1、机械设计机械设计3全册配套全册配套完整教学课件完整教学课件第第 0 章章 机械设计概述机械设计概述0-1 0-1 机械设计概述机械设计概述 一、机械定义一、机械定义一、机械定义一、机械定义（机构（机构+机器）机器）具有确定相对运动的构件组合具有确定相对运动的构件组合能实现能量转换或作有用功能实现能量转换或作有用功机械的作用：改善劳动条件、提高生产效率、提高产品质量机械的作用：改善劳动条件、提高生产效率、提高产品质量0-10-1机械设计概述机械设计概述 二、机械的组成二、机械的组成 二、机械的组成二、机械的组成原动机原动机工作机工作机传动装置传动装置控制系统控制系统抽象：抽象：制造角度制造角度（
2、机械设计）（机械设计）零件零件:制造单元制造单元具体：具体：运动角度运动角度（机械原理）（机械原理）构件构件:运动单元运动单元零件零件构件构件机械（机构、机器）机械（机构、机器）三三 、机械设备应满足的要求机械设备应满足的要求4. 操作、维护方便；操作、维护方便；5. 造型美观；造型美观；6. 运输方便运输方便 等。等。3. 制造、运行费用低；制造、运行费用低；1. 使用要求使用要求-完成预定功能，生产率高；完成预定功能，生产率高；2. 安全可靠、寿命足够；安全可靠、寿命足够；0-10-1机械设计概述机械设计概述 三、机械设备应满足的要求三、机械设备应满足的要求四四 、机械设计一般程序、机械设
3、计一般程序明确设计目的、要求明确设计目的、要求拟定系统组成、方案选择拟定系统组成、方案选择确定原动机功率、零件运确定原动机功率、零件运动动力参数、零件参数设动动力参数、零件参数设计、系统总装图设计计、系统总装图设计考虑结构、公差工艺要求，考虑结构、公差工艺要求，绘装配图、零件工作图绘装配图、零件工作图调试测试控制功能调试测试控制功能0-10-1机械设计概述机械设计概述 四、机械设计一般程序四、机械设计一般程序 设计任务分析设计任务分析方案设计方案设计技术设计技术设计施工设计施工设计控制系统设计调试控制系统设计调试仿真分析、修改设计、工程试验仿真分析、修改设计、工程试验定型产品设计定型产品设计
4、0-10-1机械设计概述机械设计概述 五、课程的内容与特点五、课程的内容与特点 五、课程的内容、任务、特点五、课程的内容、任务、特点阐述机械设计的共性问题阐述机械设计的共性问题研究通用机械设计的理论、方法研究通用机械设计的理论、方法通用零件的工作原理、设计方法、标准规范等通用零件的工作原理、设计方法、标准规范等。内容：内容：工作特点、失效形式、设计准则、参数选择、结构设计、整机应用工作特点、失效形式、设计准则、参数选择、结构设计、整机应用机械零件设计基础知识机械零件设计基础知识共性基础理论共性基础理论 联接件：螺纹联接、键联接、轴毂联接联接件：螺纹联接、键联接、轴毂联接传动件：齿轮、蜗杆、带、
5、链传动件：齿轮、蜗杆、带、链 支撑件：轴、轴承（滚动、滑动）支撑件：轴、轴承（滚动、滑动）其其 他：联轴器、离合器、弹簧他：联轴器、离合器、弹簧 0-10-1机械设计概述机械设计概述 三、课程的内容与特点三、课程的内容与特点 掌握机械设计基础理论掌握机械设计基础理论任务：任务： 具备设计传动装置及简单机械的能力具备设计传动装置及简单机械的能力 培养设计机械装置的总体构思能力培养设计机械装置的总体构思能力相关课程综合应用相关课程综合应用制图、原理、力学、工程材料、制图、原理、力学、工程材料、 公差、制造工艺公差、制造工艺特点：特点：技术基础课技术基础课理论理论+工程实际工程实际理论关联弱、整机关
6、联强理论关联弱、整机关联强以设计为主线、整机综合以设计为主线、整机综合考虑因素多考虑因素多多系数修正、多方案选择多系数修正、多方案选择1. 1. 孙志礼等孙志礼等. . 机械设计，北京：科学出版社，机械设计，北京：科学出版社，201220122. 2. 巩云鹏等巩云鹏等. . 机械设计课程设计，北京：科学出版社，机械设计课程设计，北京：科学出版社，201220123. 3. 修世超等修世超等. . 机械设计习题与解析，北京：科学出版社，机械设计习题与解析，北京：科学出版社，20122012 参考教材：参考教材：第第 1 章章 机械零件设计基础知识机械零件设计基础知识主讲教师：巩云鹏主讲教师：巩
7、云鹏东北大学国家工科机械基础课程教学基地东北大学国家工科机械基础课程教学基地1-1 1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 一、机械零件设计步骤一、机械零件设计步骤一、机械零件设计步骤一、机械零件设计步骤确定零件上的载荷确定零件上的载荷选择材料、热处理方式选择材料、热处理方式分析失效形式、设计准则、确定形状和主要尺寸分析失效形式、设计准则、确定形状和主要尺寸按工艺、标准、规范要求，设计尺寸、绘图、说明书按工艺、标准、规范要求，设计尺寸、绘图、说明书建立计算模型建立计算模型拟定零件的计算简图拟定零件的计算简图仿真优化、修改设计、工程试验仿真优化、修改设计、工程试验F二、失效概念
8、二、失效概念1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 二、失效的概念二、失效的概念例例:齿轮轴断裂齿轮轴断裂失效失效规定使用条件下规定使用条件下规定的寿命期限内规定的寿命期限内不能完成不能完成规定功能规定功能失效失效零件零件1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 三、失效形式三、失效形式三、失效形式三、失效形式1、整体断裂整体断裂过载断裂过载断裂疲劳断裂疲劳断裂2、表面破坏表面破坏磨损磨损冷胶合冷胶合点蚀点蚀塑性变形塑性变形4、功能失效、功能失效3、变形过大、变形过大胶合胶合5、过大振动、过大振动过大弹变过大弹变热胶合热胶合1-1 零件的失效形式与设计准则零件
9、的失效形式与设计准则 三、失效形式三、失效形式1、整体断裂整体断裂(2) (2) 疲劳断裂疲劳断裂交变应力反复作用，交变应力反复作用，导致疲劳裂纹生成、导致疲劳裂纹生成、扩展、断裂。扩展、断裂。(1)(1)过载断裂过载断裂零件上作用（非正常）零件上作用（非正常）过大载荷，导致零件过大载荷，导致零件整体断裂；整体断裂；轮齿整体断裂齿轮轴疲劳断裂1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 三、失效形式三、失效形式2、表面破坏表面破坏(2)点蚀点蚀交变接触应力反复作用，交变接触应力反复作用，导致齿面形成裂纹、扩导致齿面形成裂纹、扩展，材料脱落。引起振展，材料脱落。引起振动噪声或断裂；动
10、噪声或断裂；(1)(1)磨损磨损相对运动表面间进入第相对运动表面间进入第三体（磨料），引起表三体（磨料），引起表面磨损，精度降低；过面磨损，精度降低；过度磨损强度降低；度磨损强度降低；1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 三、失效形式三、失效形式2、表面破坏表面破坏(3)胶合胶合热胶合热胶合高速、重载，润滑不良，高高速、重载，润滑不良，高温导致油膜破裂，材料熔化、温导致油膜破裂，材料熔化、“焊接焊接”，相对运动表面涂，相对运动表面涂抹烧伤抹烧伤-表面精度降低、噪声。表面精度降低、噪声。(3)(3)胶合胶合-冷胶合冷胶合低速重载低速重载,过高的接触压力过高的接触压力导致表面间
11、油膜破坏，金属导致表面间油膜破坏，金属直接接触粘着，相对运动产直接接触粘着，相对运动产生撕裂生撕裂-表面精度降低；表面精度降低；齿面齿面粘着粘着齿面齿面胶合胶合1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 三、失效形式三、失效形式3、变形变形过大(1)(1)塑性变形塑性变形载荷过大导致零件产生塑性变形，载荷过大导致零件产生塑性变形，精度降低，零件失效；精度降低，零件失效；齿顶齿顶塑变塑变齿体齿体塑变塑变1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 三、失效形式三、失效形式3、变形过大变形过大(2)过大弹性过大弹性过大弹变，刚度不足、过大弹变，刚度不足、精度降低。精度降低
12、。机床主轴机床主轴刚度不足刚度不足加工圆柱加工圆柱孔孔-锥形锥形孔孔1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 三、失效形式三、失效形式4、功能失效、功能失效5、过大振动、过大振动振动、噪声振动、噪声螺栓联接功能失效被联件间相对滑移皮带传动功能失效打滑1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 四、工作能力准则四、工作能力准则2 2、常用设计准则、常用设计准则（1 1）强度准则）强度准则 强度强度抗整体断裂、接触疲劳、塑变的能力抗整体断裂、接触疲劳、塑变的能力 强度准则：（基本准则强度准则：（基本准则） ； （2 2）刚度准则）刚度准则 刚度刚度抗弹变能力抗弹变能力
13、 刚度准则：刚度准则：yyyy 、 四、工作能力准则（设计准则）四、工作能力准则（设计准则）1 1、定义、定义-预定使用寿命期限内，零件安全工作的限度预定使用寿命期限内，零件安全工作的限度-承载能力指标承载能力指标( (受失效形式限制受失效形式限制) )、确定零件尺寸的依据、确定零件尺寸的依据（3 3）寿命准则：设计寿命）寿命准则：设计寿命 LL LL 要求寿命要求寿命（4 4）耐磨性准则：零件抗磨损失效的能力）耐磨性准则：零件抗磨损失效的能力压强条件：压强条件： pppp 防表面间油膜破坏产生磨损防表面间油膜破坏产生磨损pvpv值条件：值条件：pvpvpvpv (v (v相对滑动速度相对滑动
14、速度) ) - -防止表面间温升过高，油膜破坏加剧磨损防止表面间温升过高，油膜破坏加剧磨损胶合胶合1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 五、工作能力准则五、工作能力准则（5 5）振动稳定性准则：避免共振）振动稳定性准则：避免共振 f fP P 0.85f0.85f0 0 ； f fP P 1.15 f1.15 f0 0 f f0 0固有频率；固有频率；f fP P激振频率；激振频率；f00.85 f01.15 f0一、载荷分类一、载荷分类1、载荷性质、载荷性质Ft常矢)(tFF1-21-2载荷与应力载荷与应力 一、一、载荷分类载荷分类变矢)(tFF随机随机Ft周期周期Ft（
15、理想工况）（理想工况）原动机功率原动机功率 工作机阻力工作机阻力F F公式推算公式推算KK载荷系数：考虑外载变化、载荷分布不均等载荷系数：考虑外载变化、载荷分布不均等F Fcaca =K F=K F2 2、载荷算法、载荷算法名义载荷名义载荷F F ：计算载荷计算载荷Fca ：静载荷：静载荷：变载荷：变载荷：二、应力分类二、应力分类1、静应力：、静应力：t常常矢矢 )(t 2、变应力：、变应力：变变矢矢 )( t 1-21-2载荷与应力载荷与应力 二、应力分类二、应力分类(1)稳定变应力稳定变应力t随机随机t(2) 非稳定变应力非稳定变应力规律性、非稳定规律性、非稳定tT1 1、非对称循环变应力
16、、非对称循环变应力三、变应力的参数三、变应力的参数应应 力力 幅：幅：a a=(=(maxmax -minmin)/2)/2平均应力：平均应力：m m=(=(maxmax+minmin)/2)/2应力循环特性：应力循环特性：r= r= minmin / /maxmax(-1 r +1)(-1 r +1)2 2、对称循环变应力、对称循环变应力tm =0 ；r= -14 4、静应力、静应力ta=0 ;r= +11-21-2载荷与应力载荷与应力 三、变应力的参数三、变应力的参数( (变应力用五个参数描述，知二可求其他变应力用五个参数描述，知二可求其他) )3 3、脉动循环变应力、脉动循环变应力min
17、 =0； r= 0ttmaxminma应力比较法：应力比较法：ca =lim / S安全系数法：安全系数法： Sca =lim / ca S 式中：式中：1-3 1-3 静应力下零件的强度计算静应力下零件的强度计算 一、静应力下零件强度计算一、静应力下零件强度计算caca 计算应力计算应力与载荷、结构尺寸、形状有关与载荷、结构尺寸、形状有关SS许用许用 安全系数安全系数材料数据可靠性、载荷计算准确性、材料数据可靠性、载荷计算准确性、 零件重要性有关（查表零件重要性有关（查表) )limlim 极限应力极限应力与材料种类、热处理有关与材料种类、热处理有关 塑性材料：塑性材料：limlim= =
18、s s脆性材料：脆性材料： limlim= = B B1-4 1-4 对称循环变应力下零件强度计算对称循环变应力下零件强度计算 一、材料的疲劳曲线与疲劳极限一、材料的疲劳曲线与疲劳极限一、材料的疲劳曲线与疲劳极限一、材料的疲劳曲线与疲劳极限1 1、疲劳破坏、疲劳破坏疲劳破坏：疲劳破坏：变应力、多次作用变应力、多次作用下，材料发生破坏下，材料发生破坏突发性突发性:疲劳破坏疲劳破坏特特 征：征：小应力小应力:持续性持续性:敏感性敏感性:变应力最大值低于材料静强度限变应力最大值低于材料静强度限变应力多次作用变应力多次作用对几何突变、材料敏感对几何突变、材料敏感突然断裂突然断裂曲轴断裂曲轴断裂内源断裂
19、内源断裂疲劳破坏疲劳破坏过过 程：程：裂纹萌生裂纹萌生裂纹扩展裂纹扩展最终瞬断最终瞬断实例实例1-4 1-4 对称循环变应力下零件强度计算对称循环变应力下零件强度计算 一、材料的疲劳曲线与疲劳极限一、材料的疲劳曲线与疲劳极限2 2、材料的疲劳曲线、材料的疲劳曲线rNrN NNmNNK0- -N其中：寿命系数N0有限寿命区有限寿命区无限寿命区无限寿命区ABCrNNor 疲劳极限疲劳极限N N0 0循环基数循环基数m m、CC系数系数CNmrN r rN1rN2N1N2rN0103设计寿命设计寿命NNNN0 0时：材料时：材料limlim= = r r设计寿命设计寿命10103 3NNN N0 0
20、时：材料时：材料limlim= = rNrN= =K KN Nr rrN 条件疲劳极限条件疲劳极限1-4 1-4 对称循环变应力下零件强度计算对称循环变应力下零件强度计算 二、零件疲劳强度的影响因素二、零件疲劳强度的影响因素二、零件疲劳强度的影响因素二、零件疲劳强度的影响因素1 1、应力集中：、应力集中：零件几何不连续处，实际应力远大于名义应力零件几何不连续处，实际应力远大于名义应力3 3、表面状态：、表面状态：尺寸增加，疲劳极限降低尺寸增加，疲劳极限降低表面粗糙，疲劳极限降低表面粗糙，疲劳极限降低有效应力集中系数：有效应力集中系数：1)(11 Kk 缺缺口口试试样样疲疲劳劳极极限限标标准准试
21、试样样疲疲劳劳极极限限2 2、绝对尺寸：、绝对尺寸：绝对尺寸系数绝对尺寸系数: :1)( 11 dd标标准准试试样样疲疲劳劳极极限限试试样样疲疲劳劳极极限限直直径径表面状态系数表面状态系数: :1)(11 标标准准试试样样疲疲劳劳极极限限极极限限某某种种表表面面状状态态试试样样疲疲劳劳 kK :三三种种因因素素综综合合影影响响系系数数1-4 1-4 对称循环变应力下零件强度计算对称循环变应力下零件强度计算 三、零件的疲劳曲线与疲劳极限三、零件的疲劳曲线与疲劳极限三、零件的疲劳曲线与疲劳极限三、零件的疲劳曲线与疲劳极限1 1、零件的疲劳曲线、零件的疲劳曲线-1-1NcNc N (r=-1)N (
22、r=-1)cmNcNNmB101A点点、方法：11CNmNc0NA103NABCoN1Bc)310( 1)310( 1c1 1 C材料材料零件零件CNmN11-4 1-4 对称循环变应力下零件强度计算对称循环变应力下零件强度计算 三、零件的疲劳曲线与疲劳极限三、零件的疲劳曲线与疲劳极限0)10( 1)10( 1/ :点) 2(3 3 kAc11CNmNc0NA103NABCoN1Bc )310( 1)310( 1c1 1 C材料材料零件零件NNc1CNmN1130)10( 110 3 mN式中：;:) 1 (11KBc点ccNm)10( 11033lglglg10lg013)10( 1103N
23、mcmc方程：坐标代入零件疲劳曲线、將BA: ) 3(mcNcmNcKNN1101零件疲劳曲线方程：1) 1(00 qkk ；时的有效应力集中系数3010 Nk敏感性反映材料对应力集中的查图修正系数),61 (0q2 2、零件疲劳极限、零件疲劳极限Kc11 ) 1 (零件疲劳极限：设计寿命设计寿命NN0：零件：零件lim= -1c零件条件疲劳极限)2(设计寿命设计寿命103NN0 ：零件：零件lim= -1Ncc1 Nc1 与条件疲劳极限与条件疲劳极限 1cN1KNc1-4 对称循环变应力下零件强度计算对称循环变应力下零件强度计算 三、零件的疲劳曲线与疲劳极限三、零件的疲劳曲线与疲劳极限零件疲
24、劳极限零件疲劳极限11CNmNc0NA103NABCoN1Bc )310( 1)310( 1c1 1 C材料材料零件零件NNc1零件极限应力零件极限应力lim：(2) (2) 有限寿命零件疲劳强度安全系数有限寿命零件疲劳强度安全系数 SSaNc 1maxlim 四、四、(r=-1) (r=-1) 零件疲劳强度安全系数计算零件疲劳强度安全系数计算 SSac1maxlimSS安全系数，安全系数， 推荐推荐S=1.3S=1.32.52.5材料均匀性、工艺质量材料均匀性、工艺质量载荷及应力计算准确性载荷及应力计算准确性零件重要性零件重要性(1) (1) 无限寿命时零件疲劳强度安全系数无限寿命时零件疲劳
25、强度安全系数计算应力幅值式中：a解决：对称循环变应力下零疲劳强度安全系数计算解决：对称循环变应力下零疲劳强度安全系数计算1-4 对称循环变应力下零件强度计算对称循环变应力下零件强度计算 四、零件的疲劳强度安全系数计算四、零件的疲劳强度安全系数计算1-5 非对称循环变应力下零件强度计算非对称循环变应力下零件强度计算 一、极限应力线图一、极限应力线图一、极限应力线图一、极限应力线图1 1、材料的极限应力线图、材料的极限应力线图同种材料、同种材料、 r r不同时，不同时，r r在在m m a a 坐标系下的关系曲线坐标系下的关系曲线 tmaxminmaE ErmraS:ED a a B B m m
26、-1-1 0 0/2/2D DC CA A4545O O 0 0/2/2 S S4545B BM(M(rm,rm,rara）001/ )2( rmra1:AE1-5 1-5 非对称循环变应力下零件强度计算非对称循环变应力下零件强度计算 一、极限应力线图一、极限应力线图2 2、零件的极限应力线图、零件的极限应力线图AAC CE ED D)0 ,(DSrmracKEA1 :rmraSED : 试件线图试件线图ACEDACED疲劳强度影响因素疲劳强度影响因素K K修正修正零件线图零件线图ACED), 0 (A1c)22(00K,C),(rarmM M C CE E), 0 (A1)2,2(00C a
27、 a m mO OE EA A1-5 1-5 非对称循环变应力下零件强度计算非对称循环变应力下零件强度计算 一、极限力线图一、极限力线图3 3、零件的极限应力分析（简单加载）、零件的极限应力分析（简单加载）O O)0 ,(DS),(rarmM C CE E a a m mA A),(amM。),(amN ),(rarmN 。1M ammamMax),(-M-M点：由载荷、结构确定点：由载荷、结构确定(2)极限应力点极限应力点:),(rarmMrmrarmax-M-M点：点：由由M M点及对应的加载规律确定点及对应的加载规律确定 (1)(1)工作应力点工作应力点: :(3) (3) （r=Cr=
28、C）简单加载极限应力点）简单加载极限应力点M M（r=Cr=C） 加载曲线加载曲线OMM OMM 为直线，为直线，M M位于：位于：OAEOAE区区极限应力点极限应力点M M 疲劳失效疲劳失效OE OE D D区区极限应力点极限应力点N N 静强度失效静强度失效crrma)1 ()1 (2/ )(2/ )(minmaxminmax1-5 1-5 非对称循环变应力下零件强度计算非对称循环变应力下零件强度计算 一、极限应力线图一、极限应力线图) 0 ,(DS),(rarmM C CE E a a m mO OA A),(amM。),(amN ),(rarmN 。mamcrmK 1maacraK 1
29、rmracKEA 1 :rmramaOM :二、疲劳强度安全系数计算二、疲劳强度安全系数计算 （r=C ,M点在点在OAE 区）1-5 1-5 非对称循环变应力下零件强度计算非对称循环变应力下零件强度计算 二、疲劳强度安全系数计算二、疲劳强度安全系数计算) 0 ,(DS),(rarmM C CE E a a m mO OA A),(amM。),(amN ),(rarmN 。rmrarmax交点：与求：A EOM对应对应M M点的极限应力：点的极限应力：macrmrarK max1max(1)(1)无限寿命疲劳强度安全系数无限寿命疲劳强度安全系数 SKSadcmacr 11maxmax(2)(2
30、)有限寿命疲劳强度安全系数有限寿命疲劳强度安全系数 SKKSmacNadNc 111-5 1-5 非对称循环变应力下零件强度计算非对称循环变应力下零件强度计算 二、疲劳强度安全系数计算二、疲劳强度安全系数计算) 0 ,(DS),(rarmM C CE E a a m mO OA A),(amM。),(amN ),(rarmN 。三、静强度安全系数计算（三、静强度安全系数计算（r=C ,Nr=C ,N点位于点位于OEOED D区）区）Srmrarmax SSmaSr maxmax静强度安全系数静强度安全系数: :对应对应N N点极限应力值点极限应力值: :ma max)0 ,(DS),(rarm
31、M C CE E a a m mO OA A),(amM。),(amN ),(rarmN 。工作应力最大值工作应力最大值: :1-5 1-5 非对称循环变应力下零件强度计算非对称循环变应力下零件强度计算 三、三、静强度安全系数计算静强度安全系数计算 解决：非对称循环变应力强度计算问题解决：非对称循环变应力强度计算问题- -对称化对称化一、线性疲劳损伤累积理论一、线性疲劳损伤累积理论1 1、疲劳损伤累积概念、疲劳损伤累积概念问题：问题： 如何利用稳定变应力的分析方法，计算规律性、如何利用稳定变应力的分析方法，计算规律性、 非稳定变应力下零件的疲劳强度？非稳定变应力下零件的疲劳强度？(1)(1)高
32、于疲劳极限的应力每一循环材料均产生损伤高于疲劳极限的应力每一循环材料均产生损伤; ;1-6 1-6 规律性非稳定变应力下零件强度计算规律性非稳定变应力下零件强度计算 一、线性疲劳损伤累积理论一、线性疲劳损伤累积理论(1)(1)材料在各级应力作用下产生的疲劳损伤独立材料在各级应力作用下产生的疲劳损伤独立; ;(2)(2)总损伤线性累积。总损伤线性累积。2 2、MinerMiner疲劳损伤线性累积理论疲劳损伤线性累积理论 j j i i 2 1n1A AB BC C-1-1N N2 2N N1 1N Ni iN N0 0n2nin nj jN NT(2)(2)损伤累积到一定程度，材料疲劳破坏。损伤
33、累积到一定程度，材料疲劳破坏。1-6 1-6 规律性非稳定变应力下零件强度计算规律性非稳定变应力下零件强度计算 一、线性疲劳损伤累积理论一、线性疲劳损伤累积理论%100,累积总损伤率达累积总损伤率达方程：材料破坏时方程：材料破坏时Miner1 i1Nnini注注:(1) i -1 的影响不计的影响不计 (2) 非对称循环变应力折算成当量对称循环变应力处理非对称循环变应力折算成当量对称循环变应力处理mai j j i i 2 1n1A AB BC C-1-1N N2 2N N1 1N Ni iN N0 0n2nin nj jN N01NNmm1-6 1-6 规律性非稳定变应力下零件强度计算规律性
34、非稳定变应力下零件强度计算 二、材料疲劳强度计算二、材料疲劳强度计算二、规律性非稳定变应力下材料疲劳强度计算二、规律性非稳定变应力下材料疲劳强度计算(r=-1)(r=-1) 1 1、等效循环次数、等效循环次数N Nv v与条件疲劳限与条件疲劳限-1N-1Nv vi i 对应的对应的 N N i i : :miiNN)( 10代入代入Miner方程：方程：（损伤极限状态）（损伤极限状态）1 101i1mnimiiiniNnNnmmiiniNn101 mvmmiinimNNn101111)( 力最大值长的当量对称循环变应数值较大、作用时间较注：1 损伤等效损伤等效:未损伤状态未损伤状态: j j
35、i i 2 1n1A AB BC C-1-1N N2 2N N1 1N Ni iN N0 0n2nin nj jN NN Nv v01NNmm2 2、安全系数计算、安全系数计算 SSNv11循环变应力应力幅材料（试件）当量对称1111ma1-6 1-6 规律性非稳定变应力下零件强度计算规律性非稳定变应力下零件强度计算 二、材料疲劳强度计算二、材料疲劳强度计算1011mvNNvNNKmiinivnN)( 11对应对应Nv条件疲劳极限条件疲劳极限:等效循环次数等效循环次数Nv: j j i i 2 1n1A AB BC C-1-1N N2 2N N1 1N Ni iN N0 0n2nin nj j
36、N NN Nv v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 SKKSmacNadcNv1111)(1mvNNNK0寿命系数：miaiadiK 等等效效应应力力幅幅：)( )( 111不计等效循环次数：cadimadadiinivnN1-6 1-6 规律性非稳定变应力下零件强度计算规律性非稳定变应力下零件强度计算 三、零件疲劳强度计算三、零件疲劳强度计算零件安全系数：零件安全系数： 非稳定问题的处理思路：对称化、稳定化非稳定问题的处理思路：对称化、稳定化双向变应力：对称循环正应力和剪应力同时作用双向变应力：对称循环正应力和剪应力同时作用双向变应力下零件极限应力
37、图双向变应力下零件极限应力图AMAMB B1-7 1-7 双向变应力下零件疲劳强度计算双向变应力下零件疲劳强度计算 一、一、双向变应力极限应力线图双向变应力极限应力线图一、双向变应力极限应力线图一、双向变应力极限应力线图ABOM二、双向变应力下零件安全系数二、双向变应力下零件安全系数1-7 1-7 双向变应力下零件疲劳强度计算双向变应力下零件疲劳强度计算 二、双向变应力下零件安全系数二、双向变应力下零件安全系数ABOM1-7 1-7 双向变应力下零件疲劳强度计算双向变应力下零件疲劳强度计算 二、双向变应力下零件安全系数二、双向变应力下零件安全系数1)()(22SSSS22SSSSS：双向变应力
38、下安全系数二、双向变应力下零件安全系数二、双向变应力下零件安全系数 SSSSSS 22 macKS 1macKS 11-7 1-7 双向变应力下零件疲劳强度计算双向变应力下零件疲劳强度计算 二、双向变应力下零件安全系数二、双向变应力下零件安全系数小结：双向变应力转化为单向变应力；小结：双向变应力转化为单向变应力； 非对称循环转化为对称循环；非对称循环转化为对称循环；MABOM1、安全系数的定义、安全系数的定义 机械零件强度计算小结：机械零件强度计算小结：2、静强度安全系数计算、静强度安全系数计算3、疲劳强度安全系数计算：、疲劳强度安全系数计算： 对称循环变应力计算为基础：对称循环变应力计算为基
39、础： 非对称循环变应力非对称循环变应力对称化对称化 非稳定变应力非稳定变应力稳定化稳定化 双向变应力双向变应力单向化单向化第第 2 章章 螺纹联接螺纹联接主讲教师：巩云鹏主讲教师：巩云鹏东北大学国家工科机械基础课程教学基地东北大学国家工科机械基础课程教学基地一、联接的作用与分类零件构件部件机器联接联接联接1、动联接：被联接零件可相对运动运动副2、静联接：被联接零件无相对运动构件2-1 2-1 螺纹联接基础知识螺纹联接基础知识 一、联接的作用与分类一、联接的作用与分类(2) 不可拆联接：铆接、焊接、胶结(3) 过盈配合：可 拆 温差法装入可拆 不可拆压如法装入(1) 可拆联接： 螺纹、键、销、成
40、型联接等2 2、螺纹分类、螺纹分类(1) (1) 螺纹位置：内、外螺纹螺纹位置：内、外螺纹(2) (2) 母体形状：圆柱、圆锥螺纹母体形状：圆柱、圆锥螺纹(3) (3) 牙牙 型：三角形、矩形、梯形、矩齿形型：三角形、矩形、梯形、矩齿形(4) (4) 旋旋 向：左、右向：左、右(5) (5) 线线 数：单线、多线数：单线、多线二 、螺纹分类与主要参数2-1 2-1 螺纹联接基础知识螺纹联接基础知识 二、螺纹分类与主要参数二、螺纹分类与主要参数1、螺旋线与螺纹大径d ：公称直径（查标准）中径d2：几何直径（几何计算）小径d1：计算直径（强度计算）3、普通螺纹的主要参数2-1 2-1 螺纹联接基础
41、知识螺纹联接基础知识 二、螺纹分类与主要参数二、螺纹分类与主要参数螺距P：相邻螺牙对应点间轴向距离导程S：同一螺线相邻螺牙对应点间轴向距离 S=nP（n-线数）3、普通螺纹的主要参数2-1 2-1 螺纹联接基础知识螺纹联接基础知识 二、螺纹分类与主要参数二、螺纹分类与主要参数升角：中径圆柱面上螺旋线的切线 与轴垂面间的夹角牙型半角：牙型侧边与轴垂面间的夹角牙型角：牙型两侧边的夹角2-1 2-1 螺纹联接基础知识螺纹联接基础知识 三、螺纹副的受力、效率与自锁三、螺纹副的受力、效率与自锁三、螺纹副的受力、效率与自锁)tan(22)tan(22vtvtQddFTQF cosarctanfffvvvv
42、 1、拧紧螺母时的圆周力和力矩2、拧紧螺母时的效率3、自锁条件)tan(tanv 2-1 2-1 螺纹联接基础知识螺纹联接基础知识 四、常用螺纹的种类、特点和应用四、常用螺纹的种类、特点和应用四、常用螺纹的种类、特点和应用1、联接螺纹：要求自锁三角形螺纹(1) 普通螺纹（=60） 粗牙：常用的联接螺纹 细牙：用于薄壁件或密封处(2) 管螺纹（=55）（英制） 一般管路联接，牙顶圆角，旋合后无隙 圆柱：螺纹中线与管轴线平行，需辅助密封件 圆锥：螺纹中线与管子轴线不平行， 自密封性好 (3) 圆锥螺纹（=60） -螺纹密封， 自密封性好 2、传动螺纹：要求效率高(1) 矩形螺纹（=0） 效率高，牙
43、根强度差，磨损难补偿2-1 螺纹联接基础知识 四、常用螺纹的种类、特点和应用(2) 梯形螺纹（=30） 效率较高，牙根强，对中好(3) 矩齿形螺纹（工=3、非工=30） 兼备矩形、梯形螺纹的优点 五、螺纹联接类型五、螺纹联接类型1、螺栓联接被联件较薄、易做成通孔处，可经常拆卸。(1) 普通螺栓：被联件孔与螺栓杆有间隙，可传横向、轴向外载2-1 2-1 螺纹联接基础知识螺纹联接基础知识 五、螺纹联接的类型五、螺纹联接的类型(2) 铰制孔螺栓：被联件孔与螺栓杆过渡配合，只传横向外载2 2、螺钉联接：、螺钉联接：被联件之一较厚、不易做成通孔，不需经常拆卸处被联件之一较厚、不易做成通孔，不需经常拆卸处
44、2-1 2-1 螺纹联接基础知识螺纹联接基础知识 五、螺纹联接的类型五、螺纹联接的类型3、双头螺柱联接：被联件之一较厚、不易做成通孔，需经常拆卸处4、紧定螺钉联接：固定两零件相对位置，可传不大扭矩螺钉联接双头螺柱联接紧定螺钉2-1 2-1 螺纹联接基础知识螺纹联接基础知识 六、六、标准联接件标准联接件六、标准联接件六、标准联接件1、螺纹联接件均为标准件，设计中根据需要按公称尺寸选用2、螺纹联接件等级GB3103.1 规定：螺纹联接件分A、B、C三级A级：精密配合，防振场合B级：受载较大，常拆卸调整、变载场合C级：一般联接2-22-2螺纹联接的预紧与防松螺纹联接的预紧与防松 一、预紧一、预紧一、
45、预紧一、预紧工作前拧紧工作前拧紧1、目的：增加螺纹联接刚度、紧密性和防松能力3、预紧力控制方法2、要求：装配时控制预紧力在规定范围内2-22-2螺纹联接的预紧与防松螺纹联接的预紧与防松 二、防松二、防松1、目的：防止螺杆与螺母相对转动3、防松方法2、原因： 变载、振动、温差大引起螺牙间摩擦力瞬时消失松脱(1) 摩擦防松利用辅助元件（结构）防止螺纹副间摩擦力消失二、防松二、防松(2) 机械防松利用防松元件约束螺纹副相对运动-冲击、变载场合2-22-2螺纹联接的预紧与防松螺纹联接的预紧与防松 二、防松二、防松(3) 破坏螺纹副防松防松可靠，冲击振动大、重要联接冲点法：冲坏螺纹副端焊法：端部焊死粘结
46、法：拧紧时涂胶2-22-2螺纹联接的预紧与防松螺纹联接的预紧与防松 二、防松二、防松一、螺栓组设计计算内容2-32-3普通螺栓组传递轴向外力设计计算普通螺栓组传递轴向外力设计计算 一、螺栓组设计计算内容一、螺栓组设计计算内容1、结构设计：确定螺栓布置形式、数量；4 21dF;N; MPa工作载荷螺栓许用应力F二、只受工作载荷F的普通螺栓联接计算3、强度条件：2、失效形式：螺栓塑变或拉断1、受力分析：Q =F2、受力分析：确定螺栓组中螺栓所受最载荷；3、强度计算：按受力最大螺栓确定整组螺栓直径；4、联接件选择：确定标准尺寸、防松方法等等2-32-3普通螺栓组传递轴向外力设计计算普通螺栓组传递轴向
47、外力设计计算 三、只受预紧力的普通螺栓联接计算三、只受预紧力的普通螺栓联接计算三、只受预紧力的普通螺栓联接计算（三、只受预紧力的普通螺栓联接计算（例：普通设备盖板例：普通设备盖板）1、受力分析 5 . 016 4 3121dTTdQPTQP摩摩擦擦力力矩矩：预预紧紧力力：3 . 1322Tca合成应力：421 3 . 1dpQca 2、失效形式：螺栓塑变或拉断3、设计准则：注：按拉应力加大30%，计入螺纹力矩引起剪应力的影响。四、预紧力四、预紧力Q Qp p和工作载荷和工作载荷F F作用的普通螺栓联接计算（作用的普通螺栓联接计算（例：气缸螺栓例：气缸螺栓）2、受力分析2-32-3普通螺栓组传递
48、轴向外力设计计算普通螺栓组传递轴向外力设计计算 四、预紧四、预紧力力Q Qp p与工作载荷与工作载荷F F作用的普通螺栓计算作用的普通螺栓计算ZFF1、单个螺栓的工作载荷变形LQPFQQPFLF力LFa.a.总载荷总载荷Q=?; Q=?; 残余预紧力残余预紧力Q Qp p= =？FQFQQpp)(FFQQppb. F =？FLFFF tantan -tanL螺栓刚度LCFCCCFFLL ) 52( 表螺栓相对刚度式中：FLLCCCFL由： -tanF被联接件刚度FC2-32-3普通螺栓组传递轴向外力设计计算普通螺栓组传递轴向外力设计计算 四、预紧力四、预紧力QpQp与工作载荷与工作载荷F F作
49、用的普通螺栓计算作用的普通螺栓计算变形LQPFQQPFLF力LFFCCCQQFLLpFQQCCCCCpFLLLF 1 ；时，当pFLLLFQQCCCCC 0 ；时，当结论：为减小螺栓总载荷Q，被联接件刚度不宜太小；2-32-3普通螺栓组传递轴向外力设计计算普通螺栓组传递轴向外力设计计算 四、预紧力四、预紧力QpQp与工作载荷与工作载荷F F作用的普通螺栓计算作用的普通螺栓计算c、总载荷影响因素：变形LQPFQQPFLF力LF3、失效形式：a:被联件结合面出缝隙； b:螺栓塑变或被拉断2-32-3普通螺栓组传递轴向外力设计计算普通螺栓组传递轴向外力设计计算 四、预紧力四、预紧力QpQp与工作载荷
50、与工作载荷F F作用的普通螺栓计算作用的普通螺栓计算4、设计准则 FQFFQFFQppp）（平平稳稳：）（波波动动：一一般般联联接接）（有有紧紧密密性性要要求求：6 . 02 . 00 . 16 . 08 . 15 . 10pQ(1) 保证被联接件结合面不出缝：需要施加的预紧力保证PPQQ , FCCCQQFLLPP)1 (22212FLL1aadFCCCdF强度条件：(2) 保证螺栓不拉断或塑变I:F为静载荷（考虑工作时需要补充拧紧，应计入螺纹力矩的影响）4 3.121dQcaQQP螺栓拉力：II:F为变载荷（按应力幅校核螺杆疲劳强度）表螺栓材料许用应力幅（aa8222pQQF螺栓拉力幅：F
