机械设计(第2.3章)

1、1第章 机械零件的工作能力和计算准则 2 机械零件的主要失效形式和设计计算准则 一、机械零件的失效形式 失效零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能失效形式：强度失效、刚度失效、磨损失效、振动、 噪声失效、精度失效、可靠性失效二、机械零件的计算准则 工作能力零件不发生失效时的安全工作限度 计算准则以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件工作能力计算依据的基本原则341、强度准则 tSSlimlim疲劳极限塑性材料脆性材料)()()()(limlimYYSSBB2、刚度准则 零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力 零件在载荷作用下抵抗破坏的能力 yy y可以是挠度、偏转角或扭转角 53、耐磨性准则

2、 作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力 pvpvpp4、振动和噪声准则 ffffpp15. 1,85. 05、热平衡准则 tt6、可靠性准则 系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。 6：可靠度表示零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率 tRN个相同零件在同样条件下同时工作，在规定的时间内有Nf个失效，剩下Nt个仍继续工作，则 NNNNNNNRfftt1不可靠度（失效概率）： 1,1tttftFRRNNFn个零件组成的串联系统，单个零件的可靠度:R1、R2 、 Rn，则系统的可靠度为Rf=R1R2Rn7机械零件的设计方法机械零件的设计方法1 1、理论设计

3、、理论设计 1 1）根据使用要求，选择零件的类型和结构。）根据使用要求，选择零件的类型和结构。 2 2）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。 名义载荷（名义载荷（F F、P P、T T）：力学公式计算出的载荷。）：力学公式计算出的载荷。 但：由于载荷作用的不平稳性、分布的不均匀性等但：由于载荷作用的不平稳性、分布的不均匀性等 因素，因素， 实际载荷大于名义载荷。实际载荷大于名义载荷。载荷系数载荷系数K K 计算载荷计算载荷(Fc(Fc、PcPc、TcTc)=)=载荷系数载荷系数名义载荷名义载荷 3 3）选择适当的材料。）选择适当的材料。 4

4、 4）根据零件工作能力准则，确定零件的主要尺寸）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：两种计算方法： a a）设计计算：直接求出危险截面尺寸）设计计算：直接求出危险截面尺寸A A。FA 8 b b）校核计算：其他方法初步设计）校核计算：其他方法初步设计 验算。验算。 5 5）画零件图。）画零件图。2 2、经验设计、经验设计 根据根据经验关系式经验关系式，用，用类比类比的方法所进行的设计。的方法所进行的设计。 如：如：箱体箱体、传动件个各结构要素等、传动件个各结构要素等 3 3、模型实验设计、模型实验设计 把初步设计的零、部件或机器作成把初步设计的零、部件或机器作成小模型小模型

5、或或小尺寸样机小尺寸样机 进行实验。进行实验。 如：飞机、桥梁的风洞实验。如：飞机、桥梁的风洞实验。 ?AF9 一、载荷的分类 1）循环变载荷 a) 稳定循环变载荷 b) 不稳定循环变载荷2）随机变载荷静载荷：不随时间变化或随时间变化缓慢的载荷变载荷：随时间做周期性或非周期性变化的载荷载荷：1）名义载荷：平稳工作条件下作用在零件的载荷。 2）计算载荷 ：考虑载荷分布不均匀性等影响的载荷。10静应力：应力的大小和方向不随时间而变化或变化缓慢的应力。零件相应的失效形式为塑性变形或断裂。二、应力的分类1、应力种类变应力：不稳定变应力： 稳定循环变应力112、稳定循环变应力的基本参数和种类 a) 基本

6、参数 应力循环特性ammaxammin2minmaxm2minmaxamaxmin最大应力最小应力平均应力应力幅11b) 稳定循环变应力种类： -1 +1不对称循环变应力 =+1 静应力 = 1 对称循环变应力 = 0 脉动循环变应力12变应力静应力：r=1t脉动循环：r=0t0对称循环：r= -1t0非对称循环t013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OatOtat0a14两种判断零件强度的方法 ssss危险截面的工作应力小于或等于许用应力危险截面的实际安全系数大于或等于许用安全系数15一、单向应力下的塑性零件 强度条件： 或 ssss ssssssl

7、按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算 l由第三强度理论 （最大剪应力理论） 由第四强度理论： （最大变形能理论） 224 / ss223 / ss16复合应力计算安全系数为： ssTssbs222l脆性材料极限应力： （强度极限）1、单向应力状态 l强度条件： 或l l B Bs Bss 失效形式：断裂 ssssss2217 按第一强度条件： （最大主应力理论） 注意：低塑性材料（低温回火的高强度钢） 强度计算应计入应力集中的影响 脆性材料（铸铁） 强度计算不考虑应力集中 一般工作期内应力变化次数103（104）按静应力强度计算)4(2122sBca4222ssBca2、复合应力下工

8、作的零件18四。许用安全系数五。如何提高机械零件的强度合理布置零件的位置尽量使载荷分布均匀采用等强度结构减小应力集中19)1()1()1(222121EEbFH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 1、接触应力a)两圆柱体接触bpFEEEEH418. 0, 3 . 0max212120b)两球接触32222121max11161EEFH322max2121388. 0, 3 . 0pFEEEEH时综合曲率半径内接触

9、外接触2111121maxFH31maxFH说明：1）圆柱体 ，球 Hmax与F不呈线性关系213）同样的1、2下，内接触时 较小， Hmax较小，约为外接触时的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。 211maxH321maxH2）圆柱体 ，球 越大， Hmax越小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。1224，讨论疲劳点蚀现象23点蚀的形成和润滑油存在密切关系24 点蚀形成后，零件的有效面积减少，传递载荷的能力随之降低。此外，由于表面破坏，失去正确的形状。工作时将引起振动和噪声。对于闭

10、式齿轮传动，滚动轴承等零件，点蚀常是主要的失效形式。253、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 HHmax261、失效形式：疲劳（破坏）（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，直至产生疲劳裂纹。 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 一、变应力作用下机械零件的失效特征3、疲劳破坏的机理：损伤的累积4

11、、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。27)(NNNN疲劳极限，循环变应力下应力循环N次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为材料的疲劳极限疲劳寿命（N）材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N1、疲劳曲线： 应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线No 循环基数 持久极限1）有限寿命区 当N103(104)高周循环疲劳当 时随循环次数疲劳极限043)10(10NN l注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。2）无限寿命区0NN N持久极限对称循环：脉动循环：0011l3）疲劳曲线方程)10(10(043NN 29寿命

12、系数l疲劳极限几点说明： l No 硬度350HBS钢， No=107l 350HBS钢， No=(10 25)x107l有色金属(无水平部分)，规定当No25x107时,近似为无限寿命区 m指数与应力与材料的种类有关。l钢 m=9拉、弯应力、剪应力 m=6接触应力l青铜 m=9弯曲应力 m=8接触应力30 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2、材料的疲劳极限应力图同一种材料在不同的应力循环特性下的疲劳极限图（ 图） l 对任何材料（标准试件）而言，对不同的应力循环特性下有不同的持久极限，即每种应力循环特性下都对应着该材料的最

13、大应力= ，再由应力循环特性可求出 和 、maxminmmaxa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极限 和 的关系图mmaa31 对称极限点 强度极限点 脉动疲劳极限点 屈服极限点 简化极限应力线图：简化极限应力图 作法：考虑材料的最大应力不超过疲劳极限，得 及延长线 考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限，得1max2, 1, 0m1, 0limmaxma22maxma020maCGDACGDA32如图 AB脆性材料所示，塑性材料类似，曲线上的点对应着不同应力循环特性下的材料疲劳极限A对称疲劳极限点 D脉动疲劳极限点 B 强度极限点 C 屈服极限点33 上各点： 如果

14、不会疲劳破坏 上各点： 如果 不会屈服破坏 GA CGamlimmaxsamlimmaxmaxsmax01,s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。材料的简化极限应力线图，可根据材料的和三个试验数据 和 而作出34由于实际机械零件与标准试件之间在绝对尺寸、表面状态、应力集中、环境介质等方面往往有差异，这些因素的综合影响使零件的疲劳极限不同于材料的疲劳极限，其中尤以应力集中、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。 三、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应力集中系数 零件受载时，在几何形状突变

15、处（圆角、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，一般材料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感 maxmax,)(maxmax)()(qq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 352、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 B)(强化处理评火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、

16、喷丸、滚压等冷作工艺2）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36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 无影响试验而得 q,am4、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)(KK1）综合影响系数372、零件的极限应力图 由于 只对 有影响，而对 无影响，在材料的极限应力图 ADGC上几个特殊点以坐标计入 影响 Kmk零件脉动循环疲劳点 零件对称循环疲劳点AG许用疲劳极限曲线，GC屈服极限曲线 38直线AG方程 :meeaeek11meaek1 或零件的材料特性 0012e 001 21kkee标准

17、试件中的材料特性直线CG方程： smeae39四、单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 Cmaxmin/过原点与工作应力点M或N作连线交ADG于M1和N1点，由于直线上任一点的应力循环特性均相同, M1和N1点即为所求的极限应力点 常数112/ )(2/ )(maxmaxlinlinma40a)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mamaammeaeekkmax11maxlim)(零件的极限应力，疲劳极限：强度条件为： 1maxmaxmaxlimsksmaecab)工作应力点位于OGC内极限应力为屈服极限，按静强度计算maxmaxlimssamss

18、eca412、 振动中的受载弹簧的应力状态cm需在极限应力图上找一个其平均应力与工作应力相同的极限应力，如图，过工作应力点M（N）作与纵轴平行的轴线交AGC于M2（N2 ）点，即为极限应力点 a) 当工作应力点位 于OAGH区域极限应力为疲劳极限 强度条件： )()(1maxmaxmaxlimskksammecab）工作应力点位于GHC区域极限应力为屈服极限 强度条件为： maxlimssamseca423、 变轴向变载荷的紧螺栓联接中的螺栓应力状态 cmin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。 cammin

19、 ammin)(33NM43a)工作应力点位于OJGI区域内求AG与MM3的交点:aememeeaeekk11aeamaememinkkmeaeemin1maxlim)(2 )2)()(2)()(2minmin1min1maxlimSkkkkSaameca强度条件:极限应力为疲劳极限，按疲劳强度计算),(3aemeM44c）工作应力位于OAJ区域内),(3aemeNesaemelim 2minmaxlimSSasamsecaminb)工作应力点位于IGC区域极限应力为屈服极限按静强度计算极限应力点为静强度条件为负值，工程中罕见，故不作考虑。 455）等效应力幅 (由非对称循环变应力折算成当量对

20、称循环变应力）mNNN0maadk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o3）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。46五、双向稳定变应力时的疲劳强度计算 1、对称循环稳定变应力 当零件剖面上同时作用着相位相同的纵向和切向对称循环，稳定变应力a和a时，经试验后极限应力关系为1)()(2121eaeaa, a 同时作用

21、正应力和切应力的应力幅极限值（ , 同时作用 ）-1e , -1e 为零件对称循环正应力和切应力时疲劳极限（ , 单独作用） 在以 的坐标系中为一个单位圆 eaea11maxmax, 1aa47圆弧AMB任何一点即代表一对极限应力 a 和a ，如果工作应力点M（ ）在极限圆以内，则是安全的。M点所对应的极限应力点M 确定时，一般认为 比值不变（多数情况如此）， M 点在OM直线的延长线上，如图所示Meaea11,aa/22SSSSSODDOOCCOOMMOSca强度条件为： 零件只受对称循环切应力时的安全系数 aeS1aeS1零件只受对称循环正应力时的安全系数48六、规律性非稳定变应力时机械零

22、件的疲劳强度疲劳损伤积累假说：在每一次应力作用，零件寿命就要受到微量的疲劳损伤，当疲劳损伤积累到一定程度达到疲劳寿命极限时便发生疲劳断裂。niiinnNNNNNNNNF1221149 等效稳定变应力和寿命系数vvN等效稳定变应力v：取等于非稳定变应力作用时间和起主要作用的应力vvnnNNNNNNNN2211计算等效循环次数Nv（式3-23），再计算Nv时的疲劳极限rv（式3-24）50& 机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化1 何为工艺性？何为工艺性？ 所设计的零件便于加工且加工费用低所设计的零件便于加工且加工费用低51 对产品的品种、规格、质量、检验等制订标准并加以实施。

23、1）产品品种规格的系列化：2）零部件的通用化：3）产品质量标准化：2 2、标准化、标准化标准化的意义： 在制造上可实行专业化大量生产，既可提高产品质量，又可降低成本； 在设计方面可减小设计工作量； 在管理维修方面，可减小库存和便于更换损坏的零件。52作 业1，用合金钢制造的某一零件，其危险剖面上的工作应力在100Mpa250Mpa之间变化。该剖面的综合影响系数KD=1.6。材料力学性能为：s=800Mpa，-1=480Mpa，0=780Mpa。按无限寿命考虑，用作图法与计算法计算该剖面的安全系数（r=常数）532，某一转动心轴受对称循环弯曲应力，最大应力 ，应力变化规律如图所示。要求使用寿命8

24、年，一班制工作，转速 ，轴的材料为碳钢，试确定轴的安全系数。 MPaw701min20rn MPas350MPaw26017010,95. 0, 8 . 0, 8 . 1NK543，疲劳破坏及其特点，疲劳破坏及其特点 ，影响机械零件疲劳强度的因素影响机械零件疲劳强度的因素 ？55答 案561，解：由题知零件工作应力为：max= 250Mpa， min= 100MPa平均应力应力幅MPam752minmaxMPaa1752minmax按无限寿命考虑，对称循环应力 MPaKNr48011画出 极限应力曲线图如图所示 am图中N点为零件工作应力点，N1为极限应力点，其横坐标， 纵坐标 MPara282极限应力MParmrar403MParm12157危险剖面的安全系数61. 175175403marS（计算法）61. 17523. 01756 . 148011maDNKKS式中 23. 0780780480