機(jī)械設(shè)計的一般程序

1、§1-1緒論一、機(jī)械的定義：機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱       機(jī)器：具有確定相對運(yùn)動的構(gòu)件組合體，能做有用的功或?qū)崿F(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。二、機(jī)械的組成1、抽象:  原動機(jī) :  系統(tǒng)動力源，將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能工作機(jī) :  直接完成工藝動作傳動裝置: 實現(xiàn)原動機(jī)與工作機(jī)之間的運(yùn)動與動力傳遞該變原動機(jī)的速度  例: 高 低改變原動機(jī)的運(yùn)動形式例：回轉(zhuǎn) 直線（牛頭刨床） 控制系統(tǒng)：控制機(jī)械系統(tǒng)各單元協(xié)調(diào)工作2、具體: （1）從制造角度分析:  零件是組成機(jī)械的制造單元 

2、60;  (機(jī)械設(shè)計)（2）從運(yùn)動角度分析:  構(gòu)件是組成機(jī)械的運(yùn)動單元    (機(jī)械原理)   例:  連桿 ,  門零件構(gòu)件機(jī)器（機(jī)構(gòu)、機(jī)械）   三、本課程的內(nèi)容、特點、任務(wù)1、內(nèi)容闡述機(jī)械設(shè)計的基本理論與方法，闡述機(jī)械設(shè)計的共性問題。包括通用零件的設(shè)計理論、方法、工作原理、結(jié)構(gòu)特點、失效形式、設(shè)計準(zhǔn)則、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等。2、特點  （1）技術(shù)基礎(chǔ)課（理論知識+工程實際）（2）章節(jié)聯(lián)系差（3）系數(shù)多（機(jī)械設(shè)計中考慮的因素多, 不能全部用理論公式精確表示出來, 多引入系數(shù)修正）

3、。3、任務(wù)（1）掌握機(jī)械設(shè)計的基礎(chǔ)知識、基本理論、基本技能，具有設(shè)計機(jī)械傳動裝置和一般機(jī)械的能力；（2）具有使用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊等技術(shù)資料的能力。（3）培養(yǎng)機(jī)械設(shè)計系統(tǒng)總體構(gòu)思能力1-2機(jī)械設(shè)計的一般程序一、機(jī)械應(yīng)滿足的要求1、滿足使用要求,生產(chǎn)率力高.2、安全可靠,有足夠的使用壽命.3、制造、運(yùn)行費用低.4、操作維護(hù)方便5、其它要求:  運(yùn)輸方便,造型美觀二、機(jī)械設(shè)計的一般程序1、分析設(shè)計任務(wù)：明確設(shè)計目的、要求.2、方案設(shè)計：根據(jù)任務(wù)書的要求，擬定機(jī)械系、統(tǒng)的組成與總體布置注，滿足同一使用要求可以有不同的方案。例：門單門、雙門、旋轉(zhuǎn)門等3、運(yùn)動和動力設(shè)計：對選定的方案進(jìn)行運(yùn)動和動

4、力分析，確定原動機(jī)功率、各零件的運(yùn)動和動力參數(shù)4、施工設(shè)計：考慮零件工作的能力及結(jié)構(gòu)工藝性，確定零件的形狀尺寸公差配合，繪制整機(jī)裝配圖和零件工作圖5、實驗、修改設(shè)計   三、機(jī)械零件的設(shè)計步驟1、建立計算模型擬定零件的計算簡圖2、確定作用在零件上的載荷；3、選擇材料；4、根據(jù)零件可能的失效形式，選用相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則，確定零件的形狀和主要尺寸；5、根據(jù)加工工藝的要求、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等，圓整設(shè)計尺寸；6、根據(jù)加工和裝配要求確定零件的其他尺寸；7、繪制零件工作圖，編寫設(shè)計說明書。§1-3機(jī)械零件的失效形式與設(shè)計準(zhǔn)則一、失效的概念機(jī)械零件在規(guī)定的使用條件下、規(guī)定壽命期限內(nèi)，不能完

5、成規(guī)定功能失效。二、常見失效形式1、整體斷裂：過載斷裂、疲勞斷裂塑性變形；2、表面破壞：點蝕、剝落、膠合、磨損、擦傷；3、過大變形：過大彈變剛度不足             塑性變形強(qiáng)度不足4、 強(qiáng)烈的振動；5、 功能失效。三、工作能力準(zhǔn)則（設(shè)計準(zhǔn)則）    工作能力準(zhǔn)則：在預(yù)定的使用期間內(nèi)，零件不發(fā)生失效的安全工作限度。 衡量機(jī)械零件工作能力的指標(biāo)， 由限制零件工作能力的失效形式?jīng)Q定決定零件基本尺寸的依據(jù)。四、機(jī)械零件的常用設(shè)計準(zhǔn)則1

6、、 強(qiáng)度準(zhǔn)則（衡量機(jī)械零件工作能力的基本準(zhǔn)則）強(qiáng)度：零件抵抗整體斷裂、表面接觸疲勞及塑性變形的能力。    零件的工作應(yīng)力； 材料的許用應(yīng)力；材料的極限應(yīng)力；安全系數(shù)。        例：軸強(qiáng)度不足斷裂等2 剛度準(zhǔn)則剛度：零件抵抗彈性變形的能力。零件工作時的撓度、撓角、轉(zhuǎn)角；零件工作時的撓度、撓角、轉(zhuǎn)角的許用值；例：機(jī)床主軸剛度不足，零件加工精度低注：改變材料對提高剛度無效，改變零件截面，減少跨度是提高剛度的有效措施。3、壽命準(zhǔn)則    設(shè)計壽命LL要求壽命4、耐磨

7、性準(zhǔn)則耐磨性：零件抵抗磨損失效的能力。磨損導(dǎo)致零件尺寸和形狀的變化，過度磨損導(dǎo)致精度 強(qiáng)度磨損的種類  兩摩擦表面間的壓強(qiáng)兩摩擦表面間的相對速度5、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則限定回轉(zhuǎn)零件的工作頻率偏離系統(tǒng)固有頻率，避免共振。        激振頻率固有頻率§1-4靜應(yīng)力下機(jī)械零件的強(qiáng)度計算 一、載荷的分類1按載荷性質(zhì) 靜載荷：靜載荷的大小，方向不隨時間變化  變載荷：  周期性變載荷  隨機(jī)變載荷    2按計算方法名義載荷F：按原動機(jī)功率或工作機(jī)理想狀況下的工作阻力

8、用力學(xué)公式計算得到的作用在零件上的載荷。計算載荷Fca：考慮載荷在零件上的分布不勻，載荷的波動引起附加動載荷，將名義載荷乘一個載荷系數(shù)K(K>=1)  Fca=F·K二、應(yīng)力的分類1、靜應(yīng)力：不隨時間變化，或變化緩慢（只能由靜載荷產(chǎn)生）2、變應(yīng)力：隨時間變化的應(yīng)力（可由靜載荷和變載荷產(chǎn)生）（1）穩(wěn)定變應(yīng)力：隨時間作周期性變化的應(yīng)力， 可用五個參數(shù)描述 r = ±min(|max |, |min |) /max(|max  |, |max |) (max 與min 同號取 “+”,異號取 ”)    

9、   對稱循環(huán)變應(yīng)力       脈動循環(huán)變應(yīng)力    靜應(yīng)力  三、靜應(yīng)力下零件的強(qiáng)度計算失效形式：塑性變形和靜載斷裂1、應(yīng)力比較法：危險剖面處的計算應(yīng)力小于許用應(yīng)力   2、安全系數(shù)法：安全系數(shù)大于許用安全系數(shù)                    零件的工作應(yīng)力，單向應(yīng)力狀態(tài)：危險截

10、面的最大工作應(yīng)力復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)：由相應(yīng)的強(qiáng)度理論求計算應(yīng)力 材料的許用應(yīng)力 材料的極限應(yīng)力， 塑性材料          脆性材料S許用安全系數(shù)1) 查表法: 一般機(jī)器制造部門都制定自己的許用安全系數(shù),可以直接查取.2) 部分系數(shù)法: 考慮影響安全的各方面因素,確定安全系數(shù)，通常 S=S1 S2 S3      S1 載荷和應(yīng)力計算準(zhǔn)確性系數(shù)S1 =11.5     S2 材料的可靠性系數(shù) 鍛, 軋 S2 =1.21.

11、5       S3 零件的重要性系數(shù) S3 =11.5 3) 參照表1-3的薦用值§1-5對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件的疲勞強(qiáng)度計算一、 材料的疲勞曲線及疲勞極限1、疲勞破壞現(xiàn)象: 在低于材料靜強(qiáng)度循環(huán)變應(yīng)力的作用下,材料發(fā)生破壞.（工程中的零件斷裂事故80%是疲勞破壞）過程 : (1)產(chǎn)生初始裂紋(2)裂紋擴(kuò)展(3)瞬斷特點：(1)小應(yīng)力S(2)持續(xù)性，變應(yīng)力多次作用(3)敏感性，對材料、幾何形狀敏感(4)突發(fā)性，突然斷裂2、 材料疲勞曲線(-N)  在循環(huán)特性為r的變應(yīng)力作用下，變應(yīng)力的最大值與材料疲勞破壞時應(yīng)力循環(huán)

12、次數(shù)N（壽命）之間的關(guān)系。(1) -N曲線分析實驗分析：試件承擔(dān)的變應(yīng)力最大值與要求的壽命N與有關(guān) 疲勞極限條件疲勞極限N0循環(huán)基數(shù)，對于結(jié)構(gòu)鋼 硬度350(HBS)  N0=107>350(HBS)  N0=25×107（2）有限壽命疲勞極限（m，C材料常數(shù)）壽命系數(shù)（）, 時，取   m與材料,應(yīng)力狀態(tài),熱處理方法有關(guān)的系數(shù)(鋼制零件受彎曲時m=9)（3）-N曲線的近似求法（對于r=-1時）取N=103 時， -1（103）=0.9B N=107 時 , -1 （107） =0.5B (鍛鋼), -1 （107）

13、=0.4B (鑄鋼,鑄鐵) 將兩組數(shù)值代入方程,可求出m，C，由方程可求出-N曲線二、影響零件疲勞強(qiáng)度的因素說明：材料的r是標(biāo)準(zhǔn)試件的疲勞極限。受多種因素的影響，實際零件的疲勞極限低于標(biāo)準(zhǔn)試件的疲勞極限，進(jìn)行零件的疲勞強(qiáng)度計算時，必須考慮這些因素對實驗結(jié)果加以修正。影響零件疲勞極限的因素主要有:1、應(yīng)力集中影響在零件幾何形狀突變處(過濾圓角,鍵槽,螺紋孔)產(chǎn)生遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力的現(xiàn)象。有效應(yīng)力集中系數(shù)、：當(dāng)材料、載荷、尺寸均相同時，光滑試件與有應(yīng)力集中試件的疲勞極限之比.   對于r=1的情況：  注： 同一剖面有多個應(yīng)力集中源時,取其中有效應(yīng)力集中系數(shù)最大

14、的計算      2、絕對尺寸影響尺寸效應(yīng)：其他條件相同時，隨著絕對尺寸的增加，零件的疲勞極限降低的現(xiàn)象。絕對尺寸系數(shù)、： （3）表面狀態(tài)的影響其他條件相同時，零件表面粗糙，疲勞極限降低。表面狀態(tài)系數(shù)：各影響系數(shù)可查教材附表1-1表1-6三種因素的綜合影響：綜合應(yīng)響系數(shù)三、對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計算1、零件的疲勞曲線()考慮影響零件疲勞強(qiáng)度的三種因素的綜合影響，零件的承載能力比標(biāo)準(zhǔn)試件的有所降低。 B: (N=N0)零件的無限壽命疲勞極限  A(N=103)- 零件的N=103有限壽命疲勞極限k0=(k1)

15、q0+1q0 修正系數(shù)(圖1-6)反映材料對應(yīng)力集中的敏感程度，硬度高，對應(yīng)力集中敏感2、零件疲勞極限與條件疲勞極限     由AB方程：   零件有限壽命疲勞限：零件極限應(yīng)力選擇：3、無限壽命零件的疲勞強(qiáng)度計算4、有限壽命零件的疲勞強(qiáng)度計算式中：安全系數(shù)S=1.32.5材料均勻,工藝質(zhì)量好，載荷和應(yīng)力計算準(zhǔn)確時取小值,反之取大值.§1-6非對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件的疲勞強(qiáng)度計算一、極限應(yīng)力線圖1、材料的極限應(yīng)力線圖說明：(1)曲線: 同種材料，不同循環(huán)特性r時，壽命N與疲勞極限r(nóng)N的關(guān)系.(2)極限應(yīng)力線圖: 同種材料，不同循

16、環(huán)特性r時，疲勞極限 r與循環(huán)特性r的關(guān)系   分析：              A點(0, 1)：m=0，a=1 ，r=1， 對稱循環(huán)變應(yīng)力              C點(0/2 ,0/2)：min=0，a=m=0/2 ，r=0，脈動循環(huán)變應(yīng)力      

17、        B點(B , 0)： a=0，max=min=B，  r=+1，靜應(yīng)力              其它各點:r =ra+rm,  (1r+1)              工作應(yīng)力點位于ACB以內(nèi)時，材料不發(fā)生破壞，ACB是材料發(fā)生破壞

18、的臨界狀態(tài)。2、簡化的極限應(yīng)力線圖（ACED）疲勞極限線圖需要大量的實驗數(shù)據(jù)，耗時耗資。工程上常用簡化的疲勞極限線圖近似。常用的謝林森析線圖(只需三個實驗數(shù)據(jù)-1、0、S).AE方程(兩點式):即：將平均應(yīng)力折算為應(yīng)力幅的等效折算系數(shù)，幾何意義：DE的方程： 3、零件的極限應(yīng)力線圖ACED考慮應(yīng)力集中、絕對尺寸和表面狀態(tài)等的影響，實際零件的疲勞極限略低于材料(標(biāo)準(zhǔn)試件)的疲勞極限。實驗表明（）只影響變應(yīng)力的應(yīng)力幅部分，不影響平均應(yīng)力。利用材料的極限應(yīng)力線圖，將AE線按比例向下移，得到零件的疲勞極限線圖。AE: ED:    二、非對稱循環(huán)應(yīng)力下零件的疲勞強(qiáng)度計算（r=C）1

19、、極限應(yīng)力線圖分析無限壽命時的強(qiáng)度計算（1）工作應(yīng)力 M()由載荷、結(jié)構(gòu)確定計算,，求危險點的：     （2）確定極限應(yīng)力點M(,) 求對應(yīng)工作應(yīng)力點M,加載規(guī)律不同，極限應(yīng)力點M不同。  2、r=C簡單加載分析(1) r=C加載曲線為過原點的直線，極限應(yīng)力點M為直線OM與極限應(yīng)力曲線的交點；(2)OE分極限應(yīng)力線圖為兩區(qū)，OAE疲勞強(qiáng)度區(qū)；OED靜強(qiáng)度區(qū)3、無限壽命零件疲勞強(qiáng)度計算OM：AE: 聯(lián)立直線OM 和AE的方程，求得交點M()的坐標(biāo)   極限應(yīng)力：無限壽命安全系數(shù)：   4、有限壽命疲勞強(qiáng)度

20、計算5、靜強(qiáng)度計算若工作應(yīng)力點M位于靜強(qiáng)度區(qū)OED，極限應(yīng)力點M為OM與DE的交點，零件受靜強(qiáng)度制約，直線DE上任意點的極限應(yīng)力值為：     靜強(qiáng)度計算安全系數(shù)：    §1-7 規(guī)律性非穩(wěn)定變應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計算說明：（1）穩(wěn)定變應(yīng)力：循環(huán)特性為r、恒定不變（2）非穩(wěn)定變應(yīng)力：循環(huán)特性為r，作用過程中等按一定的規(guī)律周期變化.問題：如何用穩(wěn)定變應(yīng)力的實驗結(jié)果和計算方法解決非穩(wěn)定變應(yīng)力的強(qiáng)度計算.一、線性疲勞損傷積累理論1、疲勞損傷累積概念（1）低于的應(yīng)力不產(chǎn)生損傷；（2）高于的應(yīng)力每作用一次都使材料產(chǎn)生一定的損

21、傷；（3）損傷積累到一定程度后，材料將發(fā)生疲勞破壞。2、Miner疲勞損傷線性累積理論   (1)材料在各級應(yīng)力作用下產(chǎn)生的損傷相互獨立(2)總損傷線性累加循環(huán)特性為r的變應(yīng)力最大值                         分別作用次數(shù)         

22、;          n1    n2        單獨作用時的壽命            N1    N2        作用一次產(chǎn)生的損傷      &#

23、160;     作用ni次產(chǎn)生的損傷              總的損傷=Mnier方程：   損傷率達(dá)到100%時，材料發(fā)生疲勞破壞二、規(guī)律性非穩(wěn)定變應(yīng)力下材料的疲勞強(qiáng)度計算基本思想：1、等效循環(huán)次數(shù)與條件疲勞極限（ r=1為例）(即為對稱循環(huán)的應(yīng)力幅，若的當(dāng)量應(yīng)力幅)由材料疲勞曲線方程:  得：          

24、60;                            (1)Miner方程：                   (2)將(1)代入(2)得：即：