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1 1概述 1 3机械零件的强度计算 1 2机械设计的基本要求 机械零件的工作能力和计算准则 机器 Machine 主要是指机械装置 如电动 内燃机 机床 汽车 火车 飞机 轮船 起重运机械 冶金矿山机械 轻纺食品机械等等 机械设计 MachineDesign 即为各种机械装置的设计 机械设计是为了满足机器的某些特定功能而进行的创造性过程 设计是创造性的劳动 设计的本质在于创新 本课程主要介绍机械设计中的一些基础知识 机械 Machinery 是机器和机构统称 1 1概述 内燃机 指南车 破碎机 机械设计课程的研究对象 机械 如 带式运输机 带传动 齿轮传动 蜗杆传动 螺纹联接 轴 键联接 轴承 联轴器 通用机械零部件的工作原理 特点 选用及设计计算 机械设计课程的研究内容 链传动 蜗杆传动 齿轮传动 链传动 键联接 花键联接 轴系零部件设计 轴 滚动轴承 轴系结构分析 5 其他要求 环保 噪音 外观等 一 机械设计的基本要求 1 实现预定的功能 工作可靠 2 经济性好 设计和制造周期短 成本低 产品生产效率高 能耗低维护管理费用少 3 操作方便 运行安全 4 标准化 系列化程度高 以便简化设计工作 提高产品质量 1 2机械设计的基本要求 机械零件的工作能力和计算准则 二 机械零件的工作能力及计算准则 一 机械零件的工作能力零件的工作能力 是指在一定的运动 载荷和环境情况下 在预定的使用期限内 不发生失效的安全工作限度 二 机械零件的主要失效形式 过大弹性变形 零件的刚度不够引起 塑性变形 工作应力超过材料的屈服极限 S引起 疲劳断裂 工作应力超过零件的疲劳极限 r引起 过载断裂 工作应力超过材料的强度极限 B引起 压溃 过度磨损 零件接触表面上的压应力p过大 胶合 零件工作温升 t过高引起 表面疲劳损坏 零件表面接触应力 H过大引起 计算准则 用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据 对于具体的零件 应根据它们的主要失效形式 采用相应的计算准则 常用的计算准则有 三 机械零件的计算准则 1 强度准则性 针对零件断裂 塑性变形或表面疲劳损坏失效 强度 指零件在载荷作用下抵抗断裂或塑性变形的能力 强度是保证零件工作能力的最基本要求 若零件的强度不够 不仅因为零件的失效使机械不能正常工作 还可能导致安全事故 强度的计算准则为 MPa或 针对断裂或塑性变形 H H 针对表面疲劳损坏 2 刚度准则 针对过大弹性变形刚度 指零件在一定载荷作用下抵抗过大弹性变形的能力 刚度是保证机正常工作 提高机床加工产品质量的基本要求 刚度的计算准则为 y y 式中 y 和 分别为零件工作时的挠度 偏转角和扭转角 3 耐磨性准则 针对过度磨损 胶合破坏耐磨性 指零件在载荷作用下相对运动的两零件接触界的抗磨损面能力 耐磨性是保证有相对运动的零件正常工作的基本要求 其验算式为 p p 防止过度磨损pv pv 防止胶合破坏 计算准则 4 振动和噪声准则 针对高速机械的振动失稳 即共振 当零件的固有振动频率f等于或趋近于零件的强迫振动频率fp时 将产生共振 这不仅影响机械正常工作 甚至造成破坏性事故 而振动又是产生噪声的主要原因 防止共振的条件为 fp 0 87f或fp 1 18f式中 f 零件的固有振动频率 取决于零件的质量和刚度fp 零件受激振源作用引起的强迫振动频率 计算准则 机械设计应满足的要求很多 但强度要求是所有零件都必须满足的首要条件 而强度计算必需确定作用于零件上的载荷和应力 一 载荷和应力的类型 静载荷 大小和方向均不随时间变化的载荷变载荷 大小或方向随时间变化的载荷 静应力 大小和方向均不随时间变化 或变化极缓慢 的应力变应力 大小和方向 或大小或方向随时变化的应力 1 3机械零件的强度计算 2 变应力参数及典型变应力 1 变应力参数 最大应力 max最小应力 min 应力循环特征 用来表示应力的变化情况 min max 2 典型变应力及应力循环特征 平均应力 应力幅 max m min a a 一 载荷和应力的类型 应力类型 a 静应力 1变应力特例 b 非对称循环变应力 在 1 1 间变化 c 对称循环变应力 1 d 脉动循环变应力 0 一 载荷和应力的类型 二 机械零件的失效形式及强度条件式 静应力作用下 过载断裂 塑性变形 二 零件强度条件式 lim S 脆性材料制造的零件 lim b 塑性材料制造的零件 lim S 2 变应力作用下零件限应力 lim N 一 零件的失效形式 变应力作用下 疲劳破坏约占零件损坏事故中的80 3 安全系数 S的取值对零件的结构尺寸 工作可靠性均有影响 设计时应根据零件的重要性 零件材料的质量 栽荷计算准确性等方面 合理选取 具体数值可参考设计资料 1 零件损坏机理 静应力作用下 危险剖面塑性变形或断裂 变应力作用下 疲劳断裂 零件表面应力超过极限值 微裂纹 扩展 断裂 2 极限应力 静应力极限应力 与材料性能有关 变应力疲劳极限 与材料有关外 还与 三 零件损坏机理 三 机械零件材料的疲劳极限 描述应力循环次数N和疲劳极限 N间关系的曲线 其横坐标为应力循环次数N 纵坐标为疲劳极限 N 疲劳曲线 一 N疲劳曲线 等应力循环特征 的不等寿命N曲线 D 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 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 于是有 机械零件的疲劳大多发生在s N曲线D点以前 可用下式描述 有限寿命区间内循环次数N与疲劳极限 rN的关系为 式中 r N0及m的值由材料试验确定 N 应力循环次数 N 60nth 用疲劳曲线求取疲劳极限 N的方法 无限寿命区 N N0 疲劳极限 N kN 1 kN 寿命系数 有限寿命区 N N0 疲劳极限 二 极限应力线图 等寿命疲劳曲线 机械零件材料的疲劳特性除用 N曲线表示外 还可用等寿命曲线来描述 该曲线表达了不同应力比时疲劳极限的特性 在工程应用中 常将等寿命曲线用直线来近似替代 用A C折线表示零件材料的极限应力线图是其中一种近似方法 A 直线的方程为 C 直线的方程为 为试件受循环弯曲应力时的材料常数 其值由试验及下式决定 对于碳钢 0 1 0 2 对于合金钢 0 2 0 3 不同应力循环特征r时的疲劳极限 已知材料的机械性能 折线ADG上任一点 表示在 不同r时的疲劳极限 应力循环特征 对应的疲劳极限 等效系数 零件的极限应力图还应考虑应力集中 绝对尺寸 表面状态的影响 应力集中 零件剖面几何形状突变处疲劳极限降低 绝对尺寸 剖面绝对尺寸大 出现缺陷概率大 疲劳极限降低 表面状态 表面光滑或强化处理 能提高疲劳极限 机械零件的疲劳强度计算1 四 机械零件的疲劳强度计算 一 零件的极限应力线图 由于零件几何形状的变化 尺寸大小 加工质量及强化因素等的影响 使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限 以弯曲疲劳极限的综合影响系数 表示材料对称循环弯曲疲劳极限 1与零件对称循环弯曲疲劳极限 1e的比值 即 在不对称循环时 是试件与零件极限应力幅的比值 将零件材料的极限应力线图中的直线A D G 按比例向下移 成为右图所示的直线ADG 而极限应力曲线的CG部分 由于是按照静应力的要求来考虑的 故不须进行修正 这样就得到了零件的极限应力线图 机械零件的疲劳强度计算2 机械零件的疲劳强度计算 二 单向稳定变应力时的疲劳强度计算 进行零件疲劳强度计算时 首先根据零件危险截面上的 max及 min确定平均应力 m与应力幅 a 然后 在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点M或N 根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律 从而决定以哪一个点来表示极限应力 机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种 应力比为常数 r C平均应力为常数 m C最小应力为常数 min C 相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线上的某一个点所代表的应力 计算安全系数及疲劳强度条件为 单向应力状态下的安全系数 当 常数时 安全系数定义 对于塑性材料 当应力在疲劳破坏区 当应力在静强度区 例有一热轧合金钢零件 其材料的抗弯疲劳极限 658MPa 400MPa 屈服极限 189Mpa 应力幅为 129Mpa 零件的应力集中系数 1 26 尺寸系数 如取安全系数Smin 1 5 核验此零件是否安全 658MPa 780MPa 所承受的弯曲变应力 0 78 表面状态系数 1 解 1 2 因 3 4 故得 因此 该零件安全 零件产生疲劳破坏 4 机械零件的疲劳强度计算 四 双向稳定变应力时的疲劳强度计算 当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力sa和ta时 由实验得出的极限应力关系式为 式中ta 及sa 为同时作用的切向及法向应力幅的极限值 若作用于零件上的应力幅sa及ta如图中M点表示 则由于此工作应力点在极限以内 未达到极限条件 因而是安全的 由于是对称循环变应力 故应力幅即为最大应力 弧线AM B上任何一个点即代表一对极限应力 a 及 a 计算安全系数 机机械零件的接触强度 机械零件的接触强度 当两零件以点 线相接处时 其接触的局部会引起较大的应力 这局部的应力称为接触应力 接触应力是不同于以往所学过的挤压应力的 挤压应力是面接触引起的应力 是二向应力状态 而接触应力是三向应力状态 接触应力的特点是 仅在局部很小的区域内产生很大的应力 式中 1和 2分别为两零件初始接触线处的曲率半径 其中正号用于外接触 负号用于内接触 对于线接触的情况 其接触应力可用赫兹应力公式计算 式中 为综合曲率半径 分别为两圆柱体的曲率半径 mm 其中 号分别用于外接触和内接触 分别为两圆柱体材料的弹性模量 Mpa 分别为两圆柱体材料的泊桑比 1 4机械设计中的摩擦 磨损和润滑问题 一 机械中的摩擦 干摩擦 表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦 摩擦系数一般大于0 1 边界摩擦 表面间被极薄的润滑膜所隔开 且摩擦性质与润滑剂的粘度无关而取决于两表面的特性和润滑油油性的摩擦 摩擦系数约在0 01 0 1 流体摩擦 表面间的润滑膜把摩擦副完全隔开 摩擦力的大小取决于流体分子内部摩擦力的摩擦 摩擦系数可达0 001 0 008 混合摩擦 摩擦副处于干摩擦 边界摩擦和流体摩擦混合状态时的摩擦 二 机械中的磨损 磨损的定义 由于表面的相对运动而使物体工作表面的物质不断损失的现象 零件的磨损过程大体可分为三个阶段 磨合磨损阶段 稳定磨损阶段及剧烈磨损阶段 2 磨损过程 粘着磨损 磨损类型 磨粒磨损 摩擦表面的微凸体在相互作用的各点发生粘着作用 使材料由一表面转移到另一表面的磨损 摩擦表面间的游离硬颗粒或硬的微凸体峰间在较软的材料表面上犁刨出很多沟纹的微切削过程 表面疲劳磨损 摩擦表面受循环接触应力作用到达一定程度时 就会在零件工作表面形成疲劳裂纹 随着裂纹的扩展与相互连接 会造成许多微粒从零件表面上脱落下来 致使表面上出现许多浅坑 这种磨损过程即为疲劳磨损 腐蚀磨损 在摩擦过程中金属