机械设计基础第二章机械设计的基础理论.ppt

机械设计基础之第二章 机械设计的基本理论,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,一、失效概念（Failure）,二、失效形式（Failure types）,2、表面破坏,磨损,冷胶合热胶合,点蚀,塑性变形过大弹性变形,5、功能失效,3、变形 过大,胶合,4、过大振动,腐蚀,强度准则刚度准则稳定性准则耐热性准则可靠性准则,三、机械零件设计准则/设计基本要求,因为失效类型不同，所以机械零件的工作能力类型也不同，故机械零件的计算准则也不同,分为体积强度和表面强度，其中表面强度又分为表面挤压强度和表面接触强度，强度是最基本的设计要求。,整体失效（断裂或大的塑性变形）表面失效（表面损伤）,强度（strength）：,强度不足导致的失效：,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：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。,y可以是挠度、偏转角或扭转角,振动稳定性准则,机械振动：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，也称之为失去振动稳定性。,fF0.85f 或 fF1.15f f 是零件的固有频率；fF 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，对可能产生较高温升的零部件应进行温升计算，以限制其工作温度。必要时可采用冷却措施。,耐热性准则,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完成规定功能的能力。,可靠度：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,一、载荷和应力,、载荷,静载荷,变载荷,按是否随时间变化，载荷,2.2 强度准则,对称循环,脉动循环,常见的循环应力,静应力（可看作是循环应力的一个特例）,循环特性 应力比：,强度：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：,1）用应力表示：,2）用安全系数表示：,注：对于切应力，只须将上述各公式中的 换成 即可。,疲劳强度,疲劳：机械零件在循环应力的作用下的失效形式,疲劳极限：应力比为r的应力循环作用N次后，材料不发生疲劳的最大应力,疲劳寿命（N）:材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N,疲劳曲线：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,接触强度,接触应力：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 表示。,接触强度：在接触应力作用下的强度。其强度条件为：,接触应力作用下，接触面的失效形式是“压溃”。,相互接触表面上的接触应力相等。,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 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,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。,摩擦学设计的目标,目标：保证摩擦功耗最低，节约能源；降低材料消耗(包括摩擦副本身、备件和润滑剂材料)；提高机械装备的可靠性、工作效能和使用寿命。,摩擦学设计的目标和主要内容摩擦学失效摩擦学设计基础,摩擦学设计的主要内容,摩擦副设计 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。摩擦副零件原则上应尽可能采用标准化、系列化的商品；润滑系统设计 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；摩擦副的状态监测及故障诊断装置设计 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，摩擦副材料与润滑剂的摩擦学性能等。,摩擦学失效,摩擦过程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。摩擦学失效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。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。,摩擦学设计基础,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,干摩擦最不利,流体摩擦？,边界摩擦,混合摩擦,二、摩擦力,、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，局部静摩擦力达到极限值，即为静摩擦力动摩擦力：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。,、固体滑动摩擦摩擦力的计算,F=FN 是滑动摩擦因数；FN是摩擦面上的法向载荷,、液体摩擦的摩擦力,A、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。,分析位置z处薄层的受力,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：即磨合、稳定磨损和剧烈磨损阶段。,1、磨合,磨合阶段是磨损的初始阶段，为不稳定阶段，在零件的整个工作时间内，它所占比率很小，也希望磨合时间尽可能短。影响磨合效果的主要因素有载荷、摩擦速度、材料的物理力学性能和润滑剂。载荷对磨合效果和磨合时间具有很大影响。,2、磨损的类型,粘着磨损磨粒磨损表面疲劳磨损腐蚀磨损,粘附磨损：摩擦副两表面作相对运动时，由于粘附效应所形成的粘结点被剪切开，材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面。,磨粒磨损 外界硬颗粒或摩擦表面上的硬突起在摩擦过程中引起表层材料脱落的磨损,获得较高磨粒磨损寿命的条件是材料表面硬度最少为磨粒硬度的1.3倍,表面疲劳磨损 两个相互滚动或滚-滑运动的摩擦副，在循环接触应力的作用下，因疲劳而材料脱落，称为表面疲劳磨损或接触疲劳。,接触应力,两圆柱体,两球体,腐蚀磨损：摩擦过程中，同时存在金属与周围介质发生化学或电化学反应而产生的材料损伤,设计耐腐蚀磨损的摩擦副时，材料是关键。,四、润滑与润滑设计,润滑的作用：降低摩擦副的摩擦、减少磨损，以及冷却、密封、防锈和减振等。按润滑剂形态润滑分：无润滑：采用有自润滑性的材料制作，不再加入任何润滑剂的摩擦副 固体润滑：在摩擦副间形成固体润滑膜,抑制摩擦表面相互粘结,使剪切发生在固体润滑膜内,以减少磨损 目前固体润滑尚无理论计算公式，通常都是根据实验限制摩擦副的载荷、速度和它们的乘积，即pp，vv，pvpv 流体润滑：在摩擦副间形成流体润滑膜的润滑,五、润滑剂及其特性,凡能降低摩擦阻力、且人为加入摩擦副的介质都称为润滑剂。,1润滑剂的基本类型,液体润滑剂：矿物油、有机油、矿物油、合成油等 润滑脂：皂基脂、无机脂、烃基脂和有机脂 固体润滑剂：软金属，如Pb、Au、Ag、Sn、In等；无机化合物,润滑油,粘度 表征流体流动的阻力，在流体动力和静力润滑状态，粘度与油膜厚度、摩擦阻力直接相关。,润滑油粘度随温度升高而下降，随压力升高而增大,粘度指数 用粘度指数表征粘度随温度变化的特性，粘度指数高表示油品的粘度随温度变化小。粘度指数小于35的油为低粘度指数油，在3580之间的为中粘度指数油，在80110之间的为高粘度指数油,闪点与燃点 是一个有关安全的性能指标，润滑油的工作温度必须比闪点低2030才能确保安全,酸值 润滑油在使用过程中会逐渐氧化，酸值增加。酸值以mg KOH/g表示，是润滑油老化的标志，当其达到规定值后，必须更换新润滑油,倾点 是润滑油失去流动性时的温度，是润滑油工作温度的极限值,六、润滑油、脂的润滑方式,1）手工润滑；,2）滴油润滑；,3）油绳、油垫，油杯润滑；,4）喷雾润滑；,5）油气润滑；,7）油环、油盘润滑；,8）压力供油、喷油润滑,6）油浴、飞溅润滑；,循环润滑系统,全损耗润滑系统,机械零件常用的材料,2.4 零件制造常用材料及其选择,1、金属材料,有色金属,钢,铸铁,成分：碳素钢、合金钢,用途：结构钢、工具钢、特种钢,钢铁使用最广钢铁的特点：具有较好的力学性能（强度、塑性、韧性）；价格较便宜；容易获得；能满足多种性能和用途的要求。其中，合金钢的性能优良，用于制造重要的零件。,2、有色金属,b)铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。重量轻、导热导电性较好、塑性 好、抗氧化性好，高强度铝合金 强度可与碳素钢相近,a)铜合金黄铜：Cu与Zn合金 青铜：Cu与Sn的合金 无锡青铜：Cu与铝、硅等的合金,2、高分子材料包括3类：塑料，橡胶，合成纤维。优点：易获取；密度小；弹性好；耐腐蚀性好。缺点：易老化；阻燃性差；耐热性差。聚四氟乙烯由于其耐蚀性、化学稳定性强，低温下不易变脆，在化工设备和冷冻设备中有广泛的应用。,3、陶瓷材料特点：硬度极高、耐磨性、耐腐蚀、熔点高、刚度大、密度较低（相对于钢）。缺点：较脆、断裂韧性低、价格昂贵、加工工艺性差。用途：密封件、滚动轴承、切削刀具。,4、复合材料 复合材料是两种或两种以上具有明显不同物理和力学性能的材料复合制成的，不同材料可分别作为材料的基体相和增强相。优点：高强度；高弹性模量；质量小。缺点：耐热性、导电和导热性能差；价格昂贵用途：航空、航天等高科技领域，如战斗机、直升机、人造卫星；民用领域的体育器材，如高尔夫球棒网球拍赛艇划船桨等,选择合理的零件制造材料需要考虑多方面的因素，在以后的各有关章节中将会分别介绍各种零件适用的材料和牌号。,机械零件材料的选择原则,由于钢铁仍然是用量最大，用途最广的材料，所以对钢铁的一般选用原则作简介。,1、载荷、应力的大小和性质,热处理：通过对钢进行加热或冷却，使钢的组织结构发生变化，以改善钢的性能。分为普通热处理、表面热处理。普通热处理包括退火与正火，淬火与回火。表面热处理包括表面淬火，表面化学热处理。,金属材料的性能一般可通过热处理加以提高和改善，要充分利用热处理来发挥材料的潜力。,脆性材料：制造在静载下工作的零件；塑性材料：制造在冲击载合下工作的零件。,机械零件材料的选择原则,2、零件的工作情况,零件的工作情况：零件所处的环境特点、工作温度、摩 擦磨损的程度等。,湿热环境对选材的影响：要求材料具有良好的防锈、耐腐蚀能力，例如选用不锈钢、铜合金等。,机械零件材料的选择原则,摩擦磨损对选材的影响：可能发生磨损之处要提高表面硬度，应选用可进行表面处理的淬火钢、渗碳钢、氮化钢。,工作温度对选材的影响：配合件的材料线膨胀系数不可差别过大，以免在温度变化时产生的配合松动；要考虑材料的力学性能随温度而改变的情况。,3、零件的尺寸及质量,零件的尺寸及质量与毛坯制取方法及材料的品种有关。,材料品种的影响：应尽可能选用强重比大的材料，以便减小零件的尺寸及质量。（材料的强重比是指强度与单位体积材料所受的重力之比）,毛坯制取方法的影响：用铸造材料不受尺寸及质量的限制；用锻造材料需注意锻压机械及设备的生产能力。,机械零件材料的选择原则,4、零件结构的复杂程度及材料的加工可能性,结构复杂的零件：铸造毛坯，或板材冲压后焊接。,对材料工艺性的了解有助于判断材料的加工可能性，材料的工艺性一般包括以下几方面：,材料的铸造工艺性：材料的液态流动性、收缩率、偏 析程度及产生缩孔的倾向性。材料的锻造工艺性：材料的延展性、热脆性及冷态和 热态下塑性变形能力。材料的焊接工艺性：材料的焊接性及焊缝产生裂纹的 倾向性。,机械零件材料的选择原则,材料的热处理工艺性：材料的可淬性、淬火变形倾向 性及热处理介质对它的渗透能 力。材料的冷加工工艺性：材料的硬度、易切削性、冷作 硬化程度及切削后可能达到的 表面粗糙度。,5、材料的经济性,（1）材料本身的相对价格。当用廉价材料就能满足材料时，就不应该选择价格高的材料，这大批量生产的零件尤为重要。（2）材料的加工费用。例如制造箱体零件，虽然铸铁比钢铁廉价，但是对于小批量生产应该采用钢板焊接，因为铸模的生产费用较高。（3）材料的利用率。例如采用无切削或少切削毛坯（如精铸、模锻、冷拉毛坯等），可提高材料的利用率，在设计时也可设法提高材料的利用率。,机械零件材料的选择原则,（4）采用组合结构。例如，火车车轮是在一般材料的轮芯外部热套上一个硬度高，耐磨损的轮箍，只需定期更换轮箍即可。（5）节约稀有材料。例如，用铝青铜替代锡青铜制造轴瓦。（6）材料的供应状况。为了简化供应和贮存的材料品种，对于小批量制造的零件，应尽可能减少同一部机器上使用的材料品种和规格。,2.5 机械设计中的标准化和互换性,零件的标准化，就是通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、制图要求等，制定出各种大家共同遵守的标准。,（1）能以最先进的方法在专门化工厂中对那些用途最广的零件进行大量的、集中的制造，提高质量，降低成本；,标准化带来的优越性表现为：,（2）统一了零件和材料的性能指标，使其能够进行比较，并提高了零件性能的可靠性；,（3）采用标准结构及零部件，可以简化设计工作，缩短设计周期，提高设计质量，同时简化了机器的维修工作。,现已颁布的与机械零件设计有关的标准，从运用的范围上分类，分为国家标准（GB）、行业标准和企业标准（QB）3个等级，从使用的强制性来分，分为必须执行的和推荐使用的标准。,同一规格的一批零部件，任取其一，不经任何挑选和修配就能装在机器上，并能满足其使用功能要求的特性叫做互换性。,日常生活中的例子：自行车上的螺母掉了，找一个相同规格的配上去就行了；汽车、手表中的某一个零件坏了，换个新的，它照样工作。,2.6 机械设计中的工艺性,符合工艺性的判断标准：零件的结构既能满足使用的要求，又能在具体的生产条件下制造和装配时所耗费的时间、劳动力及费用最少。,1、选择合理的毛坯种类。零件的毛坯种类有：铸件、焊接件、锻件、轧制型材、冲压件等。选择毛坯要考虑到零件的尺寸和形状以及生产批量。,零件工艺性的3个基本要求：,2、结构要简单合理。零件的毛坯种类一经确定以后，就必须按照毛坯 的特点进行结构设计，如铸造的零件的结构应便于造型、壁厚变化均匀及便于加工等。,3、规定合理的制造精度和表面粗糙度。零件的精度规定过高和过分要求表面光洁，都会增加零件的制造成本。,此外，对零件的型式、规格（尺寸）、试验方法、质量鉴定及标号应作标准化要求，应当采用国家标准。,机械加工、检测、装配的过程和方法,机械零件设计的工艺性要求,本章小结,机械零件的失效与设计要求强度准则摩擦学设计基础零件制造常用材料及其选择机械设计中的标准化和互换性机械设计中的工艺性,轧钢机压下螺旋丝杠断牙,返回,丝杠断牙部位,丝杠断牙局部放大,键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂,键槽,初始裂纹源,裂纹扩展区,最终瞬断区,返回,整体塑变,返回,冷胶合：低速重载，接触零件挤压粘着，相对运动撕裂。,返回,对于高速重载的齿轮传动（如航空发动机减速器的主传动齿轮），齿面间的压力大，瞬时温度高，润滑效果差。相啮合的两齿面就会发生两齿面粘在一起的现象，由于此时两齿面又有相对滑动，相粘接的部分会被撕破，于是在齿面上沿滑动的方向形成伤痕，即称为胶合。,综合失效：齿面磨损、断齿、疲劳断轴,返回,轮齿塑性变形,返回,热胶合：润滑不良引起的齿面,返回,点蚀,返回,受循环、交变压力的作用，表面金属材料由塑性变形微小裂纹裂纹扩展表面金属脱落（点蚀），长期运转后，产生点蚀。例如，齿轮长期工作后，其失效形式之一，就是齿面点蚀。,轮齿磨损,返回,螺栓联接滑移被联接件断裂,返回,曲轴整体断裂实况,返回,疲劳断口,断口对,断口放大,断口放大,返回,断口对,返回,疲劳断口,曲轴疲劳断裂断口特征,返回,裂纹源区,疲劳扩展区,最终瞬断区,内部缺陷引起疲劳断轴：初始裂纹起源于轴内部，裂纹由内至外扩展,裂纹源区,扩展区,瞬断区,裂纹扩展方向,返回,