第二章机械设计概论详解.ppt

第二章 机械设计概论 * 机械零件设计概论 机械零件的接触强度 机械设计概论 机械制造常用材料及选择 机械零件的强度 机械零件的工艺性及标准化 常用机械设计方法 2.1 概述 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。 机械零件的失效 机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效 工作能力 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 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 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因 失效原因 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 计算量许用量 工作能力计算准则 机械零件设计的步骤 1) 拟定零件的计算简图 2) 确定作用在零件上的载荷 3) 选择合适的材料 4) 根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的形状 5) 绘制工作图并标注必要的技术条件 2.2 机械零件的强度 基本概念 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 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 2.2.1 载荷和应力的分类 o t σ σ=常数 静应力: σ=常数 变应力: σ随时间变化 平均应力: 应力幅: σmax 变应力的循环特性: 脉动循环变应力 对称循环变应力 -1 0 +1 静应力 一、应力的种类 σmax 脉动循环变应力 r =0 σm T σmax σmin σa σa σm 循环变应力 o t σ σmax σmin σa σa 对称循环变应力 r =-1 o t σ o t σ σa σa σmin r =+1 2.2.3静应力下的许用应力 静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形 2.2.2 强度判定条件 一、应力的种类 脆性材料：取强度极限σB 作为极限应力,许用应力为： 2.2.4变应力下的许用应力 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) 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂； 3) 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。 塑性材料，取屈服极限σS 作为极限应力,许用应力为： 2、疲劳曲线 N O σ σ-1 N0 σ-1N N 由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试验表明，当 NN0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循环时试件将不会断裂。 应力σ与应力循环次数N 之间的关系曲线称为：疲劳曲线 当NN0 时, 试件将不会断裂。 N0 ——循环基数 N0 对应的应力称为：疲劳极限 1、疲劳极限 在某一循环特性r下，材料经过N次循环而不发生破坏的最大应力值 当NN0 时, 有近似公式： 对应于N 的弯曲疲劳极限： 用σ-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。 3、许用应力 在变应力，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸和表面状态等影晌，为此引人应力集中系数kσ、尺寸系数εσ和表面状态系数β等。 当应力是对称循环变化时，许用应力为： 当应力是脉动循环变化时，许用应力为： 2.2.5 提高机械零件强度的措施 1）降低应力集中 2）选用疲劳强度高的材料 3）提高零件的表面质量 4）尽可能减小或消除初始裂纹 初始疲劳裂纹 初始疲劳裂纹 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，零件强度称为接触强度。 如齿轮、凸轮、滚动轴承等 裂纹的扩展与断裂 油 失效形式常表现为： 疲劳点蚀 金属剥落出现小坑 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。 2.3 机械零件的表面接触强度 接触疲劳强度的判定条件为： 2.4 机械零件的常用材料 一、金属材料 1、铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。 2、钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。 铸铁 常用金属材料 钢 铜合金 ——含碳量2% ——含碳量≤ 2% 铁碳合金 特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。 较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉 应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之 选用原则：