《机械设计》PPT课件.ppt

第二章 机械零件的工作能力和计算准则,1、失效-机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时 2、失效具有多样性: 失效并不单纯意味着破坏 3、同一种零件会有多种失效形式 4、工作能力-不发生失效时的安全工作限度 5、工作能力也具有多样性（承载、耐压、耐温、耐变形、 耐蠕变等） 6、同一种零件也有多种不同的工作能力 7、失效形式的归纳：强度、刚度、耐磨性、温度、振动稳 定性、可靠性,计算准则-针对某种失效形式、为满足某种工作能力 而建立的设计准则,本章任务： 介绍常见计算准则（主要涉及强度、刚度、耐磨性、耐温性），提出相应提高零件工作能力的主要措施,2.1 载荷和应力的分类,载荷分类-静载荷和变载荷 1.静载荷-大小方向不随时间变化或变化很小的载荷 2.变载荷-随时间作周期性或非周期性变化的载荷 3.设计计算中涉及-名义载荷和计算载荷 4.载荷系数主要由动力机和工作机的工作性能 决定,应力分类,1.静应力-大小方向不随时间变化或变化缓慢的应力 2.变应力-大小方向随时间变化的应力 3.变应力具有多样性,但可以归纳为: 对称循环、脉动循环、非对 称循环变应力三种基本类型 4.变应力通常可用5个参数来描述 5.静应力只能由静载荷产生, 变应力可由变载荷及静载荷产生 6.名义应力-由名义载荷求出的应力 7.计算应力-由计算载荷求出的应力,2.2 机械零件的强度,两种判断零件强度的方法 1.判断危险截面的最大应力(,)是否小于或等于许用应力(,),2.判断危险截面的实际安全系数是否大于或等于许用安全系数,静应力强度,静应力作用下的零件强度失效形式 -塑性变形或断裂 1. 单向应力时的塑性材料零件： 按不发生塑性变形的条件进行强度计算, 取屈 服极限为极限应力, 不考虑应力集中 2. 复合应力时的塑性材料零件 用第三或第四强度理论进行强度计算, 先求出 复合应力的当量值, 然后应用强度理论,3.允许少量塑性变形的零件,-对组织不均匀的材料,在计算时不考虑应力集中. 组织均匀的低塑性材料则应考虑应力集中,4.脆性材料和低塑性材料零件,变应力强度 变应力工作的零件失效形式将是疲劳断裂,疲劳极限-循环特性一定的应力作用N次而不发生 疲劳破坏的最大应力rN 影响疲劳极限的因素-循环特性,循环次数,应力集 中,零件尺寸,表面状态,许用安全系数,1.何谓安全系数? 2.安全系数的决定因素- A.载荷和应力的性质和计算的准确性 B.材料的性质和材质的不均匀性 C.零件的重要性 D.工艺质量和探伤水平 E.运行条件（是否平稳、冲击） F.环境状况（腐蚀、温度条件） 3.安全系数的制定原则-在保证安全可靠的前提下,尽可能 选用较小的数值,提高机械零件强度的措施,从结构方面 1.合理布置零件,减少所受载荷 2.降低应力集中,均匀载荷分布 3.采用等强度结构 4.选用合理截面 5.减少应力集中 从工艺方面改善表面状态 1. 喷丸,碾压 2.渗碳,碳氮共渗,渗氮,表面淬火 基本原理-形成残余压应力,提高表面疲劳强度,2.3 机械零件的表面强度,1.表面强度的重要性 2.表面强度分为三种: A.表面接触强度 B.表面挤压强度 C.表面磨损强度,表面接触强度,1.静载荷作用时的失效形式 -脆性材料的表面压碎和塑性材 料的表面塑性变形 计算条件,变载荷作用下的表面强度,-失效为疲劳破坏(表面疲劳磨损) 计算准则-,提高表面强度的主要措施,1.增大接触表面的综合曲率半径 2.将外接触改为内接触 3.将点接触改为线接触 4.提高表面硬度 5.改善加工质量 6.采用粘度较高的润滑油,表面挤压强度,1.挤压应力- 2.挤压失效形式-压碎和塑性变形 3.挤压应力的分布 4.条件性简化计算挤压 5.计算公式,表面磨损强度,条件性计算 1、滑动速度低、载荷大时限制表面压强 pp (防止压碎及塑性变形） 2、滑动速度高时防止润滑失效 pvpv 3、高速时防止速度过高加速磨损 vv,提高表面磨损强度的措施,1.选用合适的摩擦副材料 2.提高表面硬度 3.降低表面粗糙度 4.采用有效的润滑剂和润滑方法 5.表面镀层,氧化处理 6.防止灰尘进入摩擦面 7.防止温度过高,2.4 机械零件的刚度,刚度-零件在载荷作用下抵抗变形的能力 (力,力矩/弹性变形量) 柔度-在外力作用下产生变形的能力 (弹性变形量/力,力矩) 刚度不足的影响 1.影响机器的正常工作 2.刚度是保证强度的重要因素 3.加工设备及加工件的刚度影响 4.刚度会影响零件的自振频率 5.弹性元件则要求有一定的柔度,刚度的计算,刚度指标: 伸长量,压缩量,挠度,扭角,转角 计算方法: 模型简化 计算准则: 计算值不大于许用值 按刚度计算所得的零件截面尺寸一般要比按强度计算尺寸大,故满足刚度要求时往往能满足强度要求;但对于尺寸较大的零件,当满足刚度要求时不一定满足强度要求,影响刚度的因素及改进措施,1.材料对刚度的影响 弹性模量大则刚性就大,金属大于非金属 同类金属的弹性模量相差不大,以高强度合金钢代替普通碳钢来提高刚度的方法不可取 2.结构对刚度的影响 -截面形状 -支承方式和位置 -是否有加强肋 加强肋三原则：延至力作用点， 高度不宜过低，在受压下工作,预紧装配对刚度的影响 为什么会产生这种现象?,冲击强度和冲击变形的计算 提高机械零件冲击强度和缓冲能力的措施 -采用能增加零件弹性变形的结构 -采用弹性模量低的材料 -增加缓冲零件 -采用无间隙或预紧的联接,2.5 机械零件的冲击强度,2.6 温度对机械零件工作能力的影响,1.温度对摩擦磨损过程的影响 2.温度对材料膨胀和收缩的影响 3.温度对材料力学性能的影响 蠕变：一定温度下和应力下，缓慢而连续的塑性变形现象 蠕变极限：工作温度下蠕变速率达 到一定数值时的极限应力 松弛：总变形不变，弹性变形部 分逐渐转变为塑性变形,2.7 振动的稳定性,1.振动-周期性的变形现象 产生原因：往复运动；不平衡转动；周期性外力 2.失稳- 3.振动稳定性计算 计算准则-使零件的固有频率与外力作用频率既不相等也 不接近 4.减轻振动的措施 -采用对称结构，减少悬臂长度，缩短中心距 -对传动零件进行平衡 -利用阻尼消耗引起振动的能量 -设置隔振零件 -设置阻尼器或吸振器,2.8 机械零件的可靠性,1.可靠性-产品在规定的条件下和规定的时间 内完成规定功能的能力 2.可靠度-产品在规定的条件下和规定的时间 内完成规定功能的概率(Rt) 3.累积失效概率-产品在规定的条件下和规定 的时间内失效的概率(Ft或P) Rt=Nt/N=(N-Nf)/N=1-Nf/N Ft=Nf/N=1-Rt , Ft+Rt=1,失效分布密度f(t)=dFt/dt=dNf/Ndt 失效分布曲线-f(t)与时间t的关系曲线,(正态 分布,韦布尔分布,指数分布) 串联系统可靠度-R=R1R2R3R4Rn 提高零件可靠性的措施-,1、何谓零件的失效？常见形式有哪些？ 2、载荷、应力各如何分类？基本变应力有哪几种？用 哪些参数描述变应力？ 3、如何判断零件受力类型？ 4、两种判断零件强度的方式是什么？ 5、单向静应力及复合静应力作用下零件强度如何判断？ 复合静应力安全系数如何求出？ 6、何谓疲劳极限？它与哪些因素有关？ 7、安全系数如何选择？其大小会产生什么影响？ 8、提高零件强度有哪些措施？ 9、表面强度有哪几种？点蚀是怎样发生的？如何提高 接触疲劳强度？如何计算挤压和磨损强度？,复习思考题,10、何谓刚度和柔度？刚度不足会产生什么影响？ 影响刚度的因素有哪些？ 11、根据冲击模型推导解释冲击载荷的危害