01机械设计A-精品课程-武汉理工大学2016讲解

研制：§1-1概述§1-3机械零件的强度计算§1-2机械设计的基本要求、机械零件的工作能力和计算准则机器(Machine)—主要是指机械装置。如电动、内燃机、机床、汽车、火车、飞机、轮船、起重运机械、冶金矿山机械、轻纺食品机械等等。机械设计(MachineDesign)——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。本课程主要介绍机械设计中的一些基础知识。机械（Machinery)——是机器和机构统称。§1-1概述内燃机指南车破碎机机械设计课程的研究对象——机械。如：带式运输机运输带电动机联轴器联轴器减速器带传动齿轮传动蜗杆传动螺纹联接轴键联接轴承联轴器——通用机械零部件的工作原理、特点、选用及设计计算机械设计课程的研究内容：链传动通用的零部件系指传动零件轴类零件联接零件蜗杆传动齿轮传动链传动vv主动轮1传动带3从动轮2n1α1α2带传动螺纹联接键联接花键联接滚动轴承半联轴器键齿轮滚动轴承轴套筒轴系零部件设计轴滚动轴承轴系结构分析联轴器半联轴器螺栓联接柱销弹性套半联轴器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；§1-2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一）机械零件的工作能力零件的工作能力—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σS引起2．变形疲劳断裂——工作应力超过零件的疲劳极限σr引起过载断裂——工作应力超过材料的强度极限σB引起1．断裂压溃、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σH过大引起3．表面失效计算准则—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．强度准则性—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：σ≤[σ]MPa或τ≤[τ]针对断裂或塑性变形σH≤[σH]针对表面疲劳损坏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]；θ≤[θ]；φ≤[φ]式中，y、θ和φ——分别为零件工作时的挠度、偏转角和扭转角；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面能力。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]—防止胶合破坏计算准则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fp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：fp≤0．87f或fp≥1．18f式中，f—零件的固有振动频率，取决于零件的质量和刚度fp—零件受激振源作用引起的强迫振动频率计算准则2．变应力参数及典型变应力1）变应力参数：最大应力：σmax最小应力：σmin应力循环特征：用来表示应力的变化情况γ=σmin/σmax2）典型变应力及应力循环特征γ平均应力：2minmaxm2minmaxm应力幅：σmaxσmσminσaσatσ一．载荷和应力的类型应力类型a）静应力：γ=+1变应力特例b）非对称循环变应力γ在（+1～-1）间变化σmaxσmσminσaσatσσtσ=常数c）对称循环变应力γ=-1σtσaσmaxσmind）脉动循环变应力γ=0σtσaσaσmaxσm一．载荷和应力的类型二．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：σ≤[σ]=σlim/S材料的极限应力安全系数脆性材料制造的零件：σlim=σb塑性材料制造的零件：σlim=σS1．静应力作用下零件极限应力2．变应力作用下零件限应力——σlim=σγN疲劳极限一）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，设计时应根据零件的重要性、零件材料的质量、栽荷计算准确性等方面，合理选取，具体数值可参考设计资料。(1)零件损坏机理静应力作用下：危险剖面塑性变形或断裂变应力作用下：疲劳断裂零件表面应力超过极限值微裂纹扩展断裂(2)极限应力静应力极限应力：与材料性能有关变应力疲劳极限：与材料有关外，还与 循环特征r 应力循环次数N有关 应力集中、绝对尺寸、表面状态三)零件损坏机理三．机械零件材料的疲劳极限描述应力循环次数N和疲劳极限σγN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σγN疲劳曲线无限寿命区σγ有限寿命区N0σγN1N1σγN2N2σγNNN0σγ一）σγ—N疲劳曲线（等应力循环特征γ的不等寿命N曲线）)NN(CNDmrN　　DD点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区，其方程为：)DrrNNN　（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σr来近似代表ND和σr∞，于是有：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：CNN0mrmrN有限寿命区间内循环次数N与疲劳极限σrN的关系为：式中，σr、N0及m的值由材料试验确定。m0rrNNN0mrNrNNN—应力循环次数N=60nthɑ每转受栽次数使用寿命（h）转速（r/min）用疲劳曲线求取疲劳极限σγN的方法无限寿命区（N≥N0）疲劳极限：σγN=σγ，kN=1rNmrrNKNN0kN—寿命系数有限寿命区（N＜N0)疲劳极限:二）极限应力线图（等寿命疲劳曲线）机械零件材料的疲劳特性除用σ－N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A'Ｇ'C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'Ｇ'直线的方程为：ma1smaCＧ'直线的方程为：0012ψσ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，ψσ≈0.1~0.2，对于合金钢，ψσ≈0.2~0.3。极限应力线图材料的疲劳特性不同应力循环特征r时的疲劳极限材料的极限应力简图r已知材料的机械性能)(01bSr可作简图折线ADG上任一点，表示在不同r时的疲劳极限对于n点(工作应力为和am)tgtgrmamaamam11/1/1应力循环特征：对应的疲劳极限：)()(1''mamaamr等效系数0012零件的极限应力图还应考虑应力集中、绝对尺寸、表面状态的影响应力集中：零件剖面几何形状突变处疲劳极限降低)(KK用应力集中系数来考虑绝对尺寸：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)(表面状态：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KKD)(综合影响系数或考虑各因素影响KKD)(机械零件的疲劳强度计算1四.机械零件的疲劳强度计算一）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Ｋσ表示材料对称循环弯曲疲劳极限σ-1与零件对称循环弯曲疲劳极限σ-1e的比值，即e11K在不对称循环时，Ｋσ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A'D'G'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。机械零件的疲劳强度计算2机械零件的疲劳强度计算二）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σmax及σmin确定平均应力σm与应力幅σa，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σm=C最小应力为常数σmin=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。),(am计算安全系数及疲劳强度条件为：SSamammaxmaxca单向应力状态下的安全系数（当ｒ＝常数时）安全系数定义：caSlim对于塑性材料][)(1SKSmaD)()(1001SSr即时)()(1001SSr即时][)(SSmaS以上正应力公式，用替代则对剪应力同样适用当应力在疲劳破坏区当应力在静强度区例有一热轧合金钢零件，其材料的抗弯疲劳极限：＝658MPa，＝400MPa，屈服极限＝189Mpa，应力幅为＝129Mpa，零件的应力集中系数＝1.26，尺寸系数如取安全系数Smin＝1.5，核验此零件是否安全。＝658MPa，＝780MPa，所承受的弯曲变应力＝0.78，表面状态系数β＝1。解：(1)(2)因(3)(4)故得因此，该零件安全。零件产生疲劳破坏4机械零件的疲劳强度计算四）双向稳定变应力时的疲劳强度计算当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力sa和ta时，由实验得出的极限应力关系式为：12e1a2e1a式中ta′及sa′为同时作用的切向及法向应力幅的极限值。若作用于零件上的应力幅sa及ta如图中M点表示，则由于此工作应力点在极限以内，未达到极限条件，因而是安全的。由于是对称循环变应力，故应力幅即为最大应力。弧线AM'B上任何一个点即代表一对极限应力σa′及τa′。计算安全系数：2τ2στσca'SSSSOMOMS机机械零件的接触强度机械零件的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。接触应力是不同于以往所学过的挤压应力的。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。接触应力的特点是：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。22212121H1111EEBF式中ρ1和ρ2分别为两零件初始接触线处的曲率半径,其中正号用于外接触，负号用于内接触。对于线接触的情况，其接触应力可用赫兹应力公式计算。式中：为综合曲率半径；、分别为两圆柱体的曲率半径(mm)，其中＋、－“号分别用于外接触和内接触；、分别为两圆柱体材料的弹性模量(Mpa)；、分别为两圆柱体材料的泊桑比。§1-4机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题一、机械中的摩擦１、干摩擦：表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦，摩擦系数一般大于0.1２、边界摩擦：表面间被极薄的润滑膜所隔开，且摩擦性质与润滑剂的粘度无关而取决于两表面的特性和润滑油油性的摩擦，摩擦系数约在0.01～0.1３、流体摩擦：表面间的润滑膜把摩擦副完全隔开，摩擦力的大小取决于流体分子内部摩擦力的