1.2.1 机械零件设计的基本准则
机械零件由某种原因而丧失正常工作能力,称为失效。
机械零件常见失效形式基本有两类:一类是永久丧失工作能力的破坏性失效,如断裂、塑性变形、过度磨损、胶合等,常见于齿轮类的刚性件啮合传动中;另一类是当影响因素消失后还可恢复工作能力的暂时性失效,如超过规定的弹性变形、打滑(带传动)以及由接近系统共振频率等原因引起的强烈振动等。 归纳起来,这些失效主要是强度、刚度、耐磨性、振动稳定性等不满足工作要求引起的。 因此,根据失效原因制订的设计准则,是防止失效和进行设计计算的依据。
1)强度
机械零件的强度可分为体积强度和表面强度两种。
(1)体积强度
零件的体积强度不足,会产生断裂或过大的塑性变形。 体积强度是指抵抗这两种失效的能力。 设计计算时,应使零件危险截面上的最大应力σ,τ 也不超过材料的许用应力[σ],[τ],或使危险截面上的安全系数Sσ,Sτ 不小于许用安全系数[Sσ],[Sτ],即
或
式中 [Sσ],[Sτ]——正应力和切应力的许用安全系数;
σlim,τlim——极限正应力和极限切应力,MPa。
极限应力σlim,τlim应根据零件材料性质及所受应力类型作以下选择:
①在静应力下工作并用塑性材料制成的零件,其失效为塑性变形,应按不发生塑性变形的强度条件计算,故常以材料的屈服点σs,τs作为极限应力σlim,τlim。
②在静应力下工作并用脆性材料制成的零件,其失效形式将是断裂,应按不发生断裂的强度条件计算,故常以材料的强度极限σb,τb作为极限应力σlim,τlim。
③在变应力下工作的零件,无论是用塑性材料还是用脆性材料制成的零件,其失效均为疲劳断裂,应按不发生疲劳断裂的强度条件计算,故常以材料的疲劳极限作为极限应力σlim,τlim。 同时,应考虑零件尺寸、表面几何形状引起的应力集中对疲劳强度的影响。
(2)表面强度
零件表面强度不足,会发生表面损伤。
表面强度可分为表面挤压强度和表面接触强度两种。
面接触的两零件受载后接触面之间产生挤压应力,应力分布在接触面不太深的表层,挤压应力过大的零件表面被压溃。 设计计算时,应使零件的最大挤压应力不超过材料的许用挤压应力。
图1.4 齿面的接触应力(https://www.daowen.com)
以点或线接触的两零件,受载后由于零件表面的弹性变形而使点或线变形为微小的接触面。 微小接触面上的局部应力,称为接触应力,其最大值用σH表示。如图1.4 所示为一对轮齿表面的接触成力。 实际上,大多数运转零件的接触应力都是一种变应力。 接触应力的反复作用会使零件表面的金属呈小片状脱落下来而形成一些小凹坑,这种现象称为疲劳点蚀。
零件表面发生疲劳点蚀后,减小了接触面积,损伤了零件的光滑表面,因而降低了承载能力,并引起振动和噪声。
设计时,应按不发生疲劳点蚀为强度计算条件。 使零件表面上的最大接触应力σH不超过材料的许用接触应力[σH],即
式中 [σH]——零件表面的最大接触应力,MPa;
[σH]——许用接触应力,MPa;
σH lim——材料的接触疲劳极限,MPa;
[SH]——接触应力的许用安全系数。
2)刚度
刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。 如果零件的刚度不足,产生过大的弹性变形,会影响机器的正常工作(如机床主轴刚度不足,会影响零件的加工精度),对这类零件应进行刚度计算。 计算时,须使零件在载荷下产生的最大弹性变形量不超过许用变形量,即
式中 y,[y]——零件的变形量和许用变形量;
θ,[θ]——零件的转角和许用转角;
φ,[φ]——零件的扭角和许用扭角。
3)耐磨性
耐磨性是指在载荷作用下相对运动的两零件表面抵抗磨损的能力。 零件过度磨损会使形状和尺寸改变,配合间隙增大,精度降低,产生冲击振动,从而失效。 设计时,应使零件在预期使用寿命内的磨损量不超过允许范围。
耐磨性计算目前尚无公认的计算方法。 一般通过限制工作面的单位压力和相对滑动速度,选择合适的材料及热处理方法,对工作面进行良好的润滑以及提高零件表面硬度和表面质量等,均能有效提高耐磨性。
对效率低、发热量大的传动(如蜗杆传动),如果散热不良,零件温度将上升过高,致使零件局部表面熔融而引起咬合。 因此,还应进行散热计算,使其正常工作时的温度不超过允许限度。
4)振动稳定性
当机器中某零件的固有频率f 和周期性强迫振动频率fp 相等或成整数倍时,零件振幅就会急剧增大而产生共振,从而使零件工作性能失常,甚至引起破坏。 所谓振动稳定性,就是为防止共振,设计时避免使零件的固有频率和强迫频率相等或成整数倍。
前述各项虽均影响着机械零件的工作能力,但设计计算时并不一定要逐项计算,而应根据零件的主要失效形式,按其相应的计算准则确定主要参数,再对关注的项目进行校核。