機械零件的接觸強度如齒輪凸輪課件

1、第9章機械零件設計概論9.1.1失效分析.1.失效的定義：各種機械零件在運行中由于某種原因不能正常工作。2、機械零件設計的中心問題：如何保證零件在預期的壽命內不失效。零件不發(fā)生失效時的安全工作限度稱為工作能力。3、失效形式1）.斷裂：占總失效的5 零件在（拉、壓、彎、扭）的載荷作用下，B（材料的強度極限）就可能發(fā)生斷裂。 9.1機械零件設計基礎3、失效形式：1）斷裂：占總失效的52）過大的殘余變形 在載荷的作用下S則產(chǎn)生殘余變形。 3）零件的表面破壞：占74 4）接觸疲勞 在接觸變應力長期作用下,產(chǎn)生點蝕5）腐蝕 在有害介質中，如 零件 生銹 6）正常工作條件破壞引起的失效 動壓滑動軸承：缺油

2、、軸承油膜破壞 帶傳動：過載打滑 9.1.2、載荷和應力：1.載荷a.靜載荷：不隨時間變化或變化緩慢的載荷。b.動載荷：隨時間作周期性變化或非周期性變化的載荷。在設計計算中，常把載荷分為名義載荷和計算載荷。Fc=K*FTc=K*T2.應力靜應力：不隨時間而變的應力。變應力：不斷隨時間變化的應力。大多數(shù)零件都是處于變應力狀態(tài)下工作。3、交變應力的描述sm平均應力； sa應力幅值smax最大應力； smin最小應力r 應力比 r= min/max 描述規(guī)律性的交變應力可有5個參數(shù)，但其中只有兩個參數(shù)是獨立的。r = -1對稱循環(huán)應力r=0脈動循環(huán)應力r=1靜應力 4.變應力下的破壞形式：疲勞破壞A

3、、疲勞斷裂的特征：1）疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下的強度極限低，甚至比屈服極限低。2）其疲勞斷口為無明顯塑性變形的脆性突稱然斷裂。3）疲勞斷裂是損傷的積累。形成過程：表面初始裂紋裂紋擴展斷裂。其斷口有明顯的光滑區(qū)和粗糙區(qū)。零件在變應力作用下，其極限應力不僅與材料的性能有關，而且應力的循環(huán)特性r、應力循環(huán)次數(shù)N、應力集中、零件的表面狀態(tài)和零件的大小都對極限應力有很大的影響。表面光滑表面粗糙9.1.3機械零件的設計準則一. 強度準則機械零件的強度分為體積強度和表面接觸強度。（1）體積強度 calim/S 其中：ca-計算應力 lim-極限應力 S-安全系數(shù)2、機械零件的接觸強度如齒輪、凸輪、滾動

4、軸承等。B 機械零件中各零件之間的力的傳遞，總是通過兩個零件的接觸形式來實現(xiàn)的。常見兩機械零件的接觸形式為點接觸或線接觸。 若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸。受載后，由于變形其接觸處為一小面積，通常此面積甚小而表層產(chǎn)生的局部應力卻很大，這種應力稱為接觸應力。這時零件強度稱為接觸強度。F F 2 O2 1 O1 2 O2 1 O1 F F 2 2b sH1 變形量B接觸失效形式常表現(xiàn)為：疲勞點蝕后果：減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降低了承載能力、引起振動和噪音。初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋裂紋的擴展與斷裂 油金屬剝落出現(xiàn)小坑機械零件的接觸應力通常是隨時間作周期性變化的，在載荷重復作用下，首

5、先在表層內約20m處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展(潤滑油被擠迸裂紋中將產(chǎn)生高壓，使裂紋加快擴展，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件表面形成一些小坑 ，這種現(xiàn)象稱為渡勞點蝕。(2) 機械零件的接觸強度b由彈性力學可知，應力為：對于鋼或鑄鐵取泊松比： 1=2=0.3 , 則有簡化公式。上述公式稱為赫茲(HHertz)公式 “+”用于外接觸，“-”用于內接觸。HH21Fn1Fnb2HHb -接觸長度;Fn -作用在圓柱體上的載荷; -綜合曲率半徑; 三、壽命準則 影響零件使用壽命的因素主要是腐蝕、磨損和疲勞，前兩者還沒有成熟的計算方法，工程中通常是求出使用壽命時的疲勞極限作為計算的依據(jù)。

6、四、振動穩(wěn)定性準則 保證機器中受激振零件的固有頻率與激振源的頻率錯開， 即要求：0.85 f fp或 1.15 f fp二、剛度準則 -是指零件在力作用下的彈性變形量不得超過許用值。即：y y 五、可靠性準則 可靠度的定義： 對件數(shù)為N0的一批零件進行試驗，經(jīng)過時間t之后有N件仍能正常工作，則該零件在該試驗環(huán)境條件下工作時間t的可靠度定義為：R= N / N0若t R N-R是時間的函數(shù)。 9.1.4機械零件的設計方法1.傳統(tǒng)的設計方法 1）理論設計 依據(jù)人們長期總結出的設計理論和實驗數(shù)據(jù)進行的設計。 .設計計算，可以簡化成簡單力學模型。 根據(jù)零件的工作情況和工作能力準則確定計算公式。 擬訂安

7、全條件（或y） 計算零件危險剖面的尺寸。 根據(jù)結構工藝要求和尺寸協(xié)調原則進行結構設計 AF/ 如：齒輪傳動、螺栓聯(lián)接 9.1.4機械零件的設計方法1.傳統(tǒng)的設計方法 1）理論設計 .校核計算：結構復雜應力分布復雜的零件 先參考已有實物、圖紙和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，初步擬訂零件的結構布局和有關尺寸。 根據(jù)工作能力準則校核危險剖面尺寸 9.1.4機械零件的設計方法1.傳統(tǒng)的設計方法 1）理論設計 依據(jù)人們長期總結出的設計理論和實驗數(shù)據(jù)進行的設計。 .設計計算，可以簡化成簡單力學模型。 根據(jù)零件的工作情況和工作能力準則確定計算公式。 擬訂安全條件（或y） 計算零件危險剖面的尺寸。 根據(jù)結構工藝要求和尺寸協(xié)調原則

8、進行結構設計 AF/ 如：齒輪傳動、螺栓聯(lián)接 2）經(jīng)驗設計，類比設計 根據(jù)已有的某類零件的設計和使用實踐。歸納出經(jīng)驗關系式，或根據(jù)本人經(jīng)驗進行零件的結構設計。 對關鍵部分進行校核 如：箱體、機架、齒輪結構、帶輪機構 3）模型實驗設計 做成小模型、小樣機，經(jīng)過各種檢驗和反復修改，使用于尺寸巨大，結構復雜的重型整體零件或特別重要的設計。9.1.4機械零件的設計方法1.傳統(tǒng)的設計方法 .校核計算：結構復雜應力分布復雜的零件 先參考已有實物、圖紙和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，初步擬訂零件的結構布局和有關尺寸。 根據(jù)工作能力準則校核危險剖面尺寸 2.現(xiàn)代設計方法： CAD計算機輔助設計、優(yōu)化設計、有限元法等。 9.1.5

9、機械零件設計的一般步驟1.選取零件的類型和結構； 要求設計人員對各種零件的類型、優(yōu)缺點、特性、使用范圍有透徹了解。2.受力分析 根據(jù)機器運動簡圖、工作要求、計算作用于零件上的載荷3.選取材料 根據(jù)工作條件，對零件的特殊要求4.失效分析，確定計算準則 通過計算確定立功腦筋基本尺寸或主要參數(shù)5.進行零件的結構設計繪出零件的工作圖，標出必要的技術條件，說明書。本章目錄9.2.1金屬材料1.鋼：含碳量2%的鐵碳合金1）碳素結構鋼：牌號為Q215、Q235等主要用于一般要求的機械零件，如連桿、拉桿、鋼筋、地腳螺栓、鋼板等9.2機械制造常用材料及其選擇2）優(yōu)質碳素鋼：牌號表示，用鋼中含碳量的萬分數(shù)表示，例

10、45表示鋼中含碳量為萬分之45。C0.25%為低碳鋼：強度低、塑性好、焊接性好，用于焊接件、沖壓件等C為0.30.5%為中碳鋼：具有綜合的機械性能，用作齒輪、軸等零件C為0.550.7的鋼：用作制造彈簧、鋼絲繩等3）合金結構鋼：在鋼中加入鎳、鉻、錳、鉬、釩等元素的鋼。牌號表示數(shù)字化學元素數(shù)字含C量元素名稱元素的平均含量，以1%為單位例：60Si2Mn表示平均含C量0.6%，含Si量2%，含Mn量1.5%用于:重要的零件或需要某種特殊性能的零件。4）鑄鋼：用于形狀復雜、尺寸較大的零件。2鑄鐵：含碳量2%的鐵碳合金。1）灰鑄鐵：C大部分以片狀石墨形狀存在其基體中特點：強度低，塑性低，鑄造性好，減磨

11、性、消震性好，切削性好用途：機床身，箱體，帶輪等2）球墨鑄鐵：C以球狀石墨存在基體中特點：強度提高，塑性提高，比灰鐵貴，比鋼便宜。用途：柴油機曲軸，汽缸套，活塞等9.2.2非全屬材料 機械制造中的非金屬材料有很多，主要有橡膠、塑料、陶瓷、木材、復合材料等。 橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量，常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。 塑料的比重小，易于制成形狀復雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來在機械制造中其應用日益廣泛。以木屑、石棉纖維等作填充物，用熱固性樹脂壓結而成的塑料稱為結合塑料

12、，可用來制作儀表支架、手柄等受力不大的零件。以布、石棉、薄木板等層狀填充物為基體，用熱固性樹脂壓結而成的塑料稱為層壓塑料，可用來制作無聲齒輪、軸承村和摩擦片等。9.2.3機械零件材料的選用原則一）使用要求 1.根據(jù)零件承受載荷情況和工作條件選?。?a 一般情況下均選用碳素鋼45調質處理軸，齒輪 b 承受沖擊載荷，要求耐磨或結構要求緊湊時 采用低碳鋼合金鋼滲碳淬火，如18CrMnTi齒輪軸 c 載荷比較穩(wěn)定時可選鑄鐵。 如：HT250、機床，箱體，床身。 d 在高溫下工作的零件選耐磨熱材料4Cr9Si2 e 在腐蝕介質中工作的零件選耐腐蝕材料，不銹鋼，銅鋁合金、軸承一）使用要求 1.根據(jù)零件承受載荷情況和工作條件選?。?a 一般情況下均選用碳素鋼45調質處理軸，齒輪 b 承受沖擊載荷，要求耐磨或結構要求緊湊時 采用低碳鋼合金鋼滲碳淬火，如18CrMnTi齒輪軸 c 載荷比較穩(wěn)定時可選鑄鐵。 如：HT250、機床，箱體，床身。 d 在高溫下工作的零件選耐磨熱材料4Cr9Si2 e 在腐蝕介質中工作的零件選耐腐蝕材料，不銹鋼，銅鋁合金、軸承 2.受尺寸重量限制時： a 一般情況下采用碳素鋼鍛造毛坯 b 要求尺寸及重量及小時可采用高強度合金鋼 c 零件尺寸重量較大時且結構復雜時采用鑄造毛坯，可選：鑄鐵(批量)、鑄鋼(單件)或板材沖壓后焊接9.2.3機械零件材