第七章機械產(chǎn)品設(shè)計中的幾個主要

1、第七章第七章 機械產(chǎn)品設(shè)計中的幾機械產(chǎn)品設(shè)計中的幾個主要技術(shù)問題個主要技術(shù)問題目錄一、機械疲勞設(shè)計一、機械疲勞設(shè)計二、摩擦學(xué)設(shè)計二、摩擦學(xué)設(shè)計三、可靠性設(shè)計三、可靠性設(shè)計四、機械的熱效應(yīng)設(shè)計四、機械的熱效應(yīng)設(shè)計五、機械的抗振性設(shè)計與低噪聲設(shè)計五、機械的抗振性設(shè)計與低噪聲設(shè)計六、機械動態(tài)設(shè)計六、機械動態(tài)設(shè)計七、人機學(xué)設(shè)計七、人機學(xué)設(shè)計一、機械疲勞設(shè)計一、機械疲勞設(shè)計 零件在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下，由于某點或某些點產(chǎn)生了局部的永久結(jié)構(gòu)變化，從而在一定的循環(huán)次數(shù)以后形成裂紋或發(fā)生斷裂的過程稱為疲勞。疲勞破壞是這些零件的主要失效形式。1 1 疲勞破壞機制疲勞破壞機制 疲勞破壞一般可分為三個階段： (

2、1)疲勞裂紋萌生 由局部塑性應(yīng)變集中引起。 (2)疲勞裂紋的擴展。 (3)失穩(wěn)斷裂 2 2 疲勞破壞的特點疲勞破壞的特點1)疲勞破壞是在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下的破壞，疲勞條件下的破斷應(yīng)力低于材料的抗拉強度，而且可能低于屈服強度。 2)疲勞破壞必須經(jīng)歷一定的載荷循環(huán)次數(shù)。3)零件在整個疲勞過程中不發(fā)生宏觀塑性變形，其斷裂方式類似于脆性斷裂。4)疲勞斷口上明顯地分為兩個區(qū)域。3 3 載荷類型載荷類型 對稱循環(huán) r-1 脈動循環(huán) r0 靜應(yīng)力 r=1 不對稱循環(huán) -1r+1(r0) 4 4 影響疲勞強度的因素影響疲勞強度的因素 1) 應(yīng)力集中的影響 2) 尺寸效應(yīng) 3) 表面狀態(tài)的影響maxmin

3、/r 循環(huán)特性 二、摩擦學(xué)設(shè)計二、摩擦學(xué)設(shè)計 兩物體接觸表面發(fā)生切向相對運動時便產(chǎn)生摩擦現(xiàn)象。把研究摩擦、磨損和潤滑這幾個相互關(guān)聯(lián)領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)問題綜合成一門學(xué)科，定名為“摩擦學(xué)”(Tribology)?，F(xiàn)主要講磨損。 磨損是工作表面發(fā)生摩擦?xí)r零件表層材料不斷損失的過程。磨損導(dǎo)致配合間隙過大，降低機械的效率和可靠性，使零件喪失正確的幾何形狀而報廢。1 1 磨損計算的特點磨損計算的特點1)載荷在摩擦副中所引起的磨損體積不是一個常數(shù)。它隨壓力、摩擦副表面粗糙度和表面膜性質(zhì)等情況而變化。2)兩固體的實際接觸表面是不連續(xù)的，其局部體積產(chǎn)生塑性變形。3)參加摩擦過程的材料性能常與原始材料的性能差別較大

4、，摩擦過程會使材料的性能發(fā)生改變。4)磨損形式隨著摩擦條件的變化而變化，而摩擦過程的摩擦條件也是變化的。5)磨損是摩擦條件和材料特性綜合的函數(shù)，因而磨損計算實質(zhì)上是評價這一破壞過程的特性。2 2 磨損的表示法磨損的表示法1)磨損量 它是表示磨損過程結(jié)果的量。常用尺寸、體積或重量的減少量來表達。線磨損量h(單位為mm或m)體積磨損量v(單位為mm3或m3)質(zhì)量磨損量G(單位為g或mg)。2)磨損率 它是指磨損量對產(chǎn)生磨損的行程或時間之比。它可用三種方式表示，即：單位滑動距離的材料磨損量：單位時間的材料磨損量；每轉(zhuǎn)或每一往復(fù)行程的材料磨損量。3)耐磨性 耐磨性表示材料抵抗磨損的性能。它以規(guī)定的摩擦

5、條件下的磨損率的倒數(shù)來表示，即耐磨性式中 G磨損量；L滑動距離；t磨損時間。3 3 減少磨損的途徑減少磨損的途徑 減少磨損的主要辦法是：改善設(shè)計，提高加工和裝配質(zhì)量，采用性能良好的潤滑系統(tǒng)，選用適應(yīng)不同要求的材料和對材料進行表面處理。 三、可靠性設(shè)計三、可靠性設(shè)計 1 可靠性設(shè)計的基本概念可靠性設(shè)計的基本概念 可靠性：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。 機械可靠性設(shè)計是引入概率論與數(shù)理統(tǒng)計的理論而對常規(guī)設(shè)計方法進行發(fā)展和深化而形成的一種新的現(xiàn)代設(shè)計方法。它對常規(guī)設(shè)計方法的發(fā)展和深化體現(xiàn)在： 1)可靠性設(shè)計法認為作用在零部件上的應(yīng)力(廣義的)和零部件的強度(廣義的)都不是定值

6、，而是隨機變量，具有明顯的離散性質(zhì)，在數(shù)學(xué)上必須用分布函數(shù)來描述。 2)由于應(yīng)力和強度都是隨機變量，所以必須用概率統(tǒng)計的方法求解。 3)可靠性設(shè)計法認為零部件及系統(tǒng)都存在一定的失效可能性，即失效率，但不能超過設(shè)計指標所規(guī)定的允許值。因此，它可以定量地回答產(chǎn)品在工作中的失效概率和可靠度，從而克服了常規(guī)設(shè)計法的不足。2 2 可靠性工程的研究內(nèi)容可靠性工程的研究內(nèi)容 可靠性學(xué)科主要有：可靠性數(shù)學(xué)、可靠性物理、可靠性工程我們只講可靠性工程。 可靠性工程：主要是應(yīng)用可靠性理論、對產(chǎn)品(元器件、設(shè)備或系統(tǒng))進行可靠性 分析、預(yù)測、試驗、評價、設(shè)計、控制和維修。 可靠性工程追求的是系統(tǒng)的安全可靠和經(jīng)濟效益，

7、這就要求必須系統(tǒng)地、綜合地、長遠地來考慮各方面的影響。其中包括：收集故障數(shù)據(jù)、分析產(chǎn)品發(fā)生故障的原因、找出薄弱環(huán)節(jié)等，為提高產(chǎn)品可靠性提供依據(jù)。3 3 可靠性設(shè)計的意義可靠性設(shè)計的意義(1)(1)可靠性指標是產(chǎn)品的重要質(zhì)量指標可靠性指標是產(chǎn)品的重要質(zhì)量指標(2)(2)可靠性設(shè)計可對產(chǎn)品質(zhì)量進行動態(tài)研可靠性設(shè)計可對產(chǎn)品質(zhì)量進行動態(tài)研究究(3)(3)可靠性設(shè)計是保證復(fù)雜技術(shù)任務(wù)得以可靠性設(shè)計是保證復(fù)雜技術(shù)任務(wù)得以完成的重要手段完成的重要手段 四、機械的熱效應(yīng)設(shè)計四、機械的熱效應(yīng)設(shè)計 環(huán)境溫度對機器設(shè)備的零、部件的工作性能帶來很大影響，因而在機械設(shè)計中必須考慮溫度因素，這就涉及到熱傳導(dǎo)、熱彈變形、熱

8、應(yīng)力等諸方面。 1 1 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 熱傳導(dǎo)理論是溫度場計算的基礎(chǔ)，是熱變形及熱應(yīng)力分析與計算的前提。2 2 熱膨脹（熱彈變形）熱膨脹（熱彈變形）機械系統(tǒng)中所用的材料在受熱時都要發(fā)生膨脹，因此在設(shè)計時必須考慮到發(fā)熱較多所造成的后果。3 熱應(yīng)力熱應(yīng)力任何物體經(jīng)受溫度變化時，由于它和不能自由相對伸縮的其他各部分之間相互約束產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。 五、機械的抗振性設(shè)計與低噪五、機械的抗振性設(shè)計與低噪聲設(shè)計聲設(shè)計1 1 抗振性設(shè)計抗振性設(shè)計 動剛度：指機器結(jié)構(gòu)在振動狀況下，激振力幅值與振幅之比。 提高機器結(jié)構(gòu)的動剛度的措施有：提高機器結(jié)構(gòu)的靜剛度、改善系統(tǒng)的固有頻率、改善機器結(jié)構(gòu)的阻尼特性。2 2 降

9、低噪聲設(shè)計降低噪聲設(shè)計 減小噪聲的措施： 減小機器噪聲的本質(zhì)在于控制機器的振動?？蓮慕档图ふ窳吞岣邫C器抗振性兩方面采取措施。 降低激振力可以采取以下措施：減少或避免運動部件的沖擊和碰撞；提高運動 部件的平衡精度；用連續(xù)運動代替間歇運動；減小運動件的重量和速度。 提高機器的抗振性能關(guān)鍵在于提高機器結(jié)構(gòu)的動剛度。 此外，還可以在噪聲傳播途徑中采取隔聲、吸聲、消聲等措施，以降低噪聲。 六、機械動態(tài)設(shè)計六、機械動態(tài)設(shè)計 機器的基本性能主要包括靜態(tài)和動態(tài)兩個方面。 機械動態(tài)設(shè)計：根據(jù)一定的動載工況，根據(jù)對設(shè)計對象提出的功能要求及設(shè)計準則，按照結(jié)構(gòu)動力的分析方法和實驗方法，對機械進行分析和設(shè)計的一種現(xiàn)代

10、設(shè)計方法。 機械系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計的主要研究內(nèi)容包括以下三大課題： 1)響應(yīng)預(yù)估 已知激勵(輸入)及系統(tǒng)特性，研究其響應(yīng)(輸出)。用于確定機械結(jié)構(gòu)的動強度、動剛度、振動及噪聲等。2)系統(tǒng)辨識 已知激勵(輸入)和響應(yīng)（輸出），研究系統(tǒng)特性(即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，若系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型已知，則問題變?yōu)閰?shù)識別)。用來獲取機械結(jié)構(gòu)中的共振頻率及有害振型。3)載荷(輸入)識別 已知系統(tǒng)特性和響應(yīng)（輸出），研究輸入。用以實現(xiàn)工作環(huán)境模擬，以便進行疲勞壽命實驗及強化實驗等。 三大課題的核心問題是根據(jù)系統(tǒng)的基本力學(xué)定理，用運動方程或振動方程對受動載的實際結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)加以描述，進而求得動態(tài)性能參數(shù)。有了這些參數(shù)后，就可以對振動、沖擊、噪聲等問題進行研究。 七、人機學(xué)設(shè)計七、人機學(xué)設(shè)計 人要在各種環(huán)境中，使用工具、操縱機器。人和機器及其周圍的環(huán)境就構(gòu)成了一個系統(tǒng)。人機學(xué)就是從系統(tǒng)論的