机械设计学第七章分解.ppt

第七章 机械产品设计中的几个主要技术问题 §7-1机械疲劳设计 §7-2摩擦学设计 §7-3可靠性设计 §7-4机械的热效应设计 §7-5机械的抗振性设计与低噪声设计 §7-6机械动态设计 §7-7人机学设计 §7-1机械疲劳设计 3.疲劳破坏特点 1）疲劳破坏是在循环应力或循环应变作用下的破坏，疲劳条件下的破断应力－疲劳断裂应力(即循环应力中最大应力)远比静应力下材料的抗拉强度极限σb低，甚至比材料的屈服强度极限σs低很多情况下，疲劳破坏就可能发生。 2）疲劳破坏必须经历一定的载荷循环次数：疲劳破坏是在循环应力多次重复作用下产生的，因而要经历一定的时间，甚至很长时间。 3）零件在整个疲劳过程中不发生宏观塑性变形，其断裂方式类似于脆性断裂：不论是脆性材料或塑性材料，疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的突然脆性断裂。 3.疲劳破坏特点 4）材料或零部件，对疲劳载荷远比静载荷敏感很多，其疲劳抗力不仅决定于材料本身，而且还敏感地决定于零件形状、尺寸、表面状态、工作条件和所处环境等。 5）疲劳断口上明显地分为两个区域。在疲劳破坏的宏观断口上，有着不同于其他破坏断口的显著特点，即有疲劳源(或称疲劳核心)、疲劳裂纹扩展区和瞬断区，如图7—2所示。 循环特性： r=-1 对称循环 r=0 脉动循环 -1r1 不对称循环（r非0） 2、载荷谱：交变载荷随时间的变化过程 3、随机载荷：载荷幅值随时间的变化无规则，载荷不仅幅值变化，频率也变化，但其变化符合统计规律。 三、疲劳应力与疲劳强度、疲劳曲线、疲劳极限 1、疲劳失效 交变应力或交变应变：对于疲劳问题，由于构件受到载荷值随时间变化的交变载荷作用，使零件的材料内部产生随时间变化的内力分布或变形分布，称之为交变应力或交变应变。 疲劳失效：在交变应力与交变应变作用下，构件因发生疲劳破坏而使其丧失正常工作性能的现象，称之为疲劳失效； 材料的疲劳强度指材料或标准试件抵抗疲劳失效的能力，即试件在交变载荷作用下发生破坏时的应力。 结构的疲劳强度指结构件抵抗疲劳失效的能力，即结构在交变载荷作用下发生破坏时的应力。此结构指机械零件、部件、整机的统称。 衡量疲劳强度大小的指标是“疲劳强度极限”，简称疲劳极限。 疲劳极限：是指在一定循环特征下，材料或结构可以承受无限次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力。 2、疲劳曲线（S—N曲线） 在交变载荷作用下，零件承受的交变应力和断裂循环周次之间的关系，用疲劳曲线来表示。 材料的疲劳强度：在一组标准试件上施加不同载荷F，使试件承受应力比r为某值，最大应力为σmax 的交变应力作用，将试样旋转直到疲劳破坏为止，并记录循环次数N。则该循环次数下试件发生破坏时的应力σmax 称为材料的疲劳强度，用Sf表示。 疲劳寿命：材料在疲劳失效以前所经历的应力或应变循环次数，以N表示。 一般情况下，材料的强度极限愈高，外加应力水平愈低，试样的疲劳寿命愈长；反之，疲劳寿命愈短。 材料的S-N曲线：表示外加应力水平和标准试样疲劳寿命之关系的曲线，称为材料的S-N曲线。 2、动刚度的基本概念及其影响因素 1）动刚度KD:是衡量机器和结构抗振能力的常用指标，在数值上等于单位振幅所需的动态力，即机器结构在振动状况下，激振力幅值与振幅之比。 例：以受简谐激振力(F0sinωt)并具有粘性阻尼的单自由度系统受迫振动为例来说明动刚度。其振幅B的表达式如下： K----系统弹簧的静刚度 Z----频率比,其值为 ； 为激振力的频率,p为系统的固有圆频率, ，m为系统的质量； -----阻尼比, ；r为系统的粘性阻尼系数 在不同的频率比范围内,各参数对动刚度的影响是不同的,可大致分为三个区:准静态区、共振区和惯性区。 （1）准静态区（z0.7) 1)若z0.3,动静刚度近似相等。 2）若激振力的频率为0，系统只受到静载荷的作用，动静刚度相等。 提高动刚度的措施： 1）提高静刚度 2）降低频率比，即减少激振力频率或提高固有圆频率 （2）惯性区（z1.3) 提高动刚度的措施： 1）提高激振力的频率 2）增加系统的质量 （3）共振区（0.7z1.3) 提高动刚度的措施： 1）适当增加系统的阻尼 2）加大激振力的频率和固有圆频率的差别 机械振动引起噪声，低噪声设计的本质是减少机器振动，也就是说：减小机器噪声的本质在于控制机器的振动。可从降低激振力和提高机器抗振性两方面采取措施： （1）降低激振力 1）减少或避免运动部件的冲击和碰撞 2）提高运动部件的平衡精度 3）用连续运动代替间歇运动 4）减小运动件的重量和速度 （2）提高机器抗振性能：关键在于提高机器的动刚度 （3）采用隔声、吸声、消声等其它方法措施：在噪声传播途径中采取隔声、吸声、消声（采用消声器消声）