《机械设计基础》第二章机械设计的基础理论.ppt

第2章机械设计的基础理论 2 1机械零件的失效与设计基本要求 2 2机械零件的强度 2 3机械系统的摩擦学设计 2 4零件制造常用材料及其选择 2 5机械设计中的标准化和互换性 2 6机械设计中的工艺性 1 基本要求 了解机械零件设计的基本要求和设计步骤 掌握机械零件强度计算中载荷 应力的种类及相应的强度设计准则 了解接触强度及其设计准则 了解干摩擦 边界摩擦 混合磨擦和流体摩擦的机理和物理特征 了解润滑的作用及润滑剂的主要质量指标 了解机械制造常用材料及其选择原则 了解机械设计中标准化的意义及相关概念 了解机械零件工艺性的基本要求 2 2 1机械零件的失效与设计基本要求 一 失效概念 Failure 例 齿轮轴断裂 失效 3 二 失效形式 Failuretypes 2 表面破坏 磨损 冷胶合热胶合 点蚀 塑性变形过大弹性变形 3 变形过大 胶合 4 过大振动 腐蚀 4 避免在预定寿命期内失效的要求 结构工艺性要求 经济性要求 质量小的要求 可靠性要求 机器是由各种各样的零部件组成的 要使所设计的机器满足基本要求 就必须使组成机器的零件满足以下要求 三 设计机械零件时应满足的基本要求 5 提高零件强度的措施有 采用高强度的材料 使零件具有足够的截面尺寸 合理设计零件的截面形状 增大惯性矩 采用热处理和化学处理方法提高材料的强度性能 提高零件的制造精度 以减少工作时的动载荷 合理配置零件的相对位置 以降低零件的载荷 1 强度要求 应保证零件有足够的强度 刚度 寿命 1 避免在预定寿命期内失效的要求 6 提高零件刚度的措施有 增大零件的截面尺寸或增大惯性矩 缩短支承的跨距或采用多点支承 2 刚度要求 零件在工作时的弹性变形不能超过允许的范围称为零件的刚度要求 刚度 指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力 如果零件的刚度不足 有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效 例如 机床主轴的弹性变性过大将会影响所加工工件的精度 y 可以是挠度 偏转角或扭转角 7 抗腐蚀的措施有 表面发兰 发黑 表面镀层 表面涂漆 表面阳极化 零件处在腐蚀性介质中工作时 可能使材料遭到腐蚀 大部分零件工作在变应力下 故疲劳破坏是引起零件破坏的主要原因 影响疲劳强度的因素有 应力集中 零件的尺寸大小 零件表面质量及环境状况 3 寿命要求 影响零件寿命的主要因素有 疲劳破坏 腐蚀 磨损 8 2 结构工艺性要求 零件工艺性良好的标志 在具体的生产条件下 零件要便于加工而加工费用又很低 工艺性的基本要求 1 毛坯选择合理 毛坯选择与生产批量 材料性能和加工可能性有关 单件或小批量生产时 选用棒料 板材 型材或焊件 大批量生产时 往往选用铸造 锻造 冲压等方法 2 结构简单合理 最好采用平面 柱面 螺旋面等简单表面及其组合 尽量减少加工面数和加工面积 尽量采用标准件 增加相同形状 相同元素 直径 圆角半径 配合 螺纹 键 齿轮模数等 的数量 9 3 合理的制造精度和表面粗糙度 零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加 决不能盲目追求高精度 应在满足使用要求的前提下 尽量采用较低的精度和表面质量 4 尽量减小零件的加工量 毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸 力求使少或无切削加工 节约材料 降低成本 尽量采用精密铸造 精密锻造 冷轧 冷挤压 粉末冶金等先进工艺满足上述要求 欲设计出工艺性良好的零件 设计者必须虚心向工艺技术人员和一线工人学习 在实践中积累经验 10 3 经济性要求 零件的经济性首先表现在零件的生产制造成本上 简化零件的结构 降低材料消耗 采用无余量 少余量的毛坯 减少加工工时 采用廉价而充足的材料代替昂贵材料 大型零件采用组合结构而非整体结构 尽量采用标准件 11 减小质量的措施 采用缓冲装置来降低零件所受冲击载荷 采用安全装置来限制作用在零件所受最大载荷 从零件应力较小处削减部分材料 以改善零件受力的均匀性 提高材料的利用率 采用与工作载荷方向相反的预载荷 以降低零件的工作载荷 采用轻型薄璧冲压件或焊接件代替铸造 锻压件 采用强重比高的材料 4 质量小的要求 减小质量的好处 节约材料 减小惯性 改善机器的动力性能 12 5 可靠性要求 零件的实效是随机发生的 其原因是零件所受的载荷 环境温度 零件本身物理和机械性能等因素是随机变化的 为了提高零件的可靠性 就应当在工作条件和零件性能两个方面使其变化尽可能小 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 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 13 强度准则刚度准则振动稳定性准则耐热性准则可靠性准则 四 机械零件设计准则 因为失效类型不同 所以机械零件的工作能力类型也不同 故机械零件的计算准则也不同 14 五 机械零件设计的一般步骤 1 根据零件的使用要求 选择零件的类型和结构 为此 必须对各种零件的不同类型 优缺点 特性和使用范围等 进行综合对比与正确选用 2 根据机器的工作要求 计算作用在零件上的载荷 3 根据零件的工作条件及对零件的特殊要求 如高温环境等 选择适当的材料 4 根据零件的失效形式 确定零件的计算准则 通过计算 确定零件的基本尺寸 5 根据工艺性和标准化 进行零件的结构设计 绘制草图 6 细节设计完成之后 必要时 进行详细的校核计算 以判定结构的合理性 7 绘制零件工作图 并撰写计算说明书 15 为了防止机械零件在工作中产生失效 设计时 需要以零件的工作能力计算准则为依据进行必要的计算 常用的计算方法 过程 有两种 1 设计计算 先分析零件的可能失效形式 根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸 2 校核计算 先确定零件的结构尺寸 然后再验算零件是否满足计算准则 如不满足 则应修改零件的尺寸 16 按名义载荷求得的应力称为名义应力按计算载荷求得的应力称为计算应力 在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷称为名义载荷 机器运转时 零件还会受到各种附加载荷 通常引入载荷系数K来估计这些因素的影响 名义载荷与载荷系数的乘积称为计算载荷 2 2机械零件的强度 一 载荷和应力 17 1 载荷 动载荷 由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷 静载荷 变载荷 按是否随时间变化 载荷 2 应力 静应力 变应力 max 最大应力 min 最小应力 m 平均应力 a 应力幅值 r 应力比 循环特性 随机变应力 非随机变应力 稳定循环变应力 不稳定循环变应力 18 对称循环 脉动循环 稳定循环应力 静应力 可看作是循环应力的一个特例 静应力只在静载荷作用下产生 循环应力可由变载荷产生 也可由静载荷产生 19 强度 指机械零件工作时抵抗破坏 断裂或塑性变形 的能力 强度条件有两种表示方法 1 用应力表示 2 用安全系数表示 注 对于切应力 只须将上述各公式中的 换成 即可 20 二 静强度 在静应力下工作的零件 其可能的失效形式是塑性变形或断裂 材料种类不同 所取极限应力也不同 单向应力状态下 复合应力状态下 按第三或第四强度理论计算当量应力 复合应力状态下 按第一强度理论计算当量应力 21 三 疲劳强度 疲劳 机械零件在变应力的作用下的失效形式 疲劳极限 应力比为r的应力循环作用N次后 材料不发生疲劳的最大应力 疲劳寿命 N 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N 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间关系的曲线 22 1 s N疲劳曲线 用参数 max表征材料的疲劳极限 通过实验 可得出如图所示的疲劳曲线 称为 s N疲劳曲线 在原点处 对应的应力循环次数为N 1 4 意味着在加载到最大值时材料被拉断 显然该值为强度极限 B 在AB段 应力循环次数 103 max变化很小 可以近似看作为静应力强度 BC段 N 103 104 随着N max 疲劳现象明显 因N较小 特称为 低周疲劳 23 由于ND很大 所以在作疲劳试验时 常规定一个循环次数N0 称为循环基数 用N0及其相对应的疲劳极限 r来近似代表ND和 r D点以后的疲劳曲线呈一水平线 代表着无限寿命区其方程为 实践证明 机械零件的疲劳大多发生在CD段 可用下式描述 于是有 104 103 24 CD区间内循环次数N与疲劳极限srN的关系为 式中 sr N0及m的值由材料试验确定 试验结果表明在CD区间内 试件经过相应次数的边应力作用之后 总会发生疲劳破坏 而D点以后 如果作用的变应力最大应力小于D点的应力 max r 则无论循环多少次 材料都不会破坏 CD区间 有限疲劳寿命阶段 D点之后 无限疲劳寿命阶段 25 2 材料的极限应力线图 Curveoffatiguelimit 同种材料 r不同时 r在 m a坐标系下的关系曲线 ACB 实验线图ACED 简化线图 26 如齿轮 凸轮 滚动轴承等 机械零件中各零件之间的力的传递 总是通过两个零件的接触形式来实现的 异形曲面的接触形式为点接触或线接触 四 接触强度 27 若两个零件在受载前是点接触或线接触 受载后 由于变形其接触处为一小面积 通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大 这种应力称为接触应力 这时零件强度称为接触强度 接触失效形式常表现为 疲劳点蚀 后果 减少了接触面积 损坏了零件的光滑表面 降低了承载能力 引起振动和噪音 机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的 在载荷重复作用下 首先在表层内约20 m处产生初始疲劳裂纹 然后裂纹逐渐扩展 润滑油被挤迸裂纹中将产生高压 使裂纹加快扩展 终于使表层金属呈小片状剥落下来 而在零件表面形成一些小坑 这种现象称为渡劳点蚀 28 由弹性力学可知 应力为 上述公式称为赫兹 H Hertz 公式 用于外接触 用于内接触 29 H 最大接触应力或赫兹应力 b 接触长度 Fn 载荷 综合曲率半径 综合弹性模量 E1 E2分别为两圆柱体的弹性模量 接触疲劳强度的判定条件为 Hlim为由实验测得的材料的接触疲劳极限 若两零件的硬度不同时 常以较软零件的接触疲劳极限为准 接触应力具有上下对等 左右对称及稍离接触区中线即迅速降低等特点 30 2 3机械系统的摩擦学设计 摩擦学 研究相对运动的作用表面间的摩擦 磨损和润滑 以及三者间相互关系的理论与应用的一门学科 摩擦 相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象 润滑 减轻摩擦和磨损所应采取的措施 关于摩擦 磨损与润滑的学科构成了摩擦学 Tribology 世界上使用的能源大约有1 3 1 2消耗于摩擦 机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的 随着科学技术的发展 摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观 由静态进入动态 由定性进入定量 成为系统综合研究的领域 磨损 由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移 31 1 干摩擦 两零件表面直接接触后 因为微观局部压力高而形成许多冷焊点 运动时被剪切 2 边界摩擦 一 摩擦状态 运动副表面有一层厚度 1 m的薄油膜 不足以将两金属表面完全分开 其表面部分微观高峰部分仍将相互搓削 比干摩擦的磨损轻 f 0 1 0 3 有一层压力油膜将两金属表面隔开 彼此不直接接触 是理想的摩擦状态 3 液体摩擦 摩擦和磨损极轻 f 0 001 0 01 32 4 混合摩擦 混合摩擦是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态 混合摩擦能有效降低摩擦阻力 其摩擦系数比边界摩擦时要小得多 33 磨损 由于摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移 磨损曲线 二 磨损 磨损过程大致如图所示 磨合阶段 包括摩擦表面轮廓峰的形状变化和表面材料被加工硬化两个过程 稳定磨损阶段 零件在平稳而缓慢的速度下磨损 剧烈磨损阶段 在经过稳定磨损阶段后 零件表面遭到破坏 运动副间隙增大引起而外的动载荷和振动 零件即将进入报废阶段 后果 降低机器的效率和可靠性 甚至促使机器提前报废 设计机器时 要求缩短磨合期 延长稳定期 推迟剧烈磨损期的到来 34 三 润滑 润滑的作用 降低摩擦副的摩擦 减少磨损 以及冷却 密封 防锈和减振等 润滑的分类 1 流体动力润滑 靠两摩擦表面的相对运动建立压力油膜 称为动压油膜 两表面被压力油膜完全分开 实现流体润滑 2 流体静力润滑 两摩擦表面被外部供油装备输入的压力油完全分开 强迫形成压力油膜 实现流体润滑 3 弹性流体动力润滑 是指理论上为点 线接触的摩擦副 在考虑表面的弹性变形等因素的基础上建立的流体动力润滑 4 边界润滑和混合润滑 即边界摩擦和混合摩擦 35 四 润滑剂及其特性 石墨 二硫化钼 聚四氟乙烯等 凡是能减小摩擦阻力 减小磨损的物质都可作为润滑剂 1 润滑剂的分类 1 液体润滑剂 2 润滑脂 注 润滑油和润滑脂在实际中应用最广 俗称黄油 由润滑油 稠化剂混合而成 3 固体润滑剂 4 气体润滑剂 如空气 氮气 二氧化碳等 主要有 动植物油 矿物油 水 液态金属等 36 2 润滑油的主要性质 1 油性 是润滑油吸附于摩擦表面形成边界膜的能力 油性越好 吸附能力就越强 2 粘度 是表示油液内部相对运动时产生内摩擦阻力大小的性能指标 粘度是选择润滑油的主要依据 液体层与层之间摩擦切应力 实验结果 液体的动力粘度 简称粘度 工程中常用运动粘度 注 我国润滑油的牌号就是用40 下运动粘度的平均值表示的 37 影响粘度的主要因素 温度t 压力p 粘 温图 粘度值的大小不仅影响摩擦副的运动阻力 而且对润滑油膜的形成及承载能力具有决定性的作用 p 10Mpa时可忽略 变化很小 38 载荷及应力的大小和性质 零件的工作情况 零件的结构及加工性 材料的经济性 零件的尺寸及重量 2 4零件制造常用材料及其选择 适用于制作机械零件的材料种类非常之多 在设计机械零件时 如何从各种各样的材料中选择出合适的材料 是一项受多方面因素所制约的复杂的工作 设计者应根据零件的用途 工作条件和材料的物理 化学 机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑 选材的一般原则 39 脆性材料 只适用于制造在静载荷下工作的零件 1 载荷及应力的大小和性质 2 零件的工作情况 指零件所处的环境特点 工作温度 摩擦磨损程度等 这方面的因素主要是从强度观点来考虑的 应在充分了解材料的机械性能的前提下来进行选择 金属材料的性能一般可以通过热处理加以提高和改善 因此 要充分利用热处理手段来发挥材料的潜力 对于常用的调质钢 由于其回火温度的不同 可得到机械性能不同的毛坯 塑性材料 适用于在有冲击情况下工作的零件 在湿热环境下工作的零件 其材料应具有良好防腐蚀能力 可选用不锈钢 铜合金等 40 零件的尺寸及质量的大小与材料的品种及毛坯制取方法有关 3 零件的尺寸及重量 两配合零件的线性膨胀系数不能相差过大 一面在温度变化时产生过大热应力或使配合松动 另一方面要考虑材料机械性能随温度而变化的情况 零件在工作中可能发生磨损的表面 应提高其表面硬度 增加耐磨性 因此应选择淬火钢 渗碳钢 氮化钢 用铸造材料制造毛坯时 一般可以不受尺寸及质量大小的限制 而用锻造材料制造毛坯时 则须注意锻压机械及设备的生产能力 应尽可能选用强重比大的材料 以便减小零件的尺寸和质量 41 材料的加工费用 5 材料的经济性 选材时还应考虑到当时当地材料的供应状况 为了简化供应和贮存的材料品种 对于小批制造的零件 应尽可能地减少同一部机器上使用的材料品种和规格