机械设计-学做一体化课件：机械设计概论

机械设计概论1.1－机械的组成1.2机械设计的一般程序1.3机械零件的失效形式和设计准则1.4机械零件的材料和选用原则1.5机械零件的强度1.6机械零件的结构工艺性1.7机械设计中的标准化思考与练习

1.1－机械的组成

机械是生产与生活中不可缺少的产品,从古代到现代一直与人类的生活息息相关,因此,为了满足生产和生活的需要,人类已经设计和制造出了种类繁多、功能各异的机械,如机床、起重机、汽车、包装机、轧钢机、缝纫机、自行车等。从功能和结构上看,这些机械的差异显著,之间好像并没有什么联系,但从机械设计的角度看,它们却有许多共同点。

这些机械在完成它的功能时,必须由动力装置提供动力,在没有出现蒸汽机之前是靠人力和畜力等来实现的,蒸汽机出现后才由蒸汽机来实现,所以机械具有完整的形态是从蒸汽机出现后才形成的。后来,电动机、内燃机逐步取代了蒸汽机,如金属切削机床是利用电动机提供动力完成切削任务的,汽车是利用发动机提供动力来实现汽车的行驶的,带式输送机是靠电动机的带动完成物料的输送的(见图1－1)。

图1－1－带式输送机

在机械设计中,把机械上为工作机构供给动力的部分称为原动机。现代机械的原动机主要以电动机(见图1－2)和内燃机(见图1－3)为主。图1－2电动机图1－3内燃机

为了实现具体的功能,机械必须能够完成某些具体的要求,如汽车必须能够实现运动,机床必须能够进行金属的切削,像这样的机构通常称为执行机构。显然,这些机械完成各自功能依靠的结构是不同的,但从机械设计的角度考虑,这些不同的结构都可以被看做是机械的工作部分或工作机构。

可以说,简单的机械通常由三部分组成,见图1－4。图1－4机械的组成

(1)动力部分(即原动机部分):其功能是将其他形式的能量转换为机械能(如内燃机和电动机分别将热能和电能转换为机械能)。原动机部分是驱动整部机械完成预定功能的动力源。

(2)工作部分(或执行部分):其功能是利用机械能转换或传递能量、物料、信号,如发电机把机械能转换为电能,轧钢机变换物料的外形,等等。

(3)传动部分:其功能是把原动机的运动形式、运动和动力参数转变为工作部分所需的运动形式、运动和动力参数。

1.2机械设计的一般程序

机械设计是机械产品生产中的一个非常重要的过程,设计的好坏直接决定着机械的质量。可以说,机械的设计阶段是决定机械产品好坏的关键。机械设计是一个广义的概念,是设计者利用自己的成功经验进行继承和创新的过程。

由于机械系统是一个非常复杂的系统,而且机械的种类也十分繁多,再加上设计者的经验、机械加工的条件等因素的影响,所以机械设计没有固定通用的程序,需要根据具体情况具体设计。根据人们设计机械的长期经验,一般来说,一部机械的设计程序基本上包含如下几个阶段。

1.计划阶段

计划阶段是设计的最初阶段,这个阶段是根据生产和生活的需要,提出要设计机械的目标,从而进行准备的一个阶段,这时对所要设计的机械还是一个比较模糊的概念。在这个阶段中主要对设计的机械进行充分的调查和分析,进一步明确机械的具体功能,为以后的决策提出环境、加工、经济和时限等各个方面的约束条件,并以此为基础,写出设计任务的具体要求及细节,最后形成设计任务书,作为本阶段的一个总结。

设计任务书应该包括所要设计机械的功能、经济性及环保性的估计,制造要求方面的大致估计,基本使用要求,设计时限等。本阶段给出的设计要求和条件仅仅是一个合理的范围,而不是准确的数字,例如确定可以达到的要求、最低要求、希望达到的要求等。

2.方案设计阶段

方案设计阶段是机械设计最为重要的阶段之一,也是体现设计者能力的阶段。在明确了设计需要解决的问题后,该阶段研究实现机械功能的可能性,并讨论各功能之间有无矛盾,相互是否可以取代等,提出可能实现机械功能的多种方案,每个方案应该包括原动机、传动机构和工作机构(对复杂的机械甚至还包括控制系统)。寻求方案时,应该分别对原动部分、传动部分和执行部分进行分析讨论,然后在考虑机械的使用要求、现有的技术水平和经济性能的基础上,综合运用各方面的知识与经验对各个方案进行分析,最后通过分析比较确定原动机,选定传动机构,确定工作机构的工作原理及应满足的工作参数,绘制原理工作图,完成机械的方案设计。

传动方案的选择更为复杂。最常用的传动机构有链传动、带传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动等。对于同一传动任务,可以由一种传动来完成,也可以由多种传动机构组合来完成。常用的传动类型如图1－5所示。图1－5常用的传动类型

通常实现机械功能的方案有很多。如果用N1－表示原动机可能的方案数,N2表示传动机构可能的方案数,N3表示执行机构可能的方案数,那么机械的总体方案数N为N1·N2·N3个。此时要对这些可行方案从技术方面和经济方面以及环保等方面进行综合评价,找出最优方案,这就是方案寻优。

在方案设计过程中,要注意借鉴与采用同类机械成功的先例,这些成功先例是经过设计者的思考与实践检验的,应该继承下来。而且还要对先前设计的薄弱环节及不符合现有任务要求的部分进行适当的改进或根本的改变。同时,注意相关学科与技术的新成果的应用,如材料科学、先进制造技术和先进控制技术的发展使得原来不能实现的方案变为可能,这些都为方案设计的创新奠定了基础。

3.技术设计阶段

技术设计阶段是产品的定型阶段。它将对机械装置进行全面的技术规划,确定零部件的结构、尺寸、配合关系以及技术条件等。技术设计也是机械设计工作中最重要的阶段之一,是机械设计的核心。机械结构的合理性、工艺性、经济性和可靠性等,都取决于这一设计阶段。

在技术设计过程中,要完成对运动方案的运动学和动力学分析,确定各部件及其零件的相关设计参数,通过各种设计方案计算完成零件的设计,确定零件的结构尺寸以及各部件之间的连接,最后绘制出产品总装配图、部件装配图和零件工作图。

技术设计大致需要做以下工作:

(1)运动学设计。根据设计方案和工作机构的工作参数,确定原动机的动力参数,如功率和转速,进而完成各运动构件的运动参数(转速、速度、加速度)计算。

(2)动力学计算。根据运动学设计的相关计算参数,计算出作用于零件上的载荷大小及特性,这些载荷称为零件设计的公称载荷(名义载荷)。

(3)零件设计。根据零件的载荷大小及特性即可完成零件的受力分析,根据零件的设计准则,通过计算、类比或模型试验的方法,确定零部件的基本尺寸。

(4)装配图设计。根据已定出的主要零部件的基本尺寸和机构的结构关系,设计出总装配图和部件装配图。在综合考虑零件的装配、调整、润滑、加工工艺等的基础上,对草图中所有零件的结构及装配尺寸进行优化,完成所有零件的结构与尺寸设计。

(5)总装配图与部件装配图设计。根据最后定型的零件工作图上的结构尺寸,重新绘制总装配图和部件装配图。如有条件,可以通过虚拟装配技术完成产品的虚拟装配,通过这一过程可以检查出可能隐含的尺寸和结构上的错误及零部件之间的干涉等问题。最后,完成总装配图与部件装配图。

4.技术文件编制阶段

技术文件所包含的种类较多,通常有机械的设计计算说明书、使用说明书、标准件明细表、外购件明细表和验收条件等。在编写机械的设计计算说明书时,应包括机械方案的分析选择和技术设计中的结论性内容。使用说明书应向用户介绍机械的性能参数、具体操作使用方法、日常维护保养、简单维修方法及相关备用件目录等。

5.试制、试验、鉴定

机械的设计是否能够满足预期的功能需求,必须通过样机的试验来加以检验,对检验的结果进行鉴定,来确定是否进行投产或者再修改设计。

以上过程为机械设计的一般程序,这个程序的各个阶段是相互联系的,任何一个阶段出现问题都要返回到前边的相关阶段去修改,有时,甚至整个方案都要推倒重来。在生产中,随时都有可能出现由于工艺等原因修改设计的情况,出厂后,根据跟踪调查的结果也要对产品进行修改等。所以,机械设计是一个不断反复地修改设计的过程,只有这样才能使设计的产品质量不断的提高,更好地满足生产和生活的需要。

1.3机械零件的失效形式和设计准则

图1－6为不同形式螺纹连接设计的一个简单实例。图(a)中的螺栓受到轴向载荷作用,工作中有可能会被拉断;图(b)中的螺栓受到横向载荷作用,工作中有可能会被剪断。在对螺纹连接进行设计时,设计过程和程序都基本相同,但由于失效形式不同,在螺栓或螺母材料的选择上就会出现差异。图1－6不同形式的螺纹连接

1.3.1－机械零件的失效形式

机械零件由于某些原因丧失原有设计所规定的功能称为失效。零件出现失效将直接影响机械的正常工作。因此,研究机械零件的失效及其产生的原因对机械零件设计具有重要意义。机械零件的常见失效形式有以下几种。

1.整体断裂

整体断裂是指零件在拉、压、弯曲、剪切、扭转等外来工作载荷的作用下,当危险截面的应力超过了零件材料的强度极限而发生断裂,或者在循环变应力作用下,零件某一危险截面上的应力超过其疲劳极限而发生疲劳断裂。断裂是严重的失效,有时会导致严重的人身和设备事故,所以在设计过程中要尽量避免。

2.过大的变形

零件承受载荷工作时,会发生弹性变形,而严重过载时,塑性材料的零件会出现塑性变形。变形造成零件的尺寸、形状和位置发生改变,破坏零件之间的相互位置或配合关系,导致零件乃至机械不能正常工作。过大的弹性变形还会引起零件振动,如机床主轴的过大弯曲变形不仅产生振动,而且造成工件加工质量降低。

3.表面破坏

机械零件的表面破坏主要是指腐蚀、磨损和接触疲劳破坏。机械中的大多数零件都与其他零件通过其表面发生接触,载荷作用在表面上,摩擦发生在表面上,周围介质又与表面接触,从而造成零件表面发生破坏。零件表面破坏会导致能量消耗增加、温度升高、振动加剧、噪声增大,最终使得零件无法正常工作。

根据失效机理,表面破坏又分为以下几种情况:

(1)点蚀。如滚动轴承、齿轮等点、线接触的零件,在高接触应力(接触部分受载荷后产生弹性变形,接触表面产生的压力)及一定工作循环次数下能在局部表面上形成小块的、甚至是片状的麻点或凹坑,进而导致零件失效,称为点蚀。

(2)磨料磨损。不论是摩擦表面的硬凸峰,还是外界渗入的硬质颗粒,在摩擦过程中都会对摩擦表面起切削或辗破作用,引起表面材料的脱落,这种失效称为磨料磨损。

(3)腐蚀磨损。在接触过程中摩擦表面与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损,即腐蚀与磨损同时起作用的磨损称为腐蚀磨损。

(4)胶合。零件在表面接触时,实际上只有少数凸起与凹峰接触,因为受压力大而产生弹塑性变形,使摩擦表面的吸附膜破裂;同时,因摩擦而产生高温,造成基体金属的“焊接”现象。当摩擦表面相对滑动时,切向力将黏着表面撕开呈撕脱状态。被撕脱的金属黏在摩擦表面上形成表面凸起,严重时会造成运动副咬死。这种由于黏着作用使材料由一个零件表面转移到另一个零件表面的失效称为胶合。

4.破坏正常工作条件所引起的失效

有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作,若破坏了这些必备条件将发生不同类型的失效。例如,V带传动中当传递的有效圆周力大于最大摩擦力时产生的打滑失效,受横向工作载荷的普通螺栓连接的松动失效等,都属于这类失效。

零件最终发生哪种失效形式,与很多因素有关,并且在不同的行业中也是不同的。统计表明,腐蚀、磨损和疲劳破坏所引起的失效占73.88%,断裂引起的失效占4.79%。所以腐蚀、磨损和疲劳破坏是零件的主要失效形式。

1.3.2机械零件设计准则

零件设计时所依据的准则是与零件的失效形式紧密地联系在一起的。对于一个具体的零件,为了保证所设计的机械零件能够安全、可靠地工作,在设计工作之前,应确定相应的设计准则。

1.强度准则

强度准则是指零件的应力不超过允许的极限值。强度准则针对的是零件的断裂失效(静应力作用产生的断裂和变应力作用产生的疲劳断裂)、塑性变形失效和点蚀失效。对于这几种失效,强度准则要求零件的应力分别不超过材料的强度极限、零件的疲劳极限、材料的屈服极限和材料的接触疲劳极限。

强度准则的表达式为

式中:σ为零件的应力,单位为MPa;σlim为材料的极限应力,单位为MPa;S为安全系数。

2.刚度准则

刚度是零件抵抗弹性变形的能力。刚度准则是针对零件的过大弹性变形失效而提出的。对于弯曲变形,如图1－7(a)所示,要求零件在载荷作用下产生的挠度y小于等于机械所要求的允许值[y],轴的偏转角θ也要小于其许用偏转角[θ]。对于扭转变形,如图1－7(b)所示,零件在扭矩Mn的作用下发生变形,在l长度上纵向线变形角为γ,此时在截面上的扭转角为φ,它要求扭转角φ也要小于其许用扭转角[φ]。有些条件,如机床主轴、电动机轴等,其基本尺寸是由刚度条件确定的。图1－7零件的弹性变形

对重要的零件要验算刚度是否满足刚度准则:

式中:y为挠度,单位为mm;θ为偏转角,单位为rad;φ为扭转角,单位为rad。

3.寿命准则

影响零件寿命的主要失效形式有腐蚀、磨损及疲劳,它们是三个不同范畴的问题,所以各自的产生机理及发展规律完全不同。迄今为止,关于腐蚀与磨损的寿命计算尚无成熟的方法;关于疲劳寿命计算,通常是求出使用寿命时的疲劳极限或额定载荷来作为计算的依据。

4.振动准则

振动准则针对的是高速机械中零件出现的振动、振动的稳定性和共振,它要求零件的振动应控制在允许范围内,而且是稳定的,对于强迫振动应使零件的固有频率与激振频率错开。高速机械中存在着许多激振源,如齿轮的啮合、滚动轴承的运转、滑动轴承中的油膜振荡、柔性轴的偏心转动等。设计高速运动的机械零件时,除满足强度准则外,还要考虑满足振动准则。

对于强迫振动,振动准则的表达式为

式中:ω为零件的固有频率,单位为Hz;ωn为激振频率,单位为Hz。

5.耐磨性准则

耐磨性准则针对的是零件的表面失效,它要求零件在正常条件下工作的时间能达到零件的寿命。腐蚀和磨损是影响零件耐磨性的两个主要因素。目前,关于材料耐腐蚀和耐磨损的计算尚无实用有效的方法。因此,在工程上对零件的耐磨性只能进行条件性计算。

一是验算压强p使其不超过许用值[p],以防此压强过大使零件工作表面油膜破坏而产生过快磨损,其验算式为

二是验算滑动速度v比较大的摩擦表面,还要防止摩擦表面温升过高使油膜破坏,导致磨损加剧,严重时产生胶合。因此,要限制单位接触面积上单位时间产生的摩擦功,不要使其过大。如果摩擦系数f为常数,则可验算pv值不超过许用值[pv],即

式中:p为零件表面压强,单位为MPa;v为零件表面的线速度,单位为m/s;[pv]为pv的许用值,单位为MPa·m/s。

6.可靠性准则

产品、系统在规定的条件下、规定的时间内,完成规定功能的能力称为可靠性,当用概率来度量时,称为可靠度。产品可靠性定义的三要素是:规定条件、规定时间和规定功能。

对产品而言,可靠度越高越好。可靠度高的产品,可以长时间正常工作(这正是所有消费者想要得到的)。从专业术语上来说,就是产品的可靠度越高,产品可以无故障工作的时间就越长。

如有一大批某种零件,其件数为N0,在一定的工作条件下进行试验,如果在t时间后仍有N个零件在正常工作,则此种零件在该工作环境条件下工作t时间的可靠度R可表示为

如果时间再延长,则N将不断地减小,那么可靠度也将发生改变,这说明可靠度是时间的一个函数。

如果再将时间延长dt,则又会有dN个零件发生破坏,则在dt时间间隔内的破坏比率λ(t)可以表示为

式中:λ(t)为失效率,负号表示dN的增大将使N减小。

将失效率对时间进行积分可以得到:

即

可以知道,零件的失效率λ(t)与时间t的关系曲线是浴盆曲线,分为三个阶段:早期失效区、偶然失效区和耗损失效区。早期失效区的失效率为递减形式,即新产品失效率很高,但经过磨合期后失效率会迅速下降。偶然失效区的失效率为一个平稳值,意味着产品进入了一个稳定的使用期。耗损失效区的失效率为递增形式,即产品进入老年期,失效率呈递增状态,产品需要更新。

1.4机械零件的材料和选用原则

1.4.1－机械零件常用材料1.金属材料

金属材料是指以金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称,包括纯金属、合金、金属材料、金属间化合物和特种金属材料等。

在各类工程材料中金属材料使用最广。其主要原因是:

第一,金属材料具有很好的力学性能,尤其是合金钢的力学性能非常优良,常用在一些重要场合的零件上;

第二,金属材料的价格相对比较便宜和容易获得;

第三,在有色金属铝、铜及其合金中,有的具有质量小的优点,有的具有导热和导电性能好的优点,通常还可用于有耐磨损及耐腐蚀要求的场合。

2.高分子材料

高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料。高分子材料通常包含三大类型,即塑料、橡胶及合成纤维。高分子材料独特的结构和易改性、易加工、原料丰富、密度小、弹性好、耐腐蚀性强等优点,使其具有其他材料不可比拟的优异性能,从而被广泛应用于科学技术、国防建设和国民经济的各个领域中,并已成为现代社会生活中衣食住行用各个方面不可缺少的材料。近年来高分子材料在机械中应用得越来越广泛,如应用在水管、化工设备、冷冻设备、食品设备中等。但高分子材料也有明显的缺点:容易老化、材料阻燃性差、耐热性不好等。

3.陶瓷材料

陶瓷材料以抗高温、超强度、多功能等优良性能在新材料世界独领风骚。尤其是精细陶瓷应用更为广泛。精细陶瓷是指以精制的高纯度人工合成的无机化合物为原料,采用精密控制工艺烧结的高性能陶瓷,又称为先进陶瓷或新型陶瓷。精细陶瓷大致可分成三类。

第一类是结构陶瓷,这种陶瓷主要用于制作结构零件。机械工业中的一些密封件、轴承、刀具、球阀、缸套等都是频繁经受摩擦而易磨损的零件,用金属和合金制造使用不了多久就会发生损坏,而先进的结构陶瓷零件就能经受住这种“磨难”。

第二类是电子陶瓷,指用来生产电子元器件和电子系统结构零件的功能性陶瓷。这些陶瓷除了具有高硬度等力学性能外,对周围环境的变化能“无动于衷”,具有极好的稳定性,这对电子元件是很重要的性能,而且它还耐高温。

第三类是生物陶瓷,是用于制造人体“骨骼肌肉”系统,以修复或替换人体器官或组织的一种陶瓷。有些科学家预言,由于精细陶瓷的出现,人类将从钢铁时代重新进入陶瓷时代。但是陶瓷材料的主要缺点是比较脆,韧度低、易断裂,价格昂贵,加工工艺性差等。

4.复合材料

复合材料是由两种或两种以上具有明显不同的物理和力学性能的材料复合制成的,不同的材料可分别作为材料的基体相和增强相。增强相起着提高基体相的强度和刚度的作用,而基体相起着使增强相定型的作用,从而获得单一材料难以达到的优良性能。复合材料的主要优点是有较高的强度和弹性模量,而质量又特别小,但耐热性差,导热和导电性能也较差,而且价格比较贵。

1.4.2机械零件材料的选用原则

机械设计中对材料的选择是一项非常复杂的工作,但选择原则基本上是相同的,由于钢铁是在机械设计中应用得最多和最广的材料,下面就以金属材料的选用原则为例进行说明。

1.载荷性质

零件的强度是由零件所受载荷的性质和零件材料的力学性能共同决定的。因此,选择材料时就要首先考虑零件所受载荷的性质。脆性材料一般只适用在静载荷下工作的零件,塑性材料可以使零件在交变载荷和冲击载荷的情况下正常工作。

2.零件的工作情况

零件的工作情况是指零件所处的环境特点、工作温度、摩擦磨损的程度等。在湿热环境下工作的零件,其材料应有良好的防锈和耐腐蚀的能力。在不同的工作温度下要考虑零件材料的线膨胀系数,以免在温度变化时产生过大的热应力,或者使配合松动;另一方面也要考虑材料的力学性能随温度而改变的情况。如零件在工作中有可能发生磨损,就要提高其表面硬度,以增强其耐磨性。

3.零件的尺寸

零件尺寸的大小与材料的品种及毛坯制取方法有关。用铸造材料制造毛坯时,一般可以不受尺寸大小的限制,而用锻造材料制造毛坯时,则需注意锻压机械及设备的生产能力。

4.制造工艺性

当零件的结构复杂、尺寸较大时,宜采用铸件或焊接件制造。这就对材料提出了铸造性、可焊性的要求。采用冷拉或深拔工艺制造的零件,如键、销,要考虑材料的延伸率和冷作硬化对材料机械性能的影响。当零件在机床上的加工量很大时,应当考虑材料的可切削性能,减小刀具磨损,提高生产效率和加工精度。

5.材料的经济性

要根据零件的使用要求和制造的数量,综合考虑材料本身的价格、材料的加工费用或毛坯材料的费用(如铸件或切割的钢板)、材料的利用率等来选择材料。当用价格低廉的材料能满足使用要求时,就不选用价格高的材料。有时可以将零件设计成组合结构,用两种以上的材料制造,如蜗轮的齿圈和轮毂、滑动轴承的轴瓦和轴承衬等,将“好钢用在刀刃上”,从而充分利用普通材料,节省贵重材料。

1.5机械零件的强度

1.5.1－材料的疲劳特性

1.载荷与应力机械工作时所受的力或力矩统称为载荷。载荷的大小或方向不随时间变化或变化极缓慢时,称为静载荷;载荷大小或方向不断随时间变化时,称为变载荷。

根据机械的额定功率和负载,按照理论力学的方法计算出零件所受的载荷称为名义载荷(或公称载荷),表示符号是Fn

或Tn。名义载荷是一个理论上的值,没有考虑到实际工作情况所产生的载荷变化。名义载荷和零件实际所受的载荷是不一样的,在机械设计上通常利用一个载荷系数K对此进行修正,这个修正后的载荷称为计算载荷Fca或Tca,即

式中:K为载荷系数,具体可查表确定,一般情况下其值为大于等于1的一个数。

载荷作用在零件上将产生应力。大小不随时间而变或随时间缓慢变化的应力称为静应力;大小不断地随时间而变的应力称为变应力,如图1－8所示。静载荷和变载荷均可能产生变应力。

如果应力的大小及应力变化周期、应力幅和平均应力均不随时间而变,这样的应力称为稳定循环变应力,如图1－8(a)、(b)所示。如果应力的大小随时间作周期性变化,而变化幅度也是按一定规律周期性变化,这样的变应力称为不对称循环变应力,如图1－8(c)所示。如果变应力不作周期性变化而带有偶然性,如汽车的悬架弹簧上受的应力,这样的变应力称为随机变应力,如图1－8(d)所示。图1－8变应力

2.各种应力之间的关系

各种应力之间的关系如图1－9所示。零件所受的周期内的最大应力为σmax,周期内所承受的最小应力为σmin,其应力幅σa

与平均应力σm之间的关系为

通常把r称为应力循环特性,-1≤r≤1。r=1表示应力为静应力,r=0表示应力为脉动循环变应力,r=-1表示应力为对称循环变应力(见图1－9(b)),-1<r<1表示应力为任意非对称循环变应力(见图1－9(a)),各种应力的特性如表1－1所示。图1－9应力关系

1.5.2材料的疲劳特性曲线

1.σN曲线

材料的疲劳特性通常是通过试验来确定的,在材料的标准试件上加上应力循环特性为r的变应力,通过试验,记录在不同最大应力下所引起的试件疲劳破坏所经历的循环次数N,然后把结果用曲线表示出来,这个曲线就称为σ－N曲线,如图1－10所示。材料在循环特性r一定的情况下,当循环N次后不发生破坏的最大应力通常称为疲劳极限,表示符号为σrN,r代表材料的循环特性,N代表循环次数。可以看出材料的疲劳极限是随循环次数N和循环特性r的变化而变化的。图1－10σN曲线

金属材料的疲劳曲线通常可分为两类,对于大多数的黑色金属和合金材料,当应力循环次数N达到某一数值N0后,疲劳曲线就呈现水平,无论循环次数如何增加,疲劳极限σrN都不会发生变化,如图1－10(a)所示;对于有色金属和高硬度合金钢,无论N值多大,疲劳曲线都不会出现水平部分,如图1－10(b)所示。

可以将有明显水平部分的疲劳曲线分为两个区:有限寿命区和无限寿命区。N≤N0的部分称为有限寿命区,N>N0的部分称为无限寿命区。

在有限寿命区内,应力的循环次数和疲劳极限之间的关系可以用下面的方程式来表示:

式中:C为试验常数;m为材料常数,其值与应力状态、材料性质和热处理方法等有关,通常是通过试验来确定的,在一般设计中,对于钢材,在弯曲疲劳和拉伸疲劳时,m=6~20,钢制零件弯曲疲劳时,m=9;N0

为循环基数,设计时,当要求的循环次数N>N0

时,按无限寿命设计;当循环次数小于103时,材料一般不会发生疲劳破坏,按静力强度设计;KN

为材料的寿命系数。

2.等寿命疲劳曲线(极限应力曲线)

等寿命疲劳曲线也叫材料的极限应力曲线,是同一材料在不同的应力循环特性r下的疲劳极限值σr(最大的极限应力)在σa－σm坐标系中的表达,其曲线如图1－11(a)所示。图1－11－材料的极限应力曲线

图中曲线上任意一点的横坐标σm

与纵坐标σa之和代表某一循环特性下的材料疲劳极限σr。在纵坐标轴上平均应力σm

等于零,循环特性r=-1,为对称循环应力,所以纵坐标轴上的A点代表着对称循环应力σ-1。在横坐标轴上应力幅σa等于零,循环特性r=1,为静应力,所以横坐标上的B点代表着材料的抗拉强度极限σB。曲线上的D点代表着脉状循环应力σ0。

在工程应用中,常以直线来近似替代疲劳特性曲线。图1－11(b)所示的AGC双直线极限应力曲线图就是一种常用的近似替代曲线图。取A和D两点创建直线并延长,在横坐标取一点C,使C点的值等于材料的屈服极限σs,过C点作一条与横坐标轴成45°的射线,与AD延长线交于G点,那么曲线AGC就为简化的等寿命曲线。

当材料的应力处于曲线AGC与两坐标轴所围区域以内时,材料不会发生破坏;如果材料应力处于曲线AGC与两坐标轴所围区域以外时,材料将发生破坏;如果材料应力处于曲线AGC上时,材料的应力刚好达到极限状态。所以要判断材料是否发生破坏就要判断其应力是在曲线与两坐标轴所围区域的内部还是外部,为此必须求出曲线的方程。

AG线段的方程为

直线GC的方程为

式中:ψσ为材料受循环弯曲应力时的材料常数,其值由试验及下面的公式确定:

根据经验,碳钢的ψσ≈0.1~0.2,合金钢的ψσ≈0.2~0.3

1.5.3机械零件的疲劳强度计算

1.影响零件疲劳强度的主要因素

材料的疲劳极限和材料的极限应力曲线都是以标准试件通过疲劳试验测得的,都是标准试件的疲劳强度指标。工程设计中的各机械零件与标准试件之间在尺寸、几何形状、表面状态、加工质量及强化等因素上都是不同的,这使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳强度极限。影响机械零件疲劳强度的主要因素有三个:应力集中、零件尺寸与表面状态。

1)应力集中的影响

在零件剖面的几何形状突然变化之处,如过渡圆角、键槽、螺纹小孔等处,局部应力要远远大于理论计算应力,这种由于零件形状突然变化而引起的局部应力增大的现象称为应力集中。由于应力集中的存在,零件的疲劳极限有所降低,其影响通常通过应力集中系数kσ、kτ

来表示:

式中:σ-1、τ-1分别为无应力集中试件的对称循环疲劳极限;σ-1k、τ-1k分别为有应力集中试件的对称循环疲劳极限。

2)零件尺寸的影响

当其他条件相同时,零件的绝对尺寸越大,则其疲劳强度越低。其原因是由于尺寸大时,材料晶粒变粗,导致出现缺陷的概率增大,加工后表面冷作硬化层相对较薄,在变应力的作用下更容易形成疲劳裂纹,使零件的疲劳强度降低。在设计中通常用εσ、ετ来表示尺寸的影响:

式中:σ-1、τ-1分别为标准试件的对称循环疲劳极限;σ-1d、τ-1d分别为与试件应力集中情况相同的某尺寸零件的对称循环疲劳极限。

3)表面状态的影响

零件的表面状态包括表面粗糙度和表面处理。可通过零件表面强化处理(如喷丸、表面热处理、表面化学处理等)来提高零件的表面光滑程度,从而提高机械零件的疲劳强度。表面状态对疲劳极限的影响可用表面状态系数β来表示:

式中:σ-1为标准表面状态试件的对称循环疲劳极限;σ-1β为某种表面状态试件的对称循环疲劳极限。

为了综合考虑这三种因素对零件的疲劳极限影响,在此定义一个综合影响系数Kσ、Kτ。试验证明,综合影响系数只对应力幅有影响,其公式为

2.零件疲劳强度的计算

一般用材料的对称循环疲劳极限σ-1与零件的对称循环疲劳极限σ-1e的比值来表示综合影响系数Kσ,可以得到:

当已知综合影响系数

Kσ和材料的对称循环疲劳极限σ-1后,就可以得到零件的对称循环疲劳极限σ-1e为

通过公式(1－32)可以看出把材料的极限应力曲线按一定比例向下平移就可以得到零件的极限应力曲线,如图1－12所示。图1－12零件的极限应力曲线

直线A'G'方程:

式中:ψσ

为标准试件中的材料常数;ψσe为零件的材料常数;ψσe可用下面的公式计算:

3.单向稳定变应力时的疲劳强度计算

在对机械零件进行疲劳强度计算时,首先求出危险截面上的最大工作应力σmax和最小工作应力σmin;再计算出应力幅σa

和平均应力σm,然后找出该点在极限应力图上的坐标点M(N),找出该点对应的极限应力σ'max,那么σ'max与σmax的比值就是计算安全系数Sca,验证其是否大于等于许用安全系数S就可以了。

下面将对三种最常见的情况进行讨论。

情况一:

如图1－13所示,当r=C时,可以得到

过原点引一条射线通过工作应力点M(N),与极限应力曲线相交于M'1(N'1)点,得到OM'1。由于直线上任一点的应力循环特性均相同,只要在这条线上的点都满足r=C,因此M'1(N'1)点即为所求的极限应力点,该点的坐标所代表的应力就是计算时所用的极限应力σlime。图1－13r=C时零件的极限应力曲线

(1)当工作应力点位于OAG区域内时,极限应力为疲劳极限,按疲劳强度计算,零件的极限应力(疲劳极限)为

强度条件为

(2)当工作应力点位于OGC区域内时,极限应力为屈服极限σs,按静强度计算,零件的强度条件为

情况二:

需在极限应力图上找一个其平均应力与工作应力相同的极限应力,如图1－14所示。过工作应力点M(N)作与纵轴平行的轴线交AGC于M2(N'2)点,即为极限应力点,该点的坐标所代表的应力就是计算时所用的极限应力σlime。图1－14σm=C时的极限应力

(1)当工作应力点位于OAGH区域时,有

(2)当工作应力点位于GHC区域时,有

只需按静力强度进行校核就可以了。

情况三:

过工作应力点M(N)作与横坐标成45°的直线,则这条直线上任一点的最小应力均相同,所以该直线与极限应力线的交点M'3(N'3)即为所求极限应力点,如图1－15所示。图1－15σm=C时的极限应力

(1)当工作应力点位于OJGI区域内时,有

(2)当工作应力点位于IGC区域时,有

上述公式应用时应该注意以下几点问题:

(1)若零件所受应力变化规律不能肯定,这时可采用r=C的近似情况计算。

(2)通过等寿命曲线的含义及公式中的推导可以看出,上述公式计算均按无限疲劳寿命进行零件的疲劳安全系数设计,若按有限寿命要求设计零件,即当应力循环次数104<N<N0时,上述公式中的极限应力应为有限寿命的疲劳极限σrN,即在以前的公式中用σrN

来代替σr。这说明如果用上面的公式来计算有限寿命的安全系数,则计算结果是偏大的。

(3)当未知工作应力点在区域内时,应同时考虑可能出现的两种情况。

(4)对于切应力,上述公式同样适用,只需将σ改为τ即可。

(5)分析公式(1－38),分子是对称循环的弯曲疲劳极限,分母为工作应力幅乘以综合影响系数Kσ再加上ψσσm,可以这样来理解,把ψσσm

看做是一个折算的等效应力幅,ψσ看做是等效应力幅的一个折算系数,经过折算后,Kσσa+ψσσm

就可以看成是原来不对称循环变应力的一个等效循环变应力,由于是对称循环,所以将其标记为σad。这样的一个转化过程称为应力的等效转化。

所谓等效应力,也可以这样来概括,就是将非对称循环变应力按照强度相等的原则等效折算成对称循环的变应力的一个等效应力的过程,即

于是计算安全系数为

1.5.4机械零件的抗断裂强度

在工程实际中,有这样一些结构,若按常规的强度理论来分析,它们是能满足强度条件的,即工作应力小于许用应力。但在实际使用中,又往往会发生突然性的断裂。这种在工作应力小于许用应力时所发生的突然断裂,常称为低应力脆断。结构内部裂纹和缺陷的存在是导致低应力断裂的内在原因。另外,蓬勃发展的近代先进科学技术,对传统的强度理论提出了挑战,主要有三方面:第一是高强度材料和超高强度材料的使用;第二是构件的大型化;第三是全焊接结构的使用。这些方面的应用尤其需要解决材料的脆断问题,而解决这一问题的主要理论工具就是断裂力学。

断裂力学的研究内容包括裂纹的起裂条件;裂纹在外部载荷和(或)其他因素作用下的扩展过程;裂纹扩展到什么程度物体会发生断裂。另外,为了工程方面的需要,断裂力学还研究含裂纹的结构在什么条件下可能被破坏;在一定荷载下,可允许结构含有多大裂纹;在结构裂纹和结构工作条件一定的情况下,结构还有多长的寿命等。

传统的强度理论是运用应力和许用应力来度量和控制结构的强度与安全性的。为了度量含裂纹结构体的强度,在断裂力学中运用了应力强度因子KⅠ(或KⅡ、KⅢ)和平面应变断裂韧度KⅠC(或KⅡC、KⅢC)两个新的度量指标,并以此建立了以损伤容限为设计判据的设计方法(其中脚标Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别表示按承载时裂纹产生不同的变形现象或趋势而划分的裂纹类型)。

高强度材料的广泛应用,推进了断裂力学的发展。对断裂力学研究的不断深入,又使其应用范围不断扩大。目前,断裂力学在工程上主要应用于估计含裂纹构件的安全性和使用寿命,确定构件在工作条件下所允许的最大裂纹尺寸,用断裂力学指导结构的安全性设计。

例如,某燃气轮机的一个零件是由高强度合金钢制成的。工作时,零件所受最大应力为410MPa。经超声波无损探伤以及进一步的分析,确定其结构内部可能有最大长度为3mm的等效裂纹。根据断裂力学的计算得到应力强度因子,由试验可以确定该零件材料的断裂韧度,进一步可计算出断裂破坏的计算安全系数。因此,可判断该零件的安全性是足够的。

1.5.5机械零件的接触疲劳强度

机械中各零件之间力的传递,总是通过两零件相互接触来实现的,如图1－16所示。零件之间若为面接触,将产生表面挤压应力;若为点、线接触,将产生接触应力。机械零件中接触应力往往是变应力,像滚动轴承、齿轮和凸轮等零件,在较高的接触应力的反复作用下,会在接触表面的局部区域产生小块或小片金属剥落,形成麻点和凹坑,使零件运转噪声增大,振动加剧,温度升高,磨损加快,最后导致零件点蚀失效。接触强度问题大多属于接触疲劳强度问题,因此,设计这类零件时,必须考虑接触强度。图1－16圆柱体的接触应力分布

物体表面的接触状况,按初始几何条件可分为点接触和线接触两类。施加载荷后,接触点或接触线实际上变成接触面(圆、椭圆、矩形或梯形)。在计算接触面积时假设:

①弹性体材料各向同性;

②接触区域的应力不超过弹性极限;

③接触面积比接触物体总表面积小得多;

④接触应力垂直于物体的接触表面。

根据上述假设,两个弹性物体接触面为一椭圆,最大压应力(即最大接触应力)发生在接触面的中心。

高副零件工作时,理论上是点接触或线接触,但实际上由于材料接触部分的局部弹性变形而形成面接触,这种接触由于接触面积很小,表层产生的应力实际上是很大的,该应力称为接触应力。

如图1－16所示,设两圆柱体所受的压力为F,圆柱体1与圆柱体2的曲率半径分别为ρ1－和ρ2,长度为b,圆柱体1和2的弹性模量和泊松比分别为E1、γ1－和E2、γ2。根据弹性力学中的赫兹公式,则两圆柱体的接触应力为

当两圆柱体未受力接触前,两圆柱体沿与轴线平行的一条直线接触;当受力后,接触线就产生弹性变形,这个时候不再是线接触,而形成了一个宽度为2a的矩形接触面。假设变形在弹性范围内,由于在接触面上随宽度的不同圆柱体的变形不同,应力也是不同的,在初始接触线上应力最大,在矩形边缘接触应力为零。

当零件相互对滚时,接触线或接触点将连续改变位置,零件上任一点的接触应力只能在0到σH之间改变,接触应力为脉动循环变应力。进行接触疲劳计算时,极限应力也应是脉动循环的极限接触应力。

在机械设计中,可采用提高接触强度的措施来提高零件的使用寿命。例如,提高零件表面质量,在接触表面加润滑剂,用各种热处理工艺提高接触表面的硬度等。

1.6机械零件的结构工艺性

1.6.1－机械零件结构工艺性的基本原则

机械零件结构工艺性的基本原则是:(1)与生产条件、批量大小及获得毛坯的方法相适应。(2)造型简单化。(3)加工的可能性、方便性、精确性和经济性。(4)装拆的可能性和方便性。

1.6.2良好工艺性对机械零件结构的具体要求

1.铸造工艺性对零件的结构要求

具有较复杂外形的机械零件,如减速箱的箱体等,常采用铸造工艺。铸造工艺性有如下要求:

(1)应使造型方便,砂箱和型芯尽量少,具有必要的起模斜度等。

(2)铸造件应有一定的壁厚,壁厚变化及布置应避免出现缩孔,避免局部金属堆积。

(3)应考虑零件在机床上切削加工时有必要的基准面,注意浇铸过程中不应造成激冷过硬的被切削加工面。

2.锻造工艺性对零件的结构要求

机械中负载高、工作条件严峻的重要零件,如减速器齿轮等多采用锻件。锻造工艺性有如下要求:

(1)自由锻。自由锻件应当尽量避免圆锥体形状以及圆柱体与圆柱体相交接、加强筋、表面凸台等结构,以免锻造困难。

(2)模锻。模锻件的结构形状应使锻件易从锻模中取出,要考虑分模