第6章设计概论

1、 上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室3. 耐磨性 在规定的工作条件和设计寿命内，不发生因过度磨损而影响零件工作性能。2. 刚度 在规定工作条件下不发生影响工作性能的弹性变形。4. 其它 工艺性、经济性、可靠性。一、机械零件设计的基本要求一、机械零件设计的基本要求1. 强度 在规定的工作条件和设计寿命内不发生断裂、过大残余变形等失效形式。具有适当强度是设计零件时应满足的基本要求。上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研

2、室二、机械零件的设计计算方法二、机械零件的设计计算方法三、机械零件设计准则三、机械零件设计准则 (2)失效形式：断裂或塑性变形；过大的弹性变形；工作表面的过度磨损或损伤；发生强烈的振动；联接的松弛；摩擦传动的打滑等。 1. 设计计算 根据拟定安全工作条件，确定零件危险截面尺寸。 2. 校核计算 已知尺寸，验算安全工作条件。1. 零件的失效 (1)定义：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室 (3)失效原因：强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因。2. 零件的工作能力 (1)定义：在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的

3、限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：承载能力。 (2)工作能力计算准则 计算量许用量刚度条件：变形量许用变形量强度条件：计算应力许用应力 (3)防止失效的判定条件上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室四、设计机械零件的一般步骤四、设计机械零件的一般步骤3.分析主要失效形式，确定设计准则；1.计算作用在零件上的载荷；2.选择零件类型和结构；4.选择零件材料；5.根据设计准则，计算确定零件基本尺寸；6.绘图设计零件的具体结构、尺寸；7.必要时作校核计算。五、机械零件设计的五、机械零件设计的“三化三化”原则原则标准化、系统化、通用化 统称“三化”，是机械零件设计

4、中应该遵守的重要原则。上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室 在不同类型、不同规格的各种机器中，有相当多的零件是相同的，将这些零部件加以标准化，并按尺寸不同加以系列化，则设计者毋须重复设计，可直接从有关手册的标准中选用。通用化是指系列之内或跨系列的产品之间尽量采用同一结构和尺寸的零部件，以减少企业内部的零部件种数，从而简化生产管理和获得较高的经济效益。 标准化、系列化、通用化统称“三化”。“三化”是长期生产实践和科研成果的可靠的技术总结。采用“三化”的重要意义是： 1）减轻设计工作量，以便把主要精力用在关键零部件的设计工作上；上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大

5、学机械原理与设计教研室 2）便于安排专门工厂采用先进技术大规模地集中生产标准零部件，有利于合理使用原材料、保证产品质量和降低制造成本； 3）可以减少技术过失的重复出现； 4）增大互换性，便于维修工作； 5）有利于增加产品品种，扩大生产批量，达到产品的优质、高产和低能耗等。 “三化”是我国现行的很重要的一项技术政策；“三化”程度的高低也常是评定产品的指标之一。上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室一、描述应力的一、描述应力的5个参数个参数 平均应力：2minmaxm应力幅： 2minmaxa循环特性：maxminr零件在工作中所受的应力可分为静应力和变应力。对于随时间有

6、规律变化的应力，可用5个参数描述其特征：最大应力：max最小应力：min（已知任意两个参数，可求出其余三个参数）上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室二、几种典型的应力二、几种典型的应力m= = Consta= 0，r =12. 循环变应力 对称循环变应力 脉动循环变应力otmaxminaaot= =常数常数r r =+1=+1ot minminmmaxaa1. 静应力max=min，m= 0，a= max= min，r= 1min= 0，m= a= max/2，r= 0上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室一、几个概念一、几个概念-正应力-

7、剪应力二、强度判定条件二、强度判定条件1. 名义载荷在理想的平稳工作条件下作用在零件上 的载荷。2. 名义应力按名义载荷计算所得之应力。3. 载荷系数K考虑各种附加载荷因素的影响。4. 计算载荷载荷系数与名义载荷的乘积。5. 计算应力按计算载荷计算所得之应力： 其中 sslimlim上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室、 许用应力 s 安全系数 lim、 lim 极限应力，由实验方法测定。三、静应力下的许用应力三、静应力下的许用应力 1. 破坏形式 静应力下，零件的破坏形式为断裂或塑性变形。 2. 许用应力的确定 塑性材料：取屈服极限S作为极限应力，许用应力：ss

8、脆性材料：取强度极限B 作为极限应力，许用应力：sB上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室四、变应力下的许用应力四、变应力下的许用应力 1. 破坏形式 变应力下，零件的失效形式是疲劳断裂。2. 许用应力变应力下的许用应力为：Skrr式中：r为0或-1。、k分别为尺寸系数、表面状态系数和应力集中系数。上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室 1. 疲劳断裂的特征1）最大应力小于静强度极限，甚至小于屈服极限；3） 典型断口形貌：裂纹萌生区、裂纹扩展区、脆断区疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。2）破坏前无明显塑变，产生突然断裂；上海海事大学机械

9、原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室N 关系曲线：疲劳曲线NO当NN0 时，试件将不会断裂N0N N0 0 循环基数N N0 0 对应的应力称为：疲劳极限r 当NNNN0 0 时, 有近似公式：CNNmrmrN0对应于N N 的疲劳极限：rNNmrrNNN02. 疲劳曲线上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室无限寿命下的许用应力为： skrr有限寿命下的许用应力为：mrrNNNSk0（一般计算时，许用应力可按查表法确定）上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室五、安全系数五、安全系数SS 可通过查表法、经验法或部分系数法等方法求得。

10、 零件尺寸大，结构笨重。S 可能不安全。上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室 表面强度包括表面接触强度、表面挤压强度、表面磨损强度（耐磨性）。一、表面接触强度一、表面接触强度 若两个零件为点接触或线接触时（如齿轮啮合），接触处表层产生很大的局部应力，称为接触应力，这时零件强度称为接触疲劳强度。接触疲劳失效形式为：疲劳点蚀。后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室bEFnH418.0H 最大接触应力或赫兹应力；212121212EEEEEb 接触长度；Fn 作用在圆柱体

11、上的载荷； 综合曲率半径； 综合弹性模量；E1、 E2 分别为两 圆柱体的弹性模量。应力计算公式：2b b1H HH H上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹油油裂纹扩展裂纹扩展 H表层材料剥落表层材料剥落接触应力作用接触应力作用点蚀形成过程：上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室接触应力计算：2121:令:22121代入化简得EEEEEbEFnH)1 (212H HH H2b b1Fn222121211111EEbFnH 上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室bEFnH)1 (212钢或铸铁

12、取泊松比： 1=2=0.3得简化公式：公式、称为：赫兹赫兹(HHertz)公式公式 1Fnb b2H HH HbEFn418.0 两表面内接触时，2121上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室接触疲劳强度的判定条件为：HHHHHSlim,而二、表面挤压强度二、表面挤压强度 通过局部配合面间的接触来传递载荷的零件，在接触面上的压应力称为挤压应力。相应的零件表面强度称为表面挤压强度。挤压应力分布较复杂，常采用均匀分布的假设以简化计算。上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室挤压强度公式：ppAF p挤压应力； p表面挤压应力； A A 接触面积或投影面积。三、表面磨损强度三、表面磨损强度1. 磨损和耐磨性运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。后果：磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面形状。上海海事大学机械原理与设计教研室上海海事大学机械原理与设计教研室零件表面抗磨损的能力称为耐磨性。 磨损 间隙 精度 效率 振动 冲击