东北大学机械设计电子教案第一章机械设计基础.ppt

第一章机械设计基础 东北大学国家工科机械基础课程教学基地 第一章机械设计基础 Generalconcepts 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 1 1绪论 Introduction 二 机械的组成 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 1 1绪论 Introduction 三 课程的内容与特点 1 2机械设计一般程序 Generalprocedureofmachinedesign 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 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 一 失效概念 Failure 1 3零件的失效形式与设计准则 Failuretypesanddesigncriteria 例 齿轮轴断裂 失效 1 3零件的失效形式与设计准则 Failuretypesanddesigncriteria 二 失效形式 二 失效形式 Failuretypes 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 Failuretypesanddesigncriterias 三 设计准则 四 常用设计准则 Designcriterias 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 y y 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 Failuretypesanddesigncriterias 三 设计准则 3 寿命准则 设计寿命L L 要求寿命 4 耐磨性准则耐磨性 零件抗磨损失效的能力 1 压强条件 p p 防表面间油膜破坏产生磨损 2 pv值条件 pv pv 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fP 0 87f0fP 1 18f0fP 激振频率 f0 固有频率 1 4静应力下零件的零件的强度计算 Strengthcalculationofmachinepartsunderstaticstress 一 载荷与应力 Loadandstress 1 载荷分类 随机 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 Strengthcalculationofmachinepartsunderstaticstress 一 载荷与应力 2 应力分类 Stresstype 1 4静应力下零件的零件的强度计算 Strengthcalculationofmachinepartsunderstaticstress 一 载荷与应力 1 非对称循环变应力 3 变应力的参数 Parametersofvariablestress 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 3 对称循环变应力 最大应力 max 最小应力 min min 0 m ar min max 0 m 0 max a minr 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 Strengthcalculationofmachinepartsunderstaticstress 二 静应力下零件强度计算 Strengthcalculationofmachinepartsunderstaticstress 1 5对称循环变应力下零件强度计算 Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle 一 材料的疲劳曲线与疲劳极限 Curveoffatigueandfatiguelimit 曲轴断裂 内源断裂 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 Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle 2 材料的疲劳曲线 rN N Curveoffatigue N0 有限寿命区 无限寿命区 A B C r 疲劳极限 N0 循环基数 m C 系数 rN1 rN2 N1 N2 rN0 103 设计寿命N N0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 Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinalternatingsymmetricalcycle 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 设计寿命103 N N0 材料 lim rN 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 Influencefactorsoffatiguestrength 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 Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinalternatingsymmetricalcycle 1 零件的疲劳曲线 1N N r 1 式中 k0 N 103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 零件疲劳极限 设计寿命N N0 零件 lim 1c 设计寿命103 N N0 零件 lim 1Nc 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 3 2 5 1 6非对称循环变应力下零件强度计算 Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinalternatingunsymmetricalcycle 一 极限应力线图 Curveoffatiguelimit 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 1 6非对称循环变应力下零件强度计算一 极限应力线图 Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle 2 简化极限应力线图 谢林森折线ACED 1 6非对称循环变应力下零件强度计算一 极限应力线图 Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle 3 零件的极限应力线图 A C E D 试件线图ACED 强度影响因素修正K 零件线图A C E 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 Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle 二 非对称循环变应力下零件的疲劳强度计算 r C 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 Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle 2 r C简单加载分析 加载曲线OMM 为直线 疲劳强度区OA E 静强度区OE 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 Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle 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 Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle 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OE D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 1 7规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算 Strengthcalculationofmachinepartsunderunstablevariablestress 一 线性疲劳损伤累积理论 Theoryoffatiguedamageaccumulation 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 Strengthcalculationofmachinepartunderunstablevariablestress 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 Strengthcalculationofmachinepartunderunstablevariablestress 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Nv与条件疲劳限 1Nv 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 Strengthcalculationofmachinepartsunderbi directionvariablestress 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AM B 零件计算安全系数 1 8双向变应力下零件疲劳强度计算 Strengthcalculationofmachinepartsunderbi directionvariablestress 双向变应力下安全系数 本章结束 应力集中 L实 返回 应力集中区 尺寸效应 max 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 返回