机械零件设计的基本准则与步骤(ppt 27页)

σ=常数 t
σmax
σmin to
σa σa
对称循环变应力
σmax
σa
σa
σm
t o σmin
t
脉动循环变应力
二、疲劳断裂的特征
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;
不管脆性材料或塑性材料，
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；它的初期现象是
第9章 机械零件设计概论
§9－1 机械零件设计的基本准则和一般步骤 §9－2 机械零件的疲劳强度 §9－3 机械制造常用材料及其选择 §9－4 机械零件的工艺性及标准化
§9－1 机械零件设计的基本准则和一般步骤
一、机械零件设计的基本准则 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丧失正常工作能力时，称为失效。
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。
如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带 传动等。机械零件虽然有多种可能的 失效形式，归纳起来最主要的为
零件的失效形式:
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 ; 注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用
的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标谁、规格加以圆整
5) 绘制工作图并标注必要的技术条件，编写说明书。
§9－2 机械零件的疲劳强度
当N≥N0 时,σrN不再随N的增大而降低，此时的疲劳 极限用σr表示。 N0 ----循环基数
面间产生挤压应力，应力分布在接触面不太深的表层，
挤压应力过大时，零件表面被压溃。
判定条件：
p [p]
[
p
]
p lim
Sp
表面接触强度是指两个零件
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
σH σH
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
Fn
b
称为接触应力。
ρ1
ρ2 σH σH
称为疲劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积， 损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力 。
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。
判定条件：
H[H], 而 [H]SH H lim
2.刚度
指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。
判定条件：
y y
y、[y]——零件的变形量和许用变形量 θ、[θ ]——零件的Baidu Nhomakorabea角和许用转角 φ、[φ ]——零件的扭角和许用扭角
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。
对于各种不同的失效形式，相应地有各种工作 能力判定条件。这种为防止失效而制定的判定条件， 通常称为工作能力计算准则。
1. 强度
机械零件的强度可分为体积强度和表面强度两种。
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，直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷 时，就突然断裂。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 疲劳断裂是与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂。
4) 疲劳断面明显分为两
个区域，即表面光滑的
疲劳发展区和表面粗糙
的脆性断裂区。
三、疲劳曲线
σrN
疲 间劳 的极关限系曲σrN线与称循为环：次疲数劳N曲之线σr
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 N>N0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。
1）无限寿命区
O
σ-1N
N
σ-1
N N0
Fn
b
油 裂金纹初属的始剥扩疲落展劳出与裂现断纹小裂坑
如齿轮、凸轮、滚动轴承等。 失效形式常表现为：疲劳点蚀
机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的， 在载荷重复作用下，首先在表层内约20μm处产生初始 疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将 产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片 状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑 ，这种现象
一、应力的种类
静应力: σ=常数 变应力: σ随时间变化
平均应力:
m
maxmin
2
应力幅:
a
maxmin
2
变应力的循环特性:
σ
r min max
-1 =0
+1
T
σ
σa
σa
σmax σmin σm
o 循环变应力
----对称循环变应力 ----脉动循环变应力
----静应力
静应力是变应力的特例
o
σ
σ
1）静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形
塑性材料，取屈服极限σS 、τS作为极限应力 脆性材料：取强度极限σb、τb 作为极限应力
2）变应力下，零件无论是塑性材料还是脆性材料，其 损坏形式是疲劳断裂，因此常用材料的疲劳极限作为 极限应力。
2）表面强度 分为表面挤压强度和表面接触强度
表面挤压强度是指面接触的两零件，受载后接触
1）体积强度 体积强度是抵御断裂和过大塑性变形的能力。
判 定条件：
[[]]其中
[ ] [ ]
lim
S
lim
S
S 或
S
lim lim
S
S
[σ]、[τ]-----许用应力
[Sσ] 、[Sτ] -----许用安全系数 σlim、τlim -----极限应力。
极限应力的选择：
单位接触面积的发热量 f p v 。在摩擦系数一定的情况
下，可将 p v 值与许用的 [p v] 值进行比较。即:
p v ≤ [p v ]
4.振动稳定性准则 在设计时应避免机器中受激振作用的各个零件
的自激振动频率与激振源的频率相等或成整数倍。
二、机械零件设计的步骤：
1)根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构;
3. 机械零件的耐磨性 运动副摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。
磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面形状。零件抗磨 损的能力称为耐磨性。 磨损↑ →间隙↑、 精度↓、效率↓、振动↑、冲击↑、 噪音↑ 据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。
实用耐磨计算是限制运动副的压强p，即:
p ≤ [p] [p]由实验或同类机器使用经验确定 相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间