第10章--机械设计总论--武汉理工大学课件

机械设计•必读书：•1.机械设计(第二版)彭文生，李志明主编高教出版社2008年11月•2.机械设计习题集(第二版)候玉英，孙立鹏主编高教出版社2008年9月•参考书：•1.机械设计彭文生等主编华中科技大学出版社•2.机械设计濮良贵，纪名刚主编高教出版社•3.Machinedesign.AndrewD.Dimarogoneas.JohnWiley&Sons.Inc.2001•成绩考核方式：•平时成绩20%～30%••考试70%～80%§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概述内燃机机械设计课程的研究对象——机械破碎机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轴滚动轴承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．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—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]；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；计算准则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。•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面的抗磨损能力。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P---工作表面的压强MPaV---零件的滑动速度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工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷(一般难以确定)名义载荷：按原动机功率求得(理想状态))(9550mNnPT计算载荷：Tc=KTFc=KFK-考虑各种附加载荷的载荷系数P-功率KWn-转速r/min静应力—大小和方向均不随时间变化（变化极缓慢）的应力变应力—大小和方向，或大小或方向随时间变化的应力二）应力变应力稳定循环变应力:T不随时间变化ma不稳定循环变应力:T之一随时间变化ma随机变应力:变化无规律三）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r=σmin/σmax2.典型变应力及应力循环特征r平均应力：2minmaxm2minmaxa应力幅：σmaxσmσminσaσatσ应力类型a）静应力：r=+1变应力特例b）非对称循环变应力r在（+1～-1）间变化σmaxσmσminσaσatσσtσ=常数c）对称循环变应力r=-1σtσaσmaxσmind）脉动循环变应力r=0σtσaσaσmaxσm二．机械零件的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．变应力作用下零件极限应力——σlim=σrN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、载荷计算准确性等方面，合理选取，具体数值可参考设计资料。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σrN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σrN疲劳曲线无限寿命区σrN有限寿命区N0σrN1N1σrN2N2σrNNN0σr一）σ—N疲劳曲线)NN(CNDmrN　　DD点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区。在作疲劳试验时，常规定一个循环次数N0(称为循环基数)，将相应于N0的疲劳极限称为材料的疲劳极限σr，于是在有限寿命区，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每转受载次数使用寿命（h）转速（r/min）用疲劳曲线求疲劳极限σγN的方法无限寿命区（N≥N0）疲劳极限：σrN=σr，kN=1rNmrrNKNN0kN—寿命系数有限寿命区（N＜N0)疲劳极限:m-与应力状态有关的指数•二）极限应力图(--图)•借助极限应力图,可得到各种循环特征r下的疲•劳极限值。•对称循环时材料的疲•劳极限•脉动循环时材料的疲•劳极限•对称循环点A（0,）脉动循环点B（/2,/2）•静应力点C（，0）。•疲劳极限应力图ABC曲线。简化极限应力图•简化极限应力曲线---用AD•和DG两直线构成的疲劳曲线aB因为所以图中曲线上任一点纵横坐标之和就等于材料在该点循环特征为r时的极限应力（疲劳极限）,即mamaxrN''marN在DG线上，如P点处，因为PF=FG，所以smpaprN''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可作简图对于n点(工作应力为和am)tgtgrmamaamam11/1/1maxmin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(如孔、圆角、键槽、螺纹等）局部应力远大于各义应力，使疲劳极限降低)(KK用应力集中系数来考虑绝对尺寸：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)(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KKD)(用综合影响系数或考虑以上因素影响KKD)(钢的强度越高，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。DDK和K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。机械零件的疲劳强度计算2四.机械零件的疲劳强度计算一）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。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σm=C例如振动着的受载弹簧中的应力状态最小应力为常数σmin=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：),(am•当r=C时，找出一个循环特性与零件工作应力的循环特性相同的极限应力值。•因为•'minmaxminmax11Crrma单向应力状态下的安全系数（当ｒ＝C时）安全系数定义：max'maxrS对应于N点的零件的极限应力maDmaDammeaeKKmax11'''maxmaDrKS1maxmax'•对应于M点的极限应力点位于直线DG上。此时的极限应力为屈服极限。只需进行静强度计算。其强度计算式为•massSmax以上为正应力公式，用替代则对剪应力同样适用•例１：某钢制机械零件受弯曲应力作用，危险剖面上的应力集中系数=1.2,尺寸系数=0.85,表面状态系数β＝1。材料的•=750MPa,=580MPa,=350MPa。求：•1)试绘制考虑应力集中系数、尺寸系数和表面状态系数β影响的简化极限应力图；•2)在简化极限应力图上标出下列两种不同工作应力时的工作应力点，并判断哪种工作应力下可近似按静强度计算。•①=200MPa=-50MPa•②=480MPa=320MPamaxmaxminmin•解：•1)画出简化极限应力图•其中：MPaKMPaKMPaKKDDD248412.1350205412.12580229025802412.1185.02.1100•2)两种不同工作应力下的、分别为：•工作应力点如图示。•由于•应力幅较小，故可近•似地将该工作应力下•零件进行静强度计算。aMPaMPaMPaMPammaa400320480212175502002121803204802121125502002121minmax2minmax1minmax2minmax1MPaa802§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0.0