提高接觸強度的結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則課件

1、第四節(jié) 提高接觸強度的結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則兩零件的表面作點、線接觸,并相互作用有載荷時,在接觸點(或線)周圍的材料中產(chǎn)生接觸應(yīng)力。由于材料具有彈性,在載荷作用下,接觸點(或線)實際上成為小的接觸面。接觸面積很小,所以,接觸應(yīng)力是很高的局部應(yīng)力。在機械設(shè)備中,零件表面間的點、線接觸均可簡化成由無限多段不同曲率半徑的圓柱面組成進(jìn)行分析和計算。一、基本公式接觸應(yīng)力理論計算的最基本部分已由赫茲(Hertz)解決了。它求解的條件是: 1)兩接觸物體為各向同性的彈性體 2)接觸面積比表面積小得多 3)作用力垂直于接觸面 在接觸部位形成的接觸面的大小決定于:載荷、材料的彈性和零件的表面形狀。兩圓球面在載荷下相互接觸

2、如圖所示,接觸面是直徑為的圓面。F載荷(N)E兩接觸物體材料的綜合彈性模量 V兩球體的綜合直徑(mm), ,分母中的“-”用于“d”為凸球面而“D”為凹球面的情況接觸面中心的最大壓力是平均壓力的1.5倍V圓柱體的綜合直徑(mm)q圓柱體單位長度上的載荷(N/mm)兩圓柱體接觸時,接觸面為矩形,寬度為b。接觸面中心線上的最大壓力為平均壓力的1.27倍二、合理設(shè)計結(jié)構(gòu)提高接觸強度 由接觸應(yīng)力的基本計算公式可以明顯看出,從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度提高接觸強度有兩個途徑:1)減小接觸點的載荷2)增大兩接觸物體在接觸點的綜合曲率半徑采用彈性模量較小的材料制造相互相觸的零件，也可以減小接觸應(yīng)力,但這些材料的強度和剛

3、度都比較差,采用這種措施的很少。1、增大綜合曲率半徑準(zhǔn)則 圖示為球面支承的六種結(jié)構(gòu)圖a因兩球面有相同的較小的曲率半徑,它的接觸強度最低。后面的圖bf結(jié)構(gòu)采取增大一個球面或同時增大兩個球面曲率半徑的方法,提高接觸強度。圖e,f所示結(jié)構(gòu),不僅增大球面的曲率半徑,而且兩球面同向翹曲,獲得最大的綜合曲率半徑和最高的接觸強度。2、以面接觸代替線接觸準(zhǔn)則圖a桿1與銷2為線接觸。圖c為斜面-推桿機構(gòu)。若將銷柱處增加零件3(圖b),則變線接觸為面接觸,顯著改善了接觸狀況和耐磨性。圖d中的零件6把推桿4與斜面5的點接觸改為面接觸。圖e改為圖f的結(jié)構(gòu), 也將點(或線)接觸變成面接觸;改為圖g后在零件11與9之間則

4、可產(chǎn)生流體動壓效應(yīng),從而改善潤滑,減低磨損。3、采用變位齒輪傳動提高齒面接觸強度準(zhǔn)則在齒輪傳動中,采用變位的方法可提高齒面接觸強度。設(shè)計時有兩條準(zhǔn)則:1)兩相互嚙合齒輪的變位系數(shù)x1和x2之和為最大,即2)保證一定的重疊系數(shù),比如:要求 。以上兩條件可以使齒輪獲得最小的齒面接觸應(yīng)力,即最大的接觸強度。可獲得齒面的最大綜合曲率半徑?？杀ＷC同時嚙合的齒數(shù)不要太少，減少齒面接觸點的載荷。三、球面接觸與柱面接觸強度計算線圖1、球面接觸兩球面相互擠壓。當(dāng)材料相同時,表層中最大應(yīng)力max按赫茲公式為F接觸點的載荷E材料的彈性模量d小球直徑(mm)0量綱為1系數(shù)式中,=D/d,為大小球直徑之比；“-”用于球

5、與凹面接觸的情況。根據(jù)最大應(yīng)力max公式,相同材料球面接觸的承載能力 以上max和F值,用線圖可以方便地進(jìn)行計算。 圖a是E=2.1105MPa、F=10N時的max值圖b是max=1000MPa時,球面接觸的極限承載量。由曲線可以看出,=1.02比=時的承載量大2500倍。2、圓柱面接觸兩相同材料的圓柱相互擠壓,由赫茲公式可以計算出最大壓應(yīng)力maxd小圓柱的直徑(mm)l圓柱長度(mm)0量綱為1的系數(shù)由最大應(yīng)力公式導(dǎo)出的圓柱面接觸的承載能力 為了計算方便可采用曲線圖。圖2-60a的max-d曲線圖是取E=2.1105MPa,l=d,F=10N得出的。圖2-60b的F-d曲線圖是按max=1

6、000MPa得出的。 由此曲線圖可以看出=1.02比= 時的承載能力高25倍。四、材料和熱處理因接觸應(yīng)力的值很大,承受接觸應(yīng)力的零件常采用淬火鋼制造,鋼的含碳量在1%左右,其硬度不低于60 62HRC。常用的材料見表2-6。例：承受接觸應(yīng)力的零件應(yīng)便于熱處理 圖為一螺旋推動工作臺,螺旋頂端作成圓球狀。為加工方便在此處裝一個鋼球,鋼球標(biāo)準(zhǔn)按GB3082002,硬度6166HRC。鋼球推動的工作臺由鑄鐵制造,在與鋼球接觸部位裝一頂頭,由T10A鋼制造,淬火后硬度達(dá)6163HRC。工作臺有時與螺旋端部分離，由于彈簧的作用，工作臺被拉動返回，使鋼球與頂頭撞擊，產(chǎn)生凹坑。例：應(yīng)避免與鋼球接觸的表面出現(xiàn)凹

7、坑為避免撞擊,常在工作臺上安裝阻尼裝置。齒條1安裝在工作臺上,經(jīng)23對齒輪增速,帶動轉(zhuǎn)子2,轉(zhuǎn)子凹槽中裝有軟木塞3,當(dāng)轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動時,軟木塞受離心力的作用與外殼4產(chǎn)生摩擦使工作臺減速。例：滾珠導(dǎo)軌硬度低則很快產(chǎn)生凹坑 有一滾珠導(dǎo)軌表面在裝配時就發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了凹坑。經(jīng)分析,導(dǎo)軌材料為20鋼滲碳淬火,最后工作表面經(jīng)磨削。由于滲層厚度較淺,磨削后去掉了大部分硬化層,大部分表面硬度很低,這是凹坑產(chǎn)生的主要原因。經(jīng)研究提出了兩種改進(jìn)方案：a、改變材料,用滾動軸承鋼GCr15整體淬火,硬度可達(dá) 6265HRCb、仍采用20鋼,適當(dāng)增加滲碳深度,并精確控制磨削量,以保持硬化層,硬度也可達(dá)60HRC以上第五節(jié) 提

8、高抗沖擊強度的 結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則 機械零件常常承受具有沖擊性質(zhì)的外載荷,零件之間有間隙時也會因沖擊而使零件受力增大。大于靜載荷產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變。 沖擊在機械工程中是經(jīng)常遇到的，但關(guān)于它的計算目前還不夠成熟。 桿受縱向沖擊時的動載系數(shù)kd定義如下:桿受質(zhì)量為m的物體縱向沖擊時的最大變形c桿受質(zhì)量為m的物體縱向壓力作用時產(chǎn)生的 靜變形kd可由下式求得:h：物體m下落高度 均勻的桿受縱向沖擊時,所吸收的沖擊能u由下式計算桿所受之縱向拉(壓)應(yīng)力(Mpa)V桿參與吸收沖擊能的體積(mm3)E桿材料的縱向彈性模量(Mpa) 根據(jù)以上原理,在對受沖擊載荷零件作結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮以下準(zhǔn)則一、適當(dāng)減小剛度提高吸收沖

9、擊能準(zhǔn)則二、在產(chǎn)生沖擊的部位設(shè)置緩沖器三、增加承受沖擊的零件數(shù)四、提高材料的沖擊韌度一、適當(dāng)減小剛度提高吸收沖擊能準(zhǔn)則桿吸收的能量為u,若桿受力為F,橫斷面積為A,受沖擊長度為l,則有:代入=F/A,V=Al 得由上式可知,減小桿的橫斷面積或增加桿的長度都可提高桿吸收沖擊能的能量。 圖為一個連桿的連接螺栓結(jié)構(gòu)。圖a中螺栓桿短而粗,圖b中的螺栓桿長而一部分較細(xì)。圖b中的結(jié)構(gòu)抗沖擊性能較好。例：螺釘抗沖擊強度分析 圖為承受沖擊載荷的螺栓。 螺栓M24 螺紋小徑d0=20.752mm 材料屈服強度s=400MPa 螺紋部分應(yīng)力集中系數(shù)k1=3.5 承受沖擊部分釘桿長度l1=40mm,l2=l3=20

10、0mm 桿與釘頭連接處應(yīng)力集中系數(shù)k=3.4 螺紋與釘桿過渡圓角處應(yīng)力集中系數(shù)k0=2.5 取安全系數(shù)S=1.5 釘桿直徑d=24mm，d0=22mm、20mm、18mm、16mm。螺釘抗沖擊強度分析 計算中簡化忽略有螺紋部分及圖c中釘頭下較粗(直徑為d)部分的影響,取釘桿為等直徑圓桿:圖a中直徑d、長度l1圖b中直徑d、長度l2圖c中直徑d0、長度l3螺紋小徑處截面積 螺紋許用應(yīng)力 螺紋允許最大拉力 釘桿部分許用應(yīng)力 其余計算見下表:由上表可以看出,隨著釘桿長度l的增加和釘桿直徑d的減小,螺釘能吸收的能量u不斷增加。而當(dāng)釘桿直徑d0=16mm時,其應(yīng)力 ，不能使用。而釘桿直徑取d0=18mm

11、時,能吸收的沖擊最多。d0允許最小值可由下式求得:二、在產(chǎn)生沖擊的部位設(shè)置緩沖器電梯轎廂除設(shè)置減速等安全裝置以外,在井道底坑地面上均設(shè)置緩沖器以吸收下墜的能量沖擊。轎廂運行速度較低的采用彈簧緩沖器(圖a),轎廂運行速度較高、樓層較高、沖擊能較大的場合采用油壓緩沖器(圖b)。油壓緩沖器當(dāng)柱塞受壓下行時，油缸內(nèi)的油通過油孔立柱、油嘴向柱塞內(nèi)噴流。油流動中產(chǎn)生的阻力，緩沖了柱塞上的壓力，起緩沖作用。三、增加承受沖擊的零件數(shù)圖為離心沖擊式電動鑿巖機。電動機經(jīng)減速器通過軟軸使主軸4旋轉(zhuǎn)。在主軸上的一對偏心塊2產(chǎn)生離心力使沖錘作直線往復(fù)運動,沖擊鋼釘進(jìn)行鑿巖。這一機器的功能就是產(chǎn)生大的沖擊力,所以當(dāng)它的軸承壽命不足時,不能采用緩沖的辦法減小沖擊力,只能增加軸承中的滾子數(shù)目以提高其抗沖擊能力。四、提高材料的沖擊韌度 在擺錘式?jīng)_擊試驗機上,沖斷標(biāo)準(zhǔn)試件所消耗的功AK(單位J)與試件斷口橫截面積(cm2)之比,稱為沖擊韌度K(單位J/cm2)。當(dāng)環(huán)境溫度降低時,材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)入脆性狀態(tài),沖擊韌度顯著下降。提高沖擊韌度的途徑有:降低鋼鐵金屬中碳(C)、磷(P)等的含量,采用細(xì)晶粒,采用低碳