造常用材料及其选择 9.3 机械零件的结构工艺性及标准化 作业： 9.5、9.6 、9.8*,1、满足功能要求 2、经济 （综合考虑） 3、造型美观 4、人机要求 5、环保,凯迪拉客登攀者,机械设计应满足的要求,机械零件设计应满足的基本要求,机械零件由于某种原因不能正常工作,不发生失效,零件所能安全工作的限度,失效：,工作能力：,通常此限度是对载荷而言，习惯上又称为承载能力,工作可靠、成本低廉 保证工作可靠的设计内容： * 避免在预定寿命周期内失效,保证成本低廉的措施：,选材,降低材耗,减少加工工时 大型零件采用组合结构 采用标准化零、部件,(Failure types and design criteria) 失效：机械零件由于某种原因不能正常工作 常见失效形式： 断裂或塑性变形强度问题 弹性变形过大刚度问题 工作表面过度磨损或损伤耐磨性、温升问题 强烈震动振动稳定性问题 联接的松弛、带的打滑等,9.1 机械零件的失效形式及设计准则,螺栓联接滑移 被联接件断裂,计算准则强度准则 刚度准则 振动稳定性准则 其它准则,主要介绍,设计机械零件时，需根据一个或几个可能发生的主要失效形式，运用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸。,防止失效制定的判定条件，称为工作能力计算准则。,工作能力： 不发生失效时零件所能安全工作的限度(承载能力),工作能力判定条件：计算量许用量 强度条件：应力许用应力 刚度条件：变形量许用变形量,l）选定零件类型； 2）确定作用在零件上的载荷； 3）选择合适的材料； 4）根据零件可能出现的主要失效形式，选用相应的设计准则，确定零件的形状和主要尺寸； 5）绘制工作图并标注必要的技术条件。 -设计计算 参照实物（或图纸）和经验数据，初步拟定零件的结构和尺寸，然后再用有关的理论校核公式进行校核验算。 -校核计算,机械零件设计步骤,注意:,1、通过设计计算出的零件尺寸一般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格将某些计算值加以圆整。 2、在一般机器设计中，只有一部分零件是通过计算确定其形状和尺寸的，而其余的零件则仅根据工艺要求和结构要求进行设计 ； 3、设计工作是一个反复进行的过程，经过多次修改方案，改变设计参数，才能得到比较合理的结果。,课程特点与学习方法,特点：,繁杂（门类多、关系多、要求多、 公式多 、图形多、表格多）,分析处理问题的思路：,（任务）设计零件,*受力分析（*载荷及应力分析功用、*工作原理）, *失效形式（*主要失效形式分类）,*计算准则（公式建立的依据）, 强度计算（*设计方法先定主参数* *许用应力 材料）,结构设计（尺寸及绘图结构特点、标准）,(抓住)计算准则 学习贯穿一条线：,9.1.1 强度,(一)载荷及其分类,名义载荷,载荷系数,计算载荷,名义应力,计算应力,1.基本定义:,理想平稳工作条件下作用在零件上的载荷,K，考虑外载变化、零件载荷不均等影响 如只考虑工作情况的影响，KA,名义载荷与载荷系数的乘积,按照名义载荷用力学公式求得的应力,按照计算载荷求得的应力,强度 零件承受载荷后，抵抗发生断裂或超过 容许限度的残余变形的能力与载荷及应力有关,2.载荷的分类:(按大小及方向是否变化),当max、min均维持常数稳定交变应力 当max和min的数值随时间而改变不稳定的变应力,交变应力随时间作周期性变化的应力,(二)应力及分类:,*一个应力循环,构件中的应力由 “最大值最小值最大值”的过程。,1.分类,2.交变应力的特征及典型的交变应力,*最大应力max *最小应力min,循环变应力,平均应力 应力幅,应力循环特性,不随时间变化的应力。,随时间变化的应力。,具有周期性的变应力 。,应力的分类,*变化规律minmax= 应力循环特性,* 应力循环次数, = 1对称循环,当min0 (或max0),当maxmin, 1 静应力, = 0 脉动循环,当m0 (maxmin),非对称应力,对称应力 =1,脉动应力 = 0,静应力 =+1,应力与载荷：,：应力(MPa=N/mm2 ) F：载荷(N) A：受力面积(m2 ),静载荷离心水泵、皮带运输机、恒定压力的压力容器等。 变载荷石油钻杆、抽油杆、井架、汽车底盘等,静载荷通常产生静应力 变载荷产生变应力 注意：正确分析应力特性 举例：静载荷拉杆,静载荷也可能产生变应力 如转轴中弯曲应力 (对称循环),齿轮弯曲应力 单侧受载 脉动循环,(三)机械零件的强度计算,应力比较法： = lim/S（正应力） 强度计算通式 =lim/S （切应力） 关键: 的计算 的取值 安全系数法： S =lim / S,与载荷、结构、尺寸、形状有关(材力),复合应力：材料力学基本强度理论,一静应力作用下的强度计算,二变应力作用下的强度计算,简单应力:（单向应力） 拉 ； 弯 ; 剪 ; 扭,1.计算应力,lim 极限应力与材料、热处理有关 塑性材料：lim= s屈服极限 脆性材料： lim= B强度极限,2.失效形式： 3.许用应力,塑性材料过大的残余变形,=lim/S= s / S,脆性材料断裂,=lim/S= B /S,二变应力作用下的强度计算,1.失效形式:,=r /S ；=r/S 疲劳极限 = ?,2.许用应力:,疲劳断裂,疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低,甚至比屈服极限低；,不管脆性材料或塑性材料，其疲劳端口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；,疲劳断裂是损伤的积累，它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时,就突然断裂。,与应力循环次数密切相关,键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂,键槽,初始裂纹源,裂纹扩展区,最终瞬断区, 材料的疲劳曲线rN N（Curve of fatigue ）,N0,有限寿命区,无限寿命区,A,B,C,r 疲劳极限,N0循环基数,m、C系数,rN1,rN2,N1,N2,rN0,103,设计寿命NN0时：材料lim= r,对称循环，r=-1，疲劳极限-1 脉动循环，r=0，疲劳极限0,材料的条件疲劳极限rN（对应于寿命N材料的有限寿命疲劳极限）,设计寿命103NN0 ：材料lim= rN,m、C材料常数（与材料性质、应力状态、热处理有关）,Nr，采用rN可得到较大的许用应力，即 “有限寿命”下零件的许用应力，从而减小零件的体积和重量。,疲劳强度的影响因素（Influence factors of fatigue strength）,(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: k,(2) 绝对尺寸,表面状态系数: ,的现象,降低,许用应力:,对称循环: =1,脉动循环: = 0,3.计算应力: (max 、min),简单应力max ；max,复合应力材料力学基本强度理论,4.安全系数:,查表法,1）静应力下，塑性材料一屈服极限为极限应力。S=1.21.5,2) 静应力下，脆性材料强度极限为极限应力。S=34,3）变应力下，以疲劳极限为极限应力。S=1.31.7,部分系数法：S=S1S2S3,S1考虑载荷及应力计算的准确性。,S2考虑材料力学性能的均匀性。,S3考虑零件的重要性。,9.1.2 机械零件的表面强度,(一)疲劳点蚀,如果两个零件在受载荷前是点接触或线接触，当受压变形后，其接触后形成一小面积，且表面产生很大的局部应力，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。,疲劳点蚀-减小接触面积，损坏光滑表面，降低了承载能力，并引起振动和噪声。 齿轮，滚动轴承等零件的主要失效形式。,(二)接触应力计算,1. 表面接触强度,疲劳点蚀机理,当两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时其接触面积为一狭长矩形，最大接触应力发生在接触区中线上，其值为：,对于钢或铸铁，可取泊松比1= 2=0.3代入上式整理后得：,=0.418,接触强度的判定条件为：,以面接触而无相对运动的零件，通过接触面来传递载荷时接触面会产生挤压应力。 表面挤压强度不足时，塑性材料零件表面可能产生塑性变形，脆性材料表面可能产生压溃，引起零件失效。 计算表面挤压强度时，接触应力按接触表面平均应力进行条件性计算，强度条件为,2. 表面挤压强度,运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。,零件工作抗磨损的能力称为耐磨性。,(一)磨损的主要类型,1)磨粒磨损： 硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸峰，在摩擦过程中引起的材料脱落现象称为磨粒磨损。,2）粘着磨损 若接触处发生粘着，滑动时会使接触表面材料由一个表面转移到另一个表面，这种现象称为粘着磨损。,3）疲劳磨损,4）腐蚀磨损 在摩擦过程中，与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损，称为腐蚀磨损。,(二)耐磨性计算,实用耐磨性计算是限制运动副的压强P,相对速度较高时，还应考虑运动副单位时间单位接触面积的发热量。,9.1.3 耐磨性,过大的弹性变形,9.1.4 刚度:,(零件抵抗弹性变形的能力) 失效形式 计算准则,yy ， 刚度,(机器振幅不能超过许可值),共振：机器内的激振源频率零件固有频率 （重合或整数倍）破坏,破坏正常工作条件引起的失效 （联接松动、带传动打滑、腐蚀、过热）,9.1.5 振动稳定性:,其它：,计算准则：,9.2 机械制造常用材料及其选择,一、金属材料 黑色金属铁碳合金 铁碳含金 铸铁(