機(jī)械設(shè)計(jì)課件：緒論2 強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1、傳動(dòng)裝置原動(dòng)機(jī)工作機(jī)控制系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)卡盤(pán)，刀具自動(dòng)控制手動(dòng)控制機(jī)械是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱(chēng)機(jī)械機(jī)器機(jī)構(gòu)構(gòu)件零件機(jī)械零件 是組成機(jī)器的 最基本的單元機(jī)器是由機(jī)構(gòu)組成的機(jī)構(gòu)是由構(gòu)件組成的構(gòu)件是由零件組成的零件是不可再分的單元構(gòu)件是運(yùn)動(dòng)的單元零件是制造的單元 機(jī)械零件機(jī)器機(jī)構(gòu)構(gòu)件零件機(jī)械工程材料金屬工藝學(xué)材料力學(xué)、理論力學(xué)、彈性力學(xué)、接觸力學(xué)機(jī)械制圖、畫(huà)法幾何基本的力學(xué)知識(shí)機(jī)械設(shè)計(jì): 一門(mén)設(shè)計(jì)性的技術(shù)基礎(chǔ)課綜合運(yùn)用了許多先修課程的知識(shí)樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想，理論聯(lián)系實(shí)際 掌握設(shè)計(jì)或選用通用機(jī)械零部件的基本理論、基本知識(shí)和基本技能了解機(jī)械設(shè)計(jì)一般規(guī)律，具有設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置和一般機(jī)械的能力具有計(jì)算能力、繪圖能力、運(yùn)

2、用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和查閱技術(shù)資料的能力 主要研究一般工作條件和常用參數(shù)范圍內(nèi)的通用機(jī)械零部件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基本設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)計(jì)算方法課程特點(diǎn)緒論2. 強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1.零件的失效2.機(jī)械零件設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的一般要求3.零件的載荷、應(yīng)力、強(qiáng)度4.靜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度計(jì)算 4.1 材料的力學(xué)性能 4.2 靜強(qiáng)度計(jì)算5. 變應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度計(jì)算 5.1 疲勞極限 5.2 疲勞強(qiáng)度計(jì)算 6. 表面強(qiáng)度計(jì)算7. 剛度和振動(dòng)計(jì)算1. 零件的失效承載能力不足剛度不足壽命不夠溫度過(guò)高傳遞動(dòng)力、速度的承載零件失效機(jī)器不能達(dá)到正常工作要求和使用壽命斷裂 整體斷裂 局部斷裂 表面破壞變形過(guò)大振動(dòng)過(guò)大溫升過(guò)高脆性斷裂

3、疲勞斷裂1-1 斷裂零件在受拉、壓、彎、剪、扭等外載荷作用時(shí)，由于某一危險(xiǎn)截面上的應(yīng)力超過(guò)零件的強(qiáng)度極限而發(fā)生的斷裂 過(guò)載斷裂（脆性斷裂）疲勞斷裂 整體斷裂局部斷裂零件的應(yīng)力 許用的應(yīng)力斷裂的形式 螺栓的斷裂、齒輪輪齒根部的折斷等傳動(dòng)軸花鍵斷裂 傳動(dòng)軸花鍵斷裂 齒輪輪齒斷裂嚴(yán)重過(guò)載 端部或接近齒端的部分被剪掉 由于一個(gè)軸承失效導(dǎo)致嚙合輪齒間載荷分配發(fā)生劇烈改變 疲勞折斷 1-2 零件的表面破壞 點(diǎn)蝕:（接觸疲勞）零件表面的接觸疲勞是受到接觸變應(yīng)力長(zhǎng)期作用的表面產(chǎn)生裂紋或微粒剝落的現(xiàn)象。在接觸變應(yīng)力條件下工作的零件表面將有可能發(fā)生接觸疲勞 磨損：兩個(gè)接觸表面在作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中表面物質(zhì)喪失或轉(zhuǎn)移

4、的現(xiàn)象。所有作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件接觸表面都有可能發(fā)生磨損；腐蝕：發(fā)生在金屬表面的一種電化學(xué)或化學(xué)侵蝕現(xiàn)象。腐蝕的結(jié)果是使金屬表面產(chǎn)生銹蝕，從而零件表面遭到破壞。對(duì)于承受變應(yīng)力的零件，還要引起腐蝕疲勞。處于潮濕空氣中或與水、汽及其它腐蝕性介質(zhì)相接觸的金屬零件均有可能發(fā)生腐蝕現(xiàn)象；膠合塑性變形 點(diǎn)蝕（表面 精度，噪聲）齒輪輪齒的疲勞點(diǎn)蝕初期點(diǎn)蝕 擴(kuò)展性點(diǎn)蝕 滾動(dòng)軸承滾道的疲勞點(diǎn)蝕 齒面磨損磨粒磨損表面塑性變形脆性剝落粘著磨損氧化磨損化學(xué)腐蝕磨損 膠合弧齒錐齒輪輪齒上的嚴(yán)重膠合。有時(shí)這種損傷引起工作溫度升高在低速、脂潤(rùn)滑條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的小齒輪輪齒上的嚴(yán)重膠合這類(lèi)損傷通常稱(chēng)為“冷膠合” 腐蝕 塑性變形 1-3

5、 其它彈性變形過(guò)大，工作精度不夠振動(dòng)，噪聲過(guò)大，共振溫升過(guò)高 失效的分類(lèi)整體失效-體積強(qiáng)度（強(qiáng)度）表面失效-表面強(qiáng)度靜應(yīng)力失效-靜強(qiáng)度變應(yīng)力失效-疲勞強(qiáng)度彈性變形-剛度振動(dòng)-振動(dòng)穩(wěn)定性保證零件（設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)）不失效 機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求之一2.機(jī)械零件設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的一般要求零件在工作中受力傳遞載荷零件材料內(nèi)部零件的應(yīng)力超過(guò)許用應(yīng)力應(yīng)力零件的變形超過(guò)允許變形斷裂（靜）零件的壽命小于要求壽命精度噪聲斷裂（疲勞)表面損傷靜強(qiáng)度剛度振動(dòng)穩(wěn)定性疲勞強(qiáng)度失效機(jī)械零件的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的一般要求強(qiáng)度 靜強(qiáng)度 動(dòng)強(qiáng)度（疲勞強(qiáng)度） 表面強(qiáng)度剛度振動(dòng)穩(wěn)定性溫度零件的應(yīng)力 許用的應(yīng)力3. 零件的載荷、應(yīng)力、強(qiáng)度 載荷 應(yīng)力

6、強(qiáng)度 載荷靜載荷變載荷-變應(yīng)力靜應(yīng)力變應(yīng)力疲勞強(qiáng)度靜強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度靜載荷不隨時(shí)間變化或變化緩慢的載荷變載荷 隨時(shí)間作周期性變化或非周期性變化的載荷實(shí)例機(jī)械零件在工作中要承擔(dān) 載荷注意：靜載荷可以產(chǎn)生變應(yīng)力舉例F不變軸不轉(zhuǎn)靜載荷、靜強(qiáng)度軸轉(zhuǎn)動(dòng)載荷、疲勞強(qiáng)度短時(shí)過(guò)載折斷（塑性變形），長(zhǎng)時(shí)間工作疲勞折斷，軸頸磨損，軸承點(diǎn)蝕。計(jì)算載荷名義載荷沖擊、振動(dòng)、誤差名義載荷和計(jì)算載荷當(dāng)材料在外力作用下不能產(chǎn)生位移時(shí)，它的幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種形變就稱(chēng)為應(yīng)變（Strain）材料發(fā)生形變時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力把分布內(nèi)力在一點(diǎn)的集度稱(chēng)為應(yīng)力（Stress） 應(yīng)力按變形：拉應(yīng)力、壓應(yīng)力

7、、剪切應(yīng)力隨時(shí)間：靜應(yīng)力變應(yīng)力：穩(wěn)定變應(yīng)力的五個(gè)參數(shù) 不穩(wěn)定變應(yīng)力 有規(guī)律 隨機(jī)靜應(yīng)力穩(wěn)定變應(yīng)力不穩(wěn)定變應(yīng)力規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力疲勞損傷累積假說(shuō)定理統(tǒng)計(jì)疲勞強(qiáng)度注意注意：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)生穩(wěn)定變應(yīng)力的5個(gè)參數(shù)（2個(gè)獨(dú)立）最大應(yīng)力最小應(yīng)力平均應(yīng)力應(yīng)力幅應(yīng)力循環(huán)特性 強(qiáng)度 剛度 強(qiáng)度零件工作過(guò)程中抵抗斷裂和塑性變形的能力剛度零件在載荷下抵抗彈性變形的能力零件的強(qiáng)度與載荷、材料、幾何因素、精度和表面粗糙度以及使用工況等有關(guān)，根據(jù)強(qiáng)度理論分析這些因素之間的關(guān)系，即為強(qiáng)度分析保證零件在要求的工作條件下，滿足強(qiáng)度的要求強(qiáng)度設(shè)計(jì)強(qiáng)度條件（強(qiáng)度準(zhǔn)則）1

8、.最大應(yīng)力是否小于（等于）許用應(yīng)力2.實(shí)際安全系數(shù)是否大于（等于）許用安全系數(shù)零件危險(xiǎn)截面處的最大應(yīng)力許用應(yīng)力零件危險(xiǎn)截面處的安全系數(shù)許用安全系數(shù) 強(qiáng)度計(jì)算方法1. 強(qiáng)度校核計(jì)算 所有結(jié)構(gòu)、尺寸確定的情況下，校核。 （利用強(qiáng)度條件來(lái)校核零件是否滿足強(qiáng)度要求）2. 強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 通過(guò)強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式，確定幾何參數(shù) （求出零件在滿足強(qiáng)度要求時(shí)應(yīng)有的幾何尺寸） 強(qiáng)度理論人們根據(jù)對(duì)材料破壞現(xiàn)象的分析提出各種假說(shuō)，認(rèn)為材料的某一類(lèi)型的破壞是由某種因素所引起的，這種假說(shuō)強(qiáng)度理論。第一類(lèi)強(qiáng)度理論以脆斷為破壞標(biāo)志第二類(lèi)強(qiáng)度理論以出現(xiàn)屈服強(qiáng)度或發(fā)生顯著的塑性變形為破壞標(biāo)志第三強(qiáng)度理論最大剪應(yīng)力理論第四強(qiáng)度理論形狀改

9、變比能理論保證機(jī)器在使用壽命期內(nèi)滿足工作要求機(jī)械設(shè)計(jì)目的零件承擔(dān)外載荷負(fù)載零件的應(yīng)力 許用的應(yīng)力許用的應(yīng)力試驗(yàn)方法獲得試驗(yàn)試件 查手冊(cè)，產(chǎn)品樣本 零件 親自設(shè)計(jì)、做實(shí)驗(yàn)斷裂、塑性變形、彈性變形失效不失效4. 靜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度計(jì)算塑性材料的拉伸曲線塑性材料的壓縮曲線屈服極限抗拉極限彈性模量4.1 材料的靜力學(xué)性能4.2 靜強(qiáng)度計(jì)算塑性材料零件受雙向復(fù)合應(yīng)力（第三、第四強(qiáng)度理論）塑性變形屈服極限脆性材料和低塑性材料抗拉極限靜強(qiáng)度5. 變應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度計(jì)算1. 2. 等壽命曲線 極限應(yīng)力線圖5.1 疲勞特性曲線疲勞曲線循環(huán)基數(shù)疲勞極限有色金屬r 一定時(shí)1.疲勞曲線：循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限的關(guān)系疲勞

10、極限：循環(huán)特性r一定，應(yīng)力循環(huán)N次后，材料不發(fā)生疲勞破壞時(shí)的最大應(yīng)力。試驗(yàn)測(cè)定的有限壽命區(qū)低周循環(huán)疲勞高周循環(huán)疲勞無(wú)限壽命區(qū)按靜強(qiáng)度計(jì)算材料的疲勞曲線線性坐標(biāo)對(duì)數(shù)坐標(biāo)有限壽命區(qū) 疲勞曲線方程：循環(huán)次數(shù)N： 指數(shù)-材料及應(yīng)力種類(lèi) 壽命系數(shù)循環(huán)基數(shù)有限壽命區(qū)內(nèi)，N時(shí)的疲勞極限圖0-8材料的疲勞極限應(yīng)力圖（圖0-9）等壽命疲勞曲線（極限應(yīng)力線圖）2N一定時(shí)BFC折線以?xún)?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(diǎn)離折線越遠(yuǎn)，安全程度愈高。材料的簡(jiǎn)化極限應(yīng)力線圖，可根據(jù)材料的 三個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù) 和 而作出簡(jiǎn)化極限應(yīng)力線圖疲勞和塑性失效區(qū)疲勞和塑性安全區(qū)ABESF （圖0-9）幾個(gè)特征點(diǎn)：A(

11、對(duì)稱(chēng)），B(脈動(dòng)），S(靜)塑性材料：AEF簡(jiǎn)化為二折線AE,ES;AE方程SE方程試件受循環(huán)彎曲應(yīng)力時(shí)的材料常數(shù)由試驗(yàn)確定A、B點(diǎn)坐標(biāo)機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算由于零件尺寸幾何形狀變化加工質(zhì)量強(qiáng)化因素 的影響零件的疲勞極限小于材料試件的疲勞極限 影響零件疲勞強(qiáng)度的因素材料的極限應(yīng)力：與材料的疲勞極限有關(guān)應(yīng)力集中：加工，應(yīng)力集中源， 應(yīng)力集中系數(shù)尺寸效應(yīng)表面狀態(tài)尺寸大應(yīng)力分布不均勻幾何形狀材料（強(qiáng)度高）表面粗糙度表面處理應(yīng)力集中尺寸效應(yīng)表面狀態(tài)光滑 粗糙 粗糙度硬 軟 硬度 綜合影響系數(shù)尺寸效應(yīng)應(yīng)力集中表面狀態(tài)表面強(qiáng)化系數(shù)表面質(zhì)量系數(shù)附錄A 表A-1A-6零件的極限應(yīng)力圖（圖0-10）零件的極限應(yīng)

12、力 零件幾何、尺寸、加工質(zhì)量等（綜合影響）AESACCBEB疲勞和塑性安全區(qū)典型的應(yīng)力變化規(guī)律絕大多數(shù)轉(zhuǎn)軸振動(dòng)的受載彈簧緊螺栓連接中螺栓受軸向變載荷r=C 常數(shù) =C 常數(shù)5.2 疲勞強(qiáng)度計(jì)算疲勞強(qiáng)度條件最大應(yīng)力應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)度零件的許用應(yīng)力、許用安全系數(shù)零件的計(jì)算應(yīng)力允許達(dá)到的最大值。表0-2疲勞強(qiáng)度條件疲勞強(qiáng)度條件受單向穩(wěn)定變應(yīng)力，r=常數(shù)，6. 表面強(qiáng)度計(jì)算表面接觸強(qiáng)度兩圓柱接觸（HETZ定律）表面強(qiáng)度計(jì)算表面接觸強(qiáng)度兩球體接觸：表面接觸強(qiáng)度條件接觸疲勞強(qiáng)度表面擠壓強(qiáng)度、表面磨損強(qiáng)度計(jì)算表面擠壓強(qiáng)度表面磨損強(qiáng)度擠壓強(qiáng)度磨損條件性計(jì)算注意: 靜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度計(jì)算變應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度計(jì)算 表面強(qiáng)度計(jì)算靜強(qiáng)度點(diǎn)蝕（接觸疲勞）、擠壓疲勞強(qiáng)度磨損條件性計(jì)算7. 剛度和振動(dòng)計(jì)算剛度計(jì)算-零件在載荷作用下，抵抗彈性變形的能力剛度影響剛度的因素材料的彈性模量 E截面形狀支撐方式結(jié)構(gòu)形式鋼鑄鐵青銅硬鋁合金 用