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任務(wù)二 了解機(jī)械設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則及一般步驟

一、機(jī)械零件的失效形式及設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則

機(jī)械零件喪失預(yù)定功能或預(yù)定功能指標(biāo)降低到許用值以下的現(xiàn)象,稱為機(jī)械零件的失效。由于強(qiáng)度不夠引起的破壞是最常見的失效形式,但并不是零件失效的唯一形式。進(jìn)行機(jī)械零件設(shè)計(jì)時必須根據(jù)零件的失效形式分析失效的原因,提出防止或減輕失效的措施,根據(jù)不同的失效形式提出不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

(一)失效形式

機(jī)械零件最常見的失效形式大致有以下幾種。

1.?dāng)嗔?/p>

機(jī)械零件的斷裂通常有以下兩種情況:(1)零件在外載荷的作用下,某一危險(xiǎn)截面上的應(yīng)力超過零件的疲勞強(qiáng)度極限時將發(fā)生斷裂;(2)零件在循環(huán)變應(yīng)力的作用下,危險(xiǎn)截面上的應(yīng)力超過零件的疲勞強(qiáng)度而發(fā)生疲勞斷裂。

2.過量變形

當(dāng)零件上的應(yīng)力超過材料的屈服極限時,零件將發(fā)生塑性變形。當(dāng)零件的彈性變形量過大時也會使機(jī)器的工作不正常。

3.表面失效

表面失效主要有疲勞點(diǎn)蝕、磨損、壓潰和腐蝕等形式。表面失效后通常會增加零件的摩擦,使零件尺寸發(fā)生變化,最終造成零件的報(bào)廢。

4.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工作,否則就會引起失效,如帶傳動因過載發(fā)生打滑,使傳動不能正常地工作。

(二)設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則

同一零件對于不同失效形式的承載能力也各不相同。根據(jù)不同的失效原因建立起來的工作能力判定條件,稱為設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則,主要包括以下幾種。

1.強(qiáng)度準(zhǔn)則

強(qiáng)度是零件應(yīng)滿足的基本要求。強(qiáng)度是指零件在載荷作用下抵抗斷裂、塑性變形及表面失效(磨擦磨損、腐蝕除外)的能力。

整體強(qiáng)度的判定準(zhǔn)則為:零件在危險(xiǎn)截面處的最大應(yīng)力σ、τ不應(yīng)超過材料的許用應(yīng)力[σ]、[τ],即

σ≤[σ]

τ≤[τ]

或使危險(xiǎn)截面上的安全因數(shù)S不小于許用的安全因數(shù)[S],即

S≥[S]

對于受擠壓的表面,擠壓應(yīng)力不應(yīng)過大,否則會發(fā)生表面塑性變形、表面壓潰等。擠壓強(qiáng)度的判定準(zhǔn)則為:擠壓應(yīng)力σp不應(yīng)超過許用擠壓應(yīng)力[σp],即

σp≤[σp]

2.剛度準(zhǔn)則

剛度是指零件受載后抵抗彈性變形的能力,其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為:零件在載荷作用下產(chǎn)生的彈性變形量不應(yīng)大于機(jī)器工作性能所允許的極限值,即

y≤[y]

θ≤[θ]

φ≤[φ]

3.耐磨性準(zhǔn)則

耐磨性是在載荷作用下相對運(yùn)動的兩零件表面抵抗磨損的能力。零件過度磨損會使形狀和尺寸改變,配合間隙增大,精度降低,產(chǎn)生沖擊振動從而失效,設(shè)計(jì)時應(yīng)使零件在預(yù)期的壽命內(nèi)的磨損量不超過允許范圍。由于磨損機(jī)理比較復(fù)雜,通常采用條件性的計(jì)算準(zhǔn)則,即零件的壓強(qiáng)P不應(yīng)大于零件的許用壓強(qiáng)[P],即

P≤[P]

4.散熱性準(zhǔn)則

零件工作時如果溫度過高將導(dǎo)致潤滑劑失去作用,材料的強(qiáng)度極限下降,引起熱變形及附加熱應(yīng)力等,從而使零件不能正常工作。散熱性準(zhǔn)則為:根據(jù)熱平衡條件,工作溫度 t不應(yīng)超過許用工作溫度[t],即

t≤[t]

5.可靠性準(zhǔn)則

可靠性用可靠度表示,對那些大量生產(chǎn)而又無法逐漸試驗(yàn)或檢測的產(chǎn)品,更應(yīng)計(jì)算其可靠度。零件的可靠度用零件在規(guī)定的使用條件下、在規(guī)定的時間內(nèi)能正常工作的概率來表示,即用在規(guī)定的壽命時間內(nèi)能連續(xù)工作的件數(shù)占總件數(shù)的百分比表示。如有 Nt個零件,在預(yù)期壽命內(nèi)只有Ns個零件能連續(xù)正常工作,則其系統(tǒng)的可靠度為

R=Ns/Nt

二、機(jī)械設(shè)計(jì)的一般步驟

機(jī)械設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜、細(xì)致和科學(xué)性很強(qiáng)的工作。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對設(shè)計(jì)的理解在不斷地深化,設(shè)計(jì)方法也在不斷地發(fā)展。近年來發(fā)展起來的“優(yōu)化設(shè)計(jì)”、“可靠性設(shè)計(jì)”、“有限元設(shè)計(jì)”、“模塊設(shè)計(jì)”、“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”等現(xiàn)代方法已在機(jī)械設(shè)計(jì)中得到了推廣與應(yīng)用。即使如此,常規(guī)設(shè)計(jì)方法仍然是工程技術(shù)人員進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ),必須很好地掌握。

1.機(jī)械設(shè)計(jì)過程的幾個階段

(1)產(chǎn)品規(guī)劃

產(chǎn)品規(guī)劃的主要工作是提出設(shè)計(jì)任務(wù)和明確設(shè)計(jì)要求,這是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)首先需要解決的問題。通常是人們根據(jù)市場需求提出設(shè)計(jì)任務(wù),通過可行性分析后才能進(jìn)行產(chǎn)品規(guī)劃。

(2)方案設(shè)計(jì)

在滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書中設(shè)計(jì)具體要求的前提下,由設(shè)計(jì)人員構(gòu)思出多種可行方案并進(jìn)行分析比較,從中優(yōu)選出一種功能滿足要求、工作性能可靠、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行、成本低廉的方案。

(3)技術(shù)設(shè)計(jì)

在既定設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上,完成設(shè)計(jì)產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)、部件設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)等,設(shè)計(jì)結(jié)果以工程圖及計(jì)算書的形式表達(dá)出來。

(4)制造及實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過加工、安裝及調(diào)試制造出樣機(jī),對樣機(jī)進(jìn)行試運(yùn)行或在生產(chǎn)現(xiàn)場試用,將實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題反饋給設(shè)計(jì)人員,經(jīng)過修改完善,最后通過鑒定。

2.設(shè)計(jì)機(jī)械零件的一般步驟

與設(shè)計(jì)機(jī)器時一樣,設(shè)計(jì)機(jī)械零件也常需擬訂出幾種不同方案,經(jīng)過認(rèn)真比較選用其中最好的一種。設(shè)計(jì)機(jī)械零件的一般步驟如下:

(1)根據(jù)機(jī)器的具體運(yùn)轉(zhuǎn)情況和簡化的計(jì)算方案確定零件的載荷。

(2)根據(jù)零件工作情況的分析,判定零件的失效形式,從而確定計(jì)算準(zhǔn)則。

(3)進(jìn)行主要參數(shù)選擇,選定材料,根據(jù)計(jì)算準(zhǔn)則求出零件的主要尺寸,考慮熱處理及結(jié)構(gòu)工藝性要求等。

(4)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(5)繪制零件工作圖,制訂技術(shù)要求,編寫計(jì)算說明書及有關(guān)技術(shù)文件。

對于不同的零件和工作條件,以上這些設(shè)計(jì)步驟可以有所不同。此外,在設(shè)計(jì)過程中,這些步驟又是互相交錯、反復(fù)進(jìn)行的。

應(yīng)當(dāng)指出,在設(shè)計(jì)機(jī)械零件時往往是將較復(fù)雜的實(shí)際工作情況進(jìn)行一定的簡化,才能應(yīng)用力學(xué)等理論解決機(jī)械零件的設(shè)計(jì)計(jì)算問題,因此,這種計(jì)算或多或少帶有一定的條件性,成為條件性計(jì)算。機(jī)械零件設(shè)計(jì)基本上是按條件性計(jì)算進(jìn)行的,如注意到公式的適用范圍,一般計(jì)算結(jié)果具有一定的可靠性,并充分考慮了機(jī)械零件的安全性。為了使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況,有必要時可進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)或事物實(shí)驗(yàn)。

思考題

1.機(jī)械零件常見的失效形式有哪些?

2.機(jī)械設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是什么?

3.機(jī)械設(shè)計(jì)的一般步驟有哪些?

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