机械零件设计的基本准则及一般步骤、机械零件的疲劳强度(一)

第2次课摘要授课题目〔章、节〕：2-2机械零件设计的根本准那么及一般步骤2-3机械零件的疲劳强度〔一〕教学主要内容及重点难点：重点：机械零件设计的根本准那么及一般步骤难点：机械零件的疲劳强度内容复习：机器和机构、构件和零件、通用零件和专用零件等概念特别是机器及机构的特征。机械零件设计的根本准那么及一般步骤§2.2设计机械零件的根本要求一.概念1.失效：指机械零件〔产品〕丧失了工作能力或达不到设计要求的性能。〔对可修复的产品，失效又称为故障〕注意：1.〕失效并不单纯指破坏。破坏只是失效的形式之一。2.〕归结起来主要有以下几个方面的失效：强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、联接的松动以及可靠性等。3.〕同一种机械零件的可能失效形式往往有数种。2．工作能力：机械零件不发生失效的平安工作限度。3．承载能力：对载荷而言的工作能力。在机械零件的设计中，最终是要确定零件的结构尺寸。通常情况下，都希望尺寸小、重量轻，同时又不能在工作中发生任何失效。设计时就需要进行必要的计算。常用的计算方法有两种：1．设计计算：――先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算准那么通过计算确定零件的机构尺寸。2．校核计算：――先根据经验确定零件的结构尺寸，然后在验算零件是否满足计算准那么。如不满足，那么应修改零件的尺寸。二.机械零件的失效形式主要有：变应力失效—疲劳断裂强度冲击失效---冲击断裂静应力失效—塑变、断裂1．本体失效：刚度：变形＞【变形】振动：稳定性，压杆失稳有相对运动：挤压失效、打滑受力外表2.外表失效：无相对运动：磨损、疲劳点蚀、胶合不受力外表、腐蚀失效三、设计机械零件时的根本要求1.防止在预定寿命内失效的要求：1〕强度强度缺乏是零件在工作中产生断裂或过量参与变形的直接原因措施：采用强度高的材料；使零件具有足够的截面尺寸；合理设计零件的界面形状，以增大界面的惯性矩；采用热处理和化学热处理方法，以提高材料的力学性能；提高零件的制造精度，以降低工作时的动载荷；合理的配置机器中各零件的相互位置，以降低作用于零件上的载荷等。2〕刚度零件在工作时所产生的弹性不超过允许的限度，就叫做满足了刚度要求，只有当弹性变形过大就要影响极其性能的零件〔例如机床主轴、导轨等〕，才需满足这项要求。3.〕耐磨性运动副之间的摩擦将导致零件外表材料的逐渐丧失或迁移，即形成磨损。磨损会破坏零件外表的尺寸、形状精度，增大运动副的间隙，降低机器的效率和可靠性，并会随着时间，愈加剧烈。磨损的过程三个阶段：磨合阶段、稳定磨损阶段及剧烈磨损阶段。磨合是磨损的不稳定阶段，在整个工作时间内其所占的比率很小。在稳定磨损阶段内，零件在平稳而缓慢的速度下磨损，它标志着摩擦条件保持相对稳定性恒定。这个阶段的长短就代表零件使用寿命的长短。经过稳定磨损阶段后，零件的外表遭到破坏，运动副中的间隙增大，引起额外的动载荷，出现噪声和振动。在设计或使用机器时，应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损的到来。4.〕振动稳定性。对于高速机械必须考虑防止发生共振，否那么不仅机器不能正常工作，而且往往导致机器毁坏和人身事故。所谓振动稳定性，简单说就是使高速运转的零件的固有频率应避开振源频率。机械零件的设计准那么：强度准那么：就是指零件中的应力不得超过允许的限度。δ≤【δ】τ≤【τ】这里δ、τ为零件的工作应力〔或计算应力〕，【δ】和【τ】为零件的许用应力。考虑到各种偶然性或难以精确分析的影响，要除以设计平安系数〔平安系数〕S，即δ≤【δ】/S刚度准那么y≤【y】〔挠度〕Φ≤【Φ】〔扭转角〕y：零件在载荷作用下产生的弹性变形量，可按各种求变形量的理论或实现方法确定【y】：机器工作性能所允许的极限值，应随不同的使用场合，根据理论或经验来确定合理的数值。耐磨性准那么一般对易于磨损失效的零件，常采用限制其相对运动外表单位面积上的压力P〔mpa〕来作为条件性的设计〔校核〕计算，即P≤【P】〔四〕振动稳定性准那么机械零件周期性产生弹性变形的现象称为振动。当作用在零件上的周期性外力的变化频率接近或等于零件自身的自激振动频率时，便发生共振，导致零件失效。这种现象称之为“失去振动稳定性”。振动稳定性准那么：应使受激振作用零件的自激振动频率远离外力变化的频率。即＜0.85f或＞1.15f式中：f――零件的自激振动频率――外力变化的频率.2.结构工艺性所谓机械零件的结构工艺性，是指在一定的生产条件下，能够方便经济的制造和装配。简而言之即零件的结构设计应是指易于加工。3.可靠性零件可靠性的概念与机械系统可靠性相似，并且用零件的可靠度来度量。零件的可靠度定义为：在预定的环境条件下和使用时间内，零件能够正常工作而不失效的概率。4.标准化机械设计中的标准化是指零件的特征参数以至其结构尺寸、检验方法和图样等的标准化要求。5.其他要求四、机械零件的一般设计步骤1.〕根据零件的使用要求，选择零件的类型及结构形式，并拟定计算简图。2.〕分析作用在零件上的载荷〔拉、压力，剪切力〕。3.〕根据零件的工作条件，选取适宜的材料及热处理方法，确定许用应力。4.〕分析零件的主要失效形式，按照相应的设计准那么。确定零件的根本尺寸。5.〕按照结构工艺性、标准化要求，设计零件的结构及其他尺寸。6.〕绘制零件工作图，拟定必要的技术条件，编写设计说明书。.§2.3机械零件的疲劳强度一、变应力及其参数载荷分为静载荷和动载荷，静载荷的特点就是不随着时间变化或变化缓慢。变载荷的特点就是随着时间呈现周期性或非周期性的变化。静应力：机械零件中应力的大小和方向不随时间变化而保持恒定。有静载荷产生。工程实际中比拟少。变应力：应力的大小和或方向随着时间而变化，多数情况下零件的应力是随着时间再做不同的变化的。随着时间做周期性变化的变应力称为循环变应力，其主要参数不随着时间变化的称作稳定循环变应力，相反为非稳定循环变应力。本书的讨论仅限于稳定循环变应力。图1.变应力的类型a〕稳定循环变应力b〕非稳定循环变应力变应力的参数：最大变应力，最小变应力，平均变应力，应力幅，应力循环特征r；=+=〔+〕/2=-=(-)/2r=/图2.变应力〔稳定〕的类型和参数a〕-1＜r＜1非对称循环变应力b〕r=-1对称循环变应力c〕r=0脉动循环变应力变应力按照其循环特征分为：1〕非对称循环变应力-1＜r＜12)对称循环变应力r=-1=-==03)脉动循环变应力r=0=2=2=0二、疲劳断裂和疲劳曲线零件材料在屡次反复的变应力作用下，会产生局部永久性的损伤累积，生成疲劳裂纹，当应力循环次数到达一定值时将突然发生疲劳断裂。1、疲劳失效：很多机械零件受变应力作用。即使变应力的。而变应力的每次循环也仍然会对零件造成轻微的损伤。随应力循环次数的增加，当损伤累积到一定程度时，在零件的外表或内部将出现〔萌生〕裂纹。之后，裂纹又逐渐扩展直到发生完全断裂。——这种缓慢形成的破坏称为“疲劳破坏”。——是变应力作用下零件的主要失效形式。疲劳失效的三个阶段：裂纹形成、裂纹扩展、瞬时断裂材料的疲劳特性，可用最大应力、应力循环次数N、应力比r来描述。机械零件材料的抗疲劳性能是通过实验来测定的。即在材料的标准试件上加上一定应力比的等幅变应力，通常是加上应力比r=-1的对称循环应力或是r=0的脉动循环应力，通过实验，记录处在不同最大应力下引起时间疲劳破坏所经历的应力循环次数N。上图描述了在一定应力比的r下，疲劳极限〔以最大应力表征〕，与应力循环次数N的关系曲线，通常称为δ-N曲线。A-B段：循环次数约为10V3，使材料试件发生破坏的最大应力值根本不变，或者说下降的很小，所以把应力循环次数N≤10v3使得变应力强度看做是静应力强度的状况。B-C段：随着循环次数的增加使材料发生疲劳破坏的最大应力将不断下降。仔细检查时间这一阶段的破坏断口状况，总能见到材料已发生塑性变形的特征。C点相应的循环次数大约在10v4左右，〔应变疲劳或低周疲劳〕C-D段：有限寿命疲劳阶段,试件经过一定次数的交变应力作用后总会发生疲劳破坏。曲线CD上任何一点所代表的疲劳极限，称为有限寿命疲劳极限，用δrn表示，r代表应力比，N代表相应的应力循环次数。δrnN=C〔Nc≤N≤Nd〕D以后：进入无限寿命区曲线CD和D以后两段所代表的疲劳强度通常称为高周疲劳，大多数通用机械零件及专用零件的失效都是有高周疲劳所引起的。2、疲劳失效的特点疲劳断裂时：受到的低于，甚至低于。不管是脆性材料，还是塑性材料，断口通常没有显著的塑性变形。——表现为：脆性断裂。——突然性，更危险。疲劳破坏是一个损伤累积的过程，有开展的过程，需要时间。——寿命的计算。疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆性断裂区。3、疲劳强度计算1〕综合影响系数Kab〔K〕Kab=K/αβ其中：K为应力集中系数考虑零件几何形状引起的应力集中的影响。α尺寸系数考虑零件尺寸与试件尺寸不同的影响β外表状态系数考虑零件外表质量和可能采取的强化工艺的影响2〕单向应力时的平安系数假设零件受对称循环应力的作用，那么计算平安系数为3〕复合应力时的平安系数4〕许用平安系数§2.4机械零件的常用材料及其选择一、机械零件的常用材料1.金属材料：在各类工程材料中，以金属材料〔尤其是铁〕使用最广。2.高分子材料：高分子材料通常包含三大类型，即塑料、橡胶及合成纤维。其优点原料丰富、获取时所需能耗低等，缺点容易老化等3