第2章 机械零件的失效形式及设计准则

第2章机械零件的失效形式及设计准则2.1机械的载荷与工况2.2机械零件的主要失效形式2.3机械零件的常用材料及选用原则2.4机械零件的设计准则2.5现代设计方法简介机械设计Machinedesign机械的载荷与工况机械的载荷按需要可以用功率、转矩或力表示。机械系统正常工作时所受的实际载荷称为工作载荷。工作载荷通常比较复杂，它与工况密切相关。工作特性：平稳载荷（带式输送机、发电机组、通风机等）；轻微的冲击载荷：（传送不均匀物料的带式输送机、搅拌变密度材料的搅拌机等）；中等冲击载荷：（间歇工作的搅拌机、木工机械、钢坯初轧机等）；严重的冲击载荷（挖掘机、破碎机、锻压机械等）；作业的忙闲程度：间歇性（如起重机械）；连续工作（如冶金机械、水厂供水设备）；负载繁重程度：有些机械经常处于满负荷甚至还有短时超负荷工作状态，有些则经常为不足载的轻负荷工作。工作速度：有些机械的工作速度基本恒定不变，有些则需经常变速。原动机输出动力的均匀程度：电动机比较均匀稳定，液压马达及频繁起动的电动机有轻微冲击，多缸内燃机则有中等程度的冲击，单缸内燃机会给机械造成严重的冲击载荷。解决方法：如能获得反映其载荷变化规律的载荷谱，则应根据载荷谱进行设计计算；如有该类机械的设计规范，应按规范进行设计计算。机械设计Machinedesign机械零件的载荷计算名义载荷：机械在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。计算载荷＋附加动载荷→计算载荷工作载荷安全因数机械设计Machinedesign载荷与应力1、载荷分类静载荷：不随时间变化或变化缓慢。动载荷：随时间变化。2、应力分类变应力静应力：r=1σt脉动循环：r=0σt0对称循环：r=-1σt0非对称循环tσ0循环特征：maxminr机械设计Machinedesign载荷与应力静应力只能由静载荷产生，变应力可能由变载荷或静载荷产生。aσ0tt0σa在变应力下，零件的主要失效形式为：疲劳破坏机械设计Machinedesign)0(1122maxminminmaxminmaxrrram002minmaxram0tamminmax0tammax10minmaxram0ta=maxmin变应力特性参数：2minmaxminmaxmamam平均应力最小应力最大应力maxminminmax2ra循环特性应力幅对称循环脉动循环非对称循环机械零件的应力机械设计Machinedesign（一）整体断裂整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂断裂静强度疲劳),(limrb失效：规定功能的丧失。失效≠破坏机械零件的主要失效形式机械设计Machinedesign（二）过大的残余变形当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形s机械零件的主要失效形式机械设计Machinedesign（三）零件的表面破坏零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。齿面接触疲劳轴瓦磨损机械零件的主要失效形式机械设计Machinedesign（四）破坏正常工作条件引起的失效有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔才能正常工作。零件在工作时会发生那一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很多因素有关。有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起。机械零件的主要失效形式机械设计Machinedesign：铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1)…...黑色金属有色金属铁钢高分子材料复合材料陶瓷金属材料非金属材料载荷及应力的大小和性质零件的工作情况零件的结构及加工性材料的经济性零件的尺寸及重量一、常用材料二、机械零件材料的选用原则详细说明：塑料、橡胶、合成纤维：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢…(如：08F45601Cr18）：灰铸铁、球墨铸铁…(如：TH300QT500-5)：强如钢、轻如铝、硬如金刚石：强度高、弹性模量大、质量轻机械零件的常用材料及选用原则机械设计Machinedesign合金钢的强度极限比碳素钢大得多，但两者的弹性模量相差很小，因此采用合金钢不可能提高零件的刚度。而在零件结构设计时往往采取加大截面尺寸、采用空心轴、设加强肋、合理确定支承位置等，来有效地提高零件的刚度。一般情况下，构成摩擦副的两零件，不宜采用相同牌号与相同硬度的材料。机械零件材料选用特别要注意的两个问题机械零件的常用材料及选用原则机械设计Machinedesign机械零件的设计准则强度准则刚度准则设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：寿命准则振动稳定性准则可靠性准则：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。：确保零件不发生过大的弹性变形。：通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。：高速运转机械的设计应注重此项准则。：当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。机械设计Machinedesign机械零件的设计准则一、强度准则：零件危险截面中的最大应力不超过材料许用应力强度：零件抵抗断裂、塑变、疲劳破坏的能力。方法：S——安全系数，S＞1—→S↑：安全，浪费材料S↓：经济，不安全Slim][Slim][机械设计Machinedesign机械零件的设计准则二、刚度准则：刚度准则是零件在载荷作用下产生的弹性变形量y，不超过机械工作性能所允许的极限值yP][yy][y2.扭转刚度扭转角][TT'刚度：抵抗弹性变形的能力。1.弯曲刚度挠度偏转角机械设计Machinedesign三、寿命准则：腐蚀、磨损和疲劳腐蚀、磨损目前尚无可靠的计算方法疲劳寿命计算第三章介绍四、振动稳定性准则：防止共振振幅A频率f0.85ff1.15f要求：fp0.85f或fp1.15ffp:激振源频率f:零件固有频率机械零件的设计准则机械设计Machinedesign五、可靠性准则机械零件的设计准则ttFNNNNNNNR11fft机械零件的可靠度是指零件在规定的条件下和规定的时间内、完成规定的功能时不发生失效的概率。设有N个同样零件，在规定的条件下工作，至规定的时间t有Nf个零件失效，剩下的Nt个零件仍能正常工作，则其可靠度为机械设计Machinedesign机械零件的设计准则设计准则计算公式失效形式典型零部件强度准则lim/S断裂、疲劳破坏、残余变形轴、齿轮、带轮等刚度准则y[y]弹性变形轴、蜗杆等寿命准则满足额定寿命腐蚀、磨损、疲劳滚动轴承等振动稳定性0.85ffp或1.15ffp共振产生的工作失常滚动轴承、齿轮、滑动轴承可靠性准则R=N/N0机械设计Machinedesign机械零件的设计方法理论设计经验设计模型实验设计机械零件的设计方法通常分为常规设计方法和现代设计方法两大类。现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。如机械优化设计、机械可靠性设计、计算机辅助设计等等。常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。它又可分为：详细说明机械设计Machinedesign机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化1标准化的益处：与设计有关的标准:国际标准国家标准行业标准企业标准等如：ISOGBJB、HBQB国标分为：强制标准和推荐标准标准化有利于保证产品质量，减轻设计工作量，便于零部件的互换和组织专业化的大生产，以降低生产成本。强制性国家标准：代号为GB××××(为标准序号)－××××(为批准年代)强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。推荐性国家标准：代号为GB／T××××－××××，这类标准占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的效果。标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。机械设计Machinedesign机械现代设计方法简介机械现代设计方法通常是相对传统的设计方法而言的。现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下列转换：以动态的取代静态的─如机器结构动力学计算。以定量的取代定性的─如有限元计算。以随机量取代确定量─如可靠性设计。以优化设计取代可行性设计─如优化设计。并行设计取代串行设计─如并行设计。微观的取代宏观的─如微－纳米摩擦学设计。系统工程法取代分部处理法─如系统工程。自动化设计取代人工设计的转化─如计算机辅助设计。机械设计Machinedesign机械现代设计方法简介产品生命周期模型产品建模过程设计知识处理仿真技术组织算法一般原理和方法工程图样标准化1850190019502000内涵范畴技术面向车间设计面向标准设计方法学设计CADC3PDMU&VPD几何模型开发规划市场和顾客研究样品制造试验经济和生态方面的评价使用评价从图样设计走向产品快速开发机械设计Machinedesign机械现代设计方法简介工业化初期，人工绘制三维立体图样机械设计Machinedesign机械现代设计方法简介大量生产时代，按照制图标准绘制二维工程图样—面向标准化和批量生产，由人工或计算机辅助绘制。机械设计MachinedesignCAD三维实体建模轿车齿轮变速箱动力输入变速齿轮变速操纵杆后桥大齿轮机械设计MachinedesignCAD：建立数字原型巨型挖土机的数字原型机械设计MachinedesignCAD：建立数字原型透视汽车的内部结构机械设计MachinedesignCAD：建立数字原型虚拟检修工飞机底舱的复杂管路虚拟人检验飞机的可维修性机械设计MachinedesignCAD：建立数字原型摩托车外观的艺术渲染机械设计MachinedesignCAD：建立数字原型机械设计MachinedesignCAE：产品性能分析飞机齿轮的应力及应变分析机械设计MachinedesignCAE：产品性能分析凸轮轴的应力和应变分析机械设计MachinedesignCAE：产品性能分析并联运动机床的应力与应变分析机械设计MachinedesignCAE：产品性能分析单侧驱动振动持续长两种不同驱动方案动态特性的比较中心对称驱动振动小机械设计Machinedesign瞬态动力学—汽车碰撞两辆轿车横向相撞机械设计Machinedesign思考题：思考题1.什么是工作载荷、名义载荷和计算载荷，机械零件强度计算时，应按何种载荷进行计算？2.试举出二例在对称循环变应力下工作的机械零件。3.机械零件常用的材料有哪些？选用的一般原则是什么？4.为什么用合金钢代替普通碳素结构钢不能提高零件的刚度？5.下列符号各代表什么材料？主要适用于制造什么零件？Q235,35，40Cr，HT200，20CrMnTi38CrMoAlA，ZCuSn10P1