东北大学机械设计电子教案第一章机械设计基础ppt课件

1、第一章第一章 机械设计根底机械设计根底东北大学国家工科机械根底课程教学基地第一章 机械设计根底General concepts 1.1 1.1 绪论绪论 1.2 1.2 机械设计普通程序机械设计普通程序 1.3 1.3 零件的失效方式与设计准那么零件的失效方式与设计准那么 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 1.4 1.4 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

2、.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： 电动电动机机发掘发掘机机电能电能 机械能机械能内燃机：热能内燃机：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 绪论绪论 Introduction 二、机械的组成二、机械的组成 二、机械的组成二、机械的组成传动安装传动安装原动机原动机任务机任务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任务机任务机传动安装传动安装控制

3、系统控制系统笼统：笼统： 1.1 绪论绪论 Introduction 二、机械的组成二、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详细：详细：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件构件机械机构、机器机械机构、机器连连杆杆 1.1 绪论绪论 Introduction 三、课程的内容与特点三、课程的内容与特点 三、课程的内容、特点、义务三、课程的内容、特点、义务研讨机械设计实际、方法，论述机械设计的共性问题。研讨机械设计实际、方法，论述机械设计的共性问题。含通用零件的任务原理、设计实际与方法、规范规范等。含通用零件的任务原理、设计实际与方法、

4、规范规范等。内容：内容： 联接件：螺纹联接、键联接联接件：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绪论绪论 Introduction 三、课程的内容与特点三、课程的内容与特点 实际内容章节间联络差实际内容章节间联络差,运用中相互联络亲密。运用中相互联络亲密。特点：特点：技术根底课技术根底课实际实际+工程实践工程实践思索要素多思索要素多修正系数多修正系数多 掌握机械设计根底实际，掌握机械设计根底实际，义务：义务： 具备设计传动安装及简单机械的才干具备设计

5、传动安装及简单机械的才干 培育机械安装整体构思才干培育机械安装整体构思才干 1.2 机械设计普通程序(General procedure of machine design)一、机械应满足的要求一、机械应满足的要求1、运用要求：完成预定功能，消费率高、运用要求：完成预定功能，消费率高2、平安可靠、寿命足够、平安可靠、寿命足够3、制造、运转费用低，维护方便、制造、运转费用低，维护方便4、其他：运输方便、外型美观、其他：运输方便、外型美观 1.2 机械设计普通程序 二、机械设计普通程序二、机械设计普通程序二、机械设计普通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

6、计调试方案设计方案设计设计义务分析设计义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、方案选择思索构造、公差工艺要求，思索构造、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、零件确定原动机功率、零件运动动力参数运动动力参数工程实验、修正设计工程实验、修正设计 1.2 机械设计普通程序 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资料选择资料分析失效方式、设计准那么、定外形和主要尺寸分析失效方式、设计准那么、定外形和主要尺寸按工艺、规范规范要求，圆整设计尺寸按工艺、规范规范要求，圆整设计尺寸确定零

7、件上的载荷确定零件上的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实验、修正设计工程实验、修正设计一、失效概念一、失效概念Failure 1.3 零件的失效方式与设计准那么 (Failure types and design criteria)规定运用条件下规定运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效失效 1.3 零件的失效方式与设计准那么 (Failure types and design criteria) 二、失效方式二、失效方式二、失效方式Failure types1、整体断裂过载

8、断裂过载断裂疲劳断裂疲劳断裂2、外表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、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 1.3零件的失效方式与设计准那么 (Failure types and design criterias) 三、设计准那么四、常用设计准那么四、常用设计准那么Design criterias1、强度准那么、强度准那么 强度强度抗整体断裂、接触疲劳、塑变的才干抗整体断裂、接触疲劳、塑变的才干 强度准那么：根本准那么强度准那么：根本准那么 ； 2、刚度准那么、刚度准那么 刚度刚度抗弹变才干抗弹变才干 刚度准那么

9、：刚度准那么：yy三、任务才干准那么设计准那么三、任务才干准那么设计准那么任务才干准那么：预定运用寿命期限内，零件平安任务的限任务才干准那么：预定运用寿命期限内，零件平安任务的限制制-承载才干目的、受失效方式限定、确定零件尺寸的根据承载才干目的、受失效方式限定、确定零件尺寸的根据 1.3 零件的失效方式与设计准那么零件的失效方式与设计准那么 (Failure types and design criterias) 三、设计准那么三、设计准那么3、寿命准那么：设计寿命、寿命准那么：设计寿命 LL 要求寿命要求寿命4、耐磨性准那么、耐磨性准那么 耐磨性耐磨性零件抗磨损失效的才干零件抗磨损失效的才干

10、1压强条件：压强条件： pp 防外表间油膜破坏产生磨损防外表间油膜破坏产生磨损2pv值条件：值条件：pvpv (v滑动速度滑动速度) 防外表间温升过高，油膜破坏加剧磨损防外表间温升过高，油膜破坏加剧磨损胶合胶合5、振动稳定性准那么、振动稳定性准那么 fP 0.87 f0 fP 1.18 f0 fP激振频率；激振频率； f0固有频率固有频率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：

11、F原动机功率原动机功率 任务机阻力任务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思索外载变化、零件载荷不均等影响思索外载变化、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Ft1载荷性质载荷性质静载荷：静载荷：变载荷：变载荷：常矢)(tFF变变矢矢 )(tFF1.4 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常常矢矢 )(t (2)

12、变应力：变应力：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、非稳定规律性、非稳定t变变矢矢 )(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

13、)(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 str

14、ess ) 应力比较法：应力比较法：ca =lim / S平安系数法：平安系数法： Sca =lim / ca S 式中：式中：ca 计算应力计算应力与载荷、构造、尺寸、外形与载荷、构造、尺寸、外形有关有关S 平安系数平安系数与计算准确性、重要性有关规范、查表与计算准确性、重要性有关规范、查表 lim 极限应力极限应力与资料、热处置有关与资料、热处置有关 塑性资料：塑性资料：lim= s脆性资料：脆性资料： 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

15、stress in an alternating symmetrical cycle )一、资料的疲劳曲线与疲劳极限一、资料的疲劳曲线与疲劳极限(Curve of 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、多次作用下，资料发生破坏变应力、多次作用下，资料发生破坏疲劳破坏疲劳破坏特特 征：征：小应力小应力:继续性继续性:敏感性敏感性:突发性突发性:变应力最大值低于资料静强度限变应力最大值低于资料静强度限变应力多次作用变应力多次作用对资料、几何外形敏感对资料、几何外形敏感忽然断裂忽然断裂曲轴断裂曲轴断裂

16、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对称循环变应力下零件强度计算 一、疲劳曲线与疲劳极限一、疲劳曲线与疲劳极限( Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle )2、资料的疲劳曲线、资料的疲劳曲线rN NCurve of fatigue N0有限寿命区有限寿命区无限寿命区无限寿命区ABCrNNor 疲劳极疲劳极限限N0循环基数循环基数m、C系数系数C

17、NmrN r rN1rN2N1N2rN0103设计寿命设计寿命NN0时：资料时：资料lim= r1.5 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 一、疲劳曲线与疲劳极限一、疲劳曲线与疲劳极限( Strength calculation of machine parts under variable stress in alternating symmetrical cycle )3、资料的条件疲劳极限、资料的条件疲劳极限rN对应于寿命对应于寿命N资料的有限寿资料的有限寿命疲劳极限命疲劳极限mNNNK0 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

18、当当 NN0时，时，KN=1;设计寿命设计寿命103NN0 ：资料：资料lim= rNN0有限寿命区有限寿命区无限寿命区无限寿命区rNNABCoCNmrN r rN N103AB:0NNmrmrN NrrNK m、C资料常数与资料性质、应力形状、热处置有关资料常数与资料性质、应力形状、热处置有关1.5 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 二、疲劳强度的影响要素二、疲劳强度的影响要素二、疲劳强度的影响要素二、疲劳强度的影响要素Influence factors of fatigue strength1、应力集中：、应力集中：零件几何不延续处，实践应力远大于名义应力零件几何不

19、延续处，实践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、外表形状、外表形状尺寸添加，疲劳极限尺寸添加，疲劳极限外表形状效应：外表粗糙，疲劳极限降低外表形状效应：外表粗糙，疲劳极限降低有效应力集中系数有效应力集中系数1)(11 Kk 缺缺口口试试样样疲疲劳劳极极限限标标准准试试样样疲疲劳劳极极限限2、绝对尺寸、绝对尺寸1)( 11 dd标标准准试试样样疲疲劳劳极极限限试试样样疲疲劳劳极极限限直直径径外表形状系数外表形状系数:1)(11 标标准准试试样样疲疲劳劳极极限限极极限限某某种种表表面面状状态态试试样样疲疲劳劳的景象的景象降低降低 kK :三三种种因因素素综综合合影影响

20、响系系数数三、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 Strength 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)0NA103NABCoN1 Bc )10( 13 )10( 13 c1 1 C资料资料CNmNc 1 时时零零件件疲疲劳劳极极限限）（点点331010: NA0)10( 1)10( 1/3 3 kc 1)1(00 qkk 式中：式中：k0N=103时的有效应力集中系数时的

21、有效应力集中系数敏敏感感性性反反映映材材料料对对应应力力集集中中的的查查图图修修正正系系数数),61 (0 q Kc11 零零件件疲疲劳劳极极限限点点）点点 (:B 0NN1.5 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 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2、零件疲劳极限、零件疲劳极限 Kc11 0NA103NABCoN1 Bc)10(13 )10(13 c1 1 C资料资料CNmNc 1 零件疲劳极限设计寿命设计寿命NN0：零件：零件lim= -1cc1 Nc1 11NcNcK 设计寿命设计寿命103NN0 ：零件：零件lim= -1Nc

22、与零件条件疲劳极限与零件条件疲劳极限 mNNKN 0ccNm)10(11033lglglg10lg 1.5 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 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 SSaNc 1maxlim3、无限寿命零件疲劳强度计算、无限寿命零件疲劳强度计算 SSac 1maxlim式中：式中： S平安系数，平安系数， 引荐引荐S=1.32.5资料均匀性资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

23、强度计算 ( Strength calculation of machine parts under variable stress in alternating unsymmetrical cycle )一、极限应力线图一、极限应力线图(Curve of fatigue limit)1、资料的极限应力线图、资料的极限应力线图同种资料、同种资料、 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 rr 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

24、验线图ACED简化线图简化线图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 一、极限应力线图一、极限应力线图( Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle )2、简化极限应力线图、简化极限应力线图谢林森折线谢林森折线ACEDAE:平平均均应应力力折折算算系系数数 0011/)2( rmraDE:rmraS A(0,-1 )m-10/2D (S , 0)C (0/2 ,0/2)45O0/2ES45a),(rarmM 1.6 非

25、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 一、极限应力线图一、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ACEDrmracKEA 1 :rmraSED : 试件线图试件线图ACED强度影响要素修正强度影响要素修正K零件线图零件线图ACEDmD45O0/2S45E A C AE),0(1 A),0(1cA )2,2(00 KC )2,2(00 Ca),(rarmM M 1

26、.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 二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算二、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=CmO45E A ),0(1cA )2,2(00 KC a)0(,SD ),(amM ),(rarmM 疲劳强度区疲劳强度区OAE静强度区静强度区OED1M ),(amN )

27、,(rarmN 1任务应力点任务应力点),(amM -由载荷、构造求得由载荷、构造求得minmax 、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),(rarmM rmrar max由任务应力点及对应的加载规律确定由任务应力点及对应的加载规律确定M 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 二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算二、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 cy

28、cle )2、 r=C简单加载分析简单加载分析maxr 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OEDCrrma )1()1(2/ )(2/ )(minmaxminmax mamcrmK 1maacraK 1rmracKEA 1 :rmramaOM :M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mOE A a),(amM ),(rarmM NN D1.6 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 二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算( Strength calculati

29、on of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle )对应任务应力点对应任务应力点M的极限应力：的极限应力：macrmrarK max1max无限寿命疲劳强度计算平安系数无限寿命疲劳强度计算平安系数 SKSadcmacr 11maxmax4、有限寿命疲劳强度计算平安系数、有限寿命疲劳强度计算平安系数 SKKSmacNadNc 111.6 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 二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算( Strengt

30、h calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle )4、静强度区平安系数计算、静强度区平安系数计算Srmrar max SSmaSr maxmax静强度计算平安系数静强度计算平安系数:当任务应力点当任务应力点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：任务应力最大值任务应力最大值:ma maxmOE A a ),(amN ),(rarmN 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

31、件疲劳强度计算 ( Strength calculation of machine parts under unstable variable stress )一、线性疲劳损伤累积实际一、线性疲劳损伤累积实际(Theory of fatigue damage 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)资料受高于疲劳极限的应力作用，每一循环均产生损伤资料受高于疲劳极限的应力作用，每一循环均产生损伤(2)损伤累

32、积到一定程度，资料疲劳破坏损伤累积到一定程度，资料疲劳破坏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、线性疲劳损伤累积实际一、线性疲劳损伤累积实际( Strength calculation of machine part under unstable variable stress)N1NNmaxn44321n2n1n3OOABC0N-1N2N1 N3(1)资料在各级应力作用下产生的疲劳损伤独立资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疲劳损伤线性累积实际疲劳损伤线性累积实际1.7 规律性非稳定应力下零件疲劳强

33、度计算规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算 一、线性疲劳损伤累积实际一、线性疲劳损伤累积实际( Strength calculation of machine part under unstable variable stress)%100,累累积积总总损损伤伤率率达达方方程程：材材料料破破坏坏时时Miner1 i1 Nnini注注:(1)小于小于-1 应力的影响不计应力的影响不计 (2) 非对称循环变应力折算成当量对称循环变应力处置非对称循环变应力折算成当量对称循环变应力处置mai :)1( 21maxir 变变应应力力 : 21iinnnn作作用用次次数数 N : 21iiNN单单独独作作用

34、用寿寿命命 :i2211NnNnNnniii次次损损伤伤率率作作用用 i1 Nnini 总总损损伤伤率率：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资料疲劳强度计算二、规律性非稳定应力下资料疲劳强度计算二、规律性非稳定应力下资料疲劳强度计算二、规律性非稳定应力下资料疲劳强度计算(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：miiimimNNNN)( 1001 代入代入Miner方程：方程：损伤极限形状损伤极限形状mmiinimmiiniiniNnNnNn101101i1 1 mmiiniNn101 未未达达到到损损伤伤极极限限状状态态：）（疲疲劳劳损损伤伤等等效效：vmiiniNn, 11 力力最最大大值值长长的的当当量量对对称称循循环环变变应应数数值值较较大大，作作用用时时间间较较注注： 1 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资料疲劳强度计算二、规律性非稳定应力下资料疲劳强度计算mvmiiniNn11 令令：miinivnN)( 11 当当量量循循环环次次数数：1011 mvNNvvNNKN 的的条条件件疲疲劳劳极极限限：对对应应于于2、平安系数、平安系数 计算