机械设计-第一章 机械设计概论

1,第一章 机械设计概论,1.1 机械设计的基本要求和一般步骤,1.2 机械零件的载荷和应力,1.3 机械零件的失效形式和设计准则,1.4 机械零件的疲劳强度,1.5 机械零件的接触强度,1.6 机械零件的设计方法及步骤,1.7 机械零件材料的选用原则,1.8 机械零件设计中的标准化,1.9 机械设计技术的新发展,2,1、对机器的基本要求,设计机器的任务是在当前技术发展所能达到的条件下，根据生产及生活的需要提出的。不管机器的类型如何，一般来说，对机器都要提出以下的基本要求：,使用功能要求 经济性要求 劳动保护要求 可靠性要求 其它专用要求,1.1 机械设计的基本要求和一般步骤,3,设计机器的一般程序,2、机械设计的一般步骤,计划阶段,方案设计阶段,技术设计阶段,技术文件编制阶段,一部机器的质量基本上决定于设计质量，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。它是一个创造性的工作过程，同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作。,作为一部完整的机器，它是一个复杂的系统。要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。,机械设计的一般步骤：,4,1.2 机械零件的载荷和应力,静应力不随时间变化，103变应力不断随时间变化,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,交变应的特征及典型交变应力 交变应力随时间作周期性变化的应力,稳定变应力 不稳定变应力,2、应力及分类,1、载荷及分类,静载荷 变载荷,名义载荷 计算载荷,5,最大应力max 最小应力min,应力幅 a (max-min)2,平均应力m (max+min)2,应力循环次数,r= -1对称循环变应力,应力循环特性 min/max=r, 当m0 (max-min), 当min0 (或max0),r= 0 脉动循环变应力,6,当maxmin,1 静应力,r （-1，+1）,非对称循环变应力,7,注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生,8,机械零件的主要失效形式1,1.3 机械零件的主要失效形式,1、机械零件主要的失效形式：整体断裂、过大的残余变形、零件的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效等。,（1）整体断裂,整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。,齿轮轮齿断裂,轴承内圈断裂,9,机械零件的主要失效形式2,1.3 机械零件的主要失效形式,（2）过大的残余变形,当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。,齿轮齿面塑形变形,轴承外圈塑性变形,10,机械零件的主要失效形式3,1.3 机械零件的主要失效形式,（3）零件的表面破坏,零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。,齿面接触疲劳,轴瓦磨损,11,机械零件的主要失效形式4,1.3 机械零件的主要失效形式,（4）破坏正常工作条件引起的失效,有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：,液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。 带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。 高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔才能正常工作。,零件在工作时会发生那一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很多因素有关。,有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起。,12,机械零件的计算准则1,2、机械零件的设计准则,强度准则,刚度准则,设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：,寿命准则,振动稳定性准则,可靠性准则,：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。,：确保零件不发生过大的弹性变形。,：通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。,：高速运转机械的设计应注重此项准则。,：当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。,13,疲劳极限，循环变应力下,应力循环N次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为材料的疲劳极限,疲劳寿命（N）材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N,1、疲劳曲线： 应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线,N0 循环基数 持久极限,1）有限寿命区 当N103高周循环疲劳 随循环次数疲劳极限,注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。,2）无限寿命区,持久极限,对称循环：,脉动循环：,3）疲劳曲线方程,1.4 机械零件的疲劳强度,15,寿命系数,疲劳极限,几点说明：, N0 硬度350HBS钢， N0=107 350HBS钢， N0=(10 - 25)x10 有色金属(无水平部分)，规定当N025x107时,近似为无限寿命区, m指数:与应力、材料的种类有关。 钢 m=9拉、弯应力、剪应力 m=6接触应力 青铜 m=9弯曲应力 m=8接触应力,1.4 机械零件的疲劳强度,16,极限应力线图,1.4 机械零件的疲劳强度,2、材料的极限应力线图,机械零件材料的疲劳特性除用sN曲线表示外，还可用等寿命曲线来描述。该曲线表达了不同应力比时疲劳极限的特性。,在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。,用AC折线表示零件材料的极限应力线图是其中一种近似方法。,A直线的方程为：,C直线的方程为：,y为试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定：,对于碳钢，y0.10.2，对于合金钢，y0.20.3。,17,机械零件的疲劳强度计算1,3、零件的极限应力线图,由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因素等的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。,以弯曲疲劳极限的综合影响系数表示材料对称循环弯曲疲劳极限-1与零件对称循环弯曲疲劳极限-1e的比值，即,在不对称循环时，是试件与零件极限应力幅的比值。,将零件材料的极限应力线图中的直线ADG 按比例向下移，成为右图所示的直线ADG，而极限应力曲线的 CG 部分，由于是按照静应力的要求来考虑的，故不须进行修正。这样就得到了零件的极限应力线图。,1.4 机械零件的疲劳强度,18,机械零件的疲劳强度计算2,4、单向稳定变应力时的疲劳强度计算,进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的 max 及 min确定平均应力m与应力幅a，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点M或N。,根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律，从而决定以哪一个点来表示极限应力。机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：,应力比为常数：r=C 平均应力为常数m=C 最小应力为常数min=C,相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线上的某一个点所代表的应力。,计算安全系数及疲劳强度条件为：,1.4 机械零件的疲劳强度,安全系数计算,19,提高机械零件疲劳强度的措施,在综合考虑零件的性能要求和经济性后，采用具有高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和各种表面强化处理。,适当提高零件的表面质量，特别是提高有应力集中部位的表面加工 质量，必要时表面作适当的防护处理。,尽可能降低零件上的应力集中的影响，是提高零件疲劳强度的首要 措施。,尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，对于延 长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。,减载槽,在不可避免地要产生较大应力集中的结构处，可采用减载槽来降低应力集中的作用。,20,1、接触应力的产生,点或线接触所产生的应力,1.5 机械零件的接触强度,接触应力,局部应力 不同与挤压应力,2、 接触应力的性质,（1 ）接触应力呈半椭圆形分布，接触点处应力最大,21,赫兹公式,（2） 两物体上应力大小相等,3、接触应力的计算公式,影响接触应力的因素：,曲率半径,材料,接触线长度,22,1、设计机械零件时应满足的基本要求,避免在预定寿命期内失效的要求,结构工艺性要求,经济性要求,质量小的要求,可靠性要求,机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：,应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。,设计的结构应便于加工和装配。,零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。,质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。,应降低零件发生故障的可能性（概率）。,1.6 机械零件的设计方法及步骤,23,机械零件的设计方法,1.6 机械零件的设计方法及步骤,理论设计,经验设计,模型实验设计,机械零件的设计方法通常分为常规设计方法和现代设计方法两大类。,现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。如机械优化设计、机械可靠性设计、计算机辅助设计等等。,常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。它又可分为：,24,机械零件设计的一般步骤,机械零件设计的一般步骤,选择零件类型、结构,25,机械零件材料的选用原则1,1.7 机械零件的材料及选用原则,：铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1).,载荷及应力的大小和性质,零件的工作情况,零件的结构及加工性,材料的经济性,零件的尺寸及重量,1、常用材料,2、机械零件材料的选用原则,：塑料、橡胶、合成纤维,：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢(如：08F 45 60 1Cr18）,：灰铸铁、球墨铸铁(如：TH300 QT500-5),：强如钢、轻如铝、硬如金刚石,：强度高、弹性模量大、质量轻,26,机械零件设计中的标准化1,1.8 机械零件设计中的标准化,标准化的益处：,与设计有关的标准:,国际标准国家标准行业标准企业标准等如： ISOGB JB、HBQB,国标分为：强制标准和推荐标准,标准化有利于保证产品质量，减轻设计工作量，便于零部件的互换和组织专业化的大生产，以降低生产成本。,强制性国家标准：代号为GB (为标准序号) (为批准年代)强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。,推荐性国家标准：代号为GBT ，这类标准占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的效果。,标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。,27,1、设计理论的不断完善与发展2、设计手段和方法的不断更新3、机械设计的综合程度越来越高，与其它学科交叉越来越广泛和深入机电一体化4、机械设计的实验研究技术有了很大的发展和提高，实验与理论相互促进,1.9 机械设计技术的最新进展,28,机械现代设计方法简介