机械设计基础之机械设计-第2章：机械零件设计计算基础.pptVIP

第二章 E静应力状态下的强度计算 E变应力状态下的强度计算 E表面强度计算 E刚度和振动计算 刘继红 步骤1：绘制运动简图 步骤2：绘制结构简图 步骤3：分析载荷应力 步骤4：选择零件材料 步骤5：分析失效形式 步骤6：确定工作准则 步骤7：进行设计计算 步骤8：进行结构设计 步骤9：进行校核验算 机械零件设计的一般步骤 刘继红 步骤1：绘制运动简图 步骤2：绘制结构简图 步骤3：分析载荷应力 步骤4：选择零件材料 步骤5：分析失效形式 步骤6：确定工作准则 步骤7：进行设计计算 步骤8：进行结构设计 步骤9：进行校核验算 机械零件设计的一般步骤 刘继红 计算载荷=K 名义载 荷 载荷系数（工作情况系数 ） 载荷（1） 载荷 作用于零件上的力或力矩 名义载荷（理论载荷）F 理想工作条件下的载荷，根据额定功率计算 计算载荷（实际载荷）Fc 作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷 K 1 主因是动力机与工作机的工作性质，如平稳、冲击 刘继红 内燃机阀门 弹簧受力 载荷（2） 静载荷 不随时间变化或变化缓慢的载荷 锅炉受力 变载荷 随时间周期性或非周期性变化的载荷 汽车轴、 齿轮受力 刘继红 应力 （） 单位面积上的内力 拉伸应力、压缩应力、剪切应力 F 刘继红 t t min max m 零件的应力 作用在零件剖面上的应力 稳定变应力 静应力 不随时间变化或变化缓慢的应力 变应力 随时间周期性或非周期性变化的应力 非稳定变应力 刘继红 问题：静变载荷与静变应力的关系？ 静应力的产生一般源于静载荷 变应力的产生则源于变载荷或静载荷 刘继红 稳定变应力 每次循环的参数和周期均不随时间变化 的周期性变应力，亦称循环变应力 对称循环变应力 脉动循环变应力 非对称循环变应力 应力参数 最大应力max m + a 最小应力min m a 平均应力m (max+min)2 应力幅 a (maxmin)2 应力循环特性 r = minmax 问题：三种稳定变应力的参数？ 静应力的参数？ 刘继红 步骤1：绘制运动简图 步骤2：绘制结构简图 步骤3：分析载荷应力 步骤4：选择零件材料 步骤5：分析失效形式 步骤6：确定工作准则 步骤7：进行设计计算 步骤8：进行结构设计 步骤9：进行校核验算 机械零件设计的一般步骤 刘继红 常用零件材料的力学性能等级和牌号 （1）铸铁：含2.06易成型、价廉、吸振 、可靠性差。如灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁 （2）钢：含量1.4常用。 碳素钢：普通碳素钢、优质碳素钢 合金钢：综合机械性能好，但较贵 铸钢：含（0.150.6）易成型 （3）有色金属合金：有特殊性能，价昂少用。 如铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金 （4） 非金属材料：如工程塑料、橡胶、玻璃等 烧结材料、复合材料 常用材料 刘继红 材料选用原则 使用要求 使用环境、载荷性质、结构、重要程度. 工艺要求 零件及其毛坯的形状、批量、加工方法. 经济要求 材料价格结合加工费用、材料利用率. 刘继红 步骤1：绘制运动简图 步骤2：绘制结构简图 步骤3：分析载荷应力 步骤4：选择零件材料 步骤5：分析失效形式 步骤6：确定工作准则 步骤7：进行设计计算 步骤8：进行结构设计 步骤9：进行校核验算 机械零件设计的一般步骤 刘继红 轴可能的失效形式： 断裂、塑性变形、过大弹性变形、 共振 F n 零件失效形式 失效 零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不 仅仅指破坏 主要失效形式 断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂 表面点蚀：工作表面片状剥落 塑性变形：零件发生永久性变形 过大弹性变形 表面破坏 过大振动和噪声、过热等 刘继红 步骤1：绘制运动简图 步骤2：绘制结构简图 步骤3：分析载荷应力 步骤4：选择零件材料 步骤5：分析失效形式 步骤6：确定工作准则 步骤7：进行设计计算 步骤8：进行结构设计 步骤9：进行校核验算 机械零件设计的一般步骤 刘继红 50 kN 零件工作能力准则 工作能力 不失效条件下零件的安全工作限度。该限 度通常以零件承受载荷的大小来表示，又 常称为“承载能力”。如：吊钩最大起重 量50 kN，其工作能力或承载能力为50 kN 工作能力准则 衡量零件工作能力的指标。零件设计就是针对零件主要 失效形式选择适合的工作能力准则进行设计。主要包括 强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则、 耐热性准则 刘继红 强 度 准 则 刚度准则 耐磨性准则 选择工作准则 主要失效形式与工作准则的对应 断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂 表面点蚀：工作表面片状剥落 塑性变形：零件发生永久性变形 过大弹性变形 表面破坏 过大振动和噪声、过热等 振动稳定性准则 刘继红 步骤1：绘制运动简图 步骤2：绘制结构简图 步骤3：分析载荷应力 步骤4：选择零件材料 步骤5：分析失效形式 步骤6：确定工作准则 步骤7：进行设计计算 步骤8：进行结构设计 步骤9：进行校核验算 机械零件设计的一般步骤 刘继红 强度计算 强度：材料抵抗断裂或残余变形的能 力 强度准则：工作应力许用应力 或 失效形式：断裂、疲劳破坏、残余 变形 典型零件：轴、齿轮、 带轮等 正应力： 剪应力： 机械零件工作能力的最基本准则 刘继红 许用应力：设计零件时所依据的条件应力 许用安全系数：考虑计算精度、材料均匀度 和 零件重要度等因素，查表而 得。 许用安全系数许用应力结构笨 重 许用安全系数许用应力不够安 全 许用应力与许用安全系数 许用应力 极限应力 许用安全系数 刘继红 静应力状态下的强度计算（1） 塑性材料零件 = s S = s S 脆性或低塑性材料零件 = B S = B S 防止塑性变形 防止断裂 刘继红 静应力状态下的强度计算（2） B e 玻璃钢 灰口铸铁 e p S B A B C D E 静应力下的极限应力与材料性能有关 脆性材料取强度极限应力B 塑性材料取屈服极限应力S 刘继红 变应力状态下的强度计算（1） 疲劳破坏机理：零件产生微观裂纹；发展成宏观裂纹 ；宏观裂纹急剧扩展；到达材料极限强度时发生断裂 影响零件疲劳强度因素 材料极限应力 应力集中 尺寸效应 表面状态 疲劳失效：大多数机械零件工作时受变应力作用。即 使应力值小于材料的屈服强度，也会在经受一定应力循 环周期后突然断裂，而且断裂时没有明显的宏观塑性变 形，这种破坏形式称为疲劳失效 刘继红 变应力状态下的强度计算（2） 有限寿命区 无限寿命区 循环特性r一定时，应力循环N次后，材料不发 生疲劳破坏时的最大应力，称为疲劳极限。 KN：寿命系数 N0: 循环基数 m：材料与应力指数疲劳曲线（N曲线） rNmN = rmN0 = C 刘继红 变应力状态下的强度计算（3） lgN lgrN O 103(104)N0 r A B 低周循环高周循环 有限寿命区 无限寿命区 循环基数(107) 疲劳曲线一般是在对称循环变应力条件下的实验结果 刘继红 变应力状态下的强度计算（4） 相同循环次数（通常取N0）和不同循环特性r下， 材料有不同的疲劳极限，可从材料疲劳极限应力 图求得。 a m F(B,0)S(s,0) A(0, -1) B(0/2, 0/2) E 安全区 塑性失效区 疲劳失效区 45o 135o ABES 刘继红 变应力状态下的强度计算（5） max = lim S a a = lim-a S 疲劳强度准则： 刘继红 表面强度计算 表面接触强度 表面挤压强度 表面磨损强度 齿轮传动、蜗杆传动以及滚动轴承等依靠表面接 触工作的零件，受到法向载荷时，其工作能力取 决于接触表面的强度 刘继红 表面接触强度 刘继红 赫兹公式 接触应力的计算公式 影响接触应力的因素： 曲率半径材料接触线长度 Fac：法向载荷；L：接触长度； 疲劳强度准则：H H 刘继红 耐磨性准则 耐磨性：零件抗磨损的能力。磨损是相当 复杂的物理化学过程。影响磨损的因素包 括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂 的化学性质和物理性质等。磨粒磨损、粘 着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损 、微动磨损 耐磨性准则： P 失效形式：零件表面破坏 典型零部件：齿轮、轴承、链 等 P为表面压强 刘继红 刚度准则 刚度：材料抵抗弹性变形的能力 刚度准则：实际变形量许用变形量 弯曲刚度：挠度条件： y y 倾角条件： 扭曲刚度：扭角条件：j j 失效形式：过大的弹性