机械设计基础第二章机械设计的基础理论.ppt

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1、前一章知识回顾：1、机械设计这门课程研究的对象2、机器/机构/构件/零件3、机械的发展历程概述4、机械设计的基本要求5、机械设计的基本过程本章主要内容： 机械零件的失效与设计要求（2.1 ，2.2 ） 强度准则（2.3，2.4） 摩擦学设计基础（2.5） 零件制造常用材料及其选择（2.6） 机械设计中的标准化和互换性（2.7） 机械设计中的工艺性（2.8）2.1 机械零件的失效与设计基本要求机械零件的失效与设计基本要求一、一、失效概念失效概念（Failure）设计的使用条件下设计的使用条件下设计的寿命期限内设计的寿命期限内不能完成不能完成设计的功能设计的功能失效失效零零件件二、失效形式二、失效

2、形式（Failure types）1、整体断裂整体断裂过载断裂过载断裂疲劳断裂疲劳断裂2、表面破坏表面破坏磨损磨损冷胶合冷胶合热胶合热胶合点蚀点蚀塑性变形塑性变形过大弹性变形过大弹性变形5、功能失效3、变形变形 过大过大胶合胶合4、过大振动过大振动腐蚀腐蚀强度准则强度准则刚度准则刚度准则稳定性准则稳定性准则耐热性准则耐热性准则可靠性准则可靠性准则三、机械零件三、机械零件设计准则设计准则/ /设计基本要求设计基本要求因为失效类型不同，因为失效类型不同，所以机械零件的工作能力所以机械零件的工作能力类型也不同，故机械零件类型也不同，故机械零件的计算准则也不同的计算准则也不同 分为体积强度和表面强度，

3、其中表面强度又分为分为体积强度和表面强度，其中表面强度又分为表面挤表面挤压强度压强度和和表面接触强度表面接触强度，强度是最基本的设计要求。，强度是最基本的设计要求。整体失效（断裂或大的塑性变形）整体失效（断裂或大的塑性变形）表面失效（表面损伤）表面失效（表面损伤）强度强度（strength）：）：强度不足导致的失效：强度不足导致的失效：强度准则强度准则指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。变形的能力。采用高强度的材料；确定零件足够的截面尺寸；合理设计零件截面的形状；采用热处理和化学处理方法，以提高材料的力学性能；提高运动零件

4、的制造精度，以降低工作时的动载荷；.提高强度的措施：刚度准则刚度准则刚度：刚度：指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。性变形而失效。 例如：机床主轴的弹性变性过大将会影响所加工工件的精度。yy y可以是挠度、偏转角或扭转角可以是挠度、偏转角或扭转角 振动稳定性准则振动稳定性准则 机械振动机械振动：零件在其平衡位置附近作往复运动零件在其平衡位置附近作往复运动机器或零件处于振动不稳定状态，也称之为机器或零件处于振动不稳定状态，也称之为失去振动稳

5、定性。失去振动稳定性。 fF0.85f 或或 fF1.15f f 是零件的固有频率；是零件的固有频率；fF 是激振力的频率。是激振力的频率。增大零件的刚度和减轻零件的质量可以提高零件的增大零件的刚度和减轻零件的质量可以提高零件的固有频率，反之则降低零件的固有频率。固有频率，反之则降低零件的固有频率。 机械零部件由于外部或内部的原因，有的工作在室温机械零部件由于外部或内部的原因，有的工作在室温以上。在高的温度下会引起摩擦副胶合、材料强度降低、以上。在高的温度下会引起摩擦副胶合、材料强度降低、热变形或润滑剂迅速氧化等后果而使零件失效。因此，对热变形或润滑剂迅速氧化等后果而使零件失效。因此，对可能产

6、生较高温升的零部件应进行可能产生较高温升的零部件应进行温升计算温升计算，以限制其工，以限制其工作温度。必要时可采用冷却措施。作温度。必要时可采用冷却措施。耐热性准则耐热性准则可靠性准则可靠性准则 系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。完成规定功能的能力。 可靠度可靠度：表示零件在规定的条件下和规定的时间内完成规：表示零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率定功能的概率 N N个相同零件在同样条件下同时工作，在规定的时间内个相同零件在同样条件下同时工作，在规定的时间内有有N Nf f个失效，剩下个失效，剩下N N0

7、0个仍继续工作，则个仍继续工作，则 R=1Nf /N0一、载荷和应力一、载荷和应力 、载荷载荷静载荷静载荷变载荷变载荷按是否随时间变化，载荷按是否随时间变化，载荷2minmaxm2minmaxamax 最大应力；最大应力； min 最小应力最小应力 m 平均应力；平均应力； a 应力幅值应力幅值r 应力比（循环特性）应力比（循环特性）maxminr2、应力、应力静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力循环应力循环应力循环应力循环应力2.2 强度准则强度准则对称循环脉动循环常见的循环应力常见的循环应力对称循环应力r = -1、 m0脉动循环应力 r=0、 min0

8、静应力 r=1静应力（可看作是循环应力的一个特例）maxminr循环特性 应力比：强度：强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。 强度条件有两种表示方法：强度条件有两种表示方法：1）用应力表示：）用应力表示： Slim2）用安全系数表示：）用安全系数表示：SSlimS式中：式中：计算最大应力计算最大应力lim极限应力极限应力计算安全系数计算安全系数SS许用应力许用应力许用安全系数许用安全系数注：对于切应力，只须将上述各公式中的注：对于切应力，只须将上述各公式中的 换成换成 即可。即可。 疲劳强度疲劳强度疲劳：疲劳：机械零件在循环

9、应力的作用下的失效形式机械零件在循环应力的作用下的失效形式疲劳极限：疲劳极限：应力比为应力比为r r的应力循环作用的应力循环作用N N次后，材料不发次后，材料不发生疲劳的最大应力生疲劳的最大应力疲劳寿命（疲劳寿命（N N）: :材料疲劳失效前所经历的应力循环次数材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N N 疲劳曲线疲劳曲线： 应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线力循环次数之间关系的曲线接触强度接触强度接触应力：接触应力：两零件之间为面接触时，在载荷作用下，两零件之间为面接触时，在载荷作用下，接触表面上产生的应力，用接触表面上产生的应力

10、，用 表示。表示。 p接触强度：接触强度：在接触应力作用下的强度。其强度条件为：在接触应力作用下的强度。其强度条件为： pp接触应力作用下，接触面的失效形式是接触应力作用下，接触面的失效形式是“压溃压溃” 。相互接触表面上的接触应力相等。相互接触表面上的接触应力相等。122212121111HFBEE 两圆柱体接触，法向力F，接触部分发生局部弹性变形，形成长方形接触面，则在接触面上的最大接触应力可以赫兹公式计算：2.3 2.3 摩擦学设计基础摩擦学设计基础 摩擦是机器运转过程中不可避免的物理现象。世界上1/3-1/2的能源消耗在摩擦上。各种机械零件因磨损失效的约占全部失效零件的一般以上。磨损是

11、摩擦的结果，润滑则是减少摩擦和磨损的有力措施。两物体接触区产生阻碍运动并消耗能量的现象，称为摩擦。摩擦不总是有害的？ 起源起源分子吸引说 1929年，在平衡态时，物体原子间的斥力和内聚力相平衡。但当两物体接触时，一物体的原子可能与另一物体原子非常接近，以至于进入引力场中，当两表面分开时就会产生能量损失，并以摩擦阻力的形式出现。分子-机械说 1939年，摩擦力为分子阻力分量与机械阻力分量之和，即摩擦的二项式定律。机械咬合说 1699年，阿蒙顿等提出的，当两个凹凸不平的表面接触，凹凸部分彼此咬合，在发生相对运动时，相互咬合部分阻碍物体运动，摩擦力即为咬合点切向阻力的总和。表面越粗糙，摩擦力越大。摩

12、擦学设计的目标摩擦学设计的目标目标：目标：保证摩擦功耗最低，节约能源；降低保证摩擦功耗最低，节约能源；降低材料消耗材料消耗( (包括摩擦副本身、备件和润滑剂材包括摩擦副本身、备件和润滑剂材料料) )；提高机械装备的可靠性、工作效能和使；提高机械装备的可靠性、工作效能和使用寿命。用寿命。 摩擦学设计的目标和主要内容摩擦学设计的目标和主要内容摩擦学失效摩擦学失效摩擦学设计基础摩擦学设计基础摩擦学设计的主要内容摩擦学设计的主要内容l 摩擦副设计摩擦副设计 摩擦副设计的任务是选择摩擦副的类别、摩擦副设计的任务是选择摩擦副的类别、形状、尺寸、材料、工艺与表面处理方法和润滑方式。形状、尺寸、材料、工艺与表

13、面处理方法和润滑方式。摩擦副零件原则上应尽可能采用标准化、系列化的商品；摩擦副零件原则上应尽可能采用标准化、系列化的商品；l 润滑系统设计润滑系统设计 润滑系统设计包括润滑剂选取，润滑剂润滑系统设计包括润滑剂选取，润滑剂循环装置、冷却装置和过滤装置等的设计；循环装置、冷却装置和过滤装置等的设计；l 摩擦副的状态监测及故障诊断装置设计摩擦副的状态监测及故障诊断装置设计 摩擦学系统需摩擦学系统需要监测的参数有：摩擦表面特性参数，摩擦副工作参数，要监测的参数有：摩擦表面特性参数，摩擦副工作参数，摩擦副材料与润滑剂的摩擦学性能等。摩擦副材料与润滑剂的摩擦学性能等。摩擦学失效摩擦学失效 摩擦过程摩擦过程

14、是发生在摩擦表面很薄的表面层材料中的各种是发生在摩擦表面很薄的表面层材料中的各种物理、化学过程的总和。物理、化学过程的总和。 摩擦学失效摩擦学失效的最主要特征之一是磨损。磨损改变了摩擦的最主要特征之一是磨损。磨损改变了摩擦 副的尺寸关系和摩擦表面和表层的几何与物理特性，而副的尺寸关系和摩擦表面和表层的几何与物理特性，而磨屑的产生改变了摩擦状况。磨屑的产生改变了摩擦状况。 对于利用摩擦的装置，摩擦力不足是其典型失效形式。对于利用摩擦的装置，摩擦力不足是其典型失效形式。 除此之外，摩擦还能导致振动、噪声、爬行、温度升高除此之外，摩擦还能导致振动、噪声、爬行、温度升高和变形等而使机械失效。和变形等而

15、使机械失效。 摩擦学设计基础摩擦学设计基础一、摩擦状态一、摩擦状态按摩擦状态 ，即表面接触情况和油膜厚度，可将滑动摩擦分为四类干摩擦干摩擦最不利最不利 流体摩擦流体摩擦 ？塑性变形弹性变形液体 边界摩擦边界摩擦混合摩擦混合摩擦 二、摩擦力二、摩擦力、固体滑动摩擦的摩擦力及其性质、固体滑动摩擦的摩擦力及其性质局部静摩擦力局部静摩擦力：局部静摩擦力与滑移量成正比，因而它与：局部静摩擦力与滑移量成正比，因而它与切向外力亦成正比。出现滑动的瞬间，局部静摩擦力达到切向外力亦成正比。出现滑动的瞬间，局部静摩擦力达到极限值，即为静摩擦力极限值，即为静摩擦力动摩擦力动摩擦力：完全处于滑动状态时的摩擦力为动摩擦

16、力，一：完全处于滑动状态时的摩擦力为动摩擦力，一般动摩擦力小于静摩擦力。般动摩擦力小于静摩擦力。 边界膜、固体滑动摩擦摩擦力的计算、固体滑动摩擦摩擦力的计算F=FN 是滑动摩擦因数；是滑动摩擦因数；FN是摩擦面上的法向载荷是摩擦面上的法向载荷 、液体摩擦的摩擦力、液体摩擦的摩擦力uz液体的粘滞切应力比例系数（粘度）流体的速度流体厚度方向的坐标、滚动摩擦的摩擦力、滚动摩擦的摩擦力滚动摩擦系数滚动摩擦力矩法向载荷r=M/FN AA、B两板之间充满了液体，B板静止，A板水平移动速度为v。由于液体与金属表面的吸附作用，A板表面的液体速度为v，而B板表面的液体速度为0。两板之间的速度呈线性分布。oxzzdzdu分析位置z处薄层的受力 B三、磨损及其控制三、磨损及其控制在一定的摩擦条件下，磨损过程分为三个阶段：即在一定的摩擦条件下，磨损过程分为三个阶段：即磨磨合、稳定磨损和剧烈磨损阶段合、稳定磨损和剧烈磨损阶段。 1 1、磨合、磨合 磨合阶段是磨损的初始阶段，为不稳定阶段，在零件的整个磨合阶段是磨损的初始阶段，为不稳定阶段，在零件的整个工作时间内，它所占比率很小，也希望磨合时间尽可能短。工作时间内