东北大学机械设计电子教案第一章机械设计基础.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,东北大学机械设计电子教案第一章机械设计基础,第一章 机械设计基础,（General concepts）,1.1 绪论,1.2 机械设计一般程序,1.3 零件的失效形式与设计准则,1.5 对称循环变应力下零件疲劳强度计算,1.6 非对称循环变应力下零件疲劳强度计算,1.4,静应力下零件的强度计算,1.7 规律性非稳定变应力零件疲劳强度计算,1.8 双向变应力下零件疲劳强度计算,1.1 绪论（Introduction）,一、机械的定义,具有确定相对运动的构件组合,能实现能量转换或作有用功,例：,电动机,挖掘机,电,能 机械能,内,燃机：热能机械能,驱动液压系统铲斗作功,（机器+机构）,1.1 绪论（Introduction）二、机械的组成,二、机械的组成,传动装置,原动机,工作机,皮带运输机传动简图,原动机,工作机,传动装置,控制系统,抽象：,1.1 绪论（Introduction）二、机械的组成,制造分析,（机械设计）,零件制造单元,运动分析,具体：,（机械原理）,构件运动单元,零件,构,件,机,械（机构、机器）,连杆,1.1 绪论（Introduction）三、课程的内容与特点,三、课程的内容、特点、任务,研究机械设计理论、方法，阐述机械设计的共性问题。,含通用零件的工作原理、设计理论与方法、标准规范等,。,内容：,联接件：螺纹联接、键联接,传动件：齿轮、蜗杆、带、链,支撑件：轴、轴承（滚动、滑动）,其 他：联轴器、离合器、弹簧,1.1绪论（Introduction）三、课程的内容与特点,理论内容章节间联系差,应用中相互联系密切。,特点：,技术基础课理论+工程实际,考虑因素多,修,正系数多,掌握机械设计基础理论，,任务：具备设计传动装置及简单机械的能力,培养机械装置整体构思能力,1.2 机械设计一般程序,(General procedure of machine design),一、机械应满足的要求,1、使用要求：完成预定功能，生产率高,2、安全可靠、寿命足够,3、制造、运行费用低，维护方便,4、其他：运输方便、造型美观,1.2 机械设计一般程序,二、机械设计一般程序,二、机械设计一般程序,运动与动力学设计,施工设计,控制系统设计调试,方案设计,设计任务分析,明确设计目的、要求,拟定系统组成、方案选择,考虑结构、公差工艺要求，绘装配图、零件图,调试测试控制功能,确定原动机功率、零件运动动力参数,工程试验、修改设计,1.2 机械设计一般程序,三、机械零件设计步骤,三、机械零件设计步骤,选择材料,分析失效形式、设计准则、定形状和主要尺寸,按工艺、标准规范要求，圆整设计尺寸,确定零件上的载荷,建立计算模型,拟定零件的计算简图,工程试验、修改设计,一、失效概念（Failure）,1.3,零件的失效形式与设计准则,(Failure types and design criteria),规定使用条件下,规定的寿命期限内,不能完成,规定功能,失效,零件,例:,齿轮轴断裂,失,效,1.3 零件的失效形式与设计准则(Failure types and design criteria)二、失效形式,二、失效形式（Failure types）,1、,整体断裂,过载断裂,疲劳断裂,2、,表面破坏,磨损,冷胶合,热胶合,点蚀,塑性变形,过大弹变,5、,功能失效,3、变形,过大,胶合,4、过大振动,1.3零件的失效形式与设计准则(Failure types and design criterias),三、设计准则,四、常用设计准则（Design criterias）,1、强度准则,强度抗整体断裂、接触疲劳、塑变的能力,强度准则：（基本准则,）,；,2、刚度准则,刚度抗弹变能力,刚度准则：yy,三、工作能力准则（设计准则）,工作能力准则：,预定使用寿命期限内，零件安全工作的限度,-承载能力指标、受失效形式限定、确定零件尺寸的依据,1.3 零件的失效形式与设计准则(Failure types and design criterias),三、设计准则,3、寿命准则：设计寿命 LL 要求寿命,4、耐磨性准则,耐磨性,零,件抗磨损失效的能力,（1）压强条件：pp 防表面间油膜破坏产生磨损,（2）pv值条件：pvpv (v滑动速度),防表面间温升过高，油膜破坏加剧磨损胶合,5、振动稳定性准则,f,P,0.87 f,0,f,P,1.18 f,0,f,P,激振,频率；f,0,固,有频率,1.4 静应力下零件的零件的强度计算,(Strength calculation of machine parts under static stress),一、载荷与应力,(Load and stress),（2）载荷算法,名义载荷：F,原动机功率,工作机阻力,（理想工况）,F,公式推算,计算载荷：F,ca,=K F,载荷系数：K,考,虑外载变化、零件载荷不均等影响,1、载荷分类,F,t,随机,F,t,周期,F,t,（1）载荷性质,静载荷：,变载荷：,1.4 静应力下零件的零件的强度计算(Strength calculation of machine parts under static stress)一、载荷与应力,2、应力分类,(Stress type),(1)静应力：,t,(2)变应力：,稳定变应力,t,随机,t,非稳定变应力,规律性、非稳定,t,1.4 静应力下零件的零件的强度计算(Strength calculation of machine parts under static stress)一、载荷与应力,(1)非对称循环变应力,3、变应力的参数,(Parameters of variable stress),t,max,min,m,a,应 力 幅：,a,=(,max,-,min,)/2,平均应力：,m,=(,max,+,min,)/2,应力循环特性：r=,min,/,max,(-1 r+1),(2)脉动循环变应力,t,(3)对称循环变应力,t,最大应力：,max,最小应力：,min,min,=0；,m,=,a,r=,min,/,max,=0,m,=0；,max,=,a,=,-,min,r=,min,/,max,=-1,1.4 静应力下零件的零件的强度计算 二、静应力下的强度计算,(Strength calculation of machine parts under static stress),二、静应力下零件强度计算,(Strength calculation of machine parts under static stress),应力比较法：,ca,=,lim,/S,安全系数法：S,ca,=,lim,/,ca,S,式中：,ca,计,算应力与,载,荷、结构、尺寸、形状有关,S,安全系数,与计算准确性、重要性有关（规范、查表）,lim,极限,应力与,材料、热处理,有关,塑性材料：,lim,=,s,脆性材料：,lim,=,B,1.5 对称循环变应力下零件强度计算,(,Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle ),一、材料的疲劳曲线与疲劳极限,(Curve of fatigue and fatigue limit),1、疲劳破坏,(Fatigue failure),疲劳破坏：,变应力、多次作用,下，材料发生破坏,疲劳破坏,特 征：,小应力:,持续性:,敏感性:,突发性:,变应力最大值低于材料静强度限,变应力多次作用,对材料、几何形状敏感,突然断裂,曲轴断裂,内源断裂,疲劳破坏,过 程：,裂纹萌生,裂纹扩展,最终瞬断,实例,1.5,对称循环变应力下零件强度计算 一、疲劳曲线与疲劳极限,(,Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle ),2、材料的疲劳曲线,rN,N,（Curve of fatigue）,N,0,有限寿命区,无限寿命区,A,B,C,rN,N,o,r,疲,劳极限,N,0,循,环基数,m、C,系,数,rN1,rN2,N,1,N,2,rN0,10,3,设计寿命NN,0,时：材料,lim,=,r,1.5,对称循环变应力下零件强度计算 一、疲劳曲线与疲劳极限,(,Strength calculation of machine parts under variable stress in alternating symmetrical cycle ),3、材料的条件疲劳极限,rN,（对应于寿命N材料的有限寿命疲劳极限）,式中：,K,N,-寿命系数,N 10,3,时，按静强度计算,当 NN,0,时，K,N,=1;,设计寿命10,3,NN,0,：材料,lim,=,rN,N,0,有限寿命区,无限寿命区,rN,N,A,B,C,o,10,3,AB:,m、C,材,料常数（与材料性质、应力状态、热处理有关）,1.5,对称循环变应力下零件强度计算 二、疲劳强度的影响因素,二、疲劳强度的影响因素,（Influence factors of fatigue strength）,1、应力集中：,零件几何不连续处，实际应力远大于名义应力,尺寸效应:,绝对尺寸系数:,3、表面状态,尺寸增加，疲劳极限,表面状态效应：表面粗糙，疲劳极限降低,有效应力集中系数,2、绝对尺寸,表面状态系数:,的,现象,降低,三、对称循环变应力下零件疲劳强度计算,（,Strength calculation of machine parts under variable stress in alternating symmetrical cycle,）,1、零件的疲劳曲线,-1N,N (r=-1),A,10,3,N,A,B,C,o,B,C,材料,式中：,k,0,N,=10,3,时的有效应力集中系数,1.5,对称循环变应力下零件强度计算 三、对称循环变应力下零件疲劳强度计算,2、零件疲劳极限,A,10,3,N,A,B,C,o,B,C,材料,零件疲劳极限,设计寿命NN,0,：零件,lim,=,-1c,设计寿命10,3,NN,0,：零件,lim,=,-1,N,c,与零件条件疲劳极限,1.5,对称循环变应力下零件强度计算 三、对称循环变应力下零件疲劳强度计算,4、有限寿命零件疲劳强度计算,3、无限寿命零件疲劳强度计算,式中：S安全系数，推荐S=1.32.5,材料均匀性,工艺质量,载荷及应力计算准确性,1.6 非对称循环变应力下零件强度计算,(,Strength calculation of machine parts under variable stress in alternating unsymmetrical cycle ),一、极限应力线图,(Curve of fatigue limit),1、材料的极限应力线图,同种材料、r不同时，,r,在,m,a,坐标系下的关系曲线,a,B,m,-1,0,/2,D,C,A,45,O,0,/2,E,B,S,45,A:,m,=0,r=-1,C:,m,=,a,r=0,B:,a,=0,r=+1,r,=,m,+,a,(-1 r+1),ACB 实验线图,ACED,简,化线图,1.6 非,对称循环变应力下零件强度计算 一、极限应力线图,(,Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle ),2、简化极限应力线图,谢,林森折线ACED,AE:,DE:,A(0,-1,),m,-1,0,/2,D(,S,0),C(,0,/2,0,/2,),45,O,0,/2,E,S,45,a,1.6 非,对称循环变应力下零件强度计算 一、极限应力线图,(,Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle ),3、零件的极限应力线图ACED,试件线图ACED强度影响因素,修,正K,零,件线图ACED,m,D,45,O,0,/2,S,45,a,1.6 非,对称循环变应力下零件强度计算 二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算,(,Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle ),二、非对称循环变应力下零件的疲劳强度计算（r=C）,m,O,45,a,疲劳强度区,OAE,静强度区OED,（1）工作应力点,-由载荷、结构求得,1、极限应力线图分析,（2）极限应力点,由工作应力点及对应的加载规律确定,1.6 非,对称循环变应力下零件强度计算 二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算,(,Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle ),2、r=C简单加载分析,加载曲线OMM为直线，,疲劳强度区OAE、静强度区OED,M点坐标：,3、无限寿命疲劳强度计算,m,O,a,D,1.6 非,对称循环变应力下零件强度计算 二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算,(,Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle ),对应工作应力点M的极限应力：,无限寿命疲劳强度计算安全系数,4、有限寿命疲劳强度计算安全系数,1.6 非,对称循环变应力下零件强度计算 二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算,(,Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle ),4、静强度区安全系数计算,静强度计算安全系数:,当工作应力点N位于OED静强度区，极限应力点为OM与DE的交点N,极限应力为：,工作应力最大值:,m,O,a,1.7 规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算,(,Strength calculation of machine parts under unstable variable stress ),一、线性疲劳损伤累积理论,(Theory of fatigue damage accumulation),1、疲劳损伤累积概念,问题：如何利用稳定变应力的分析方法，计算规律性、非稳,定变应力下零件的疲劳强度？,(1)材料受高于疲劳极限的应力作用，每一循环均产生损伤,(2)损伤累积到一定程度，材料疲劳破坏,1.7 规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算,一、线性疲劳损伤累积理论,(,Strength calculation of machine part under unstable variable stress),N,max,n,4,4,3,2,1,n,2,n,1,n,3,O,A,B,C,-1,N2,N1,N3,(1)材料在各级应力作用下产生的疲劳损伤独立,(2)总损伤线性累积,2、Miner疲劳损伤线性累积理论,1.7 规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算,一、线性疲劳损伤累积理论,(,Strength calculation of machine part under unstable variable stress),注,:(1)小于,-1,应力的影响不计,(2)非对称循环变应力折算成当量对称循环变应力处理,1.7 规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算 二、规律性非稳定应力下材料疲劳强度计算,二、规律性非稳定应力下材料疲劳强度计算(r=-1),1、等效循环次数N,v,与条件疲劳限,-1Nv,由疲劳曲线方程：,代入Miner方程：,（损伤极限状态）,1.7 规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算 二、规律性非稳定应力下材料疲劳强度计算,2、安全系数 计算,1.7 规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算 三 规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算,三、规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算,1.8 双向变应力下零件疲劳强度计算,(,Strength calculation of machine parts under bi-direction variable stress ),双向变应力：交变正应力和剪应力同时作用,双向变应力下极限应力图AMB,A,B,O,M,M,零件计算安全系数,1.8 双向变应力下零件疲劳强度计算,(,Strength calculation of machine parts under bi-direction variable stress ),双向变应力下安全系数：,本章结束,应力集中,L实,返回,L名,M,M,应力集中区,尺寸效应,D,max,d,临界,危险区宽,危险区宽,返回,曲轴整体断裂实况,返回,疲劳断口,断口对,断口放大,断口放大,返回,断口对,返回,疲劳断口,曲轴疲劳断裂断口特征,返回,裂纹源区,疲劳扩展区,最终瞬断区,内部缺陷引起疲劳断轴：,初始裂纹起源于轴内部，裂纹由内至外扩展,裂纹源区,扩展区,瞬断区,裂纹扩展方向,返回,键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂,键槽,初始裂纹源,裂纹扩展区,最终瞬断区,返回,冷胶合：,低速重载，接触零件挤压粘着，相对运动撕裂,。,返回,综合失效,：,齿面磨损、断齿、疲劳断轴,返回,轮齿塑性变形,返回,过载断齿,轧钢机压下螺旋丝杠断牙宏观,返回,丝杠断牙部位,丝杠断牙局部放大,热胶合：润滑不良引起的齿面,返回,整体塑变,返回,点蚀,返回,轮齿磨损,返回,螺栓联接滑移被联接件断裂,被联件相对滑移,被联件拉断,返回,