机械设计基础 课件 PPT

1第一章绪论第一章绪论§1本课程研究的对象和内容§2机械零件设计的基本准则及一般设计步骤§3机械零件常用金属材料和钢处理常识（自学）2第一章绪论本课程研究的对象是机械（机器和机构统称）。§1本课程研究的对象和内容古代水碓3第一章绪论牛头刨床4第一章绪论内燃机5第一章绪论照相机6第一章绪论凸轮机构7第一章绪论齿轮机构8第一章绪论棘轮机构9第一章绪论曲柄滑块机构，将活塞往复移动转化为曲柄的连续转动；齿轮机构，改变转速大小和转向；凸轮机构，将凸轮的连续转动转变为推杆往复移动。机器实例：内燃机1、功能：内燃机是将燃气燃烧时的热能转化为机械能的机器。2、组成包含三种机构：一、机械、机器和机构气缸体1活塞2进气阀3排气阀4连杆5曲轴6凸轮7顶杆8齿轮910第一章绪论活塞下行，进气阀打开，燃气被吸入汽缸活塞上行，进气阀关闭，压缩燃气点火后燃气燃烧膨胀，推动活塞下行，经连杆带动曲轴输出转动活塞上行，排气阀打开，排出废气3、工作过程：11第一章绪论4、运动分析：原动件：活塞—由燃气推动（驱动力所作用的构件）主运动：将活塞的往复直线运动→曲轴的回转运动辅助运动：配气——启闭进排气阀12第一章绪论机器：既能实现确定的机械运动，又能完成有用的机械功，或者能传递或转换能量、物料、信息等。如车床——实现确定的机械运动，又作有用的机械功内燃机——转换能量机械手——传递物料照相机——传递信息机构：仅能传递或转换运动。如齿轮机构——传递运动凸轮机构——转换运动机械：是机器和机构的总称。总结：13第一章绪论二、机械的特征1）人为的实物组合——由人工组合的构件系统2）各实物间具有确定的相对运动3）实现能量转换或完成有效的机械功如内燃机：热能→机械能发电机：机械能→电能电动机：电能→机械能1、机器的特征活塞—缸体：往复运动曲轴—缸体：转动连杆—曲轴：摆动如具有以上三个特征——机器14第一章绪论凸轮机构（配气机构）：把回转运动→直线运动曲柄滑块机构：将活塞的直线运动→曲柄的回转运动如机器是由一种或多种机构组成的。只具有机器的前两个特征——机构2、机构的特征3、机器和机构的关系15第一章绪论三、构件和零件1.机器由机构组成:3.构件：机构的基本运动单元，是机器中独立运动的单元体，由一个或几个零件组成。单一零件曲轴多个零件刚性组合连杆2.机构是人工组合的构件系统，必须满足两点:若干构件的组合；这些构件具有确定的相对运动。16第一章绪论4.零件是组成机器最基本的单元体，是机械制造的单元体。专用零件：特定机器中所使用的零件，如活塞、曲轴、叶片通用零件：各类机器中普遍使用的零件，如齿轮、轴、螺栓等5.部件：若干个零件的装配体17第一章绪论机械设计基础的研究对象是常用机构和通用零部件的工作原理、运动特点、结构特点、设计计算的基本理论和方法及有关标准规范四、本课程的研究对象和研究方法18第一章绪论一、机械零件设计的基本准则§1.2机械零件设计基本准则及一般设计步骤零部件丧失正常工作能力称为失效。主要失效形式——永久性：断裂、塑性变形、过度磨损、胶合等；暂时性失效：弹性变形，打滑和共振等。失效原因——强度、刚度、耐磨性、振动稳定性不能满足工作要求。根据失效原因制定了设计准则，并作为防止失效和进行设计计算的依据。19第一章绪论(一)强度1、体积强度：抵抗断裂和过大塑性变形的能力，σ≤[σ],τ≤[τ]极限应力σlim,τlim应根据零件材料性质及所受应力类型作如下选择：１)静应力下工作的塑性材料零件，失效为塑性变形，应按不发生塑性变形的强度条件计算，常以材料的屈服点σｓ，τｓ作为极限应力σlim,τlim。２)静应力下脆性材料，失效为断裂，应按不发生断裂的强度条件计算，常以材料的强度极限σｂ，τｂ作为极限应力σlim,τlim。20第一章绪论３)交变应力下，失效为疲劳断裂，应按不发生疲劳断裂的强度条件计算，常以材料的疲劳极限作为极限应力σlim,τlim。２、表面强度：抵抗表面损伤的能力１）表面挤压强度：面接触的两零件受载后接触面间产生挤压应力。失效形式：塑性材料——表面塑性变形；脆性材料——表面压溃。挤压强度条件：σs≤[σs]21第一章绪论２）表面接触强度产生原因：点、线接触的零件受载后产生的局部应力失效形式：静载荷：脆性材料的表面压碎和塑性材料的表面塑性变形；循环接触：表面疲劳磨损，疲劳点蚀（在交变应力的反复作用下，零件表面的金属成小片状脱落下来而形成一些小凹坑的现象）不发生失效的强度条件：σＨ≤[σＨ]22第一章绪论（二）刚度抵抗弹性变形的能力。最大变形量不能超过许用变形量：包括线性变形，转角和扭角变形。（三）耐磨性载荷作用下相对运动的两零件表面抵抗磨损的能力。在滑动摩擦下工作的零件，常因载荷大，转速高过度磨损而失效。影响磨损的因素很多，通过限制零件工作面的单位压力和相对滑动速度，进行良好的润滑以及提高零件表面硬度和表面质量来提高耐磨性。（四）振动稳定性避免零件的固有频率和强迫振动频率相等或成整数倍23第一章绪论二、机械零件的疲劳强度静应力强度：通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于103的通用零件，均按静应力强度进行设计。（材料力学范畴）变应力强度：在变应力作用下，零件产生疲劳破坏。疲劳破坏定义：金属材料试件在交变应力作用下，经过长时间的试验而发生的破坏。24第一章绪论（一）应力的类型和特点静应力：应力的大小和方向不随时间而变化或变化缓慢的应力。零件相应的失效形式为塑性变形或断裂。交变应力：应力的大小和方向随时间作周期性变化的应力。零件相应的失效形式为疲劳破坏。例：25第一章绪论常见变应力及其基本变化规律minmaxmaxminmaxmin:22mrs关系变应力参数Oσtσmaxσminσsσaσmax—最大应力σmin—最小应力σm—平均应力σs—应力幅r—变应力循环特性26第一章绪论对称循环应力σs=0r=-1σmin=0r=0脉动循环应力例：火车轮轴、双向转动的齿轮轮齿的弯曲应力例：单向转动的齿轮轮齿的弯曲应力27第一章绪论非对称循环应力-1r00r128第一章绪论tOσr＝+1静应力变应力参数不随时间改变的变应力称为稳定变应力；变应力参数随时间改变的变应力称为不稳定变应力。随机变应力可看作循环变应力的特例！例：定滑轮轴、自行车前轮轴的弯曲应力。σm=σmax=σmintOσ29第一章绪论1）零件的最大应力在远小于静应力的强度极限时，就可能发生破坏；2）即使是塑性材料，在没有明显的塑性变形下就可能发生突然的脆性断裂。疲劳破坏的原因：材料内部的缺陷、加工过程中的刀痕或零件局部的应力集中等导致产生了微观裂纹，称为裂纹源，在交变应力作用下，随着循环次数的增加，裂纹不断扩展，直至零件发生突然断裂。（二）疲劳破坏的特征：30第一章绪论（三）疲劳曲线材料的疲劳性能是通过试验来测定的。在材料的标准试件上加上一定循环特性r（通常是对称循环）的等幅变应力，通过试验，记录出在不同最大应力下引起试件疲劳破坏所经历的应力循环次数N。材料的疲劳曲线（σ-N曲线）31第一章绪论σrONCDNDσrNσr∞σrNσr∞无限寿命疲劳极限持久疲劳极限对应于应力循环次数N时的弯曲疲劳极限ND分界转折点水平直线段NND无限寿命区曲线段N≤ND有限寿命区mrrNNN0有限寿命（为N）时疲劳极限m—随应力状态而不同的指数NNrKCNNmrmrN0σr—循环基数ND=106~25×107N032第一章绪论三、机械零件设计的一般步骤1）根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。为此，必须对各种零件的不同用途、优缺点、特性与使用范围等，进行综合对比并正确选用。2）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。3）根据零件的工作要求及对零件的特殊要求，选择适当的材料。4）根据零件可能的失效形式确定计算准则，根据计算准则进行计算，确定出零件的基本尺寸。5）根据工艺性及标准化等原则进行零件的结构设计。33第一章绪论三、机械零件设计的一般步骤6）细节设计完成后，必要时进行详细的校核计算，以判定结构的合理性。7）画出零件的工作图，并写出计算说明书。34第一章绪论作业•P13•1-1•1-2