机械设计的一般程序.docx

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机械设计的一般程序

§1-1绪论

一、机械的定义：

机器和机构的总称

      机器：

具有确定相对运动的构件组合体，能做有用的功或实现能量转换。

二、机械的组成

1、抽象:

原动机:

 系统动力源，将其他形式的能量转化为机械能

工作机:

 直接完成工艺动作

传动装置:

实现原动机与工作机之间的运动与动力传递

该变原动机的速度 例:

高→低

改变原动机的运动形式

例：

回转→直线（牛头刨床）

控制系统：

控制机械系统各单元协调工作

2、具体:

（1）从制造角度分析:

 零件是组成机械的制造单元   （机械设计）

（2）从运动角度分析:

 构件是组成机械的运动单元   （机械原理）

  例:

 连杆, 门

零件——构件——机器（机构、机械）

三、本课程的内容、特点、任务

1、内容

阐述机械设计的基本理论与方法，阐述机械设计的共性问题。

包括通用零件的设计理论、方法、工作原理、结构特点、失效形式、设计准则、标准规范等。

2、特点 

（1）技术基础课（理论知识+工程实际）

（2）章节联系差

（3）系数多（机械设计中考虑的因素多,不能全部用理论公式精确表示出来,多引入系数修正）。

3、任务

（1）掌握机械设计的基础知识、基本理论、基本技能，具有设计机械传动装置和一般机械的能力；

（2）具有使用标准、规范、手册等技术资料的能力。

（3）培养机械设计系统总体构思能力

1-2机械设计的一般程序

一、机械应满足的要求

1、满足使用要求,生产率力高.

2、安全可靠,有足够的使用寿命.

3、制造、运行费用低.

4、操作维护方便

5、其它要求:

 运输方便,造型美观

二、机械设计的一般程序

1、分析设计任务：

明确设计目的、要求.

2、方案设计：

根据任务书的要求，拟定机械系、统的组成与总体布置注，满足同一使用要求可以有不同的方案。

例：

门—单门、双门、旋转门等

3、运动和动力设计：

对选定的方案进行运动和动力分析，确定原动机功率、各零件的运动和动力参数

4、施工设计：

考虑零件工作的能力及结构工艺性，确定零件的形状尺寸公差配合，绘制整机装配图和零件工作图

5、实验、修改设计

三、机械零件的设计步骤

1、建立计算模型—拟定零件的计算简图

2、确定作用在零件上的载荷；

3、选择材料；

4、根据零件可能的失效形式，选用相应的设计准则，确定零件的形状和主要尺寸；

5、根据加工工艺的要求、标准规范等，圆整设计尺寸；

6、根据加工和装配要求确定零件的其他尺寸；

7、绘制零件工作图，编写设计说明书。

§1-3机械零件的失效形式与设计准则

一、失效的概念

机械零件在规定的使用条件下、规定寿命期限内，不能完成规定功能—失效。

二、常见失效形式

1、整体断裂：

过载断裂、疲劳断裂塑性变形；

2、表面破坏：

点蚀、剥落、胶合、磨损、擦伤；

3、过大变形：

过大弹变—刚度不足

            塑性变形—强度不足

4、强烈的振动；

5、功能失效。

三、工作能力准则（设计准则）

   工作能力准则：

在预定的使用期间内，零件不发生失效的安全工作限度。

—衡量机械零件工作能力的指标，

由限制零件工作能力的失效形式决定

决定零件基本尺寸的依据。

四、机械零件的常用设计准则

1、强度准则（衡量机械零件工作能力的基本准则）

强度：

零件抵抗整体断裂、表面接触疲劳及塑性变形的能力。

—零件的工作应力；

—材料的许用应力；

—材料的极限应力；

—安全系数。

       例：

轴强度不足断裂等

2刚度准则

刚度：

零件抵抗弹性变形的能力。

—零件工作时的挠度、挠角、转角；

—零件工作时的挠度、挠角、转角的许用值；

例：

机床主轴刚度不足，零件加工精度低

注：

改变材料对提高刚度无效，改变零件截面，减少跨度是提高刚度的有效措施。

3、寿命准则

   设计寿命L≥[L]要求寿命

4、耐磨性准则

耐磨性：

零件抵抗磨损失效的能力。

磨损导致零件尺寸和形状的变化，过度磨损导致精度↓强度↓

磨损的种类

—两摩擦表面间的压强

—两摩擦表面间的相对速度

5、振动稳定性准则—限定回转零件的工作频率偏离系统固有频率，避免共振。

—激振频率

—固有频率

§1-4静应力下机械零件的强度计算

一、载荷的分类

1．按载荷性质

静载荷：

静载荷的大小，方向不随时间变化 

变载荷：

 周期性变载荷 

随机变载荷 

2．按计算方法

名义载荷F：

按原动机功率或工作机理想状况下的工作阻力用力学公式计算得到的作用在零件上的载荷。

计算载荷Fca：

考虑载荷在零件上的分布不匀，载荷的波动引起附加动载荷，将名义载荷乘一个载荷系数K（K>=1） Fca=F·K

二、应力的分类

1、静应力：

不随时间变化，或变化缓慢（只能由静载荷产生）

2、变应力：

随时间变化的应力（可由静载荷和变载荷产生）

（1）稳定变应力：

随时间作周期性变化的应力，

可用五个参数描述

r=±min（|σmax|,|σmin|）/max（|σmax |,|σmax|）

（σmax与σmin同号取“+”,异号取‘‘－”）     

①对称循环变应力 

②脉动循环变应力 

③静应力 

三、静应力下零件的强度计算

失效形式：

塑性变形和静载断裂

1、应力比较法：

危险剖面处的计算应力小于许用应力  

2、安全系数法：

安全系数大于许用安全系数 

—零件的工作应力，单向应力状态：

危险截面的最大工作应力

复杂应力状态：

由相应的强度理论求计算应力

—材料的许用应力

—材料的极限应力，

塑性材料

         脆性材料

[S]—许用安全系数

1）查表法:

一般机器制造部门都制定自己的许用安全系数,可以直接查取.

2）部分系数法:

考虑影响安全的各方面因素,确定安全系数，通常[S]=S1S2S3

    S1载荷和应力计算准确性系数S1=1～1.5

    S2材料的可靠性系数锻,轧S2=1.2～1.5 

    S3零件的重要性系数S3=1～1.5

 3）参照表1-3的荐用值

§1-5对称循环变应力下零件的疲劳强度计算

一、材料的疲劳曲线及疲劳极限

1、疲劳破坏

现象:

在低于材料静强度循环变应力的作用下,材料发生破坏

.（工程中的零件断裂事故80%是疲劳破坏）

过程:

（1）产生初始裂纹

（2）裂纹扩展

（3）瞬断

特点：

（1）小应力σ＜＜σS

（2）持续性，变应力多次作用

（3）敏感性，对材料、几何形状敏感

（4）突发性，突然断裂

2、材料疲劳曲线（

-N）

 在循环特性为r的变应力作用下，变应力的最大值

与材料疲劳破坏时应力循环次数N（寿命）之间的关系。

（1）

--N曲线分析

实验分析：

试件承担的变应力最大值

与要求的寿命N与有关

——疲劳极限

——条件疲劳极限

N0——循环基数，对于结构钢硬度≤350（HBS） N0=107

>350（HBS） N0=25×107

（2）有限寿命疲劳极限

（m，C材料常数）

——寿命系数（

）,

时，取

  m——与材料,应力状态,热处理方法有关的系数（钢制零件受弯曲时m=9）

（3）

--N曲线的近似求法（对于r=-1时）

取N=103时，σ-1（103）=0.9σB

 N=107时,σ-1（107）=0.5σB（锻钢）,σ-1（107）=0.4σB（铸钢,铸铁）

 将两组数值代入方程

可求出m，C，由方程可求出

--N曲线

二、影响零件疲劳强度的因素

说明：

材料的σr是标准试件的疲劳极限。

受多种因素的影响，实际零件的疲劳极限低于标准试件的疲劳极限，进行零件的疲劳强度计算时，必须考虑这些因素对实验结果加以修正。

影响零件疲劳极限的因素主要有:

1、应力集中影响

在零件几何形状突变处（过滤圆角,键槽,螺纹孔）产生远大于名义应力的现象。

有效应力集中系数

、

：

当材料、载荷、尺寸均相同时，光滑试件与有应力集中试件的疲劳极限之比.

  对于r=－1的情况：

注：

同一剖面有多个应力集中源时,取其中有效应力集中系数最大的计算     

2、绝对尺寸影响

尺寸效应：

其他条件相同时，随着绝对尺寸的增加，零件的疲劳极限降低的现象。

绝对尺寸系数

、

：

（3）表面状态的影响

其他条件相同时，零件表面粗糙，疲劳极限降低。

表面状态系数

：

各影响系数可查教材附表1-1～表1-6

三种因素的综合影响：

综合应响系数

三、对称循环变应力下零件疲劳强度计算

1、零件的疲劳曲线（

）

考虑影响零件疲劳强度的三种因素的综合影响，零件的承载能力比标准试件的有所降低。

B’:

（N=N0）—零件的无限寿命疲劳极限 

A’（N=103）--零件的N=103有限寿命疲劳极限

k0=（kσ－1）q0+1

q0—修正系数（图1-6）—反映材料对应力集中的敏感程度，硬度高，对应力集中敏感

2、零件疲劳极限

与条件疲劳极限

    由A’B’方程：

零件有限寿命疲劳限：

零件极限应力选择：

3、无限寿命零件的疲劳强度计算

4、有限寿命零件的疲劳强度计算

式中：

安全系数[S]=1.3～2.5

材料均匀,工艺质量好，载荷和应力计算准确时取小值,反之取大值.

§1-6非对称循环变应力下零件的疲劳强度计算

一、极限应力线图

1、材料的极限应力线图

说明：

（1）

曲线:

同种材料，不同循环特性r时，寿命N与疲劳极限σrN的关系.

（2）极限应力线图:

同种材料，不同循环特性r时，疲劳极限σr与循环特性r的关系

分析：

①             A点（0,σ－1）：

σm=0，σa=σ－1，r=－1，对称循环变应力

②             C点（σ0/2,σ0/2）：

σmin=0，σa=σm=σ0/2，r=0，脉动循环变应力

③             B点（σB,0）：

σa=0，σmax=σmin=σB， r=+1，静应力

④             其它各点:

σr=σra+σrm, （－1≤r≤+1）

⑤             工作应力点位于ACB以内时，材料不发生破坏，ACB是材料发生破坏的临界状态。

2、简化的极限应力线图（ACED）

疲劳极限线图需要大量的实验数据，耗时耗资。

工程上常用简化的疲劳极限线图近似。

常用的谢林森析线图（只需三个实验数据σ-1、σ0、σS）.

AE方程（两点式）:

即：

：

将平均应力折算为应力幅的等效折算系数，几何意义：

DE的方程：

3、零件的极限应力线图A’C’E’D

考虑应力集中、绝对尺寸和表面状态等的影响，实际零件的疲劳极限略低于材料（标准试件）的疲劳极限。

实验表明（

）只影响变应力的应力幅部分，不影响平均应力。

利用材料的极限应力线图，将AE线按比例

向下移，得到零件的疲劳极限线图。

A’E’:

E’D:

二、非对称循环应力下零件的疲劳强度计算（r=C）

1、极限应力线图分析

无限寿命时的强度计算

（1）工作应力M（

）—由载荷、结构确定

计算

，求危险点的：

（2）确定极限应力点M（

）—求

对应工作应力点M,加载规律不同，极限应力点M’不同。

2、r=C简单加载分析—

（1）r=C加载曲线为过原点的直线，极限应力点M’为直线OM与极限应力曲线的交点；

（2）OE’分极限应力线图为两区，OA’E’—疲劳强度区；OE’D—静强度区

3、无限寿命零件疲劳强度计算

OM：

A’E’:

联立直线OM’和A’E’的方程，求得交点M’（

）的坐标

极限应力：

无限寿命安全系数：

4、有限寿命疲劳强度计算

5、静强度计算

若工作应力点M位于静强度区OE’D，极限应力点M’为OM与DE’的交点，零件受静强度制约，直线DE’上任意点的极限应力值为：

静强度计算安全系数：

§1-7规律性非稳定变应力下零件疲劳强度计算

说明：

（1）稳定变应力：

循环特性为r、

恒定不变

（2）非稳定变应力：

循环特性为r，作用过程中

等按一定的规律周期变化.

问题：

如何用稳定变应力的实验结果和计算方法解决非稳定变应力的强度计算.

一、线性疲劳损伤积累理论

1、疲劳损伤累积概念

（1）低于

的应力不产生损伤；

（2）高于

的应力每作用一次都使材料产生一定的损伤；

（3）损伤积累到一定程度后，材料将发生疲劳破坏。

2、Miner疲劳损伤线性累积理论

（1）材料在各级应力作用下产生的损伤相互独立

（2）总损伤线性累加

循环特性为r的

变应力最大值

   …  

 …

分别作用次数

                  n1   n2  …  

  …

单独作用时的寿命           N1   N2  …  

  …

作用一次产生的损伤       

 …

…

作用ni次产生的损伤      

 …

…

  总的损伤=

Mnier方程：

 —损伤率达到100%时，材料发生疲劳破坏

二、规律性非稳定变应力下材料的疲劳强度计算

基本思想：

1、等效循环次数

与条件疲劳极限

（r=－1为例）

（即

为对称循环的应力幅，若

的当量应力幅）

由材料

疲劳曲线方程:

 得：

（1）

Miner方程：

（2）

将

（1）代入

（2）得：

即：

         （3）

（3）式表示各级应力作用的结果达到了疲劳损伤临界状态。

若各级应力作用的结果未达到临界状态，则有：

                 （4）

按损伤等效假设有：

令：

等效循环次数 

对应于

的条件疲劳极限：

2、安全系数

注：

三、规律性非稳定变应力下零件的疲劳强度计算

安全系数：

寿命系数：

等效循环次数：

（其中：

）

系数：

等效应力幅：

说明：

作零件的强度计算时采用等效应力幅计算式

时，求当量循环次数

时，

的应力幅应不计。

§1-8双向变应力下零件疲劳强度计算

一、双向应力

零件剖面上同时作用有弯曲与扭转应力，拉伸与压缩等任意一组二维应力时称为双向应力

二、（弯扭复合）双向变应力下零件的疲劳强度计算

双向变应力极限应力线图曲线方程：

（1）

等安全系数曲线计算安全系数：

（2）

（2）带入

（1）中：

双向变应力下计算安全系数：