机械设计(2)

《机械设计(2)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械设计(2)（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第2章 机械设计总论,2.1 机械设计的基本要求 1.使用要求 机器应在规定的使用期内有效工作并达到预定的功能等 2.经济性(economics)要求 从设计、制造、使用和维护等方面综合考虑。 3.社会要求 社会使用效果，人机协调，操作方便，安全、省力等 4.可靠性(reliability)要求 机械在预定的期限内能够完成可靠工作的概率。,2.2 机械零件设计应考虑的问题 2.2.1 工作能力 概念 失效(failure)：零件失去设计时预定的功能。 工作能力：零件抵抗失效的能力。 1.强度:(strength) :是指零件承受载荷后抵抗断裂(fracture)、塑性变形(plastic de

2、formation)和某些表面失效的能力。 2.刚度(rigidity):是指零件承受载荷后抵抗弹性变形(elastic deformation)的能力。 一般来说，刚度要求是对那些因为变形过大而导致机器工作能力下降的零件提出的，这类零件除了做强度计算外，还必须进行刚度计算，或者直接按刚度要求设计。,3.稳定性 高速机器进行振动分析或动态分析设计，否则会导致失稳或者疲劳断裂。 对于受压状态下工作的薄壁件或细长杆的失稳的稳定性（stability)问题。 4.耐磨性(wearability) 一般指相对运动的零件在载荷作用下抵抗磨损的能力。因此，提高机械零件的耐磨性是提高机器寿命的一项重要措施。

3、 其次工作能力还受工作环境如温度，海水腐蚀等影响。,2.2.2 材料选择及结构工艺 1.合理选择材料 黑色金属，有色金属，非金属，复合材料等。 参考课本P4表21 2.机械零件要有良好的工艺性 机械零件的工艺性(technological efficiency) 参考课本表22 2.2.3 标准化、通用化、系列化,减轻了设计工作量，缩短了设计周期，降低了设计费用。 便于专门工厂采用先进技术进行大比量生产，从而降低成本，节约能源，缩短生产周期，保证质量。 具有互换性，而且可以外购和储备，便于维修。 产品技术条件和验收、试验方法的标准化，有利于改进和提高产品质量、扩大和开发新产品。 鉴于以上明显的

4、优越性，在机械设计中，零、部件的标准化，系列化和通用化已被认为是一项重要的设计指标，而且已被列为一项必须贯彻执行的技术经济法规。,2.3 机械零件的强度及设计准则,2.3.1 载荷分类 载荷(load): 作用在机械零件上的力、力矩的统称。 载荷分为静载荷和变载荷 静载荷：大小、方向、作用点都不随时间变化或者变化很缓慢。 变载荷：是指大小、方向、作用点随时间变化的载荷。 公称载荷（名义载荷nominal load）：根据额定功率用力学公式计算出来的载荷。 计算载荷：载荷系数K与公称载荷的乘积（考虑冲击等因数的影响，对名义载荷进行修正）。,2.3.2 应力分类,按应力随时间变化的特性不同，应力可

5、分为静应力和变应力两类。 静应力：不随时间变化或者变化很缓慢的应力。 变应力：随时间变化的应力。 注意*：一般把在整个寿命内应力变化次数低于103次的应力近似的当作静应力处理 变应力载荷可以分为随机变应力和非随机变应力 随机变应力：变化没有一定的规律、变化情况未知。 非随机变应力：按一定规律变化的应力。,非随机变化应力又可分为： i.稳定循环变应力(stable cycle varying stress) 平均应力m ，应力幅a以及周期T都不随时间变化的应力。 ii.非稳定循环变应力 m , a , T 之一随时间变化的应力。 机械零件的应力一般都可以理解为稳定循环变应力。它可以进一步分为：

6、i.非对称循环变应力 (non-symmetric cycle varing stress ) ii.对称循环变应力(symmetric cycle varing stress ) iii.脉动循环变应力(pulsation cycle varying stress),设稳定循环变应力的最大值为max、最小值min，规定： 平均应力 应力幅 应力循环特性 当max与min同号时取“”时，否则取“_”,工程上常见的典型应力有： 1.r=1为静应力， 其中a=0, max=min=m 2.r=-1为对称循环应力， 其中max=a=-min ,m=0 3.r=0为脉动循环应力， 其中m=a=max/

7、2, min=0 当r为0、1、1以外的任意小于1的实数时，为非对称循环变应力。,注意：由于机械零件的失效形式及疲劳极限应力与应力类型有关，因此，在进行强度计算时，首先应弄清楚机械零件所受的应力的应力类型。,2.3.3 机械零件的整体强度与表面强度,整体强度(solid strength) :按体积应力计算的零件强度,又称体积强度(volume strength)。 体积应力：机械零件受载荷作用时，在零件内部产生的应力。 如拉伸应力(tensile stress) 压缩应力(compressive stress) 弯曲应力(bending stress) 扭转应力(torsional stre

8、ss) 剪切应力(shearing stress),极限应力(ultimate stress) lim , lim 极限应力常为材料的: 强度极限（静应力）b , b 屈服极限（静应力）s , s 疲劳极限（变应力）r , r 蠕变极限（热应力） 与应力状态有关的材料的断裂韧性。,材料的极限应力 静应力状态 脆性材料取抗拉强度极限b , b 塑性材料取屈服极限 s , s 变应力状态 脆性材料 均取疲劳极限 rN 塑性材料,表面强度(surface strength)：按表面应力计算的零件强度。 表面应力：在零件表面接触处产生的垂直于表面的应力，包括挤压力(extrusion stress),

9、接触应力(contact stress),lim , lim分别为材料的极限正应力、极限剪切应力、对塑性材料为屈服极限(s,s) ，对脆性材料为强度极限(b,b),2.3.4 静应力的强度计算,在静应力的作用下，机械零件的失效形式主要是断裂和塑性变形，相应的强度条件可以表示如下, , 材料的许用正应力和许用剪切应力。 S , S材料的正应力、剪切应力的许用安全系数（allowable safety factor)。, , 零件的工作应力， 为正应力，可由拉伸，弯曲，压缩等产生； 为剪切应力，可由扭转、剪切等产生。,上述强度条件也可以用安全系数来表示：,其中S , S 分别为正应力和剪应力的计算

10、安全系数,在复合应力状态下工作的塑性材料零件（拉应力和切应力复合应力），可根据第二（或第四）强度理论来确定其强度条件。,对于弯扭复合应力，若按第三强度理论，其强度条件为,塑性材料又近似关系s/ s 2，由此的安全系数的计算式为,对于脆性材料的零件，应按第一强度理论确定强度准则，即,2.3.5 变应力下的强度计算,1.疲劳曲线与极限应力 疲劳曲线(fatigue curve)：表示变应力与其循环次数N关系的曲线 疲劳极限(fatigue limit):对任意给定的应力循环特性r，当应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏的应力。 以rN表示 金属的疲劳极限可以分成两种类型： (i) 对于大多数黑色金属

11、及其合金(HB=N0时，疲劳曲线趋于水平，此时的疲劳极限应力用rN0表示，认为在rN0的作用下，材料可以经受无限多次循环。,循环基数(cycle cardinal):循环次数N0称为循环基数 (ii) 对于有色金属和高硬合金钢(HB350),无论循环次数N值多大，疲劳曲线都不能趋向水平。,材料的疲劳曲线可以被划分为两个区域： 其一是有限寿命区；另一个是无限寿命区 区分点为N0 对于350的钢材，N025107。 （1）无限寿命（N=N0） NN0=107次，,当应力循环特性系数r=0时，称为脉动循环疲劳极限应力。用0 表示,当应力循环特性系数r=-1时，称为对称循环疲劳极限应力。用 表示， 也

12、可以简化为1,式中的m为随应力状态而不同的指数，它取决于材料和应力种类，对于钢制零件且受拉应力、弯曲应力和剪应力作用时，m=9。 由上式可以求出任意循环次数N时的疲劳极限,（2）有限寿命区 (104NN0） 在该区内，寿命不是无限的，故称为有限寿命区，其疲劳曲线可用下列方程表示：,式中KN称为寿命系数 对称循环时r=-1，则有限寿命(NN0)时的有限疲劳极限为,无限寿命(N=N0)时，KN=1，即极限应力等于疲劳应力极限1。,应力循环特性r不同时，疲劳曲线的形状相似，但rN不同，r越大， rN就越大，越趋于静应力。N102104时，属低循环疲劳破坏，按静强度处理。 对于表面接触疲劳强度，疲劳曲

13、线方程基本相似，但指数m不同，对于钢m=6，青铜m=8,常用材料及极限应力的近似关系见表2-4,例21( 课本P11),45号钢的对称循环疲劳极限1 280MPa，设m=9,N0=107,求应力循环次数分别为106，105，104时的对称循环有限疲劳极限。,2.极限应力图 同一种材料在不同的应力循环特性r下,有不同的疲劳极限r 疲劳极限rmax=a+m,因此可以用am坐标系来描述r和疲劳极限r之间的关系。横坐标表示平均应力m，纵坐标表示应力幅a.。 不同r下的am关系曲线称为极限应力图。 图中A为对称循环点（0， 1），B点为脉动循环点 (0 /2, 0 /2), F为静应力点(b, 0) 对

14、于塑性材料，ABF曲线可以简化为二折线AE和ES。,直线AE上任一点C(m, a)与疲劳极限1存在下列关系,直线AE的方程：,直线ES的方程：,为试件受循环弯曲应力时的材料特性，又称为平均应力折合为应力幅的等效系数。它的大小表示材料对“循环不对称性”的敏感程度，有时也称为敏感系数(sensing factor)。 同理，剪应力时为。 对于碳素钢 0.10.2， 0.050.1 对于合金钢 0.20.3， 0.10.15,（1）应力集中对零件疲劳强度的影响 零件几何形状引起的应力集中 有效应力集中系数K ：材料、尺寸和受载荷情况都相同的一个无应力集中试件和一个有应力集中试件的疲劳极限比值。,式中

15、1 ，1，(1)K ，(1)K分别表示无应力集中和有应力集中时试件的疲劳极限。,3.影响零件疲劳强度的因素,（2）绝对尺寸对零件疲劳强度的影响 随着零件截面尺寸的增大，金属机械性能的不均匀性增加和组织上的缺陷增多，使疲劳裂纹扩展的不良影响更显著，同时随着截面尺寸的增大，机械加工后的表面冷作硬化层相对较薄，这些使疲劳极限降低。 绝对尺寸系数： 直径为d的任意大小试件的疲劳极限 (1 )d与直径为给定值d0=610mm的试件的疲劳极限（ 1 )d0 比值,当其它因素相同时，零件的表面越粗糙，其疲劳强度越低。通常用表面质量系数来表示。,式中:分子表示某种表面质量下试件的疲劳极限。 分母表示精抛光表面

16、的试件的疲劳极限。,（3）表面质量对零件疲劳强度的影响,试验表明，应力集中，绝对尺寸和表面质量只对应力幅有影响，可以用综合影响系数(K)D，(K)D来反映这些因数的综合影响。,当其它条件相同时，钢的强度越高，综合影响系数越大，故对高强度钢制造的零件，必须特别注意减少应力集中和提高表面质量。,4.稳定变应力下零件的强度 (1) 对称循环变化、单向应力 实际安全系数按下式计算 其中a,a 为工作应力幅。 (2) 对称循环变化、复合应力 机械零件通常是用塑性材料制成的，可按第三强度理论进行强度计算。对弯扭复合应力，并近似取 取-1/-12，其强度条件为,实际安全系数 复合应力安全系数,这种情况下，零件的强度不仅决定于应力幅和平均应力的大小，而且还决定于两者在变化过程中的关系