清華機(jī)械設(shè)計(jì)第1章機(jī)械零部件設(shè)計(jì)肖麗英

1、第第1章章 機(jī)械零部件設(shè)計(jì)概述機(jī)械零部件設(shè)計(jì)概述 第第1章章 機(jī)械零部件設(shè)計(jì)概述機(jī)械零部件設(shè)計(jì)概述 1.1機(jī)械零部件設(shè)計(jì)要求機(jī)械零部件設(shè)計(jì)要求1.2工作能力設(shè)計(jì)的基本方法工作能力設(shè)計(jì)的基本方法1.3機(jī)械零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)機(jī)械零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)1.4 機(jī)械零部件的機(jī)械零部件的 材料選擇材料選擇1.5機(jī)械零部件的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械零部件的標(biāo)準(zhǔn)化1.1機(jī)械零部件設(shè)計(jì)要求機(jī)械零部件設(shè)計(jì)要求1.1.1工作能力要求工作能力要求強(qiáng)度、剛度強(qiáng)度、剛度 、壽命、壽命 1.1.2工藝要求工藝要求1.1.3經(jīng)濟(jì)性要求經(jīng)濟(jì)性要求 失效失效1.2工作能力設(shè)計(jì)的方法工作能力設(shè)計(jì)的方法機(jī)械機(jī)械零件零件的主的主要失要失效形效形式式整體斷裂：

2、整體斷裂：拉，壓，彎，扭拉，壓，彎，扭破壞正常工作條件引起的失效：破壞正常工作條件引起的失效：打滑，共振，膠合打滑，共振，膠合過大的殘余應(yīng)力：過大的殘余應(yīng)力：加工，熱處理加工，熱處理零件表面的破壞：零件表面的破壞：磨損，熱處理磨損，熱處理零部件不能滿足工作要求稱為失效。零部件不能滿足工作要求稱為失效。機(jī)械零件工作能力設(shè)計(jì)的依據(jù)：零件的失效形式機(jī)械零件工作能力設(shè)計(jì)的依據(jù)：零件的失效形式機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則 eFsdebF 例題：鉚釘聯(lián)接，兩例題：鉚釘聯(lián)接，兩塊鋼板材料均為塊鋼板材料均為Q215Q215， F=500000N，求：各部分尺寸。求：各部分尺寸。 MPapMPaMPa4

3、00180200 解：分析失效方式及計(jì)算公式1 釘剪切2 板擠壓3 板拉斷4 板邊剪切sdeFdesFsdbFdbsFpdsFpsdFpdFdF)2( 24)2(2)(3)(242142sdeFdesFsdbFdbsFpdsFpsdFpdFdF)2( 24)2(2)(3)(242142sdeFdesFsdbFdbsFpdsFpsdFpdFdF)2( 24)2(2)(3)(242142sdeFdesFsdbFdbsFpdsFpsdFpdFdF)2( 24)2(2)(3)(242142 由由1 1： d=18.8 d=18.8 取取d d為為1818 由由2 2： S=6.6 S=6.6 取取S

4、S為為7 7由由3 3： b=54.7 b=54.7 取取b b為為5555 由由4 4：e= 29.3 e= 29.3 取取e e為為3030 等強(qiáng)原則等強(qiáng)原則 1.3機(jī)械零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)機(jī)械零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)1.3.1 機(jī)械零件的靜強(qiáng)度機(jī)械零件的靜強(qiáng)度1.3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 0lims1.3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 1、疲勞失效及其特點(diǎn)、疲勞失效及其特點(diǎn)零件在交變應(yīng)力下發(fā)生的失效即疲勞失零件在交變應(yīng)力下發(fā)生的失效即疲勞失效效 疲勞失效的特點(diǎn)疲勞失效的特點(diǎn)1.maxB 或或 max S2. 疲勞失效的過程：裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展、斷裂疲勞失效的過程：裂紋萌生、裂

5、紋擴(kuò)展、斷裂發(fā)展的過程發(fā)展的過程3. 斷口形狀：光滑的疲勞發(fā)展區(qū)斷口形狀：光滑的疲勞發(fā)展區(qū)+粗糙的脆性斷裂區(qū)粗糙的脆性斷裂區(qū)2、交變應(yīng)力的產(chǎn)生及表征交變應(yīng)力的產(chǎn)生及表征引起變應(yīng)力的原因引起變應(yīng)力的原因1.變載荷變載荷2.零件運(yùn)動(dòng)零件運(yùn)動(dòng)變應(yīng)力種類變應(yīng)力種類穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力 1.3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 1.變載荷變載荷 例：內(nèi)燃機(jī)連桿例：內(nèi)燃機(jī)連桿2.零件運(yùn)動(dòng)零件運(yùn)動(dòng) 例：齒輪輪齒例：齒輪輪齒 2.零件運(yùn)動(dòng)零件運(yùn)動(dòng) 例：軸例：軸 2.零件運(yùn)動(dòng)零件運(yùn)動(dòng) 例：滾動(dòng)軸承例：滾動(dòng)軸承穩(wěn)定性循環(huán)變應(yīng)力應(yīng)力圖穩(wěn)定性循環(huán)變應(yīng)力

6、應(yīng)力圖minminmamaxmaxmaxaam0min對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力r =-1 脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力r =0 非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力非穩(wěn)定性循環(huán)變應(yīng)力應(yīng)力圖非穩(wěn)定性循環(huán)變應(yīng)力應(yīng)力圖周期性、規(guī)律性規(guī)律性隨機(jī)性隨機(jī)性2、交變應(yīng)力的產(chǎn)生及表征交變應(yīng)力的產(chǎn)生及表征變應(yīng)力的描述變應(yīng)力的描述(五個(gè)描述參數(shù)五個(gè)描述參數(shù)) ammaxammin2minmaxm2minmaxamaxminr應(yīng)力循環(huán)特性：1.3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 1.3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 3 3、材料的疲勞曲線、材料的疲勞曲線S-NS-N對(duì)數(shù)坐標(biāo)的疲勞曲線：有限壽命區(qū)、無(wú)限

7、壽命區(qū)對(duì)數(shù)坐標(biāo)的疲勞曲線：有限壽命區(qū)、無(wú)限壽命區(qū)1.3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 ABN0103有限壽命區(qū)有限壽命區(qū)無(wú)限壽命區(qū)無(wú)限壽命區(qū)高周疲勞高周疲勞低周疲勞低周疲勞疲勞曲線方程有限壽命疲勞方程有限壽命疲勞方程 有限壽命下的許用應(yīng)力有限壽命下的許用應(yīng)力 1.3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 CNNmrmrN0疲勞極限應(yīng)力循環(huán)基數(shù)rmrNNN0持久疲勞極限疲勞曲線方程疲勞曲線方程m：與零件的材料和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。鋼材:受彎曲應(yīng)力時(shí)m=9,受表面接觸應(yīng)力時(shí)m=6。 青銅:受彎曲應(yīng)力時(shí)m=9,受表面接觸應(yīng)力時(shí)m=8。壽命系數(shù)的意義：壽命系數(shù)的意義：用壽命系數(shù)，通過疲勞曲線方程

8、，可以計(jì)算出任意循環(huán)次數(shù)N下的疲勞極限應(yīng)力rN。1.3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 rmrNNN04 4、疲勞極限應(yīng)力圖、疲勞極限應(yīng)力圖 材料的極限應(yīng)力圖材料的極限應(yīng)力圖 圖圖1-8塑性材料的疲勞極限應(yīng)力圖塑性材料的疲勞極限應(yīng)力圖1.3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 4.4.疲勞極限應(yīng)力圖疲勞極限應(yīng)力圖 材料的極限應(yīng)力圖的簡(jiǎn)化材料的極限應(yīng)力圖的簡(jiǎn)化 塑性材料的疲勞極限應(yīng)力簡(jiǎn)化圖塑性材料的疲勞極限應(yīng)力簡(jiǎn)化圖1.3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 ABES塑性失效塑性失效區(qū)區(qū)疲勞失效疲勞失效區(qū)區(qū)1.3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 5.5.影響影響零件零件疲

9、勞極限的主要因素疲勞極限的主要因素應(yīng)力集中應(yīng)力集中零件尺寸零件尺寸 、表面質(zhì)量表面質(zhì)量提高疲勞強(qiáng)度的措施提高疲勞強(qiáng)度的措施減少應(yīng)力集中減少應(yīng)力集中 減小尺寸減小尺寸提高表面質(zhì)量提高表面質(zhì)量kkD）綜合影響系數(shù)（1.3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 6.零件的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)零件的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)名義應(yīng)力疲勞設(shè)計(jì)法名義應(yīng)力疲勞設(shè)計(jì)法 零件受對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力零件受對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力局部應(yīng)力應(yīng)變分析法、損傷容限設(shè)計(jì)法、局部應(yīng)力應(yīng)變分析法、損傷容限設(shè)計(jì)法、疲勞可靠性設(shè)計(jì)疲勞可靠性設(shè)計(jì) SScalim式（1-10）1.3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 名義應(yīng)力疲勞法名義應(yīng)力疲勞法典型應(yīng)力變化規(guī)律可

10、以歸納為典型應(yīng)力變化規(guī)律可以歸納為3種種應(yīng)力循環(huán)特性不變應(yīng)力循環(huán)特性不變 即即r=C平均應(yīng)力不變平均應(yīng)力不變 即即最小應(yīng)力保持不變最小應(yīng)力保持不變CmCmin1.3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 名義應(yīng)力疲勞設(shè)計(jì)法名義應(yīng)力疲勞設(shè)計(jì)法 r=C時(shí)時(shí)應(yīng)用特點(diǎn)：1.在零件基本結(jié)構(gòu)尺寸已知情況下，進(jìn)行的校核計(jì)算。2. 同時(shí)需要校核最大應(yīng)力和最大應(yīng)力幅安全系數(shù)。最大應(yīng)力（幅）極限值的取值與工作應(yīng)力增長(zhǎng)規(guī)律有關(guān)。最大應(yīng)力（幅）極限值的取值與工作應(yīng)力增長(zhǎng)規(guī)律有關(guān)。 SSmarmraca最大應(yīng)力（幅）極限值最大應(yīng)力（幅）極限值工作時(shí)的最大應(yīng)力工作時(shí)的最大應(yīng)力（幅）值（幅）值許用安全系數(shù)許用安全系數(shù)式式

11、1-11塑性失效塑性失效區(qū)區(qū)疲勞失效疲勞失效區(qū)區(qū)1.3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 循環(huán)特征系數(shù)循環(huán)特征系數(shù)r=Cr=C疲勞安全區(qū)疲勞安全區(qū)塑性安全區(qū)塑性安全區(qū)n1.1.按最大應(yīng)力、平均應(yīng)力或應(yīng)力幅分別計(jì)算的安全系數(shù)均相等按最大應(yīng)力、平均應(yīng)力或應(yīng)力幅分別計(jì)算的安全系數(shù)均相等n2.2.受切應(yīng)力零件的安全系數(shù)計(jì)算可類似進(jìn)行。受切應(yīng)力零件的安全系數(shù)計(jì)算可類似進(jìn)行。 SkSmaDca)(1 SSmaSca1-111-121.3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 平均應(yīng)力平均應(yīng)力m=m=常數(shù)常數(shù) P17P17 表表1-11-1疲勞安全區(qū)疲勞安全區(qū)塑性安全區(qū)塑性安全區(qū) SSmaSca S

12、kkSmaDmaDca)()()(1 SkSaDma)(11.3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 最小應(yīng)力最小應(yīng)力min=min=常數(shù)常數(shù)名義應(yīng)力疲勞設(shè)計(jì)法進(jìn)行校核時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問題：名義應(yīng)力疲勞設(shè)計(jì)法進(jìn)行校核時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問題：1.1.無(wú)法判斷應(yīng)力增長(zhǎng)規(guī)律時(shí)，一般采用無(wú)法判斷應(yīng)力增長(zhǎng)規(guī)律時(shí)，一般采用r=r=常數(shù)的規(guī)律計(jì)常數(shù)的規(guī)律計(jì)算。算。2.2.要同時(shí)校核最大應(yīng)力和最大應(yīng)力幅兩種安全系數(shù)，均要同時(shí)校核最大應(yīng)力和最大應(yīng)力幅兩種安全系數(shù)，均要滿足要求。要滿足要求。3.3.注意判斷工作點(diǎn)在疲勞極限應(yīng)力圖中的位置，選擇正注意判斷工作點(diǎn)在疲勞極限應(yīng)力圖中的位置，選擇正確的公式計(jì)算安全系數(shù)。確的

13、公式計(jì)算安全系數(shù)。1.3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 7、疲勞損傷累積理論、疲勞損傷累積理論基本思想：損傷逐漸累積和線性疊加基本思想：損傷逐漸累積和線性疊加達(dá)到疲勞極限時(shí)，線性疲勞損傷累積的壽命損傷率達(dá)到疲勞極限時(shí)，線性疲勞損傷累積的壽命損傷率12211nnNnNnNn式（1-14）其中：ni應(yīng)力i對(duì)應(yīng)的工作循環(huán)次數(shù)；Ni應(yīng)力i對(duì)應(yīng)的發(fā)生疲勞破環(huán)時(shí)的循環(huán)次數(shù)。1.1.計(jì)算的基本思路：計(jì)算的基本思路：將非穩(wěn)定變應(yīng)力的作用轉(zhuǎn)化為等效穩(wěn)將非穩(wěn)定變應(yīng)力的作用轉(zhuǎn)化為等效穩(wěn)定變應(yīng)力，然后按照穩(wěn)定變應(yīng)力的方法進(jìn)行處理。定變應(yīng)力，然后按照穩(wěn)定變應(yīng)力的方法進(jìn)行處理。2.2.等效應(yīng)力等效應(yīng)力V V的選

14、?。旱倪x?。悍欠€(wěn)定變應(yīng)力中的最大值或作用非穩(wěn)定變應(yīng)力中的最大值或作用時(shí)間最長(zhǎng)的應(yīng)力時(shí)間最長(zhǎng)的應(yīng)力3.3.等效循環(huán)次數(shù)的計(jì)算：等效循環(huán)次數(shù)的計(jì)算：inimViVnN1)(4.4.等效循環(huán)次數(shù)下的對(duì)稱循環(huán)有限壽命疲勞極限：等效循環(huán)次數(shù)下的對(duì)稱循環(huán)有限壽命疲勞極限：5.5.安全系數(shù)計(jì)算：安全系數(shù)計(jì)算：101mVVNN式（1-16）1.3.2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度 7、疲勞損傷累積理論、疲勞損傷累積理論機(jī)械零件常用材料機(jī)械零件常用材料金屬材料金屬材料高分子材料高分子材料陶瓷材料陶瓷材料復(fù)合材料復(fù)合材料機(jī)械零件材料選擇原則機(jī)械零件材料選擇原則使用功能使用功能加工工藝加工工藝經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性1.4機(jī)械零件的材料選擇機(jī)械零件的材料選擇1.5機(jī)械零部件的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械零部件的標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化有利于提高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化有利于提高質(zhì)量,降低成本降低成本機(jī)械零件標(biāo)準(zhǔn)：機(jī)械零件標(biāo)準(zhǔn)：螺栓、滾動(dòng)軸承等螺栓、滾動(dòng)軸承等“三化三化”-標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化標(biāo)準(zhǔn)化、