第1章 机械设计的基础知识.ppt

单击此处编辑母版标题样式,潘海兵,潘海兵,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,潘海兵,潘海兵,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,潘海兵,潘海兵,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,潘海兵,潘海兵,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,1,章机械设计的基础知识,1.2,机械零件的失效形式及设计准则,1.4,机械零件的强度计算,1.6,机械零件的材料及热处理,1.7,机械零件的标准化,1.1,对机器的主要要求,1.5,机械零件的设计方法及一般步骤,1.3,设计机械零件时应满足的基本要求,6/9/2026,1,设计机器的任务是在当前技术发展所能达到的条件下，根据生产及生活的需要提出的。不管机器的类型如何，一般来说，对机器都要提出以下的基本要求：,使用功能要求,经济性要求,劳动保护要求,可靠性要求,其它专用要求,详细说明,1.1,对机器的主要要求,6/9/2026,2,1.2,机械零件的失效形式及设计准则,1.2.1,机械零件的主要失效形式,机械零件的,失效,：,机械零件由于某些原因而丧失工作能力或达不,到设计要求性能时，称为,失效,。,机械零件可能的失效形式：,由强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、可靠性、温度对工作能 力的影响引起的失效。主要有以下几种：,整体断裂,过大的残余变形,零件的表面破坏,破坏正常工作条件引起的失效,6/9/2026,3,机械零件常见的失效形式有：,整体,断裂,、,过大的,残余,变形,、,零件的表面破坏,以及,破坏正常工作条件引起的失效,等。,整体断裂,整体断裂是指零件在载荷（,拉、压、弯、剪、扭等,）作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的,疲劳断裂。,齿轮轮齿断裂,轴承内圈断裂,6/9/2026,4,整体断裂,整体断裂是指零件在载荷（,拉、压、弯、剪、扭等,）作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的,疲劳断裂。,6/9/2026,5,过大的残余变形,当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。,机床上夹持定位零件的过大的残余变形，要降低加工精度；高速转子轴的残余挠曲变形，将增大不平衡度，并进一步地引起零件的变形。,齿轮齿面塑形变形,轴承外圈塑性变形,6/9/2026,6,零件的表面破坏,零件的表面破坏主要是,腐蚀,、,磨损,和,接触疲劳（点蚀,）。,腐蚀,是发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象。腐蚀的结果是使金属表面产生锈蚀，从而零件表面遭到破坏。对于承受变应力的零件，还要引起腐蚀疲劳。,磨损,是两个接触表面在作相对运动的过程中表面物质丧失或转移的现象。,零件表面的接触疲劳,是受到接触变应力长期作用的表面产生裂纹或微粒剥落的现象。,处于潮湿空气中或与水、汽及其它腐蚀性介质相接触的金属零件均有可能发生腐蚀现象；,所有作相对运动的零件接触表面都有可能发生磨损；,而在接触变应力条件下工作的零件表面将有可能发生接触疲劳。,6/9/2026,7,零件的表面破坏,轴瓦磨损,滚动轴承外圈滚道的磨损,6/9/2026,8,零件的表面破坏,齿面接触疲劳,滚动轴承滚道的疲劳点蚀,6/9/2026,9,破坏正常工作条件引起的失效,有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：,液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。,带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。,高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔才能正常工作。,零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很多因素有关。,有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于,疲劳、磨损、腐蚀,等因素引起。,6/9/2026,10,强度准则,刚度准则,设计零件时，首先应根据零件的,失效形式,确定其,设计准则,以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：,耐磨性,准则,振动稳定性准则,可靠性准则,：,确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基,本的设计准则。,：,确保零件不发生过大的弹性变形通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关,。,：,高速运转机械的设计应注重此项准则,。,：,当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则,。,1.2.2,机械零件的设计准则,6/9/2026,11,强度准则,强度准则,就是指零件中的应力不得超过允许的限度。即：,lim,其中：,lim,即为材料的极限应力，对于脆性材料：取,lim,B,（强度极限），对于塑性材料：取,lim,S,（屈服极限）。,考虑到各种偶然性或难以精确分析的影响，上式右边要除以设计安全系数,(,简称安全系数,),，即：,lim,/S,即,式中：安全系数,S,为大于,1,的数，,S,过大，虽安全但浪费材料；,S,过小，虽节省材料但趋危险，故,S,的选取应适当。,称为许用应力。,强度准则是最基本的设计准则。,针对的失效形式为：,断裂失效（过载断裂、疲劳断裂）、塑性变形失效和点蚀失效。,零件的应力，,MPa,lim,材料极限应力，,MPa,；,S,为安全系数；,6/9/2026,12,刚度准则,零件在载荷作用下产生的弹性变形量,y,（,挠度、偏转角、扭转角,），小于或等于机器工作性能所允许的极限值,y,（许用变形量），就叫做满足了刚度要求，或符合刚度计算准则。其表达式为：,弹性变形量,y,可按各种变形量的理论或实验方法来确定，而许用变形量,y,则应随不同的使用场合，根据理论或经验来确定其合理的数值。,刚度准则针对零件过大的弹性变形失效。,y,、,q,、,j,分别是零件的挠度、偏转角和扭转角；,y,、,q,、,j,分别是许用的挠度、偏转角和扭转角。,6/9/2026,13,耐磨性准则,耐磨性准则针对的是零件的表面失效。,.,在工程中对零件的条件性耐磨性计算表达式为：,p,工作表面上的压强，,MPa,；,p,材料的许用压强，,MPa,；,v,工作表面线速度，,m/s,；,pv,pv,的许用值，,MPam/s,。,6/9/2026,14,振动稳定性,准则,机器中存在着很多周期性变化的,激振源,。例如：,齿轮的啮合，滚动轴承中的振动，滑动轴承中的油膜振荡，弹性轴的偏心转动等,。如果某一零件本身的,固有频率,与上述激振源的频率,重合或成整数倍关系,时，这些零件就会发生,共振,，以致使零件破坏或机器工作关系失常等。,所谓振动稳定性，就是说在设计时要使机器中受激振作用的各零件的固有频率与激振源的频率错开。,例如，令,f,代表零件的固有频率，,fp,代表激振源的频率，则通常应保证如下的条件：,0.85f,fp,或,1.15f,fp,当不能满足上述条件时，改变零件的固有频率，避免共振的措施：,改变零件和系统的刚性；提高回转件的动平衡精度；改变支承位置；增加或减少辅助支承；用隔振元件隔开激振源与零件防止振动传播；采用阻尼以消耗引起振动的能量。,6/9/2026,15,可靠性准则,如有一大批某种零件，其件数为,N,0,在一定的工作条件下进行试验。如在,t,时间后仍有,N,件在正常地工作，则此零件在该工作环境条件下工作,t,时间的可靠度,R,可表示为：,R=N/N,0,如果试验时间不断延长，则,N,将不断地减小，故可靠度也将改变。这就是说，零件的可靠度是一个时间的函数。若在时间,t,到,t+dt,的间隔中，又有,dN,件零件发生破坏，则在此,dt,时间间隔内破坏的比率,f(t,),定义为,:,式中,f(t,),称为,失效率,负号表示,dN,的增大将使,N,减小。分离变量并积分，得：,即：,可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能,的能力。,机械产品常用的可靠性指标主要有,:,失效概率,F,失效率,可靠度,R,6/9/2026,16,浴盆曲线,描述机械产品典型,的失效率,（,t,）,与时间,t,的关系的曲线。,0,第,阶段：早期失效阶段；,第,阶段：损坏阶段。,第,阶段：正常使用阶段；,图,1.1,失效率曲线,早期失效阶段,，失效率由很高的数值急剧地下降到某一稳定的数值。引起这一阶段失效率特别高的原因是零、部件存在的初始缺陷。,正常使用阶段,如果发生失效，一般是由偶然的原因引起的，故其发生是随机性的，失效率则表现为一常数。,损坏阶段,主要是由于长期的使用而使零件发生磨损、疲劳裂纹扩展等原因，使失效率急剧地增加。,表征失效率的另一个指标是两次失效间的平均工作时间,MTBF,，用符号,m表示，和,的关系为：,m=1/,6/9/2026,17,避免在预定寿命期内失效的要求,结构工艺性要求,经济性要求,质量小的要求,可靠性要求,机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：,详细说明,应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。,设计的结构应便于加工和装配。,零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。,质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。,应降低零件发生故障的可能性（概率）。,1.3,设计机械零件时应满足的基本要求,6/9/2026,18,1.4,机械零件的强度计算,机械零件的强度计算是机械零件设计中,最基本,的计算。,强度分类,静应力强度,变应力强度,静应力强度计算适用的场所：,静应力作用,的零件的,强度校核,；,变应力作用,的零件的,强度校核,，但应力循环次数,N,10,3,；,有短时过载,的,零件的,强度校核。,6/9/2026,19,1.4.1,强度计算中的基本定义,1.,载荷分类,按照随时间变化特征分,按照计算要求分,静载荷,不随时间变化或变化缓慢的载荷,变载荷,随时间变化的载荷,计算载荷,考虑各种因素综合影响计算的载荷。,名义载荷,根据额定功率用力学公式计算出的,载荷。,2,应力分类,静应力,不随时间变化或变化缓慢的应力称为静应力；,变应力,随时间变化的应力称为变应力。,F,F,t,A,6/9/2026,20F,F,截面,所受应力为,变应力,其应力变化图形为：,注意,:,变应力既可由变载荷引起，,也可由静载荷引起。,F,t,变应力,大小、方向随时间变化的应力,A,A,F,F,F,F,F,F,F,F,F,F,t,对称循环变化的弯曲,应力由静载荷,F,引起,6/9/2026,21,应力变化的周期,T,、应力幅值,a,和平均应力,m,均不变的为,稳定循环变应力,。,变应力的分类,稳定循环变应力,非稳定循环变应力,应力变化的周期,T,、应力幅值,a,和平均应力,m,之一不为常数的为,非稳定循环变应力,。,规律性的,非规律性的,脉动循环变应力,对称循环变应力,非对称循环变应力、,6/9/2026,22,稳定循环变应力的主要参数,（,1,）最大应力,max,m,s,（,2,）最小应,min,（,3,）平均应力,m,（,4,）应力幅,a,t,=0,t,（,5,）应力比,r,1,r,+1,（非对称）,r=0,（脉动）,r=,1,（对称）,t,6/9/2026,23,依作用在零件上的变应力循环次数的不同，零件材料的疲劳,分为两种。,1.4.2,材料疲劳的类别,低周疲劳,（应变疲劳）循环次数低于,10,3,次 或,10,4,次；,高周疲劳,循环次数高于,10,4,次。,1.4.3,高周疲劳的机械零件的疲劳强度计算,1.,疲劳曲线（机械零件材料的）,曲线的得出：,实验的结果,实验限定条件,：,实验目的：,特定材料、特定的应力比,r,或特定循环次数,N,。,建立疲劳极限,max,与应力循次数,N,的关系曲线。,建立极限平均应力,m,与极限应力幅,a,的关系曲线。,6/9/2026,24,1,）,N,曲线,（机械零件材料的）,B,AB,段,（,对应,N10,3,）,在该区间内，随循环次数增加，发生破坏的最大应力基本不变。,结论：,当应力循环次数,N10,3,：,按静应力强度考虑。,A,N,A,=,1,4,N,B,10,3,K,N,图,1.4,材料疲劳曲线之一（,N,）,实验限定条件,：,特定的循环特性,r,特定的材料,实验目的：,建立疲劳极限,max,与应力,循次数,N,的关系曲线。,6/9/2026,25,A,N,A,=,1,4,N,B,10,3,B,C,BC,段,低周疲劳段,随着循环次数增加，使材料发生破坏的最大应力,不断下降,。该阶段的疲劳破坏形式为,塑性变形，,也称作,应变疲劳,按破坏形式命名,。,由于循环次数相对较少,（,N,C,=10,4,）,所以也叫做,低周疲劳,按循环次数命名,N10,4,：,低周疲劳,CD,段,有限寿命疲劳段,N,该段上任一点所代表的疲劳极限称作,有限寿命疲劳极限,有限寿命疲劳极限,静力失效具有突变性,疲劳失效具有渐变性,N,C,10,4,N,D,=N,0,D,6/9/2026,26,A,N,A,=,1,4,N,B,10,3,B,N,D,=N,0,D,N,N,C,10,4,C,D,点,代表,无限寿命疲劳极限,无限寿命疲劳极限,当试件上作用的应力值,无论应力循环多少次，,试件都不会发生疲劳破坏。,循环基数。有限寿命和无限寿命的界限值。当,可按无限寿命考虑。值与零件材料、应力性质以及尺,寸有关，由实验决定。,对于钢材料试件,=,即,试件的的寿命按无限寿命考虑,弯曲、拉压疲劳时；,中等尺寸、弯曲疲劳时；,大尺寸零件,6/9/2026,27,N,0,N,有限寿命疲劳极限,与,无限寿命疲劳极限,之间的关系。,C,CD,段曲线,满足下列数学关系：,联立以上两式，得：,m,寿命系数,m,材料常数,m=,620,，一般尺寸,9,，中等或大尺寸,m,D,6/9/2026,28,o,实验限定条件,：,特定的应力循环次数,N,（取,N=N,0,）,实验包含的范围：,1,r,1,实验目的：,建立最大应力,max,与循环特性,r,的关系曲线。,曲线,上任意一点都代表了,一定循环特性,的疲劳极限,图,1-5,等寿命疲劳曲线,点代表对称循环（,r=,1,）,材料的的极限应力,特定材料,点代表脉动循环（,r=0,）,材料的的极限应力,点代表钢材料的屈服极限（,r=1,）,2,）等寿命疲劳曲线,（机械零件材料的）,6/9/2026,29,o,r=1,t,代表对称循环疲劳极限 。,上任意一点都代表一个对称循环应力,由,O,引出的射线,1,6/9/2026,30,o0,/2,D,代表脉动循环疲劳极限 。,由,O,点引出的,45,射线,OD,上任意一点都代表一个脉动循环应力。,45,0,/2,t,6/9/2026,31,横坐标上任意一点都代表了应力幅值,的静应力,点代表材料的屈服极限,S,。,o,S,t,r=1,静力极限是疲劳极限的特例,静力极限是疲劳极限的特例,6/9/2026,32,2.,极限应力线图（机械零件材料的）,简化结果：,用直线近似代替曲线,o,具体简化方法：,、,过,两点连一条直线,过,点作一条与横轴成,45,夹角的直线与直线,相交，并得出,点,45,极限应力线图是,等寿命,疲劳曲线简化而成的。,实验包含的范围：,1,r,1,6/9/2026,33,o,45,S,已知,、,的坐标：,直线 的方程,:,直线,的方程：,直线,任意一点都代表,K,试件的材料常数,6/9/2026,34,机械零件的极限应力线图,对称循环疲劳极限,脉动循环疲劳极限,非对称循环疲劳极限,是采用标准,材料试件,通过试验得出的,材料疲劳极限,材料标准试件,具体零件与标准试件间,存在以下几方面的差异,1.,应力集中差异,2.,绝对尺寸差异,3.,表面状态差异,结论：,材料,疲劳极限 不能代表,具体零件,的疲劳极限,6/9/2026,35,零件极限应力图来自：,材料极限应力图,将材料极限应力图转化为零件,极限应力图的具体修正方法：,每点,纵坐标值,（,应力幅值,按同一比例缩小（除以一,个大于,1,的系数,o,45,S,G,将材料极限应力图,上,),6/9/2026,36,S,o,45,0,2K,根据,A,、,D,两点的坐标：,求得,的方程为：,或为：,零件的材料常数,试件的材料常数,-1e,=,-1,K,2,零件极限应力图,6/9/2026,37,2,、零件的,极限应力线图,由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因素等的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。,以弯曲疲劳极限的综合影响系数,表示材料对称循环弯曲疲劳极限,-1,与零件对称循环弯曲疲劳极限,-1e,的比值，即,在不对称循环时，,是试件与零件极限应力幅的比值。,将零件材料的极限应力线图,中的直线,A,D,G,按比例向下移，,成为右图所示的直线,ADG,，,而极,限应力曲线的,CG,部分，由于是,按照静应力的要求来考虑的，故,不须进行修正。这样就得到了零,件的极限应力线图。,详细介绍,6/9/2026,38,3,许用安全系数,1,）静应力,脆性材料以强度极限,B,为极限应力，许用安全系数选取：,塑性材料以屈服极限,S,为极限应力，许用安全系数选取：,一般情况：,S=1.2 1.5,塑性较差材料：,S=1.5 2.5,S=3 4,2,）变应力,以疲劳极限,r,作为极限应力，许用安全系数选取：,。,一般情况：,S=1.3 1.7,非精确计算：,S=1.7 2.5,安全系数也可用部分系数法确定,:,S,1,考虑载荷及计算准确性；,S,2,考虑材料力学性能；,S,3,考虑零件的重要性。,6/9/2026,39,4.,单向稳定变应力下的机械零件疲劳强度,45,o,N,m,a,M,、,N,两点代表零件两个不同的工作应力点。,两种疲劳强度计算方法分别为：,一般校核计算,精确校核计算,最大,工作,应力为：,问题：,如何根据极限应力图确定极限应力,？,即极限应力曲线,AGC,上,哪点是对应的,？,M,6/9/2026,40,45,o,m,a,应根据三种情况确定,1,）,r,等于常数的情况,（,r=C,）,（,绝大多数转轴的应力状态）,当,r=C,时，,由,o,点引出的任意一条射线,上的点所代表的应力都满足：,M,当工作应力点为,M,时，,对应的极限应力为,M,工作应力,N,点,的,极限应力点为,N,与,r=C,等价,F,M,C,C,N,N,6/9/2026,41,45,o,m,a,M,M,点,所代表零件上,作用的最大,工作,应力为：,M,、,M,两点的坐标为点：,M,点所代表的零件极限应力：,利用关系,推导出,的应用表达式,见下页,M,M,点,所代表零件上,作用的最大,工作,应力为：,M,、,M,两点的坐标为点：,M,点,所代表零件上,作用的最大,工作,应力为：,M,、,M,两点的坐标为点：,M,点所代表的零件极限应力：,M,、,M,两点的坐标为点：6/9/2026,42,由：,（,1,）,（,2,）,将式（,1,）代入公式,:,得出：,（,3,）,将（,3,）代入（,2,），,得出：,6/9/2026,43,精确校核（安全系数法）,疲劳强度校核（应力点在疲劳区）,见教材,P27,公式,13-17,45,o,疲劳安全区,M,M,6/9/2026,44,45,o,点：,点：,静强度校核（应力点在静力区）,静力安全区,本章作业：,3-1 3-5,a,m,N,N,6/9/2026,45,45,o,小结,当,r=C,时：,工作应力点处在疲劳区时,一般需做两种强度校核：,精确疲劳强度校核,工作应力点处在静力区时仅需做：,精确静强度校核,M,疲劳区AoG,静力区,：,GoC,静力安全区,疲劳安全区,N,精确静强度校核,工作应力点处在疲劳区时,一般需做两种强度校核：,工作应力点处在疲劳区时,一般需做两种强度校核：,6/9/2026,46,2,）,平均应力等于常数,（,m,=C,）,（,振动的受载弹簧的应 力状态）,o,N,m,精确疲劳强度校核为：,精确静强度校核为：,工作应力点处在疲劳区时,应做两种校核（考虑过载）,工作应力点处在静力区时,疲劳安全区,精确静强度校核为：,静力安全区,m,6/9/2026,47,3,）,最小应力等于常数,（,min,=C,）,（,紧螺栓联接中螺栓受轴向,变载荷的应 力状态）,o,45,M,精确疲劳强度校核为：,精确静强度校核为：,工作应力点处在疲劳区时,工作应力点处在静力区时,精确静强度校核为：,静力安全区,疲劳安全区,6/9/2026,48,零件变应力为以上三种情况时，即便工作应力点处在疲劳区，一般也需做两种强度计算：,注意：,疲劳强度计算,静强度计算,为什么？,6/9/2026,49,例题,1.1,分别用公式法和图解法求某发动机连杆的安全系数。杆在危险剖面处的直径,d=70,mm,。当气缸发火时，连杆受到压力,500KN,，在吸气时，则受到拉力,120KN,。连杆表面精磨并用优质碳钢制造。连杆材料如下：,，,解,：（,1,）,确定最大及最小应力,（,2,）,确定平均应力和应力幅值，由式1.8,）及式（,1.9,）,6/9/2026,50,（,3,）,计算试件受循环弯曲应力时的材料常数，由式（,1.17,）,（,4,）,确定疲劳强度安全系数，因循环特性为常数，由式,(1.30),（,5,）,计算屈服强度安全系数，由式,(1.31),6/9/2026,51,（,6,）,用图解法求安全系数,求点,A,（,0,，,-1,/K,）及点,D,（,0,/2,，,0,/2K,）的坐标值：,.,A,点,（,0,，,193.66,）、,D,点,（,229,，,161.27,）,C,点,（,355,，,0,）,选比例尺,作图,a,m,0,D,（,229,，,161,）,45,G,C,（,355,，,0,）,E,E,E,M,（,49,，,81,）,A,（,0,，,194.,）,6/9/2026,52,.,单向不稳定变应力下的机械零件疲劳强度,规律性变应力,不规律性（随机）变应力,t,t,规律性变应力计算,用疲劳损伤累计假说的理论计算,随机变应力的计算,用统计疲劳强度方法计算,疲劳损伤累计假说的理论,：零件在变应力作用下，其材料的内部损伤是逐渐发生的，累计到一定程度即发生破坏。,6/9/2026,53,t,t,n,1,n,2,n,3,n,4,N,1,N,2,N,3,（,a,）,（b）,由（,b,）,图知：仅有 作用时,，,对应寿命为,N,1,以此类推：,N,2,N,3,。,合理假设：大于,的应力每循环一次，就会造成一次寿命,损失。经过,n,1,、,n,2,、,n,3,、,n,n,次,循环后，其寿命损失,率分别为：,规律性不稳定对称循环变应力讨论,N,0,D,，,，,，,。,6/9/2026,54,，,，,，,当损伤率达到,100%,，即各寿命损伤率之和等于,1,时，零件就会发生破坏，即：,注意两种不同加载状况：,1.,当各级应力为,由大至小,依次作用时：,说明累计损伤没有达到,100%,便,提前,破坏,6/9/2026,55,由式：,m,得：,；,；,将上述各式代入公式：,整理后得不稳定变应力的计算值为,：,m,精确校核公式为：,6/9/2026,56,材料,结构钢,铸铁,注,变形形式,对称循环疲劳极限,脉动循环疲劳极限,弯曲,拉伸,扭转,弯曲,拉伸,扭转,脚注,t,拉伸；,抗拉强度极限；,屈服极限,疲劳极限与静强度的近似关系,6/9/2026,57,例题,1.2,某转轴材料为,45,调质钢，,受规律性非稳定对称循环,变应力作用，各级应力的最大值分别为,1max,=125MPa,，,2max,=115MPa,，,3max,=100MPa,，其作用次数分别为：,n,1,=310,3,次，,n,2,=710,4,次，,n,4,=410,6,次，并已知：,-1,=250MPa,，,m,=9,，,N,0,=10,7,，,k,=1.76,=0.78,=0.95,=0.34,，,q,=1,，设计安全系数,S,=1.5,。,试校核该轴的疲劳强度。,，,，,解：,（,1,）求弯曲疲劳极限的综合影响系数，由式（,1.23,）,（,2,）求非稳定对称循环变应力的计算应力，由于,3max,是最小,的应力，且有：,故在计算时，应考虑,3max,的影响。,6/9/2026,58,根据式（,1.43,）,（,3,）求该轴的对称循环弯曲疲劳极限，由式（,1.19,）,（,4,）校核该轴的疲劳强度，由式（,1.45,）,故该轴疲劳强度不足。,应该怎么办？,6/9/2026,59,.,双向稳定变应力下的机械零件疲劳强度,1,）,对称循环稳定变应力时，对于钢材，经试验得出的极限,应力关系式为：,，,同时作用的正应力,和切应力,的应力幅极限值,（,、,同时作用）,;,、,零件对称循环正应力和切应力时的疲劳极限值,（,、,单独作用）。,、,（,1.46,）,式,（,1.46,）,在,a,/,-1e,a,/,-1e,坐标系上是一个单位圆。,由于是对称循环变应力，故应力幅即,a,为最大应力,max,，即：,。,6/9/2026,60,0,B,D,C,D,M,C,A,如果工作应力点,M,在极限圆以内，零件是安全的。,弧线,AM B,上任何一个点即代表一对极限应力 及 。,计算安全系数为,:,式中，各线段的长度为：,代入式,（,1.46a,）,后得：,（,1.46,a,）,（,1.46b,）,将式,（,1.46b,）,代入式（,1.46,），得：,见下页,6/9/2026,61,（,1.46,）,（,1.46b,）,（,1.46c,）,、,由于,则：,、,2,）,当零件上所承受的两个变应力均为非对称循环变应力时,:,6/9/2026,62,例题,1.3,已知转轴危险截面的直径,d=40mm,，承受弯矩,M=300Nm,弯曲应力为对称循环，扭转切应力为脉动循环。轴材料为,40Cr,钢,调质，,-1,=355MPa,，,-1,=200MPa,，,=0.2,，,=0.1,，,k,=2.2,，,k,=1.8,，设计安全系数,S=1.5,。试计算转轴在弯曲和,扭矩共同作用时的计算安全系数,S,ca,，,并校核该轴的疲劳强度。,解：,（,1,）,计算转轴危险截面工作应力参数,因弯曲应力为对称循环，扭转切应力为脉动循环，则：,，,6/9/2026,63,（,2,）,求计算安全系数及校核疲劳强度，由式（,1.30,），得,（,1.30,）,由式（,1.47,）得,故该轴疲劳强度足够。,6/9/2026,64,7,、,提高机械零件疲劳强度的措施,在综合考虑零件的性能要求和经,济性后，采用具有,高疲劳强度的材料,，并配以适当的热处理和各种表面强化处理。,适当,提高零件的表面质量,，特别是提高有应力集中部位的表面加工,质量，必要时表面作适当的防护处理。,尽可能,降低零件上的应力集中的影响,，是提高零件疲劳强度的首要,措施。,尽可能地,减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸,，对于延,长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。,减载槽,在不可避免地要产生较大应力集中的结构处，可采用,减载槽,来降低应力集中的作用。,6/9/2026,65,1.4.4,机械零件的抗断裂强度,在工程实际中，往往会发生,工作应力小于许用应力,时所发生的突然断裂，这种现象称为,低应力脆断,。,对于高强度材料，一方面是它的强度高（即许用应力高），另一方面则是它抵抗裂纹扩展的能力要随着强度的增高而下降。因此，用传统的强度理论计算高强度材料结构的强度问题，就存在一定的危险性。,断裂力学,是研究带有裂纹或带有尖缺口的结构或构件的强度和变形规律的学科。,通过对大量结构断裂事故分析表明，,结构内部裂纹和缺陷的存在,是导致低应力断裂的内在原因。,为了度量含裂纹结构体的强度，在断裂力学中运用了应力强度因子,K,I,（或,K,、,K,）,和断裂韧度,K,IC,(,或,K,C,、,K,C,）,这两个新的度量指标来判别结构安全性，即：,K,I,K,IC,时，裂纹不会失稳扩展。,K,I,K,IC,时，裂纹失稳扩展。,6/9/2026,66,1.4.5,机械零件的接触强度,接触应力的特点,：作用在点、线接触的两构件接触处的、局部受力变形后的较小区域内的很大应力。,周期性变化的接触应力长期作用的后果疲劳点蚀,疲劳点蚀发生的过程,：,初始疲劳裂纹,裂纹内被挤入高压油,裂纹扩展,表层金属呈小片状剥落,降低了承载能力，并引起振动和噪音。,疲劳点蚀的后果,：,6/9/2026,67,两物体接触形式分类：,共形面接触,两相互接触面的几何形状完全相同，处处贴合；,异形曲面接触,平面与曲面、曲面与曲面间的接触,在点接触情况下，受力变形后接触区一般呈,椭圆形,。,两平行圆柱体接触，受力变形后，接触线变成,一个,窄矩形,。,6/9/2026,68,两平行圆柱体,受力 变形前为,线接触,两平行圆柱体,受力 变形后为,矩形面积接触,F,F,2b,接触端面,应力分布,最大应力计算式,（赫兹公式）,B,6/9/2026,69,1,、两圆柱体接触受力后的变形与应力分布：,上图表示两个轴线平行的,圆柱体外接触,和内接触受力后的轴向投影图。未受力前，两圆柱体沿与轴线相平行的,一条线,（在图上投影为一个点）相接触；在受力后，由于材料的弹性变形，接触线变成,宽度为,2b,的一个矩形面,，接触表面上所承受的,压应力处处不同,，此,压应力,向量的分布呈,半椭圆柱形,。最大接触应力用符号,H,表示。,6/9/2026,70,图中,1,及,2,分别为零件,1,和零件,2,初始接触线上沿连心线方向的弹性位移（即最大弹性位移）。在点接触情形下（例如球轴承及圆弧齿轮中），受力后接触区一般,呈椭圆形,，而,不是线接触时的矩形,。当两个,球面相接触时,，接触区则变成一个,圆形,。,1,、两圆柱体接触受力后的变形与应力分布：,6/9/2026,71,2,、接触应力的计算,:,接触应力,也叫,赫兹应力,。它的计算是一个弹性力学问题。,对于线接触,，弹性力学给出的接触应力计算公式为：,F,作用于接触面上的总压力；,B,初始接触线长度；,1,和,2,分别为两零件初始接触线处的曲率半径,其中正号用于外接触，负号用于内接触,。,称为综合曲率，而 称为综合曲率半径,6/9/2026,72,2,、接触应力的计算,:,u,1,和,u,2,分别为零件,1,和零件,2,材料的泊松比；,E,1,和,E,2,分别为零件,1,和零件,2,村料的弹性模量。,当接触位置连续改变时，显然对于零件上任一点处的接触应力只能是,0,到,H,之间变化。因此，接触应力是一个,脉动循环应力,。在做接触疲劳计算时，极限应力也应是一个脉动循环的极限接触应力。,接触应力是不同于以往所学过的,挤压应力,的。挤压应力是,面接触引起的应力，是二向应力状态,，而接触应力是,三向应力状态,。接触应力的特点是：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。,6/9/2026,73,理论设计,经验设计,模型实验设计,机械零件的设计方法通常分为,常规设计方法,和,现代设计方法,两大类。,现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。如机械优化设计、机械可靠性设计、计算机辅助设计等等。,常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。它又可分为：,1.5,机械零件的设计方法及一般步骤,1.5.1,机械零件的设计方法,6/9/2026,74,理论设计,根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计，称为理论设计。现以简单受拉杆件的强度计算为例来讨论理论设计的概念。设计时强度计算公式为：,lim,/S,或,F/,A,lim,/S,式中,：,F,作用于拉杆上的外载荷；,A,拉杆横截面面积；,lim,拉杆材料的极限应力；,S,设计安全系数（简称为安全系数）,1,设计计算,由公式直接求出杆件必须的横截面尺寸,A,，即：,ASF/,lim,6/9/2026,75,理论设计,2,校核计算,在按其它办法初步设计出杆件的横截面尺寸后，可选用下列四式之一进行校核计算：,F/,A,F,lim,A,/S,Sca,=,lim,/S,lim,S,式中：,Sca,为安全系数计算值，或简称为计算安全系数。,设计计算多用于能通过简单的力学模型进行设计的零件；校核计算则多用于结构复杂，应力分布较复杂，但又能用现有的应力分析方法（以强度为设计准则时）或变形分析方法（以刚度为设计准则时）进行计算的场合。,6/9/2026,76,经验设计,根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式，或根据设计者本人的工作经验用类比的方法所进行的设计叫做,经验设计,。,这对那些使用要求不大变动而结构形状已典型化的零件，是很有效的设计方法。例如箱体、机架、传动零件的各结构要素等。,6/9/2026,77,模型实验设计,对于一些尺寸巨大而机构又很复杂的重要零件，尤其是一些重型整体机械零件，为了提高设计质量，可采用模型实验设计的方法。即把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺寸样机，经过实验的手段对其各方面的特性进行检验，根据实验结果对设计进行逐步的修改，从而达到完善。这样的设计叫做,模型实验设计,。,6/9/2026,78,选择零件类型、结构,机械零件的设计一般要经过以下几个步骤：,详细说明,计算零件上的载荷,确定计算准则,选择零件的材料,确定零件的基本尺寸,结 构 设 计,校 核 计 算,画出零件工作图,写出计算说明书,1.5.2,机械零件的设计方法,6/9/2026,79,机械零件的设计大体要经过以下,几个步骤,：,1,）,根据零件的,使用要求,，选择零件的,类型和结构,。为此，必须对各种零件的不同用途、优缺点、特性与使用范围等，进行综合对比并正确选用。,2,）,根据机器的,工作要求,，计算作用在零件上的,载荷,。,3,）,根据零件的工作要求及对零件的,特殊要求,，选择适当的,材料,。,4,）,根据零件可能的,失效形式,确定,计算准则,，根据计算准则进行计算，确出零件的,基本尺寸,。,5,）,根据工艺性及标准化等原则进行零件的,结构设计,。,6,）,细节设计完成后，必要时进行详细的,校核计算,，以,判定结构的合理性,。,7,）,画出零件的,工作图,，并写出,计算说明书,。,6/9/2026,80,在进行设计时，对于数值的计算除少数与几何尺寸精度要求有关外，对于手算工作一般以,两、三位,有效数字的计算精度为宜。,必须再度强调指出，结构设计是机械零件的重要设计内容之一，在有些情况下，它占用了设计工作量中的一个较大比例，一定要给予足够的重视。,绘制的零件工作图应完全符合制图标准，并满足加工的要求。,写出的设计说明书要条理清晰，语言简练，数字正确，格式统一，并附有必要的结构草图和计算草图。重要的引用数据，一般要指明来源出处。对于重要的计算结果，要写出简短的结论。,6/9/2026,81,1.6,机械零件的材料及热处理,1.6.1,机械零件常用材料,1,钢铁金属,1,）,铸铁,2,）,钢,碳素结构钢,合金结构钢,中碳钢（含碳量,0.3%,0.5%,）,低碳钢（含碳量在,0.1%,0.2%,）,高碳钢（含碳量,0.55%,0.7%,）,铸钢,灰铸铁,球墨铸铁,可锻铸铁,合金铸铁,脆性材料，不能辗压和锻造,6/9/2026,82,2,非金属材料,1,）,塑料,2,）,橡胶,3,）,非铁合金,铝合金,铜合金,青铜,黄铜,机械制造中最常用的材料是钢铁金属，其次是非铁合金。,非金属材料如塑料、橡胶等，在机械制造中也具有独特,的使用价值。,6/9/2026,83,1.6.2,材料的选择原则,满足零件的使用要求,1,）,零件承受工作载荷的能力；,主要考虑载荷特点、强度、刚度等,2,）,零件的工作条件及工作环境；,3,）,耐磨性、寿命、可靠性等要求；,4,）,零件尺寸和质量的要求。,满足零件的工艺性要求,满足经济性要求,1,）,材料的相对价格：在满足使用要求的前提下，价格相对低；,2,）,考虑不同材料的加工成本；,3,）,采用局部品质的原则；,如蜗轮的齿圈用铜合金，轮芯采用铸铁或碳钢,4,）,材料的利用率；,如采用无切削或少切削的材料及工艺,5