第一章機械設(shè)計基礎(chǔ)知識

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機械學(xué)教研室-----姜麗娟機械設(shè)計第一節(jié)概述機械：各種機器的通稱。

1、機械設(shè)計課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務(wù)

第一章機械設(shè)計的基礎(chǔ)知識機械的定義自動門原動部分－機器完成預(yù)定功能的動力源，最常見的是內(nèi)燃機、電動機。工作部分－完成預(yù)定的動作，位于傳動路線的終點。傳動部分－聯(lián)接原動機和執(zhí)行部分的中間部分?？刂撇糠郑ＷC機器的啟動、停止和正常協(xié)調(diào)動作。傳感部分－將機器的工作參數(shù)，如位移、速度、加速度、溫度、壓力等反饋給控制部分。

輔助部分－包括機器的潤滑、顯示、照明等。也是保證機器正常工作不可缺少的部分機械的組成：機械：各種機器的通稱。

控制器(控制)電動機(原動)帶(傳動)減速器(傳動)波輪(工作)分析自動洗衣機的組成：潘存云教授研制機械零件通用零件：專用零件：

機械是由零部件組成機械零件：組成機械的基本單元。（基本制造單元）以沖壓工藝所需的壓力加工設(shè)備為例進(jìn)行分析

社會需求：以上、下模具之間的直線往復(fù)運動對平板材料進(jìn)行加工，（拉伸，彎曲，切斷，沖裁，壓印等）

設(shè)計任務(wù)：力——標(biāo)準(zhǔn)噸位位移——工作行程速度——最高連續(xù)工作速度加速度——允許速度波動運動精度——允許運動誤差經(jīng)濟型——最高造價可靠性——平均無故障工作時間安全性——意外情況下對人和設(shè)備進(jìn)行保護(hù)其他要求——運輸，安裝，調(diào)整方案設(shè)計：原動機：

選用交流電動機，滿載轉(zhuǎn)速1450r/min，工作機：

工作頻率80次/min中間傳動機構(gòu)： 需要解決的問題

①旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動 ②高速運動變換為低速運動 ③連續(xù)運動變換為往復(fù)運動旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動可選擇的運動變換技術(shù)方案：

1.曲柄滑塊

2.齒輪齒條

3.凸輪挺桿

4.螺旋傳動

5.流體傳動高速運動變換為低速運動可選擇的減速傳動方案：

1.帶傳動

2.鏈傳動

3.齒輪傳動

4.蝸桿傳動

曲柄壓力機傳動原理圖結(jié)構(gòu)設(shè)計:

僅以連桿部件為例討論結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

結(jié)構(gòu)設(shè)計:

僅以連桿部件為例討論結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

本課程是一門以一般通用零件的設(shè)計為核心的設(shè)計性課程,論述它們的基本設(shè)計理論與方法,培養(yǎng)學(xué)生具有設(shè)計一般機械能力的技術(shù)基礎(chǔ)課程。綜合運用已學(xué)知識：制圖力學(xué)金屬學(xué)（材料及工藝）公差配合等了解、應(yīng)用機械設(shè)計的新理論、新方法

課程的性質(zhì)特點:廣、雜、實踐性強本課程的內(nèi)容

本課程研究機械設(shè)計的一般理論，準(zhǔn)則與方法，重點討論在一般工作條件下通用機械零件的設(shè)計理論及設(shè)計方法。機械設(shè)計的基礎(chǔ)知識聯(lián)接零件設(shè)計：螺紋聯(lián)接、軸轂聯(lián)接傳動零件設(shè)計：帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動、螺旋傳動軸系零部件：軸、滑動軸承、滾動軸承、聯(lián)軸器、

具體內(nèi)容：教學(xué)環(huán)節(jié)及評分方法本課程包括以下教學(xué)環(huán)節(jié)：課堂教學(xué)（1~14周）自學(xué)、大作業(yè)教學(xué)實驗（4學(xué)時）評分方法：期末成績+平時成績平時成績核算方法：作業(yè)、大作業(yè)、出勤、平時表現(xiàn)、實驗參考教材濮良貴，機械設(shè)計（第七版）.高教出版社，2001.龔溎義，機械設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書（第二版）.高等教育出版社，1997.第一章機械設(shè)計的基礎(chǔ)知識第一節(jié)概述第二節(jié)機械零件設(shè)計的一般步驟第三節(jié)機械零件的主要失效形式及計算準(zhǔn)則第四節(jié)靜應(yīng)力下機械零件的強度計算第五節(jié)對稱循環(huán)應(yīng)力下機械零件的疲勞強度計算第六節(jié)非對稱循環(huán)應(yīng)力下機械零件的疲勞強度計算第八節(jié)雙向變應(yīng)力下機械零件的疲勞強度計算第九節(jié)機械零件的材料及選用原則第十節(jié)機械零件的工藝性和設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化小結(jié)機械設(shè)計包括以下兩種設(shè)計:應(yīng)用新技術(shù)、新方法開發(fā)創(chuàng)造新機械；設(shè)計機械零件的基本要求工作可靠并且成本低廉;在原有機械的基礎(chǔ)上重新設(shè)計或進(jìn)行局部改造。設(shè)計機器的一般程序計劃階段方案設(shè)計技術(shù)設(shè)計技術(shù)文件的編制試制、試驗、鑒定、生產(chǎn)信息反饋、修改第二節(jié)機械（零件）設(shè)計的一般步驟整個機器的整體要求使用功能的要求經(jīng)濟性要求“三化”--標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化勞動保護(hù)要求可靠性要求其它專業(yè)要求機械零件設(shè)計的基本要求避免在預(yù)期壽命期內(nèi)失效結(jié)構(gòu)工藝性的要求經(jīng)濟性要求質(zhì)量小的要求可靠性要求第三節(jié)機械零件的主要失效形式及計算準(zhǔn)則一、機械零件的主要失效形式：失效：機械零件在限定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，不能完成正常的功能。

常見的失效形式有四種：失效機械零件的主要失效形式整體斷裂：零件在載荷作用下，危險截面上應(yīng)力大于材料的極限應(yīng)力而引起的斷裂。變形量過大（車床主軸變形量過大、電動機轉(zhuǎn)子與定子的間隙表面破壞：磨料磨損、膠合、點蝕、腐蝕磨損功能失效（帶傳動中打滑，螺栓脫扣））二、機械零件的計算準(zhǔn)則變載荷靜載荷與變載荷：（大小方向隨時間變化劃分）第四節(jié)靜應(yīng)力下機械零件的強度計算2、名義載荷與計算載荷：（設(shè)計需要來劃分）靜載荷：

名義載荷：P，M，T，F(xiàn)計算載荷：Fca，Mca，Tca。載荷系數(shù)K大于1一、載荷及應(yīng)力的分類a.周期性變化的載荷：b.非周期性變化的載荷

穩(wěn)定變應(yīng)力：隨時間作周期性變化的應(yīng)力。

非穩(wěn)定變應(yīng)力：有規(guī)律性（穩(wěn)定變應(yīng)力）無規(guī)律性（隨機變應(yīng)力）1、靜應(yīng)力：二、應(yīng)力的分類2、變應(yīng)力：大小方向隨時間變化的應(yīng)力。變應(yīng)力它可由靜載荷，也可由變載荷產(chǎn)生。

大小方向不隨時間變化或變化緩慢的應(yīng)力。(只能在靜載荷下產(chǎn)生)。穩(wěn)定變應(yīng)力包含了三種典型變應(yīng)力

r=-1,max=a=-min

m=0

(1)對稱循環(huán)變應(yīng)力：

(2)脈動循環(huán)變應(yīng)力：

r=0,m=a=max/2,min=0

(3)非對稱循環(huán)變應(yīng)力：

-1<r<1

max=m+a

min=m-a

靜應(yīng)力：

r=1,

=0。

(平均應(yīng)力)

循環(huán)特性r=min/max；（應(yīng)力幅）取絕對值大的為最大應(yīng)力圖示各零件均受靜載荷作用，試判斷零件上A點的應(yīng)力是靜應(yīng)力還是變應(yīng)力；并確定應(yīng)力比r的大小或范圍。例：已知：，r=-0.5，解：求:三、靜應(yīng)力下機械零件的強度判據(jù)

1）強度判定條件：σlim、τlim-----極限應(yīng)力，由實驗方法測定。

2）

計算安全系數(shù)判別式：S=lim/ca

[S]S=lim/ca[S]四、極限應(yīng)力lim

lim

塑性材料------

脆性材料------五、計算應(yīng)力：單向應(yīng)力計算：應(yīng)力ca=max,ca=max

復(fù)雜應(yīng)力：由一定的強度理論來求計算應(yīng)力。六、許用安全系數(shù)[S]的選擇P81-3lim=s

lim=slim=B

lim=B第五節(jié)對稱循環(huán)應(yīng)力下機械零件的

疲勞強度計算一、疲勞：

在遠(yuǎn)低于材料抗拉強度極限的循環(huán)應(yīng)力作用下，工程材料發(fā)生破壞的現(xiàn)象。

2．疲勞斷裂過程：主要分三個過程：

（1）在零件應(yīng)力最集中部位形成初始的裂紋。

（2）裂紋逐漸擴展。

（3）當(dāng)裂紋擴展到一定階段，瞬斷。1．疲勞破壞：曲軸疲勞斷裂斷口特征返回裂紋源區(qū)疲勞擴展區(qū)最終瞬斷區(qū)鍵槽應(yīng)力集中導(dǎo)致齒輪軸疲勞斷裂鍵槽初始裂紋源裂紋擴展區(qū)最終瞬斷區(qū)返回

3．疲勞斷口的特征：4、特點：

金屬的宏觀斷口總是呈現(xiàn)兩個區(qū)域，平滑的疲勞區(qū)和粗糙的瞬斷區(qū)（1）在循環(huán)應(yīng)力多次反復(fù)作用下產(chǎn)生的。

（2）不存在宏觀的明顯塑性變形跡象。

（3）（4）突發(fā)性，敏感性二、材料的疲勞曲線及疲勞極限：材料不發(fā)生疲勞破壞所能承受的變應(yīng)力中的最大值。

疲勞極限：rN與N、r有關(guān)有限壽命區(qū)

無限壽命區(qū)

N0r不同，疲勞曲線不同。標(biāo)準(zhǔn)試件作疲勞曲線。N0——循環(huán)基數(shù)HB350HBS，N0=107HB>350HBS，N0=25X107——疲勞極限NO若以疲勞極限以條件疲勞極限設(shè)計零件稱為有限壽命設(shè)計。設(shè)計零件稱為無限壽命設(shè)計。KN壽命系數(shù)

m——材料常數(shù)。一般鋼制零件受彎曲應(yīng)力時m=9?！?dāng)N>N0時，應(yīng)為無限壽命設(shè)計，KN=1N<103時，按靜強度計算。

例題：已知某材料m=9，N0=107，N=105時，=500N/mm2，求：1）2）3）解：1）

2）3）三、影響零件疲勞強度的因素

1、有效應(yīng)力集中系數(shù)（k>1）若在同一個計算剖面上有幾個不同的應(yīng)力集中源，在進(jìn)行強度計算時，取其中的最大值。2、絕對尺寸系數(shù)

（一般應(yīng)力集中絕對尺寸3、零件表面越粗糙，疲勞極限越低。

一般表面狀態(tài)尺寸增加，疲勞極限降低表面狀態(tài)系數(shù)四、對稱循環(huán)應(yīng)力下疲勞強度計算

r=-1。無限壽命設(shè)計計算零件的疲勞極限疲勞強度條件[S]=1.3∽2.5,P12.第六節(jié)非對稱循環(huán)應(yīng)力下機械零件的疲勞強度計算一、疲勞極限線圖（關(guān)系圖）

簡化疲勞極限線圖

同種材料、r不同時，

σr在σm–σa坐標(biāo)系下的關(guān)系曲線

材料的疲勞極限應(yīng)力線圖同種材料、r不同時，σr在σm–σa

坐標(biāo)系下的關(guān)系曲線

aBm-10/2DCA45°O0/2EBS45°A:σm=0,r=-1C:σm=σa,r=0B:σa=0,r=+1σr=σm+σa(-1≤r≤+1)ACB—實驗線圖ACED—簡化線圖A點代表對稱循環(huán)疲勞極限B點代表抗拉強度極限C點代表脈動循環(huán)疲勞極限工作應(yīng)力點位于曲線ACB以內(nèi)時，材料不發(fā)生破壞曲線ACB是材料發(fā)生破壞的臨界狀態(tài)直線AE的方程——將平均應(yīng)力折合為應(yīng)力幅的等效系數(shù)。

直線DE的方程，DE——靜應(yīng)力。

綜合影響系數(shù)只影響變應(yīng)力中的應(yīng)力幅部分，而對變應(yīng)力中的平均應(yīng)力，即靜應(yīng)力部分并無影響。實驗證明應(yīng)力集中、絕對尺寸、表面狀態(tài)只影響應(yīng)力幅，不影響平均應(yīng)力。1練習(xí)：已知：

解

（2）作圖。（1）求（2）作圖簡化疲勞極限線圖二、非對稱循環(huán)應(yīng)力（-1<r<1）下疲勞強度計算（無限壽命）M點為零件的工作應(yīng)力點。過O與M的直線規(guī)律——簡單加載情況。其余——復(fù)雜加載情況。簡單加載時r=c簡單加載如果射線與DE相交，首先可能發(fā)生的是屈服失效，只需作靜強度計算。

應(yīng)力集中系數(shù)，絕對尺寸系數(shù)及表面狀態(tài)系數(shù)只影響應(yīng)力幅部分，考慮進(jìn)去之后，則有

在強度計算時，有時不易區(qū)分是應(yīng)按疲勞強度還是靜強度校和，則二者同時計算。

簡單加載如果射線與AE線相交疲勞首先可能發(fā)生的疲勞失效，按疲勞強度校核

某軸一剖面由過盈配合引起的有效應(yīng)力集中系數(shù)k=1.49，εσ=0.83，β=1。該剖面上承受一穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力，其中σmax=200Mpa，σmin=-100Mpa，σ-1=500MPa，

σs=700MPa，ψσ=0.25。

要求：

(1)