1機(jī)械設(shè)計(jì)概論

機(jī)械設(shè)計(jì)哈爾濱工程大學(xué)機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)與研究中心第一章機(jī)械設(shè)計(jì)概論（Generalconcepts）1.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般步驟

1.3零件的失效形式與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1.5對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算1.6非對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算1.4

靜應(yīng)力下零件的強(qiáng)度計(jì)算1.7規(guī)律性非穩(wěn)定變應(yīng)力零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算1.8雙向變應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算1.9機(jī)械零件的接觸計(jì)算1.2機(jī)械零件的載荷和應(yīng)力

一、機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求1.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般步驟

一、機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求

4、其他：運(yùn)輸方便、造型美觀1、使用要求：完成預(yù)定功能，生產(chǎn)率高2、安全可靠、壽命足夠3、制造、運(yùn)行費(fèi)用低，維護(hù)方便1.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般步驟二、機(jī)械設(shè)計(jì)一般步驟二、機(jī)械設(shè)計(jì)一般步驟運(yùn)動與動力學(xué)設(shè)計(jì)施工設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)分析明確設(shè)計(jì)目的、要求擬定系統(tǒng)組成、方案選擇考慮結(jié)構(gòu)、公差工藝要求，繪裝配圖、零件圖調(diào)試測試控制功能確定原動機(jī)功率、零件運(yùn)動動力參數(shù)工程試驗(yàn)、修改設(shè)計(jì)1.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般步驟三、機(jī)械零件設(shè)計(jì)步驟三、機(jī)械零件設(shè)計(jì)步驟選擇材料分析失效形式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、定形狀和主要尺寸按工藝、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，圓整設(shè)計(jì)尺寸確定零件上的載荷建立計(jì)算模型擬定零件的計(jì)算簡圖工程試驗(yàn)、修改設(shè)計(jì)一、載荷(Load)（2）載荷算法原動機(jī)功率名義載荷：F工作機(jī)阻力（理想工況）F公式推算計(jì)算載荷：Fca=KF載荷系數(shù)：K—考慮外載變化、零件載荷不均等影響1、載荷分類Ft隨機(jī)Ft周期Ft（1）載荷性質(zhì)靜載荷：變載荷：1.2

機(jī)械零件的的載荷和應(yīng)力

(Failuretypesanddesigncriteria)

一、載荷二、應(yīng)力(Stress)1、靜應(yīng)力：σt穩(wěn)定變應(yīng)力σt隨機(jī)σt非穩(wěn)定變應(yīng)力規(guī)律性、非穩(wěn)定σt2、變應(yīng)力：1.2

機(jī)械零件的的載荷和應(yīng)力

(Failuretypesanddesigncriteria)

二、應(yīng)力1、非對稱循環(huán)變應(yīng)力三、變應(yīng)力的參數(shù)(Parametersofvariablestress)σtσmaxσminσmσa應(yīng)力幅：σa=(σmax-σmin)/2平均應(yīng)力：σm=(σmax+σmin)/2應(yīng)力循環(huán)特性：r=σmin/σmax(-1≤r≤+1)2、脈動循環(huán)變應(yīng)力σt3、對稱循環(huán)變應(yīng)力σt最大應(yīng)力：σmax

最小應(yīng)力：σminσmin=0；σm=σar=σmin/σmax=0σm=0；σmax=σa=

-σminr=σmin/σmax=-11.2

機(jī)械零件的的載荷和應(yīng)力

(Failuretypesanddesigncriteria)

三、變應(yīng)力的參數(shù)一、失效概念（Failure）規(guī)定使用條件下規(guī)定的壽命期限內(nèi)不能完成規(guī)定功能失效零件例:齒輪軸斷裂—失效1.3零件的失效形式與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

(Failuretypesanddesigncriteria)

一、失效概念1.3零件的失效形式與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

(Failuretypesanddesigncriteria)

二、失效形式二、失效形式（Failuretypes）1、整體斷裂過載斷裂疲勞斷裂5、功能失效塑性變形過大彈變3、變形過大2、表面破壞磨損冷膠合熱膠合點(diǎn)蝕膠合4、過大振動

1.3零件的失效形式與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(Failuretypesanddesigncriterias)

三、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則四、常用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（Designcriterias）1、強(qiáng)度準(zhǔn)則強(qiáng)度—抗整體斷裂、接觸疲勞、塑變的能力強(qiáng)度準(zhǔn)則：（基本準(zhǔn)則）σ≤[σ]；τ≤[τ]2、剛度準(zhǔn)則剛度—抗彈變能力剛度準(zhǔn)則：y≤[y]三、工作能力準(zhǔn)則（設(shè)計(jì)準(zhǔn)則）工作能力準(zhǔn)則：預(yù)定使用壽命期限內(nèi)，零件安全工作的限度--承載能力指標(biāo)、受失效形式限定、確定零件尺寸的依據(jù)§1.3

零件的失效形式與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

(Failuretypesanddesigncriterias)三、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則3、壽命準(zhǔn)則：設(shè)計(jì)壽命L≥[L]要求壽命4、耐磨性準(zhǔn)則耐磨性—零件抗磨損失效的能力（1）壓強(qiáng)條件：p≤[p]防表面間油膜破壞產(chǎn)生磨損（2）pv值條件：pv≤[pv](v—滑動速度)

防表面間溫生過高，油膜破壞加劇磨損—膠合5、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則

fP

＜0.87f0fP

＞1.18f0

fP—激振頻率；f0—固有頻率

§1.4靜應(yīng)力下零件的強(qiáng)度計(jì)算

(Strengthcalculationofmachinepartsunderstaticstress)應(yīng)力比較法：σ≤[σ]=σlim

/S安全系數(shù)法：Sca=σlim

/σ≥S式中：

σ–

計(jì)算應(yīng)力—與載荷、結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀有關(guān)S–

安全系數(shù)—與計(jì)算準(zhǔn)確性、重要性有關(guān)（規(guī)范、查表）σlim–

極限應(yīng)力—與材料、熱處理有關(guān)

塑性材料：σlim=

σs脆性材料：

σlim=

σb§1.5對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件強(qiáng)度計(jì)算

(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle)一、材料的疲勞曲線與疲勞極限(Curveoffatigueandfatiguelimit)1、疲勞破壞(Fatiguefailure)疲勞破壞變應(yīng)力、多次作用下，材料發(fā)生破壞疲勞破壞特征：①小應(yīng)力:②持續(xù)性:③敏感性:④突發(fā)性:變應(yīng)力最大值低于材料靜強(qiáng)度極限變應(yīng)力多次作用對材料、幾何形狀敏感突然斷裂曲軸斷裂內(nèi)源斷裂疲勞破壞過程：①裂紋萌生②裂紋擴(kuò)展③最終瞬斷實(shí)例§1.5對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件強(qiáng)度計(jì)算一、疲勞曲線與疲勞極限

(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle)2、材料的疲勞曲線σrN

–N（Curveoffatigue）N0有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)ABCσrNNoσr—

疲勞極限N0—循環(huán)基數(shù)m、C—系數(shù)σrN1σrN2N1N2σrN0103設(shè)計(jì)壽命N≥N0時：材料σlim=

σr§1.5對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件強(qiáng)度計(jì)算一、疲勞曲線與疲勞極限

(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinalternatingsymmetricalcycle)3、材料的條件疲勞極限σrN（對應(yīng)于壽命N材料的有限壽命疲勞極限）式中：KN--壽命系數(shù)N＜103時，按靜強(qiáng)度計(jì)算當(dāng)N＞N0時，KN=1;設(shè)計(jì)壽命103≤N≤N0：材料σlim=

σrNN0有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)σrNNABCo103AB:m、C—材料常數(shù)（與材料性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、熱處理有關(guān)）§1.5對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件強(qiáng)度計(jì)算

二、疲勞強(qiáng)度的影響因素（Influencefactorsoffatiguestrength）1、應(yīng)力集中：零件幾何不連續(xù)處，實(shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力尺寸效應(yīng):絕對尺寸系數(shù):3、表面狀態(tài)尺寸增加，疲勞極限表面狀態(tài)效應(yīng)：表面粗糙，疲勞極限降低有效應(yīng)力集中系數(shù)2、絕對尺寸表面狀態(tài)系數(shù):的現(xiàn)象降低三、對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算（Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinalternatingsymmetricalcycle）1、零件的疲勞曲線σ-1N–N(r=-1)A'103NABC'oB'C材料式中：k0—N=103時的有效應(yīng)力集中系數(shù)§1.5對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件強(qiáng)度計(jì)算三、對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算2、零件疲勞極限A'103NABC'oB'C材料零件疲勞極限設(shè)計(jì)壽命N≥N0：零件σlim=

σ-1c設(shè)計(jì)壽命103≤N≤N0：零件σlim=

σ-1Nc與零件條件疲勞極限

§1.5

對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件強(qiáng)度計(jì)算三、對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算4、有限壽命零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算3、無限壽命零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算式中：[S]—安全系數(shù)，推薦[S]=1.3~2.5材料均勻性工藝質(zhì)量載荷及應(yīng)力計(jì)算準(zhǔn)確性§1.6非對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件強(qiáng)度計(jì)算

(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinalternatingunsymmetricalcycle)一、極限應(yīng)力線圖(Curveoffatiguelimit)1、材料的極限應(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

圖非對稱循環(huán)變應(yīng)力圖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(shí)驗(yàn)線圖ACED—簡化線圖§1.6非對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件強(qiáng)度計(jì)算一、極限應(yīng)力線圖

(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle)2、簡化極限應(yīng)力線圖—謝林森折線ACEDAE:DE:A(0,-1)m-10/2D(S,0)C(0/2,0/2)45°O0/2ES45°a§1.6非對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件強(qiáng)度計(jì)算一、極限應(yīng)力線圖

(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle)3、零件的極限應(yīng)力線圖—A’C’E’D試件線圖ACED—強(qiáng)度影響因素修正Kσ—零件線圖A’C’E’DmD45°O0/2S45°a§1.6非對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件強(qiáng)度計(jì)算二、非對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算

(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle)二、非對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算（r=C）mO45°a疲勞強(qiáng)度區(qū)OA’E’靜強(qiáng)度區(qū)OE’D（1）工作應(yīng)力點(diǎn)--由載荷、結(jié)構(gòu)求得1、極限應(yīng)力線圖分析（2）極限應(yīng)力點(diǎn)由工作應(yīng)力點(diǎn)及對應(yīng)的加載規(guī)律確定§1.6非對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件強(qiáng)度計(jì)算二、非對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算

(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle)2、r=C簡單加載分析加載曲線OMM’為直線，疲勞強(qiáng)度區(qū)OA’E’、靜強(qiáng)度區(qū)OE’DM’點(diǎn)坐標(biāo)：3、無限壽命疲勞強(qiáng)度計(jì)算mOaD§1.6非對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件強(qiáng)度計(jì)算二、非對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算

(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle)對應(yīng)工作應(yīng)力點(diǎn)M的極限應(yīng)力：無限壽命疲勞強(qiáng)度計(jì)算安全系數(shù)4、有限壽命疲勞強(qiáng)度計(jì)算安全系數(shù)§1.6非對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件強(qiáng)度計(jì)算二、非對稱循環(huán)變應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算

(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle)4、靜強(qiáng)度區(qū)安全系數(shù)計(jì)算靜強(qiáng)度計(jì)算安全系數(shù):當(dāng)工作應(yīng)力點(diǎn)N位于OE’D靜強(qiáng)度區(qū)，極限應(yīng)力點(diǎn)為OM與DE’的交點(diǎn)N’,極限應(yīng)力為：工作應(yīng)力最大值:mOa§1.7規(guī)律性非穩(wěn)定應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算

(Strengthcalculationofmachinepartsunderunstablevariablestress)一、線性疲勞損傷累積理論(Theoryoffatiguedamageaccumulation)1、疲勞損傷累積概念問題：如何利用穩(wěn)定變應(yīng)力的分析方法，計(jì)算規(guī)律性、非穩(wěn)定變應(yīng)力下零件的疲勞強(qiáng)度？(1)材料受高于疲勞極限的應(yīng)力作用，每一循環(huán)均產(chǎn)生損傷(2)損傷累積到一定程度，材料疲勞破壞§1.7規(guī)律性非穩(wěn)定應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算

一、線性疲勞損傷累積理論

(Strengthcalculationofmachinepartunderunstablevariablestress)Nmaxn44321n2n1n3OABCσ-1N2N1N3(1)材料在各級應(yīng)力作用下產(chǎn)生的疲勞損傷獨(dú)立(2)總損傷線性累積2、Miner疲勞損傷線性累積理論§1.7規(guī)律性非穩(wěn)定應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算

一、線性疲勞損傷累積理論

(Strengthcalculationofmachinepartunderunstablevariablestress)注:(1)小于σ-1應(yīng)力的影響不計(jì)

(2)非對稱循環(huán)變應(yīng)力折算成當(dāng)量對稱循環(huán)變應(yīng)力處理§1.7規(guī)律性非穩(wěn)定應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算二、規(guī)律性非穩(wěn)定應(yīng)力下材料疲勞強(qiáng)度計(jì)算二、規(guī)律性非穩(wěn)定應(yīng)力下材料疲勞強(qiáng)度計(jì)算(r=-1)

1、等效循環(huán)次數(shù)Nv與條件疲勞限σ-1Nv由疲勞曲線方程：代入Miner方程：（損傷極限狀態(tài)）§1.7規(guī)律性非穩(wěn)定應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算二、規(guī)律性非穩(wěn)定應(yīng)力下材料疲勞強(qiáng)度計(jì)算2、安全系數(shù)計(jì)算§1.7規(guī)律性非穩(wěn)定應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算三規(guī)律性非穩(wěn)定應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算三、規(guī)律性非穩(wěn)定應(yīng)力下零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算