機械設計中的應力集中以及使用R角的規避方法

發布日期: 2024-05-24

如果你是一名機械設計工程師,你可能遇到過自己設計的零部件發生斷裂或折斷的問題。 如果是在原型階段還好,但如果是在批量生產之后,就會給客戶帶來麻煩,成為一個非常嚴重的問題!其實只要對幾何形狀稍加修改就可以避免發生斷裂的問題。本節將介紹如何使用R角來規避因應力集中而造成破損情況。
本節將介紹如何使用R角來規避因應力集中而造成破損情況。

 

 

?什么是應力集中?

應力集中是指應力集中在構件的某一部分。 應力是施加在構件單位截面積上的荷載。
應力集中是指應力集中在構件的某一部分。 應力是施加在構件單位截面積上的荷載。 最大應力與平均應力之比稱為應力集中系數。在部件形狀突然發生變化的地方應力集中系數會增大。因此,在表面成直角相交的拐角處應力非常大。在設計時應充分了解容易產生應力集中的形狀,注意防止零部件破損。
下面舉例說明常見容易產生應力集中的形狀。
?棒材
回轉軸就是一個棒材的例子?;剞D軸有時會安裝擋圈等,并加工嵌入擋圈的窄槽。軸在窄槽部位容易產生應力集中,并以該處為起點產生裂紋或斷裂。
?鈑金、沖壓件
如果是鈑金或沖壓件,將板材折彎成直角時,彎曲內側往往沒有半徑。當施加負載后,應力會集中在彎曲內側,可能會導致零部件破損。此外,為了確保折彎角度的精度,有一種加工方法是預先在彎曲點上切開一個稱為楔形的切口。切口很容易產生應力集中,在有載荷的情況下必須謹慎使用。
?樹脂
樹脂的應力集中往往會發生在一種稱為卡扣的幾何形狀中??凼且环N令樹脂變形來嵌入配套部件進行固定的方法。它通常也被稱為“鎖扣”,玩具蓋子等部件中常會采用這種形狀。當樹脂嵌入并發生變形時會承受很大的力,此時在卡扣的根部就會產生應力集中。

?設置R角以避免應力集中

為了避免應力集中,一個最有效的方法就是設置R角。
為了避免應力集中,一個最有效的方法就是設置R角。設置R角后零部件形狀的變化就會更加平滑,從而減少應力集中。一般而言,R角設置得越大越好。不過對于需要與其它部件進行組裝的零部件,需要注意不要因R角設置得過大而導致零部件之間出現干涉。
在上述例子中,可以按照以下方法來設置R角。
?棒材
擋圈卡槽的推薦尺寸是標準的,因此R角不能設置得過大??梢栽诓鄣母吭O置一個R0.2左右的小R角。
?鈑金、沖壓件
可以在板材的彎曲點設置一個彎曲半徑R。但是需要注意,這可能會導致直角度的精度變差。至于楔形切口,可以在加工方法商討時要求不要楔形切口。這一點也可以在圖紙的注釋中注明。
?樹脂
樹脂中的嵌入配合應在卡扣根部設置小R??凼且环N令樹脂變形以方便嵌入的形狀特征。為了檢證只設置R是否能夠解決應力集中的問題,應進行強度分析,以確認應力是否足夠小。

?R角以外防止破損的方法

防止應力集中造成損壞的最佳方法就是設置R角,但出于設計方面的考慮,不能設置R角的情況也會存在。

防止應力集中造成損壞的最佳方法就是設置R角,但出于設計方面的考慮,不能設置R角的情況也會存在。此時可以考慮以下方法。
?改變材料
如果棒材使用的是SUM材料,改用SUS材料可以提高強度。而如果使用樹脂,應選擇抗拉強度高的材料。
?設置加強筋
可以在強度較弱的部位設置加強筋。這種方法通常用于樹脂,但也可用于金屬板材。例如可以在折彎的兩側通過焊接添加加強筋。而在沖壓加工中,也可以在外周進行卷壓的狀態下折彎。
?增大尺寸
對于棒材,增大直徑可以提高強度。而對于鈑金件也可以增加板材的厚度。樹脂也同樣可以增加壁厚。在注塑成型中,增加平均壁厚可以提高強度并相應地減少加強筋的數量。增大尺寸有時還可以實現提高強度、減輕重量和降低成本。最好能夠制作幾種模型,并通過強度分析來進行對比。

 

?總結

機械設計工程師必須設計出不易破損的產品。設計時應充分考慮部件各部位承載載荷的范圍,并設計成不會產生應力集中的形狀。通過設置R角可以有效避免應力集中,但在無法設置R角的情況下,也可以采用其它方法?,F在強度分析軟件非常好用,建議設計人員在創建3D模型后進行強度分析,以確保設計上的安全。

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