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1、机 械 设 计,He who questions nothing learns nothing,必读书：1.机械设计 彭文生，李志明主编 高教出版社 2002年8月2.机械设计习题集 候玉英，孙立鹏主编 高教出版社 2002年7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.Machine design.Andrew D.Dimarogoneas.John Wiley&Sons.Inc.2001成绩考核方式：平时成绩20%30%其中：课堂小测验和考勤(团体和个人)实验及实验报告 作 业 考试70%80%,江连会：,1-1 概 述,1-3
2、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。如电动机、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(Machine Design)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
3、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,蜗杆传动,齿轮传动,链 传 动,键联接,花键联接,轴,滚动轴承,一）先修课程：机械原理、机械制图、工程力学、金属工艺学、互换性与技术测量等。,二本课程需用到的先修课程及学习方法,二）正确的学习方法：,1紧密联系生产实际。,2由薄到厚，由厚到薄。,3把握每章的重点及分析处理问题的思路和基本方法。,1）着重基本概念的理解和基本设计方法的掌握，不强调系统的理论分析；,2）着重理解公式建立的前提、意义和应用，不强调对公式的具体理论推导。,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；,
4、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S引起,疲劳断裂工作应力超过零件的疲劳极限r引起,过载断裂工作应力超过材料的强度极限B引起,压溃、过度磨损零件接触表面上的压应
5、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H过大引起,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：MPa 或 针对断裂或塑性变形 H H 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
6、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；式中，y、和 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 MPa,V-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
7、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：f p 087 f 或 f p 118 f式中，f 零件的固有振动频率，取决于零件的质量和 刚度 f p 零件受激振源作用引起的强迫振动频率,计算准则,机械设计应满足的要求很多，但强度要求是所有零件都必须满足的首要条件，而强度计算必需确定作用于零件上的载荷和应力。,一载荷和应力的类型,静载荷 大小和方向均不随时间变化（或变化极缓慢）的载荷变载荷 大小或方向随时间变化的载荷.,1-3 机械零件的强度计算,循环变载荷-循环变化的载荷,稳定循环载荷,不稳定循环载荷
8、,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,稳定循环变应力:T 不随时间变化,不稳定循环变应力:T 之一随时间变化,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：max 最小应力：min,应力循环特征：用来表示应力的变化情况 r=min/max,2.典型变应力及应力循环特征r,平均应力：,应力幅：,max,m,min,a,a,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,c）对称循环变应力r=-1,d）脉动循环变应力r=0,二机械零件的强度条件式,静应力作用
9、下过载断裂、塑性变形,二）零件强度条件式：=lim/S,脆性材料制造的零件：lim=b,塑性材料制造的零件：lim=S,2变应力作用下零件极限应力 lim=rN,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rN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rN,疲劳曲线,一）N 疲劳曲线,D,D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：
10、,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r来近似代表ND和 r，于是有：,机械零件的疲劳大多发生在sN曲线D点以前，可用下式描述：,有限寿命区间内循环次数N与疲劳极限rN的关系为：,式中，r、N0及m的值由材料试验确定。,N应力循环次数,N=60 n th,用疲劳曲线求疲劳极限N的方法,无限寿命区（NN0）疲劳极限：rN=r，kN=1,kN 寿命系数,有限寿命区（NN0)疲劳极限:,二）极限应力图(-图)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（，0）。疲劳极限应力图A
11、BC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,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,在DG线上，如P点处，因为 PF=FG，所以,不同应力循环特征 r 时的疲劳极限,已知材料的机械性能,应力循环特征：,对应的疲劳极限：,等效系数,零件的疲劳极限还应考虑应力集中、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,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,表面状态：零件表面光滑或强化处理、能提高疲劳极限,钢的强度越高，
12、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。,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 max 及 min确定平均应力m与应力幅a，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 m=C 例如振动着的受载弹簧中的应
13、力状态 最小应力为常数 min=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：,单向应力状态下的安全系数（当C时）,安全系数定义：,对应于N点的零件的极限应力,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,例：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1。材料的=750MPa,=580MPa,=350M
14、Pa。求：1)试绘制考虑应力集中系数、尺寸系数 和表面状态系数 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。=200MPa=-50MPa=480MPa=320MPa,解：1)画出简化极限应力图其中：,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，故可近似地时该工作应力下零件进行静强度计算。,1-4 机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题,一、机械中的摩擦,、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0.1,、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
15、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0.010.1,、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摩擦，摩擦系数可达0.0010.008,、混合摩擦：摩擦副处于干摩擦、边界摩擦和流体摩擦混合状态时的摩擦,二、机械中的磨损,、磨损的定义：,由于表面的相对运动而使物体工作表面的物质不断损失的现象,零件的磨损过程大体可分为三个阶段跑（磨）合磨损阶段、稳定磨损阶段及剧烈磨损阶段,2、磨损过程,粘着磨损：,磨损类型,磨料磨损：,摩擦表面的微凸体在相互作用的各点发生粘着作用，使材料由一表面转移到另一表面的磨损,摩擦表面间的游离硬颗粒或硬的微凸体峰间
16、在较软的材料表面上犁刨出很多沟纹的微切削过程,接触疲劳磨损,：,摩擦表面受循环接触应力作用到达一定程度时，就会在零件工作表面形成疲劳裂纹，随着裂纹的扩展与相互连接，会造成许多微粒从零件表面上脱落下来，致使表面上出现许多浅坑，这种磨损过程即为疲劳磨损；,腐蚀磨损：,在摩擦过程中金属与周围介质发生化学反应而引起的磨损,三、机械中的润滑,功用：降低摩擦；,减少或防止磨损；降低摩擦功耗，,降低温升；,防锈；,缓冲和吸振,流体动力润滑的物理解释,实例：滑动轴承,；,形成动压油膜的必要条件为：,1、两工作表面间必须构成楔形间隙；,2、两工作表面间应充满具有一定粘度的润滑油或其它流体；,3、两工作表面间存在
17、一定相对滑动，且运动方向总是带动润滑油从大截面流进，小截面流出。,1、润滑油 2、润滑脂 3、固体润滑剂,结束,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Smin1.5，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t
18、a时，由实验得出的极限应力关系式为：,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 AMB 上任何一个点即代表一对极限应力a及a。,计算安全系数：,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
19、的应力。,式中1和2 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。,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表示材料对称循环弯曲疲劳极限-1与零件对称循环弯曲疲劳极限-1e的比值，即,在不对称循环时，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ADG 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。,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,三)零件损坏机理,
