东北大学机械设计电子教案机械设计基础市公开课获奖课件

1、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1页第1页第一章 机械设计基础（General concepts ）1.1 绪论1.2 机械设计普通程序 1.3 零件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第2页第2页1.1 绪论 （Introduction）一、机械定义含有拟定相对运动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）第3页第3页1.1 绪

2、论 （Introduction） 二、机械构成 二、机械构成传动装置原动机工作机皮带运送机传动简图原动机工作机传动装置控制系统抽象：第4页第4页 1.1 绪论 （Introduction） 二、机械构成 制造分析（机械设计）零件制造单元运动分析详细：（机械原理）构件运动单元零件构件机械（机构、机器）连杆第5页第5页 1.1 绪论 （Introduction） 三、课程内容与特点 三、课程内容、特点、任务研究机械设计理论、办法，阐述机械设计共性问题。含通用零件工作原理、设计理论与办法、原则规范等。内容： 联接件：螺纹联接、键联接传动件：齿轮、蜗杆、带、链 支撑件：轴、轴承（滚动、滑动）其 他：联

3、轴器、离合器、弹簧第6页第6页 1.1绪论 （Introduction） 三、课程内容与特点 理论内容章节间联系差,应用中互相联系密切。特点：技术基础课理论+工程实际考虑原因多修正系数多 掌握机械设计基础理论，任务： 具备设计传动装置及简朴机械能力 培养机械装置整体构思能力第7页第7页 1.2 机械设计普通程序(General procedure of machine design)一、机械应满足要求1、使用要求：完毕预定功效，生产率高2、安全可靠、寿命足够3、制造、运营费用低，维护以便4、其它：运送以便、造型美观第8页第8页 1.2 机械设计普通程序 二、机械设计普通程序二、机械设计普通程序

4、运动与动力学设计施工设计控制系统设计调试方案设计设计任务分析明确设计目、要求拟定系统构成、方案选择考虑结构、公差工艺要求，绘装配图、零件图调试测试控制功效拟定原动机功率、零件运动动力参数工程试验、修改设计第9页第9页 1.2 机械设计普通程序 三、机械零件设计环节三、机械零件设计环节选择材料分析失效形式、设计准则、定形状和主要尺寸按工艺、原则规范要求，圆整设计尺寸拟定零件上载荷建立计算模型拟定零件计算简图工程试验、修改设计第10页第10页一、失效概念（Failure） 1.3 零件失效形式与设计准则 (Failure types and design criteria)要求使用条件下要求寿命期

5、限内不能完毕要求功效失效零件例: 齿轮轴断裂失效第11页第11页 1.3 零件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）1、整体断裂过载断裂疲劳断裂2、表面破坏磨损冷胶合热胶合点蚀塑性变形过大弹变5、功效失效3、变形 过大胶合4、过大振动第12页第12页 1.3零件失效形式与设计准则 (Failure types and design criterias) 三、设计准则四、惯用设计准则（Design criterias）1、强度准则 强度抗整体断裂、接触疲劳、塑变能力 强度准则：（基本准则）

6、 ； 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，零件安全工作程度-承载能力指标、受失效形式限定、拟定零件尺寸依据第13页第13页 1.3 零件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；

7、f0固有频率第14页第14页1.4 静应力下零件零件强度计算 (Strength calculation of machine parts under static stress )一、载荷与应力 (Load and stress)（2）载荷算法名义载荷：F原动机功率 工作机阻力（抱负工况）F公式推算计算载荷：Fca=K F载荷系数：K考虑外载改变、零件载荷不均等影响1、载荷分类Ft随机Ft周期Ft（1）载荷性质静载荷：变载荷：第15页第15页1.4 静应力下零件零件强度计算(Strength calculation of machine parts under static stress )

8、 一、载荷与应力2、应力分类(Stress type)(1)静应力：t(2)变应力：稳定变应力t随机t非稳定变应力规律性、非稳定t第16页第16页 1.4 静应力下零件零件强度计算(Strength calculation of machine parts under static stress ) 一、载荷与应力(1)非对称循环变应力3、变应力参数 (Parameters of variable stress)tmaxminma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t(3)对称循环

9、变应力t最大应力： max 最小应力： minmin =0 ；m =a r= min /max =0m =0 ；max =a= -minr= min /max= -1第17页第17页 1.4 静应力下零件零件强度计算 二、静应力下强度计算 (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 ) 应力比较法：ca =lim / S安全系数法： Sca =lim / ca S 式中：ca

10、 计算应力与载荷、结构、尺寸、形状相关S 安全系数与计算准确性、主要性相关（规范、查表） lim 极限应力与材料、热处理相关 塑性材料：lim= s脆性材料： lim= B第18页第18页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、材料疲劳曲线与疲劳极限(Curve of fatigue and fatigue limit)1、疲劳破坏 (Fatigue failure)疲劳破坏：变应力、多次作用下，

11、材料发生破坏疲劳破坏特 征：小应力:连续性:敏感性:突发性:变应力最大值低于材料静强度限变应力多次作用对材料、几何形状敏感忽然断裂曲轴断裂内源断裂疲劳破坏过 程：裂纹萌生裂纹扩展最后瞬断实例第19页第19页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、材料疲劳曲线rN N（Curve of fatigue ）N0有限寿命区无限寿命区ABCrNNor 疲劳极限N0循环基数m、C系数r

12、N1rN2N1N2rN0103设计寿命NN0时：材料lim= r第20页第20页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、材料条件疲劳极限rN（相应于寿命N材料有限寿命疲劳极限）式中：KN-寿命系数N 103时，按静强度计算当 NN0时，KN=1;设计寿命103NN0 ：材料lim= rNN0有限寿命区无限寿命区rNNABCo103AB:m、C材料常数（与材料性质、应力状态、热处理相

13、关）第21页第21页1.5 对称循环变应力下零件强度计算 二、疲劳强度影响原因二、疲劳强度影响原因（Influence factors of fatigue strength）1、应力集中：零件几何不连续处，实际应力远不小于名义应力尺寸效应:绝对尺寸系数:3、表面状态尺寸增长，疲劳极限表面状态效应：表面粗糙，疲劳极限减少有效应力集中系数2、绝对尺寸表面状态系数:现象减少第22页第22页三、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

14、 cycle ）1、零件疲劳曲线-1N N (r=-1)A103NABCoBC材料式中：k0N=103时有效应力集中系数第23页第23页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A103NABCoBC材料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 第24页第24页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材料均匀性工艺质量 载荷及应力计算准确性第25

15、页第25页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、材料极限应力线图同种材料、 r不同时，r在m a 坐标系下关系曲线 aBm-10/2DCA45O0/2EBS45A: m =0, r=-1C: m= a , r=0B: a =0, r=+1 r =m+ a(-1 r +1)ACB 试验线图ACED简化线图第26页第26页1.6 非对称

16、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ACEDAE:DE:A(0,-1 )m-10/2D (S , 0)C (0/2 ,0/2)45O0/2ES45a第27页第27页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 alter

17、nating symmetrical cycle )3、零件极限应力线图ACED 试件线图ACED强度影响原因修正K零件线图ACEDmD45O0/2S45a第28页第28页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疲劳强度计算（r=C）mO45a疲劳强度区OAE静强度区OED（1）工作应力点-由载荷、结构求得1、极限应力线图分析（2）极限

18、应力点由工作应力点及相应加载规律拟定第29页第29页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简朴加载分析加载曲线OMM为直线，疲劳强度区OAE、静强度区OEDM点坐标：3、无限寿命疲劳强度计算mOaD第30页第30页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 mac

19、hine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle )相应工作应力点M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第31页第31页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

20、应力点为OM与DE交点N,极限应力为：工作应力最大值:mOa 第32页第32页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分析办法，计算规律性、非稳 定变应力下零件疲劳强度？(1)材料受高于疲劳极限应力作用，每一循环均产生损伤(2)损伤累积到一定程度，材料疲劳破坏第33页第33页1.7 规律性非稳定应力下

21、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)Nmaxn44321n2n1n3OABC-1N2N1N3(1)材料在各级应力作用下产生疲劳损伤独立(2)总损伤线性累积2、Miner疲劳损伤线性累积理论第34页第34页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第35页第35页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由疲劳曲线方程：代入Miner方程：（损伤极限状态）第36页第36页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 计算第37页第37页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 第38页第38页1.8 双向变应力下零件疲劳