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（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,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(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,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(Failure types and design criteria),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）,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 fP 0.87 f0 fP 1.18 f0 fP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(Strength calculation of machine parts under static stress),一、载荷与应力(Load and stress),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(Strength calculation of machine parts under static stress)一、载荷与应力,2、应力分类(Stress type),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),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=a r=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(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),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),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(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）,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NN0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）,设计寿命103NN0：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（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),式中：k0N=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NN0：零件lim=-1c,设计寿命103NN0：零件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=1.32.5,1.6 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,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,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,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）,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,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:,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),(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(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,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,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,