机械及机械零件设计基础知识.doc

第2章 机械及机械零件设计基础知识 2．1 设计的基本要求和一般程序 2.1.1 机械设计的基本要求 机械设计应满足的要求： 在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修简单和造型美观等。 2.2.2 机械设计的一般设计程序 机械设计的一般程序用框图来表示。 设计人员必须善于把设计构思、设计方案，用语言、文字和图形方式传递给主管者和协作者，以取得批准和赞同。除具体技术问题外，设计人员还要论证下列问题：（1）此设计是否确为人们所需要？（2）有哪些特色？能否与同类产品竞争？（3）制造上是否经济？（4）维修保养是否方便？（5）是否有市场？（6）社会效益与经济效益如何？ 设计人员要富有创造精神；要从实际情况出发；要调查研究；。要广泛吸取用户和工艺人员的意见，在设计、加工、安装和调试过程中及时发现问题、反复修改，以期取得最佳的成果，并从中累积设计经验 2.2 机械零件的主要失效形式和工作能力 2.2.1机械零件的主要失效形式 机械零件的失效： 零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效 零件的失效形式: 断裂或塑性变形; 过大的弹性变形; 工作表面的过度磨损或损伤; 发生强烈的振动；联接的松弛; 摩擦传动的打滑等。 失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因。 强度条件：计算应力许用应力； 刚度条件：变形量许用变形量； 防止失效的判定条件是： 计算量许用量----工作能力计算准则。 2.2.2 机械零件的工作能力 工作能力----在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：承载能力。 2.2.3 许用应力和极限应力、接触应力 2．2．3．1 作用在零件上的载荷 名义载荷-----在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。 名义应力-----按名义载荷计算所得之应力。 工作载荷-----在某种工作条件下零件实际承受的载荷。 载荷系数K----考虑各种附加载荷因素的影响。 计算载荷-----载荷系数与名义载荷的乘积。 计算应力-----按计算载荷计算所得之应力。 2.2.3.2 静应力和变应力 按照随时间变化的情况，应力可分为静应力和变应力。 不随时间变化的应力，称为静应力（图a），纯粹的静应力是没有的，但如变化缓慢，就可看作是静应力。例如，锅炉的内压力所引起的应力，拧紧螺母所引起的应力等。 随时间变化的应力，称为变应力。具有周期性的变应力称为循环变应力，图b所示为一般的非对称循环变应力，图中T为应力循环周期。图b所示为一般的非对称循环变应力，从图b可知 应力循环中的最小应力与最大应力之比，可用来表示变应力中应力变化的情况，通常称为变应力的循环特性，用r表示，即r=σmin/σmax。 可用应力循环特性r来表示变应力的不对称度，r=+1为静应力；r=0为脉动循环变应力；r=-1为对称循环变应力；-1r1为不对称循环变应力。 2.2.3.3 许用应力和极限应力 （1） 静应力下的许用应力 静应力下，零件材料有两种损坏形式：断裂或塑性变形。对于塑性材料，可按不发生塑性变形的条件进行计算。这时应取材料的屈服极限σS作为极限应力，故许用应力为 对于用脆性材料制成的零件，应取强度极限σB作为极限应力，其许用应力为 （2）变应力下的许用应力和极限应力 变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂具有以下特征：1）疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低；2）不管脆性材料或塑性材料，其疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；3）疲劳断裂是损伤的积累，它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未裂开的截面积不足以承受外载荷时，零件就突然断裂。在零件的断口上可以清晰地看到这种情况。 疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂。所以疲劳断裂与应力循环次数（即使用期限或寿命）密切相关。 1．疲劳曲线 由材料力学可知，表示应力。与应力循环次数N之间的关系曲线称为疲劳曲线。如下图所示，横坐标为循环次数N，纵坐标为断裂时的循环应力σ，从图中可以看出，应力越小，试件能经受的循环次数就越多。 从大多数黑色金属材料的疲劳试验可知，当循环次数N超过某一数值从以后，曲线趋向水平，即可以。为在“无限次”循环时试件将不会断裂。N0称为循环基数，对应于N0的应力称为材料的疲劳极限。通常用σ-1表示材料在对称循环变应力下的弯曲疲劳极限。 疲劳曲线的左半部（NN0），可近似地用下列方程式表示： 从式（9－5）可求得对应于循环次数N的弯曲疲劳极限 2 许用应力 变应力下，