第9章机械设计概论.ppt

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1、第9章 机械零件设计概论 91 机械零件设计概述 一、本部分的研究对象 机械零件：通用部零件、专用零部件研究对象：一般参数的通用零件的设计理论与方法1机器组成：原动机传动装置工作机控制系统辅助系统（如仪表、照明等）轿车组成：23二、机械设计的基本要求 1、对机械设计的要求 a)对机器使用功能方面的要求 b)对机器经济性的要求2、对机械零件设计的基本要求 a)在预定工作期限内正常、可靠地工作，保证机器 的各种功能 b)要尽量降低零件的生产、制造成本 4三、机械设计的一般程序 1、机器设计的一般程序 市场调研可行性研究原理方案设计技 术设 计试制试验小批生产试销投产设计任务书定出最佳方案装配图、零

2、件图、技术文件样机评价改进考核工艺性收集用户意见产品销售5 1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷 2）选择零件的类型与结构 3）选择零件的材料 4）按可能的失效形式确定零件的计算准则，并确定零件的 基本尺寸，并加于标准化和圆整 5）零件的结构设计 6）绘制零件的工作图，并编写计算说明书 2、机械零件设计的一般步骤由于载荷作用的不平稳性、分布的不均匀性等因素，实际载荷大于名义载荷。载荷系数K 计算载荷(Fc、Pc、Tc)=载荷系数名义载荷6 四。机械设计的最新进展 1、设计理论的不断完善与发展2、设计手段和方法的不断更新3、机械设计的综合程度越来越高，与其它学科交叉越来越广泛和深入机电一体

3、化4、机械设计的实验研究技术有了很大的发展和提高，实验与理论相互促进 7 9-2机械零件的工作能力和计算准则 8 机械零件的主要失效形式和设计计算准则 一、机械零件的失效形式 失效零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能失效形式：强度失效、刚度失效、磨损失效、振动、噪声失效、精度失效、可靠性失效二、机械零件的计算准则 工作能力零件不发生失效时的安全工作限度 计算准则以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件工作能力计算依据的基本原则9101、强度准则 2、刚度准则 零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力 零件在载荷作用下抵抗破坏的能力 y可以是挠度、偏转角或扭转角 113、耐磨性准则 作相对运动的

4、零件其工作表面抵抗磨损的能力 4、振动和噪声准则 5、热平衡准则 6、可靠性准则 系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。12：可靠度表示零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率 N个相同零件在同样条件下同时工作，在规定的时间内有Nf个失效，剩下Nt个仍继续工作，则 不可靠度（失效概率）：n个零件组成的串联系统，单个零件的可靠度:R1、R2、Rn，则系统的可靠度为Rf=R1R2Rn1393 93 载荷与应力的分类载荷与应力的分类 一、载荷的分类 1）循环变载荷 a)稳定循环变载荷 b)不稳定循环变载荷2）随机变载荷静载荷变载荷：载荷：1）名义载荷：平稳工作条件

5、下作用在零件的载荷。2）计算载荷：考虑载荷分布不均匀性等影响的载荷。14静应力二、应力的分类1、应力种类变应力：不稳定变应力：稳定循环变应力152、稳定循环变应力的基本参数和种类 a)基本参数 应力循环特性最大应力最小应力平均应力应力幅b)稳定循环变应力种类：-1+1不对称循环变应力 =+1 静应力 =1 对称循环变应力 =0 脉动循环变应力16变应力静应力：r=1t脉动循环：r=0t0对称循环：r=-1t0非对称循环t017注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生t0a18 94 94 静应力时机械零件的强度计算静应力时机械零件的强度计算两种判断零件强度的方

6、法危险截面的工作应力小于或等于许用应力危险截面的实际安全系数大于或等于许用安全系数19一、单向应力下的塑性零件 强度条件：或 二、复合应力时的塑性材料零件二、复合应力时的塑性材料零件l按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算 l由第三强度理论 （最大剪应力理论）由第四强度理论：（最大变形能理论）20复合应力计算安全系数为：三、脆性材料与低塑性材料三、脆性材料与低塑性材料l脆性材料极限应力：（强度极限）1、单向应力状态 l强度条件：或l l 失效形式：断裂 21按第一强度条件：（最大主应力理论）注意：低塑性材料（低温回火的高强度钢）强度计算应计入应力集中的影响 脆性材料（铸铁）强度计算不考

7、虑应力集中一般工作期内应力变化次数103（104）按静应力强度计算2、复合应力下工作的零件22四。许用安全系数五。如何提高机械零件的强度合理布置零件的位置尽量使载荷分布均匀采用等强度结构减小应力集中239-59-5 机械零件的接触强度机械零件的接触强度高副零件工作时，理论上是点接触或线接触实际上由于接触部分的局部弹性变形而形成面接触由于接触面积很小，使表层产生的局部应力却很大。该应力称为接触应力。在表面接触应力作用下的零件强度称为接触强度计算依据：弹性力学的赫兹公式 1、接触应力a)两圆柱体接触24b)两球接触综合曲率半径说明：1）圆柱体 ，球 Hmax与F不呈线性关系253）同样的p1、p2

8、下，内接触时较小，Hmax较小，约为外接触时的48%，重载情况下，采用内接触，有利于提高承载能力或降低接触副的尺寸。2）圆柱体 ，球 越大，Hmax越小2、失效形式 静应力:表面压碎 脆性材料,表面塑性变形塑性材料变应力：疲劳点蚀齿轮、滚动轴承的常见失效形式。263、提高接触疲劳强度的措施 1）控制最大接触应力 2）提高接触表面硬度，改善表面加工质量 3）增大综合曲率半径 4）改外接触为内接触，点接触线接触 5）采用高粘度润滑油 271、失效形式：疲劳（破坏）（断裂）2、疲劳破坏特征：1）断裂过程：产生初始裂纹（应力较大处）裂纹尖端在切应力作用下，反复扩 展，直至产生疲劳裂纹。2）断裂面：光滑

9、区（疲劳发展区）粗糙区（脆性断裂区）3）无明显塑性变形的脆性突然断裂 4）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限 9-69-6 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算一、变应力作用下机械零件的失效特征3、疲劳破坏的机理：损伤的累积4、影响因素：不仅与材料性能有关，变应力的循环特性，应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。28二、材料的疲劳曲线和极限应力图二、材料的疲劳曲线和极限应力图疲劳极限，循环变应力下应力循环N次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为材料的疲劳极限疲劳寿命（N）材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N1、疲劳曲线：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之

10、间关系的曲线No 循环基数 持久极限1）有限寿命区 当N103(104)高周循环疲劳当 时随循环次数疲劳极限l注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。2）无限寿命区持久极限对称循环：脉动循环：l3）疲劳曲线方程30寿命系数l疲劳极限几点说明：l No 硬度350HBS钢，No=107l 350HBS钢，No=(10-25)x107l有色金属(无水平部分)，规定当No25x107时,近似为无限寿命区 m指数与应力与材料的种类有关。l钢 m=9拉、弯应力、剪应力 m=6接触应力l青铜 m=9弯曲应力 m=8接触应力31 应力循环特性越大，材料的疲劳极限与持久极限越大，对零件强度越有利。对称循环（

11、应力循环特性=-1）最不利2、材料的疲劳极限应力图同一种材料在不同的应力循环特性下的疲劳极限图（图）l 对任何材料（标准试件）而言，对不同的应力循环特性下有不同的持久极限，即每种应力循环特性下都对应着该材料的最大应力=，再由应力循环特性可求出 和 、以 为横坐标、为纵坐标，即可得材料在不同应力循环特性下的极限 和 的关系图32如图 AB脆性材料所示，塑性材料类似，曲线上的点对应着不同应力循环特性下的材料疲劳极限A对称疲劳极限点 D脉动疲劳极限点 B 强度极限点 C 屈服极限点33 上各点：如果 不会疲劳破坏 上各点：如果 不会屈服破坏 折线以内为疲劳和塑性安全区，折线以外为疲劳和塑性失效区，工

12、作应力点离折线越远，安全程度愈高。材料的简化极限应力线图，可根据材料的和三个试验数据 和 而作出34 对称极限点 强度极限点 脉动疲劳极限点 屈服极限点 简化极限应力线图：简化极限应力图 作法：考虑材料的最大应力不超过疲劳极限，得 及延长线 考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限，得35由于实际机械零件与标准试件之间在绝对尺寸、表面状态、应力集中、环境介质等方面往往有差异，这些因素的综合影响使零件的疲劳极限不同于材料的疲劳极限，其中尤以应力集中、零件尺寸和表面状态三项因素对机械零件的疲劳强度影响最大。三、影响机械零件疲劳强度的主要因素和零件极限应力图1、应力集中的影响有效应力集中系数 零件受载时

13、，在几何形状突变处（圆角、凹槽、孔等）要产生应力集中，对应力集中的敏感程度与零件的材料有关，一般材料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感 362、零件尺寸的影响尺寸系数 由于零件尺寸愈大时，材料的晶粒较粗，出现缺陷的概率大，而机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，所以对零件疲劳强度的不良影响愈显著 3、表面状态的影响 1）表面质量系数零件加工的表面质量（主要指表面粗糙度）对疲劳强度的影响 钢的 越高，表面愈粗糙，愈低 强化处理评火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、喷丸、滚压等冷作工艺2）表面强化系数考虑对零件进行不同的强化处理，对零件疲劳强度的影响37应力集中，零件尺寸和表面状态 只对应力幅 有影响，而

14、对平均应力 无影响试验而得 4、综合影响系数 和零件的极限应力图综合影响系数表示了材料极限应力幅与零件极限应力幅的比值1）综合影响系数382、零件的极限应力图 由于 只对 有影响，而对 无影响，在材料的极限应力图 ADGC上几个特殊点以坐标计入 影响 零件脉动循环疲劳点 零件对称循环疲劳点AG许用疲劳极限曲线，GC屈服极限曲线 39直线AG方程:零件的材料特性 标准试件中的材料特性直线CG方程：40四、单向稳定变应力时的疲劳强度计算 1、大多数转轴中的应力状态 过原点与工作应力点M或N作连线交ADG于M1和N1点，由于直线上任一点的应力循环特性均相同,M1和N1点即为所求的极限应力点 41a)

15、当工作应力点位于OAG内极限应力为疲劳极限，按疲劳强度计算零件的极限应力，疲劳极限：强度条件为：b)工作应力点位于OGC内极限应力为屈服极限，按静强度计算422、振动中的受载弹簧的应力状态需在极限应力图上找一个其平均应力与工作应力相同的极限应力，如图，过工作应力点M（N）作与纵轴平行的轴线交AGC于M2（N2 ）点，即为极限应力点 a)当工作应力点位 于OAGH区域极限应力为疲劳极限 强度条件：b）工作应力点位于GHC区域极限应力为屈服极限 强度条件为：433、变轴向变载荷的紧螺栓联接中的螺栓应力状态 过工作应力点M（N）作与横坐标成45的直线，则这直线任一点的最小应力 均相同，直线与极限应力

16、线图交点 即为所求极限应力点。44a)工 作 应 力 点 位 于OJGI区域内求AG与MM3的交点:强度条件:极限应力为疲劳极限，按疲劳强度计算45c）工作应力位于OAJ区域内b)工作应力点位于IGC区域极限应力为屈服极限按静强度计算极限应力点为静强度条件为负值，工程中罕见，故不作考虑。465）等效应力幅 注意：1）若零件所受应力变化规律不能肯定，一般采用 =C的情况计算2）上述计算均为按无限寿命进行零件设计，若按有限寿命要求设计零件时，即应力循环次数103(104)NNo时，这时上述公式中的极限应力应为有限寿命的疲劳极限 ，即应以-1N 代-1，以oN代o3）当未知工作应力点所在区域时，应同

17、时考虑可能出现的两种情况4）对切应力上述公式同样适用，只需将改为即可。47五、双向稳定变应力时的疲劳强度计算 1、对称循环稳定变应力 当零件剖面上同时作用着相位相同的纵向和切向对称循环，稳定变应力a和a时，经试验后极限应力关系为a,a 同时作用正应力和切应力的应力幅极限值（,同时作用）-1e,-1e 为零件对称循环正应力和切应力时疲劳极限（,单独作用）在以 的坐标系中为一个单位圆 48圆弧AMB任何一点即代表一对极限应力 a 和a ，如果工作应力点M（）在极限圆以内，则是安全的。M点所对应的极限应力点M 确定时，一般认为 比值不变（多数情况如此），M 点在OM直线的延长线上，如图所示M强度条件为：零件只受对称循环切应力时的安全系数 零件只受对称循环正应力时的安全系数49