機(jī)械零件設(shè)計基礎(chǔ)張課件

第十章機(jī)械零件設(shè)計基礎(chǔ)§10-1概述§10-3機(jī)械設(shè)計中常用材料的選用原則§10-2機(jī)械設(shè)計的基本要求、機(jī)械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則§10-4機(jī)械設(shè)計中的強(qiáng)度、許用應(yīng)力和安全系數(shù)第十章機(jī)械零件設(shè)計基礎(chǔ)§10-1概述§機(jī)械（Machinery)——是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的統(tǒng)稱。機(jī)器(Machine)—主要是指機(jī)械裝置。如內(nèi)燃機(jī)、機(jī)床、汽車、火車、飛機(jī)、輪船、起重運輸機(jī)械、冶金礦山機(jī)械、輕紡食品機(jī)械等等。機(jī)械設(shè)計(MachineDesign)——即為各種機(jī)械裝置的設(shè)計，機(jī)械設(shè)計是為了滿足機(jī)器的某些特定功能而進(jìn)行的創(chuàng)造性過程，設(shè)計是創(chuàng)造性的勞動，設(shè)計的本質(zhì)在于創(chuàng)新?！?0-1概述機(jī)械（Machinery)——是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的統(tǒng)稱。機(jī)器機(jī)械設(shè)計課程的特點性質(zhì)：是一門重要的設(shè)計性的技術(shù)基礎(chǔ)課，是初步掌握機(jī)械設(shè)計能力的必然環(huán)節(jié)。研究內(nèi)容：通用機(jī)械零部件的工作原理、特點、選用及設(shè)計計算。齒輪傳動帶傳動蝸桿傳動螺紋聯(lián)接軸鍵聯(lián)接軸承聯(lián)軸器鏈傳動通用的零部件系指傳動零件軸類零件聯(lián)接零件機(jī)械設(shè)計課程的特點性質(zhì)：是一門重要的設(shè)計性的技術(shù)基礎(chǔ)課，是初目的：1、初步具備一般通用機(jī)械零部件設(shè)計計算的能力。2、綜合運用本課程和其他先修課程的知識，設(shè)計機(jī)械傳動裝置和一般機(jī)械。目的：1、初步具備一般通用機(jī)械零部件設(shè)計計算的能力。2、綜合5．其他要求：環(huán)保、噪音、外觀等一、機(jī)械設(shè)計的基本要求1．實現(xiàn)預(yù)定的功能，工作可靠；2．經(jīng)濟(jì)性好：設(shè)計和制造周期短、成本低，產(chǎn)品生產(chǎn)效率高、能耗低維護(hù)管理費用少；3．操作方便，運行安全；4．標(biāo)準(zhǔn)化、系列化程度高：以便簡化設(shè)計工作，提高產(chǎn)品質(zhì)量；§10-2機(jī)械設(shè)計的基本要求、機(jī)械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則5．其他要求：環(huán)保、噪音、外觀等一、機(jī)械設(shè)計的基本要求1．實二、機(jī)械零件的工作能力及計算準(zhǔn)則零件的工作能力

—

是指在一定的運動、載荷和環(huán)境情況下，在預(yù)定的使用期限內(nèi)，不發(fā)生失效的安全工作限度。二）機(jī)械零件的主要失效形式過大彈性變形——零件的剛度不夠引起塑性變形——工作應(yīng)力超過材料的屈服極限σS引起2．變形疲勞斷裂——工作應(yīng)力超過零件的疲勞極限σr引起過載斷裂——工作應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限σB引起1．?dāng)嗔褖簼ⅰ⑦^度磨損——零件接觸表面上的壓應(yīng)力p過大膠

合——

零件工作溫升△t過高引起表面疲勞損壞——零件表面接觸應(yīng)力σH過大引起3．表面失效機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效。一）機(jī)械零件的工作能力二、機(jī)械零件的工作能力及計算準(zhǔn)則零件的工作能力—機(jī)械零件設(shè)計基礎(chǔ)張課件計算準(zhǔn)則—用于計算并確定零件基本尺寸的主要依據(jù)。對于具體的零件，應(yīng)根據(jù)它們的主要失效形式，采用相應(yīng)的計算準(zhǔn)則。常用的計算準(zhǔn)則有：三）機(jī)械零件的計算準(zhǔn)則1．強(qiáng)度準(zhǔn)則——針對零件斷裂、塑性變形或表面疲勞損壞失效強(qiáng)度——指零件在載荷作用下抵抗斷裂或塑性變形的能力。強(qiáng)度是保證零件工作能力的最基本要求。若零件的強(qiáng)度不夠，不僅因為零件的失效使機(jī)械不能正常工作，還可能導(dǎo)致安全事故。強(qiáng)度的計算準(zhǔn)則為：σ≤[σ]MPa

或τ≤[τ]針對斷裂或塑性變形σH≤[σH]針對表面疲勞損壞計算準(zhǔn)則—用于計算并確定零件基本尺寸的主要依三）強(qiáng)度計算準(zhǔn)則：1）或2）S——安全系數(shù)，S＞1—→S↑：安全，浪費材料S↓：經(jīng)濟(jì)，不安全σ—零件的工作正應(yīng)力；—零件的工作切應(yīng)力；[σ]—材料的許用正應(yīng)力；—材料的許用切應(yīng)力；—材料的極限正應(yīng)力；—材料的極限切應(yīng)力；強(qiáng)度計算準(zhǔn)則：1）或2）S——安全系數(shù)，S＞1—→S↑：安全2．剛度準(zhǔn)則——針對過大彈性變形

剛度——指零件在一定載荷作用下抵抗過大彈性變形的能力。剛度是保證機(jī)器正常工作，提高機(jī)床加工產(chǎn)品質(zhì)量的基本要求。剛度的計算準(zhǔn)則為：y≤[y]；θ≤[θ]；φ≤[φ]式中，y、θ和φ——分別為零件工作時的撓度、偏轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)角；由剛度計算所得零件剖面尺寸，一般要比強(qiáng)度計算的大，所以，一般滿足剛度要求的零件往往也能同時滿足強(qiáng)度要求。2．剛度準(zhǔn)則——針對過大彈性變形由剛度計算所得零件剖面尺寸，機(jī)床主軸等彈性變形過大將影響加工精度。齒輪軸的彎曲撓度過大會影響一對齒輪的正確嚙合。機(jī)床主軸等彈性變形過大將影響加工精度。齒輪軸的彎曲撓度過大會3．耐磨性準(zhǔn)則——針對過度磨損、膠合破壞

耐磨性—指零件在載荷作用下相對運動的兩零件接觸界的抗磨損能力。耐磨性是保證有相對運動的零件正常工作的基本要求。其驗算式為：p≤[p]—防止過度磨損pv≤[pv]—防止膠合破壞3．耐磨性準(zhǔn)則——針對過度磨損、膠合破壞4．振動和噪聲準(zhǔn)則——針對高速機(jī)械的振動失穩(wěn)（即共振）

當(dāng)零件的固有振動頻率f等于或趨近于零件的強(qiáng)迫振動頻率fp時，將產(chǎn)生共振。這不僅影響機(jī)械正常工作，甚至造成破壞性事故，而振動又是產(chǎn)生噪聲的主要原因。

防止共振的條件為：f≤0．87fp

或f≥1．18fp式中，f—

零件的固有振動頻率，取決于零件的質(zhì)量和剛度。fp

—

零件受激振源作用引起的強(qiáng)迫振動頻率。4．振動和噪聲準(zhǔn)則——針對高速機(jī)械的振動失穩(wěn)（即共振）3、選擇材料；4、根據(jù)失效形式選用判定條件，設(shè)計出零件的主要參數(shù)；5、繪制零件工作圖。受力分析1、擬訂零件的設(shè)計簡圖；2、確定載荷的大小及位置；四）機(jī)械零件的設(shè)計步驟3、選擇材料；4、根據(jù)失效形式選用判定條件，設(shè)計出零件的主要傳統(tǒng)設(shè)計方法：強(qiáng)度條件（或剛度）設(shè)計計算尺寸尺寸校核計算強(qiáng)度條件（或剛度）理論設(shè)計（半經(jīng)驗設(shè)計）類比設(shè)計與已有的同類產(chǎn)品進(jìn)行比較來設(shè)計新產(chǎn)品。這種方法在工程實際中用得較多，特點是節(jié)省時間，較可靠。傳統(tǒng)設(shè)計方法：強(qiáng)度條件（或剛度）設(shè)計計算尺寸尺寸經(jīng)驗設(shè)計根據(jù)實踐中歸納出的經(jīng)驗公式和經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計，缺乏創(chuàng)新。如：箱體、傳動件各個結(jié)構(gòu)要素等模型實驗設(shè)計把初步設(shè)計的零、部件或機(jī)器作成小模型或小尺寸樣機(jī)進(jìn)行實驗。用于大型、復(fù)雜零件的設(shè)計。如：飛機(jī)、橋梁的風(fēng)洞實驗。經(jīng)驗設(shè)計根據(jù)實踐中歸納出的經(jīng)驗公式和經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)現(xiàn)代設(shè)計方法：優(yōu)化設(shè)計對工程實際問題進(jìn)行抽象，建立數(shù)學(xué)模型，用優(yōu)化方法求解，得出最佳設(shè)計結(jié)果。計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）包括分析計算和繪圖。概率設(shè)計（可靠性）將概率論與數(shù)理統(tǒng)計理論運用于機(jī)械設(shè)計。有限元設(shè)計并行設(shè)計現(xiàn)代設(shè)計方法：優(yōu)化設(shè)計對工程實際問題進(jìn)行抽象，建立§10－3機(jī)械設(shè)計中常用材料的選擇原則選用原則：一、使用性能的要求用途、工作條件、物理、化學(xué)、機(jī)械工藝性能、經(jīng)濟(jì)性。零件材料選材因素：使用要求是指用所選材料做成的零件，在給定的工況條件下和預(yù)定的壽命期限內(nèi)能正常工作?！?0－3機(jī)械設(shè)計中常用材料的選擇原則選用原則：一、使二、工藝性能的要求工藝要求是指所選材料的冷、熱加工性能好，熱處理工藝性好。三、經(jīng)濟(jì)性的要求在滿足使用性能的前提下，盡量選用低價格的材料，減少材料的消耗，是零件材料選擇的主要原則。各種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能可在相關(guān)國標(biāo)、行標(biāo)和機(jī)械設(shè)計手冊中查得。為了材料供應(yīng)和生產(chǎn)管理上的方便，應(yīng)盡量縮減材料的品種。二、工藝性能的要求工藝要求是指所選材料的冷、熱加工性能好，熱一、載荷和應(yīng)力一）載荷載荷——構(gòu)件或零件工作時所承受的外力。靜載荷——大小和方向均不隨時間變化或變化緩慢的載荷。變載荷——大小或方向隨時間變化的載荷。根據(jù)載荷性質(zhì)的不同，可分為靜載荷與變載荷?！?0-4機(jī)械設(shè)計中的強(qiáng)度、許用應(yīng)力和安全系數(shù)循環(huán)變載荷穩(wěn)定循環(huán)載荷不穩(wěn)定循環(huán)載荷隨機(jī)變載荷一、載荷和應(yīng)力載荷——構(gòu)件或零件工作時所承受的外力。靜載荷—名義載荷——在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷，按原動機(jī)的功率求得。計算載荷——載荷系數(shù)與名義載荷的乘積。式中，P——原動機(jī)的額定功率（kW），n——額定轉(zhuǎn)速（r/min）。式中，K——考慮各種附加載荷的載荷系數(shù)。也可分為工作載荷、名義載荷與計算載荷。工作載荷——機(jī)械正常工作時所受的載荷（一般難以確定）。名義載荷——在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的計算載荷——根據(jù)名義載荷求出的應(yīng)力稱為名義應(yīng)力。根據(jù)計算載荷求出的應(yīng)力稱為計算應(yīng)力。按照應(yīng)力隨時間的變化情況，應(yīng)力也可分為靜應(yīng)力和變應(yīng)力。靜應(yīng)力——不隨時間變化或變化很小的應(yīng)力。二）應(yīng)力變應(yīng)力——隨時間變化的應(yīng)力。otσ

σ=常數(shù)根據(jù)名義載荷求出的應(yīng)力稱為名義應(yīng)力。根據(jù)計算載荷求出的應(yīng)力稱穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力隨靜應(yīng)力只能由靜載荷產(chǎn)生，變應(yīng)力可能由變載荷或靜載荷產(chǎn)生。aσ0t作用在轉(zhuǎn)動心軸上的載荷是靜載荷，產(chǎn)生的應(yīng)力卻屬于變應(yīng)力。靜應(yīng)力只能由靜載荷產(chǎn)生，變應(yīng)力可能由變載荷或靜載荷產(chǎn)生。aσ三）變應(yīng)力參數(shù)及典型變應(yīng)力1.變應(yīng)力參數(shù)最大應(yīng)力：σmax

最小應(yīng)力：σmin應(yīng)力循環(huán)特征：用來表示應(yīng)力的變化情況r=σmin/σmax平均應(yīng)力：應(yīng)力幅：σminσaσaσmσmaxtσ注意：五個參數(shù)具有符號，計算時要帶有符號；

σmax、σmin是指絕對值而言。三）變應(yīng)力參數(shù)及典型變應(yīng)力1.變應(yīng)力參數(shù)最大應(yīng)力：σmax應(yīng)力類型a）靜應(yīng)力：r=+1變應(yīng)力特例σtσ=常數(shù)b）對稱循環(huán)變應(yīng)力r=-1σtσaσmaxσminc）脈動循環(huán)變應(yīng)力r=0σtσaσaσmaxσm2.典型變應(yīng)力及應(yīng)力循環(huán)特征rd）非對稱循環(huán)變應(yīng)力r在（-1～+1）間變化σmaxσmσminσaσatσ應(yīng)力類型a）靜應(yīng)力：r=+1變應(yīng)力特例σtσ=常數(shù)b）二、機(jī)械零件的失效形式及強(qiáng)度條件式靜應(yīng)力作用下——過載斷裂、塑性變形。二）零件強(qiáng)度條件式：σ≤[σ]=σlim/S

材料的極限應(yīng)力安全系數(shù)脆性材料制造的零件：σlim=σB

塑性材料制造的零件：σlim=σS

1．靜應(yīng)力作用下零件極限應(yīng)力2．變應(yīng)力作用下零件極限應(yīng)力——σlim=σrN疲勞極限一）零件的失效形式變應(yīng)力作用下——疲勞破壞約占零件損壞事故中的80%。強(qiáng)度極限屈服極限二、機(jī)械零件的失效形式及強(qiáng)度條件式靜應(yīng)力作用下——過載斷裂、3.安全系數(shù)——S的取值對零件的結(jié)構(gòu)尺寸、工作可靠性均有影響。1）靜應(yīng)力下，塑性材料的零件：S=1.2～１.5鑄鋼件：S=1.５～２.5S↑典型機(jī)械的

S

可通過查表求得。無表可查時，按以下原則?。骸慵叽绱?，結(jié)構(gòu)笨重。S↓→可能不安全。２）靜應(yīng)力下，脆性材料，如高強(qiáng)度鋼或鑄鐵：

S=3～43）變應(yīng)力下，S=1.3～1.7材料不均勻，或計算不準(zhǔn)時取：S=1.7～2.53.安全系數(shù)——S的取值對零件的結(jié)構(gòu)尺寸、工作可靠性均有1）三、靜應(yīng)力時機(jī)械零件的強(qiáng)度計算一）單向應(yīng)力下的塑性材料零件強(qiáng)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(qiáng)度理論對彎扭復(fù)合應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度計算由第三強(qiáng)度理論：（最大剪應(yīng)力理論）由第四強(qiáng)度理論：（最大變形能理論）三、靜應(yīng)力時機(jī)械零件的強(qiáng)度計算一）單向應(yīng)力下的塑性材料零件復(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(qiáng)度極限）

塑性材料極限應(yīng)力：（屈服極限）

1、單向應(yīng)力狀態(tài)強(qiáng)度條件：或

或失效形式：斷裂復(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按第一強(qiáng)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(qiáng)度鋼）

——強(qiáng)度計算應(yīng)計入應(yīng)力集中的影響脆性材料（鑄鐵）

——強(qiáng)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)<104按靜應(yīng)力強(qiáng)度計算。2、復(fù)合應(yīng)力下工作的零件按第一強(qiáng)度條件：2、復(fù)合應(yīng)力下工作的零件1、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裂紋尖端在應(yīng)力作用下，反復(fù)擴(kuò)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(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限一）變應(yīng)力作用下機(jī)械零件的失效特征2、疲勞破壞的機(jī)理：損傷的累積3、影響因素：不僅與材料性能有關(guān)，變應(yīng)力的循環(huán)特征、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、應(yīng)力幅都對疲勞極限有很大影響。四、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算1、疲勞破壞特征：一）變應(yīng)力作用下機(jī)械零件的失效特征2、疲勞描述應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N和疲勞極限σrN間關(guān)系的曲線，其橫坐標(biāo)為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，縱坐標(biāo)為疲勞極限σrN疲勞曲線無限壽命區(qū)σrN有限壽命區(qū)N0σrN1N1σrN2N2σrNNN0σrD機(jī)械零件的疲勞大多發(fā)生在σ－N曲線D點以前，可用下式描述：二）機(jī)械零件材料的疲勞極限1、σ—

N疲勞曲線1）有限壽命區(qū)當(dāng)N<104—低周循環(huán)，疲勞極限接近于屈服極限，按靜強(qiáng)度計算。描述應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N和疲勞極限σrN間關(guān)系的曲線，其橫2）D點以后的疲勞曲線呈一水平線，代表著無限壽命區(qū)，其方程為：

當(dāng)N>104——高周循環(huán)疲勞當(dāng)104≤N≤ND時隨循環(huán)次數(shù)↑疲勞極限↓無限壽命區(qū)σrN有限壽命區(qū)N0σrN1N1σrN2N2σrNNN0σrD由于ND很大，所以在作疲勞試驗時，常規(guī)定一個循環(huán)次數(shù)N0(稱為循環(huán)基數(shù))，用N0及其相對應(yīng)的疲勞極限σr來近似代表ND和σr∞，于是有：2）D點以后的疲勞曲線呈一水平線，代表著無限壽命區(qū)，其方程為有限壽命區(qū)間內(nèi)循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限σrN的關(guān)系為：式中，σr、N0及m的值由材料試驗確定。N—應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，N=60

n

th

ɑ每轉(zhuǎn)受載次數(shù)使用壽命（h）轉(zhuǎn)速（r/min）用疲勞曲線求疲勞極限σrN的方法：kN—壽命系數(shù)有限壽命區(qū)（N＜N0)疲勞極限:無限壽命區(qū)（N≥N0）疲勞極限：σrN=σr，

kN=1有限壽命區(qū)間內(nèi)循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限σrN的關(guān)系為：式中，σ?guī)c說明：①N0硬度≤350HBS鋼，N0=106~107

≥350HBS鋼，

N0=25x107有色金屬(無水平部分)，規(guī)定當(dāng)N0>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)特征越大，材料的疲勞極限與持久極限越大，對零件強(qiáng)度越有利。對稱循環(huán)（應(yīng)力循環(huán)特征=-1）最不利。幾點說明：①N0硬度≤350HBS鋼，N0=1062、極限應(yīng)力圖同一種材料在不同的應(yīng)力循環(huán)特征下的疲勞極限圖（σm—σa圖）。對任何材料（標(biāo)準(zhǔn)試件）而言，每種應(yīng)力循環(huán)特征下都對應(yīng)著該材料的最大應(yīng)力σ’max=σr，再由應(yīng)力循環(huán)特征可求出σ’min=rσ’max和σ’m、σ’a。以σm為橫坐標(biāo)、σa為縱坐標(biāo)，即可得材料在不同應(yīng)力循環(huán)特征下的極限σm和σa的關(guān)系圖。1）材料的極限應(yīng)力圖2、極限應(yīng)力圖同一種材料在不同的應(yīng)力循環(huán)特征下的疲勞極限圖（曲線上的點對應(yīng)著不同應(yīng)力循環(huán)特征下的材料疲勞極限。對稱極限點強(qiáng)度極限點脈動疲勞極限點屈服極限點曲線上的點對應(yīng)著不同應(yīng)力循環(huán)特征下的材料疲勞極限。對稱極限點簡化極限應(yīng)力線圖：——簡化極限應(yīng)力圖ABDG作法：考慮材料的最大應(yīng)力不超過疲勞極限，得AB及延長線考慮塑性材料的最大應(yīng)力不超過屈服極限，得DG。AD：疲勞極限直線DG：屈服極限直線ψσ——等效系數(shù)（折算系數(shù)）對碳鋼：ψσ=0.1~0.2對合金鋼：ψσ=0.2~0.3簡化極限應(yīng)力線圖：——簡化極限應(yīng)力圖ABDG作法：考慮材料的材料的簡化極限應(yīng)力圖，可根據(jù)材料的三個試驗數(shù)據(jù)σ-1、σ0和σS而作出。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(yuǎn)，安全程度越高。AD上各點：DG上各點：如果σmax<σmax’，不會疲勞破壞如果σmax<σs，不會屈服破壞折線ADG上任一點，表示在不同r時的疲勞極限。材料的簡化極限應(yīng)力圖，可根據(jù)材料的三個試驗數(shù)據(jù)σ-1、σ0和求不同應(yīng)力循環(huán)特征r時的疲勞極限：由材料的極限應(yīng)力簡圖對于n點(工作應(yīng)力為σm和σa）應(yīng)力循環(huán)特征：對應(yīng)的疲勞極限：求不同應(yīng)力循環(huán)特征r時的疲勞極限：由材料的極限應(yīng)力簡圖對影響零件疲勞強(qiáng)度的因素，除材料性能、r、N外，還有：應(yīng)力集中：零件剖面幾何形狀突變處(如孔、圓角、鍵槽、螺紋等）局部應(yīng)力遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力，使疲勞極限降低用應(yīng)力集中系數(shù)Kσ(Kτ)來考慮，Kσ(Kτ)越小越好絕對尺寸：零件剖面絕對尺寸大、出現(xiàn)缺陷概率大、疲勞極限降低用絕對尺寸系數(shù)εσ(ετ)來考慮，εσ(ετ)越大越好表面狀態(tài)：零件表面光滑或強(qiáng)化處理、能提高疲勞極限用表面狀態(tài)系數(shù)β來考慮用綜合影響系數(shù)或考慮以上因素影響綜合影響系數(shù)越小越好。鋼的強(qiáng)度越高，(Kσ)D或(Kτ)D值越大。所以對于用高強(qiáng)度鋼制造的零件為了得到提高強(qiáng)度的效果必須特別注意減少應(yīng)力集中和提高表面質(zhì)量。2）零件的極限應(yīng)力圖影響零件疲勞強(qiáng)度的因素，除材料性能、r、N外，還有：應(yīng)力集中

注意：由試驗得知，有效應(yīng)力集中系數(shù)、絕對尺寸系數(shù)和表面狀態(tài)系數(shù)，只對變應(yīng)力的應(yīng)力幅部分產(chǎn)生影響。因而，計算時可用綜合影響系數(shù)對變應(yīng)力的應(yīng)力幅部分進(jìn)行修正。綜合影響系數(shù)表示了材料極限應(yīng)力幅與零件極限應(yīng)力幅的比值：零件的對稱循環(huán)疲勞極限：注意：由試驗得知，有效應(yīng)力集中系數(shù)、絕對尺寸系數(shù)和綜合影響用(Kσ)D或(Kτ)D修正縱坐標(biāo)（應(yīng)力幅部分）：零件對稱循環(huán)疲勞點零件脈動循環(huán)疲勞點零件屈服極限點用(Kσ)D或(Kτ)D修正縱坐標(biāo)（應(yīng)力幅部分）：零件對稱循直線A’D’方程:直線D’G方程:A’D’——許用疲勞極限直線，D’G——屈服極限直線D’G是靜強(qiáng)度極限，其不受(Kσ)D的影響，所以該段不必修正，仍用135o的直線表示。直線A’D’方程:直線D’G方程:A’D’——許用疲勞極三）單向穩(wěn)定變應(yīng)力時機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算進(jìn)行零件疲勞強(qiáng)度計算時，首先根據(jù)零件危險截面上的σmax及σmin確定平均應(yīng)力σm與應(yīng)力幅σa，然后，在極限應(yīng)力線圖的坐標(biāo)中標(biāo)示出相應(yīng)工作應(yīng)力點M（或N）。應(yīng)力比為常數(shù)：r=C例如絕大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應(yīng)力狀態(tài)平均應(yīng)力為常數(shù)σm=C例如振動著的受載彈簧中的應(yīng)力狀態(tài)最小應(yīng)力為常數(shù)σmin=C例如緊螺栓連接中受軸向變載荷時的應(yīng)力狀態(tài)相應(yīng)的疲勞極限應(yīng)力應(yīng)是極限應(yīng)力曲線上的某一個點（σme’，σae’）所代表的應(yīng)力。用哪一點來表示極限應(yīng)力才算合適,要根據(jù)零件應(yīng)力可能發(fā)生的變化規(guī)律來確定。通常機(jī)械零件可能發(fā)生的典型的應(yīng)力變化規(guī)律有以下三種：

三）單向穩(wěn)定變應(yīng)力時機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算進(jìn)行零件疲勞強(qiáng)∴過原點與工作應(yīng)力點M或N作連線交A’D’G于M′和N′點，由于直線上任一點的應(yīng)力循環(huán)特征均相同，M′和N′點即為所求的極限應(yīng)力點。討論：當(dāng)ｒ＝C時，單向變應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度計算?！噙^原點與工作應(yīng)力點M或N作連線交A’D’G于M′和N′點，對于塑性材料，當(dāng)應(yīng)力在疲勞破壞區(qū)對應(yīng)于M點的零件的極限應(yīng)力a）當(dāng)工作應(yīng)力點位于OA’D’內(nèi)極限應(yīng)力為疲勞極限，按疲勞強(qiáng)度計算。對于塑性材料，當(dāng)應(yīng)力在疲勞破壞區(qū)對應(yīng)于M點的零件的極限應(yīng)力a對應(yīng)于N點的極限應(yīng)力點N’位于直線D’G上。其強(qiáng)度計算式為b）當(dāng)工作應(yīng)力點位于OD’G內(nèi)極限應(yīng)力為屈服極限，按靜強(qiáng)度計算。對應(yīng)于N點的極限應(yīng)力點N’位于直線D’G上。其強(qiáng)度計算式為注意：1）若零件所受應(yīng)力變化規(guī)律不能肯定，一般采用r=C的情況計算。2）上述計算均為按無限壽命進(jìn)行零件設(shè)計，若按有限壽命要求設(shè)計零件時，即應(yīng)力循環(huán)次數(shù)104<N<No時，這時上述公式中的極限應(yīng)力應(yīng)為有限壽命的疲勞極限，即應(yīng)以σ-1N代σ-1，以σ0N代σ0。3）當(dāng)未知工作應(yīng)力點所在區(qū)域時，應(yīng)同時考慮可能出現(xiàn)的兩種情況。4）對切應(yīng)力上述公式同樣適用，只需將σ改為τ即可。注意：1）若零件所受應(yīng)力變化規(guī)律不能肯定，一般采用r=C的情四）雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算當(dāng)零件上同時作用有同相位的穩(wěn)定對稱循環(huán)變應(yīng)力σa和τa時，由實驗得出的極限應(yīng)力關(guān)系式為：σa’,τa’——同時作用正應(yīng)力和切應(yīng)力的應(yīng)力幅極限值（σ，τ同時作用）σ-1e,τ-1e——為零件對稱循環(huán)正應(yīng)力和切應(yīng)力時疲勞極限（σ，τ單獨作用）四）雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算當(dāng)零件上同時作用有由于是對稱循環(huán)變應(yīng)力，故應(yīng)力幅即為最大應(yīng)力。弧線AM'B

上任何一個點即代表一對極限應(yīng)力σa′及τa′。若作用于零件上的應(yīng)力幅σa及τa如圖中M點表示，則由于此工作應(yīng)力點在極限以內(nèi)，未達(dá)到極限條件，因而是安全的。M點所對應(yīng)的極限應(yīng)力點M’確定時，一般認(rèn)為τa/σa比值不變（多數(shù)情況如此），∴M’點在OM直線的延長線上，如圖所示M’。由于是對稱循環(huán)變應(yīng)力，故應(yīng)力幅即為最大應(yīng)力?；【€AM'B計算安全系數(shù)：——零件只受對稱循環(huán)切應(yīng)力時的安全系數(shù)——零件只受對稱循環(huán)正應(yīng)力時的安全系數(shù)計算安全系數(shù)：——零件只受對稱循環(huán)切應(yīng)力時的安全系數(shù)——零機(jī)機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度

當(dāng)兩零件以點、線相接處時，其接觸的局部會引起較大的應(yīng)力，這局部的應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。對于線接觸的情況，其接觸應(yīng)力可用赫茲應(yīng)力公式計算。五、機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度機(jī)機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度當(dāng)兩零件以點、線相接處時，其式中：、ρ1、ρ2分別為兩圓柱體的曲率半徑(mm)，其中“＋”、“－”

號分別用于外接觸和內(nèi)接觸；、E1、E2分別為兩圓柱體材料的彈性模量(MPa)；、μ1、μ2分別為兩圓柱體材料的泊松比。接觸應(yīng)力是不同于以往所學(xué)過的擠壓應(yīng)力的。擠壓應(yīng)力是面接觸引起的應(yīng)力，是二向應(yīng)力狀態(tài)，而接觸應(yīng)力是三向應(yīng)力狀態(tài)。接觸應(yīng)力的特點是：僅在局部很小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生很大的應(yīng)力。式中：、ρ1、ρ2分別為兩圓柱體的曲率半徑(mm)，其中“＋第十章機(jī)械零件設(shè)計基礎(chǔ)§10-1概述§10-3機(jī)械設(shè)計中常用材料的選用原則§10-2機(jī)械設(shè)計的基本要求、機(jī)械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則§10-4機(jī)械設(shè)計中的強(qiáng)度、許用應(yīng)力和安全系數(shù)第十章機(jī)械零件設(shè)計基礎(chǔ)§10-1概述§機(jī)械（Machinery)——是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的統(tǒng)稱。機(jī)器(Machine)—主要是指機(jī)械裝置。如內(nèi)燃機(jī)、機(jī)床、汽車、火車、飛機(jī)、輪船、起重運輸機(jī)械、冶金礦山機(jī)械、輕紡食品機(jī)械等等。機(jī)械設(shè)計(MachineDesign)——即為各種機(jī)械裝置的設(shè)計，機(jī)械設(shè)計是為了滿足機(jī)器的某些特定功能而進(jìn)行的創(chuàng)造性過程，設(shè)計是創(chuàng)造性的勞動，設(shè)計的本質(zhì)在于創(chuàng)新?！?0-1概述機(jī)械（Machinery)——是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的統(tǒng)稱。機(jī)器機(jī)械設(shè)計課程的特點性質(zhì)：是一門重要的設(shè)計性的技術(shù)基礎(chǔ)課，是初步掌握機(jī)械設(shè)計能力的必然環(huán)節(jié)。研究內(nèi)容：通用機(jī)械零部件的工作原理、特點、選用及設(shè)計計算。齒輪傳動帶傳動蝸桿傳動螺紋聯(lián)接軸鍵聯(lián)接軸承聯(lián)軸器鏈傳動通用的零部件系指傳動零件軸類零件聯(lián)接零件機(jī)械設(shè)計課程的特點性質(zhì)：是一門重要的設(shè)計性的技術(shù)基礎(chǔ)課，是初目的：1、初步具備一般通用機(jī)械零部件設(shè)計計算的能力。2、綜合運用本課程和其他先修課程的知識，設(shè)計機(jī)械傳動裝置和一般機(jī)械。目的：1、初步具備一般通用機(jī)械零部件設(shè)計計算的能力。2、綜合5．其他要求：環(huán)保、噪音、外觀等一、機(jī)械設(shè)計的基本要求1．實現(xiàn)預(yù)定的功能，工作可靠；2．經(jīng)濟(jì)性好：設(shè)計和制造周期短、成本低，產(chǎn)品生產(chǎn)效率高、能耗低維護(hù)管理費用少；3．操作方便，運行安全；4．標(biāo)準(zhǔn)化、系列化程度高：以便簡化設(shè)計工作，提高產(chǎn)品質(zhì)量；§10-2機(jī)械設(shè)計的基本要求、機(jī)械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則5．其他要求：環(huán)保、噪音、外觀等一、機(jī)械設(shè)計的基本要求1．實二、機(jī)械零件的工作能力及計算準(zhǔn)則零件的工作能力

—

是指在一定的運動、載荷和環(huán)境情況下，在預(yù)定的使用期限內(nèi)，不發(fā)生失效的安全工作限度。二）機(jī)械零件的主要失效形式過大彈性變形——零件的剛度不夠引起塑性變形——工作應(yīng)力超過材料的屈服極限σS引起2．變形疲勞斷裂——工作應(yīng)力超過零件的疲勞極限σr引起過載斷裂——工作應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限σB引起1．?dāng)嗔褖簼?、過度磨損——零件接觸表面上的壓應(yīng)力p過大膠

合——

零件工作溫升△t過高引起表面疲勞損壞——零件表面接觸應(yīng)力σH過大引起3．表面失效機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效。一）機(jī)械零件的工作能力二、機(jī)械零件的工作能力及計算準(zhǔn)則零件的工作能力—機(jī)械零件設(shè)計基礎(chǔ)張課件計算準(zhǔn)則—用于計算并確定零件基本尺寸的主要依據(jù)。對于具體的零件，應(yīng)根據(jù)它們的主要失效形式，采用相應(yīng)的計算準(zhǔn)則。常用的計算準(zhǔn)則有：三）機(jī)械零件的計算準(zhǔn)則1．強(qiáng)度準(zhǔn)則——針對零件斷裂、塑性變形或表面疲勞損壞失效強(qiáng)度——指零件在載荷作用下抵抗斷裂或塑性變形的能力。強(qiáng)度是保證零件工作能力的最基本要求。若零件的強(qiáng)度不夠，不僅因為零件的失效使機(jī)械不能正常工作，還可能導(dǎo)致安全事故。強(qiáng)度的計算準(zhǔn)則為：σ≤[σ]MPa

或τ≤[τ]針對斷裂或塑性變形σH≤[σH]針對表面疲勞損壞計算準(zhǔn)則—用于計算并確定零件基本尺寸的主要依三）強(qiáng)度計算準(zhǔn)則：1）或2）S——安全系數(shù)，S＞1—→S↑：安全，浪費材料S↓：經(jīng)濟(jì)，不安全σ—零件的工作正應(yīng)力；—零件的工作切應(yīng)力；[σ]—材料的許用正應(yīng)力；—材料的許用切應(yīng)力；—材料的極限正應(yīng)力；—材料的極限切應(yīng)力；強(qiáng)度計算準(zhǔn)則：1）或2）S——安全系數(shù)，S＞1—→S↑：安全2．剛度準(zhǔn)則——針對過大彈性變形

剛度——指零件在一定載荷作用下抵抗過大彈性變形的能力。剛度是保證機(jī)器正常工作，提高機(jī)床加工產(chǎn)品質(zhì)量的基本要求。剛度的計算準(zhǔn)則為：y≤[y]；θ≤[θ]；φ≤[φ]式中，y、θ和φ——分別為零件工作時的撓度、偏轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)角；由剛度計算所得零件剖面尺寸，一般要比強(qiáng)度計算的大，所以，一般滿足剛度要求的零件往往也能同時滿足強(qiáng)度要求。2．剛度準(zhǔn)則——針對過大彈性變形由剛度計算所得零件剖面尺寸，機(jī)床主軸等彈性變形過大將影響加工精度。齒輪軸的彎曲撓度過大會影響一對齒輪的正確嚙合。機(jī)床主軸等彈性變形過大將影響加工精度。齒輪軸的彎曲撓度過大會3．耐磨性準(zhǔn)則——針對過度磨損、膠合破壞

耐磨性—指零件在載荷作用下相對運動的兩零件接觸界的抗磨損能力。耐磨性是保證有相對運動的零件正常工作的基本要求。其驗算式為：p≤[p]—防止過度磨損pv≤[pv]—防止膠合破壞3．耐磨性準(zhǔn)則——針對過度磨損、膠合破壞4．振動和噪聲準(zhǔn)則——針對高速機(jī)械的振動失穩(wěn)（即共振）

當(dāng)零件的固有振動頻率f等于或趨近于零件的強(qiáng)迫振動頻率fp時，將產(chǎn)生共振。這不僅影響機(jī)械正常工作，甚至造成破壞性事故，而振動又是產(chǎn)生噪聲的主要原因。

防止共振的條件為：f≤0．87fp

或f≥1．18fp式中，f—

零件的固有振動頻率，取決于零件的質(zhì)量和剛度。fp

—

零件受激振源作用引起的強(qiáng)迫振動頻率。4．振動和噪聲準(zhǔn)則——針對高速機(jī)械的振動失穩(wěn)（即共振）3、選擇材料；4、根據(jù)失效形式選用判定條件，設(shè)計出零件的主要參數(shù)；5、繪制零件工作圖。受力分析1、擬訂零件的設(shè)計簡圖；2、確定載荷的大小及位置；四）機(jī)械零件的設(shè)計步驟3、選擇材料；4、根據(jù)失效形式選用判定條件，設(shè)計出零件的主要傳統(tǒng)設(shè)計方法：強(qiáng)度條件（或剛度）設(shè)計計算尺寸尺寸校核計算強(qiáng)度條件（或剛度）理論設(shè)計（半經(jīng)驗設(shè)計）類比設(shè)計與已有的同類產(chǎn)品進(jìn)行比較來設(shè)計新產(chǎn)品。這種方法在工程實際中用得較多，特點是節(jié)省時間，較可靠。傳統(tǒng)設(shè)計方法：強(qiáng)度條件（或剛度）設(shè)計計算尺寸尺寸經(jīng)驗設(shè)計根據(jù)實踐中歸納出的經(jīng)驗公式和經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計，缺乏創(chuàng)新。如：箱體、傳動件各個結(jié)構(gòu)要素等模型實驗設(shè)計把初步設(shè)計的零、部件或機(jī)器作成小模型或小尺寸樣機(jī)進(jìn)行實驗。用于大型、復(fù)雜零件的設(shè)計。如：飛機(jī)、橋梁的風(fēng)洞實驗。經(jīng)驗設(shè)計根據(jù)實踐中歸納出的經(jīng)驗公式和經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)現(xiàn)代設(shè)計方法：優(yōu)化設(shè)計對工程實際問題進(jìn)行抽象，建立數(shù)學(xué)模型，用優(yōu)化方法求解，得出最佳設(shè)計結(jié)果。計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）包括分析計算和繪圖。概率設(shè)計（可靠性）將概率論與數(shù)理統(tǒng)計理論運用于機(jī)械設(shè)計。有限元設(shè)計并行設(shè)計現(xiàn)代設(shè)計方法：優(yōu)化設(shè)計對工程實際問題進(jìn)行抽象，建立§10－3機(jī)械設(shè)計中常用材料的選擇原則選用原則：一、使用性能的要求用途、工作條件、物理、化學(xué)、機(jī)械工藝性能、經(jīng)濟(jì)性。零件材料選材因素：使用要求是指用所選材料做成的零件，在給定的工況條件下和預(yù)定的壽命期限內(nèi)能正常工作?！?0－3機(jī)械設(shè)計中常用材料的選擇原則選用原則：一、使二、工藝性能的要求工藝要求是指所選材料的冷、熱加工性能好，熱處理工藝性好。三、經(jīng)濟(jì)性的要求在滿足使用性能的前提下，盡量選用低價格的材料，減少材料的消耗，是零件材料選擇的主要原則。各種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能可在相關(guān)國標(biāo)、行標(biāo)和機(jī)械設(shè)計手冊中查得。為了材料供應(yīng)和生產(chǎn)管理上的方便，應(yīng)盡量縮減材料的品種。二、工藝性能的要求工藝要求是指所選材料的冷、熱加工性能好，熱一、載荷和應(yīng)力一）載荷載荷——構(gòu)件或零件工作時所承受的外力。靜載荷——大小和方向均不隨時間變化或變化緩慢的載荷。變載荷——大小或方向隨時間變化的載荷。根據(jù)載荷性質(zhì)的不同，可分為靜載荷與變載荷?！?0-4機(jī)械設(shè)計中的強(qiáng)度、許用應(yīng)力和安全系數(shù)循環(huán)變載荷穩(wěn)定循環(huán)載荷不穩(wěn)定循環(huán)載荷隨機(jī)變載荷一、載荷和應(yīng)力載荷——構(gòu)件或零件工作時所承受的外力。靜載荷—名義載荷——在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷，按原動機(jī)的功率求得。計算載荷——載荷系數(shù)與名義載荷的乘積。式中，P——原動機(jī)的額定功率（kW），n——額定轉(zhuǎn)速（r/min）。式中，K——考慮各種附加載荷的載荷系數(shù)。也可分為工作載荷、名義載荷與計算載荷。工作載荷——機(jī)械正常工作時所受的載荷（一般難以確定）。名義載荷——在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的計算載荷——根據(jù)名義載荷求出的應(yīng)力稱為名義應(yīng)力。根據(jù)計算載荷求出的應(yīng)力稱為計算應(yīng)力。按照應(yīng)力隨時間的變化情況，應(yīng)力也可分為靜應(yīng)力和變應(yīng)力。靜應(yīng)力——不隨時間變化或變化很小的應(yīng)力。二）應(yīng)力變應(yīng)力——隨時間變化的應(yīng)力。otσ

σ=常數(shù)根據(jù)名義載荷求出的應(yīng)力稱為名義應(yīng)力。根據(jù)計算載荷求出的應(yīng)力稱穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力隨靜應(yīng)力只能由靜載荷產(chǎn)生，變應(yīng)力可能由變載荷或靜載荷產(chǎn)生。aσ0t作用在轉(zhuǎn)動心軸上的載荷是靜載荷，產(chǎn)生的應(yīng)力卻屬于變應(yīng)力。靜應(yīng)力只能由靜載荷產(chǎn)生，變應(yīng)力可能由變載荷或靜載荷產(chǎn)生。aσ三）變應(yīng)力參數(shù)及典型變應(yīng)力1.變應(yīng)力參數(shù)最大應(yīng)力：σmax

最小應(yīng)力：σmin應(yīng)力循環(huán)特征：用來表示應(yīng)力的變化情況r=σmin/σmax平均應(yīng)力：應(yīng)力幅：σminσaσaσmσmaxtσ注意：五個參數(shù)具有符號，計算時要帶有符號；

σmax、σmin是指絕對值而言。三）變應(yīng)力參數(shù)及典型變應(yīng)力1.變應(yīng)力參數(shù)最大應(yīng)力：σmax應(yīng)力類型a）靜應(yīng)力：r=+1變應(yīng)力特例σtσ=常數(shù)b）對稱循環(huán)變應(yīng)力r=-1σtσaσmaxσminc）脈動循環(huán)變應(yīng)力r=0σtσaσaσmaxσm2.典型變應(yīng)力及應(yīng)力循環(huán)特征rd）非對稱循環(huán)變應(yīng)力r在（-1～+1）間變化σmaxσmσminσaσatσ應(yīng)力類型a）靜應(yīng)力：r=+1變應(yīng)力特例σtσ=常數(shù)b）二、機(jī)械零件的失效形式及強(qiáng)度條件式靜應(yīng)力作用下——過載斷裂、塑性變形。二）零件強(qiáng)度條件式：σ≤[σ]=σlim/S

材料的極限應(yīng)力安全系數(shù)脆性材料制造的零件：σlim=σB

塑性材料制造的零件：σlim=σS

1．靜應(yīng)力作用下零件極限應(yīng)力2．變應(yīng)力作用下零件極限應(yīng)力——σlim=σrN疲勞極限一）零件的失效形式變應(yīng)力作用下——疲勞破壞約占零件損壞事故中的80%。強(qiáng)度極限屈服極限二、機(jī)械零件的失效形式及強(qiáng)度條件式靜應(yīng)力作用下——過載斷裂、3.安全系數(shù)——S的取值對零件的結(jié)構(gòu)尺寸、工作可靠性均有影響。1）靜應(yīng)力下，塑性材料的零件：S=1.2～１.5鑄鋼件：S=1.５～２.5S↑典型機(jī)械的

S

可通過查表求得。無表可查時，按以下原則?。骸慵叽绱?，結(jié)構(gòu)笨重。S↓→可能不安全。２）靜應(yīng)力下，脆性材料，如高強(qiáng)度鋼或鑄鐵：

S=3～43）變應(yīng)力下，S=1.3～1.7材料不均勻，或計算不準(zhǔn)時?。篠=1.7～2.53.安全系數(shù)——S的取值對零件的結(jié)構(gòu)尺寸、工作可靠性均有1）三、靜應(yīng)力時機(jī)械零件的強(qiáng)度計算一）單向應(yīng)力下的塑性材料零件強(qiáng)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(qiáng)度理論對彎扭復(fù)合應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度計算由第三強(qiáng)度理論：（最大剪應(yīng)力理論）由第四強(qiáng)度理論：（最大變形能理論）三、靜應(yīng)力時機(jī)械零件的強(qiáng)度計算一）單向應(yīng)力下的塑性材料零件復(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(qiáng)度極限）

塑性材料極限應(yīng)力：（屈服極限）

1、單向應(yīng)力狀態(tài)強(qiáng)度條件：或

或失效形式：斷裂復(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按第一強(qiáng)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(qiáng)度鋼）

——強(qiáng)度計算應(yīng)計入應(yīng)力集中的影響脆性材料（鑄鐵）

——強(qiáng)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)<104按靜應(yīng)力強(qiáng)度計算。2、復(fù)合應(yīng)力下工作的零件按第一強(qiáng)度條件：2、復(fù)合應(yīng)力下工作的零件1、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裂紋尖端在應(yīng)力作用下，反復(fù)擴(kuò)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(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限一）變應(yīng)力作用下機(jī)械零件的失效特征2、疲勞破壞的機(jī)理：損傷的累積3、影響因素：不僅與材料性能有關(guān)，變應(yīng)力的循環(huán)特征、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、應(yīng)力幅都對疲勞極限有很大影響。四、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算1、疲勞破壞特征：一）變應(yīng)力作用下機(jī)械零件的失效特征2、疲勞描述應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N和疲勞極限σrN間關(guān)系的曲線，其橫坐標(biāo)為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，縱坐標(biāo)為疲勞極限σrN疲勞曲線無限壽命區(qū)σrN有限壽命區(qū)N0σrN1N1σrN2N2σrNNN0σrD機(jī)械零件的疲勞大多發(fā)生在σ－N曲線D點以前，可用下式描述：二）機(jī)械零件材料的疲勞極限1、σ—

N疲勞曲線1）有限壽命區(qū)當(dāng)N<104—低周循環(huán)，疲勞極限接近于屈服極限，按靜強(qiáng)度計算。描述應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N和疲勞極限σrN間關(guān)系的曲線，其橫2）D點以后的疲勞曲線呈一水平線，代表著無限壽命區(qū)，其方程為：

當(dāng)N>104——高周循環(huán)疲勞當(dāng)104≤N≤ND時隨循環(huán)次數(shù)↑疲勞極限↓無限壽命區(qū)σrN有限壽命區(qū)N0σrN1N1σrN2N2σrNNN0σrD由于ND很大，所以在作疲勞試驗時，常規(guī)定一個循環(huán)次數(shù)N0(稱為循環(huán)基數(shù))，用N0及其相對應(yīng)的疲勞極限σr來近似代表ND和σr∞，于是有：2）D點以后的疲勞曲線呈一水平線，代表著無限壽命區(qū)，其方程為有限壽命區(qū)間內(nèi)循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限σrN的關(guān)系為：式中，σr、N0及m的值由材料試驗確定。N—應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，N=60

n

th

ɑ每轉(zhuǎn)受載次數(shù)使用壽命（h）轉(zhuǎn)速（r/min）用疲勞曲線求疲勞極限σrN的方法：kN—壽命系數(shù)有限壽命區(qū)（N＜N0)疲勞極限:無限壽命區(qū)（N≥N0）疲勞極限：σrN=σr，

kN=1有限壽命區(qū)間內(nèi)循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限σrN的關(guān)系為：式中，σ?guī)c說明：①N0硬度≤350HBS鋼，N0=106~107

≥350HBS鋼，

N0=25x107有色金屬(無水平部分)，規(guī)定當(dāng)N0>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)特征越大，材料的疲勞極限與持久極限越大，對零件強(qiáng)度越有利。對稱循環(huán)（應(yīng)力循環(huán)特征=-1）最不利。幾點說明：①N0硬度≤350HBS鋼，N0=1062、極限應(yīng)力圖同一種材料在不同的應(yīng)力循環(huán)特征下的疲勞極限圖（σm—σa圖）。對任何材料（標(biāo)準(zhǔn)試件）而言，每種應(yīng)力循環(huán)特征下都對應(yīng)著該材料的最大應(yīng)力σ’max=σr，再由應(yīng)力循環(huán)特征可求出σ’min=rσ’max和σ’m、σ’a。以σm為橫坐標(biāo)、σa為縱坐標(biāo)，即可得材料在不同應(yīng)力循環(huán)特征下的極限σm和σa的關(guān)系圖。1）材料的極限應(yīng)力圖2、極限應(yīng)力圖同一種材料在不同的應(yīng)力循環(huán)特征下的疲勞極限圖（曲線上的點對應(yīng)著不同應(yīng)力循環(huán)特征下的材料疲勞極限。對稱極限點強(qiáng)度極限點脈動疲勞極限點屈服極限點曲線上的點對應(yīng)著不同應(yīng)力循環(huán)特征下的材料疲勞極限。對稱極限點簡化極限應(yīng)力線圖：——簡化極限應(yīng)力圖ABDG作法：考慮材料的最大應(yīng)力不超過疲勞極限，得AB及延長線考慮塑性材料的最大應(yīng)力不超過屈服極限，得DG。AD：疲勞極限直線DG：屈服極限直線ψσ——等效系數(shù)（折算系數(shù)）對碳鋼：ψσ=0.1~0.2對合金鋼：ψσ=0.2~0.3簡化極限應(yīng)力線圖：——簡化極限應(yīng)力圖ABDG作法：考慮材料的材料的簡化極限應(yīng)力圖，可根據(jù)材料的三個試驗數(shù)據(jù)σ-1、σ0和σS而作出。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(yuǎn)，安全程度越高。AD上各點：DG上各點：如果σmax<σmax’，不會疲勞破壞如果σmax<σs，不會屈服破壞折線ADG上任一點，表示在不同r時的疲勞極限。材料的簡化極限應(yīng)力圖，可根據(jù)材料的三個試驗數(shù)據(jù)σ-1、σ0和求不同應(yīng)力循環(huán)特征r時的疲勞極限：由材料的極限應(yīng)力簡圖對于n點(工作應(yīng)力為σm和σa）應(yīng)力循環(huán)特征：對應(yīng)的疲勞極限：求不同應(yīng)力循環(huán)特征r時的疲勞極限：由材料的極限應(yīng)力簡圖對影響零件疲勞強(qiáng)度的因素，除材料性能、r、N外，還有：應(yīng)力集中：零件剖面幾何形狀突變處(如孔、圓角、鍵槽、螺紋等）局部應(yīng)力遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力，使疲勞極限降低用應(yīng)力集中系數(shù)Kσ(Kτ)來考慮，Kσ(Kτ)越小越好絕對尺寸：零件剖面絕對尺寸大、出現(xiàn)缺陷概率大、疲勞極限降低用絕對尺寸系數(shù)εσ(ετ)來考慮，εσ(ετ)越大越好表面狀態(tài)：零件表面光滑或強(qiáng)化處理、能提高疲勞極限用表面狀態(tài)系數(shù)β來考慮用綜合影響系數(shù)或考慮以上因素影響綜合影響系數(shù)越小越好。鋼的強(qiáng)度越高，(Kσ)D或(Kτ)D值越大。所以對于用高強(qiáng)度鋼制造的零件為了得到提高強(qiáng)度的效果必須特別注意減少應(yīng)力集中和提高表面質(zhì)量。2）零件的極限應(yīng)力圖影響零件疲勞強(qiáng)度的因素，除材料性能、r、N外，還有：應(yīng)力集中

注意：由試驗得知，有效應(yīng)力集中系數(shù)、絕對尺寸系數(shù)和表面狀態(tài)系數(shù)，只對變應(yīng)力的應(yīng)力幅部分產(chǎn)生影響。因而，計算時可用綜合影響系數(shù)對變應(yīng)力的應(yīng)力幅部分進(jìn)行修正。綜合影響系數(shù)表示了材料極限應(yīng)力幅與零件極限應(yīng)力幅的比值：