Ch0102-L 绪论总论

1、第一章 绪论1-1 机械及机械设计机械及机械设计1-2 本课程的内容、性质与任务本课程的内容、性质与任务1-3 特点及学习方法特点及学习方法概论概论螺纹联接螺纹联接轴毂联接轴毂联接带传动带传动齿轮传动齿轮传动蜗杆传动蜗杆传动链传动链传动轴轴滑动轴承滑动轴承滚动轴承滚动轴承联轴器和离合器联轴器和离合器1-1 机械及机械设计机械及机械设计机械机械机器和机构的总称。机器和机构的总称。 一、机械、机器和机构一、机械、机器和机构机构机构 构件构件 零件零件机器机器通用零件通用零件专用零件专用零件 本课程中本课程中“设计设计”的含义是指机械装置的实体设的含义是指机械装置的实体设计，涉及计，涉及零件的应力、

2、强度的分析计算，材料的选择、零件的应力、强度的分析计算，材料的选择、结构设计，考虑加工工艺性、标准化以及经济性、环结构设计，考虑加工工艺性、标准化以及经济性、环境保护境保护等等。构件构件：为完成：为完成同一使命同一使命而协同工作的许多而协同工作的许多零件的组合零件的组合。零件零件：组成机器的：组成机器的不可拆的基本单元不可拆的基本单元（即（即制造制造的基本单元）的基本单元） 。如：滚动轴承如：滚动轴承 、联轴器。联轴器。机械零件机械零件 常用泛指零件和构件常用泛指零件和构件用途用途专用零部件专用零部件：只在只在一定类型机器一定类型机器中使用的零件，如曲轴。中使用的零件，如曲轴。通用零部件通用零

3、部件：各种机器各种机器中普遍使用的零部件，如齿轮、螺栓。中普遍使用的零部件，如齿轮、螺栓。标准件标准件：制定了：制定了国家标准国家标准，并由，并由专门工厂生产专门工厂生产的零部件的零部件 如：滚动轴承、螺栓等。如：滚动轴承、螺栓等。机器的组成：机器的组成：原动部分原动部分传动部分传动部分执行部分执行部分辅助系统（比如润滑、显示、照明等辅助系统（比如润滑、显示、照明等) )控制部分控制部分机器实例机器实例：各部分各部分协调动作协调动作的结果：的结果：化学能 机械能1-3本课程的性质和内容和特点1-2 本课程的性质、内容和任务本课程的性质、内容和任务一、一、本课程的性质和内容本课程的性质和内容 本

4、课程是研究机械装置和机械系统的设计问题，培本课程是研究机械装置和机械系统的设计问题，培养同学们具有机械设计能力的养同学们具有机械设计能力的技术基础课技术基础课，是机械类是机械类专业的一门非常重要的主干课。专业的一门非常重要的主干课。 本课程的基本教学内容主要是本课程的基本教学内容主要是通用零件的设计和计通用零件的设计和计算算。通用零件通用零件连接件连接件（螺纹连接、键连接等螺纹连接、键连接等）传动件传动件（带、链、齿轮、蜗杆传动）带、链、齿轮、蜗杆传动）轴系零部件轴系零部件( (轴、轴承、联轴轴、轴承、联轴器）器）二、课程的目标二、课程的目标1 1、掌握掌握通用通用零件零件的设计原理、设计方的

5、设计原理、设计方 法和法和机械机械设计的一般规律设计的一般规律; ;2 2、掌握掌握典型典型零件零件的实验方法；的实验方法；3 3、具有运用标准、规范和设计资料具有运用标准、规范和设计资料 进行设计工作的能力。进行设计工作的能力。4 4、了解机械方案设计、现代设计理了解机械方案设计、现代设计理 论与方法。论与方法。 涉及面广涉及面广 关系多关系多 与诸多先修课关系密切与诸多先修课关系密切。 要求多要求多 设计一个机器或零件时，应同时满足强度、刚度、设计一个机器或零件时，应同时满足强度、刚度、耐磨性、工艺、等各方面的要求耐磨性、工艺、等各方面的要求。 公式多公式多 除了定义式以外，对于大多数公式

6、着重于公式的应除了定义式以外，对于大多数公式着重于公式的应用，不强调公式的推导用，不强调公式的推导。 图表多图表多 要求能看懂、会用，了解适用的范围和变化趋势要求能看懂、会用，了解适用的范围和变化趋势。 实践性强实践性强不能单纯靠理论公式还要用经验或半经验公式，具不能单纯靠理论公式还要用经验或半经验公式，具体数据有时要进行圆整或取标准值体数据有时要进行圆整或取标准值 设计问题无统一设计问题无统一答案答案-重视结构设计，便于加工、装配和重视结构设计，便于加工、装配和维修维修本课程的特点 1-3 本课程的特点及学习方法本课程的特点及学习方法课程的设置课程的设置：课程实验：课程实验：6 6学时学时课

7、堂理论教学：课堂理论教学：7 71818周，周，4242学时。学时。 1 1、 螺栓强度实验螺栓强度实验(2(2学时学时) )2 2* *、带传动实验、带传动实验(2(2学时学时) ) 3 3、轴系、轴系结构设计结构设计实验实验(2(2学时学时) )4 4、齿轮减速箱拆装实验、齿轮减速箱拆装实验(2(2学时学时) ) 设计实践（课程设计）：设计实践（课程设计）：2 22.52.5周。周。2.1 2.1 机械设计的基本要求机械设计的基本要求第二章第二章 机械设计总论机械设计总论1.1.使用要求使用要求3.3.劳动保护要求劳动保护要求4.4.环境保护要求环境保护要求5.5.可靠性要求可靠性要求1

8、1、强度、刚度、耐磨、强度、刚度、耐磨 性等性等2 2、结构工艺性要求、结构工艺性要求3 3、经济性要求、经济性要求（材料、质量）（材料、质量）4 4、零件的零件的可靠性要求可靠性要求2.2.经济经济性要求性要求一、设计机器的基本要求：一、设计机器的基本要求： 零件应满足的要求：零件应满足的要求：二、机械零件的二、机械零件的设计方法设计方法2.2.经验设计经验设计3.3.模型实验设计模型实验设计4.4.现代设计方法：现代设计方法：可靠性设计可靠性设计SAFlim FA 设计式设计式验算式验算式许用应力法许用应力法安全系数法安全系数法优化设计优化设计1.1.理论设计理论设计三、机械设计的一般程序

9、三、机械设计的一般程序 1、机器设计的一般程序、机器设计的一般程序 市场调市场调研研可行性可行性研究研究原 理原 理方 案方 案设计设计技术技术设设 计计试 制试 制试验试验小批生小批生产试销产试销投投产产设设计计任任务务书书定定出出最最佳佳方方案案装配图装配图零件图零件图技术文技术文件件样样机机评评价价改改进进考核工艺考核工艺性收集用性收集用户意见户意见产产品品销销售售J-20 1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷 2）选择零件的类型与结构）选择零件的类型与结构 3）选择零件的材料）选择零件的材料 4）按可能的失效形式确定零件的计算准则，并确）按

10、可能的失效形式确定零件的计算准则，并确 定零件的基本尺寸，加以标准化和圆整定零件的基本尺寸，加以标准化和圆整 5）零件的结构设计）零件的结构设计 6）绘制零件的工作图，并编写计算说明书）绘制零件的工作图，并编写计算说明书 KPPca2、机械零件设计的一般步骤、机械零件设计的一般步骤一、工作能力一、工作能力失效：零件由于某种原因丧失正常工作能力。失效：零件由于某种原因丧失正常工作能力。工作能力：机械零件抵抗失效的能力。工作能力：机械零件抵抗失效的能力。影响工作能力的因素主要有：影响工作能力的因素主要有：强度强度、刚度刚度、稳定性稳定性、耐磨性耐磨性以及温度等。以及温度等。2.2 2.2 机械零件

11、设计应考虑的问题机械零件设计应考虑的问题1 1、强度、强度强度：零件抵抗强度：零件抵抗断裂断裂、塑变塑变、疲劳破坏疲劳破坏的能力。的能力。方法：方法：1 1）或或limSlimS2 2）limSSlimSSS S安全系数，安全系数，S S1 1SS：安全，浪费材料：安全，浪费材料SS：经济，不安全：经济，不安全挤压强度及刚度准则、刚度、刚度 刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。而失效。 例如：机床主轴的弹性变性过大将会影

12、响所加工工件的精度。例如：机床主轴的弹性变性过大将会影响所加工工件的精度。，yy零件材料的弹性模量零件材料的弹性模量E E越大，则其刚度越大。越大，则其刚度越大。、振动稳定性、振动稳定性 当作用在零件上的周期性外力的变化频率接近或等于零当作用在零件上的周期性外力的变化频率接近或等于零件的自激振动频率（固有频率）时，便发生共振，导致零件件的自激振动频率（固有频率）时，便发生共振，导致零件失效。这种现象称之为失效。这种现象称之为“失去振动稳定性失去振动稳定性”。 耐磨性计算、摩擦学、摩擦学 （耐磨性计算） 到目前为止对于磨损失效还没有一个完善的计算方法。通到目前为止对于磨损失效还没有一个完善的计算

13、方法。通常只进行条件性计算，通过限制影响磨损的主要因素防止产常只进行条件性计算，通过限制影响磨损的主要因素防止产生过大的磨损量。生过大的磨损量。 即压强不超过许用值即压强不超过许用值 p p p p 速度不超过许用值速度不超过许用值 v v v v 压强与速度乘积不超过许用值压强与速度乘积不超过许用值 p vp v pvpv 注：限制注：限制 p p 值就是间接的限制因摩擦而产生的热量，防止温度过高。值就是间接的限制因摩擦而产生的热量，防止温度过高。二、材料选择及结构工艺性二、材料选择及结构工艺性1.1.合理地选择材料（如教材表合理地选择材料（如教材表2 21 1）2.2.机械零件要有良好的工

14、艺性（如教材表机械零件要有良好的工艺性（如教材表2 22 2）三、标准化、通用化、系列化三、标准化、通用化、系列化零部件标准化、通用化、系列化的优越性：零部件标准化、通用化、系列化的优越性：1.减轻设计工作量、缩短设计周期和降低费用；减轻设计工作量、缩短设计周期和降低费用；2.便于批量生产、降低成本、保证质量；便于批量生产、降低成本、保证质量；3.3.具有互换性，便于维修；具有互换性，便于维修；4.4.可使技术条件、试验方法和验收等标准化，有利于改进和提可使技术条件、试验方法和验收等标准化，有利于改进和提高产品质量，以及扩大和开发新产品。高产品质量，以及扩大和开发新产品。2-3 2-3 机械零

15、件的强度及其设计准则机械零件的强度及其设计准则失效：失效：零件由于某种原因丧失正常工作能力零件由于某种原因丧失正常工作能力1 1、主要失效、主要失效形式形式：1 1）整体断裂）整体断裂2 2）过大的变形）过大的变形（弹性变形、残余变形）（弹性变形、残余变形）3 3）零件的表面失效）零件的表面失效4 4）破坏正常工作条）破坏正常工作条件引起的失效件引起的失效2 2、零件设计准则：、零件设计准则：1 1）强度准则）强度准则2 2）刚度准则）刚度准则3 3）耐磨性准则）耐磨性准则4 4）振动准则）振动准则 Slim y yy y p pv vp pv vp pp p , 机械零件的计算准则一、载荷和

16、应力一、载荷和应力1 、 载荷载荷静载荷静载荷变载荷变载荷按是否随时间变化，载荷分为按是否随时间变化，载荷分为：按是否考虑动载荷的影响，载荷分为：载荷和应力2名义载荷：在理想平稳条件下所受的载荷（名义载荷：在理想平稳条件下所受的载荷（不考虑动载荷的影响） 由原动机的额定功率推算出的载荷。由原动机的额定功率推算出的载荷。计算载荷载荷系数计算载荷载荷系数K K名义载荷（名义载荷（代表机器或零件实际所受载荷）载荷系数载荷系数K K：用于计入在实际工作中受到的各种动载荷的影响。：用于计入在实际工作中受到的各种动载荷的影响。静载荷：指大小、作用位置和方向不随时间变化或变化缓慢的载荷。静载荷：指大小、作用

17、位置和方向不随时间变化或变化缓慢的载荷。2 应力应力应力应力静应力静应力变变 应力应力机械零件的计算准则（1）稳定变应力）稳定变应力 1) 对称循对称循环变应力环变应力 2) 非非对称循对称循环变应力环变应力（2）不稳定不稳定变应力变应力a、 有规律变应力有规律变应力b、随机循环变应力、随机循环变应力a、脉动脉动b、泛指泛指3、稳定、稳定循环变应力的基本参数和种类循环变应力的基本参数和种类 （1) 1) 基本参数基本参数 应力循环特性应力循环特性ammaxammin2minmaxm2minmaxamaxminr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11r循环应力循环应力静

18、应力静应力非对称循环变应力非对称循环变应力脉动循环变应力脉动循环变应力对称循环变应力对称循环变应力a)b)c)d)（2) 2) 稳定循环变应力种类稳定循环变应力种类： r = 1 对称循环变应力对称循环变应力 r = 0 脉动循环变应力脉动循环变应力-1 r+1不对称循环变应力不对称循环变应力 r =+1 静应力静应力 注意注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产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生，也可能由静载荷产生名义应力名义应力由名义载荷产生的应力由名义载荷产生的应力计算应力计算应力由计算载荷产生的应力由计算载荷产生的应力 )()(caca（

19、3）名义应力和计算应）名义应力和计算应力力在变应力下，零件的主要失效形式为：在变应力下，零件的主要失效形式为：疲劳破坏疲劳破坏强度准则二、静应力的强度计算二、静应力的强度计算强度条件有两种表示方法：强度条件有两种表示方法： Slim用安全系数：用安全系数： 用应力用应力：SS式中：计算最大应力计算最大应力lim极限应力极限应力计算安全系数计算安全系数SS许用应力许用应力许用安全系数许用安全系数机械零件的计算准则整体强度（体积强度）：按体积应力计算的；如拉压整体强度（体积强度）：按体积应力计算的；如拉压弯扭应力弯扭应力等。等。表面强度：按表面强度：按表面应力计算的强度称表面强度。表面应力计算的强

20、度称表面强度。强度条件：强度条件： 或或 ssssssssss1、单向应力下的塑性零件、单向应力下的塑性零件 在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形或断裂。在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形或断裂。材料种类不同，所取极限应力也不同。材料种类不同，所取极限应力也不同。塑性材料塑性材料 单向应力状态下单向应力状态下： slimslim，复合应力状态下：复合应力状态下： 按第二或第四强度理论计算当量应力。按第二或第四强度理论计算当量应力。 （1 1）按）按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算 l由第三强度理论由第三强度理论

21、（最大剪应力理论）（最大剪应力理论） 由第四强度理论：由第四强度理论： （最大变形能理论）（最大变形能理论） /422ssca/322ssca（2）复合）复合应力计算安全系数为：考虑到应力计算安全系数为：考虑到s=2s)(222SSsss22ssssss l（1)1)单向应力状态单向应力状态 l强度条件强度条件： 或或l l 或或sBssBsBssB 失效形式：断裂失效形式：断裂 单向应力状态下：单向应力状态下： ，blimblim复合应力状态下：复合应力状态下： 按第一强度理论计算当量应力。按第一强度理论计算当量应力。 脆性材料脆性材料 按第一强度条件：按第一强度条件： （最大主应力理论）（

22、最大主应力理论） 注意：低塑性材料（低温回火的高强度钢）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强度计算应计入应力集中的影响 脆性材料（铸铁）脆性材料（铸铁） 强度计算不考虑应力集中强度计算不考虑应力集中一般工作期内应力变化次数一般工作期内应力变化次数10103 3（10104 4）按静应力强度计算）按静应力强度计算)4(2122sBca4222ssB（2)2)复合应力下工作的零件复合应力下工作的零件（一）、变应力作用下机械零件的失效特征（一）、变应力作用下机械零件的失效特征3 3、疲劳破坏的机理：损伤的累积、疲劳破坏的机理：损伤的累积4 4、影响因素：不仅与材料性

23、能有关，变应力的、影响因素：不仅与材料性能有关，变应力的循环特性循环特性， 应力循环次数应力循环次数，应力幅应力幅都对疲劳极限有很大影响都对疲劳极限有很大影响。 1 1、失效形式：疲劳（破坏）（断裂）、失效形式：疲劳（破坏）（断裂） 2 2、疲劳破坏、疲劳破坏特征特征： （1 1）断裂过程：产生初始裂纹）断裂过程：产生初始裂纹 （应力较大处）（应力较大处） 裂纹尖端在切应力作用下，反复扩裂纹尖端在切应力作用下，反复扩 展，直至产生疲劳裂纹。展，直至产生疲劳裂纹。 （2 2）断裂面：）断裂面： 光滑区（疲劳发展区）光滑区（疲劳发展区） 粗糙区（脆性断裂区）粗糙区（脆性断裂区） （3 3）无明显塑

24、性变形的脆性突然断裂）无明显塑性变形的脆性突然断裂 （4 4）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限 )(NN疲劳极限，循环变应力下应力循环疲劳极限，循环变应力下应力循环N N次后材料不发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生疲劳破坏时的最大应力称为材料的疲劳极限疲劳寿命（疲劳寿命（N N）材料疲劳失效前所经历的应力循环次数材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N N1 1、疲劳曲线、疲劳曲线：应力循环：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限特性一定时，材料的疲劳极限与应力与应力 循环循环次数之间关系的曲线次数之间关系的曲线No No

25、 循环基数循环基数 持久极限持久极限 不同或不同或 N 不同时，疲劳极限不同时，疲劳极限 则不同。则不同。 在疲劳强度计算中，取在疲劳强度计算中，取 。rNrNlim 可以看出：可以看出： 随随 N N 的的增大而减小。但是当增大而减小。但是当 N N 超过某一循环次数超过某一循环次数 No No 时，时，曲线趋于水平。曲线趋于水平。 即即 不再随不再随 N N的增大而减小。的增大而减小。 rNrN(2)(2)无限无限寿命区寿命区0NN N持久极限持久极限对称循环：对称循环：脉动循环脉动循环：0011l(3(3）疲劳曲线方程疲劳曲线方程)10(10(043NN (1(1）有限寿命区）有限寿命区

26、当当N N10N10103 3(10(104 4) )高周循环疲劳高周循环疲劳当当 时时 随循环次数随循环次数疲劳极限疲劳极限043)10(10NN 寿命系数寿命系数l疲劳极限疲劳极限几点说明几点说明： N No o : : 硬度硬度350HBS350HBS钢，钢， N No o=10=107 7 350HBS 350HBS钢，钢， N No o=(10=(1025)x1025)x107 7 注意：有色金属和高强度合金钢没有无限寿命区。注意：有色金属和高强度合金钢没有无限寿命区。 有色金属有色金属( (无水平部分无水平部分) )，规定当，规定当N No o25x1025x107 7时时, ,近

27、似为近似为 无限寿命区无限寿命区 m m随应力状态而不同的指数，与应力与材料的种类有关。随应力状态而不同的指数，与应力与材料的种类有关。 钢钢 m=9 m=9拉、弯应力、剪应力拉、弯应力、剪应力 m=6 m=6接触应力接触应力 青铜青铜 m=9 m=9弯曲应力弯曲应力 m=8 m=8接触应力接触应力 应力循环特性应力循环特性r r越大，材料的疲劳极限与持久极限越大，对零越大，材料的疲劳极限与持久极限越大，对零 件强度越有利。件强度越有利。对称循环（应力循环特性对称循环（应力循环特性=-1=-1）最不利）最不利2 2、材料的疲劳极限应力图、材料的疲劳极限应力图同一种材料在不同的同一种材料在不同的

28、应力循环特性下的疲劳极限图（应力循环特性下的疲劳极限图（ 图）图） maxl 对任何材料（标准试件）而言，对不同的应力循环特性下对任何材料（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大应力最大应力= = ，再由应力循环特性可求出，再由应力循环特性可求出 和和 、maxminmmaxa以以 为横坐标、为横坐标、 为纵坐标，即可得材料在不同应力循为纵坐标，即可得材料在不同应力循环特性下的极限环特性下的极限 和和 的关系图的关系图mamaxmin如图如图 ABAB脆性材料所示。塑性材料类似，可用

29、折线代替。脆性材料所示。塑性材料类似，可用折线代替。曲线上的点对应着不同应力循环特性下的材料疲劳极限曲线上的点对应着不同应力循环特性下的材料疲劳极限AA对称疲劳极限点对称疲劳极限点 D D脉动疲劳极限点脉动疲劳极限点 B B 强度极限点强度极限点( (静应力点静应力点) C ) C 屈服极限点屈服极限点 上各点：上各点： 如果如果 不会疲劳破坏不会疲劳破坏 上各点：上各点： 如果如果 不会屈服破坏不会屈服破坏 GA CGamlimmaxsamlimmaxmaxsmax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，工作应力

30、点在折线内离点在折线内离折线越远，安全程度愈高。折线越远，安全程度愈高。材料的简化极限应材料的简化极限应力线图，可根据材料力线图，可根据材料三个试验数据三个试验数据 而作出而作出s、01 对称极限点对称极限点 强度极限点强度极限点 脉动疲劳极限点脉动疲劳极限点 屈服极限点屈服极限点1, 0limmaxma22maxma020maCGDACGDA1max 1 0rmr，简化极限应力线图：简化极限应力线图：简化极限应力图简化极限应力图 作法：考虑材料的最大应力不超过疲劳极限，得作法：考虑材料的最大应力不超过疲劳极限，得 及延长线及延长线 考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限，得考虑塑性材料的最大应

31、力不超过屈服极限，得注注: : 直线上任一点极限应力的求法可用直线方程求解。直线上任一点极限应力的求法可用直线方程求解。直线直线A A G G 的方程的方程：ma1直线直线G G C C的方程：的方程：sam 为试件受循环弯曲应力时的材料常数，为试件受循环弯曲应力时的材料常数，表示材料对循环不对称的敏感程度表示材料对循环不对称的敏感程度。其值由。其值由试验确定试验确定 。对碳钢，对碳钢， 对合金钢对合金钢 1 . 005. 02 . 01 . 015. 01 . 03 . 02 . 00012也可计算：也可计算： -1对称循环疲劳极限对称循环疲劳极限 0脉动循环疲劳极限脉动循环疲劳极限例例1

32、在图示极限应力图上，工作点在图示极限应力图上，工作点D和和E为斜齿轮轴上的两种为斜齿轮轴上的两种应力工作点。试在图中标出对应的极限应力点，并说明分应力工作点。试在图中标出对应的极限应力点，并说明分别会出现什么形式的破坏？别会出现什么形式的破坏？ 要点分析：要点分析：（1）斜齿轮轴上即承受弯矩，又承受扭矩，为转轴，所以）斜齿轮轴上即承受弯矩，又承受扭矩，为转轴，所以轴上各点应力循环特性轴上各点应力循环特性r=常数，常数，DE两点对应的极限应两点对应的极限应力点分别是力点分别是OD,OE与极限应力线的交点与极限应力线的交点D 、E。（2）r=常数时，常数时，OAG区域内工作应力点的失效形式为疲区域

33、内工作应力点的失效形式为疲劳失效，劳失效，OGC区域内工作应力点的失效形式为屈服失效，区域内工作应力点的失效形式为屈服失效，其极限应力均为其极限应力均为 s。解：解： 如图示如图示D点对应的极限应力点为点对应的极限应力点为D， E 点对应的极限应力点为点对应的极限应力点为E。 D点会出现疲劳失效，点会出现疲劳失效，E点会出现点会出现 屈服失效（塑性变形）。屈服失效（塑性变形）。 填空题填空题 例2 某材料的对称循环疲劳极限-1 = 350MPa, 屈服极限S=550 MPa, 强度极限B = 750 MPa, 循环基数N0= 5106, m = 9, 当对称循环次数N分别为5104、5105、

34、5107次时，极限应力分别为 、 、 。MPa452MPa271MPa550由于实际机械零件与标准试件之间在绝对尺寸、表面状态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、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，其中尤以应力集应力集中、零件尺寸和表面状态中、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三项因素对机械零件的疲劳强度影响最大最大。 3 3、影响机械零件疲劳强度的主要因素和零件极限应力图、影响机械零件疲劳强度的主要因素和

35、零件极限应力图(1)(1)应力集中应力集中的影响的影响有效应力集中系数有效应力集中系数 零件受载时，在几何形状突变处（圆角、凹槽、孔等）要产零件受载时，在几何形状突变处（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，对应力集中越敏感料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感 kk)(11kk)(1111,kk)()(11、无应力集中的疲劳极限无应力集中的疲劳极限有应力集中的疲劳极限有应力集中的疲劳极限注：当同一剖面上同时有注：当同一剖面上同时有几个应力集中源时，应采用几个应力集中源时，应采

36、用其中最大的有效应力集中系其中最大的有效应力集中系数进行计算。数进行计算。 (2)(2)零件零件尺寸的影响尺寸的影响尺寸系数尺寸系数 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 表面质量系数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 钢的钢的 越高，表面愈粗糙，越高，表面愈粗糙， 愈低愈低 B强化处理强化处理淬火、

37、渗氮、渗碳、热处理、抛光、喷丸、滚压等冷作淬火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、喷丸、滚压等冷作工艺工艺注：对零件进行不同的强化处理，对零件疲劳强度的影响注：对零件进行不同的强化处理，对零件疲劳强度的影响001111dddd011精抛条件特定条件下的疲劳极限0)()(11(3(3）表面状态的影响）表面状态的影响 限给定直径试件的疲劳极试件的疲劳极限直径011ddd应力集中，零件尺寸和表面状态应力集中，零件尺寸和表面状态 只对应力幅只对应力幅 有影响，有影响，而对平均应力而对平均应力 无影响无影响可通过试验而得可通过试验而得 am(4(4）综合影响系数）综合影响系数DDKK)()(综合影响系数综合影响

38、系数kKkKDD，一般，钢的强度越高，越大。因此，一般，钢的强度越高，越大。因此，对高强度钢，必须注意减小应力集中和提高表面质量对高强度钢，必须注意减小应力集中和提高表面质量。0 s 1 KDK )(1A ADK )(20B BD DC Ca m 020 1 450S 450A A1 1B B1 11meaeKae me M（ ， ） aemes 0012零件极限应力图的方程表达式零件极限应力图的方程表达式20 450a m 0S K20 K1A AB BD DC C4.4.稳定稳定变应力时零件的疲劳强度变应力时零件的疲劳强度m a 已知工作应力点已知工作应力点M M（ ， ）(1).(1).

39、对称循环变应力对称循环变应力 (r=-1)(r=-1)安全系数与强度条件安全系数与强度条件: :S)(1aDKSS)(1aDKS20 450m 0S DK )(20DK )(1a 工作应力点工作应力点M M（0,0,a a）极限应力点（极限应力点（0,0,maxmax）Ma (2)(2)对称循环变化、复合应力对称循环变化、复合应力对塑性材料，如按第三强度理论进行计算，如弯扭复对塑性材料，如按第三强度理论进行计算，如弯扭复合应力，可近似取合应力，可近似取则强度条件是：则强度条件是：211)182(15222221121122112SSSSSKKSSKKaDaDaDaD安全系数：）可得到复合应力时

40、的代入前公式（实际安全系数：m a （ ， ）Ma m 20 450m 0S DK )(20DK )(1a (3)(3)非对称循环变应力非对称循环变应力 （ ， ）amM简单加载简单加载 r = C复杂加载复杂加载复杂加载复杂加载CCmlim20 450m 0S DK )(20dK )(1a minmaxminmaxmatg11maCrrMa m （ , ）amM因为因为r = C当当 r = Cmama1)(maDK求求 、amMa m 20 450m 0S DK )(20DK )(1a Mam（ , ）A AD DC C )202(11maxlimSKSaemaDamamNam（ , ）N

41、amSSmaxlimS静静强度计算强度计算-疲劳疲劳强度计算。强度计算。aeae等效应力幅等效应力幅me m a ae me （ , ）Ma m 0S DK )(1MA AD DC C注：注：maDKS)(1aDK)(ae1maDaeK)(等效等效应力幅应力幅am Ma m 0S 1 20 20 （ , ）m 如果如果r=-1,r=-1,aDKS)(1注注2:应力的等效转化应力的等效转化（）非对称循环变化、复合应力（）非对称循环变化、复合应力a)a)对塑性材料，对塑性材料，S S按公式按公式2-182-18计算，而计算，而S S S S需按公需按公 式式2-202-20计算。计算。b b）疲劳

42、强度计算：当）疲劳强度计算：当N N 1.3 结论：此轴安全结论：此轴安全(5)(5)单向不稳定变应力单向不稳定变应力时时零件的疲劳强度零件的疲劳强度max1234n1n2n3n4noa.a.疲劳损伤累积假说疲劳损伤累积假说Minger法则：法则：在规律性不稳定循环在规律性不稳定循环应力中各应力的作用应力中各应力的作用下，损伤是独下，损伤是独 立进行立进行的，并且可以线性地的，并且可以线性地累积成总损伤。当各累积成总损伤。当各应力的寿命损伤率之应力的寿命损伤率之和等于和等于1时，则会发时，则会发生疲劳破坏。生疲劳破坏。11n22n33nN1N2N3rDN 1oN4 4n对零件的损伤率对零件的损

43、伤率损伤率损伤率 z1iiiNn1Nnz1iii =11332211NnNnNn1Nnz1iii 0NNmrimi0mi1iNN 01Nnmrziimi1Nnz1iii 01NnmrziimirDNroNi iniN0N1 ， 2eSKSKNNKKNNNNnNNneDNeeNrNmerremremimkieieemekiimi)( 1r )( e111m000rere11则安全系数，时：如，寿命系数；则：又疲劳曲线方程，劳极限进而求得对应的等效疲eb、等效稳定变应力、等效稳定变应力在在上图上图中不稳定变应力也可以用疲劳效果等同的等效稳定变中不稳定变应力也可以用疲劳效果等同的等效稳定变应力应力

44、来等效替代各应力的作用，一般可选各应力中数值来等效替代各应力的作用，一般可选各应力中数值较大或作用时间较长的变应力作为等效应力，如在图中较大或作用时间较长的变应力作为等效应力，如在图中选选 则对应的等效循环次数则对应的等效循环次数Ne，例例1.3 45钢经调质后的性能为钢经调质后的性能为-1=307MPa, m=9, No=5106, 以此材以此材料作试件进行实验料作试件进行实验, 先以对称循环变应力先以对称循环变应力1=500MPa作用作用104次，再以次，再以2=400N/mm2作用于试件，求还能循环多少次才会使试件破坏。作用于试件，求还能循环多少次才会使试件破坏。要点分析：这是属于不稳定变应力作用下的疲劳强度计算问题，应根据疲劳要点分析：这是属于不稳定变应力作用下的疲劳强度计算问题，应根据疲劳 损伤累积假说（损伤累积假说（Miner定理）定理） 进行计算：按计算进行计算：按计算 。 解：