机械设计教学课件ppt机械零件设计基础

第十章 机械零件设计基础,10-1 概 述,10-3 机械设计中常用材料的选用原则,10-2 机械设计的基本要求、机械零件 的工作能力和计算准则,10-4 机械设计中的强度、许用应力和 安全系数,机械（Machinery) 是机器和机构的统称。,机器(Machine) 主要是指机械装置。如内燃机、机床、汽车、火车、飞机、轮船、起重运输机械、冶金矿山机械、轻纺食品机械等等。,机械设计(Machine Design) 即为各种机械装置的设计，机械设计是为了满足机器的某些特定功能而进行的创造性过程，设计是创造性的劳动，设计的本质在于创新。,10-1 概 述,机械设计课程的特点,性质：是一门重要的设计性的技术基础课，是初步掌握机 械设计能力的必然环节。,研究内容：通用机械零部件的工作原理、特点、选用及设 计计算。,目的：,1、初步具备一般通用机械零部件设计计算的能力。,2、综合运用本课程和其他先修课程的知识，设计机械传 动装置和一般机械。,5其他要求：环保、噪音、外观等,一、机械设计的基本要求,1实现预定的功能，工作可靠；,2经济性好：设计和制造周期短、成本低，产品生产 效率高、能耗低维护管理费用少；,3操作方便，运行安全；,4标准化、系列化程度高：以便简化设计工作，提高 产品质量；,10-2 机械设计的基本要求、机械 零件的工作能力和计算准则,二、机械零件的工作能力及计算准则,零件的工作能力 是指在一定的运动、载荷和环境情况下，在预定的使用期限内，不发生失效的安全工作限度。,二）机械零件的主要失效形式,过大弹性变形零件的刚度不够引起,塑性变形工作应力超过材料的屈服极限S引起,疲劳断裂工作应力超过零件的疲劳极限r引起,过载断裂工作应力超过材料的强度极限B引起,压溃、过度磨损零件接触表面上的压应力p过大,胶 合 零件工作温升t过高引起,表面疲劳损坏零件表面接触应力H过大引起,机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。,一）机械零件的工作能力,计算准则 用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据。对于具体的零件，应根据它们的主要失效形式，采用相应的计算准则。常用的计算准则有：,三）机械零件的计算准则,1强度准则针对零件断裂、塑性变形或表面疲劳损坏失效,强度指零件在载荷作用下抵抗断裂或塑性变形的能力。强度是保证零件工作能力的最基本要求。若零件的强度不够，不仅因为零件的失效使机械不能正常工作，还可能导致安全事故。,强度的计算准则为： MPa 或 针对断裂或塑性变形 H H 针对表面疲劳损坏,强度计算准则：,2）,S安全系数，S1,S：经济，不安全,零件的工作正应力；,零件的工作切应力；,材料的许用正应力；,材料的许用切应力；,材料的极限正应力；,材料的极限切应力；,2刚度准则针对过大弹性变形 刚度指零件在一定载荷作用下抵抗过大弹性变形的能力。刚度是保证机器正常工作，提高机床加工产品质量的基本要求。刚度的计算准则为：y y ； ； 式中，y、和 分别为零件工作时的挠度、偏转角 和扭转角；,由刚度计算所得零件剖面尺寸，一般要比强度计算的大，所以，一般满足刚度要求的零件往往也能同时满足强度要求。,机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。,齿轮轴的弯曲挠度过大会影响一对齿轮的正确啮合。,3耐磨性准则针对过度磨损、胶合破坏 耐磨性 指零件在载荷作用下相对运动的两零件接触界的抗磨损能力。耐磨性是保证有相对运动的零件正常工作的基本要求。其验算式为： p p 防止过度磨损 pv pv 防止胶合破坏,4振动和噪声准则针对高速机械的振动失稳（即共振） 当零件的固有振动频率f等于或趋近于零件的强迫振动频率f p时，将产生共振。这不仅影响机械正常工作，甚至造成破坏性事故，而振动又是产生噪声的主要原因。 防止共振的条件为：f 087 f p 或 f 118 f p 式中，f 零件的固有振动频率，取决于零件的质量和 刚度。 f p 零件受激振源作用引起的强迫振动频率。,3、选择材料；,4、根据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要 参数；,5、绘制零件工作图。,1、拟订零件的设计简图；,2、确定载荷的大小及位置；,四）机械零件的设计步骤,传统设计方法：,强度条件（或刚度）,尺寸,尺寸,强度条件（或刚度）,理论设计（半经验设计）,类比设计,与已有的同类产品进行比较来设计新产品。这种方法在工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠。,经验设计,根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，缺乏创新。,如：箱体、传动件各个结构要素等,模型实验设计,把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺寸样机进行实验。用于大型、复杂零件的设计。,如：飞机、桥梁的风洞实验。,现代设计方法：,优化设计,对工程实际问题进行抽象，建立数学模型，用优化方法求解，得出最佳设计结果。,计算机辅助设计（CAD）,包括分析计算和绘图。,概率设计（可靠性）,将概率论与数理统计理论运用于机械设计。,有限元设计,并行设计,103 机械设计中常用材料的选择原则,选用原则：,一、使用性能的要求,用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。,零件材料,选材因素：,使用要求是指用所选材料做成的零件，在给定的工况 条件下和预定的寿命期限内能正常工作。,二、工艺性能的要求,工艺要求是指所选材料的冷、热加工性能好，热处理 工艺性好。,三、经济性的要求,在满足使用性能的前提下，尽量选用低价格的材料，减少材料的消耗，是零件材料选择的主要原则。,各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。,为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。,一、载荷和应力一）载荷,载荷构件或零件工作时所承受的外力。,静载荷大小和方向均不随时间变化或变化缓慢的载荷。变载荷大小或方向随时间变化的载荷。,根据载荷性质的不同，可分为静载荷与变载荷。,10-4 机械设计中的强度、许用应力和安全系数,循环变载荷,稳定循环载荷,不稳定循环载荷,随机变载荷,名义载荷在理想的平稳工作条件下作用在零件上的 载荷，按原动机的功率求得。,计算载荷载荷系数与名义载荷的乘积。,式中，P原动机的额定功率（kW）， n额定转速（r/min）。,式中，K考虑各种附加载荷的载荷系数。,也可分为工作载荷、名义载荷与计算载荷。,工作载荷机械正常工作时所受的载荷（一般难以 确定）。,根据名义载荷求出的应力称为名义应力。,根据计算载荷求出的应力称为计算应力。,按照应力随时间的变化情况，应力也可分为静应力和变应力。,静应力不随时间变化或变化很小的应力。,二）应力,变应力随时间变化的应力。,稳定循环变应力,不稳定循环变应力,规律性不稳定变应力,随机变应力,静应力只能由静载荷产生，变应力可能由变载荷或静载荷产生。,作用在转动心轴上的载荷是静载荷，产生的应力却属于变应力。,三）变应力参数及典型变应力,1. 变应力参数,最大应力：max 最小应力：min,应力循环特征：用来表示应力的变化情况 r=min/max,平均应力：,应力幅：,注意：五个参数具有符号，计算时要带有符号； max、min是指绝对值而言。,应力类型,a）静应力：r= +1 变应力特例,b）对称循环变应力r= -1,c）脉动循环变应力r= 0,2. 典型变应力及应力循环特征r,d）非对称循环变应力r 在（-1+1）间变化,二、机械零件的失效形式及强度条件式,静应力作用下过载断裂、塑性变形。,二）零件强度条件式： = lim / S,脆性材料制造的零件：lim =B,塑性材料制造的零件：lim =S,1静应力作用下 零件极限应力,2变应力作用下零件极限应力 lim = rN,一）零件的失效形式,变应力作用下疲劳破坏约占零件损坏事故中的80% 。,3.安全系数S的取值对零件的结构尺寸、工作可靠性均有 影响。,1）静应力下，塑性材料的零件：S =1.2.5 铸钢件：S =1.5,S,典型机械的 S 可通过查表求得。 无表可查时，按以下原则取：, 零件尺寸大，结构笨重。,S, 可能不安全。,）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁： S =34,3）变应力下， S =1.31.7材料不均匀，或计算不准时取： S =1.72.5,三、静应力时机械零件的强度计算,一）单向应力下的塑性材料零件,强度条件：,或,二）复合应力时的塑性材料零件,按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算 由第三强度理论： （最大剪应力理论） 由第四强度理论： （最大变形能理论）,复合应力计算安全系数为：,三）脆性材料与低塑性材料,脆性材料极限应力： （强度极限） 塑性材料极限应力： （屈服极限） 1、单向应力状态 强度条件： 或 或,失效形式：断裂,按第一强度条件： （最大主应力理论） 注意：低塑性材料（低温回火的高强度钢） 强度计算应计入应力集中的影响 脆性材料（铸铁） 强度计算不考虑应力集中一般工作期内应力变化次数104按静应力强度计算。,2、复合应力下工作的零件,1、疲劳破坏特征：1）断裂过程：产生初始裂纹 （应力较大处） 裂纹尖端在应力作用下，反复扩展， 直至产生疲劳裂纹。2）断裂面：光滑区（疲劳发展区） 粗糙区（脆性断裂区）3）无明显塑性变形的脆性突然断裂4）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的强度极限,一）变应力作用下机械零件的失效特征,2、疲劳破坏的机理：损伤的累积3、影响因素：不仅与材料性能有关，变应力的循环特征、应力循环次数、应力幅都对疲劳极限有很大影响。,四、机械零件的疲劳强度计算,描述应力循环次数N和疲劳极限rN间关系的曲线，其横坐标为应力循环次数N，纵坐标为疲劳极限rN,机械零件的疲劳大多发生在N曲线D点以前，可用下式描述：,二）机械零件材料的疲劳极限,1、 N 疲劳曲线,1）有限寿命区 当N104高周循环疲劳当104NND时随循环次数疲劳极限,由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数N0(称为循环基数)，用N0及其相对应的疲劳极限r来近似代表ND和 r，于是有：,有限寿命区间内循环次数N与疲劳极限rN的关系为：,式中， r、N0及m的值由材料试验确定。,N应力循环次数，,N = 60 n th ,用疲劳曲线求疲劳极限rN的方法：,kN 寿命系数,有限寿命区（NN0)疲劳极限:,无限寿命区（NN0）疲劳极限：rN = r ， kN = 1,几点说明：, N0 硬度350HBS钢， N0=106 107 350HBS钢， N0=25x107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，与应力与材料的种类有关。 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。, 应力循环特征越大，材料的疲劳极限与持久极限越大， 对零件强度越有利。对称循环（应力循环特征=-1）最不利。,2、极限应力图,同一种材料在不同的应力循环特征下的疲劳极限图（ma图）。,对任何材料（标准试件）而言，每种应力循环特征下都对应着该材料的最大应力max=r，再由应力循环特征可求出min= rmax和m 、a。,以m为横坐标、a为纵坐标，即可得材料在不同应力循环特征下的极限m和a的关系图。,1）材料的极限应力图,曲线上的点对应着不同应力循环特征下的材料疲劳极限。,对称极限点,强度极限点,脉动疲劳极限点,屈服极限点,简化极限应力线图：简化极限应力图ABDG,作法：考虑材料的最大应力不超过疲劳极限，得AB及延长线 考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限，得DG。,AD：疲劳极限直线,DG：屈服极限直线,等效系数（折 算系数）,对碳钢： =0.10.2对合金钢：=0.20.3,材料的简化极限应力图，可根据材料的三个试验数据-1、0和 S而作出。,折线以内为疲劳和塑性安全区，折线以外为疲劳和塑性失效区，工作应力点离折线越远，安全程度越高。,AD上各点：,DG上各点：,如果maxmax，不会疲劳破坏,如果maxs，不会屈服破坏,折线ADG上任一点，表示在不同 r 时的疲劳极限。,求不同应力循环特征 r 时的疲劳极限：,由材料的极限应力简图,对于n点 (工作应力为m和a）,应力循环特征：,对应的疲劳极限：,影响零件疲劳强度的因素，除材料性能、r、N外，还有：,应力集中：零件剖面几何形状突变处(如孔、圆角、键槽、螺纹等） 局部应力远大于名义应力，使疲劳极限降低,用应力集中系数K(K)来考虑， K(K)越小越好,绝对尺寸：零件剖面绝对尺寸大、出现缺陷概率大、疲劳极限降低,用绝对尺寸系数()来考虑， ()越大越好,表面状态：零件表面光滑或强化处理、能提高疲劳极限,用表面状态系数来考虑,综合影响系数越小越好。钢的强度越高，(K)D或(K)D值越大。所以对于用高强度钢制造的零件为了得到提高强度的效果必须特别注意减少应力集中和提高表面质量。,2）零件的极限应力图,注意：由试验得知，有效应力集中系数、绝对尺寸系数和表面状态系数，只对变应力的应力幅部分产生影响。因而，计算时可用综合影响系数对变应力的应力幅部分进行修正。,综合影响系数表示了材料极限应力幅与零件极限应力幅的比值：,零件的对称循环疲劳极限：,用(K)D或(K)D修正纵坐标（应力幅部分）：,零件对称循环疲劳点,零件脉动循环疲劳点,零件屈服极限点,直线AD方程 :,直线DG方程 :,AD许用疲劳极限直线，DG屈服极限直线,DG是静强度极限，其不受(K)D的影响，所以该段不必修正，仍用135的直线表示。,三）单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算,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）。,应力比为常数： r = C 例如绝大多数转轴中的应力状态 平均应力为常数 m = C 例如振动着的受载弹簧中的应力状态 最小应力为常数 min= C 例如紧螺栓连接中受轴向变载荷时的应力状态,相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线上的某一个点（me，ae）所代表的应力。用哪一点来表示极限应力才算合适,要根据零件应力可能发生的变化规律来确定。通常机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：,过原点与工作应力点M或N作连线交ADG于M和N点，由于直线上任一点的应力循环特征均相同，M和N点即为所求的极限应力点。,讨论：当C时，单向变应力状态下的强度计算。,对于塑性材料，当应力在疲劳破坏区,对应于M点的零件的极限应力,a）当工作应力点 位于OAD内,极限应力为疲劳极限，按疲劳强度计算。,对应于N点的极限应力点N位于直线DG上。其强度计算式为,b）当工作应力点 位于ODG内,极限应力为屈服极限，按静强度计算。,注意：,1）若零件所受应力变化规律不能肯定，一般采用r=C的情况计算。,2）上述计算均为按无限寿命进行零件设计，若按有限寿命要求设计零件时，即应力循环次数104NNo时，这时上述公式中的极限应力应为有限寿命的疲劳极限 ，即应以-1N 代-