機械零件的失效形式及設(shè)計準則課件

1、01 八月 20221第2章 機械零件的失效形式及設(shè)計準則機械的載荷與工況機械的載荷按需要可以用功率、轉(zhuǎn)矩或力表示。機械系統(tǒng)正常工作時所受的實際載荷稱為工作載荷。工作載荷通常比較復(fù)雜，它與工況密切相關(guān)。工作特性：平穩(wěn)載荷（帶式輸送機、發(fā)電機組、通風機等）； 輕微的沖擊載荷：（傳送不均勻物料的帶式輸送機、攪拌變密度材料的攪拌機等）； 中等沖擊載荷：（間歇工作的攪拌機、木工機械、鋼坯初軋機等）； 嚴重的沖擊載荷（挖掘機、破碎機、鍛壓機械等）；作業(yè)的忙閑程度：間歇性（如起重機械）；連續(xù)工作（如冶金機械、水廠供水設(shè)備）；負載繁重程度：有些機械經(jīng)常處于滿負荷甚至還有短時超負荷工作狀態(tài)，有些則經(jīng)常為不足載

2、的輕負荷工作。工作速度：有些機械的工作速度基本恒定不變，有些則需經(jīng)常變速。原動機輸出動力的均勻程度：電動機比較均勻穩(wěn)定，液壓馬達及頻繁起動的電動機有輕微沖擊，多缸內(nèi)燃機則有中等程度的沖擊，單缸內(nèi)燃機會給機械造成嚴重的沖擊載荷。 解決方法：如能獲得反映其載荷變化規(guī)律的載荷譜，則應(yīng)根據(jù)載荷譜進行設(shè)計計算；如有該類機械的設(shè)計規(guī)范，應(yīng)按規(guī)范進行設(shè)計計算。機械零件的載荷計算名義載荷：機械在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷。 計算載荷附加動載荷 計算載荷工作載荷安全因數(shù) 載荷與應(yīng)力1、載荷分類靜載荷：不隨時間變化或變化緩慢。動載荷：隨時間變化。2、應(yīng)力分類變應(yīng)力靜應(yīng)力：r=1t脈動循環(huán)：r=0t0對

3、稱循環(huán)：r= -1t0非對稱循環(huán)t0循環(huán)特征：載荷與應(yīng)力靜應(yīng)力只能由靜載荷產(chǎn)生，變應(yīng)力可能由變載荷或靜載荷產(chǎn)生。a0tt0a在變應(yīng)力下，零件的主要失效形式為：疲勞破壞0t a m min max 0t a m max 0t a= maxmin 變應(yīng)力特性參數(shù)： 對稱循環(huán) 脈動循環(huán) 非對稱循環(huán)機械零件的應(yīng)力（一）整體斷裂整體斷裂是指零件在載荷作用下，其危險截面的應(yīng)力超過零件的強度極限而導(dǎo)致的斷裂，或在變應(yīng)力作用下，危險截面發(fā)生的疲勞斷裂。齒輪輪齒斷裂軸承內(nèi)圈斷裂斷裂靜強度疲勞失效：規(guī)定功能的喪失。 失效 破壞 機械零件的主要失效形式（二）過大的殘余變形 當作用于零件上的應(yīng)力超過了材料的屈服極限，

4、零件將產(chǎn)生殘余變形。齒輪齒面塑形變形軸承外圈塑性變形機械零件的主要失效形式（三）零件的表面破壞零件的表面破壞主要是腐蝕、磨損和接觸疲勞（點蝕）。齒面接觸疲勞軸瓦磨損機械零件的主要失效形式（四）破壞正常工作條件引起的失效 有些零件只有在一定的工作條件下才能正常的工作，如：液體摩擦的滑動軸承，只有在存在完整的潤滑油膜時才能正常工作。帶傳動只有在傳遞的有效圓周力小于臨界摩擦力時才能正常工作。高速轉(zhuǎn)動的零件，只有在轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動件系統(tǒng)的固有頻率避開一個適當?shù)拈g隔才能正常工作。零件在工作時會發(fā)生那一種失效，這與零件的工作環(huán)境、載荷性質(zhì)等很多因素有關(guān)。有統(tǒng)計結(jié)果表明，一般機械零件的失效主要是由于疲勞、磨損、腐

5、蝕等因素引起。機械零件的主要失效形式：鋁(LY12)、銅(ZCuSn10P1).黑色金屬有色金屬鐵鋼高分子材料復(fù)合材料陶瓷金屬材料非金屬材料載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì)零件的工作情況零件的結(jié)構(gòu)及加工性材料的經(jīng)濟性零件的尺寸及重量一、常用材料二、機械零件材料的選用原則詳細說明：塑料、橡膠、合成纖維 ：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼(如：08F 45 60 1Cr18） ：灰鑄鐵、球墨鑄鐵(如：TH300 QT500-5)：強如鋼、輕如鋁、硬如金剛石：強度高、彈性模量大、質(zhì)量輕 機械零件的常用材料及選用原則合金鋼的強度極限比碳素鋼大得多，但兩者的彈性模量相差很小，因此采用合金鋼不可能提高零件的剛度。而在

6、零件結(jié)構(gòu)設(shè)計時往往采取加大截面尺寸、采用空心軸、設(shè)加強肋、合理確定支承位置等，來有效地提高零件的剛度。一般情況下，構(gòu)成摩擦副的兩零件，不宜采用相同牌號與相同硬度的材料。 機械零件材料選用特別要注意的兩個問題 機械零件的常用材料及選用原則機械零件的設(shè)計準則 強度準則 剛度準則 設(shè)計零件時，首先應(yīng)根據(jù)零件的失效形式確定其設(shè)計準則以及相應(yīng)的設(shè)計計算方法。一般來講，有以下幾種準則： 壽命準則 振動穩(wěn)定性準則 可靠性準則：確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過大的塑性變形，是最基本的設(shè)計準則。：確保零件不發(fā)生過大的彈性變形。：通常與零件的疲勞、磨損、腐蝕相關(guān)。：高速運轉(zhuǎn)機械的設(shè)計應(yīng)注重此項準則。：當計及隨機因素影響

7、時，仍應(yīng)確保上述各項準則。 機械零件的設(shè)計準則 一、強度準則：零件危險截面中的最大應(yīng)力不超過材料許用應(yīng)力 強度：零件抵抗斷裂、塑變、疲勞破壞的能力。方法：S安全系數(shù)，S1S：安全，浪費材料S：經(jīng)濟，不安全機械零件的設(shè)計準則二、剛度準則：剛度準則是零件在載荷作用下產(chǎn)生的彈性變形量 y，不超過機械工作性能所允許的極限值 yPy2. 扭轉(zhuǎn)剛度 扭轉(zhuǎn)角TT剛度：抵抗彈性變形的能力。1. 彎曲剛度 撓度 偏轉(zhuǎn)角三、壽命準則：腐蝕、磨損和疲勞 腐蝕、磨損目前尚無可靠的計算方法 疲勞壽命計算第三章介紹四、振動穩(wěn)定性準則：防止共振振幅A頻率f0.85f f 1.15f要求：fp1.15f fp:激振源頻率f:

8、 零件固有頻率機械零件的設(shè)計準則五、可靠性準則機械零件的設(shè)計準則機械零件的可靠度是指零件在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)、完成規(guī)定的功能時不發(fā)生失效的概率。設(shè)有 N 個同樣零件，在規(guī)定的條件下工作，至規(guī)定的時間 t 有 N f 個零件失效，剩下的N t 個零件仍能正常工作，則其可靠度為機械零件的設(shè)計準則機械零件的設(shè)計方法 理論設(shè)計 經(jīng)驗設(shè)計 模型實驗設(shè)計 機械零件的設(shè)計方法通常分為常規(guī)設(shè)計方法和現(xiàn)代設(shè)計方法兩大類。 現(xiàn)代設(shè)計方法是指在近二、三十年發(fā)展起來的更為完善、科學(xué)、計算精度高、設(shè)計與計算速度更快的機械設(shè)計方法。如機械優(yōu)化設(shè)計、機械可靠性設(shè)計、計算機輔助設(shè)計等等。 常規(guī)設(shè)計方法是指采用一定的理

9、論分析和計算，結(jié)合人們在長期的設(shè)計和生產(chǎn)實踐中總結(jié)出的方法、公式、圖表等進行設(shè)計的方法。它又可分為：詳細說明 機械零件設(shè)計中的標準化機械零件設(shè)計中的標準化1 標準化的益處： 與設(shè)計有關(guān)的標準:國際標準國家標準行業(yè)標準企業(yè)標準等如： ISOGB JB、HBQB 國標分為：強制標準和推薦標準標準化有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量，減輕設(shè)計工作量，便于零部件的互換和組織專業(yè)化的大生產(chǎn)，以降低生產(chǎn)成本。 強制性國家標準：代號為GB (為標準序號) (為批準年代)強制性國標必須嚴格遵照執(zhí)行，否則就是違法。推薦性國家標準：代號為GBT ，這類標準占整個國標中的絕大多數(shù)。如無特殊理由和特殊需要，必須遵守這些國標，以期取得

10、事半功倍的效果。 標準化就是要通過對零件的尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料性能、設(shè)計方法、制圖要求等，制定出大家共同遵守的標準。機械現(xiàn)代設(shè)計方法簡介 機械現(xiàn)代設(shè)計方法通常是相對傳統(tǒng)的設(shè)計方法而言的?，F(xiàn)代設(shè)計方法從總體上概括為力求運用現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)、應(yīng)用力學(xué)、微電子學(xué)及信息科學(xué)等方面的最新成果與手段實現(xiàn)下列轉(zhuǎn)換：以動態(tài)的取代靜態(tài)的如機器結(jié)構(gòu)動力學(xué)計算。以定量的取代定性的如有限元計算。以隨機量取代確定量如可靠性設(shè)計。以優(yōu)化設(shè)計取代可行性設(shè)計如優(yōu)化設(shè)計。并行設(shè)計取代串行設(shè)計如并行設(shè)計。微觀的取代宏觀的如微納米摩擦學(xué)設(shè)計。系統(tǒng)工程法取代分部處理法如系統(tǒng)工程。自動化設(shè)計取代人工設(shè)計的轉(zhuǎn)化如計算機輔助設(shè)計。機械現(xiàn)代設(shè)計

11、方法簡介產(chǎn)品生命周期模型產(chǎn)品建模過程設(shè)計知識處理仿真技術(shù) 組織 算法一般原理和方法工程圖樣標準化1850 1900 1950 2000內(nèi)涵范疇技術(shù)面向車間設(shè)計面向標準設(shè)計方法學(xué)設(shè)計CADC3PDMU & VPD幾何模型開發(fā)規(guī)劃市場和顧客 研究樣品制造試驗經(jīng)濟和生態(tài) 方面的評價使用評價從圖樣設(shè)計走向產(chǎn)品快速開發(fā)機械現(xiàn)代設(shè)計方法簡介工業(yè)化初期，人工繪制三維立體圖樣機械現(xiàn)代設(shè)計方法簡介大量生產(chǎn)時代，按照制圖標準繪制二維工程圖樣面向標準化和批量生產(chǎn)，由人工或計算機輔助繪制。CAD三維實體建模轎車齒輪變速箱動力輸入變速齒輪變速操縱桿后橋大齒輪CAD：建立數(shù)字原型巨型挖土機的數(shù)字原型CAD：建立數(shù)字原型透視汽車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)CAD：建立數(shù)字原型虛擬檢修工飛機底艙