机械设计基础__课件__PPT

失效原因——强度、刚度、耐磨性、振动稳定性不 能满足工作要求。根据失效原因制定了设计准则，并作 为防止失效和进行设计计算的依据。
第一章 绪论
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(一)强度 1、体积强度：抵抗断裂和过大塑性变形的能力，
σ≤[σ], τ≤[τ] 极限应力σlim,τlim应根据零件材料性质及所受应 力类型作如下选择： １)静应力下工作的塑性材料零件，失效为塑性变形， 应按不发生塑性变形的强度条件计算，常以材料的屈服点 σｓ，τｓ作为极限应力σlim,τlim。 ２)静应力下脆性材料，失效为断裂，应按不发生断 裂的强度条件计算，常以材料的强度极限σｂ，τｂ作为 极限应力σlim,τlim。
m
N0 r KN N
第一章 绪论
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三、机械零件设计的一般步骤
1）根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。为此， 必须对各种零件的不同用途、优缺点、特性与使用范围等， 进行综合对比并正确选用。 2）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。 3）根据零件的工作要求及对零件的特殊要求，选择适当 的材料。 4）根据零件可能的失效形式确定计算准则，根据计算准 则进行计算，确定出零件的基本尺寸。 5）根据工艺性及标准化等原则进行零件的结构设计。
第一章 绪论
1
第一章
绪 论
§1 本课程研究的对象和内容 §2 机械零件设计的基本准则及 一般设计步骤
§3 机械零件常用金属材料和钢 处理常识（自学）
第一章 绪论
2
§1 本课程研究的对象和内容
本课程研究的对象是机械（机器和机构统称）。
古代水碓
第一章 绪论
3
牛头刨 床
第一章 绪论
4
内燃机
第一章 绪论
σrN
对应于应力循环次数N 时的弯曲疲劳极限
持久疲劳极限
σr
σr∞ 无限寿命疲劳极限
σrN σσr r∞ ND 分界转折点 O
D
N N N0D — 循环基数
ND =106~25×107
N
水平直线段 N 曲线段
> ND 无限寿命区
N ≤ ND 有限寿命区
rN r
有限寿命（为N）时疲劳极限 m — 随应力状态而不同的指数
第一章 绪论 ２）表面接触强度
产生原因：点、线接触的零件受载后产生的局部应力 失效形式：
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静载荷：脆性材料的表面压碎和塑性材料的表面塑性变形；
循环接触：表面疲劳磨损，疲劳点蚀（在交变应力的反复作 用下，零件表面的金属成小片状脱落下来而形成一些小凹坑 的现象） 不发生失效的强度条件：σＨ≤[σＨ]
第一章 绪论
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（一） 应力的类型和特点
静应力：应力的大小和方向不随时间而变化或变化缓 慢的应力。零件相应的失效形式为塑性变形或断裂。 交变应力：应力的大小和方向随时间作周期性变化的 应力。零件相应的失效形式为疲劳破坏。
例：
第一章 绪论
常见变应力及其基本变化规律 变应力参数 σmax — 最大应力 σmin — 最小应力
（三） 疲劳曲线
第一章 绪论
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材料的疲劳性能是通过试验来测定的。在材料的标 准试件上加上一定循环特性r（通常是对称循环）的等幅 变应力，通过试验，记录出在不同最大应力下引起试件 疲劳破坏所经历的应力循环次数N。 材料的疲劳曲线（σ-N曲线）源自第一章 绪论31 C
m rN N rm N 0 C
（四）振动稳定性
避免零件的固有频率和强迫振动频率相等或成整数倍
第一章 绪论
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二、机械零件的疲劳强度
静应力强度：通常认为在机械零件整个工作寿命期 间应力变化次数小于103的通用零件，均按静应力强度进 行设计。（材料力学范畴） 变应力强度：在变应力作用下，零件产生疲劳破坏。
疲劳破坏定义：金属材料试件在交变应力作用下， 经过长时间的试验而发生的破坏。
O σ
min
25
σ
σ
max
σ σ
a
s
t
σm
σs
— 平均应力
— 应力幅
r
— 变应力循环特性
min r max max min 关系 : m 2 max min s 2
第一章 绪论 σ s= 0 r = -1
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对称循环应力 例：火车轮轴、双向转动的 齿轮轮齿的弯曲应力
第一章 绪论
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３)交变应力下，失效为疲劳断裂，应按不发生疲劳 断裂的强度条件计算，常以材料的疲劳极限作为极限应力 σlim,τlim。
２、表面强度：抵抗表面损伤的能力
１）表面挤压强度：
面接触的两零件受载后接触面间产生挤压应力。
失效形式：塑性材料——表面塑性变形；脆性材料——表 面压溃。
挤压强度条件：σs≤[σs]
第一章 绪论
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（二）刚度
抵抗弹性变形的能力。最大变形量不能超过许用变形 量：包括线性变形，转角和扭角变形。
（三）耐磨性
载荷作用下相对运动的两零件表面抵抗磨损的能力。 在滑动摩擦下工作的零件，常因载荷大，转速高过度磨 损而失效。影响磨损的因素很多，通过限制零件工作面的 单位压力和相对滑动速度，进行良好的润滑以及提高零件 表面硬度和表面质量来提高耐磨性。
σmin= 0
r=0
脉动循环应力 例：单向转动的齿轮轮齿的 弯曲应力
第一章 绪论
非对称循环应力
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-1< r < 0
0<r<1
第一章 绪论
σ
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σm=σmax= σmin r＝+1 静应力
可看作循环变应力的特例！ 例：定滑轮轴、自行车前轮 t 轴的弯曲应力。
O
变应力参数不随时间改变的变应力称为稳定变应力；
第一章 绪论
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二、机械的特征
1、机器的特征
1）人为的实物组合——由人工组合的构件系统 2）各实物间具有确定的相对运动
活塞—缸体：往复运动 曲轴—缸体：转动 连杆—曲轴：摆动 3）实现能量转换或完成有效的机械功 如 如
内燃机：热能→机械能 发电机：机械能→电能 电动机：电能→机械能
具有以上三个特征——机器
5.部件：若干个零件的装配体
第一章 绪论
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四、本课程的研究对象和研究方法
机械设计基础的研究对象是常用机构和通用零
部件的工作原理、运动特点、结构特点、设计计算的
基本理论和方法及有关标准规范
第一章 绪论
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§1.2 机械零件设计基本准则 及一般设计步骤
一、机械零件设计的基本准则
零部件丧失正常工作能力称为失效。 主要失效形式——永久性：断裂、塑性变形、过度 磨损、胶合等；暂时性失效：弹性变形，打滑和共振等。
第一章 绪论
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三、机械零件设计的一般步骤
6）细节设计完成后，必要时进行详细的校核计算， 以判定结构的合理性。 7）画出零件的工作图，并写出计算说明书。
第一章 绪论
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作业
• P13 • 1-1 • 1-2
凸轮7
第一章 绪论 3、工作过程：
活塞下行，进气阀打开， 燃气被吸入汽缸
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活塞上行，进气阀关闭，压缩燃气
点火后燃气燃烧膨胀，推动活塞 下行，经连杆带动曲轴输出转动
活塞上行，排气阀打开，排出废气
第一章 绪论 4、运动分析：
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原动件：活塞—由燃气推动（驱动力所作用的构件） 主运动：将活塞的往复直线运动→曲轴的回转运动 辅助运动：配气 ——启闭进排气阀
件的组合；这些构件具有确定的相对运动。 3.构件：机构的基本运动单元，是机器中独立运动的 单元体，由一个或几个零件组成。
单一零件曲轴
多个零件
刚性组合 连杆
第一章 绪论
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4.零件是组成机器最基本的单元体，是机械制造的单元体。
专用零件：特定机器中所使用的零件，如活塞、曲 轴、叶片
通用零件：各类机器中普遍使用的零件，如齿轮、 轴、螺栓等
第一章 绪论 总结：
机器：既能实现确定的机械运动，又能完成有用的 机械功，或者能传递或转换能量、物料、信息等。如 车床——实现确定的机械运动，又作有用的机械功 内燃机——转换能量 机械手——传递物料 照相机——传递信息
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机构：仅能传递或转换运动。如
齿轮机构——传递运动 凸轮机构——转换运动 机械：是机器和机构的总称。
变应力参数随时间改变的变应力称为不稳定变应力。
σ
O
t
随机变应力
第一章 绪论
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（二）疲劳破坏的特征：
1）零件的最大应力在远小于静应力的强度极限时， 就可能发生破坏； 2）即使是塑性材料，在没有明显的塑性变形下就 可能发生突然的脆性断裂。 疲劳破坏的原因：材料内部的缺陷、加工过程中的 刀痕或零件局部的应力集中等导致产生了微观裂纹，称 为裂纹源，在交变应力作用下，随着循环次数的增加， 裂纹不断扩展，直至零件发生突然断裂。
5
照相机
第一章 绪论
6
凸轮机构
第一章 绪论
7
齿轮机构
第一章 绪论
8
棘轮机构
第一章 绪论
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一、机械、机器和机构
机器实例：内燃机
进气阀3
排气阀4 活塞2 1、功能：内燃机 顶杆8 是将燃气燃烧时的热 连杆5 能转化为机械能的机 器。 曲轴6 2、组成包含三种机构： 曲柄滑块机构，将活塞往复 移动转化为曲柄的连续转动； 齿轮9 齿轮机构，改变转速大小和 转向；凸轮机构，将凸轮的 连续转动转变为推杆往复移动。 气缸体 1
第一章 绪论 2、机构的特征
只具有机器的前两个特征——机构 如 凸轮机构（配气机构）：把回转运动→直线运动 曲柄滑块机构：将活塞的直线运动→曲柄的回转 运动
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3、机器和机构的关系