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1、机 械 设 计,教师：陈 丰邮箱：fengchen_http:/,知识回顾和问题,知识回顾:1、知道了“学什么，为什么学，如何学”的问题；2、几个名词和概念；3、机械设计的总体原则和一般程序；4、零件设计的一般程序。,问题：1、本课程的研究对象是什么？主要任务是什么？2、从功能方面谈谈机械的组成。3、什么叫机械零部件的失效？,第二章 机械零件的强度,【计划学时】2-3学时【主要内容】机械零件的工作能力和计算准则，机械零件的设计方法，载荷与应力分类，静应力时机械零件的强度计算，机械零件的疲劳强度计算，机械零件的接触强度【学习目标】了解机械零件的工作能力和计算准则以及设计方法，掌握变应力的种类和基
2、本参数，明确材料简化极限应力图和零件简化极限应力图的意义及应用，能够进行单向稳定变应力时的疲劳强度计算：=C、m=C、min=C的疲劳强度校核，了解提高机械零件疲劳强度的措施。【重点难点】重点是掌握变应力的种类和基本参数，材料简化极限应力图和零件简化应力图的意义及应用。,第1节 机械零件的工作能力和计算准则第2节 载荷与应力的分类第3节 静应力时机械零件的强度计算第4节 机械零件的疲劳强度计算第5节 机械零件的接触强度（自学）,主 要 内 容,1 机械零件的工作能力和计算准则,1.1 机械零件的主要失效形式和工作能力1）机械零件的主要失效形式,机械零件的主要失效形式,整体断裂：拉，压，弯，扭，
3、剪,零件表面的破坏：磨损、腐蚀、接触疲劳,破坏正常工作条件引起的失效：打滑，共振，胶合,过大的残余应力：热应力，机械应力等,2）机械零件的工作能力 零件不发生失效的安全工作限度称为工作能力。对载荷 而言的工作能力称为承载能力。有时，零件工作能力是针对变形、速度、温度或压力而言的安全工作限度。机械零件设计的基本要求：避免在预期寿命期内失效的要求（强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、可靠性等）结构工艺性的要求经济性要求质量小的要求可靠性要求,1 机械零件的工作能力和计算准则,1 机械零件的工作能力和计算准则,1.2 机械零件的设计计算准则,1 机械零件的工作能力和计算准则,1.3 机械零件的设计方法(
4、一般设计方法)（1）理论设计 1）根据使用要求，选择零件的类型和结构。2）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。名义载荷（F、P、T）：力学公式计算出的载荷。但：由于载荷作用的不平稳性、分布的不均匀性等 因素，实际载荷大于名义载荷。载荷系数K 计算载荷(Fc、Pc、Tc)=载荷系数名义载荷 3）选择适当的材料。4）根据零件工作能力准则，确定零件的主要尺寸 两种计算方法：a）设计计算：直接求出危险截面尺寸A。,1 机械零件的工作能力和计算准则,b）校核计算：其他方法初步设计 验算。5）画零件图。（2）经验设计 根据经验关系式，用类比的方法所进行的设计。如：箱体、传动件各个结构要素等（3）模
5、型实验设计 把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺寸样机 进行实验。如：飞机、桥梁、风力发电设备等的风洞实验，水轮机、轮船、潜艇等的水洞实验。,2 载荷与应力的分类,2.1、载荷的分类,随机变载荷,变载荷：,静载荷:,如锅炉的压力、匀速转动的离心力、自重等。,循环变载荷,稳定循环变载荷：,不稳定循环变载荷：,如汽车、农业机械等。,2 载荷与应力的分类,静应力:,2.2 应力的分类,1）应力种类,变应力：,稳定循环变应力:应力变化周期、应力幅和平均应力均不随时间而改变者；,非对称循环变应力,脉动循环变应力,对称循环变应力,2 载荷与应力的分类,2）稳定循环变应力的基本参数和种类,a)基本参数
6、:,平均应力:,应力幅:,最大应力:,最小应力:,2 载荷与应力的分类,应力循环特性:,b)稳定循环变应力种类：,-1+1 不对称循环变应力,=0 脉动循环变应力,=+1 静应力,=1 对称循环变应力,注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生！？,2 载荷与应力的分类,名义应力由名义载荷产生的应力计算应力由计算载荷产生的应力,3）名义应力和计算应力,3 静应力时机械零件的强度计算,3.1 单向应力下的塑性零件,强度条件：,或：,（失效形式：塑性变形）,3.2 复合应力时的塑性材料零件,按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算 由第三强度理论：（最大剪应力
7、理论）由第四强度理论：（最大变形能理论）,（失效形式：塑性变形）,3 静应力时机械零件的强度计算,复合应力计算安全系数为：,或：,3.3 脆性材料与低塑性材料,脆性材料极限应力：强度极限,（失效形式：断裂）,3 静应力时机械零件的强度计算,按第一强度条件：（最大主应力理论）,2）复合应力下工作的零件,注意：(1)低塑性材料强度计算应计入应力集中的影响。(2)脆性材料强度计算不考虑应力集中。(3)一般工作期内应力变化次数103（104），按静 应力强度计算。,知识回顾和问题,知识回顾:1、机械零件的主要失效形式；2、机械零件的工作能力和计算准则；3、载荷与应力的分类；4、静应力时机械零件强度计算
8、（材料力学）。,问题：1、机械零件的主要失效形式有哪些？设计计算准则有哪些？2、稳定循环变应力的基本参数和种类有哪些？。3、应力循环特性表示意义？4、=1，-1,0分别表示何种应力类型？,4 机械零件的疲劳强度计算,比例极限：,弹性极限：,屈服极限或屈服强度：,抗拉强度：,最大断裂强度：,4 机械零件的疲劳强度计算,比例极限：,弹性极限：,屈服极限或屈服强度：,抗拉强度：,最大断裂强度：,疲劳极限：,4 机械零件的疲劳强度计算,（1）失效形式：疲劳断裂。（2）疲劳破坏特征：1）断裂过程：产生初始裂纹（应力较大处）裂纹尖端在切应力作用下，反复扩 展，直至产生疲劳断裂。,4.1 变应力作用下机械零
9、件的失效特征,4 机械零件的疲劳强度计算,2）断裂面：光滑区（疲劳发展区）粗糙区（脆性断裂区）3）无明显塑性变形的脆性突然断裂 4）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限。,4.1 变应力作用下机械零件的失效特征,4 机械零件的疲劳强度计算,（4）影响因素：不仅与材料性能有关，变应力的循环特性，应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。,（3）疲劳破坏的机理：损伤的累积。,4.2 材料的疲劳曲线和极限应力图,疲劳极限，应力循环特性下应力循环N次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力。,疲劳寿命（N）材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N,（1）疲劳曲线：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力
10、循环次数之间关系的曲线。,4 机械零件的疲劳强度计算,1）有限寿命区,N103(104)低周循环疲劳。,疲劳极限接近于屈服极限，按静强度计算。,N103(104)高周循环疲劳。,N0 循环基数 持久极限,注意：大多数通用机械零件及专用零件的失效都是高周循环疲劳引起的。,4 机械零件的疲劳强度计算,2）无限寿命区,持久极限,对称循环：,脉动循环：,注意：1）有色金属和高强度合金钢无无限寿命区!2）无限寿命：指零件所受到的变应力水平低于或等于材料的疲劳极限，工作应力总循环次数可以大于循环基数，并不是说永远不会破坏。,3）疲劳曲线方程,随循环次数疲劳极限。,4 机械零件的疲劳强度计算,寿命系数,几点
11、说明：,N0 循环基数，与材料性质有关。钢:硬度350HBS，N0=107 350HBS，N0=(1025)x107 有色金属:疲劳曲线无水平部分，规定当N025x107 时，近似为无限寿命区。,4 机械零件的疲劳强度计算,m 材料常数，与应力及材料的种类有关。,m=9 拉、弯曲应力、剪应力。m=6 接触应力。,m=9 弯曲应力。m=8 接触应力。,钢：,青铜：,应力循环特性越大，材料的疲劳极限与持久极限越大，对零件强度越有利。对称循环（应力循环特性=-1）最不利！,4 机械零件的疲劳强度计算,以 为横坐标、为纵坐标，即可得材料在不同应力循环特性下的 曲线，即为材料的疲劳极限应力图。,（2）材
12、料的疲劳极限应力图（注意与材料疲劳曲线的区别）同一种材料在不同的应力循环特性下的疲劳极限图。,4 机械零件的疲劳强度计算,抗拉强度极限点,如图 AB曲线上的点对应着不同应力循环特性下的材料疲劳极限,对称疲劳极限点,脉动疲劳极限点,屈服极限点,4 机械零件的疲劳强度计算,材料的简化极限应力线图，可根据材料的三个试验数据 而作出。,折线以内为疲劳和塑性安全区，折线以外为疲劳和塑性失效区，工作应力点离折线越远，安全程度愈高。,4 机械零件的疲劳强度计算,应力集中、零件尺寸和表面状态三项因素对机械零件的疲劳强度影响最大!,4.3 影响机械零件疲劳强度的主要因素和零件极限应力图,（1）应力集中的影响有效
13、应力集中系数,零件受载时，在几何形状突变处（直角、凹槽、孔等）要产生应力集中，对应力集中的敏感程度与零件的材料有关。,4 机械零件的疲劳强度计算,为考虑零件几何形状的理论应力集中系数,应力集中源处名义应力,材料对应力集中的敏感系数,应力集中源处最大应力,（2）零件尺寸的影响尺寸系数,由于零件尺寸愈大时，材料的晶粒较粗，出现缺陷的概率大，而机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，所以对零件疲劳强度的不良影响愈显著。,（3）表面状态的影响,1）表面质量系数,零件加工的表面质量（主要指表面粗糙度）对疲劳强度的影响。,钢的 越高，表面愈粗糙，愈低。,强化处理淬火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、喷丸、滚压等。,2
14、）表面强化系数,考虑对零件进行不同的强化处理，对零件疲劳强度的影响。,查相关表。,4 机械零件的疲劳强度计算,4 机械零件的疲劳强度计算,应力集中，零件尺寸和表面状态只对应力幅有影响，而对平均应力无影响。,（4）综合影响系数 和零件的极限应力图,综合影响系数表示了材料极限应力幅与零件极限应力幅的比值。,1）综合影响系数,4 机械零件的疲劳强度计算,2)零件的极限应力图,零件脉动循环疲劳点,零件对称循环疲劳点,GC 零件屈服极限曲线,AG 零件许用疲劳极限曲线,4 机械零件的疲劳强度计算,零件的材料特性,标准试件的材料特性,零件的极限应力幅和极限平均应力。,4 机械零件的疲劳强度计算,4.4 单
15、向稳定变应力时的疲劳强度计算,1）大多数转轴中的应力状态,已知零件危险断面的最大工作应力和最小工作应力，求对应于M点的零件的极限应力（疲劳极限）,过原点与工作应力点M或N作连线交ADGC于M1或N1点。此直线上任一点的应力循环特性均相同。M1或N1点即为所求的极限应力点。,4 机械零件的疲劳强度计算,a)当工作应力点位于OAG内,极限应力为疲劳极限，按疲劳强度计算。,联解OM和AG两直线方程即可求得M1坐标，纵横坐标加起来既可得到零件的极限应力,零件的极限应力（疲劳极限）：,强度条件：,4 机械零件的疲劳强度计算,b)当工作应力点位于OGC内,极限应力为屈服极限，按静强度计算。,强度条件：,4
16、 机械零件的疲劳强度计算,2）振动中的受载弹簧的应力状态,过工作应力点M（N）作与纵轴平行的轴线交AG(GC)于M2（N2）点。此直线上任一点的都具有相同的平均应力值。M2或N2点即为所求的极限应力点。,4 机械零件的疲劳强度计算,a)当工作应力点位于OAGH区域内,强度条件：,极限应力为疲劳极限，按疲劳强度计算。,b）工作应力点位于GHC区域内,强度条件为：,极限应力为屈服极限，按静强度计算。,4 机械零件的疲劳强度计算,3）轴向变载荷的紧螺栓联接中的螺栓应力状态,过工作应力点M（N）作与横坐标成45的直线，则这直线任一点的最小应力 均相同。直线与极限应力线图交点 即为所求极限应力点。,4
17、机械零件的疲劳强度计算,a)工作应力点位于OJGI内,极限应力为疲劳极限，按疲劳强度计算。,求AG与MM3的交点:,强度条件:,4 机械零件的疲劳强度计算,b)工作应力点位于IGC区域内,极限应力点为,强度条件：,极限应力为屈服极限，按静强度计算。,4 机械零件的疲劳强度计算,注意：,1）若零件所受应力变化规律不能肯定，一般采用=C的情况计算。,2）上述计算均为按无限寿命进行零件设计，若按有限寿命要求设计零件时，即应力循环次数103(104)NNo时，这时上述公式中的极限应力应为有限寿命的疲劳极限：，即应以-1N 代-1，以oN代o。,4 机械零件的疲劳强度计算,注意：,5）等效应力幅：,3）
18、当未知工作应力点所在区域时，应同时考虑可能出现的两种情况。,4）对切应力上述公式同样适用，只需将改为即可。,5 机械零件的接触强度（自学）,高副零件工作时，理论上是点接触或线接触实际上由于接触部分的局部弹性变形而形成面接触由于接触面积很小，使表层产生的局部应力却很大。该应力称为接触应力。在表面接触应力作用下的零件强度称为接触强度。计算依据：弹性力学的赫兹公式。,5.1 接触应力,a)两圆柱体接触,b)两球接触,综合曲率半径,说明：1）圆柱体：，球：Hmax 与F不呈线性关系。,5 机械零件的接触强度（自学）,5 机械零件的接触强度（自学）,3）同样的1、2下，内接触时较大，Hmax 较小，约为
19、外接触时的48%。重载情况下，采用内接触，有利于提高承载能力或 降低接触副的尺寸。,2）圆柱体：，球：越大，Hmax 越小。,5.2 失效形式,静应力:表面压碎 脆性材料 表面塑性变形 塑性材料 变应力：疲劳点蚀齿轮、滚动轴承的常见失效形式。,5 机械零件的接触强度（自学）,5.3 提高接触疲劳强度的措施 1）控制最大接触应力。2）提高接触表面硬度，改善表面加工质量。3）增大综合曲率半径。4）改外接触为内接触，点接触线接触。5）采用高粘度润滑油。,知识回顾和问题,知识回顾:1、机械零件的主要失效形式；2、机械零件的工作能力和计算准则；3、载荷与应力的分类；4、静应力时机械零件强度计算（材料力学）。5、机械零件疲劳强度计算：材料的疲劳曲线和极限应力线图,问题：1、机械零件的主要失效形式有哪些？2、稳定循环变应力的基本参数和种类有哪些？。3、材料的疲劳曲线如何建立？疲劳曲线方程中参数的意义？4、材料的简化极限应力线图如何建立？生产中如何应用？,预 习,1、摩擦、磨损及润滑定义，预防措施等。2、摩擦与润滑在汽车上的应用：发动机、变速器、差速器、汽车轮胎、车轮轴承等；3、汽车制动系统如何利用摩擦进行工作？4、如何防止汽车运行中的磨损？5、请你对汽车中的有关摩擦、磨损现象进行系统论述。（小论文或大作业）,
