機(jī)械設(shè)計(jì)中的約束問(wèn)題PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1機(jī)械設(shè)計(jì)中的約束問(wèn)題機(jī)械設(shè)計(jì)中的約束問(wèn)題二、標(biāo)準(zhǔn)化約束二、標(biāo)準(zhǔn)化約束概念的標(biāo)準(zhǔn)化：設(shè)計(jì)過(guò)程中所涉及的名詞術(shù)語(yǔ)、符號(hào)、計(jì)量單位等。實(shí)物形態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)化：對(duì)產(chǎn)品、零部件、原材料、設(shè)備及能源等的結(jié)構(gòu)形式、尺寸、性能等，都應(yīng)按統(tǒng)一的規(guī)定選用。方法的標(biāo)準(zhǔn)化：與生產(chǎn)技術(shù)有關(guān)的操作方法、測(cè)量方法、試驗(yàn)方法等都應(yīng)按相應(yīng)規(guī)定實(shí)施。技術(shù)文件的標(biāo)準(zhǔn)化：在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要形成的各種技術(shù)文件等，都應(yīng)按相應(yīng)的規(guī)定執(zhí)行。三、可靠性約束三、可靠性約束可靠性：產(chǎn)品或零部件在規(guī)定的使用條件下，在預(yù)期的壽命內(nèi)能完成規(guī)定功能的概率。四、安全性約束四、安全性約束機(jī)器的安全性包括：零件安全性：指在規(guī)定外載荷和規(guī)定時(shí)間內(nèi)零件不發(fā)生

2、如斷裂、過(guò)度變形、過(guò)度磨損和不喪失穩(wěn)定性等等。整機(jī)安全性：指機(jī)器保證在規(guī)定條件下不出故障，能正常實(shí)現(xiàn)總功能的要求。工作安全性：指對(duì)操作人員的保護(hù)，保證人身安全和身心健康等等。環(huán)境安全性：指對(duì)機(jī)器的周圍環(huán)境和人不造成危害和污染。第1頁(yè)/共21頁(yè)1. 載荷載荷機(jī)器正常工作時(shí)所受的實(shí)際載荷機(jī)器正常工作時(shí)所受的實(shí)際載荷 (一般難以確定一般難以確定)一、載荷和應(yīng)力一、載荷和應(yīng)力名義載荷：名義載荷：靜應(yīng)力：靜應(yīng)力：工作載荷：工作載荷：KTTCKFFC按原動(dòng)機(jī)功率求得按原動(dòng)機(jī)功率求得)(55. 9mNniPT(理想狀態(tài)理想狀態(tài))計(jì)算載荷計(jì)算載荷：載荷系數(shù)載荷系數(shù) (考慮各種附加載荷考慮各種附加載荷)2. 應(yīng)

3、力應(yīng)力不隨時(shí)間而變的應(yīng)力不隨時(shí)間而變的應(yīng)力變應(yīng)力：變應(yīng)力：隨時(shí)間而變的應(yīng)力隨時(shí)間而變的應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)：穩(wěn)定循環(huán)：不穩(wěn)定循環(huán)：不穩(wěn)定循環(huán)：隨機(jī)：隨機(jī)：maT不隨時(shí)間變不隨時(shí)間變maT之一隨時(shí)間變之一隨時(shí)間變變化無(wú)規(guī)律變化無(wú)規(guī)律2-2 2-2 機(jī)械設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度問(wèn)題機(jī)械設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度問(wèn)題第2頁(yè)/共21頁(yè)二、靜應(yīng)力作用下的強(qiáng)度問(wèn)題二、靜應(yīng)力作用下的強(qiáng)度問(wèn)題 強(qiáng)度是指零件在載荷作用下，抵抗斷裂、塑性變形及表面失效的能力。強(qiáng)度約束條件有兩種方式：1、危險(xiǎn)剖面處的計(jì)算應(yīng)力（ca、ca）不超過(guò)許用應(yīng)力（、），即： ；或 (2-1)2、危險(xiǎn)剖面處的計(jì)算安全系數(shù) 、 不應(yīng)小于許用安全系數(shù)S，即： ；或 (2-2)式中

4、： 為極限正應(yīng)力； 為極限剪切應(yīng)力；對(duì)于塑性材料：主要失效形式是塑性變形，取其屈服極限（ 、 ）作為極限應(yīng)力，即 ， ；對(duì)于脆性材料：主要失效形式是脆性破壞，取其強(qiáng)度極限（ 、 ）作為極限應(yīng)力，即 ， 。 第3頁(yè)/共21頁(yè)三、變應(yīng)力作用下的強(qiáng)度問(wèn)題三、變應(yīng)力作用下的強(qiáng)度問(wèn)題（1）靜載荷和變載荷均可能產(chǎn)生變應(yīng)力。在）靜載荷和變載荷均可能產(chǎn)生變應(yīng)力。在靜載荷靜載荷F作用下，轉(zhuǎn)動(dòng)心軸上的作用下，轉(zhuǎn)動(dòng)心軸上的a點(diǎn)所受的應(yīng)點(diǎn)所受的應(yīng)力就是一個(gè)對(duì)稱循環(huán)的變應(yīng)力。力就是一個(gè)對(duì)稱循環(huán)的變應(yīng)力。 （2）變應(yīng)力參數(shù)（以正應(yīng)力）變應(yīng)力參數(shù)（以正應(yīng)力為例，可將為例，可將替替換換）最大應(yīng)力最大應(yīng)力最小應(yīng)力最小應(yīng)力應(yīng)力幅

5、應(yīng)力幅平均應(yīng)力平均應(yīng)力循環(huán)特征循環(huán)特征mamaxam-min2minmax-amaxmin/r2minmaxm例例2-1：設(shè)有一零件受變應(yīng)力作用，已知變應(yīng)力的平均應(yīng)力：設(shè)有一零件受變應(yīng)力作用，已知變應(yīng)力的平均應(yīng)力 189Mpa，應(yīng)力幅為應(yīng)力幅為 129Mpa，試求該變應(yīng)力的循環(huán)特征，試求該變應(yīng)力的循環(huán)特征r。非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力1、變應(yīng)力的種類和特點(diǎn)、變應(yīng)力的種類和特點(diǎn)第4頁(yè)/共21頁(yè)（3）幾種穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力）幾種穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力靜應(yīng)力minmax-0mminmax-a1-r)(11-0min2maxam0r)(00mminmax0a1r)(11mamax

6、am-min2minmax-amaxmin/r2minmaxm第5頁(yè)/共21頁(yè)在變應(yīng)力作用下，機(jī)械零件的損壞主要是疲勞斷裂。疲勞斷裂和靜應(yīng)力作用下的斷裂機(jī)理不一樣：疲勞斷裂是零件表面最大應(yīng)力處的應(yīng)力若超過(guò)了某一極限值，就會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋，在變應(yīng)力的反復(fù)作用下，裂紋不斷擴(kuò)展，擴(kuò)展到一定程度后，突然發(fā)生斷裂。這種區(qū)別在強(qiáng)度約束條件中，主要表現(xiàn)為極限應(yīng)力的不同。靜應(yīng)力作用下：極限應(yīng)力主要與材料的性能有關(guān)。變應(yīng)力作用下：其極限應(yīng)力除了與材料的性能有關(guān)外，還與應(yīng)力的循環(huán)特征r、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N、應(yīng)力集中、零件的表面情況和零件的尺寸大小等有關(guān)。變應(yīng)力時(shí)的極限應(yīng)力：也稱材料的疲勞極限（或持久極限），是當(dāng)循環(huán)特征

7、為r時(shí)，試件受“無(wú)數(shù)”次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最大應(yīng)力值。循環(huán)次數(shù)不同，疲勞極限不同；循環(huán)特征不同，疲勞極限也不同。2、穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力時(shí)的強(qiáng)度條件、穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力時(shí)的強(qiáng)度條件第6頁(yè)/共21頁(yè) （1 1）不同循環(huán)次數(shù)）不同循環(huán)次數(shù)N N時(shí)的疲勞極限時(shí)的疲勞極限： 當(dāng)應(yīng)力循環(huán)特征r一定時(shí)，應(yīng)力增大，零件失效前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)N減少；反之，應(yīng)力減少，循環(huán)次數(shù)N增加。當(dāng)應(yīng)力減小到某一數(shù)值時(shí)，零件可經(jīng)無(wú)數(shù)次循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞。 則條件疲勞極限 與應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 的關(guān)系為： 式中： 稱為壽命系數(shù)。因NN0時(shí)，疲勞極限為 ，此時(shí)KN =1；N1；m為與材料性能、應(yīng)力狀態(tài)等有關(guān)的指數(shù),可由有關(guān)手冊(cè)查取。

8、為材料的疲勞極限，即經(jīng)無(wú)數(shù)次循環(huán)(無(wú)限壽命)而不發(fā)生疲勞破壞時(shí)的極限應(yīng)力； 為材料條件疲勞極限，即應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為N(有限壽命)時(shí)的極限應(yīng)力。圖中疲勞曲線可以表示為： 常數(shù) 第7頁(yè)/共21頁(yè)（2）不同應(yīng)力循環(huán)特征）不同應(yīng)力循環(huán)特征r時(shí)的疲勞極限：時(shí)的疲勞極限：材料相同但應(yīng)力循環(huán)特征r不同時(shí)，其極限應(yīng)力 不同。 最小， 次之，靜應(yīng)力下的極限應(yīng)力 或 最大。 、 、 或 均可通過(guò)實(shí)驗(yàn)取得。非對(duì)稱循變應(yīng)力（-1r+1，r 1）下的極限應(yīng)力，可利用簡(jiǎn)化的極限應(yīng)力圖直接求得。 簡(jiǎn)化極限應(yīng)力圖按下面的方法作出：以平均應(yīng)力 為橫坐標(biāo)，應(yīng)力幅 為縱坐標(biāo)，建立直角座標(biāo)系。取三個(gè)特殊點(diǎn)：A(0， )；B( /2，

9、/2)；C( ，0)。 第8頁(yè)/共21頁(yè)A A、若材料為塑性材料：、若材料為塑性材料：再取點(diǎn)G( ，0)，過(guò)G點(diǎn)作與橫坐標(biāo)成135的直線和AB的延長(zhǎng)線相交于D。折線ADG即為塑性材料的極限應(yīng)力曲線。當(dāng)工作應(yīng)力的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅分別為 和 時(shí)(對(duì)應(yīng)圖中的點(diǎn)n)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)特征 。連接on并延長(zhǎng)與線段AD相交于點(diǎn)m( ， )，該點(diǎn)即為應(yīng)力循環(huán)特征為的r時(shí)的極限應(yīng)力。當(dāng) (n點(diǎn)在OAD區(qū)域)時(shí)，其相應(yīng)的極限應(yīng)力由線段AD決定，為： 式中： 為等效系數(shù) 當(dāng) (n點(diǎn)在ODC區(qū)域內(nèi))時(shí)，其極限應(yīng)力由線段DG決定，為： B B、若材料為脆性材料：、若材料為脆性材料：脆性材料的極限應(yīng)力常用極限應(yīng)力圖中的A

10、C直線來(lái)描述，為： 式中：第9頁(yè)/共21頁(yè)（3 3）考慮應(yīng)力集中、絕對(duì)尺寸、表面狀態(tài)時(shí)的極限應(yīng)力）考慮應(yīng)力集中、絕對(duì)尺寸、表面狀態(tài)時(shí)的極限應(yīng)力零件剖面的絕對(duì)尺寸越大，其疲勞極限越低。這主要是因?yàn)槌叽绱髸r(shí)，材料晶粒粗，出現(xiàn)缺陷的概率多和機(jī)械加工后表面冷作硬化層相對(duì)較薄。應(yīng)力集中、絕對(duì)尺寸、表面狀態(tài)對(duì)疲勞極限的影響分別用應(yīng)力集中系數(shù) （或 ）絕對(duì)尺寸系數(shù) (或 )和表面狀態(tài)系數(shù)來(lái)考慮。它們的綜合影響系數(shù)為： ； 由于它們只對(duì)變應(yīng)力的應(yīng)力幅部分產(chǎn)生影響，因而考慮上述因素的極限應(yīng)力為：A、若材料為塑性材料： 當(dāng) 時(shí)， 當(dāng) 時(shí)，B、若材料為脆性材料： 第10頁(yè)/共21頁(yè)（4 4）用安全系數(shù)表示的強(qiáng)度約束

11、條件）用安全系數(shù)表示的強(qiáng)度約束條件安全系數(shù)： 用安全系數(shù)表示的強(qiáng)度約束條件：A、若材料為塑性材料： 當(dāng) 時(shí)， 當(dāng) 時(shí)， B、若材料為脆性材料： 第11頁(yè)/共21頁(yè)例2-2有一熱軋合金鋼零件，其材料的抗彎疲勞極限： 658MPa， 400MPa，屈服極限 780MPa，所承受的彎曲變應(yīng)力同例2-1，零件的應(yīng)力集中系數(shù) 1.26，尺寸系數(shù) 0.78，表面狀態(tài)系數(shù)1。如取安全系數(shù)Smin1.5，核驗(yàn)此零件是否安全。解：(1) (2)因 (3) (4)故得 因此，該零件安全。 第12頁(yè)/共21頁(yè)3 3、復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下用安全系數(shù)表示的強(qiáng)度約束條件、復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下用安全系數(shù)表示的強(qiáng)度約束條件當(dāng)零件同時(shí)受彎

12、曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的同時(shí)作用，且這兩種應(yīng)力都是對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力，并具有相同的周期和相位時(shí)，其安全系數(shù)的計(jì)算式為： 其中： ； 對(duì)于受非對(duì)稱循環(huán)復(fù)合變應(yīng)力作用的零件，也可以近似地應(yīng)用上面的公式進(jìn)行計(jì)算，但這時(shí)的S和S應(yīng)分別按下式計(jì)算。 A、若材料為塑性材料： 當(dāng) 時(shí)， 當(dāng) 時(shí)， B、若材料為脆性材料： 第13頁(yè)/共21頁(yè)4 4、接觸應(yīng)力作用下的強(qiáng)度問(wèn)題、接觸應(yīng)力作用下的強(qiáng)度問(wèn)題對(duì)于高副機(jī)構(gòu)，零件受載后，由于彈性變形，形成很小的面接觸。這樣在零件表層產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力，稱之為接觸應(yīng)力。在機(jī)械零件設(shè)計(jì)中遇到的接觸應(yīng)力多為變應(yīng)力，在這種情況下產(chǎn)生的失效屬于接觸疲勞破壞，它的特點(diǎn)是：零件在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下

13、，首先在表面或表層產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后，在滾動(dòng)接觸過(guò)程中，由于潤(rùn)滑油被擠進(jìn)裂紋內(nèi)而形成高的壓力，使裂紋加速擴(kuò)展，最后，使表層金屬呈小片狀剝落下來(lái)，在零件表面形成一個(gè)個(gè)小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞點(diǎn)蝕。疲勞點(diǎn)蝕常是齒輪、滾動(dòng)軸承等零件的主要失效形式。影響疲勞點(diǎn)蝕的主要因素是接觸應(yīng)力的大小，因而，接觸應(yīng)力作用下的強(qiáng)度約束條件是最大接觸應(yīng)力不超過(guò)其許用值，即 對(duì)于兩圓柱體接觸如圖所示，其接觸表面的最大接觸應(yīng)力為 式中： 為綜合曲率半徑； 、 分別為兩圓柱體的曲率半徑(mm)，其中“”、“”號(hào)分別用于外接觸和內(nèi)接觸； 、 分別為兩圓柱體材料的彈性模量； 、 分別為兩圓柱體材料的泊桑比。 (MPa)第14頁(yè)

14、/共21頁(yè)一、機(jī)械中的摩擦1、摩擦的定義和分類干摩擦：表面間無(wú)任何潤(rùn)滑劑或保護(hù)膜的純金屬接觸時(shí)的摩擦；邊界摩擦：表面間被極薄的潤(rùn)滑膜所隔開，且摩擦性質(zhì)與潤(rùn)滑劑的粘度無(wú)關(guān)而取決于兩表面的特性和潤(rùn)滑油油性的摩擦；流體摩擦：表面間的潤(rùn)滑膜把摩擦副完全隔開，摩擦力的大小取決于流體分子內(nèi)部摩擦力的摩擦；混合摩擦：摩擦副處于干摩擦、邊界摩擦和流體摩擦混合狀態(tài)時(shí)的摩擦。 a)干摩擦 b)邊界摩擦 c)液體摩擦d)混合摩擦2-3 2-3 機(jī)械設(shè)計(jì)中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑問(wèn)題機(jī)械設(shè)計(jì)中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑問(wèn)題第15頁(yè)/共21頁(yè)2、機(jī)械設(shè)計(jì)中摩擦約束的實(shí)質(zhì)摩擦具有二重性：一方面，摩擦是有利的，此時(shí)摩擦約束條件是：摩擦必

15、須足夠大，即摩擦系數(shù)或摩擦力矩或摩擦力應(yīng)大于規(guī)定的許用值，以保證機(jī)器工作的可靠性；另一方面，摩擦是有害的，會(huì)帶來(lái)能量損耗、工作溫度上升，還會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲；此時(shí)摩擦約束條件是：摩擦系數(shù)、溫升不超過(guò)許用值，效率不低于許用值或摩擦的能耗不超過(guò)許用值等。3、影響摩擦的主要因素(1)表面膜的影響：用自然或人工的方法在金屬表面上形成一層很薄的膜，可以降低摩擦；(2)摩擦副材料性質(zhì)的影響：互溶性較大的金屬摩擦副，摩擦系數(shù)較大；反之，摩擦系數(shù)較小。材料的硬度對(duì)摩擦系數(shù)也有一定的影響，一般而言，硬度越高，摩擦系數(shù)越小。(3)摩擦副表面粗糙度的影響：表面粗糙度數(shù)值減小，摩擦系數(shù)越低。(4)摩擦表面間潤(rùn)滑的影響：

16、干摩擦的摩擦系數(shù)一般大于0.1；邊界摩擦、混合摩擦次之，通常約在0.010.1之間；液體摩擦的摩擦系數(shù)最小，油潤(rùn)滑時(shí)最小可達(dá)0.0010.008。第16頁(yè)/共21頁(yè)1、磨損的定義和分類磨損：由于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而使物體工作表面的物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象。按磨損的損傷機(jī)理磨損可分為：粘著磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損和腐蝕磨損。粘著磨損：摩擦表面的微凸體在相互作用的各點(diǎn)發(fā)生粘著作用，使材料由一表面轉(zhuǎn)移到另一表面的磨損；磨粒磨損：摩擦表面間的游離硬顆?；蛴驳奈⑼贵w峰間在較軟的材料表面上犁刨出很多溝紋的微切削過(guò)程；表面疲勞磨損：摩擦表面受循環(huán)接觸應(yīng)力作用到達(dá)一定程度時(shí)，就會(huì)在零件工作表面形成疲勞裂紋，隨著裂紋

17、的擴(kuò)展與相互連接，會(huì)造成許多微粒從零件表面上脫落下來(lái)，致使表面上出現(xiàn)許多淺坑，這種磨損過(guò)程即為疲勞磨損；腐蝕磨損：在摩擦過(guò)程中金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的磨損。二、機(jī)械中的磨損二、機(jī)械中的磨損2、磨損過(guò)程一個(gè)零件的磨損過(guò)程大體可分為三個(gè)階段：磨合磨損階段、穩(wěn)定磨損階段及劇烈磨損階段。在磨合磨損階段開始磨損速度很快，隨后逐漸減慢，最后進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。磨合磨損可將原始粗糙度逐漸磨平，使兩摩擦表面貼合得更好，因而，有利于延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命。穩(wěn)定磨損階段是摩擦副的正常工作階段，此時(shí)，磨損緩慢而穩(wěn)定。當(dāng)磨損達(dá)到一定量時(shí)，進(jìn)入劇烈磨損階段。此時(shí)，摩擦條件將發(fā)生很大的變化，溫度急劇升高，磨損速度大大

18、加快，機(jī)械效率明顯降低，精度喪失，并出現(xiàn)異常的噪聲和振動(dòng)，最后導(dǎo)致完全失效。第17頁(yè)/共21頁(yè)3、機(jī)械設(shè)計(jì)中磨損約束的實(shí)質(zhì)磨損有利的一面，如：為了降低表面粗糙度對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行磨削、研磨和拋光等精加工以及刀具的刃磨等，均利用了磨損的原理；但磨損也有害的一面，會(huì)降低機(jī)器的精度和可靠性，從而使其使用壽命縮短，重要的零件磨損失效，會(huì)造成停工停產(chǎn)，并可引起突然事故。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意盡量延長(zhǎng)穩(wěn)定磨損階段，避免出現(xiàn)劇烈磨損。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，控制磨損(磨損約束)的實(shí)質(zhì)，主要是控制摩擦表面的壓強(qiáng)(或接觸應(yīng)力)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度等不超過(guò)許用值。4、減少磨損的措施(1)正確選用材料(2)進(jìn)行有效的潤(rùn)滑(3)采用適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?/p>

19、 (4)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高加工和裝配精度(5)正確的使用、維修與保養(yǎng)第18頁(yè)/共21頁(yè)三、機(jī)械中的潤(rùn)滑三、機(jī)械中的潤(rùn)滑潤(rùn)滑劑在潤(rùn)滑過(guò)程中起著十分重要的作用，主要可歸納如下：(1)降低機(jī)器的摩擦功耗，節(jié)約能源；(2)減少或防止機(jī)器摩擦副零件的磨損；(3)由于摩擦功耗的降低，因摩擦所引起的發(fā)熱量將可大大減少，此外，潤(rùn)滑劑還可以帶走一部分熱量，因而，潤(rùn)滑劑對(duì)降低溫升將起很大的作用；(4)潤(rùn)滑膜可以隔絕空氣中的氧和腐蝕性氣體，從而保護(hù)摩擦表面不受銹蝕，所以，潤(rùn)滑劑也有防銹的作用；(5)由于潤(rùn)滑膜具有彈性和阻尼作用，因而，潤(rùn)滑劑還能起緩沖和吸振作用；(6)循環(huán)潤(rùn)滑的液體潤(rùn)滑劑，還可以清洗摩擦表面，將磨損產(chǎn)生的顆粒及其它污物帶走，起密封防塵的作用。四、摩擦、磨損和潤(rùn)滑的研究在機(jī)械設(shè)計(jì)中的地位和作用四、摩擦、磨損和潤(rùn)滑的研究