西工大機械設計完整版（課堂PPT）

1、zpofrp 2013-10-231 本章論述了機械設計課程教學內容總綱、設計基本知識和一些共性問題。一、一、機械（機器）的組成二、機械設計步驟三、零件的設計步驟四、課程的主要內容五、課程的特點六、學習要求七、達到的水平（國家教委制定）zpofrp 2013-10-232我們以洗衣機為例，來說明機械的組成：電動機進水排水渦輪皮帶傳動控制部分：正轉時間 反轉時間圖1 洗衣機機構示意圖圖2 機械（機器）的組成（按功能分）原動機傳動機工作機輔助系統(tǒng)控制系統(tǒng)zpofrp 2013-10-233 原動機部分原動機部分是驅動整部機器以完成預定功能的動力源； 執(zhí)行部分執(zhí)行部分是用來完成機器預定功能的組成部分

2、； 傳動部分傳動部分是把原動機的運動形式、運動及動力參數(shù)轉變?yōu)閳?zhí)行部分所需的運動形式、運動及動力參數(shù)。 以上是從功能上分析機械的組成，下面從結構上看：零件：是機械的制造單元，機器的基本組成要素就是機械零件。部件：按共同的用途組合起來的獨立制造或獨立裝配的組合體。 如減速器、離合器等。按大小來分：機械（機器）部 件零 件圖3 機械（機器）的組成（按大小分）zpofrp 2013-10-234計劃階段計劃階段提出要求洗衣機自動進水洗 滌甩干（脫水）方案設計方案設計提出盡可能多的解決方法篩選、決策、評價（可靠性、經濟上），選出最佳方案。單 缸雙 缸滾 筒模糊控制自適應控制雙?？刂萍夹g設計技術設計目的

3、：確定機械中各個零部件的結構尺寸（量化）繪圖、對方案具體實施，出圖。技術文件編制技術文件編制：編制設計計算說明書。zpofrp 2013-10-235三、零件的設計步驟三、零件的設計步驟失效的定義：在正常的工作條件下，機械零件喪失工作能力或達不到工作性能要求時，就稱為零件失效。 minlimS yy 機械零件的失效形式整體斷裂過大的殘余變形腐蝕、磨損和接觸疲勞機械零件的工作能力強度剛度機械零件計算準則強度準則：剛度準則：壽命準則：（表示耐磨程度）壽命（耐磨性、耐腐蝕性）zpofrp 2013-10-236 下面我們以設計千斤頂立柱為例，來說明機械零件的設計步驟：dl車自重W=2000kg=2噸

4、s為屈服極限min24SdWs由此可求出d；其中Smin根據(jù)工作環(huán)境來定。zpofrp 2013-10-237 機械零件的設計大體要經過以下幾個步驟： 1、載荷分析（受力分析）：W 2、應力分析：24dWs Wd43、失效分析：斷裂4、材料的選擇：45#鋼、40Crs（手冊查到）5、確定計算準則：（依據(jù)防止斷裂失效）6、計算零件的主要尺寸： 7、結構設計l：（根據(jù)人體的情況，操作情況）其他尺寸 8、制圖：設計最后都是用圖紙來表達，然后拿到工廠去加工。 這不僅是零件設計的一般步驟，而且也是講課的順序。zpofrp 2013-10-238四課程的主要內容四課程的主要內容 概括地說，機械零件可以分為

5、兩大類：本書討論的具體內容是：（設計方法、步驟、原理） 1） 傳動部分帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動以及螺旋傳動等； 2） 聯(lián)接部分螺紋聯(lián)接，鍵、花鍵及無鍵聯(lián)接，銷釘聯(lián)接，鉚接、焊接、膠接與過盈配合聯(lián)接等； 3） 軸系部分滑動軸承、滾動軸承、聯(lián)軸器與離合器以及軸等； 4） 其他部分彈簧、機座與箱體、減速器等；零件通用零件專用零件傳動件連接件軸系件其 他（如螺釘、齒輪、鏈輪等）zpofrp 2013-10-239五、特點五、特點1、實踐性比較強。理論性差一些，經驗、半經驗公式，實驗得出比較多；理論推導出的比較少，答案不唯一。2、綜合性比較強。 受力分析 理論力學 應力分析 材料力學 材料選擇

6、 材料與熱處理3、承上啟下的作用。它是最后一門專業(yè)基礎課，起到承接基礎課和專業(yè)課的橋梁作用。疲勞強度理論摩擦、磨損與潤滑基本理論zpofrp 2013-10-2310六、要求六、要求 以聽課為主，自學為輔，考試內容以講課和要求自學的為主，答疑兩周一次，具體時間待定。考核 20%+80% 平時作業(yè)質量、出席情況、實驗數(shù)目占20%，期末考試占80%，要求課內：課外用時是1：2。七、水平七、水平1）掌握通用機械零件的設計原理、方法和機械設計的一般規(guī)律，具有設計機械傳動裝置和簡單機械的能力；2）樹立正確的設計思想，了解國家當前的有關技術經濟政策；3）具有運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊和查閱有關技術資料的能

7、力；機械設計手冊其中的一個標準是查手冊的能力；4）掌握典型機械零件的實驗方法，獲得實驗技術的基本訓練；5）對機械設計的新發(fā)展有所了解。zpofrp 2013-10-23111、機器的基本組成要素是什么？2、什么是通用零件？什么是專用零件？試各舉三個實例？3、一臺完整的機器通常是由哪些基本部分組成？各部分的作用是什么？4、機械零件有哪些主要的失效形式？5、機械零件常用的有哪些計算準則？它們是針對什么失效形式而建立的？6、機械零件設計的一般步驟有哪些？ 第一章結束習習 題題zpofrp 2013-10-2312一、變應力的分類二、變應力參數(shù)三、幾種特殊的變應力四、疲勞曲線（對稱循環(huán)變應力的N曲線）

8、五、（非對稱循環(huán)變應力的）極限應力圖六、影響疲勞強度的因素七、不穩(wěn)定變應力的強度計算八、復合應力狀態(tài)下的強度計算（彎扭聯(lián)合作用）zpofrp 2013-10-2313周期時間ta）穩(wěn)定循環(huán)變應力a）隨時間按一定規(guī)律周期性變化，而且變化幅度保持常數(shù)的變應力稱為穩(wěn)定循環(huán)變應力。如圖2-1a所示。變應力循環(huán)變應力（周期）穩(wěn)定不穩(wěn)定循環(huán)變應力簡單復合對 稱脈 動非對稱隨機變應力（非周期）zpofrp 2013-10-2314周 期tb）不穩(wěn)定循環(huán)變應力尖峰應力C）隨機變應力圖2-1變應力的分類b）若變化幅度也是按一定規(guī)律周期性變化如圖2-1b所示，則稱為不穩(wěn)定循環(huán)變應力。c）如果變化不呈周期性，而帶有

9、偶然性，則稱為隨機變應力，如圖2-1c所示。zpofrp 2013-10-2315 圖2-2給出了一般情況下穩(wěn)定循環(huán)變應力譜的應力變化規(guī)律。a0tmaxmmina0tmaxmmin圖2-2穩(wěn)定循環(huán)變應力 圖2-2給出了一般情況下穩(wěn)定循環(huán)變應力譜的應力變化規(guī)律。零件受周期性的最大應力max及最小應力min作用，其應力幅為a，平均應力為m，它們之間的關系為zpofrp 2013-10-2316規(guī)定：1、a總為正值； 2、a的符號要與m的符號保持一致。其中：max變應力最大值；min變應力最小值；m平均應力； a應力幅；r循環(huán)特性，-1 r +1。 由此可以看出，一種變應力的狀況，一般地可由max、

10、min、m、a及r五個參數(shù)中的任意兩個來確定。maxminminmaxminmaxminmax22ramamama0tmaxmmina0tmaxmmin圖2-2穩(wěn)定循環(huán)變應力zpofrp 2013-10-2317三、幾種特殊的變應力三、幾種特殊的變應力 特殊點：0tm靜應力max=min=ma=0r=+10tmaxmin對稱循環(huán)變應力max=min=am=0r=-10tmaxmmin脈動循環(huán)變應力min=0a=m=max/2r=0 不屬于上述三類的應力稱為非對稱循環(huán)應力，其r在+1與-1之間，它可看作是由第一類（靜應力）和第二類（對稱循環(huán)應力）疊加而成。zpofrp 2013-10-2318例

11、例1 已知：max=200N/mm2，r =0.5，求：min、a、m。解：1002005 . 0maxminr5021002002minmaxinmaxaa0tmaxmmin20050-100zpofrp 2013-10-2319例2 已知：a= 80N/mm2，m=40N/mm2 求：max、min、r、繪圖。解：120)80(40maxam40)80(40minam3112040maxminra0tmaxmmin40-40-120zpofrp 2013-10-2320例3 已知：A截面產生max=400N/mm2，min=100N/mm2 求：a、m，r。FaF

12、aFraAFrMb彎曲應力25025021004002minmaxinmaxm25. 041400100maxminra0tm100-150-4000ta0tm= 穩(wěn)定循環(huán)變應力R=1對稱循環(huán)R=1靜應力解：zpofrp 2013-10-2321例4 如圖示旋轉軸，求截面A上max、min、a、m及r。Pr=6000APx=3000Nd=50150l=300b彎曲應力23336504 . 030060003222mmNdlPWMrb222528.mNdPxc解：Pr A：對稱循環(huán)變應力Px A：靜壓力zpofrp 2013-10-2322 5

13、28.37maxcbcb472.34mincbcb36ba528. 1cm919. 0r=0tbPr（對稱循環(huán)）0tcPx（靜應力）a0tm34.472-3636-1.528-37.528合成后（穩(wěn)定循環(huán)變應力）zpofrp 2013-10-2323第二章第二章 機械零件的疲勞強度計算（習題）機械零件的疲勞強度計算（習題）一、選擇題1、機械設計課程研究的內容只限于 。（1）專用零件和部件；（2）在高速、高壓、環(huán)境溫度過高或過低等特殊條件下工作的以及尺寸特大或特小的通用零件和部件；（3）在普通工作條件下工作的一般參數(shù)的通用零件和部件；（4）標準化的零件和部件。2、下列四種敘述中 是正確的。（1）

14、變應力只能由變載荷產生；（2）靜載荷不能產生變應力；（3）變應力是由靜載荷產生；（4）變應力是由變載荷產生，也可能由靜載荷產生。34zpofrp 2013-10-23243、發(fā)動機連桿橫截面上的應力變化規(guī)律如圖所示，則該變應力的應力比r為 。（1）0.24；（2）-0.24；（3）-4.17；（4）4.17。4、發(fā)動機連桿橫截面上的應力變化規(guī)律如題3圖所示，則其應力幅a和平均應力m分別為 。（1）a = 80.6Mpa，m = 49.4Mpa；（2）a = 80.6Mpa，m = -49.4Mpa；（3）a = 49.4Mpa，m = 80.6Mpa；（4）a = 49.4Mpa，m = 80

15、.6Mpa。5、變應力特性max、min、m、a及r等五個參數(shù)中的任意 來描述。（1）一個；（2）兩個；（3）三個；（4）四個。t31.2N/mm2-130N/mm20222zpofrp 2013-10-23256、機械零件的強度條件可以寫成 。（1） ， 或 ，（2） ， 或 ，（3） ， 或 ，（4） ， 或 ，7、一直徑d=18mm的等截面直桿， 桿長為800mm，受靜拉力F=36kN，桿材料的屈服點s=270Mpa， 取許用安全系數(shù)S=1.8， 則該桿的強度 。（1）不足；（2）剛好滿足要求；（3）足夠。8、在進行疲勞強度計算時，其極限應力應為材料的 。（1）屈服點；（2）疲勞極限；（

16、3）強度極限：（4）彈性極限。二、分析與思考題1、什么是變應力的應力比r？靜應力、脈動循環(huán)變應力和對稱循環(huán)變應力的r值各是多少？ SS SS SS SS SS SS SS SS maxminr332 靜應力r靜=1 ； 脈動循環(huán)r脈=0 ；對稱循環(huán)變應力r=-1 。解：zpofrp 2013-10-23262、圖示各應力隨時間變化的圖形分別表示什么類型的應力？它們的應力比分別是多少？0tmax0tmaxmm inaa)b)0tmaxmmin=0a0tmaxam=0c)d)解：a）靜應力r=1；b）非對稱（或穩(wěn)定）循環(huán)變應力 0 r +1；c）脈動循環(huán)r = 0；d）對稱循環(huán)r=1。zpofrp

17、 2013-10-2327四、疲勞曲線（對稱循環(huán)變應力的四、疲勞曲線（對稱循環(huán)變應力的 N曲線）曲線）疲勞曲線的定義：表示應力循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限的關系曲線。a大N小a中N中a小N大rrrFFFFr312321rrrNNNN21Frzpofrp 2013-10-2328 曲線上各點表示在相應的循環(huán)次數(shù)下，不產生疲勞失效的最大應力值，即疲勞極限應力。從圖上可以看出，應力愈高，則產生疲勞失效的循環(huán)次數(shù)愈少。 在作材料試驗時，常取一規(guī)定的應力循環(huán)次數(shù)N0，稱為循環(huán)基數(shù)，把相應于這一循環(huán)次數(shù)的疲勞極限，稱為材料的持久疲勞極限，記為1（或r）。有限壽命區(qū)N0N3N2N1-1321Nr=1無限壽命區(qū)lgN

18、0lgNa）為線性坐標上的疲勞曲線；b）為對數(shù)坐標上的疲勞曲線圖2 疲勞曲線（N）zpofrp 2013-10-2329 疲勞曲線可分成兩個區(qū)域：有限壽命區(qū)和無限壽命區(qū)。所謂“無限”壽命，是指零件承受的變應力水平低于或等于材料的疲勞極限1，工作應力總循環(huán)次數(shù)可大于N0，零件將永遠不會產生破壞。 在有限壽命區(qū)的疲勞曲線上，NN0所對應的各點的應力值，為有限壽命條件下的疲勞極限。 對低碳鋼而言，循環(huán)基數(shù)N0=106107； 對合金鋼及有色金屬，循環(huán)基數(shù)N0=108或（5108）；變應力與在此應力作用下斷裂時的循環(huán)次數(shù)N之間有以下關系式：CNmN1此式稱為疲勞曲線方程（或N曲線方程）。其中：1N r

19、=-1時有限壽命疲勞極限應力； N 與1N對應的循環(huán)次數(shù)； m 與材料有關的指數(shù)； C 實驗常數(shù)；(m、c根據(jù)實驗數(shù)據(jù)通過數(shù)理統(tǒng)計得到)。zpofrp 2013-10-2330 1 r=-1時持久疲勞極限應力； N0 循環(huán)基數(shù)； 由上式，對于不同的應力水平，可寫出下式：011NNmmN1011NmNkNNmNNNk0min1SSaN因而材料的有限壽命（即壽命為N時）的疲勞極限1N則為： 利用上式，可求得不同循環(huán)次數(shù)N時的疲勞極限值1N，kN稱為壽命系數(shù)。zpofrp 2013-10-2331例題2-1： 某零件采用塑性材料，1=268N/mm2（N0=107，m=9），當工作應力max=240

20、 （或300）N/mm2，r=1，試按下述條件求材料的疲勞極限應力，并在N曲線上定性標出極限應力點和工作應力點，Sca。 （1）N=N0 （2）N=106解：1011NmNkNN2967 max621 max0/346101026810/268mmNNmmNNN12. 124026824011aNcaS44. 1240346caSzpofrp 2013-10-2332 N0=107N=106-1=268300346N240300max15. 1300346106caSN89. 03002680caSNN當 時：將會失效。zpofrp 2013-10-2333五、（非對稱循環(huán)變應力的）極限應力圖

21、五、（非對稱循環(huán)變應力的）極限應力圖 以上所討論的N曲線，是指對稱應力時的失效規(guī)律。對于非對稱的變應力，必須考慮循環(huán)特性r對疲勞失效的影響。 在作材料試驗時，通常是求出對稱循環(huán)及脈動循環(huán)的疲勞極限1及0，把這兩個極限應力標在ma坐標上（圖2-3）。0/2s04545amADGC-10/2圖3材料的極限應力線圖 由于對稱循環(huán)變應力的平均應力m=0，最大應力等于應力幅，所以對稱循環(huán)疲勞極限在圖中以縱坐標軸上的A點來表示。 由于脈動循環(huán)變應力的平均應力及應力幅均為m=a=0/2，所以脈動循環(huán)疲勞極限以由原點0所作45射線上的D點來表示。zpofrp 2013-10-2334 連接A、D得直線AD。由

22、于這條直線與不同循環(huán)特性時進行試驗所求得的疲勞極限應力曲線非常接近，所以直線AD上任何一點都代表了一定循環(huán)特性時的疲勞極限。 橫軸上任何一點都代表應力幅等于零的應力，即靜應力。取C點的坐標值等于材料的屈服極限s，并自C點作一直線與直線C0成45夾角，交AD延長線于G，則CG上任何一點均代表 的變應力狀況。sammax-10/2s04545amADGC0/2圖3 材料的極限應力線圖0/2s045amADGC-1e=-1/K0/2K圖4 零件的極限應力線圖 于是，零件材料（試件）的極限應力曲線即為折線AGC。材料中發(fā)生的應力如處于OAGC區(qū)域以內，則表示不發(fā)生破壞； 直線AG的方程，由已知兩點坐標

23、A（0，1）及D（0/2，0/2）求得為（疲勞區(qū)）：zpofrp 2013-10-2335 001 12ma0012 1ma=0t-10ta0tmsam 令試件的材料特性（等效系數(shù)、折算系數(shù)）；直線GC方程為（靜強度區(qū)）：zpofrp 2013-10-2336 下面推導非對稱循環(huán)變應力時機械零件的疲勞強度計算式： 在極限應力線圖的坐標上即可標示出相應于m及a的一個工作應力點M（或者N）見圖5。0amADGCmaMN圖5 零件的工作應力在極限應力線圖坐標上的位置 顯然，強度計算時所用的極限應力應是零件的極限應力曲線（AGC）上的某一個點所代表的應力。到底用哪一個點來表示極限應力才算合適，這要根據(jù)

24、應力的變化規(guī)律來決定。 可能發(fā)生的典型應力變化規(guī)律通常有下述三種：zpofrp 2013-10-2337a） 變應力的循環(huán)特性保持不變，即r=C（例如絕大多數(shù)轉軸中的應力狀態(tài)）；Fr0tr=C0tm=Cm=CGFb） 變應力的平均應力保持不變，即m=C（例如振動著的受載彈簧中的應力狀態(tài)）；zpofrp 2013-10-2338C）變應力的最小應力保持不變，即min=C（例如緊螺栓聯(lián)接中螺栓受軸向變載時的應力狀態(tài)）。P = 0a0tmin=Cmin 以下分別討論這三種情況：1、r=C的情況 當r=C時，需找到一個循環(huán)特性與工作應力點的循環(huán)特性相同的極限應力值。因為：zpofrp 2013-10-

25、2339 因此，在圖6中，從坐標原點引射線通過工作應力點M（或N），與極限應力曲線交于M1（或N1），得到0M1（或0N1），則在此射線上任何一個點所代表的應力循環(huán)都具有相同的循環(huán)特性。 1122maxminmaxmaxminmaxminmaxminmaxCrrtgma0amADGCma MNM1N1圖6 r = C時的極限應力 聯(lián)解OM及AG兩直線的方程式，可以求出M1點的坐標值m及a，把它們加起來，就可以求出對應于M點的試件的極限應力max：zpofrp 2013-10-2340 于是，安全系數(shù)計算值Sca及強度條件為：maamma1 maxmin1 maxmax maxSSmaamcam

26、inmaxlimSSmassca 對應于N點的極限應力點N1位于直線CG上。此時的極限應力即為屈服極限s。這就是說，工作應力為N點時，首先可能發(fā)生的是屈服失效，故只需進行靜強度計算，其強度計算式為： 分析圖6得知，凡是工作應力點位于OGC區(qū)域內時，在循環(huán)特性等于常數(shù)的條件下，極限應力統(tǒng)為屈服極限，都只需進行靜強度計算。zpofrp 2013-10-23412、m=C的情況 當m=C時，需找到一個其平均應力與工作應力的平均應力相同的極限應力。在圖7中，通過M（或N）點作縱軸的平行線MM2（或NN2），則此線上任何一點代表的應力循環(huán)都具有相同的平均應力值。0amADGCMNM2 N2 H圖7 m=

27、C時的極限應力zpofrp 2013-10-23423、min=C的情況 當min=C時，需找到一個其最小應力與工作應力的最小應力相同的極限應力。Cammin0amADGCMNM3N3I45minMminN圖8 min=C時的極限應力 因此在圖8中，通過M（或N）點，作與橫坐標軸夾角為45的直線，則此直線上任何一個點所代表的應力均具有相同的最小應力。zpofrp 2013-10-2343六、影響疲勞強度的因素六、影響疲勞強度的因素1、應力集中的影響定義：幾何形狀突然變化產生的應力。零件上的應力集中源如鍵槽、過渡圓角、小孔等以及刀口劃痕存在，使疲勞強度降低。計算時用應力集中系數(shù)k（見表1-2、3

28、、4）。2、尺寸與形狀的影響 尺寸效應對疲勞強度的影響，用尺寸系數(shù)來考慮。 尺寸與形狀系數(shù)，見表1-5；zpofrp 2013-10-23443、表面質量的影響 表面粗糙度越低，應力集中越小，疲勞強度也越高。 表面質量系數(shù)，見表1-6、8 以上三個系數(shù)都是對極限應力有所削弱的。4、表面強化的影響 可以大幅度地提高零件的疲勞強度，延長零件的疲勞壽命。計算時用強化系數(shù)q考慮其影響。 q強化系數(shù)，可以加大極限應力， 見表1-7 。 由于零件的幾何形狀的變化，尺寸大小、加工質量及強化因素等的影響，使得零件的疲勞強度極限要小于材料試件的疲勞極限。我們用疲勞強度的綜合影響系數(shù)K來考慮其影響。zpofrp

29、2013-10-2345 kK零件的強度計算式試件min1min1SKkSSkSaNcaaNca零件試件min1min1SKSSSmacamaca對稱循環(huán)變應力非對稱循環(huán)變應力 （r = C）zpofrp 2013-10-2346實驗、試件 d=10mm，光桿。04545amADGC45試件零件-1-1/K(0/2,0/2)(0/2,0/2K)試件：零件：zpofrp 2013-10-2347例2-2: 一鉻鎳合金鋼，-1=460N/mm2，s=920N/mm2。試繪制此材料試件的簡化的m a極限應力圖。解：按合金鋼，=0.20.3，取=0.2，由式（29a）得：0012210/7662 .

30、01460212mmNm0/2=383s=920045135aADGC圖2-10 一鉻鎳合金鋼的m a極限應力圖0/2=383-1如圖2-10所示，取D點坐標為(0/2=383, 0/2=383)，A點坐標為(0, -1=460)。過C點(s=920, 0)與橫坐標成135 作直線，與AD的延長線相交于G，則直線化的極限應力圖為ADG。zpofrp 2013-10-2348例2-3： 在圖2-10的極限應力圖中，求r=-0.4時的a和m值。33. 24 . 014 . 0111rrtgma0406633. 2mmatg1ma12 . 0460mma22/182,/424mmNmmNmam0/2

31、=383s=920045135aADGCM(182,424)6640圖2-10 一鉻鎳合金鋼的m a極限應力圖0/2=383-1從而得又由式（3-9a）：得聯(lián)立以上兩式解得：即圖上M點。解：由式（2-8）得：zpofrp 2013-10-2349 作業(yè)：1-1、1-2、1-5 習題分析：0amADGCMNM2N2H疲勞區(qū)靜 強 度區(qū)minSSCrmascamascamSCmin1SKSmaca靜強度區(qū)：疲勞區(qū)：如果工作應力點在極限應力曲線以內，說明零件是合格，不會失效。zpofrp 2013-10-2350七、不穩(wěn)定變應力的強度計算七、不穩(wěn)定變應力的強度計算1應力譜1nn1n2n3232311

32、23tn1n2n3圖2-9不穩(wěn)定變應力示意圖zpofrp 2013-10-2351 圖2-9為一不穩(wěn)定變應力的示意圖。變應力1（對稱循環(huán)變應力的最大應力，或不對稱循環(huán)變應力的等效對稱循環(huán)變應力的應力幅）作用了n1次，2作用了n2次，等等。2、疲勞損傷累積假說曼耐爾（Miners rule法則）a）金屬材料在一定變應力作用下都有一定壽命；b）每增加一次過載的應力（超過材料的持久疲勞極限），就對材料造成一定的損傷，當這些損傷的逐漸積累其總和達到其壽命相當?shù)膲勖鼤r，材料即造成破壞；c）小于持久疲勞極限，不會對材料造成損傷；d）變應力大小作用的次序對損傷沒有多大影響。zpofrp 2013-10-23

33、52 把圖2-9中所示的應力圖放在材料的N坐標上，如圖2-10所示。根據(jù)N曲線，可以找出僅有1作用時使材料發(fā)生疲勞破壞的應力循環(huán)次數(shù)N1。假使應力每循環(huán)一次都對材料的破壞起相同的作用，則應力1每循環(huán)一次對材料的損傷率即為1/N1，而循環(huán)了n1次的1對材料的損傷率即為n1/N1。如此類推，循環(huán)n2次的2對材料的損傷率為n2/N2，。%10011Nn%10022Nn%10033Nn%10011N%10011NN123n1n2n3N1 N2 N3N0圖2-10 不穩(wěn)定變應力在N坐標上Nzpofrp 2013-10-2353 因為當損傷率達到100%時，材料即發(fā)生疲勞破壞，故對應于極限狀況有：%100

34、%100%100%100332211NnNnNn是極限狀態(tài)1332211NnNnNn一般地寫成：11ziiiNn 上式是疲勞損傷線性累積假說的數(shù)學表達式。自從此假說提出后，曾作了大量的試驗研究，以驗證此假說的正確性。試驗表明，當各個作用的應力幅無巨大的差別時，這個規(guī)律是正確的。zpofrp 2013-10-2354 當各級應力是先作用最大的，然后依次降低時，上式中的等號右邊將不等于1，而小于1（起斷裂作用）; 當各級應力是先作用最小的，然后依次升高時，則式中等號右邊要大于1（起強化作用）。 通過大量的試驗，可以有以下的關系：2 . 27 . 01ziiiNn說明Miner法則有一定的局限性。z

35、pofrp 2013-10-23553疲勞強度計算 不穩(wěn)定應力，尋找相當應力，穩(wěn)定應力。；感興趣，回去自己推導講這種情況；一般是已知的，我們只eeeeNNNnnn10332211零件試件min110SKSSNecaecae零件試件min1111111SKKSKSNNcaNcaezpofrp 2013-10-2356 如果材料在上述應力作用下還未達到破壞，則上式變?yōu)椋?iiNn1imiimiNnCNimi01NNmimi101Nnmimi將上式的分子、分母同乘以im，則：又因為 ，所以：將上式代入式得：zpofrp 2013-10-2357 上式又可變形為：101miminN1101011smm

36、iimimieknNnNmmiisnNk101上式右邊根號部分表示了變應力參數(shù)的變化情況。令：其中，ks為應力折算系數(shù)； 1為任選，一般取最大工作應力或循環(huán)次數(shù)最多的應力作為計算的基本應力。 引入ks后，則安全系數(shù)計算值Sca及強度條件則為：zpofrp 2013-10-2358例題：45號鋼經過調質后的性能為：-1=307Mpa，m=9，N0=5106?，F(xiàn)以此材料作試件進行試驗，以對稱循環(huán)變應力1=500Mpa作用104次，2=400Mpa作用105次，試計算該試件在此條件下的安全系數(shù)計算值。若以后再以3=350Mpa作用于試件，還能再循環(huán)多少次才會使試件破壞？解：根據(jù)式（2-46）：0mi

37、n111,NSkKKSeseca54. 050040010500500101051199594610mmiisnNk14. 150054. 030711scakS根據(jù)式（2-47），試件的安全系數(shù)計算值為：zpofrp 2013-10-2359又根據(jù)式（2-19）：6961101100625. 0500307105mNN69621021047. 0400307105mNN69631031055. 1350307105mNNzpofrp 2013-10-2360若要使試件破壞，則由式（2-42）得：11055. 11047. 010100625. 010636564n66564631097. 0

38、1047. 010100625. 01011055. 1n即該試件在3=350Mpa的對稱循環(huán)變應力的作用下，估計尚可再承受0.97106次應力循環(huán)。zpofrp 2013-10-2361八、復合應力狀態(tài)下的強度計算（彎曲、扭轉聯(lián)合作用）八、復合應力狀態(tài)下的強度計算（彎曲、扭轉聯(lián)合作用） 對于試件在彎曲扭轉聯(lián)合作用的交變應力下進行疲勞試驗時，其數(shù)據(jù)基本上符合圖2-11中橢圓弧的規(guī)律。其疲勞破壞條件可近似地直接用橢圓方程表示：a-10a-1m(a,a)n(a,a)AB圖2-11 復合應力時的極限應力線圖12121aa對于鋼材，經過試驗得出的極限應力關系式為：zpofrp 2013-10-2362

39、 由于是對稱循環(huán)變應力，故應力幅即為最大應力。圓弧AmB上任何一個點即代表一對極限應力a及a。如果作用于零件上的應力幅a及a在坐標上用n表示，引直線on與AB交于m點，則安全系數(shù)計算值S為：aaaaonomS12121aaaaaa將式（1）變形為：zpofrp 2013-10-2363則：122SSSSmin22SSSSSS其中，S只有正應力作用下的安全系數(shù)計算值； S只有剪應力作用下的安全系數(shù)計算值； S復合應力作用下的安全系數(shù)計算值；亦即解決了簡單和復合的問題。zpofrp 2013-10-2364總總 結結1、在解決變應力下零件的強度問題叫疲勞強度。 零件里通常作用的都是變應力，所以其應

40、用更為廣泛。2、疲勞強度和哪些因素有關 = f（N，r，K，材料，形式） 疲勞強度比靜強度復雜得多。3三大理論一假說： 疲勞曲線解決對稱循環(huán)變應力的強度計算問題； 極限應力圖對稱非對稱的關系； 復合極限應力圖復合和簡單應力的關系； Miner法則穩(wěn)定和非穩(wěn)定應力的關系；zpofrp 2013-10-23654強度計算式變應力穩(wěn)定不穩(wěn)定簡單復合對 稱非對稱SSKKSaN,min1maKS1CmCmin22SSSSSmin11SkKSsCr zpofrp 2013-10-2366例題：一零件采用塑性材料-1=275Mpa（N0=106，m=9），K=11）當作用一工作應力1，n1=4103（N1=

41、8103）后，又作用一工作應力2=275Mpa，試求其工作壽命n2=?2）當作用1=410Mpa，n1=4103后，若使n2=106，則工作應力2=?3）若工作應力1=410Mpa，n1=4103，2=275Mpa，n2=5105求：S（安全系數(shù)）。解：1）這屬于不穩(wěn)定變應力下的強度計算問題，應用疲勞損傷累積假說的數(shù)學表達式。1iiNn12211NnNn110108104,623302nNN52105nzpofrp 2013-10-23672）1iiNn1, 101NnNnmimiimiimi1102751010275104410696926939MPa2 .270205. 1410639.

42、0127511skKS639. 01054102751041011959362110miimisnNk3）zpofrp 2013-10-2368第二章第二章 機械零件的疲勞強度設計（習題續(xù)）機械零件的疲勞強度設計（習題續(xù)）一、選擇題一、選擇題2-145鋼的持久疲勞極限-1=270Mpa，設疲勞曲線方程的冪指數(shù)m=9，應力循環(huán)基數(shù)N0=5106次，當實際應力循環(huán)次數(shù)N=104次時，有限壽命疲勞極限為 Mpa。（1）539； （2）135； （3）175； （4）417；2-2零件表面經淬火、滲氮、噴丸、滾子碾壓等處理后，其疲勞強度 。（1）增高 （2）降低 （3）不變 （4）增高或降低視處理方法

43、而定2-3影響零件疲勞強度的綜合影響系數(shù)K與 等因素有關。（1）零件的應力集中、加工方法、過載；（2）零件的應力循環(huán)特性、應力集中、加載狀態(tài)；（3）零件的表面狀態(tài)、絕對尺寸、應力集中；（4）零件的材料、熱處理方法、絕對尺寸。113zpofrp 2013-10-23692-4 繪制設計零件的ma極限應力簡圖時， 所必須的已知數(shù)據(jù)是 。（1）-1，0，s，k；（2）-1，0，s，K;（3）-1，s，K;（4）-1，0，K;2-5在圖示設計零件的ma極限應力簡圖中，如工作應力點M所在的0N線與橫軸間夾角=45，則該零件受的是 。（1）不變號的不對稱循環(huán)變應力；（2）變號的不對稱循環(huán)變應力；（3）脈動

44、循環(huán)變應力；（4）對稱循環(huán)變應力；045135amANGCM23zpofrp 2013-10-23702-6在題2-5圖所示零件的極限應力簡圖中，如工作應力點M所在的0N線與橫軸之間的夾角=90時，則該零件受的是 。（1）脈動循環(huán)變應力；（2）對稱循環(huán)變應力；（3）變號的不對稱循環(huán)變應力；（4）不變號的不對稱循環(huán)變應力；2-7已知一零件的最大工作應力max=180Mpa，最小工作應力min=-80Mpa。則在圖示的極限應力簡圖中，該應力點M與原點的連線0M與橫軸間的夾角為 。（1）685744；（2）21215；（3）66215；（4）742833；0135amANGCM(m,a)21zpof

45、rp 2013-10-23712-8在圖示零件的極限應力簡圖上，M為零件的工作應力點，若加載于零件的過程中保持最小應力min為常數(shù)。則該零件的極限應力點應為 。（1）M1；（2）M2；（3）M3（4）M4；2-9在上題中若對零件加載的過程中保持應力比r等于常數(shù)。則該零件的極限應力點應為 。（1）M1；（2）M2；（3）M3（4）M4；045135amAGCM45M1M2M3M423zpofrp 2013-10-23722-102-8題中若對零件加載的過程中保持平均應力m等于常數(shù)。則該零件的極限應力點應為 。（1）M1；（2）M2；（3）M3（4）M4；2-11零件的材料為45鋼，b=600Mp

46、a，s=355Mpa，-1=270Mpa，=0.2，零件的疲勞強度綜合影響系數(shù)K=1.4。則在圖示的零件極限應力簡圖中角為 。（1）365535；（2）411422；（3）484538；（3）6786；-1/K0/2K0/2s045amADBC12zpofrp 2013-10-23732-12 在題2-5圖所示零件的極限應力簡圖中，如工作應力點M所在的0N線與橫軸間夾角=50，則該零件受的是 。（1）脈動循環(huán)變應力；（2）對稱循環(huán)變應力；（3）變號的不對稱循環(huán)變應力；（4）不變號的不對稱循環(huán)變應力；2-13一零件由40Cr制成，已知材料的b=980Mpa，s=785Mpa，-1=440Mpa，

47、=0.3。零件的最大工作應力max=240Mpa，最小工作應力min=-80Mpa，疲勞強度綜合影響系數(shù)K=1.44。則當應力比r=常數(shù)時，該零件的疲勞強度工作安全系數(shù)S為 。（1）3.27;（2）1.73;（3）1.83;（4）1.27;2-14若材料疲勞曲線方程的冪指數(shù)m=9，則以對稱循環(huán)應力1=500Mpa作用于零件n1=104次以后，它所造成的疲勞損傷，相當 于應力2=450Mpa作用于零件 。（1）0.39104；（2）1.46104；（3）2.58104；（4）7.45104；323zpofrp 2013-10-23742-15若材料疲勞曲線方程的冪指數(shù)m=9，則以對稱循環(huán)應力1=

48、400Mpa作用于零件n1=105次所造成的疲勞損傷， 相當于 2= Mpa作用于零件n2=104次所造成的疲勞損傷。(1) 517；（2）546；（3）583；（4）615；2-1645鋼經調質后的疲勞極限-1=300Mpa，應力循環(huán)基數(shù)N0=5106次，疲勞曲線方程的冪指數(shù)m=9，若用此材料做成的試件進行試驗，以對稱循環(huán)應力1=450Mpa作用104次，2=400Mpa作用2104次。則工作安全系數(shù)為 。（1）1.14；（2）1.25；（3）1.47；（4）1.65；2-1745鋼經調質后的疲勞極限-1=300Mpa，應力循環(huán)基數(shù)N0=5106次，疲勞曲線方程的冪指數(shù)m=9，若用此材料做成

49、的試件進行試驗，以對稱循環(huán)應力1=450Mpa作用104次，2=400Mpa作用2104次，再以3=350Mpa作用于此試件，直到它破壞為止，試件還能承受的應力循環(huán)次數(shù)為 次。（1）6.25105（2）9.34105（3）1.09106（4）4.52106123zpofrp 2013-10-2375第三章第三章 摩擦、磨損及潤滑理論摩擦、磨損及潤滑理論一、摩擦、磨損及潤滑三者關系一、摩擦、磨損及潤滑三者關系 當在正壓力作用下相互接觸的兩個物體受切向外力的影響而發(fā)生相對滑動，或有相對滑動趨勢時，在接觸表面上就會產生抵抗滑動的阻力，這一自然現(xiàn)象叫做摩擦。 其結果必然有能量損耗和摩擦表面物質的喪失或

50、轉移，即磨損。 據(jù)估計，世界上在工業(yè)方面約有30%的能量消耗于摩擦過程中。所以人們?yōu)榱丝刂屏慵谀Σ林袚p壞，在摩擦面間加入潤滑劑來降低摩擦，減小磨損的產生，所以說三者互為因果關系。zpofrp 2013-10-2376二、摩擦的種類二、摩擦的種類530 . 34 . 04 . 0厚的油膜完全隔開，液體摩擦（潤滑）：被厚比混合摩擦（潤滑）：膜薄的油膜，邊界摩擦（潤滑）：很干摩擦：粘著、犁刨摩擦（滑動）干摩擦NVN邊界摩擦VN液體摩擦V沒有潤滑劑很薄油膜被 厚 的油 膜 完全隔開zpofrp 2013-10-2377 兩個無潤滑物體之間的摩擦，主要是由兩種因素所構成：一是摩擦面的實際接觸區(qū)內出現(xiàn)的

51、粘著；二是較硬表面上的微凸體在較軟表面上所起的犁刨作用。 那么，怎么樣來區(qū)別邊界摩擦、混合摩擦和液體摩擦的界限呢？可用膜厚比來劃分：aRhmin式中：hmin兩粗糙面間的最小公稱油膜厚度，m； Ra兩表面的綜合粗糙度；m； Ra1、Ra2分別為兩表面的輪廓算術平均偏差，m； 當 35后則為液體摩擦。zpofrp 2013-10-2378三、牛頓流體定律三、牛頓流體定律yx0V=0ABVhN0S(面積) 如圖3-6所示，在兩個平行的平板間充滿具有一定粘度的潤滑油，若平板A以速度V移動，另一平板B靜止不動，則由于油分子與平板表面的吸附作用，將使貼近板A的油層以同樣的速度V隨板移動；而貼近板B的油層

52、則靜止不動。由于層與層之間速度不同，于是形成各油層間的相對滑移，在各層的界面上就存在有相應的剪應力。zpofrp 2013-10-2379 牛頓在1687年提出一個粘性液的摩擦定律（簡稱粘性定律），即在流體中任意點處的剪應力均與其剪切率（或速度梯度）成正比。 若用數(shù)學形式表示這一定律，即為：dydv式中：流體單位面積上的剪切阻力，即剪應力； dv/dy流體沿垂直于運動方向（即沿圖3-6中y軸方向或流體膜厚度方向）的速度梯度，式中的“”號表示v隨y的增大而減小； 比例常數(shù)，即流體的動力粘度。摩擦學中把凡是服從這個粘性定律的液體都叫牛頓液體。zpofrp 2013-10-2380四、液體動壓潤滑的

53、條件（楔形承載機理）四、液體動壓潤滑的條件（楔形承載機理）（1）兩個運動的表面要有楔形間隙；（2）被油膜分開的兩表面有一定相對滑動速度，且大口向小口；（3）潤滑油必須有一定的粘度。（4）有足夠充足的供油量。Pmax油壓P分布曲線a b cVxy各 油 層的 速 度分布壓力油膜h0p/x0 p/x=0 p/xh0 h=h0 hh0)段，p/x0，即壓力沿x方向逐漸增大；而在bc(hh0)段，即p/x0，這表明壓力沿x方向逐漸降低。在a和c之間必有一處（b點）的油流速度變化規(guī)律不變，即p/x=0，因而壓力p達到最大值。由于油膜沿著x方向各處的油壓都大于入口和出口的油壓，且壓力形成如圖3-9b上部曲

54、線所示的分布，因而能承受一定的外載荷。b）被油膜分開的兩表面必須有一定的相對滑動速度； 由式（3-10）可知，若將速度V降低，則p/x亦將降低，此時油膜各點的壓力強度也會隨之降低。如V降低過多，油膜將無法支持外載荷，而使兩表面直接接觸，致使油膜破裂，液體摩擦也就消失。c）潤滑油必須有一定的粘性。d）有足夠充足的供油量。zpofrp 2013-10-2384習題：第三章第三章 摩擦、磨損及潤滑理論摩擦、磨損及潤滑理論一、選擇題3-1 現(xiàn)在把研究有關摩擦、磨損與潤滑的科學與技術統(tǒng)稱為 。（1）摩擦理論；（2）磨損理論；（3）潤滑理論；（4）摩擦學；3-2 兩相對滑動的接觸表面，依靠吸附的油膜進行潤

55、滑的摩擦狀態(tài)稱為 。（1）液體摩擦；（2）干摩擦；（3）混合摩擦；（4）邊界摩擦；3-3 兩摩擦表面間的膜厚比=0.43時，其摩擦狀態(tài)為 ； 兩摩擦表面間的膜厚比35時，其摩擦狀態(tài)為 。（1）液體摩擦；（2）干摩擦；（3）混合摩擦；（4）邊界摩擦；zpofrp 2013-10-23853-4 采用含有油性和極壓添加劑的潤滑劑，主要是為了減小 。（1）粘著磨損；（2）表面疲勞磨損；（3）磨粒磨損；（4）腐蝕磨損；3-5 通過大量試驗， 得出的摩擦副的磨損過程圖 （磨損量q與時間t的關系曲線）， 圖中 是正確的。tqtqtqtqa)b)c)d)zpofrp 2013-10-23863-6 根據(jù)牛頓

56、液體粘性定律，大多數(shù)潤滑油油層間相對滑動時所產生的切應力與偏導數(shù)v/y之間的關系是 。 （1） ；（2） ；（3） ；（4） ;3-7 動力粘度的國際單位制(SI)單位為 。（1）泊(p)；（2）厘斯(cst)；（3）恩氏度(E)；（4）帕.秒(Pa.s)；3-8 運動粘度是動力粘度與同溫下潤滑油 的比值。（1）密度；（2）質量m；（3）相對密度d；（4）速度v；yv2yvyv2yvzpofrp 2013-10-23873-9 運動粘度的國際單位制(SI)單位為 。 （1）m2/s；（2）厘斯(cst)；（3）厘泊(cp) ;(4)帕.秒(Pa.s);3-10 當壓力加大時，潤滑油的粘度 。

57、（1）隨之加大；（2）保持不變；（3）隨之減小；（4）增大還是減小或不變，視潤滑油性質而定；3-11 當溫度升高時，潤滑油的粘度 。 （1）隨之升高；（2）隨之降低；（3）保持不變；（4）升高或降低視潤滑油性質而定；zpofrp 2013-10-2388二、分析題二、分析題1、何謂摩擦、磨損和潤滑？它們之間的相互關系如何？2、按摩擦面間的潤滑狀況，滑動摩擦可分哪幾種？3、按照磨損機理分，磨損有哪幾種基本類型？它們各有什么主要特點？如何防止或減輕這些類型的磨損發(fā)生？4、獲得流體動壓潤滑的必要條件是什么？5、潤滑劑的作用是什么？常用潤滑劑有哪幾種？zpofrp 2013-10-2389第四章第四章

58、 螺紋零件螺紋零件一、概述一、概述 1、作用聯(lián)接：起聯(lián)接作用的螺紋;傳動：起傳動作用的螺紋;外螺紋內螺紋圓柱圓錐母體2、螺紋的形成 刀具做直線運動； 工件做旋轉運動； 螺紋線：轉動與直線運動； 螺紋牙：某一個形狀小面積沿螺旋線運動就形成；3、螺紋的種類zpofrp 2013-10-2390牙型形狀：三角=30矩形=0梯形=15鋸齒=30、3右旋多數(shù)用右旋左旋旋向單線螺紋：沿一根螺旋線形成的螺紋；雙線螺紋：沿二根螺旋線形成的螺紋；多線螺紋：沿三根以上螺旋線形成的螺紋；線數(shù) 常用螺紋的類型見表9-1，P201。zpofrp 2013-10-2391 常用的聯(lián)接螺紋要求自鎖性，故多用單線螺紋；傳動螺

59、紋要求傳動效率高，故多用雙線或三線螺紋。米制：我國多采用米制螺紋；英制（管螺紋）；標準制4、主要尺寸、參數(shù)（看圖P199，圖9-1a）1）外徑d螺紋的最大直徑，在標準中定為公稱直徑；2）內徑d1螺紋的最小直徑，在強度計算中常作為螺桿危險截面的計算直徑；3）中徑d2近似等于螺紋的平均直徑；4）螺距t相鄰兩牙中徑線上對應軸線間的距離;zpofrp 2013-10-23925）導程S同一條螺旋線相鄰兩牙的軸向距離；單線：S=t雙線：S=2t多線：S=ntn頭數(shù)；右旋6）升角：螺旋線與水平線夾角；ttSd22dStgSd27）牙型角 牙型斜角8）牙的工作高度hzpofrp 2013-10-2393二、

60、各種螺紋的特點、應用二、各種螺紋的特點、應用cosff vtgtg自鎖條件：升角軸松配 （受拉應力）鉸制孔螺栓聯(lián)接 孔=軸緊配 （受剪應力）從受力來分析圖9-4地腳螺栓聯(lián)接書P202zpofrp 2013-10-23983、安裝形式緊螺栓擰緊；螺母需要擰緊，處于拉伸與扭轉復合應力狀態(tài)下；松螺栓不擰緊；螺母不需要擰緊，在承受工作載荷之前，螺栓不受力。例如起重吊鉤等；P2144、螺紋零件精度等級A、B、C：A級精度最高，通常用C級；材料熱處理尺寸系列化標準化M10100（三角、中徑、長度）zpofrp 2013-10-2399四、擰緊四、擰緊 在使用上，絕大多數(shù)螺紋聯(lián)接在裝配時都必須擰緊；預緊的目