武漢理工大學機械設計考研課件——機械設計總論

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,,*,,第一章 機械設計總論,研制：,§1-1,概 述,§1-3,機械零件的強度計算,§1-2,機械設計的基本要求、機械零件的,,工作能力和計算準則,,,,,,,機器,(Machine),,—,,主要是指機械裝置。如電動、內(nèi)燃機、機床、汽車、火車、飛機、輪船、起重運機械、冶金礦山機械、輕紡食品機械等等。,,機械設計,(Machine Design),——,即為各種機械,,裝置的設計，機械設計是為了滿足機器的某些特定,,功能而進行的創(chuàng)造性過程，設計是創(chuàng)造性的勞動，,,設計的本質(zhì)在于創(chuàng)新。本課程主要

2、介紹機械設計中,,的一些基礎知識。,機械（,Machinery),,——,,是機器和機構(gòu)統(tǒng)稱。,,§1-1,概 述,,,,,,內(nèi)燃機,指南車,破碎機,機械設計課程的研究對象,——,機械。如：,,,,,,,帶 式 運 輸 機,運輸帶,電動機,聯(lián)軸器,聯(lián)軸器,減速器,,,,,,帶 傳 動,齒輪傳動,蝸桿傳動,螺紋聯(lián)接,軸,鍵 聯(lián) 接,軸承,聯(lián)軸器,——,通用機械零部件的工作原理、特點、選用及設計計算,機械設計課程的研究內(nèi)容,：,鏈 傳 動,通用的零,,部件系指,,傳動,,零件,,軸類,,零件,,聯(lián)接,,零件,,,,,,蝸桿傳動,齒輪傳動,,,,,鏈 傳 動,,,,,,,,

3、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

4、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

5、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

6、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

7、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,v,v,主動輪,1,傳動帶,3,從動輪,2,,,,n,2,,n,1,,,,,,α,1,,α,2,帶傳動,,,,,,,螺紋聯(lián)接,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,鍵聯(lián)接,,,,,,,,,,,,,,,,,花鍵聯(lián)接,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

8、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,滾動軸承,半聯(lián)軸器,,鍵,齒輪,,滾動軸承,軸,套筒,軸系零部件設計,軸,滾動軸承,軸系結(jié)構(gòu)分析,,聯(lián)軸器,,半聯(lián)軸器,,螺栓聯(lián)接,,柱銷,,彈性套,,半聯(lián)軸器,,,,,5,．其他要求：環(huán)保、噪音、外觀等,一．機械設計的基本要求,1,．實現(xiàn)預定的功能，工作可靠；,2,．經(jīng)濟性好：設計和制造周期短、成本低，產(chǎn)品生產(chǎn),,效率高、能耗低維護管理費用少,；,3,．操作方便，運行安全；,4,．標準化、系列化程度高：以便簡化設計工作，提高,,產(chǎn)品質(zhì)量；,§1

9、-2,機械設計的基本要求、機械零件的工作能力和計算準則,二．機械零件的工作能力及計算準則,一）機械零件的工作能力,,零件的工作能力,,—,,是指在一定的運動、載荷和環(huán)境情況下,,，在預定的使用期限內(nèi)，不發(fā)生失效的安全工作限度。,二）機械零件的主要失效形式：,,過大彈性變形,——,零件的剛度不夠引起,塑性變形,——,工作應力超過材料的屈服極限,σ,S,引起,2,．變形,,疲勞斷裂,——,工作應力超過零件的疲勞極限,σ,r,引起,過載斷裂,——,工作應力超過材料的強度極限,σ,B,引起,1,．斷裂,,壓潰、過度磨損,——,零件接觸表面上的壓應力,p,過大,膠,,合,——,,零件工作溫升△,t,過高

10、引起,表面疲勞損壞,——,零件表面接觸應力,σ,H,過大引起,3,．表面,,失效,,,計算準則,—,,用于計算并確定零件基本尺寸的主要依,,據(jù)。對于具體的零件，應根據(jù)它們的主要失效形式，采用,,相應的計算準則。常用的計算準則有：,三）機械零件的計算準則,1,．強度準則性,,—,,針對零件斷裂、塑性變形或表面疲勞,,損壞失效,強度,—,,指零件在載荷作用下抵抗斷裂或塑性變形的能力。強度是保證零件工作能力的最基本要求。若零件的強度不夠，不僅因為零件的失效使機械不能正常工作，還可能導致安全事故。,強度的計算準則為：,σ ≤ [σ ] MPa,,,或,,τ ≤ [τ ],針對斷裂或塑性變形,,,σ,H

11、,≤ [σ,H,],針對表面疲勞損壞,2,．剛度準則,,—,,針對過大彈性變形,,剛度,—,,指零件在一定載荷作用下抵抗過大彈性變形的能力。剛度是保證機正常工作，提高機床加工產(chǎn)品質(zhì)量的基本要求。,,剛度的計算準則為,:y ≤[y ],；,θ≤[θ],；,φ ≤[φ ],,式中，,y,、,θ,和,φ,——,,分別為零件工作時的撓度、偏轉(zhuǎn)角,,和扭轉(zhuǎn)角；,3,．耐磨性準則,,—,,針對過度磨損、膠合破壞,,耐磨性,—,指零件在載荷作用下相對運動的兩零件接觸界的抗磨損面能力。耐磨性是保證有相對運動的零件正常工作的基本要求。其驗算式為：,,p,≤,[p],—,,防止過度磨損,,,pv ≤ [pv],—

12、,,防止膠合破壞,計算準則,,,,,4,．振動和噪聲準則,,—,,針對高速機械的振動失穩(wěn),,（即共振）當零件的固有振動頻率,f,等于或趨近于零件的,,強迫振動頻率,f,p,時，將產(chǎn)生共振。這不僅影響機械正常,,工作，甚至造成破壞性事故，而振動又是產(chǎn)生噪聲的主要,,原因。,,防止共振的條件為：,f,p,,≤,0,．,87 f,或,,f,p,,≥,1,．,18 f,,式中，,f,—,,零件的固有振動頻率，取決于零件的質(zhì)量和,,剛度,,,f,p,,—,,零件受激振源作用引起的強迫振動頻率,,計算準則,,,,,,機械設計應滿足的要求很多，但強度要求是所有,,零件都必須滿足的首要條件，而強度計算必需確定

13、,,作用于零件上的載荷和應力。,一．載荷和應力的類型,,一）載荷,靜載荷,—,,大小和方向均不隨時間變化的載荷,,變載荷,—,,大小或方向隨時間變化的載荷,靜應力,—,,大小和方向均不隨時間變化（或變,,化極緩慢）的應力,,變應力,—,大小和方向，或大小或方向隨時,,變化的應力,,二）應力,,§,1-3,機械零件的強度計算,,,,,2,．變應力參數(shù)及典型變應力,1,）變應力參數(shù)：,最大應力：,σ,max,,,最小應力：,σ,min,應力循環(huán)特征：用來表示應力的變化情況,γ=σ,min,/σ,max,2,）典型變應力及應力循環(huán)特征,γ,平均應力：,應力幅：,σ,max,σ,m,σ,min,σ,a

14、,σ,a,,t,σ,一．載荷和應力的類型,,,,,應力類型,a,）靜應力：,γ= +1,變應力特例,b,）非對稱循環(huán)變應力,γ,,,在（,+1,～,-1,）間變化,σ,max,σ,m,σ,min,σ,a,σ,a,,t,σ,σ,t,σ =,常數(shù),c,）對稱循環(huán)變應力,γ= -1,σ,t,,σ,a,σ,max,σ,min,d,）脈動循環(huán)變應力,γ= 0,σ,t,,σ,a,σ,a,σ,max,σ,m,一．載荷和應力的類型,二．機械零件的失效形式及強度條件式,靜應力作用下,——,過載斷裂、塑性變形,二）,零件強度條件式：,σ ≤ [σ] =,σ,lim,,/,S,,材料的極限應力,安全系數(shù),脆性材料制

15、造的零件：,σ,lim,=,σ,b,,塑性材料制造的零件：,σ,lim,=,σ,S,,1,．靜應力作用下,,零件極限應力,,,2,．變應力作用下零件限應力,,——,σ,lim,= σ,γN,疲勞極限,一）零件的失效形式,變應力作用下,——,疲勞破壞約占零件損壞事故中,的,80%,。,3.,安全系數(shù),——,S,的取值對零件的結(jié)構(gòu)尺寸、工作可靠性均,,有影響，設計時應根據(jù)零件的重要性、零件材料的質(zhì)量、栽,,荷計算準確性等方面，合理選取，具體數(shù)值可參考設計資料。,,(1),零件損壞機理,,靜應力作用下：,,危險剖面塑性變形或斷裂,,變應力作用下：,,疲勞斷裂,,零件表面應力超過極限值,,微裂紋,,擴

16、展,,斷裂,,(2),極限應力,,靜應力極限應力：,,與材料性能有關,,變應力疲勞極限：,,與材料有關外，還與,,循環(huán)特征,r,,,,應力循環(huán)次數(shù),N,有關,,應力集中、絕對尺寸、表面狀態(tài),,三,),零件損壞機理,三,．機械零件,材料,的,疲勞極限,描述應力循環(huán)次數(shù),N,和疲勞極限,σ,γN,間關系的曲線，其橫坐標為應力循環(huán)次數(shù),N,，縱坐標為疲勞極限,σ,γN,疲勞曲線,無限壽命區(qū),σ,γ,有限壽命區(qū),N,0,,σ,γN1,N,1,,σ,γN2,N,2,,σ,γN,N,N,0,,σ,γ,,,,,一,）,σ,γ,—,,N,疲勞曲線,（,等應力循環(huán)特征,γ,的不等壽命,N,曲線）,D,,D,點以

17、后的疲勞曲線呈一水平線，代表著無限壽命區(qū)，其方程為：,,,由于,N,D,很大，所以在作疲勞試驗時，常規(guī)定一個循環(huán)次數(shù),N,0,(,稱為循環(huán)基數(shù),),，用,N,0,及其相對應的疲勞極限,σ,r,來近似代表,N,D,和,σ,r∞,，于是有：,機械零件的疲勞大多發(fā)生在,s,－,N,曲線,D,點以前,，可用下式描述：,有限壽命區(qū)間內(nèi)循環(huán)次數(shù),N,與疲勞極限,σ,rN,的關系為：,式中，,σ,r,、,N,0,及,m,的值由材料試驗確定。,N—,應力循環(huán)次數(shù),N,= 60,n,,t,h,,ɑ,每轉(zhuǎn)受栽次數(shù),,使用壽命（,h,）,轉(zhuǎn)速（,r/min,）,用疲勞曲線求取疲勞極限,σ,γN,的方法,無限壽命區(qū)（

18、,N≥N,0,）,疲勞極限：,σ,γN,= σ,γ,，,,k,N,= 1,k,N,—,,壽命系數(shù),有限壽命區(qū)（,N,＜,N,0,),疲勞極限,:,二）極限應力線圖（等壽命疲勞曲線）,,機械零件材料的疲勞特性除用,σ,－,N,曲線表示外,，,還可用等壽命曲線來描述。該曲線表達了不同應力比時疲勞極限的特性。,在工程應用中，常將等壽命曲線用直線來近似替代。,用,A,',Ｇ,',C,折線表示零件材料的極限應力線圖是其中一種近似方法。,A,',Ｇ,',直線的方程為：,C,Ｇ,',直線的方程為：,,ψ,σ,為試件受循環(huán)彎曲應力時的材料常數(shù)，其值由試驗及下式?jīng)Q定：,對于碳鋼，,ψ,σ,≈0.1,~,0.2,

19、，對于合金鋼，,ψ,σ,≈0.2,~,0.3,。,,極限應力線圖,材料的疲勞特性,不同應力循環(huán)特征,,r,,時的疲勞極限,材料的極限應力,簡圖,已知材料的機械性能,可作,簡圖,,折線,ADG,上任一點，表示在,,不同,r,時的疲勞極限,對于,n,點,(,工作應力為,和,),應力循環(huán)特征：,對應的疲勞極限：,等效系數(shù),零件的極限應力圖還應考慮應力集中、絕對尺寸、表面狀態(tài)的影響,,應力集中：零件剖面幾何形狀突變處疲勞極限降低,用應力集中系數(shù),來考慮,,絕對尺寸：剖面絕對尺寸大、出現(xiàn)缺陷概率大、疲勞極限降低,用絕對尺寸系數(shù),來考慮,,表面狀態(tài),：表面光滑或強化處理、能提高疲勞極限,用,表面狀態(tài),系數(shù)

20、,來考慮,,綜合影響系數(shù),或,考慮各因素影響,機械零件的疲勞強度計算,1,四,.,機械零件的疲勞強度計算,一）零件的極限應力線圖,,由于零件幾何形狀的變化、尺寸大小、加工質(zhì)量及強化因素等的影響，使得零件的疲勞極限要小于材料試件的疲勞極限。,,以彎曲疲勞極限的綜合影響系數(shù),Ｋ,σ,表示材料對稱循環(huán)彎曲疲勞極限,σ,-1,與零件對稱循環(huán)彎曲疲勞極限,σ,-1e,的比值，即,在不對稱循環(huán)時，,Ｋ,σ,是試件與零件極限應力幅的比值。,,將零件材料的極限應力線圖,,中的直線,A'D'G',,按比例向下移，,,成為右圖所示的直線,ADG,，而極,,限應力曲線的,CG,,部分，由于是,,按照靜應力的要求來考

21、慮的，故,,不須進行修正。這樣就得到了零,,件的極限應力線圖。,,機械零件的疲勞強度計算,2,機械零件的疲勞強度計算,二）單向穩(wěn)定變應力時的疲勞強度計算,進行零件疲勞強度計算時，首先根據(jù)零件危險截面上的,σ,max,及,σ,min,確定平均應力,σ,m,與應力幅,σ,a,，然后，在極限應力線圖的坐標中標示出相應工作應力點,M,或,N,。,,根據(jù)零件工作時所受的約束來確定應力可能發(fā)生的變化規(guī)律，從而決定以哪一個點來表示極限應力。,,機械零件可能發(fā)生的典型的應力變化規(guī)律有以下三種：,,應力比為常數(shù)：,r=C,,,平均應力為常數(shù),σ,m,=C,,,最小應力為常數(shù),σ,min,=C,相應的疲勞極限應力

22、應是極限應力曲線上的某一個點 所代表的應力　。,計算安全系數(shù)及疲勞強度條件為：,,單向應力狀態(tài)下的安全系數(shù)（當ｒ＝常數(shù)時）,安全系數(shù)定義：,,對于塑性材料,即,時,即,時,以上正應力公式，用,替代,則對剪應力同樣適用,,當應力在疲勞破壞區(qū),,當應力在靜強度區(qū),例　有一熱軋合金鋼零件，其材料的抗彎疲勞極限：,＝,658MPa,，,＝,400MPa,，屈服極限,＝,189Mpa,，應力幅為?。?129Mpa,,，零件的應力集中系數(shù),＝,1.26,，尺寸系數(shù),如取安全系數(shù),S,min,＝,1.5,，核驗此零件是否安全。,,＝,658MPa,，,＝,780MPa,，所承受的彎曲變應力,＝,

23、0.78,，表面狀態(tài)系數(shù),β,＝,1,。,解：,(1),,,,,(2),因,,,(3),,,(4),故得,,,因此，該零件安全。,零件產(chǎn)生疲勞破壞,4,機械零件的疲勞強度計算,四）雙向穩(wěn)定變應力時的疲勞強度計算,當零件上同時作用有同相位的穩(wěn)定對稱循環(huán)變應力,s,a,和,t,a,時，由實驗得出的極限應力關系式為：,式中,t,a,′,及,s,a,′,為同時作用的切向及法向應力,,幅的極限值,。,若作用于零件上的應力幅,s,a,及,t,a,如圖中,M,點表示，則由于此工作應力點在,,極限以內(nèi)，未達到極限條件，因而是安全的。,,由于是對稱循環(huán)變應力，故應力幅即為最大應力?；【€,AM'B,上任何一個點即

24、代表一對極限應力,σ,a,′,及,τ,a,′,。,計算安全系數(shù)：,,,,,機機械零件的接觸強度,機械零件的接觸強度,,,,當兩零件以點、線相接處時，其接觸的局部會引起較大的應力。這局部的應力稱為接觸應力。,,接觸應力是不同于以往所學過的擠壓應力的。擠壓應力是面接觸引起的應力，是二向應力狀態(tài)，而接觸應力是三向應力狀態(tài)。接觸應力的特點是：僅在局部很小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生很大的應力。,,式中,ρ,1,和,ρ,2,,分別為兩零件初始接觸線處的曲率半徑,,,其中正號用于外接觸，負號用于內(nèi)接觸。,對于線接觸的情況，其接觸應力可用赫茲應力公式計算。,,,,,,式中：,為綜合曲率半徑；,,、,分別為兩圓柱體的曲率半徑

25、,(,mm),，其中,",＋,",、,",－“,,號分別用于外接觸和內(nèi)接觸；,、,分別為兩圓柱體材料的彈性模量,(,Mpa),；,,、,分別為兩圓柱體材料的泊桑比。,,§1-4,機械設計中的摩擦、磨損和潤滑問題,,一、機械中的摩擦,１、干摩擦：表面間無任何潤滑劑或保護膜的純金屬接觸時的摩擦，摩擦系數(shù)一般大于,0.1,２、邊界摩擦：表面間被極薄的潤滑膜所隔開，且摩擦性質(zhì)與潤滑劑的粘度無關而取決于兩表面的特性和潤滑油油性的摩擦，摩擦系數(shù)約在,0.01,～,0.1,３、流體摩擦：表面間的潤滑膜把摩擦副完全隔開，摩擦力的大小取決于流體分子內(nèi)部摩擦力的摩擦，　　摩擦系數(shù)可達,0.001,～,0.008,

26、４、混合摩擦：摩擦副處于干摩擦、邊界摩擦和流體摩擦混合狀態(tài)時的摩擦,二、機械中的磨損,１、磨損的定義：,由于表面的相對運動而使物體工作表面的物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象,零件的磨損過程大體可分為三個階段：,磨合磨損,階段、,穩(wěn)定磨損,階段及,劇烈磨損,階段,2,、磨損過程,,粘著磨損：,磨損類型,磨粒磨損：,摩擦表面的微凸體在相互作用的各點發(fā)生粘著作用，使材料由一表面轉(zhuǎn)移到另一表面的磨損,摩擦表面間的游離硬顆粒或硬的微凸體峰間在較軟的材料表面上犁刨出很多溝紋的微切削過程,表面疲勞磨損,：,摩擦表面受循環(huán)接觸應力作用到達一定程度時，就會在零件工作表面形成疲勞裂紋，隨著裂紋的擴展與相互連接，會造成許多微粒從零件表面上脫落下來，致使表面上出現(xiàn)許多淺坑，這種磨損過程即為疲勞磨損；,腐蝕磨損：,在摩擦過程中金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學反應而引起的磨損,三、機械中的潤滑,功用：降低摩擦；,減少或防止磨損；降低摩擦功耗，,降低溫升；,防銹；,緩沖和吸振,流體動力潤滑的物理解釋,實例：滑動軸承,,；,形成動壓油膜的必要條件為：,,1,、兩工作表面間必須構(gòu)成楔形間隙；,,2,、兩工作表面間應充滿具有一定粘度的潤滑油或其它流體；,,3,、兩工作表面間存在一定相對滑動，且運動方向總是帶動潤滑油從大截面流進，小截面流出。,結(jié)束,,,,,