單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,第一章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論,研制：,§1-1,概 述,§1-3,機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算,§1-2,機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求、機(jī)械零件的,工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則,機(jī)器,(Machine),主要是指機(jī)械裝置。如電動(dòng)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)床、汽車(chē)、火車(chē)、飛機(jī)、輪船、起重運(yùn)機(jī)械、冶金礦山機(jī)械、輕紡食品機(jī)械等等。,機(jī)械設(shè)計(jì),(Machine Design),即為各種機(jī)械,裝置的設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)是為了滿足機(jī)器的某些特定,功能而進(jìn)行的創(chuàng)造性過(guò)程，設(shè)計(jì)是創(chuàng)造性的勞動(dòng)，,設(shè)計(jì)的本質(zhì)在于創(chuàng)新。本課程主要介紹機(jī)械設(shè)計(jì)中,的一些基礎(chǔ)知識(shí)。,機(jī)械（,Machinery),是機(jī)器和機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱。,§1-1,概 述,內(nèi)燃機(jī),指南車(chē),破碎機(jī),機(jī)械設(shè)計(jì)課程的研究對(duì)象,機(jī)械。如：,帶 式 運(yùn) 輸 機(jī),運(yùn)輸帶,電動(dòng)機(jī),聯(lián)軸器,聯(lián)軸器,減速器,帶 傳 動(dòng),齒輪傳動(dòng),蝸桿傳動(dòng),螺紋聯(lián)接,軸,鍵 聯(lián) 接,軸承,聯(lián)軸器,通用機(jī)械零部件的工作原理、特點(diǎn)、選用及設(shè)計(jì)計(jì)算,機(jī)械設(shè)計(jì)課程的研究?jī)?nèi)容,：,鏈 傳 動(dòng),通用的零,部件系指,傳動(dòng),零件,軸類,零件,聯(lián)接,零件,蝸桿傳動(dòng),齒輪傳動(dòng),鏈 傳 動(dòng),v,v,主動(dòng)輪,1,傳動(dòng)帶,3,從動(dòng)輪,2,n,2,n,1,1,2,帶傳動(dòng),螺紋聯(lián)接,鍵聯(lián)接,花鍵聯(lián)接,滾動(dòng)軸承,半聯(lián)軸器,鍵,齒輪,滾動(dòng)軸承,軸,套筒,軸系零部件設(shè)計(jì),軸,滾動(dòng)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(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求,1,實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，工作可靠；,2,經(jīng)濟(jì)性好：設(shè)計(jì)和制造周期短、成本低，產(chǎn)品生產(chǎn),效率高、能耗低維護(hù)管理費(fèi)用少,；,3,操作方便，運(yùn)行安全；,4,標(biāo)準(zhǔn)化、系列化程度高：以便簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，提高,產(chǎn)品質(zhì)量；,§1-2,機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求、機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則,二機(jī)械零件的工作能力及計(jì)算準(zhǔn)則,一）機(jī)械零件的工作能力,零件的工作能力,是指在一定的運(yùn)動(dòng)、載荷和環(huán)境情況下,，在預(yù)定的使用期限內(nèi)，不發(fā)生失效的安全工作限度。,二）機(jī)械零件的主要失效形式：,過(guò)大彈性變形,零件的剛度不夠引起,塑性變形,工作應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限,S,引起,2,變形,疲勞斷裂,工作應(yīng)力超過(guò)零件的疲勞極限,r,引起,過(guò)載斷裂,工作應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限,B,引起,1,斷裂,壓潰、過(guò)度磨損,零件接觸表面上的壓應(yīng)力,p,過(guò)大,膠,合,零件工作溫升,t,過(guò)高引起,表面疲勞損壞,零件表面接觸應(yīng)力,H,過(guò)大引起,3,表面,失效,計(jì)算準(zhǔn)則,用于計(jì)算并確定零件基本尺寸的主要依,據(jù)。對(duì)于具體的零件，應(yīng)根據(jù)它們的主要失效形式，采用,相應(yīng)的計(jì)算準(zhǔn)則。常用的計(jì)算準(zhǔn)則有：,三）機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則,1,強(qiáng)度準(zhǔn)則性,針對(duì)零件斷裂、塑性變形或表面疲勞,損壞失效,強(qiáng)度,指零件在載荷作用下抵抗斷裂或塑性變形的能力。強(qiáng)度是保證零件工作能力的最基本要求。若零件的強(qiáng)度不夠，不僅因?yàn)榱慵氖箼C(jī)械不能正常工作，還可能導(dǎo)致安全事故。,強(qiáng)度的計(jì)算準(zhǔn)則為：, MPa,或, ,針對(duì)斷裂或塑性變形,H, ,H,針對(duì)表面疲勞損壞,2,剛度準(zhǔn)則,針對(duì)過(guò)大彈性變形,剛度,指零件在一定載荷作用下抵抗過(guò)大彈性變形的能力。剛度是保證機(jī)正常工作，提高機(jī)床加工產(chǎn)品質(zhì)量的基本要求。,剛度的計(jì)算準(zhǔn)則為,:y y ,；,；, ,式中，,y,、,和,分別為零件工作時(shí)的撓度、偏轉(zhuǎn)角,和扭轉(zhuǎn)角；,3,耐磨性準(zhǔn)則,針對(duì)過(guò)度磨損、膠合破壞,耐磨性,指零件在載荷作用下相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩零件接觸界的抗磨損面能力。耐磨性是保證有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件正常工作的基本要求。其驗(yàn)算式為：,p,p,防止過(guò)度磨損,pv pv,防止膠合破壞,計(jì)算準(zhǔn)則,4,振動(dòng)和噪聲準(zhǔn)則,針對(duì)高速機(jī)械的振動(dòng)失穩(wěn),（即共振）當(dāng)零件的固有振動(dòng)頻率,f,等于或趨近于零件的,強(qiáng)迫振動(dòng)頻率,f,p,時(shí)，將產(chǎn)生共振。這不僅影響機(jī)械正常,工作，甚至造成破壞性事故，而振動(dòng)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(dòng)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(qiáng)迫振動(dòng)頻率,計(jì)算準(zhǔn)則,機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求很多，但強(qiáng)度要求是所有,零件都必須滿足的首要條件，而強(qiáng)度計(jì)算必需確定,作用于零件上的載荷和應(yīng)力。,一載荷和應(yīng)力的類型,一）載荷,靜載荷,大小和方向均不隨時(shí)間變化的載荷,變載荷,大小或方向隨時(shí)間變化的載荷,靜應(yīng)力,大小和方向均不隨時(shí)間變化（或變,化極緩慢）的應(yīng)力,變應(yīng)力,大小和方向，或大小或方向隨時(shí),變化的應(yīng)力,二）應(yīng)力,§,1-3,機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算,2,變應(yīng)力參數(shù)及典型變應(yīng)力,1,）變應(yīng)力參數(shù)：,最大應(yīng)力：,max,最小應(yīng)力：,min,應(yīng)力循環(huán)特征：用來(lái)表示應(yīng)力的變化情況,=,min,/,max,2,）典型變應(yīng)力及應(yīng)力循環(huán)特征,平均應(yīng)力：,應(yīng)力幅：,max,m,min,a,a,t,一載荷和應(yīng)力的類型,應(yīng)力類型,a,）靜應(yīng)力：,= +1,變應(yīng)力特例,b,）非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力,在（,+1,-1,）間變化,max,m,min,a,a,t,t, =,常數(shù),c,）對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力,= -1,t,a,max,min,d,）脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力,= 0,t,a,a,max,m,一載荷和應(yīng)力的類型,二機(jī)械零件的失效形式及強(qiáng)度條件式,靜應(yīng)力作用下,過(guò)載斷裂、塑性變形,二）,零件強(qiáng)度條件式：, =,lim,/,S,材料的極限應(yīng)力,安全系數(shù),脆性材料制造的零件：,lim,=,b,塑性材料制造的零件：,lim,=,S,1,靜應(yīng)力作用下,零件極限應(yīng)力,2,變應(yīng)力作用下零件限應(yīng)力,lim,= ,N,疲勞極限,一）零件的失效形式,變應(yīng)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(duì)零件的結(jié)構(gòu)尺寸、工作可靠性均,有影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)零件的重要性、零件材料的質(zhì)量、栽,荷計(jì)算準(zhǔn)確性等方面，合理選取，具體數(shù)值可參考設(shè)計(jì)資料。,(1),零件損壞機(jī)理,靜應(yīng)力作用下：,危險(xiǎn)剖面塑性變形或斷裂,變應(yīng)力作用下：,疲勞斷裂,零件表面應(yīng)力超過(guò)極限值,微裂紋,擴(kuò)展,斷裂,(2),極限應(yīng)力,靜應(yīng)力極限應(yīng)力：,與材料性能有關(guān),變應(yīng)力疲勞極限：,與材料有關(guān)外，還與,循環(huán)特征,r,應(yīng)力循環(huán)次數(shù),N,有關(guān),應(yīng)力集中、絕對(duì)尺寸、表面狀態(tài),三,),零件損壞機(jī)理,三,機(jī)械零件,材料,的,疲勞極限,描述應(yīng)力循環(huán)次數(shù),N,和疲勞極限,N,間關(guān)系的曲線，其橫坐標(biāo)為應(yīng)力循環(huán)次數(shù),N,，縱坐標(biāo)為疲勞極限,N,疲勞曲線,無(wú)限壽命區(qū),有限壽命區(qū),N,0,N1,N,1,N2,N,2,N,N,N,0,一,）,N,疲勞曲線,（,等應(yīng)力循環(huán)特征,的不等壽命,N,曲線）,D,D,點(diǎn)以后的疲勞曲線呈一水平線，代表著無(wú)限壽命區(qū)，其方程為：,由于,N,D,很大，所以在作疲勞試驗(yàn)時(shí)，常規(guī)定一個(gè)循環(huán)次數(shù),N,0,(,稱為循環(huán)基數(shù),),，用,N,0,及其相對(duì)應(yīng)的疲勞極限,r,來(lái)近似代表,N,D,和,r,，于是有：,機(jī)械零件的疲勞大多發(fā)生在,s,N,曲線,D,點(diǎn)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,rN,的關(guān)系為：,式中，,r,、,N,0,及,m,的值由材料試驗(yàn)確定。,N,應(yīng)力循環(huán)次數(shù),N,= 60,n,t,h,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,N,的方法,無(wú)限壽命區(qū)（,NN,0,）,疲勞極限：,N,= ,，,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(yīng)力線圖（等壽命疲勞曲線）,機(jī)械零件材料的疲勞特性除用,N,曲線表示外,，,還可用等壽命曲線來(lái)描述。該曲線表達(dá)了不同應(yīng)力比時(shí)疲勞極限的特性。,在工程應(yīng)用中，常將等壽命曲線用直線來(lái)近似替代。,用,A,',',C,折線表示零件材料的極限應(yīng)力線圖是其中一種近似方法。,A,',',直線的方程為：,C,',直線的方程為：,為試件受循環(huán)彎曲應(yīng)力時(shí)的材料常數(shù)，其值由試驗(yàn)及下式?jīng)Q定：,對(duì)于碳鋼，,0.1,0.2,，對(duì)于合金鋼，,0.2,0.3,。,極限應(yīng)力線圖,材料的疲勞特性,不同應(yīng)力循環(huán)特征,r,時(shí)的疲勞極限,材料的極限應(yīng)力,簡(jiǎn)圖,已知材料的機(jī)械性能,可作,簡(jiǎn)圖,折線,ADG,上任一點(diǎn)，表示在,不同,r,時(shí)的疲勞極限,對(duì)于,n,點(diǎn),(,工作應(yīng)力為,和,),應(yīng)力循環(huán)特征：,對(duì)應(yīng)的疲勞極限：,等效系數(shù),零件的極限應(yīng)力圖還應(yīng)考慮應(yīng)力集中、絕對(duì)尺寸、表面狀態(tài)的影響,應(yīng)力集中：零件剖面幾何形狀突變處疲勞極限降低,用應(yīng)力集中系數(shù),來(lái)考慮,絕對(duì)尺寸：剖面絕對(duì)尺寸大、出現(xiàn)缺陷概率大、疲勞極限降低,用絕對(duì)尺寸系數(shù),來(lái)考慮,表面狀態(tài),：表面光滑或強(qiáng)化處理、能提高疲勞極限,用,表面狀態(tài),系數(shù),來(lái)考慮,綜合影響系數(shù),或,考慮各因素影響,機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,1,四,.,機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,一）零件的極限應(yīng)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(qiáng)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),表示材料對(duì)稱循環(huán)彎曲疲勞極限,-1,與零件對(duì)稱循環(huán)彎曲疲勞極限,-1e,的比值，即,在不對(duì)稱循環(huán)時(shí)，,是試件與零件極限應(yīng)力幅的比值。,將零件材料的極限應(yīng)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(yīng)力曲線的,CG,部分，由于是,按照靜應(yīng)力的要求來(lái)考慮的，故,不須進(jìn)行修正。這樣就得到了零,件的極限應(yīng)力線圖。,機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,2,機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,二）單向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,進(jìn)行零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，首先根據(jù)零件危險(xiǎn)截面上的,max,及,min,確定平均應(yīng)力,m,與應(yīng)力幅,a,，然后，在極限應(yīng)力線圖的坐標(biāo)中標(biāo)示出相應(yīng)工作應(yīng)力點(diǎn),M,或,N,。,根據(jù)零件工作時(shí)所受的約束來(lái)確定應(yīng)力可能發(fā)生的變化規(guī)律，從而決定以哪一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示極限應(yīng)力。,機(jī)械零件可能發(fā)生的典型的應(yīng)力變化規(guī)律有以下三種：,應(yīng)力比為常數(shù)：,r=C,平均應(yīng)力為常數(shù),m,=C,最小應(yīng)力為常數(shù),min,=C,相應(yīng)的疲勞極限應(yīng)力應(yīng)是極限應(yīng)力曲線上的某一個(gè)點(diǎn) 所代表的應(yīng)力。,計(jì)算安全系數(shù)及疲勞強(qiáng)度條件為：,單向應(yīng)力狀態(tài)下的安全系數(shù)（當(dāng)常數(shù)時(shí)）,安全系數(shù)定義：,對(duì)于塑性材料,即,時(shí),即,時(shí),以上正應(yīng)力公式，用,替代,則對(duì)剪應(yīng)力同樣適用,當(dāng)應(yīng)力在疲勞破壞區(qū),當(dāng)應(yīng)力在靜強(qiáng)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(yīng)力幅為,129Mpa,，零件的應(yīng)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(yàn)此零件是否安全。,658MPa,，,780MPa,，所承受的彎曲變應(yīng)力,0.78,，表面狀態(tài)系數(shù),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(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,四）雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,當(dāng)零件上同時(shí)作用有同相位的穩(wěn)定對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力,s,a,和,t,a,時(shí)，由實(shí)驗(yàn)得出的極限應(yīng)力關(guān)系式為：,式中,t,a,及,s,a,為同時(shí)作用的切向及法向應(yīng)力,幅的極限值,。,若作用于零件上的應(yīng)力幅,s,a,及,t,a,如圖中,M,點(diǎn)表示，則由于此工作應(yīng)力點(diǎn)在,極限以內(nèi)，未達(dá)到極限條件，因而是安全的。,由于是對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力，故應(yīng)力幅即為最大應(yīng)力。弧線,AM'B,上任何一個(gè)點(diǎn)即代表一對(duì)極限應(yīng)力,a,及,a,。,計(jì)算安全系數(shù)：,機(jī)機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度,機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度,當(dāng)兩零件以點(diǎn)、線相接處時(shí)，其接觸的局部會(huì)引起較大的應(yīng)力。這局部的應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。,接觸應(yīng)力是不同于以往所學(xué)過(guò)的擠壓應(yīng)力的。擠壓應(yīng)力是面接觸引起的應(yīng)力，是二向應(yīng)力狀態(tài)，而接觸應(yīng)力是三向應(yīng)力狀態(tài)。接觸應(yīng)力的特點(diǎn)是：僅在局部很小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生很大的應(yīng)力。,式中,1,和,2,分別為兩零件初始接觸線處的曲率半徑,其中正號(hào)用于外接觸，負(fù)號(hào)用于內(nèi)接觸。,對(duì)于線接觸的情況，其接觸應(yīng)力可用赫茲應(yīng)力公式計(jì)算。,式中：,為綜合曲率半徑；,、,分別為兩圓柱體的曲率半徑,(,mm),，其中,",",、,",“,號(hào)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(jī)械設(shè)計(jì)中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑問(wèn)題,一、機(jī)械中的摩擦,、干摩擦：表面間無(wú)任何潤(rùn)滑劑或保護(hù)膜的純金屬接觸時(shí)的摩擦，摩擦系數(shù)一般大于,0.1,、邊界摩擦：表面間被極薄的潤(rùn)滑膜所隔開(kāi)，且摩擦性質(zhì)與潤(rùn)滑劑的粘度無(wú)關(guān)而取決于兩表面的特性和潤(rùn)滑油油性的摩擦，摩擦系數(shù)約在,0.01,0.1,、流體摩擦：表面間的潤(rùn)滑膜把摩擦副完全隔開(kāi)，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(dá),0.001,0.008,、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(shí)的摩擦,二、機(jī)械中的磨損,、磨損的定義：,由于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(guò)程大體可分為三個(gè)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(guò)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(diǎn)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(guò)程,表面疲勞磨損,：,摩擦表面受循環(huán)接觸應(yīng)力作用到達(dá)一定程度時(shí)，就會(huì)在零件工作表面形成疲勞裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展與相互連接，會(huì)造成許多微粒從零件表面上脫落下來(lái)，致使表面上出現(xiàn)許多淺坑，這種磨損過(guò)程即為疲勞磨損；,腐蝕磨損：,在摩擦過(guò)程中金屬與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的磨損,三、機(jī)械中的潤(rùn)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(dòng)力潤(rùn)滑的物理解釋,實(shí)例：滑動(dòng)軸承,；,形成動(dòng)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(yīng)充滿具有一定粘度的潤(rùn)滑油或其它流體；,3,、兩工作表面間存在一定相對(duì)滑動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)方向總是帶動(dòng)潤(rùn)滑油從大截面流進(jìn)，小截面流出。,結(jié)束,