《机械设计基础!设计概论Z课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械设计基础!设计概论Z课件.ppt（51页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、2004-2005第一学期,编制：吕亚清,1,机械设计基础,主讲：吕亚清机械工程学院机械基础研究室,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,2,第9章 机械零件设计概论,机械设计的基本要求和一般过程补充：构件受力变形及应力分析91机械零件设计概述92 机械零件的工作能力准则93 许用应力和安全系数94 材料及其选择95 机械零件的工艺性和标准化,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,3,机械设计的基本要求和一般过程 机械设计指规划和设计实现预期功能的新机械或改进原有机械的性能。设计机器应满足的基本要求良好的使用性能：实现预期功能，满足使用要求。操作容易，保养简单，维修方便。安全：凡关系到
2、时人身安全或重大设备事故的零部件都必须进行认真、严格的设计计算或校核计算，不能凭经验或以“类比”代替。可靠、耐用：在预定的使用期限内不发生或极少发生故障。经济：设计中应尽可能多使用标准件和成套组件。符合环保要求,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,4,机械设计的基本要求和一般过程 二、机械设计的主要内容及一般过程主要内容包括：确定机械的工作原理，选择合宜的机构；拟定设计方案；进行运动分析和动力分析，计算作用在各构件上的载荷；进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。第一至九章着重介绍选择机构和拟定设计方案的有关知识；第十至二十章着重论述应力分析、零部件工作能力计算和结构设计的有关内容。
3、,计划阶段,总体方案设计阶段,总体设计阶段,结构设计阶段,技术文件编制阶段,三、设计的一般过程,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,5,补充：构件受力变形及应力分析,强度、刚度、稳定性的概念力：物体之间的相互机械作用，是使物体获得加 速度(运动效应)和发生形变(变形效应)的外因。物体力学模型：1.刚体 2.变形固体 变形：1.弹性变形外力去除而消失的变形2.塑性变形外力去除后无法恢复的变形,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,6,一.强度、刚度、稳定性的概念,构件正常工作应满足的基本要求：1.足够的强度（抵抗破坏或永久变形的能力）2.足够的刚度（抵抗弹性变形的能力）3.足够的稳定性
4、（保持原有平衡形式的能力）承载能力：构件在外载荷作用下能够满足强度、刚度、稳定性的能力任务：根据构件受到的载荷及其工作要求，为构件选择材料、确定截面的形状及尺寸，使其具有相应的承载能力,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,7,1 拉伸或压缩（杆）外力作用线与杆的轴线重合,3 剪切 外力大小相等方向相反，作用线相距很近。,2 弯曲(梁)外力垂直于杆件轴线,拉伸,弯曲,二.杆件变形的基本形式,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,8,4 扭转(轴)外力为力偶,作用面垂直杆件轴线。,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,9,四种基本变形形式,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,1
5、0,三.内力与应力、变形与应变,1.内力的概念：变形固体没有受力之前,内部各点之间存在相互作用力以保持固体一定的形状；变形固体受力后，其内各点之间的相对位置发生变化，产生变形，各点之间产生相互作用力，称为“附加内力”，简称“内力”。这种内力将随外力增大而增大。当内力增大到一定限度时杆件就会发生破坏。,2.截面法求内力,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,11,三.内力与应力、变形与应变,3.应力：承受同样大小的力，细杆比粗杆易断，可见控制强度的是应力，即内力分布的集度或单位截面上的内力，单位：,正应力垂直于截面,切应力切于截面,4.变形与应变：构件在外力作用下，其尺寸和几何形状的改变，统
6、称为变形。一般地说，构件内的变形是不均匀的，因此，为了度量构件的变形程度，还需计算单位长度内的变形量（伸长或缩短）,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,12,三.内力与应力、变形与应变,4.变形与应变：,线应变单位长度内的变形量,角应变夹角的改变量,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,13,F,F,1.轴向拉伸和压缩的概念,受力特点：外力作用线与杆的轴线重合,主要变形：伸长或缩短拉（压）杆,2.拉伸和压缩时的内力、截面法和轴力,截面法和轴力,拉为正压为负,内力：外力作用下杆件内相互作用力的改变量,外力内力，内力过极限破坏,N=F,N是右段对左段的内力轴力,四.讨论一种基本变形 轴向
7、拉伸和压缩,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,14,应力（）：单位面积上的内力。度量截面分布内力的集度,拉、压应力的计算=N/A N截面上的内力；A截面的面积。,例：F=100N,杆件截面为圆形，半径为10mm和15mm，计算两截面上的应力,解：1）N1=N2=F,2）1=N1/0.012=F/0.012=1000000Pa=1MPa 2=N2/0.0152=F/0.0152=0.44MPa,单位：(帕Pa:N/m2)兆帕MPa：106N/m2（多用）,3.应力的概念、拉压应力,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,15,解三种问题:强度校核设计截面尺寸确定载荷,解：由平衡条件得内
8、力N=F，=N/A=38000218.9=173.6MPa 强度足够,例（强度校核）已知=200MPa，F=38kN最小截面面积为218.9mm2,4.拉压强度条件=N/A,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,16,5.材料在拉伸和压缩时的力学性质,0,F-L曲线,F,L,-曲线=F/A（应变）=L/L,弹性阶段OA(变形可恢复)屈服阶段BC,强化阶段CD局部变形阶段DE,D,E,脆性材料无明显的屈服和颈缩现象,无屈服极限,低碳钢受拉,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,17,Q235钢受拉,比例(弹性)极限P屈服极限 S强度极限 B,D,E,许用应力=lim/安全系数,极限应力l
9、im:开始失效的最小应力 塑性材料lim=S，脆性材料lim=B,材料的应力极限和许用应力,=N/A,强度条件,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,18,Q235钢受拉,比例(弹性)极限P屈服极限 S强度极限 B,D,E,受压,在屈服以前，拉、压曲线基本重合弹性模量相同压力塑性变形不断裂无强度极限,拉压对比,拉、压曲线有什么不同？,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,19,91机械零件设计概述,一.机械零件分类二.机械零件设计基本要求三.机械零件设计过程四.机械零件传统设计方法,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,20,一、机械零件分类,机器：机械、机构的总称构件运动的单元零
10、件制造的单元,通用零件,传动件：齿轮、蜗杆、带、链,联接件：螺栓、键、花键,支承件：轴、轴承,机械零件,专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴,飞机螺旋桨,其它：联轴器、弹簧、机架,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,21,传动零件,轴系零件,联接零件,附件,机架,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,22,二、机械零件设计基本要求,1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能。2、使用要求。工作可靠，在预定的工作期限内不能失效。3、经济性要求。经济性要求贯穿于机械设计的全过程，实现机械零件成本低廉，应着重注意以下几个方面：正确选择材料，合理规定精度等级，赋予零件良好的工艺性，尽可能选用标准件
11、。,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,23,三、机械零件设计过程,零件设计时的共性：,过程：1、根据零件的功能和使用要求选择零件类型。2、分析零件的受力情况，考虑各种因素对载荷的影响，确定计算载荷的大小。3、选择零件的材料及处理方法。4、根据零件可能的失效形式，确定设计准则。5、确定零件的主要参数和几何尺寸。6、考虑零件的工作能力、工艺装配、使用维修等原则，设计零件的结构。7、绘制零件工作图，写出必要的技术条件。,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,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,24,四、机械零件传统设计方法,理论设计：,类比设计：与已有
12、的同类产品进行比较来设计新产品。这种方法在工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠经验设计：根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，缺乏创新模型实验设计：用于大型、复杂零件的设计,强度条件(或刚度),尺寸,强度条件(或刚度),2004-2005第一学期,编制：吕亚清,25,92机械零件的工作能力准则,一、机械零件常见失效形式二、工作能力准则三、强度准则四、刚度准则五、耐磨性准则六、振动稳定性准则七、耐热性准则,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,26,一、机械零件常见失效形式,失效：丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指破坏常见主要失效形式有：断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂表
13、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表面破坏过大振动和噪声、过热等,例如轴可能的失效形式：断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,27,二、工作能力准则,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”如：吊钩最大起重量50 kN工作能力或承载能力50 kN,工作能力准则：为防止失效而制定的判定条件对零件设计，针对其主要失效形式选择适合的工作能力准则进行设计具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则、耐热性准则,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,28,
14、三、强度准则,机械零件工作能力的最基本准则强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力强度准则：工作应力许用应力 或,针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形典型零部件：轴、齿轮、带轮等,正应力：,剪应力：,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,29,四、刚度准则,刚度：材料抵抗弹性变形的能力刚度准则：实际变形量许用变形量弯曲刚度：挠度条件：y y 倾角条件：扭曲刚度：扭角条件：j j,针对失效形式：过大的弹性变形典型零部件：轴、蜗杆等,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,30,五、耐磨性准则,耐磨性：零件抗磨损的能力磨损是相当复杂的物理化学过程影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑
15、剂的化学性质和物理性质等具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损耐磨性准则：P,针对失效形式：零件表面破坏典型零部件：齿轮、轴承、链等,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,31,六、振动稳定性准则,共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变化频率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值振动稳定性准则：0.85f fp 或 1.15ffp,针对失效形式：共振产生的工作失常典型零部件：轴等,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,32,七、耐热性准则,高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热
16、变形、附加热应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间的间隙，降低精度等耐热性准则：工作温度低于许用值,针对失效形式：高温引起的润滑不良、蠕变典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,33,93许用应力和安全系数,一、载荷二、应力三、极限应力四、许用应力和安全系数,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,34,一、载荷,载荷：作用于零件上的力或力矩工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷 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，考虑各种附加载荷,计算载荷=K 名义载荷,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,35,二、应力,静应力：不随时间
17、改变或变化缓慢的应力变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力变应力：稳定变应力（随时间作周期性）、不稳定变应力（非周期性循环变应力）,稳定变应力：对称循环变应力、脉动循环变应力、非对称循环变应力,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,36,应力参数,以正应力s为例最大应力:smax=sm+sa最小应力:smin应力幅:sa,平均应力:sm循环特征:r,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,37,静应力,应力表达：s+1（t+1）最大应力:smax最小应力:smin应力幅:sa平均应力:sm循环特征:r,sm,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,38,脉动循环变应力,应力表达：s
18、0（t0）最大应力:smax最小应力:smin应力幅:sa平均应力:sm循环特征:r,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,39,对称循环变应力,应力表达：s-1（t-1）最大应力:smax最小应力:smin应力幅:sa平均应力:sm循环特征:r,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,40,三、极限应力,1 静应力下的极限应力与材料性能有关脆性材料取强度极限sB(tB),塑性材料取屈服极限sS(tS),2004-2005第一学期,编制：吕亚清,41,2.变应力下的极限应力,疲劳极限：依据防疲劳断裂的准则确定材料经过N0次应力循环不发生破坏的应力最大值sr(tr),各种材料的sr可从有关
19、手册中查取,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,42,四、许用应力和安全系数,许用应力：设计零件时所依据的条件应力,安全系数许用应力结构笨重安全系数许用应力不够安全,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,43,许用应力确定,1 查许用应力表 根据实践经验制成表格选取,2 部分系数法 S=S1S2S3 S1：计算载荷和应力准确性系数（11.5)S2：材料的均匀系数（铸铁:1.52.5,钢:1.21.5）S3：零件重要性系数（11.5),2004-2005第一学期,编制：吕亚清,44,94 常用材料及其选择,一、常用材料二、热处理方法三、材料力学性能指标四、材料选择原则,作业,2004-
20、2005第一学期,编制：吕亚清,45,作业,1.什么是钢?什么是铸铁?碳素钢的力学性能主要取决于什么?如何划分高、中、低碳钢？2.指出下列符号各代表什么材料:35、Q235、65Mn、20CrMnTi、HT200、QT600-3？,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,46,一、常用材料,常用零件材料的力学性能等级和牌号1 铸铁：含2.06易成型、价廉、吸振、可靠性差灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁2 钢：含量1.4常用碳素钢：（含、量不同）普通碳素钢、优质碳素钢合金钢：综合机械性能好，但较贵合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理铸钢：含（0.150.6）易成型3 有色金属合金：有特殊性能，价昂
21、少用铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金4 非金属材料：工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,47,二.热处理方法,1 退火降低硬度、提高韧性、细化晶粒、消除内应力2 正火用于处理低中碳钢，代替低中碳钢的退火。提高硬度，增加韧性，易于切削，减少应力,3 淬火（蘸火）提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火4 回火 消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性低温回火：高强度、高硬度及良好的耐磨性中温回火：高弹性、硬度中等高温回火：强度、塑性、韧性都较好(调质淬火+高温回火),正火(空冷),退火(炉冷),回火,加热,保温,淬火,2004-2
22、005第一学期,编制：吕亚清,48,表面热处理,表面热处理：表面增硬，芯部韧表面淬火法（火焰加热、感应加热）化学热处理（渗碳、氮化、氰化.）,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,49,三、材料力学性能指标,弹性极限：sP抗拉强度：sB 屈服强度：sS(s0.2),硬度：金属局部抵抗其它更硬物体压入其表面的能力HBS:布氏硬度硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般HBS450HRC、HRB、HRA:洛氏硬度120金刚石锥体，载荷150kgf,不能测硬、脆的薄层零件HV:维氏硬度136 金刚石四角锥体，载荷小，5-30kgf三种硬度单位之比较：HV(维氏)HBS(布氏)；HRC(洛氏)
23、10 HBS,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,50,四、材料选择原则,使用要求：使用环境、载荷性质、结构、重要程度.工艺要求：零件及其毛坯的形状、批量、加工方法.经济要求：材料价格结合加工费用、材料利用率.,2004-2005第一学期,编制：吕亚清,51,9-5 机械零件的工艺性和标准化,一、工艺性主要体现在下面三个方面：1.毛坯选择合理铸件、锻件、型材？单件生产、批量生产？2.结构设计合理几何形状力求简单，截面大小尽可能均匀.3.制造精度及表面粗糙度选择合理二、标准化品种规格的系列化、零部件的通用化、产品质量标准化 国际标准ISO、国家标准GB、行业标准(JB、YB、QB)、企业标准标准又分为强制性（GB）和推荐性（GB/T）两种这些标准在机械手册中可以查到，我们应学会查手册,生产批量、材料性能、加工可能性,
