机械1、2、3章

1、机械设计机械设计制造科学与工程学院制造科学与工程学院马咏梅马咏梅第一章第一章 机械设计概论机械设计概论1-1 课程性质和任务课程性质和任务 一、机械设计的重要性一、机械设计的重要性 二、机器的组成二、机器的组成 1、从功能看、从功能看 三个基本部分、三个辅助部分三个基本部分、三个辅助部分 其它辅助系统：例如润滑、显示、照明等其它辅助系统：例如润滑、显示、照明等动力系统动力系统传动系统传动系统执行系统执行系统操作系统和控制系统操作系统和控制系统2、从制造安装方面看：、从制造安装方面看： 任何机械设备都是由许多机械零部件任何机械设备都是由许多机械零部件组成的。组成的。机械零件：机械零件：是机械制造

2、过程中不可分拆的是机械制造过程中不可分拆的 最小单元最小单元 通用零件通用零件专用零件专用零件传动件传动件联接件联接件支承件支承件其其 它它齿轮、蜗杆、带、链齿轮、蜗杆、带、链螺栓、键、花键螺栓、键、花键轴、轴承轴、轴承联轴器、弹簧、机架联轴器、弹簧、机架水轮机叶片、活塞、曲轴水轮机叶片、活塞、曲轴本课程重点讨论通用零件的设计。本课程重点讨论通用零件的设计。机械部件：机械部件：是机械制造过程中为完成同一目的而由若干协是机械制造过程中为完成同一目的而由若干协同工作的零件组合在一起的组合体。例如：轴承，联轴器。同工作的零件组合在一起的组合体。例如：轴承，联轴器。三、课程简介三、课程简介研究对象：研

3、究对象： 简单机械的设计简单机械的设计基本内容：基本内容：一般尺寸和常规使用条件，通用零件的设计理一般尺寸和常规使用条件，通用零件的设计理论和方法、整机和部件设计的基本知识。论和方法、整机和部件设计的基本知识。总论、联接件、总论、联接件、传动件、轴系零件、其他零件。传动件、轴系零件、其他零件。课程性质：课程性质：是机械类专业学生必修的一门设计性质的技术是机械类专业学生必修的一门设计性质的技术基础课，是学习许多后续课程和从事机械设备设计的基础。基础课，是学习许多后续课程和从事机械设备设计的基础。具有承前启后的作用。具有承前启后的作用。课程任务：课程任务：逐步培养正确的设计思想和创造性思维能力；逐

4、步培养正确的设计思想和创造性思维能力；了解国家的技术经济政策；掌握设计机械所必须的基本知了解国家的技术经济政策；掌握设计机械所必须的基本知识、基本技能和基本方法；初步具备设计机械传动装置和识、基本技能和基本方法；初步具备设计机械传动装置和简单机械的能力（机械系统的总体方案设计；零部件工作简单机械的能力（机械系统的总体方案设计；零部件工作能力设计；结构设计能力。）；具备综合应用各种知识和能力设计；结构设计能力。）；具备综合应用各种知识和技术资料、处理机械设计中各种问题的能力；具备应用标技术资料、处理机械设计中各种问题的能力；具备应用标准、规范及手册的能力。准、规范及手册的能力。学习方法学习方法

5、： 着重基本概念的理解和基本设计方法的掌握，不强调系着重基本概念的理解和基本设计方法的掌握，不强调系统的理论分析；统的理论分析； 着重理解公式建立的前提、意义和应用，不强调对理论着重理解公式建立的前提、意义和应用，不强调对理论公式的具体推导；公式的具体推导； 注意密切联系生产实际，努力培养解决工程实际问题的注意密切联系生产实际，努力培养解决工程实际问题的能力；能力； 应根据零部件的工作状况进行受力和失效分析，并根据应根据零部件的工作状况进行受力和失效分析，并根据功能要求和设计约束，建立设计计算公式。功能要求和设计约束，建立设计计算公式。工作原理、结构、工作原理、结构、类型、应用场合类型、应用场

6、合受力分析、受力分析、失效形式失效形式设计准则、设计准则、设计计算设计计算本课程的几个特点本课程的几个特点涉及面广涉及面广 关系多关系多因与诸多先修课关系密切。因与诸多先修课关系密切。 要求多要求多强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、经济性。强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、经济性。 门类多门类多各类零件，各有特点，设计方法各异。各类零件，各有特点，设计方法各异。 公式多公式多计算多，有解析式、半解析式、经验的、半经验的及定义式。计算多，有解析式、半解析式、经验的、半经验的及定义式。 图表多图表多结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、经验数结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准

7、、经验数表。表。实践性强实践性强不仅读懂书就行，要多联系实际，要注重实践性环节。不仅读懂书就行，要多联系实际，要注重实践性环节。无重点无重点又都是重点，设计工作必须详尽，细小的疏忽也会导致严重事又都是重点，设计工作必须详尽，细小的疏忽也会导致严重事故。故。设计问题无统一答案设计问题无统一答案更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维。更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维。第三节 2 教学过程的安排：教学过程的安排：课堂教学：课堂教学：讲课、习题课讲课、习题课后续实践教学：后续实践教学：机械方案设计与组合创意实践机械方案设计与组合创意实践-2；综合实践；综合实践；机械设计创意实践机械设计创

8、意实践参考书：参考书：机械设计课程设计机械设计课程设计杨从德编杨从德编 成都科技大学出成都科技大学出版社版社 ；机械设计学习指南机械设计学习指南马咏梅编马咏梅编 自编教材。自编教材。1-2 设计机器的基本原则和设计程序设计机器的基本原则和设计程序一、设计机器时应满足的要求一、设计机器时应满足的要求 1、 功能要求功能要求 2、 经济性要求经济性要求 3、 安全性要求安全性要求 4、 可靠性要求可靠性要求 5、 人机工程和造型设计要求人机工程和造型设计要求 6、 低噪音要求低噪音要求 7、 其它要求其它要求 二、设计方法和设计程序二、设计方法和设计程序方法：方法： 1、内插式设计、内插式设计 2

9、、外推式设计、外推式设计 3、开发性设计、开发性设计设计程序设计程序设计任务设计任务 调查研究调查研究开发计划书开发计划书 试验研究试验研究 技术设计技术设计样机试制、实验样机试制、实验技术经济评价技术经济评价生产设计生产设计小批试制小批试制正式投产正式投产销售服务销售服务调查决策阶段调查决策阶段研研究究设设计计阶阶段段试制阶段试制阶段投产销售阶段投产销售阶段三、技术经济评价三、技术经济评价技术评价：技术评价：对工作性能、可靠性、使用维对工作性能、可靠性、使用维 护性等进行评价。护性等进行评价。（满分总分数）（评定总分数）技术价值）max(ppx x=1 最好最好 x=0.8以上以上 好好 x

10、=0.6以下以下 不合格不合格 经济评价：经济评价：成本、利润、投资回收期等。成本、利润、投资回收期等。 HHHHy）（允许制造费用的（实际制造费用）（理论制造费用）经济价值）70%7 . 0(1y=1 最高最高1-3 机械零件设计概述机械零件设计概述一、设计机械零件应满足的基本要求：一、设计机械零件应满足的基本要求：1、 满足对零件的使用要求，并且在预定寿命内不失效。满足对零件的使用要求，并且在预定寿命内不失效。 应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。2 、工艺性好、工艺性好 设计的结构应便于加工和装配。设计的结构应便于加工和装配。3 、经济性好、经济性好

11、零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。4、质量小的要求、质量小的要求 质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。5、可靠性要求、可靠性要求 应降低零件发生故障的可能性（概率）。应降低零件发生故障的可能性（概率）。机械零件设计的一般步骤二二 、机械零件设计的一般程序、机械零件设计的一般程序选择零件类型、结构 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名义载荷：名义载荷：理想工作条件下的载荷。理想工作条件下的载荷。计算载荷：计算载荷：作用于零件的

12、实际载荷。作用于零件的实际载荷。设计计算：设计计算：根据零件的工作情况和工作能力准则给出安全条根据零件的工作情况和工作能力准则给出安全条件，求出在此安全条件下所允许的零件危险剖面尺寸，件，求出在此安全条件下所允许的零件危险剖面尺寸，以此为基础使结构具体化。以此为基础使结构具体化。校核计算：校核计算：先草拟出零件的初步结构布局和有关尺寸，再根先草拟出零件的初步结构布局和有关尺寸，再根据工作能力准则校核可能的危险剖面是否安全。据工作能力准则校核可能的危险剖面是否安全。 强度条件（或刚度）强度条件（或刚度） 设计计算设计计算尺寸尺寸尺寸尺寸校核计算校核计算强度条件（或刚度）强度条件（或刚度）计算载荷

13、计算载荷名义载荷名义载荷=K 载荷系数载荷系数？失效失效丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指 破坏。破坏。强度强度是零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及表面失是零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及表面失 效（磨损、腐蚀除外）的能力。效（磨损、腐蚀除外）的能力。刚度刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。失效的主要形式：失效的主要形式：断裂。断裂。如轴、齿轮轮齿发生断裂如轴、齿轮轮齿发生断裂表面点蚀。表面点蚀。工作表面片状剥落工作表面片状剥落塑性变形。塑性变形。零件发生永久性变形零件发生永久性变形过大

14、弹性变形过大弹性变形过度磨损过度磨损过大振动和噪声、过热等过大振动和噪声、过热等强度问题强度问题刚度问题刚度问题耐磨性问题耐磨性问题轴承内圈断裂轴承内圈断裂齿轮轮齿断裂齿轮轮齿断裂齿面接触疲劳齿面接触疲劳轴瓦磨损轴瓦磨损齿轮齿面塑形变形齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形工作能力工作能力不失效条件下零件的安全工作限度。不失效条件下零件的安全工作限度。 这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示， 所以又常称为所以又常称为“承载能力承载能力”50 kN吊钩最大起重量吊钩最大起重量50 kN工作能力或承载能力工作能力或承载能力50 kN设计计算准

15、则：设计计算准则：设计机械零件时，保证零件不产生时效所设计机械零件时，保证零件不产生时效所依据的基本准则。依据的基本准则。 主要有：强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定主要有：强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定性准则、可靠性准则。性准则、可靠性准则。2-1 载荷和应力分类载荷和应力分类一、载荷分类一、载荷分类1、静载荷与变载荷、静载荷与变载荷 静载荷：静载荷：不随时间变化或变化极为缓慢的载荷。不随时间变化或变化极为缓慢的载荷。 变载荷：变载荷：随着时间作周期性变化或非周期性变随着时间作周期性变化或非周期性变化的载荷。化的载荷。2、名义载荷与计算载荷、名义载荷与计算载荷第二章第二章 机械零

16、件的工作能力和计算机械零件的工作能力和计算 二、应力的分类二、应力的分类静应力静应力变应力变应力不随时间改变或变化缓慢，不随时间改变或变化缓慢，只能在静载荷作只能在静载荷作用下产生。用下产生。 随时间作周期性或非周期性变化，随时间作周期性或非周期性变化，可由变可由变载荷作用产生，也可由静载荷作用产生。载荷作用产生，也可由静载荷作用产生。变应力变应力稳定变应力稳定变应力周期性循环变应力周期性循环变应力非稳定变应力非稳定变应力非周期性循环变应力非周期性循环变应力稳定变应力稳定变应力非对称循环变应力非对称循环变应力对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力脉动循环变应力 表征变应力的五个基本参数：表

17、征变应力的五个基本参数： 最大应力：最大应力： 最小应力：最小应力： 平均应力：平均应力： 应力幅：应力幅： 循环特性：循环特性： 可用任意两个参数来表示变应力的大小。可用任意两个参数来表示变应力的大小。maxmin2)(minmaxm2)(minmaxamaxminr =常数常数ttmaxminammaxammaxamin对称循环变应力对称循环变应力 r=-1 m= 0; a=max脉动循环变应力脉动循环变应力r=0 m=a=max / 2非对称循环变应力非对称循环变应力r 0 且且 | r | 1静应力静应力r=+1OtOOtO在静载荷作用下，随时间在静载荷作用下，随时间t t变化的变应力

18、举例。变化的变应力举例。 在静载荷作用下，在静载荷作用下，随时间随时间t变化的变变化的变应力举例应力举例名义应力：名义应力：根据名义载荷，由材料力学的计算公式求出的机根据名义载荷，由材料力学的计算公式求出的机械零件剖面上的应力。械零件剖面上的应力。计算应力：计算应力：根据计算载荷求得的应力。根据计算载荷求得的应力。2.2 机械零件的强度机械零件的强度一、两种判断零件强度的方式一、两种判断零件强度的方式安全系数：安全系数：极限应力与危险剖面处的最大应力的比值。极限应力与危险剖面处的最大应力的比值。许用安全系数：许用安全系数：极限应力与许用应力的比值。极限应力与许用应力的比值。 应力判别式：应力判

19、别式： Slim Slim SSlim SSlim安全系数判别式：安全系数判别式：（2.1）（2.2）二、静应力作用下的强度问题二、静应力作用下的强度问题主要失效形式：主要失效形式：断裂或塑性变形断裂或塑性变形强度条件：强度条件： 或或 塑性材料：塑性材料：sslimlim;许用应力：许用应力：lim 、lim 极限应力极限应力 s 安全系数安全系数lim = s ；lim = s脆性材料：脆性材料：lim = B ；lim = BB、B 材料强度极限材料强度极限s、s 材料屈服极限材料屈服极限三、变应力作用下的强度问题三、变应力作用下的强度问题主要失效形式：疲劳破坏主要失效形式：疲劳破坏强度

20、条件：强度条件： slimlim = ？疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关疲劳极限疲劳极限 ：在循环特性为在循环特性为r的变应力作用下，经过的变应力作用下，经过N次次循环后，材料不发生破坏的应力最大值。循环后，材料不发生破坏的应力最大值。rN四、许用安全系数四、许用安全系数影响因素：影响因素： 1、 与载荷及应力计算有关的因素与载荷及应力计算有关的因素 2、 与材料机械性能有关的因素与材料机械性能有关的因素 3、 与零件重要性有关的因素与零件重要性有关的因素五、提高零件强度的措施五、提高零件强度的措施 1、 在制造工艺方面在制造工艺方面 2、 在结构方面在结构

21、方面降低载荷集中降低载荷集中1）去掉容易引起载荷集中的材料）去掉容易引起载荷集中的材料图图2.4轮齿载荷分布轮齿载荷分布2）提高分度精度）提高分度精度3）自动调节载荷分布）自动调节载荷分布4）并列零件不能过多）并列零件不能过多5）限制接触宽度）限制接触宽度a）普通滑动轴承）普通滑动轴承b）自动调心滑动轴承）自动调心滑动轴承图图2.5滑动轴承载荷分布滑动轴承载荷分布采用等强度结构采用等强度结构图图2.6轴的等强度外形和实际外形轴的等强度外形和实际外形图图2.7等强度标准螺钉和螺母等强度标准螺钉和螺母选用合理截面选用合理截面减小应力集中减小应力集中1）尺寸差要小）尺寸差要小2）增大过渡圆角半径）增

22、大过渡圆角半径3）增加卸载结构）增加卸载结构图图2.8用卸载孔减少缺口处的应力集中用卸载孔减少缺口处的应力集中图图2.9用卸载槽减缓力流的集中用卸载槽减缓力流的集中机机械零件的接触强度2.3 2.3 机械零件的表面强度机械零件的表面强度 一、表面接触强度一、表面接触强度 当两零件以点、线相接处时，其接触的局部会引起较大当两零件以点、线相接处时，其接触的局部会引起较大的应力。这局部的应力称为接触应力。的应力。这局部的应力称为接触应力。 挤压应力是面接触引起的应力，是二向应力状态，而接触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。应力是三向应力状态。 接触应力的特点接触应

23、力的特点：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。22212121Hmax1111bFEE对于线接触的情况，其接触应力对于线接触的情况，其接触应力可用赫兹应力公式计算。可用赫兹应力公式计算。两接触体材料的弹两接触体材料的弹性模量性模量接触线长度接触线长度综合曲率综合曲率半径半径 当零件在循环接触条件下工作时，接触表面当零件在循环接触条件下工作时，接触表面的失效属于疲劳损坏，称为的失效属于疲劳损坏，称为表面疲劳磨损（点表面疲劳磨损（点蚀）蚀）。齿面接触疲劳齿面接触疲劳 判断金属接触疲劳强度的指标为判断金属接触疲劳强度的指标为接触疲劳极限接触疲劳极限。即在规。即在

24、规定的应力循环次数下材料不发生点蚀现象时的最大应力。定的应力循环次数下材料不发生点蚀现象时的最大应力。二、提高接触疲劳强度的主要措施二、提高接触疲劳强度的主要措施1、增大接触表面的综合曲率半径；、增大接触表面的综合曲率半径；2、采用内接触；、采用内接触；HHmax强度条件：强度条件：3、将点接触改为线接触；、将点接触改为线接触；4、使零件表面硬度增大；、使零件表面硬度增大；5、降低零件的表面粗造度；、降低零件的表面粗造度；6、采用粘度高的润滑油。、采用粘度高的润滑油。图图2.13圆弧齿轮啮合圆弧齿轮啮合三、表面挤压强度三、表面挤压强度图图2.14销轴联接销轴联接ppAF 四、表面磨损强度四、表

25、面磨损强度1、限制工作表面的压强、限制工作表面的压强 pp pvpv vv 2、限制、限制pv值值3、限制滑动速度、限制滑动速度五、提高表面磨损强度的主要措施五、提高表面磨损强度的主要措施1、正确选用摩擦材料；、正确选用摩擦材料；2、提高表面硬度；、提高表面硬度；3、降低表面粗糙度；、降低表面粗糙度；4、采用有效的润滑剂和润滑方式；、采用有效的润滑剂和润滑方式；5、表面镀层、涂漆；、表面镀层、涂漆；6、防止异物落入摩擦表面间；、防止异物落入摩擦表面间；7、限制工作温度过高。、限制工作温度过高。第第3 3章章 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度初始裂纹初始裂纹疲劳区疲劳区(光滑光滑)粗糙区粗糙

26、区轴轴疲劳强度计算方法：疲劳强度计算方法：安全安全寿命设计法寿命设计法 在规定的工作期间内，不允许零件出现疲劳裂纹，一旦在规定的工作期间内，不允许零件出现疲劳裂纹，一旦出现，即认为零件失效。出现，即认为零件失效。破损破损安全设计法安全设计法 允许零件存在裂纹，但须保证在规定的工作周期内能安允许零件存在裂纹，但须保证在规定的工作周期内能安全可靠的工作。全可靠的工作。3.13.1疲劳断裂特征疲劳断裂特征疲劳断裂分为两个阶段：疲劳断裂分为两个阶段：第一阶段第一阶段产生初始裂纹，形成产生初始裂纹，形成疲劳源；疲劳源；第二阶段第二阶段裂纹扩展发生断裂。裂纹扩展发生断裂。表表3.1应力相同、表面应力集中程

27、度不同的试件在受载形式不同时应力相同、表面应力集中程度不同的试件在受载形式不同时的疲劳断裂截面的疲劳断裂截面NrNrNN0疲劳曲线疲劳曲线N 应力循环次数应力循环次数rN 疲劳极限（对应于疲劳极限（对应于N）r 疲劳极限（对应于疲劳极限（对应于N0）有限寿命区有限寿命区无限寿命区无限寿命区常数NmrN0Nmr由此得：由此得：与应力状态有关与应力状态有关的指数的指数3.23.2疲劳曲线和极限应力图疲劳曲线和极限应力图3.2.13.2.1疲劳曲线（疲劳曲线（-N-N曲线）曲线）式中，式中， r 、N0及及m的值由材料试验确定。的值由材料试验确定。m0rrNNN0mrNrNNm0NkNN称为寿命系数

28、称为寿命系数N0 循环基数（一般规定为循环基数（一般规定为 ）710几点说明：几点说明：r又称为材料的疲劳极限。对称循环：又称为材料的疲劳极限。对称循环：r=-1； 脉动循环脉动循环：r=0 m是双对数坐标上的疲劳曲线的斜率是双对数坐标上的疲劳曲线的斜率rrN0lg-lglgN-lgNm（3.3）例题例题3.13.1 已知已知45钢的钢的-1=300MPa，N0107 ，m=9，用，用双对数坐标绘出该材料的疲劳曲线图。双对数坐标绘出该材料的疲劳曲线图。解：在双对数坐标上取一点解：在双对数坐标上取一点B，其坐标为，其坐标为70lg10lgN lg300lg1 -过过B作斜率等于作斜率等于-1/9

29、的直线，即为所求的直线，即为所求的疲劳曲线。的疲劳曲线。 总结：总结：疲劳曲线是有限寿命疲劳极限和应力循环次数之间疲劳曲线是有限寿命疲劳极限和应力循环次数之间的个关系曲线，它反映了材料抵抗疲劳断裂的能力。通常的个关系曲线，它反映了材料抵抗疲劳断裂的能力。通常分为有限寿命区和无限寿命区，以循环基数为界，利用疲分为有限寿命区和无限寿命区，以循环基数为界，利用疲劳曲线可以对只需要工作一定期限的零件进行有限寿命设劳曲线可以对只需要工作一定期限的零件进行有限寿命设计，以期减小零件尺寸和重量。计，以期减小零件尺寸和重量。3.2.23.2.2疲劳极限应力图疲劳极限应力图 材料在不同循环特性下的疲劳极限可以用

30、极限应力图表材料在不同循环特性下的疲劳极限可以用极限应力图表示。示。 amramammaxminr极限平均应力极限平均应力 极限应力幅极限应力幅 3.6 塑性材料疲劳极限应力图塑性材料疲劳极限应力图常用的简化方法：常用的简化方法： 以对称循环疲劳极限点以对称循环疲劳极限点A（0，-1-1 ）和静应力的强度）和静应力的强度极限点极限点F（ B B ，0）作与脉动疲劳极限点）作与脉动疲劳极限点B（ 0/2 ，0/2 ）的连线，所得折线的连线，所得折线ABF即为简化的极限应力图。即为简化的极限应力图。折线上各点：横坐标为极限平均应力，纵坐标为极限应力幅。折线上各点：横坐标为极限平均应力，纵坐标为极限

31、应力幅。直线直线ES为塑性屈服极限曲线，为塑性屈服极限曲线，sammax 总结：总结：根据材料在各种循环特性下的疲劳实验结果，可以根据材料在各种循环特性下的疲劳实验结果，可以绘制出以平均应力和应力幅为坐标的疲劳极限应力曲线。绘制出以平均应力和应力幅为坐标的疲劳极限应力曲线。利用极限应力图可以判断零件是否发生失效，并进一步分利用极限应力图可以判断零件是否发生失效，并进一步分析引起零件失效的原因。析引起零件失效的原因。表表3.2钢、灰铸铁和轻金属的极限应力经验计算式钢、灰铸铁和轻金属的极限应力经验计算式3.3 3.3 影响机械零件疲劳强度的主要因素影响机械零件疲劳强度的主要因素3.3.1 3.3.

32、1 应力集中的影响应力集中的影响）（1q1k）（1q1k有效应力有效应力集中系数集中系数 材料对应力集材料对应力集中的敏感系数中的敏感系数 理论应力理论应力集中系数集中系数 a）拉伸情况）拉伸情况b）弯曲情况）弯曲情况图图3.9 平板肩部圆角处的理论应力集中系数平板肩部圆角处的理论应力集中系数 在结构上，减缓零件几何尺寸的突变、增大过渡圆角在结构上，减缓零件几何尺寸的突变、增大过渡圆角半径、增加卸载结构等都可降低应力集中，提高零件的疲半径、增加卸载结构等都可降低应力集中，提高零件的疲劳强度。劳强度。 强度极限越强度极限越高的钢敏感系数高的钢敏感系数q值越大，对应值越大，对应力集中越明显。力集中

33、越明显。1kk铸铁：铸铁：) 10.6(k1k 若同一剖面上有若同一剖面上有几个应力集中源，则几个应力集中源，则应选择影响最大者进应选择影响最大者进行计算。行计算。图图3.10 钢的敏感系数钢的敏感系数3.3.2 3.3.2 尺寸的影响尺寸的影响尺寸对疲劳强度的影响可用尺寸系数尺寸对疲劳强度的影响可用尺寸系数 表示，表示， ，零件截面的尺寸越大，其疲劳强度越低。零件截面的尺寸越大，其疲劳强度越低。图图3.11 钢的尺寸系数钢的尺寸系数图图3.12 铸铁的尺寸系数铸铁的尺寸系数3.3.3 3.3.3 表面状态的影响表面状态的影响零件表面越粗糙，其疲劳强度越低。零件表面越粗糙，其疲劳强度越低。 表

34、面状态对疲劳强度的影响，可用表面状态系数表面状态对疲劳强度的影响，可用表面状态系数 来来表示。表示。 ，图图3.13 钢的表面状态系数钢的表面状态系数4 . 06 . 0钢的强度极限越高，表面状态对疲劳强度的影响越大钢的强度极限越高，表面状态对疲劳强度的影响越大 。铸铁对表面状态很不敏感，铸铁对表面状态很不敏感， 1残余拉应力会降低疲劳强度。残余拉应力会降低疲劳强度。 3.3.4 3.3.4 综合影响系数综合影响系数零件的应力集中，尺寸及表面状态只对零件的应力集中，尺寸及表面状态只对应力幅有影响应力幅有影响，对，对平均应力影响不大平均应力影响不大， k)k(Dk)k(D在计算时，零件的工作应力

35、幅要乘以综合影响系数，或材在计算时，零件的工作应力幅要乘以综合影响系数，或材料的极限应力幅除以综合影响系数。料的极限应力幅除以综合影响系数。3.43.4许用疲劳极限应力图许用疲劳极限应力图3.4.13.4.1稳定变应力和非稳定变应力稳定变应力和非稳定变应力稳定变应力：稳定变应力：在循环过程中，在循环过程中， ， 和周期都不随时间变和周期都不随时间变化的变应力。化的变应力。 ma非稳定变应力：非稳定变应力： ， 和周期其中任意一参数随时间变化和周期其中任意一参数随时间变化的应力。它是由载荷和工作转速变化造成的。的应力。它是由载荷和工作转速变化造成的。ma规律性非稳定变应力：规律性非稳定变应力：作

36、周期性规律变化的应力。作周期性规律变化的应力。随机性非稳定变应力：随机性非稳定变应力：随机变化的应力。随机变化的应力。 图图3.16 随机性非稳定变应力及其直方图随机性非稳定变应力及其直方图图图3.15 规律性非稳定变应力及其直方图规律性非稳定变应力及其直方图图图3.14 稳定变应力及其直方图稳定变应力及其直方图3.4.23.4.2许用疲劳极限应力图许用疲劳极限应力图)k(k(0AD1N，)k(2k2k(BD0N0N，图图3.17许用疲劳极限应力图许用疲劳极限应力图3.4.3 3.4.3 工作应力的增长规律工作应力的增长规律1、r=C （简单加载）（简单加载）图图3.18 三种工作应力增长规律

37、三种工作应力增长规律r=常数常数2、 =C （复杂加载）（复杂加载）m3、 （复杂加载）（复杂加载）Cmin图图3.18 三种工作应力增长规律三种工作应力增长规律m=常数常数min=常数常数3.5 3.5 稳定变应力时安全系数的计算稳定变应力时安全系数的计算3.5.1 3.5.1 单向应力状态时的安全系数单向应力状态时的安全系数常数r1r1minmaxminmaxma r1r1tgma 图图3.19 r=常数时安全系数计算简图常数时安全系数计算简图1、图解法、图解法最大应力安全系数最大应力安全系数 ：OCCOHCOHCGOGSamammaxmax 平均应力安全系数平均应力安全系数 ：OHOGS

38、mmm 应力幅安全系数应力幅安全系数 ：HCCGSaaa amSSS 111111OCCOMCCLOMOLMCOMCLOLS 2、解析法、解析法maD1N0ND0ND1Nkk2kk2kkk )()()(mDD1Nak1(kk )()0012 等效系数或等效系数或敏感系数敏感系数 mDD1Nak1(kk )()0012 aamm amD1Na(kk )amaD1NaaaS(kkS )amaD1NaaaS(kkS )maDaek )(maDaek )( SSmaS SSmaS塑性变形只需按静强度计算塑性变形只需按静强度计算 总结：总结：在在r=r=常数的情况下，当工作应力点位于常数的情况下，当工作

39、应力点位于OAEOOAEO区域内时，对应的许用极限应力点落在区域内时，对应的许用极限应力点落在AEAE直线上，可能发生的失效形式为疲劳破坏，直线上，可能发生的失效形式为疲劳破坏，故应按疲劳强度计算。当工作应力点位于故应按疲劳强度计算。当工作应力点位于OESOOESO区区域内时，对应的许用极限应力点落在域内时，对应的许用极限应力点落在ESES直线上，直线上，可能发生的失效形式为塑性变形，应按静强度计算。可能发生的失效形式为塑性变形，应按静强度计算。计算时，常不易判断工作点所在区域，为安全起见，计算时，常不易判断工作点所在区域，为安全起见，两种方法都要计算。两种方法都要计算。脆性材料不验算屈服强度

40、安全系数。脆性材料不验算屈服强度安全系数。 例题例题3.2 一杆件如图一杆件如图3.20所示，受脉动循环拉所示，受脉动循环拉力力 ，r=常数，材料为常数，材料为40Mn钢，调质处理，钢，调质处理，200HB230HB，B735MPa，S471MPa，圆角精铣加，圆角精铣加工工(相当于精车相当于精车)，要求应力循环次数不低于，要求应力循环次数不低于5 ，求圆角，求圆角处危险截面的安全系数处危险截面的安全系数S。510N1030NF5解：解： 1、求、求 和和 ma2mm21002584A0FminN103F5max0AFminminMPa1432100103AF5maxmax0rmaxminMP

41、a5 .7121432maxam2、求、求 和和1 -0MPa30173541. 041. 0B1-MPa5123017 . 17 . 1103、求、求kN39. 110510NNk957m0N4、求圆角处、求圆角处D)k(56. 285. 068. 048. 1k)k(D48. 1) 175. 1 (64. 01) 1(q1k q=0.64 75. 168. 00.855、用图解法求安全系数、用图解法求安全系数MPa4 .16356. 230139. 1)k(kD1NMPa13956. 2251239. 1)k(2kD0NMPa8 .355251239. 12k0NA（0，163.4) B（

42、355.8，139） S（471，0） 14. 2100214OCCOSSa6、用解析法求安全系数、用解析法求安全系数计算疲劳强度安全系数计算疲劳强度安全系数 14. 271.50.17671.52.5630139. 1)(kkSSmaD1Na176. 051251230122001计算屈服强度安全系数计算屈服强度安全系数 29. 35 .715 .71471SmaS例例2 已知某钢材的机械性能为已知某钢材的机械性能为 。（1）试按比例绘制该材料的简化疲劳极限应力图；）试按比例绘制该材料的简化疲劳极限应力图；（2）由该材料制成的零件，承受非对称循环应力，其应力）由该材料制成的零件，承受非对称循

43、环应力，其应力循环特性循环特性r=0.3，工作应力，工作应力 ，零件的有效应，零件的有效应力集中系数力集中系数 ，零件的尺寸系数，零件的尺寸系数 ，表面状，表面状态系数态系数 ，按简单加载情况在该图中标出工作应力点，按简单加载情况在该图中标出工作应力点及对应的极限应力点；及对应的极限应力点；（3）判断该零件的强度是否满足要求？）判断该零件的强度是否满足要求？500MPa1-1000MPaS800MPa0800MPamax49. 1k83. 01解：解：（1）绘制材料的简化疲劳极限应力图。）绘制材料的简化疲劳极限应力图。 S（1000，0）EA（0，500）B（400，400）135OamA（0

44、， ）B（ ， ） S（ ，0）1 -2/02/0SA（0，500）B（400，400）S（1000，0） （2）绘制零件的许用极限应力图）绘制零件的许用极限应力图1kN)k(k(0AAD1N，k)k(D)k(2k2k(BBD0N0N，S点不必进行修正点不必进行修正 A（0，278.5） B（400，222.8）S （1000，0） S（1000，0）EA（0，500）B（400，400）135OamA（0，278.5） B（400，222.8）S （1000，0） A（0，278.5）B（400，222.8）E（3）确定工作应力点）确定工作应力点M的坐标。的坐标。240MPa8003 . 0

45、rmaxmin280MPa22408002minmaxa520MPa22408002minmaxm工作应力点的坐标为工作应力点的坐标为M（520，280） S（1000，0）EA（0，500）B（400，400）135OamA（0，278.5） B（400，222.8）S （1000，0） A（0，278.5）B（400，222.8）EM（520，280）M（520，280）MM点落在疲劳安全区点落在疲劳安全区OAE以外，该零件发生疲劳破坏。以外，该零件发生疲劳破坏。 例例3 某轴只受稳定交变应力作用，工作应力某轴只受稳定交变应力作用，工作应力 材料的机械性能材料的机械性能 ， ，轴上危险截面

46、的，轴上危险截面的 ， ， 。（1）绘制材料的简化极限应力图；）绘制材料的简化极限应力图；（2）用作图法求极限应力及安全系数（按）用作图法求极限应力及安全系数（按r=c加载和无限寿加载和无限寿命考虑）；命考虑）；（3）取）取S=1.3，试用计算法验证作图法求出的，试用计算法验证作图法求出的 ， 及及S值，并校验此轴是否安全。值，并校验此轴是否安全。240MPamax40MPamin450MPa1-800MPas700MPa03 . 1k78. 01am解：解：（1）绘制材料的极限应力图）绘制材料的极限应力图 S（800，0）EA（0，450）B（350，350）135OamA（0，450）B（

47、350，350）S（800，0） S（800，0）EA（0，450）B（350，350）135OamA（0，450）B（350，350）S（800，0） （2）绘制零件的极限应力图）绘制零件的极限应力图 A（0，270）B（350，210）S（800，0）A（0，270）B（350，210）（3）在图上标出工作应力点）在图上标出工作应力点M 100MPa2402402minmaxm140MPa2402402minmaxa工作应力点的坐标为工作应力点的坐标为M（100，140） （4）由作图法求极限应力及安全系数）由作图法求极限应力及安全系数（2）绘制零件的极限应力图）绘制零件的极限应力图 A（

48、0，270）B（350，210）S（800，0）S（800，0）EA（0，450）B（350，350）135OamA（0，450）B（350，350）S（800，0） A（0，270）B（350，210）M（100，140）M（100，140）MM（170，241）71. 1170291OMMOSSa（5）用计算法验证）用计算法验证r1r1tgma167. 024040rmaxmin4 . 1167. 010.1671mamDD1Na)k(1)(kk2857. 070070045022001667. 178. 03 . 1k)k(Daamm5MPa.2401401002857. 0667. 1

49、450)(kkamD1Na8MPa.1714 . 15 .2404 . 1am 3 . 1S718. 11002857. 0140667. 1450)(kkSmaD1Na此轴疲劳强度达到安全要求此轴疲劳强度达到安全要求 3.6规律性非稳定变应力时机械零件的疲劳强度规律性非稳定变应力时机械零件的疲劳强度3.6.1 疲劳损伤积累假说疲劳损伤积累假说设零件受规律性非稳定变应设零件受规律性非稳定变应力力 、 、 ；12n各应力作用的循环次数分别各应力作用的循环次数分别为为 、 、 ; 1N2NnN各应力单独作用下材料发生各应力单独作用下材料发生疲劳破坏的应力循环次数分疲劳破坏的应力循环次数分别为别为

50、、 、 ； 1N2NnN变应力各循环一次，寿命损伤率分别为变应力各循环一次，寿命损伤率分别为 、 、 1N12N1nN1各变应力循环各变应力循环 、 、 次后的损伤率分别为次后的损伤率分别为 、 、 。 1N2NnN11NN22NNnnNN疲劳损伤积累假说的表达式疲劳损伤积累假说的表达式 1NNNNNNnn22111NNn1iii或或3.6.2 等效稳定变应力和寿命系数等效稳定变应力和寿命系数vvN等效应力等效应力 循环循环 次的损伤效应等同于非稳定变应力下次的损伤效应等同于非稳定变应力下各应力各应力 分别循环分别循环 次的总效应。次的总效应。iiNin1imivmvNNimn1ivivNN0

51、mrvmrvNNmv0NNNkrNrmv0rvkNNmn1iimvi0mv0NNNNNk3.6.3 规律性非稳定变应力时安全系数的计算步骤规律性非稳定变应力时安全系数的计算步骤取等效应力取等效应力 等于非稳定变应力中作用时间最长的和等于非稳定变应力中作用时间最长的和(或或)起起主要作用的应力主要作用的应力 ，并取，并取 的应力幅的应力幅 和平均应力和平均应力 相应地等于相应地等于 的应力幅的应力幅 和平均应力和平均应力 。vivavmviaimi求等效循环次数求等效循环次数 。 vN求等效循环次数时的寿命系数求等效循环次数时的寿命系数 和疲劳极限和疲劳极限 。 Nkrv按等效应力计算疲劳强度安

52、全系数。按等效应力计算疲劳强度安全系数。 按最大非稳定变应力计算塑性材料屈服强度安全系数。按最大非稳定变应力计算塑性材料屈服强度安全系数。 例题例题3.3 图图3.23a为一机械工作时的载荷变化图为一机械工作时的载荷变化图(称为载荷谱称为载荷谱)，在一零件上相应引起规律性非稳定对称循环弯曲应力在一零件上相应引起规律性非稳定对称循环弯曲应力(图图3.23b)，设计时近似用三级稳定对称循环弯曲应力来模，设计时近似用三级稳定对称循环弯曲应力来模拟，拟， 、 、 ，在每一工作，在每一工作周期内各应力均作用一次，已工作了周期内各应力均作用一次，已工作了 周期，零件材料在周期，零件材料在循环循环 时，时，

53、 。求。求1)零件的总寿命损伤率；零件的总寿命损伤率；2)估估计零件剩余寿命还能工作多少周期。计零件剩余寿命还能工作多少周期。600MPa1550MPa2450MPa3510710400MPa1- 解：解：1、求总寿命损伤率、求总寿命损伤率F0m1-imiNNmi10iNN59711060. 260040010N59721069. 555040010N59731064.3445040010N532110NNN总寿命损伤率总寿命损伤率 59. 01064.34101069. 510102.6010NNNNNNF5555553322112、求剩余工作周期、求剩余工作周期RN寿命剩余率寿命剩余率 R

54、=1-F=1-0.59=0.413R2R1RNNNNNNR700001069. 51060. 21064.341060. 21064.341069. 51064.341069. 51060. 241. 0NNNNNNNNNRN555555555213132321R例题例题3.4 转轴截面上的非稳定对称循环弯曲应力如图转轴截面上的非稳定对称循环弯曲应力如图3.24所示。转轴工作时间所示。转轴工作时间 为为200h，转速，转速n为为100r/min。材料为。材料为45钢，调质处理钢，调质处理200HB， ， ，求寿，求寿命系数命系数 、疲劳极限、疲劳极限 和安全系数和安全系数 。ht270MPa1

55、5 . 2kDNk1v-aS解：解：1、求寿命系数、求寿命系数取取m9 选定等效应力选定等效应力 80MPa2v 求各变应力循环次数求各变应力循环次数18000020020310060ttt60n60ntNh1h11600000200201010060ttt60n60ntNh2h2242000020020710060ttt60n60ntNh3h33求等效循环次数求等效循环次数77999im31iviv1010194. 06 . 160000013411054200008020600000808018000080100NN求寿命系数求寿命系数 2 . 110194. 010NNk977mv0N2

56、、求疲劳极限、求疲劳极限324MPa2702 . 1k1N1v-3、求安全系数、求安全系数80MPaav0mv62. 1805 . 22702 . 1)(kkSmvavD1Na本章难点：本章难点： 稳定循环简单变应力时极限应力和安全系数的确定。稳定循环简单变应力时极限应力和安全系数的确定。1、当应力循环次数、当应力循环次数N=N0的对称循环变应力时的极限应力的对称循环变应力时的极限应力和安全系数和安全系数 极限应力为极限应力为 1最大工作应力最大工作应力 amax安全系数安全系数 a1S考虑应力集中等因素的影响安全系数考虑应力集中等因素的影响安全系数 aD1)k(S2、当应力循环次数、当应力循

57、环次数N=N0时的非对称循环应力的极限应力和时的非对称循环应力的极限应力和安全系数安全系数amramminammax)(21minmaxa)(21minmaxmmamaamammaxmin/1/1rtg1tg1rr1r1tg或或2/2/0m01a1aammmaa1amam1mmama1amr)(ma1mamama1maxr)()(SmaD1)k(SmaSmaxSS3、当应力循环次数、当应力循环次数NN0时零件在变应力下的极限应力和安时零件在变应力下的极限应力和安全系数全系数常数0mrmrNNNrNm0rrNkNNmama1r)(m0NNNkmaD1N)k(kS1-N1N-kaD1N)k(kS1

58、、某齿轮传动装置如图所示，轮、某齿轮传动装置如图所示，轮1为主动轮，则轮为主动轮，则轮2的齿面的齿面接触应力按接触应力按 变化。变化。A 对称循环对称循环B 脉动循环脉动循环 C 循环特性循环特性r=-0.5的循环的循环 D 循环特性循环特性r=+1的循环的循环O1O2O312、上图所示的齿轮传动装置，轮、上图所示的齿轮传动装置，轮1为主动轮，当轮为主动轮，当轮1作双向回作双向回转时，则轮转时，则轮1齿面接触应力按齿面接触应力按 变化。变化。A 对称循环对称循环B 脉动循环脉动循环 C 循环特性循环特性r=-0.5的循环的循环 D 循环特性循环特性r=+1的循环的循环3、两等宽的圆柱体接触，其

59、直径、两等宽的圆柱体接触，其直径d1=2d2，弹性模量，弹性模量E1=2E2，则其接触应力值为则其接触应力值为 。A、H1 =H2 B、H1 =2H2 C、H1 =4H2 D、H1 =H24、某四结构及性能相同的零件甲、乙、丙、丁，若承受最、某四结构及性能相同的零件甲、乙、丙、丁，若承受最大应力大应力max的值相等，而应力循环特性的值相等，而应力循环特性r分别为分别为+1、0、-0.5、-1，则其中最易发生失效的零件是，则其中最易发生失效的零件是 。A、甲、甲 B、乙、乙 C、丙、丙 D、丁、丁5、某钢制零件材料的对称循环弯曲疲劳极限、某钢制零件材料的对称循环弯曲疲劳极限-1=300MPa，若

60、，若疲劳曲线指数疲劳曲线指数m=9，应力循环基数，应力循环基数N0=10 ，当该零件工作的实，当该零件工作的实际应力循环次数际应力循环次数N=10 时，则按有限寿命计算，对应于时，则按有限寿命计算，对应于N的疲的疲劳极限劳极限-1N为为 MPa。75A、300B、428C、500.4D、430.56、在极限应力图中，工作应力点、在极限应力图中，工作应力点N的位置如图所示。加载情的位置如图所示。加载情况属于况属于min=常数情况，试用作图法判定其材料的极限应力取常数情况，试用作图法判定其材料的极限应力取为为 。NA(0，-1）ES(s,0)ma0A、BB、0C、-1D、s7、在图示极限应力图中，