第9章 机械零件设计概论1ppt课件

本章重点：9-2机械零件的的强度9-3机械零件的接触强度,第九章机械零件设计概论,.,机械零件设计的特点：,18章讲的是机械原理部分，理论性较强。本章开始学习机械设计部分。机械设计也称为机械零件设计，其实践性、灵活性较强，综合性也强。1、六多：关系多、门类多、要求多、公式多、图形多、表格多；2、系统性较差：前后各章联系较少；3、设计结果一般不同：,.,机械零件的学习方法,这一部分实践性非常强，其系统性、理论性要差一些；要求设计出零件的每一个细节。比如：曲柄滑块机构：,.,曲柄滑块机构,机械设计则要求：形状、截面尺寸、强度、刚度、寿命、材料、加工方法,强度是指某种材料抵抗破坏的能力，即材料破坏时所需要的应力。刚度指某种构件或结构抵抗变形的能力，即引起单位变形时所需要的应力。,.,机械零件学习的方法及要求：,对公式除少数外，一般不要求记忆和推导，要求会用公式即可。重点掌握：、设计思想、思路、设计准则和设计原则、设计步骤；、公式中参数选择的原则及其影响因素；要求：要联系生产实际来学习，培养解决工程实际问题的能力。不强调系统的理论分析，不强调公式的推导。,.,机械零件学习的方法及要求：,注：计算虽然很重要，但不要太看中。因为计算只是设计选择的一个基础，因此计算一般不要求那么精确；,.,91机械零件设计概述,一、设计机械零件时的基本要求：简言之，机械零件应满足的基本要求有两个：1、工作可靠，避免在预定寿命期内失效；性能好、效率高这是最基本的要求2、成本低选材合理：精度不要太高：加工方便：,.,二、机械零部件的设计思路,工作能力,失效形式,设计准则,强度计算,.,三、机械零件的主要失效形式,失效指机械零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能。失效并不等于破坏，多数情况下是零件没有破坏，但零件已达不到设计要求的性能时，也叫失效。失效的主要形式有：、整体断裂：如轴断了，原因：B、过大的弹性变形塑性变形：原因：S（屈服极限）上述两种失效形式一般是在很短时间内发生的；,接触疲劳：表面破坏是长期作用的结果,、零件的表面破坏：,腐蚀：氧化、生锈；磨损：有接触、摩擦，则有磨损；,、破坏工作条件：如忘了加润滑油；温度过高；联接螺栓松动了；打滑等；,主要的失效形式不同，则采用的设计准则也不同.机械零件的失效形式虽然有很多种，但是可归纳为下列5个方面：、强度、刚度、耐磨性、温度、振动稳定性对于不同的失效形式，就应采用不同的设计准则。注意：同一个零件可能同时具有几种失效形式。这时应通过分析，找出最主要的失效形式，然后按主要的失效形式进行设计。,.,四、机械零件的工作能力,指在不发生失效的条件下，零件安全工作的限度。对于载荷而言，这个工作能力（安全限度）又称为承载能力。汽车载重量：8T表示,.,五、机械零件的设计准则,机械零件设计的主要任务：就是根据零件的主要失效形式，确定相应的设计准则，寻找能满足预定功能和性能要求的最优设计方案。常用设计准则有以下几种：,.,机械零件的计算准则,六、机械零件设计的一般步骤,计算作用在零件上的载荷,选择材料,通过计算，确定零件的基本尺寸,零件的结构设计,必要时对零件进行校核计算,绘制零件工作图，编写说明书,.,一.载荷与应力的分类：机器所承受的载荷主要是力和力矩。1.按载荷性质（变化程度）分,静载荷不随时间变化的载荷；如起重机吊钩的力动载荷随时间变化的载荷；如齿轮表面2.按设计时的用途或来源分、名义载荷F、T在理想情况下，根据原动机功率，按理论力学、机械原理等理论方法计算出来的载荷。是没有考虑工作情况影响的理论计算值。比如：已知原动机功率P，可计算出零件的转矩T：,9-2机械零件的强度,、计算载荷：是对名义载荷的修正FcK*FTck*TK是考虑到机器振动、冲击、速度波动等引起的附加载荷而引入的修正系数，称为载荷系数。K值可查表。,P原动机功率KWn原动机的转速T转矩，N.mm,由PF*VF*R,=T*=T*2n/60,TN.m,.,名义应力：与名义载荷相对应,3、应力的分类：按计算过程（用途）分,计算应力：与计算载荷相对应,.,二、零件强度的概念及分类,、强度的分类强度是零、部件抵抗整体断裂或表面破裂和过大的塑性变形的能力。1、按载荷性质分为：,静应力强度：静载荷作用下的强度问题，如机座、螺栓截面、锅炉的强度；一般认为在整个工作寿命周期内应力变化次数小于1000次的通用零件，均近似按静应力强度进行设计。变应力强度：即疲劳强度，是变载荷作用下的强度问题。如齿轮表面出现裂纹，滚动轴承的钢珠出现小黑点，属于疲劳强度不够。,.,2、按载荷作用范围分为：,来工作的零件,它们都是依靠表面接触来工作的，其应力主要产生在接触表面上，属于局部应力。因为其接触面积很小，所以其应力很大。我们把依靠表面接触来工作的零件，其强度称为表面强度。,整体强度：指零件受载时，是在较大的体积内产生应力，这时的零件强度称为整体强度：如吊钩强度。我们一般讲的强度都是指的整体强度。表面强度（局部强度）：通过两个零件的表面接触,.,根据接触状态和工作条件的不同,表面强度分为：、表面接触强度、表面挤压强度、表面磨损强度,.,、判断危险截面处强度的方法（强度条件）,一般是判断危险截面处的计算（最大）应力:,极限应力,静应力时：,塑性材料取：,脆性材料取：,变应力时取：,疲劳极限,实际计算正应力：,许用安全系数,许用应力,极限应力的取值方法：,1.判断危险截面处的计算（最大）应力:,2.判断危险截面处的实际安全系数：,实际计算的正应力安全系数：,极限应力,许用安全系数,危险截面处的计算应力,注意：1、上述两种方法,都可以判断强度是否满足要求。具体采用哪一种要根据可以利用的数据和计算惯例来决定.2、上面两个公式是等价的。,具有周期性变化的变应力称为循环变应力。如果应力变化周期T、应力幅和平均应力均不随时间而变者则称为稳定（循环）变应力。,三、应力的种类和特点按照应力随时间变化的情况分：,静应力：不随时间变化的应力，如吊钩应力,变应力：随时间变化的应力，如轮胎,稳定（循环）变应力的分类：可分为：非对称循环变应力脉动循环变应力对称循环变应力稳定变应力可用五个参数描述：,非对称循环变应力,脉动循环变应力,对称循环变应力,循环特性或应力比,注意：计算循环特性r时：,确定最小应力min很重要；选取min的方法：取绝对值最小的拉应力或压应力为最小应力min；取绝对值最大的拉应力或压应力为最大应力max。但是，在计算时又要带、号（拉应力取“”）；这样就保证了1r1。,五个参数中任意的两个来表示，常用的有：m和a、max和min。如果已知其中任意两个参数，就可计算出其它三个参数值。,循环变应力的特性可用,.,另外：,当循环特性r1时为静应力,即,注：变应力一般由动载荷产生，但也可由静载荷产生。,小结,r=0:,r=1:,r11：,r的取值范围为：,r1：,脉动循环变应力,对称循环变应力,静应力,非对称循环变应力,1r1,例1、一对齿轮啮合时从动轮2齿根a、b两点处所受的力属于什么变应力其循环特性r？,答：属于脉动循环变应力a点受拉，b点受压r0；,2,a,b,.,四、静应力下的许用应力,静应力时：,塑性材料取：,脆性材料取：,.,五、变应力下的许用应力,在变应力作用下，零件的失效形式主要是疲劳破坏。,.,疲劳断裂的形成过程,可分为两个阶段：、产生初始裂纹（形成疲劳源）：在表面应力大、刀痕处,断裂,裂纹扩大,裂纹尖端一张一闭,注：疲劳断裂与一般的静力作用下的断裂完全不同静应力作用下机械零件的损坏，是由于在危险截面中产生过大的塑性变形而最终断裂。疲劳断裂是在初始裂纹扩展到一定程度后，因为有效截面积减小，应力太大，才突然断裂的。,.,1、疲劳极限的概念：,在变应力作用下，零件的失效形式主要是疲劳破坏，其强度条件为：,疲劳极限rN是指用一组标准试件进行疲劳试验，在应力循环特性为r（如r1）时，试件受“N”次变应力循环作用而不发生疲劳破坏的最大应力值，称为材料的疲劳极限。,疲劳极限,许用安全系数,是表示在标准试验条件下，某一种材料的疲劳极限rN或rN与极限循环次数N之间的关系曲线。,2、材料的疲劳曲线：,注：疲劳曲线是通过实验得出来的。若已知材料的疲劳曲线，则可根据N查得疲劳极限rN,极限循环次数,标准试验条件：,rNN或rNN曲线。,rN1,N1,、对同一种材料，当N,疲劳极限,疲劳曲线,极限循环次数,、N0时，rNs（B，静应力）,由图可以看出：,、疲劳曲线分为两个区域：有限寿命区和无限寿命区,、当NNo时，曲线变成水平直线，这时当N继续增加时，rN常数，记为r，No叫循环基数,rN,持久疲劳极限,No次循环对应的疲劳极限记为：rr称为持久极限。例如：当r1时对应的疲劳极限记为：1当r0时对应的疲劳极限记为：0当r0.5时对应的疲劳极限记为：0.5,有限寿命区：NNo的区域；No叫循环基数,在这个区域，当N,rN,无限寿命区：当NNo的区域，,在这个区域，当N,rN常数，,、循环基数No：是由试验测出来的如钢的硬度350HB时，,钢的硬度350HB时，,注：、当实际工作应力r时：,可以推出,由试验得出：在有限寿命区内（CD），疲劳曲线可以近似用下列公式表示：,3、疲劳极限的计算公式：,当NNo时，取KN1m是与材料性能有关的指数，如对于钢：当为拉、弯曲应力时，取m9；当为接触应力时取m8,例1、某材料r1，m9。求当N、次时的,解：、当N时，NNo,所以，,疲劳曲线的主要作用是：,求出循环次数N=No循环基数时，对应的疲劳极限,、同理，N时，NNo,.,4、变应力下的许用应力,强度条件：,许用应力:,材料的疲劳极限,.,4、变应力下的许用应力,对于零件，还要考虑尺寸大小、应力集中（尺寸、形状突变）和表面加工质量的影响。故要引入三个系数。,当NN0时,当NN0时,.,实际S太大,六.许用安全系数:,控制安全系数大小的方法,实际S太小,就是合理选取许用安全系数S;,选择许用安全系数的原则是:,在保证安全,可靠的前提下,尽可能选用较小的许用安全系数.详见P116。,浪费材料,危险,不安全.,.,当两个零件通过点接触或线接触来传递载荷时，由于接触面积非常小,所以在两个零件表层产生的局部应力很大,这种局部应力,93机械零件的接触强度,机械设计中，遇到的接触应力大多为变应力，故其接触强度大多数为变应力强度。在接触应力为变应力的作用下，零件的主要失效为接触疲劳破坏，也称为疲劳点蚀。,1、表面接触强度:,接触应力,相应的强度称为接触强度.,疲劳点蚀是齿轮、滚动轴承的主要失效形式。影响疲劳点蚀的主要因素是接触应力的大小，所以，接触疲劳的强度条件：,许用接触应力,2、接触疲劳强度条件：,实际接触应力的最大值,对于钢，许用接触应力可采用经验公式求出：,也可查手册,.,利用弹性力学的H.Hertz公式进行计算,3、最大接触应力,的计算公式:,1）、当两圆柱体接触时:,为综合曲率半径；b初始接触线长度E1、E2为弹性模量；1、2为泊桑比，1、2分别为两圆柱体的曲率半径“、”分别用于外接触和内接触,内接触，如内齿轮接触,Hmax与1/呈同向关系故：其它条件不变时，内、外接触时，Hmax哪个小？,内接触小，较好,1、2越大，则Hmax是越大还是越小？Hmax越小，即越好,考点：由公式可以看出：,.,9-4、表面磨损强度,当两零件表面为面接触（低副接触），且有相对滑动时，其失效形式为磨损，相应的