哈工大机械设计.ppt

第3章 机械零件的设计方法简介3.1 机械零件的常见失效形式和设计准则3.1.1 机械零件的主要失效形式 1）断裂 静载下危险剖面上的应力强度极限时：如螺栓被拧断，铸铁零部件冲击局部断裂 变应力下危险剖面上的应力疲劳极限时：如齿轮轮齿根部断裂 断裂是一种严重的失效形式，不但使零件失效，还会导致严重事故，需要在设计时严格避免。 2）塑性变形 危险剖面上的应力材料的屈服极限时： 就会造成零件的尺寸和形状产生永久的改变。 破坏零部件之间的相互位置和配合关系，破坏机械系统的精度，导致不能正常工作。 如齿轮轮齿发生塑性变形导致剧烈振动和噪声；阀门控制弹簧发生塑性变形导致阀门无法正常开启。 3）过量的弹性变形 会造成零件的破坏，降低机械系统的运动精度，导致不能正常工作。 如机床主轴的过量弹性变形会降低加工精度、电机主轴的过量弹性变形会改变定子与转子间隙，影响电机性能。 4）表面失效 主要是指磨损、疲劳点蚀、胶合、塑性流动、压溃和腐蚀等。 表面失效会改变零部件的配合关系、降低精度、产生噪声和振动等，严重时导致零件卡死、零件被扭断等恶性失效。 5）破坏正常工作条件引起的失效 如带传递的载荷超过带与带轮接触面间的最大摩擦力时就会产生打滑，使带传动失效； 高速回转零件转速与系统固有频率接近时就会发生共振，使振幅增大，以致引起断裂失效； 润滑不良时轴承会发生剧烈温升或卡死，润滑不良时蜗轮表面会发生剧烈磨损等。 注意：同一零件可能有多种失效形式 例如对于载荷稳定、一般用途的转轴，疲劳断裂是主要失效形式； 对于机床精密主轴，过量的弹性变形是主要失效形式； 高速回转的轴，共振、丧失振动稳定性可能是主要失效形式。 3.1.2 机械零件的工作能力和设计准则 应优先保证承载能力较小的零件的承载能力，按照承载能力的最小值设计。 1. 强度设计准则 强度是零、部件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及表面失效的能力，是机械零件首先应该满足的基本要求。 应使危险剖面上的最大工作应力不超过许用应力: 满足强度要求的另一表达式是使危险剖面上的 实际安全系数不超过许用安全系数: 刚度设计准则 刚度是零、部件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。 对于一般用途的轴，最大许用弯曲变形量可取为： L为轴的跨距，单位为mm。 3. 精度设计准则 精度是零、部件的基本指标。 精度指标用尺寸误差和形状位置误差值进行控制和保证。 4. 寿命设计准则 影响零、部件实际寿命的主要因素：是材料的疲劳 和磨损及腐蚀引起的表面失效。 为防止疲劳失效：按材料的疲劳极限进行疲劳强度计算。 为防止磨损：一方面应合理润滑，另一方面可采用条件性 计算，如限制压强p、速度v及pv值。 为防止腐蚀：选用耐腐蚀材料，采用表面镀层、喷涂漆膜及 表面阳极化处理等表面保护措施。 5. 振动稳定性准则 主要是避免共振。 应使零部件的固有频率f与激振频率fp错开，即应满足 6. 可靠性设计准则 可靠性表示系统、机器或零、部件等在规定时间内能 正常工作的能力。可靠性用可靠度R来表示。 * * * * * * 2.2 机械零件的载荷和应力 2.2.1、载荷 静载荷：大小、方向不随时间变化或变化缓慢 如重力 变载荷：大小、方向随时间作周期性或非周期 性变化 名义载荷F：根据原动机或工作机的额定功率计算出 的作用于机械零件上的载荷（未考虑不 均匀性及其他影响因素）。 计算载荷： 周期性变化如内燃机等往复式动力机械的曲轴所受的载荷 非周期性变化如承受车身质量的悬挂弹簧所受的载荷 * 随机变应力 静应力：大小、方向不随时间变化或变化缓慢 规律性不稳定变应力 2.2.2 应力 1、静应力和变应力 变应力： 不稳定变应力： 稳定循环变应力：变化周期相同、变化幅值 相等的应力 材料疲劳的两种类别 交变应力的描述 sm─平均应力； sa─应力幅值 smax─最大应力； smin─最小应力 r ─应力比（循环特性） 描述规律性的交变应力可有5个参数，但其中只有两个参数是独立的。 r = -1　对称循环变应力 r=0　脉动循环变应力 r=1　静应力 -1 r 1　非对称循环变应力 稳定循环变应力的基本参数和种类 * a) 基本参数 应力循环特征 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 γ+1——非对称循环变应力 γ =+1 —— 静应力 γ = –1 ——对称循环变应力 γ = 0 —— 脉动循环变应力 §2-1 概 述 材料疲劳