大学机械设计考研课件.ppt

机械设计,制造科学与工程学院 马咏梅,第一章 机械设计概论,1-1 课程性质和任务 一、机械设计的重要性 二、机器的组成 1、从功能看 三个基本部分、三个辅助部分,其它辅助系统：例如润滑、显示、照明等,动力系统,传动系统,执行系统,操作系统和控制系统,2、从制造安装方面看： 任何机械设备都是由许多机械零部件组成的。 机械零件：是机械制造过程中不可分拆的 最小单元,机器是由机械零件组成的整体，各个零件之间有紧密联系。 学习时应有整体的设计观念。,机械零件,水轮机叶片、活塞、曲轴,本课程重点讨论通用零件的设计。,机械部件：是机械制造过程中为完成同一目的而由若干协同工作的零件组合在一起的组合体。例如：轴承，联轴器。,三、课程简介 研究对象： 简单机械的设计 基本内容：一般尺寸和常规使用条件，通用零件的设计理论和方法、整机和部件设计的基本知识。总论、联接件、传动件、轴系零件、其他零件。 课程性质：是机械类专业学生必修的一门设计性质的技术基础课，是学习许多后续课程和从事机械设备设计的基础。具有承前启后的作用。 课程任务：逐步培养正确的设计思想和创造性思维能力；了解国家的技术经济政策；掌握设计机械所必须的基本知识、基本技能和基本方法；初步具备设计机械传动装置和简单机械的能力（机械系统的总体方案设计；零部件工作能力设计；结构设计能力。）；具备综合应用各种知识和技术资料、处理机械设计中各种问题的能力；具备应用标准、规范及手册的能力。,学习方法 ： 着重基本概念的理解和基本设计方法的掌握，不强调系统的理论分析； 着重理解公式建立的前提、意义和应用，不强调对理论公式的具体推导； 注意密切联系生产实际，努力培养解决工程实际问题的能力； 应根据零部件的工作状况进行受力和失效分析，并根据功能要求和设计约束，建立设计计算公式。,工作原理、结构、类型、应用场合,受力分析、 失效形式,设计准则、 设计计算,本课程的几个特点,涉及面广 关系多因与诸多先修课关系密切。 要求多强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、经济性。 门类多各类零件，各有特点，设计方法各异。 公式多计算多，有解析式、半解析式、经验的、半经验的及定义式。 图表多结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、经验数表。,实践性强不仅读懂书就行，要多联系实际，要注重实践性环节。,无重点又都是重点，设计工作必须详尽，细小的疏忽也会导致严重事故。,设计问题无统一答案更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维。,第三节 2,教学过程的安排： 课堂教学：讲课、习题课 后续实践教学：机械方案设计与组合创意实践-2；综合实践；机械设计创意实践 参考书：机械设计课程设计杨从德编 成都科技大学出版社 ；机械设计学习指南马咏梅编 自编教材。,1-2 设计机器的基本原则和设计程序 一、设计机器时应满足的要求 1、 功能要求 2、 经济性要求 3、 安全性要求 4、 可靠性要求 5、 人机工程和造型设计要求 6、 低噪音要求 7、 其它要求,二、设计方法和设计程序 方法： 1、内插式设计 2、外推式设计 3、开发性设计,设计程序,设计任务,调查研究,开发计划书,试验研究,技术设计,样机试制、实验,技术经济评价,生产设计,小批试制,正式投产,销售服务,调查决策阶段,研究设计阶段,试制阶段,投产销售阶段,三、技术经济评价 技术评价：对工作性能、可靠性、使用维 护性等进行评价。,x=1 最好 x=0.8以上 好 x=0.6以下 不合格,经济评价：成本、利润、投资回收期等。,y=1 最高,1-3 机械零件设计概述,一、设计机械零件应满足的基本要求： 1、 满足对零件的使用要求，并且在预定寿命内不失效。 应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。 2 、工艺性好 设计的结构应便于加工和装配。 3 、经济性好 零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。 4、质量小的要求 质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。 5、可靠性要求 应降低零件发生故障的可能性（概率）。,机械零件设计的一般步骤,二 、机械零件设计的一般程序,选择零件类型、结构,名义载荷：理想工作条件下的载荷。 计算载荷：作用于零件的实际载荷。 设计计算：根据零件的工作情况和工作能力准则给出安全条件，求出在此安全条件下所允许的零件危险剖面尺寸，以此为基础使结构具体化。 校核计算：先草拟出零件的初步结构布局和有关尺寸，再根据工作能力准则校核可能的危险剖面是否安全。,计算载荷,名义载荷,=,k ,？,失效丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指 破坏。 强度是零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及表面失 效（磨损、腐蚀除外）的能力。 刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。 失效的主要形式：,断裂。如轴、齿轮轮齿发生断裂,表面点蚀。工作表面片状剥落,塑性变形。零件发生永久性变形,过大弹性变形,过度磨损,过大振动和噪声、过热等,轴承内圈断裂,齿轮轮齿断裂,齿面接触疲劳,轴瓦磨损,齿轮齿面塑形变形,轴承外圈塑性变形,工作能力不失效条件下零件的安全工作限度。 这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示， 所以又常称为“承载能力”,吊钩最大起重量50 kn 工作能力或承载能力50 kn,设计计算准则：设计机械零件时，保证零件不产生时效所依据的基本准则。 主要有：强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定性准则、可靠性准则。,2-1 载荷和应力分类 一、载荷分类 1、静载荷与变载荷 静载荷：不随时间变化或变化极为缓慢的载荷。 变载荷：随着时间作周期性变化或非周期性变化的载荷。 2、名义载荷与计算载荷,第二章 机械零件的工作能力和计算,二、应力的分类,静应力 变应力,不随时间改变或变化缓慢，只能在静载荷作用下产生。,随时间作周期性或非周期性变化，可由变载荷作用产生，也可由静载荷作用产生。,变应力,稳定变应力周期性循环变应力,非稳定变应力非周期性循环变应力,稳定变应力,非对称循环变应力,对称循环变应力,脉动循环变应力,表征变应力的五个基本参数： 最大应力： 最小应力： 平均应力： 应力幅： 循环特性： 可用任意两个参数来表示变应力的大小。,t,对称循环变应力 r=-1 m= 0; a=max,脉动循环变应力r=0 m=a=max / 2,非对称循环变应力r 0 且 | r | 1,静应力r=+1,o,在静载荷作用下，随时间t变化的变应力举例。,在静载荷作用下， 随时间t变化的变 应力举例,名义应力：根据名义载荷，由材料力学的计算公式求出的机械零件剖面上的应力。 计算应力：根据计算载荷求得的应力。 2.2 机械零件的强度 一、两种判断零件强度的方式 安全系数：极限应力与危险剖面处的最大应力的比值。 许用安全系数：极限应力与许用应力的比值。,应力判别式：,安全系数判别式：,（2.1）,（2.2）,二、静应力作用下的强度问题,主要失效形式：断裂或塑性变形,强度条件： 或 ,塑性材料：,许用应力：,lim 、lim 极限应力 s 安全系数,lim = s ；lim = s,脆性材料：,lim = b ；lim = b,b、b 材料强度极限,s、s 材料屈服极限,三、变应力作用下的强度问题,主要失效形式：疲劳破坏,强度条件： ,疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关,疲劳极限 ：在循环特性为r的变应力作用下，经过n次循环后，材料不发生破坏的应力最大值。,四、许用安全系数 影响因素： 1、 与载荷及应力计算有关的因素 2、 与材料机械性能有关的因素 3、 与零件重要性有关的因素 五、提高零件强度的措施 1、 在制造工艺方面 2、 在结构方面,降低载荷集中 1）去掉容易引起载荷集中的材料,图2.4轮齿载荷分布,2）提高分度精度,3）自动调节载荷分布,4）并列零件不能过多 5）限制接触宽度,采用等强度结构,图2.6轴的等强度外形和实际外形,图2.7等强度标准螺钉和螺母,选用合理截面 减小应力集中 1）尺寸差要小 2）增大过渡圆角半径 3）增加卸载结构,图2.8用卸载孔减少缺口处的应力集中,图2.9用卸载槽减缓力流的集中,机机械零件的接触强度,2.3 机械零件的表面强度,一、表面接触强度 当两零件以点、线相接处时，其接触的局部会引起较大的应力。这局部的应力称为接触应力。,挤压应力是面接触引起的应力，是二向应力状态，而接触应力是三向应力状态。 接触应力的特点：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。,对于线接触的情况，其接触应力可用赫兹应力公式计算。,两接触体材料的弹性模量,接触线长度,综合曲率半径,当零件在循环接触条件下工作时，接触表面的失效属于疲劳损坏，称为表面疲劳磨损（点蚀）。,齿面接触疲劳,判断金属接触疲劳强度的指标为接触疲劳极限。即在规 定的应力循环次数下材料不发生点蚀现象时的最大应力。,二、提高接触疲劳强度的主要措施 1、增大接触表面的综合曲率半径； 2、采用内接触；,强度条件：,3、将点接触改为线接触； 4、使零件表面硬度增大； 5、降低零件的表面粗造度； 6、采用粘度高的润滑油。,图2.13圆弧齿轮啮合,三、表面挤压强度,图2.14销轴联接,四、表面磨损强度 1、限制工作表面的压强,2、限制pv值,3、限制滑动速度,五、提高表面磨损强度的主要措施 1、正确选用摩擦材料； 2、提高表面硬度； 3、降低表面粗糙度； 4、采用有效的润滑剂和润滑方式； 5、表面镀层、涂漆； 6、防止异物落入摩擦表面间； 7、限制工作温度过高。,第3章 机械零件的疲劳强度,疲劳强度计算方法： 安全寿命设计法 在规定的工作期间内，不允许零件出现疲劳裂纹，一旦出现，即认为零件失效。 破损安全设计法 允许零件存在裂纹，但须保证在规定的工作周期内能安全可靠的工作。,3.1疲劳断裂特征 疲劳断裂分为两个阶段： 第一阶段产生初始裂纹，形成疲劳源； 第二阶段裂纹扩展发生断裂。,表3.1应力相同、表面应力集中程度不同的试件在受载形式不同时的疲劳断裂截面,n 应力循环次数,rn 疲劳极限（对应于n）,r 疲劳极限（对应于n0）,由此得：,与应力状态有关的指数,3.2疲劳曲线和极限应力图 3.2.1疲劳曲线（-n曲线）,式中， r 、n0及m的值由材料试验确定。,称为寿命系数,n0 循环基数（一般规定为 ）,几点说明： r又称为材料的疲劳极限。对称循环：r=-1； 脉动循环：r=0 m是双对数坐标上的疲劳曲线的斜率,（3.3）,例题3.1 已知45钢的-1=300mpa，n0107 ，m=9，用双对数坐标绘出该材料的疲劳曲线图。,解：在双对数坐标上取一点b，其坐标为,过b作斜率等于-1/9的直线，即为所求的疲劳曲线。,总结：疲劳曲线是有限寿命疲劳极限和应力循环次数之间的个关系曲线，它反映了材料抵抗疲劳断裂的能力。通常分为有限寿命区和无限寿命区，以循环基数为界，利用疲劳曲线可以对只需要工作一定期限的零件进行有限寿命设计，以期减小零件尺寸和重量。,3.2.2疲劳极限应力图 材料在不同循环特性下的疲劳极限可以用极限应力图表示。,极限平均应力,极限应力幅,3.6 塑性材料疲劳极限应力图,常用的简化方法： 以对称循环疲劳极限点a（0，-1 ）和静应力的强度极限点f（ b ，0）作与脉动疲劳极限点b（ 0/2 ，0/2 ）的连线，所得折线abf即为简化的极限应力图。,折线上各点：横坐标为极限平均应力，纵坐标为极限应力幅。,直线es为塑性屈服极限曲线，,总结：根据材料在各种循环特性下的疲劳实验结果，可以绘制出以平均应力和应力幅为坐标的疲劳极限应力曲线。利用极限应力图可以判断零件是否发生失效，并进一步分析引起零件失效的原因。,表3.2钢、灰铸铁和轻金属的极限应力经验计算式,3.3 影响机械零件疲劳强度的主要因素 3.3.1 应力集中的影响,有效应力集中系数,材料对应力集中的敏感系数,理论应力集中系数,在结构上，减缓零件几何尺寸的突变、增大过渡圆角半径、增加卸载结构等都可降低应力集中，提高零件的疲劳强度。,强度极限越高的钢敏感系数q值越大，对应力集中越明显。,铸铁：,若同一剖面上有几个应力集中源，则应选择影响最大者进行计算。,图3.10 钢的敏感系数,3.3.2 尺寸的影响,尺寸对疲劳强度的影响可用尺寸系数 表示，,零件截面的尺寸越大，其疲劳强度越低。,图3.11 钢的尺寸系数,图3.12 铸铁的尺寸系数,3.3.3 表面状态的影响,零件表面越粗糙，其疲劳强度越低。,表面状态对疲劳强度的影响，可用表面状态系数 来表示。,图3.13 钢的表面状态系数,钢的强度极限越高，表面状态对疲劳强度的影响越大 。,铸铁对表面状态很不敏感，,残余拉应力会降低疲劳强度。,3.3.4 综合影响系数,零件的应力集中，尺寸及表面状态只对应力幅有影响，对平均应力影响不大，,在计算时，零件的工作应力幅要乘以综合影响系数，或材料的极限应力幅除以综合影响系数。,3.4许用疲劳极限应力图 3.4.1稳定变应力和非稳定变应力,稳定变应力：在循环过程中， ， 和周期都不随时间变化的变应力。,非稳定变应力： ， 和周期其中任意一参数随时间变化的应力。它是由载荷和工作转速变化造成的。,规律性非稳定变应力：作周期性规律变化的应力。,随机性非稳定变应力：随机变化的应力。,图3.16 随机性非稳定变应力及其直方图,图3.15 规律性非稳定变应力及其直方图,图3.14 稳定变应力及其直方图,3.4.2许用疲劳极限应力图,图3.17许用疲劳极限应力图,3.4.3 工作应力的增长规律,1、r=c （简单加载）,图3.18 三种工作应力增长规律r=常数,2、 =c （复杂加载）,3、 （复杂加载）,3.5 稳定变应力时安全系数的计算 3.5.1 单向应力状态时的安全系数,图3.19 r=常数时安全系数计算简图,1、图解法,最大应力安全系数 ：,平均应力安全系数 ：,应力幅安全系数 ：,2、解析法,等效系数或敏感系数,塑性变形只需按静强度计算,总结：在r=常数的情况下，当工作应力点位于oaeo区域内时，对应的许用极限应力点落在ae直线上，可能发生的失效形式为疲劳破坏，故应按疲劳强度计算。当工作应力点位于oeso区域内时，对应的许用极限应力点落在es直线上，可能发生的失效形式为塑性变形，应按静强度计算。计算时，常不易判断工作点所在区域，为安全起见，两种方法都要计算。,脆性材料不验算屈服强度安全系数。,图3.7低塑性和脆性材料疲劳极限应力图,例题3.2 一杆件如图3.20所示，受脉动循环拉力f=03105n，r=常数，材料为40mn钢，调质处理，200hb230hb，b735mpa，s471mpa，圆角精铣加工(相当于精车)，要求应力循环次数不低于5105，求圆角处危险截面的安全系数s。,解：,1、求 和,2、求 和,3、求kn,4、求圆角处,q=0.64,5、用图解法求安全系数,a（0，163.4),b（355.8，139）,s（471，0）,6、用解析法求安全系数,计算疲劳强度安全系数,计算屈服强度安全系数,例2 已知某钢材的机械性能为 。 （1）试按比例绘制该材料的简化疲劳极限应力图； （2）由该材料制成的零件，承受非对称循环应力，其应力循环特性r=0.3，工作应力 ，零件的有效应力集中系数 ，零件的尺寸系数 ，表面状态系数 ，按简单加载情况在该图中标出工作应力点及对应的极限应力点； （3）判断该零件的强度是否满足要求？,解： （1）绘制材料的简化疲劳极限应力图。,s（1000，0）,e,a（0，500）,b（400，400）,o,a,m,a（0， ） b（ ， ） s（ ，0）,a（0，500） b（400，400） s（1000，0）,（2）绘制零件的许用极限应力图,s点不必进行修正,a（0，278.5） b（400，222.8） s （1000，0）,s（1000，0）,e,a（0，500）,b（400，400）,o,a,m,a（0，278.5） b（400，222.8） s （1000，0）,a（0，278.5）,b（400，222.8）,e,（3）确定工作应力点m的坐标。,工作应力点的坐标为m（520，280）,m（520，280）,m（520，280）,m,m点落在疲劳安全区oae以外，该零件发生疲劳破坏。,例3 某轴只受稳定交变应力作用，工作应力 材料的机械性能 ， ，轴上危险截面的 ， ， 。 （1）绘制材料的简化极限应力图； （2）用作图法求极限应力及安全系数（按r=c加载和无限寿命考虑）； （3）取s=1.3，试用计算法验证作图法求出的 ， 及s值，并校验此轴是否安全。,解： （1）绘制材料的极限应力图,s（800，0）,e,a（0，450）,b（350，350）,o,a,m,a（0，450） b（350，350） s（800，0）,（2）绘制零件的极限应力图,a（0，270） b（350，210） s（800，0）,a（0，270）,b（350，210）,（3）在图上标出工作应力点m,工作应力点的坐标为m（100，140）,（4）由作图法求极限应力及安全系数,（2）绘制零件的极限应力图,m（100，140）,m（100，140）,m,m（170，241）,（5）用计算法验证,此轴疲劳强度达到安全要求,3.6规律性非稳定变应力时机械零件的疲劳强度 3.6.1 疲劳损伤积累假说,设零件受规律性非稳定变应力 、 、 ；,各应力作用的循环次数分别为 、 、 ;,各应力单独作用下材料发生疲劳破坏的应力循环次数分别为 、 、 ；,变应力各循环一次，寿命损伤率分别为 、 、,各变应力循环 、 、 次后的损伤率分别为 、 、 。,疲劳损伤积累假说的表达式,或,3.6.2 等效稳定变应力和寿命系数,等效应力 循环 次的损伤效应等同于非稳定变应力下各应力 分别循环 次的总效应。,3.6.3 规律性非稳定变应力时安全系数的计算步骤,取等效应力 等于非稳定变应力中作用时间最长的和(或)起主要作用的应力 ，并取 的应力幅 和平均应力 相应地等于 的应力幅 和平均应力 。,求等效循环次数 。,求等效循环次数时的寿命系数 和疲劳极限 。,按等效应力计算疲劳强度安全系数。,按最大非稳定变应力计算塑性材料屈服强度安全系数。,例题3.3 图3.23a为一机械工作时的载荷变化图(称为载荷谱)，在一零件上相应引起规律性非稳定对称循环弯曲应力(图3.23b)，设计时近似用三级稳定对称循环弯曲应力来模拟， 、 、 ，在每一工作周期内各应力均作用一次，已工作了 周期，零件材料在循环 时， 。求1)零件的总寿命损伤率；2)估计零件剩余寿命还能工作多少周期。,解：1、求总寿命损伤率f,总寿命损伤率,2、求剩余工作周期,寿命剩余率 r=1-f=1-0.59=0.41,例题3.4 转轴截面上的非稳定对称循环弯曲应力如图3.24所示。转轴工作时间 为200h，转速n为100r/min。材料为45钢，调质处理200hb， ， ，求寿命系数 、疲劳极限 和安全系数 。,解：1、求寿命系数,取m9 选定等效应力,求各变应力循环次数,求等效循环次数,求寿命系数,2、求疲劳极限,3、求安全系数,本章难点： 稳定循环简单变应力时极限应力和安全系数的确定。 1、当应力循环次数n=n0的对称循环变应力时的极限应力和安全系数,极限应力为,最大工作应力,安全系数,考虑应力集中等因素的影响安全系数,2、当应力循环次数n=n0时的非对称循环应力的极限应力和安全系数,或,3、当应力循环次数nn0时零件在变应力下的极限应力和安全系数,1、某齿轮传动装置如图所示，轮1为主动轮，则轮2的齿面接触应力按 变化。 a 对称循环 b 脉动循环 c 循环特性r=-0.5的循环 d 循环特性r=+1的循环,2、上图所示的齿轮传动装置，轮1为主动轮，当轮1作双向回转时，则轮1齿面接触应力按 变化。 a 对称循环 b 脉动循环 c 循环特性r=-0.5的循环 d 循环特性r=+1的循环,3、两等宽的圆柱体接触，其直径d1=2d2，弹性模量e1=2e2，则其接触应力值为 。 a、h1 =h2 b、h1 =2h2 c、h1 =4h2 d、h1 =h2,4、某四结构及性能相同的零件甲、乙、丙、丁，若承受最大应力max的值相等，而应力循环特性r分别为+1、0、 -0.5、-1，则其中最易发生失效的零件是 。 a、甲 b、乙 c、丙 d、丁,a、300 b、428 c、500.4 d、430.5,6、在极限应力图中，工作应力点n的位置如图所示。加载情况属于min=常数情况，试用作图法判定其材料的极限应力取为 。,a、b b、0 c、-1 d、s,7、在图示极限应力图中，m点位工作应力点，应力循环特性r=常数，no线与横坐标轴间夹角=40，则该零件所受的应力类型为 。,a、不变号的不对称循环变应力 b、变号的不对称循环变应力 c、对称循环变应力 d、脉动循环变应力,8、某结构尺寸相同的零件，当采用 材料制造时，其有效应力集中系数最大。 a、ht200 b、35号钢 c、40crni d、45号钢,9、某截面形状一定的零件，当其尺寸增大时，其疲劳极限值将随之 。 a、增高 b、降低 c、不变 d、规律不定,a,c,b,1、机械零件设计计算的最基本计算准则是 。,强度,2、机械零件的主要失效形式有 、 、 、 。,整体断裂、表面破坏、变形量过大、破坏正常工作条件引起的失效。,3、机械零件的表面损坏形式主要有 、 、 、 。,磨损、压溃、接触疲劳、腐蚀。,4、产品样机试验完成后，为使设计达到最佳化，需对设计方案进行 评价和 评价工作。,技术评价、经济评价,5、作用于机械零件上的名义载荷是指 ，而设计零件时，应按 进行计算，它和名义载荷间的关系式为 。,根据额定功率用力学公式计算出的作用于零件上的载荷； 计算载荷； 计算载荷等于名义载荷剩以载荷系数k。,6