機械設(shè)計概論1第1頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五機器組成：原動機傳動裝置—→工作機—→控制系統(tǒng)輔助系統(tǒng)（如儀表、照明等）轎車組成：2第2頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五3第3頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五

§9-2機械零件的主要失效形式和設(shè)計計算準則

一、機械零件的失效形式

失效——零件喪失正常工作能力或達不到設(shè)計要求的性能失效形式：強度失效、剛度失效、磨損失效、振動、噪聲失效、精度失效、可靠性失效二、機械零件的計算準則

工作能力——零件不發(fā)生失效時的安全工作限度

計算準則——以防止產(chǎn)生各種可能失效為目的而擬定的零件工作能力計算依據(jù)的基本原則4第4頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五5第5頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五1、強度準則

2、剛度準則

零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力

零件在載荷作用下抵抗破壞的能力

y——可以是撓度、偏轉(zhuǎn)角或扭轉(zhuǎn)角

6第6頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五3、耐磨性準則

作相對運動的零件其工作表面抵抗磨損的能力

4、振動和噪聲準則

5、熱平衡準則

6、可靠性準則

系統(tǒng)、機器或零件在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。

7第7頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五：可靠度——表示零件在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率

N個相同零件在同樣條件下同時工作，在規(guī)定的時間內(nèi)有Nf個失效，剩下Nt個仍繼續(xù)工作，則

不可靠度（失效概率）：

n個零件組成的串聯(lián)系統(tǒng)，單個零件的可靠度:R1、R2

、

…Rn，則系統(tǒng)的可靠度為Rf=R1R2…Rn8第8頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五§9—3載荷與應(yīng)力的分類

一、載荷的分類

1）循環(huán)變載荷a)穩(wěn)定循環(huán)變載荷b)不穩(wěn)定循環(huán)變載荷2）隨機變載荷靜載荷變載荷：載荷：1）名義載荷Ｆ：平穩(wěn)工作條件下作用在零件的載荷。2）計算載荷FC

：考慮載荷分布不均勻性等影響的載荷。Ｆc＝Ｋ×Ｆ9第9頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五靜應(yīng)力二、應(yīng)力的分類1、應(yīng)力種類變應(yīng)力：不穩(wěn)定變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力10第10頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五2、穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力的基本參數(shù)和種類

a)基本參數(shù)

應(yīng)力循環(huán)特性最大應(yīng)力最小應(yīng)力平均應(yīng)力應(yīng)力幅b)穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力種類：

-1<

r<+1——非對稱循環(huán)變應(yīng)力r=+1——靜應(yīng)力

r=–1——對稱循環(huán)變應(yīng)力r=0——脈動循環(huán)變應(yīng)力11第11頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五變應(yīng)力靜應(yīng)力：r=1σt脈動循環(huán)：r=0σt0對稱循環(huán)：r=-1σt0非對稱循環(huán):-1<r<+1tσ012第12頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五例1

已知：max=200N/mm2，r=－0.5，求：min、a、m。解：a0tmaxmmin20050-10013第13頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五注意：靜應(yīng)力只能由靜載荷產(chǎn)生，而變應(yīng)力可能由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生t0σa14第14頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五§9—4靜應(yīng)力時機械零件的強度計算兩種判斷零件強度的方法危險截面的工作應(yīng)力小于或等于許用應(yīng)力危險截面的實際安全系數(shù)大于或等于許用安全系數(shù)15第15頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五一、單向應(yīng)力下的塑性零件

強度條件：

或

二、復(fù)合應(yīng)力時的塑性材料零件按第三或第四強度理論對彎扭復(fù)合應(yīng)力進行強度計算由第三強度理論（最大剪應(yīng)力理論）由第四強度理論：（最大變形能理論）16第16頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五復(fù)合應(yīng)力計算安全系數(shù)為：三、脆性材料與低塑性材料脆性材料極限應(yīng)力：（強度極限）

1、單向應(yīng)力狀態(tài)強度條件：或

失效形式：斷裂17第17頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五按第一強度條件：（最大主應(yīng)力理論）

注意：低塑性材料（低溫回火的高強度鋼）

—強度計算應(yīng)計入應(yīng)力集中的影響脆性材料（鑄鐵）

—強度計算不考慮應(yīng)力集中一般工作期內(nèi)應(yīng)力變化次數(shù)<103（104）按靜應(yīng)力強度計算2、復(fù)合應(yīng)力下工作的零件18第18頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五四許用安全系數(shù)五如何提高機械零件的強度１．合理布置零件的位置２．盡量使載荷分布均勻３．采用等強度結(jié)構(gòu)４．減小應(yīng)力集中19第19頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五§9-5機械零件的接觸強度高副零件工作時，理論上是點接觸或線接觸→實際上由于接觸部分的局部彈性變形而形成面接觸→由于接觸面積很小，使表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力卻很大。該應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。在表面接觸應(yīng)力作用下的零件強度稱為接觸強度計算依據(jù)：彈性力學(xué)的赫茲公式

1、接觸應(yīng)力a)兩圓柱體接觸20第20頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五b)兩球接觸ρΣ——綜合曲率半徑說明：1）圓柱體，球∴σHmax與F不呈線性關(guān)系21第21頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五3）同樣的p1、p2下，內(nèi)接觸時ρΣ較小，σHmax較小，約為外接觸時的48%，∴重載情況下，采用內(nèi)接觸，有利于提高承載能力或降低接觸副的尺寸。

2）圓柱體，球∴ρΣ越大，σHmax越小2、失效形式

靜應(yīng)力:表面壓碎——脆性材料,表面塑性變形——塑性材料變應(yīng)力：疲勞點蝕——齒輪、滾動軸承的常見失效形式。22第22頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五3、提高接觸疲勞強度的措施1）控制最大接觸應(yīng)力2）提高接觸表面硬度，改善表面加工質(zhì)量3）增大綜合曲率半徑ρΣ4）改外接觸為內(nèi)接觸，點接觸→線接觸5）采用高粘度潤滑油

23第23頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五1、失效形式：疲勞（破壞）（斷裂）2、疲勞破壞特征：

1）斷裂過程：①產(chǎn)生初始裂紋（應(yīng)力較大處）②裂紋尖端在切應(yīng)力作用下，反復(fù)擴展，直至產(chǎn)生疲勞裂紋。

2）斷裂面：①光滑區(qū)（疲勞發(fā)展區(qū)）②粗糙區(qū)（脆性斷裂區(qū)）

3）無明顯塑性變形的脆性突然斷裂

4）破壞時的應(yīng)力（疲勞極限）遠小于材料的屈服極限§9-6機械零件的疲勞強度計算一、變應(yīng)力作用下機械零件的失效特征3、疲勞破壞的機理：損傷的累積4、影響因素：不僅與材料性能有關(guān)，變應(yīng)力的循環(huán)特性，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，應(yīng)力幅都對疲勞極限有很大影響。24第24頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五二、材料的疲勞曲線圖和極限應(yīng)力圖——疲勞極限，循環(huán)變應(yīng)力下應(yīng)力循環(huán)N次后材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應(yīng)力稱為材料的疲勞極限疲勞壽命（N）——材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1、疲勞曲線：應(yīng)力循環(huán)特性一定時，材料的疲勞極限與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系的曲線No—循環(huán)基數(shù)

—持久極限1）有限壽命區(qū)當N<103(104)—低周循環(huán)，疲勞極限接近于屈服極限，按靜強度計算25第25頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五當N>103(104)——高周循環(huán)疲勞當時隨循環(huán)次數(shù)↑疲勞極限↓注意：有色金屬和高強度合金鋼無無限壽命區(qū)。2）無限壽命區(qū)——持久極限對稱循環(huán)：脈動循環(huán)：3）疲勞曲線方程26第26頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五——壽命系數(shù)∴疲勞極限幾點說明：

①No硬度≤350HBS鋼，No=107≥350HBS鋼，

No=(10-25)x107有色金屬(無水平部分)，規(guī)定當No>25x107時,近似為無限壽命區(qū)②m—指數(shù)與應(yīng)力與材料的種類有關(guān)。鋼m=9——拉、彎應(yīng)力、剪應(yīng)力m=6——接觸應(yīng)力青銅m=9——彎曲應(yīng)力m=8——接觸應(yīng)力③應(yīng)力循環(huán)特性越大，材料的疲勞極限與持久極限越大，對零件強度越有利。對稱循環(huán)（應(yīng)力循環(huán)特性=-1）最不利27第27頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五2、材料的疲勞極限應(yīng)力圖——同一種材料在不同的應(yīng)力循環(huán)特性下的疲勞極限圖（圖）

對任何材料（標準試件）而言，對不同的應(yīng)力循環(huán)特性下有不同的持久極限，即每種應(yīng)力循環(huán)特性下都對應(yīng)著該材料的最大應(yīng)力=，再由應(yīng)力循環(huán)特性可求出和、以為橫坐標、為縱坐標，即可得材料在不同應(yīng)力循環(huán)特性下的極限和的關(guān)系圖28第28頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五如圖A′B——脆性材料所示，塑性材料類似，曲線上的點對應(yīng)著不同應(yīng)力循環(huán)特性下的材料疲勞極限A′——對稱疲勞極限點D′——脈動疲勞極限點B——強度極限點C——屈服極限點29第29頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五

上各點：如果不會疲勞破壞上各點：如果不會屈服破壞折線以內(nèi)為疲勞和塑性安全區(qū)，折線以外為疲勞和塑性失效區(qū)，工作應(yīng)力點離折線越遠，安全程度愈高。材料的簡化極限應(yīng)力線圖，可根據(jù)材料的和三個試驗數(shù)據(jù)和而作出30第30頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五對稱極限點強度極限點脈動疲勞極限點

屈服極限點簡化極限應(yīng)力線圖：——簡化極限應(yīng)力圖

作法：考慮材料的最大應(yīng)力不超過疲勞極限，得及延長線考慮塑性材料的最大應(yīng)力不超過屈服極限，得31第31頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五由于實際機械零件與標準試件之間在絕對尺寸、表面狀態(tài)、應(yīng)力集中、環(huán)境介質(zhì)等方面往往有差異，這些因素的綜合影響使零件的疲勞極限不同于材料的疲勞極限，其中尤以應(yīng)力集中、零件尺寸和表面狀態(tài)三項因素對機械零件的疲勞強度影響最大。

三、影響機械零件疲勞強度的主要因素和零件極限應(yīng)力圖1、應(yīng)力集中的影響——有效應(yīng)力集中系數(shù)

零件受載時，在幾何形狀突變處（圓角、凹槽、孔等）要產(chǎn)生應(yīng)力集中，對應(yīng)力集中的敏感程度與零件的材料有關(guān)，一般材料強度越高，硬度越高，對應(yīng)力集中越敏感

32第32頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五2、零件尺寸的影響——尺寸系數(shù)

由于零件尺寸愈大時，材料的晶粒較粗，出現(xiàn)缺陷的概率大，而機械加工后表面冷作硬化層相對較薄，所以對零件疲勞強度的不良影響愈顯著

3、表面狀態(tài)的影響

1）表面質(zhì)量系數(shù)零件加工的表面質(zhì)量（主要指表面粗糙度）對疲勞強度的影響鋼的越高，表面愈粗糙，愈低

強化處理——評火、滲氮、滲碳、熱處理、拋光、噴丸、滾壓等冷作工藝2）表面強化系數(shù)考慮對零件進行不同的強化處理，對零件疲勞強度的影響33第33頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五∵應(yīng)力集中，零件尺寸和表面狀態(tài)只對應(yīng)力幅有影響，而對平均應(yīng)力無影響——試驗而得

4、綜合影響系數(shù)和零件的極限應(yīng)力圖綜合影響系數(shù)表示了材料極限應(yīng)力幅與零件幅的比值1、綜合影響系數(shù)34第34頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五2、零件的極限應(yīng)力圖

由于只對有影響，而對無影響，∴在材料的極限應(yīng)力圖A′D′G′C上幾個特殊點以坐標計入影響

零件脈動循環(huán)疲勞點

零件對稱循環(huán)疲勞點AG——許用疲勞極限曲線，GC——屈服極限曲線

35第35頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五直線AG方程

:——零件的材料特性——標準試件中的材料特性直線CG方程：

36第36頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五四、單向穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強度計算

1、——大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應(yīng)力狀態(tài)

∴過原點與工作應(yīng)力點M或N作連線交ADG于M1′和N1′點，由于直線上任一點的應(yīng)力循環(huán)特性均相同,M1′和N1′點即為所求的極限應(yīng)力點

37第37頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五a)當工作應(yīng)力點位于OAG內(nèi)極限應(yīng)力為疲勞極限，按疲勞強度計算零件的極限應(yīng)力，疲勞極限：強度條件為：

b)工作應(yīng)力點位于OGC內(nèi)極限應(yīng)力為屈服極限，按靜強度計算38第38頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五2、——振動中的受載彈簧的應(yīng)力狀態(tài)需在極限應(yīng)力圖上找一個其平均應(yīng)力與工作應(yīng)力相同的極限應(yīng)力，如圖，過工作應(yīng)力點M（N）作與縱軸平行的軸線交AGC于M2′（N2′）點，即為極限應(yīng)力點

a)當工作應(yīng)力點位于OAGH區(qū)域極限應(yīng)力為疲勞極限

強度條件：

b）工作應(yīng)力點位于GHC區(qū)域極限應(yīng)力為屈服極限

強度條件為：

39第39頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五3、——變軸向變載荷的緊螺栓聯(lián)接中的螺栓應(yīng)力狀態(tài)

∴過工作應(yīng)力點M（N）作與橫坐標成45°的直線，則這直線任一點的最小應(yīng)力均相同，∴直線與極限應(yīng)力線圖交點即為所求極限應(yīng)力點。

40第40頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五a)工作應(yīng)力點位于OJGI區(qū)域內(nèi)求AG與MM3′的交點:強度條件:極限應(yīng)力為疲勞極限，按疲勞強度計算41第41頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五c）工作應(yīng)力位于OAJ區(qū)域內(nèi)b)工作應(yīng)力點位于IGC區(qū)域極限應(yīng)力為屈服極限按靜強度計算∵極限應(yīng)力點為靜強度條件——為負值，工程中罕見，故不作考慮。

42第42頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五5