机械工程免费的

1、研制：研制：1-1 1-1 概概 述述 1-3 1-3 机械零件的强度计算机械零件的强度计算1-2 1-2 机械设计的基本要求、机械零件的机械设计的基本要求、机械零件的 工作能力和计算准则工作能力和计算准则 机器机器(Machine)(Machine) 主要是指机械装置。如电动、主要是指机械装置。如电动、内燃机、机床、汽车、火车、飞机、轮船、起重运内燃机、机床、汽车、火车、飞机、轮船、起重运机械、冶金矿山机械、轻纺食品机械等等。机械、冶金矿山机械、轻纺食品机械等等。 机械设计机械设计(Machine Design)(Machine Design) 即为各种机械即为各种机械 装置的设计，机械设计

2、是为了满足机器的某些特定装置的设计，机械设计是为了满足机器的某些特定功能而进行的创造性过程，设计是创造性的劳动，功能而进行的创造性过程，设计是创造性的劳动，设计的本质在于创新。本课程主要介绍机械设计中设计的本质在于创新。本课程主要介绍机械设计中的一些基础知识。的一些基础知识。机械（机械（Machinery)Machinery) 是机器和机构统称。是机器和机构统称。 1-1 1-1 概概 述述 内燃机内燃机指指南南车车破破碎碎机机机械设计课程的研究对象机械设计课程的研究对象机械。如：机械。如：带 式 运 输 机运输带电动机电动机联轴器联轴器联轴器联轴器减速器减速器带带 传传 动动齿轮传动齿轮传动

3、蜗杆传动蜗杆传动螺纹联接螺纹联接轴轴键键 联联 接接轴承轴承联轴器联轴器通用机械零部件的工作原理、特点、选用及设计计算通用机械零部件的工作原理、特点、选用及设计计算机械设计课程的研究内容机械设计课程的研究内容：链链 传传 动动通用的零通用的零部件系指部件系指传动传动零件零件轴类轴类零件零件联接联接零件零件蜗杆传动蜗杆传动齿齿轮轮传传动动链链 传传 动动vv主动轮1传动带3从动轮2n2n11 12 2带传动带传动螺纹联接螺纹联接键键联联接接花花键键联联接接滚动轴承半联轴器 键齿轮滚动轴承轴套筒套筒轴系零部件设计轴系零部件设计轴滚滚动动轴轴承承轴系结构分析轴系结构分析联轴器联轴器半联轴器螺栓联接柱

4、销弹性套半联轴器5 5其他要求：环保、噪音、外观等其他要求：环保、噪音、外观等一机械设计的基本要求一机械设计的基本要求1 1实现预定的功能，工作可靠；实现预定的功能，工作可靠；2 2经济性好：设计和制造周期短、成本低，产品生产经济性好：设计和制造周期短、成本低，产品生产 效率高、能耗低维护管理费用少效率高、能耗低维护管理费用少；3 3操作方便，运行安全；操作方便，运行安全；4 4标准化、系列化程度高：以便简化设计工作，提高标准化、系列化程度高：以便简化设计工作，提高 产品质量；产品质量；1-2 1-2 机械设计的基本要求机械设计的基本要求、机械零件、机械零件的工作能力和计算准则的工作能力和计算

5、准则 二机械零件的工作能力及计算准则二机械零件的工作能力及计算准则 一）一）机械零件的工作能力机械零件的工作能力零件的工作能力零件的工作能力 是指在一定的运动、载荷和环境情况下是指在一定的运动、载荷和环境情况下，在预定的使用期限内，不发生失效的安全工作限度。，在预定的使用期限内，不发生失效的安全工作限度。二）机械零件的主要失效形式：二）机械零件的主要失效形式： 过大弹性变形过大弹性变形零件的刚度不够引起零件的刚度不够引起塑性变形塑性变形工作应力超过材料的屈服极限工作应力超过材料的屈服极限S S引起引起2 2变形变形疲劳断裂疲劳断裂工作应力超过零件的疲劳极限工作应力超过零件的疲劳极限r r引起引

6、起过载断裂过载断裂工作应力超过材料的强度极限工作应力超过材料的强度极限B B引起引起1 1断裂断裂压溃、过度磨损压溃、过度磨损零件接触表面上的压应力零件接触表面上的压应力p p过大过大胶胶 合合 零件工作温升零件工作温升t t过高引起过高引起表面疲劳损坏表面疲劳损坏零件表面接触应力零件表面接触应力H过大引起过大引起 3 3表面表面 失效失效 计算准则计算准则 用于计算并确定零件基本尺寸的主要依用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据。对于具体的零件，应根据它们的主要失效形式，采用据。对于具体的零件，应根据它们的主要失效形式，采用相应的计算准则。常用的计算准则有：相应的计算准则。常用的计算准则有：

7、三）机械零件的计算准则三）机械零件的计算准则1 1强度准则性强度准则性 针对零件断裂、塑性变形或表面疲劳针对零件断裂、塑性变形或表面疲劳 损坏失效损坏失效强度强度 指零件在载荷作用下抵抗断裂或塑性变形的能力。强指零件在载荷作用下抵抗断裂或塑性变形的能力。强度是保证零件工作能力的最基本要求。若零件的强度不够，不度是保证零件工作能力的最基本要求。若零件的强度不够，不仅因为零件的失效使机械不能正常工作，还可能导致安全事故。仅因为零件的失效使机械不能正常工作，还可能导致安全事故。强度的计算准则为：强度的计算准则为： MPa MPa 或或 针对断裂或塑性变形针对断裂或塑性变形 H H H H 针对表面疲

8、劳损坏针对表面疲劳损坏2 2刚度准则刚度准则 针对过大弹性变形针对过大弹性变形刚度刚度 指零件在一定载荷作用下抵抗过大弹性变形的能力。指零件在一定载荷作用下抵抗过大弹性变形的能力。刚度是保证机正常工作，提高机床加工产品质量的基本要求。刚度是保证机正常工作，提高机床加工产品质量的基本要求。刚度的计算准则为刚度的计算准则为:y y :y y ； ； 式中，式中，y y、和和 分别为零件工作时的挠度、偏转角分别为零件工作时的挠度、偏转角 和扭转角；和扭转角； 3 3耐磨性准则耐磨性准则 针对过度磨损、胶合破坏针对过度磨损、胶合破坏耐磨性耐磨性指零件在载荷作用下相对运动的两零件接触界的抗磨指零件在载荷

9、作用下相对运动的两零件接触界的抗磨损面能力。耐磨性是保证有相对运动的零件正常工作的基本要损面能力。耐磨性是保证有相对运动的零件正常工作的基本要求。其验算式为：求。其验算式为：p p p p 防止过度磨损防止过度磨损 pv pvpv pv 防止胶合破坏防止胶合破坏 计算准则计算准则 4 4振动和噪声准则振动和噪声准则 针对高速机械的振动失稳针对高速机械的振动失稳（即共振）当零件的固有振动频率（即共振）当零件的固有振动频率f f等于或趋近于零件的等于或趋近于零件的强迫振动频率强迫振动频率f f p p时，将产生共振。这不仅影响机械正常时，将产生共振。这不仅影响机械正常工作，甚至造成破坏性事故，而振

10、动又是产生噪声的主要工作，甚至造成破坏性事故，而振动又是产生噪声的主要原因。原因。防止共振的条件为：防止共振的条件为：f f p p 0 087 f 87 f 或或 f f p p 1 118 f18 f式中，式中，f f 零件的固有振动频率，取决于零件的质量和零件的固有振动频率，取决于零件的质量和 刚度刚度 f f p p 零件受激振源作用引起的强迫振动频率零件受激振源作用引起的强迫振动频率计算准则计算准则 机械设计应满足的要求很多，但强度要求是所有机械设计应满足的要求很多，但强度要求是所有零件都必须满足的首要条件，而强度计算必需确定零件都必须满足的首要条件，而强度计算必需确定作用于零件上的

11、载荷和应力。作用于零件上的载荷和应力。一载荷和应力的类型一载荷和应力的类型一）载荷一）载荷静载荷静载荷 大小和方向均不随时间变化的载荷大小和方向均不随时间变化的载荷变载荷变载荷 大小或方向随时间变化的载荷大小或方向随时间变化的载荷静应力静应力 大小和方向均不随时间变化（或变大小和方向均不随时间变化（或变 化极缓慢）的应力化极缓慢）的应力变应力变应力 大小和方向，或大小或方向随时大小和方向，或大小或方向随时 变化的应力变化的应力 二）应力二）应力1-3 1-3 机械零件的强度计算机械零件的强度计算2 2变应力参数及典型变应力变应力参数及典型变应力1 1）变应力参数：）变应力参数：最大应力：最大应

12、力：maxmax 最小最小应力：应力：minmin应力循环特征：用来表示应力的应力循环特征：用来表示应力的变化情况变化情况 =minmin/maxmax2 2）典型变应力及应力循环特征）典型变应力及应力循环特征平均平均应力：应力：2minmaxm2minmaxm应力幅：应力幅：maxmaxmminaat t一载荷和应力的类型一载荷和应力的类型应力类型应力类型a）静应力：）静应力：= +1 变应力特例变应力特例b）非对称循环变应力）非对称循环变应力 在（在（+1-1）间变化）间变化maxmaxmminaat tt t =常数常数c）对称循环变应力）对称循环变应力= -1t tamaxmaxmin

13、d）脉动循环变应力）脉动循环变应力= 0t taamaxmaxm一载荷和应力的类型一载荷和应力的类型二机械零件的失效形式及强度条件式二机械零件的失效形式及强度条件式静应力作用下静应力作用下过载断裂、塑性变形过载断裂、塑性变形 二）二）零件强度条件式：零件强度条件式： = = limlim / / S S 材料的极限应力材料的极限应力安全系数安全系数脆性材料制造的零件：脆性材料制造的零件：lim =b 塑性材料制造的零件：塑性材料制造的零件：lim =S 1 1静应力作用下静应力作用下 零件极限应力零件极限应力 2 2变应力作用下零件变应力作用下零件限应力限应力 limlim = = NN疲劳极

14、限疲劳极限一）零件的失效形式一）零件的失效形式变应力作用下变应力作用下疲劳破坏约占零件损坏事故中疲劳破坏约占零件损坏事故中的的80% 80% 。 3. 3.安全系数安全系数S S的取值对零件的结构尺寸、工作可靠性均的取值对零件的结构尺寸、工作可靠性均有影响，设计时应根据零件的重要性、零件材料的质量、栽有影响，设计时应根据零件的重要性、零件材料的质量、栽荷计算准确性等方面，合理选取，具体数值可参考设计资料。荷计算准确性等方面，合理选取，具体数值可参考设计资料。(1) 零件损坏机理零件损坏机理静应力作用下：静应力作用下： 危险剖面塑性变形或断裂危险剖面塑性变形或断裂变应力作用下：变应力作用下： 疲

15、劳断裂疲劳断裂零件表面应力超过极限值零件表面应力超过极限值微裂纹微裂纹扩展扩展断裂断裂(2) 极限应力极限应力静应力极限应力：静应力极限应力： 与材料性能有关与材料性能有关变应力疲劳极限：变应力疲劳极限： 与材料有关外，还与与材料有关外，还与循环特征循环特征r r 应力循环次数应力循环次数N N 有关有关 应力集中、绝对尺寸、表面状态应力集中、绝对尺寸、表面状态三三) 零件损坏机理零件损坏机理三三机械零件机械零件材料材料的的疲劳极限疲劳极限描述描述应力循环次数应力循环次数N N和疲劳极限和疲劳极限NN间关系的曲线，其横坐标为间关系的曲线，其横坐标为应力循环次应力循环次数数N N，纵坐标为纵坐标

16、为疲劳极限疲劳极限NN疲劳曲线疲劳曲线无限寿命区无限寿命区有限寿命区有限寿命区N0N1N1N2N2NN NN0 一一） N N 疲劳曲线疲劳曲线（等等应力循环特征应力循环特征的不等寿命的不等寿命N N曲线）曲线）)NN(CNDmrNDD点以后的疲劳曲线呈一水点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区，平线，代表着无限寿命区，其方程为：其方程为： )DrrNNN （ 由于由于N ND D很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数循环次数N N0 0( (称为循环基数称为循环基数) )，用，用N N0 0及其相对应的疲及其相对应的疲劳极限劳极限r r来近似代

17、表来近似代表N ND D和和 rr，于是有：，于是有：机械零件的疲劳大多发生在N曲线D D点以前点以前，可用下式描述：CNN0mrmrN有限寿命区间内循环次数有限寿命区间内循环次数N N与疲劳极限与疲劳极限rN的关系为：的关系为：式中，式中， r r、N0及及m的值由材料试验确定。的值由材料试验确定。m0rrNNN0mrNrNNN应力循环次数应力循环次数N = 60 n th 每转受栽次数每转受栽次数使用寿命（使用寿命（h）转速（转速（r/min）用用疲劳曲线求取疲劳曲线求取疲劳极限疲劳极限NN的方法的方法无限寿命区无限寿命区（NNNN0 0） 疲劳极限：疲劳极限：NN = = ， k kN

18、N = 1 = 1rNmrrNKNN0k kN N 寿命系数寿命系数有限寿命区（有限寿命区（N NN N0 0) )疲劳极限疲劳极限: :二）极限应力线图（等寿命疲劳曲线）二）极限应力线图（等寿命疲劳曲线） 机械零件材料的疲劳特性除用机械零件材料的疲劳特性除用 N N曲线表示外曲线表示外，还可用等寿命曲还可用等寿命曲线来描述。该曲线表达了不同应力比时疲劳极限的特性。线来描述。该曲线表达了不同应力比时疲劳极限的特性。在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。用用A A C C折线表示零件材料的极限应力线图是其中一种近似方法。折线表示零件材料的极限

19、应力线图是其中一种近似方法。A A 直线的方程为：直线的方程为：ma1smaC C 直线的方程为：直线的方程为：0012为试件受循环弯曲应力时的材为试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定：料常数，其值由试验及下式决定：对于碳钢，对于碳钢， 0.10.10.20.2，对于合金钢，对于合金钢， 0.20.20.30.3。极限应力线图极限应力线图材料的疲劳特性不同应力循环特征不同应力循环特征 r 时的疲劳极限时的疲劳极限材料的极限应力材料的极限应力简图简图r已知材料的机械性能已知材料的机械性能)(01bSr可作可作简图简图折线折线ADGADG上任一点，表示在上任一点，表示在 不同不同

20、r r 时的疲劳极限时的疲劳极限对于对于n n 点点 ( (工作应力为工作应力为和和am)tgtgrmamaamam11/1/1应力循环特征：应力循环特征：对应的疲劳极限：对应的疲劳极限：)()(1mamaamr等效系数等效系数0012零件的极限应力图还应考虑应力集中、绝对尺寸、表面状态的影响零件的极限应力图还应考虑应力集中、绝对尺寸、表面状态的影响应力集中：零件剖面几何形状突变处疲劳极限降低应力集中：零件剖面几何形状突变处疲劳极限降低)(KK用应力集中系数用应力集中系数来考虑来考虑绝对尺寸：剖面绝对尺寸大、出现缺陷概率大、疲劳极限降低绝对尺寸：剖面绝对尺寸大、出现缺陷概率大、疲劳极限降低用绝

21、对尺寸系数用绝对尺寸系数来考虑来考虑)(表面状态表面状态：表面光滑或强化处理、能提高疲劳极限：表面光滑或强化处理、能提高疲劳极限用用表面状态表面状态系数系数来考虑来考虑KKD)(综合影响系数综合影响系数或或考虑各因素影响考虑各因素影响KKD)(机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算1 1四.机械零件的疲劳强度计算一）零件的极限应力线图一）零件的极限应力线图 由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因素等的由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因素等的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。 以弯曲疲劳极限的综合

22、影响系数以弯曲疲劳极限的综合影响系数表示材料对称循环弯曲疲劳极表示材料对称循环弯曲疲劳极限限-1-1与零件对称循环弯曲疲劳极限与零件对称循环弯曲疲劳极限-1e-1e的比值，即的比值，即e11K在不对称循环时，在不对称循环时，是试件与零件极限应力幅的比值。是试件与零件极限应力幅的比值。 将零件材料的极限应力线图将零件材料的极限应力线图中的直线中的直线ADG 按比例向下移，按比例向下移，成为右图所示的直线成为右图所示的直线ADG，而极，而极限应力曲线的限应力曲线的 CG 部分，由于是部分，由于是按照静应力的要求来考虑的，故按照静应力的要求来考虑的，故不须进行修正。这样就得到了零不须进行修正。这样就

23、得到了零件的极限应力线图。件的极限应力线图。 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算2 2机械零件的疲劳强度计算二）单向稳定变应力时的疲劳强度计算二）单向稳定变应力时的疲劳强度计算进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的 max max 及及 minmin确确定平均应力定平均应力m m与应力幅与应力幅a a，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点应力点M M或或N N。 根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律，从而决根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规

24、律，从而决定以哪一个点来表示极限应力。定以哪一个点来表示极限应力。机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种： 应力比为常数：应力比为常数：r=Cr=C 平均应力为常数平均应力为常数m m=C=C 最小应力为常数最小应力为常数minmin=C=C相应的疲劳极限应力应是极限应力相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线上的某一个点所代表的应力。曲线上的某一个点所代表的应力。),(am计算安全系数及疲劳强度条件为：计算安全系数及疲劳强度条件为：SSamammaxmaxca单向应力状态下的安全系数（当常数时）单向应力状态下的安全系数（当常数时）安全系数定义

25、：安全系数定义：caSlim对于塑性材料对于塑性材料)(1SKSmaD)()(1001SSr即即时时)()(1001SSr即即时时)(SSmaS以上正应力公式，用以上正应力公式，用替代替代则对剪应力同样适用则对剪应力同样适用当应力在疲劳破坏区当应力在疲劳破坏区当应力在静强度区当应力在静强度区例有一热轧合金钢零件，其材料的抗弯疲劳极限：658MPa，400MPa，屈服极限189Mpa，应力幅为129Mpa ，零件的应力集中系数1.26，尺寸系数如取安全系数Smin1.5，核验此零件是否安全。 658MPa，780MPa，所承受的弯曲变应力0.78，表面状态系数1。解：(1)(2)因(3)(4)故

26、得因此，该零件安全。零件产生疲劳破坏零件产生疲劳破坏4 4机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算四）双向稳定变应力时的疲劳强度计算四）双向稳定变应力时的疲劳强度计算当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力s sa a 和和t ta a时，由实验得出的时，由实验得出的极限应力关系式为：极限应力关系式为：12e1a2e1a式中式中 t ta a及及s sa a为同时作用的切向及法向应力为同时作用的切向及法向应力幅的极限值幅的极限值。若作用于零件上的应力幅若作用于零件上的应力幅s sa a及及t ta a如图中如图中M M点表示，则由于此工作应力

27、点在点表示，则由于此工作应力点在极限以内，未达到极限条件，因而是安全的。极限以内，未达到极限条件，因而是安全的。 由于是对称循环变应力，故应力幅即由于是对称循环变应力，故应力幅即为最大应力。弧线为最大应力。弧线 AMB AMB 上任何一个点即代上任何一个点即代表一对极限应力表一对极限应力a a及及a a。计算安全系数：计算安全系数：22caSSSSOMOMS机机械零件的接触强度机机械零件的接触强度机械零件的接触强度 当两零件以点、线相接处时，其接触的局部会引起较大的应力。这当两零件以点、线相接处时，其接触的局部会引起较大的应力。这局部的应力称为接触应力。局部的应力称为接触应力。 接触应力是不同

28、于以往所学过的挤压应力的。挤压应力是面接触引接触应力是不同于以往所学过的挤压应力的。挤压应力是面接触引起的应力，是二向应力状态，而接触应力是三向应力状态。接触应力的特起的应力，是二向应力状态，而接触应力是三向应力状态。接触应力的特点是：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。点是：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。22212121H1111EEBF 式中式中1 1和和2 2 分别为两零件初始接触线处的曲率半径分别为两零件初始接触线处的曲率半径, , 其中正其中正号用于外接触，负号用于内接触。号用于外接触，负号用于内接触。对于线接触的情况，其接触应力对于线接触的情况，其接触应力可用赫兹应力公式计算

29、。可用赫兹应力公式计算。式中：为综合曲率半径；、分别为两圆柱体的曲率半径(mm)，其中、“号分别用于外接触和内接触；、分别为两圆柱体材料的弹性模量(Mpa)； 、分别为两圆柱体材料的泊桑比。1-4 1-4 机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题一、机械中的摩擦一、机械中的摩擦 、干摩擦：表面间无任何润滑剂或、干摩擦：表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦，摩擦保护膜的纯金属接触时的摩擦，摩擦系数一般大于系数一般大于0.1 0.1 、边界摩擦：表面间被极薄的润、边界摩擦：表面间被极薄的润滑膜所隔开，且摩擦性质与润滑剂滑膜所隔开，且摩擦性质与润滑剂的粘度无关而取决于两表面的特性的粘度无关而取决于两表面的特性和润滑油油性的摩擦，摩擦系数约和润滑油油性的摩擦，摩擦系数约在在0.010.010.1 0.1 、流体摩擦：表面间的润滑膜把、流体摩擦：表面间的润滑膜把摩擦副完全隔开，摩擦力的大小取摩擦副完全隔开，摩擦力的大小取决于流体分子内部摩擦力的摩擦，决于流体分子内部摩擦力的摩擦，摩擦系数可达摩擦系数可达0.0010.0010.008 0.008 、混合摩擦：摩擦副处于干摩擦、混合摩擦：摩擦副处于干