機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之機(jī)械設(shè)計(jì)-第章機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算基礎(chǔ)

第二章靜應(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)算剛度和振動(dòng)計(jì)算機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算基礎(chǔ)北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院劉繼紅ryukeiko@.c驟1：繪制運(yùn)動(dòng)簡圖步驟2：繪制結(jié)構(gòu)簡圖步驟3：分析載荷應(yīng)力步驟4：選擇零件材料步驟5：分析失效形式步驟6：確定工作準(zhǔn)則步驟7：進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算步驟8：進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟9：進(jìn)行校核驗(yàn)算機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院劉繼紅ryukeiko@.c驟1：繪制運(yùn)動(dòng)簡圖步驟2：繪制結(jié)構(gòu)簡圖步驟3：分析載荷應(yīng)力步驟4：選擇零件材料步驟5：分析失效形式步驟6：確定工作準(zhǔn)則步驟7：進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算步驟8：進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟9：進(jìn)行校核驗(yàn)算機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院劉繼紅ryukeiko@.c算載荷=K

×名義載荷載荷系數(shù)（工作情況系數(shù)）載荷（1）載荷作用于零件上的力或力矩名義載荷（理論載荷）F理想工作條件下的載荷，根據(jù)額定功率計(jì)算計(jì)算載荷（實(shí)際載荷）Fc作用于零件的實(shí)際載荷，考慮各種附加載荷K1主因是動(dòng)力機(jī)與工作機(jī)的工作性質(zhì)，如平穩(wěn)、沖擊北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院劉繼紅ryukeiko@.c燃機(jī)閥門彈簧受力載荷（2）靜載荷不隨時(shí)間變化或變化緩慢的載荷

鍋爐受力變載荷隨時(shí)間周期性或非周期性變化的載荷汽車軸、齒輪受力北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院劉繼紅ryukeiko@.c力（τ）單位面積上的內(nèi)力拉伸應(yīng)力、壓縮應(yīng)力、剪切應(yīng)力F北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院劉繼紅ryukeiko@.cstssminsmaxsm零件的應(yīng)力作用在零件剖面上的應(yīng)力穩(wěn)定變應(yīng)力靜應(yīng)力不隨時(shí)間變化或變化緩慢的應(yīng)力變應(yīng)力隨時(shí)間周期性或非周期性變化的應(yīng)力非穩(wěn)定變應(yīng)力北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院劉繼紅ryukeiko@.c題：靜變載荷與靜變應(yīng)力的關(guān)系？名義應(yīng)力？計(jì)算應(yīng)力？北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院劉繼紅ryukeiko@.c定變應(yīng)力每次循環(huán)的參數(shù)和周期均不隨時(shí)間變化的周期性變應(yīng)力，亦稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力應(yīng)力參數(shù)最大應(yīng)力σmax＝σm+σa最小應(yīng)力σmin＝σm－σa平均應(yīng)力σm

＝

(σmax+σmin)／2應(yīng)力幅σa＝(σmax－σmin)／2應(yīng)力循環(huán)特性r

=

σmin／σmax問題：三種穩(wěn)定變應(yīng)力的參數(shù)？靜應(yīng)力的參數(shù)？北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院劉繼紅ryukeiko@.c料的極限應(yīng)力（1）sBes玻璃鋼灰口鑄鐵esspsSsBABCDE靜應(yīng)力下的極限應(yīng)力與材料性能有關(guān)－脆性材料取強(qiáng)度極限應(yīng)力σB－塑性材料取屈服極限應(yīng)力σS北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院劉繼紅ryukeiko@.c料的的極限限應(yīng)力力（2）變應(yīng)力力下的極極限應(yīng)應(yīng)力依依據(jù)防防疲勞勞斷裂裂準(zhǔn)則則確定定，取取疲勞勞極限限應(yīng)力力（材材料經(jīng)經(jīng)過N0次應(yīng)力力循環(huán)環(huán)不發(fā)發(fā)生破破壞的的最大大應(yīng)力力）σr，該值值可從從有關(guān)關(guān)手冊冊查取取。有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)北京航航空航航天大大學(xué)機(jī)機(jī)械工工程及及自動(dòng)動(dòng)化學(xué)學(xué)院劉劉繼紅紅ryukeiko@.c用應(yīng)應(yīng)力：：設(shè)計(jì)零零件時(shí)時(shí)所依依據(jù)的的條件件應(yīng)力力許用安安全系系數(shù)：：考慮計(jì)計(jì)算精精度、、材料料均勻勻度和和零件重重要度度等因因素，，查表表而得得。許用安安全系系數(shù)↑→許許用應(yīng)應(yīng)力↓↓→結(jié)結(jié)構(gòu)笨笨重許用安安全系系數(shù)↓→許許用應(yīng)應(yīng)力↑↑→不夠安安全許用應(yīng)應(yīng)力與與許用用安全全系數(shù)數(shù)許用應(yīng)力極限應(yīng)力許用安全系數(shù)[][]北京航航空航航天大大學(xué)機(jī)機(jī)械工工程及及自動(dòng)動(dòng)化學(xué)學(xué)院劉劉繼紅紅ryukeiko@.c驟1：繪繪制運(yùn)運(yùn)動(dòng)簡簡圖步驟2：繪繪制結(jié)結(jié)構(gòu)簡簡圖步驟3：分分析載載荷應(yīng)應(yīng)力步驟4：選選擇零零件材材料步驟5：分分析失失效形形式步驟6：確確定工工作準(zhǔn)準(zhǔn)則步驟7：進(jìn)進(jìn)行設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)算步驟8：進(jìn)進(jìn)行結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)步驟9：進(jìn)進(jìn)行校校核驗(yàn)驗(yàn)算機(jī)械零零件設(shè)設(shè)計(jì)的的一般般步驟驟北京京航航空空航航天天大大學(xué)學(xué)機(jī)機(jī)械械工工程程及及自自動(dòng)動(dòng)化化學(xué)學(xué)院院劉劉繼繼紅紅ryukeiko@.c用用零零件件材材料料的的力力學(xué)學(xué)性性能能等等級級和和牌牌號號（1））鑄鐵鐵：含含ＣＣ＞＞2.06％％→→易易成成型型、、價(jià)價(jià)廉廉、、吸吸振振、、可可靠靠性性差差。。如如灰灰鑄鑄鐵鐵、、球球墨墨鑄鑄鐵鐵、、可可鍛鍛鑄鑄鐵鐵（2））鋼：含含ＣＣ量量＜＜1.4％％→→常常用用。。－碳碳素素鋼鋼：普通通碳碳素素鋼鋼、、優(yōu)優(yōu)質(zhì)質(zhì)碳碳素素鋼鋼－合合金金鋼鋼：：綜綜合合機(jī)機(jī)械械性性能能好好，，但但較較貴貴－鑄鑄鋼鋼：：含ＣＣ（（0.15～～0.6））％％→→易易成成型型（3））有色色金金屬屬合合金金：有有特特殊殊性性能能，，價(jià)價(jià)昂昂→→少少用用。。如如鋁鋁合合金金、、銅銅合合金金（（黃黃銅銅、、青青銅銅））、、軸軸承承合合金金（4））非金金屬屬材材料料：如如工工程程塑塑料料、、橡橡膠膠、、玻玻璃璃等等燒燒結(jié)結(jié)材材料料、、復(fù)復(fù)合合材材料料……常用用材材料料北京京航航空空航航天天大大學(xué)學(xué)機(jī)機(jī)械械工工程程及及自自動(dòng)動(dòng)化化學(xué)學(xué)院院劉劉繼繼紅紅ryukeiko@.c料料選選用用原原則則使用用要要求求使用用環(huán)環(huán)境境、、載載荷荷性性質(zhì)質(zhì)、、結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)、、重重要要程程度度...工藝藝要要求求零件件及及其其毛毛坯坯的的形形狀狀、、批批量量、、加加工工方方法法...經(jīng)濟(jì)濟(jì)要要求求材料料價(jià)價(jià)格格結(jié)結(jié)合合加加工工費(fèi)費(fèi)用用、、材材料料利利用用率率...北京京航航空空航航天天大大學(xué)學(xué)機(jī)機(jī)械械工工程程及及自自動(dòng)動(dòng)化化學(xué)學(xué)院院劉劉繼繼紅紅ryukeiko@.c驟驟1：：繪繪制制運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)簡簡圖圖步驟驟2：：繪繪制制結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)簡簡圖圖步驟驟3：：分分析析載載荷荷應(yīng)應(yīng)力力步驟驟4：：選選擇擇零零件件材材料料步驟5：分析失失效形式步驟6：確確定工作準(zhǔn)準(zhǔn)則步驟7：進(jìn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)算步驟8：進(jìn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)步驟9：進(jìn)進(jìn)行校核驗(yàn)驗(yàn)算機(jī)械零件設(shè)設(shè)計(jì)的一般般步驟北京航空航航天大學(xué)機(jī)機(jī)械工程及及自動(dòng)化學(xué)學(xué)院劉劉繼紅ryukeiko@.c可能的失失效形式：：斷裂、塑性性變形、過過大彈性變變形、共振振Fn零件失效形形式失效零件喪失工工作能力或或達(dá)不到設(shè)設(shè)計(jì)要求的的性能，不不僅僅指破破壞主要失效形形式斷裂：如軸、齒齒輪輪齒發(fā)發(fā)生斷裂表面點(diǎn)蝕：工作表面面片狀剝落落塑性變形：零件發(fā)生生永久性變變形過大彈性變變形表面破壞過大振動(dòng)和和噪聲、過過熱等北京航空航航天大學(xué)機(jī)機(jī)械工程及及自動(dòng)化學(xué)學(xué)院劉劉繼紅ryukeiko@.c驟1：繪制運(yùn)運(yùn)動(dòng)簡圖步驟2：繪繪制結(jié)構(gòu)簡簡圖步驟3：分分析載荷應(yīng)應(yīng)力步驟4：選選擇零件材材料步驟5：分分析失效形形式步驟6：確確定工作準(zhǔn)準(zhǔn)則步驟7：進(jìn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)算步驟8：進(jìn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)步驟9：進(jìn)進(jìn)行校核驗(yàn)驗(yàn)算機(jī)械零件設(shè)設(shè)計(jì)的一般般步驟北京航空航航天大學(xué)機(jī)機(jī)械工程及及自動(dòng)化學(xué)學(xué)院劉劉繼紅ryukeiko@1352204602250kN零件工作能能力準(zhǔn)則工作能力不失效條件件下零件的的安全工作作限度。該該限度通常常以零件承承受載荷的的大小來表表示，又常常稱為“承承載能力””。如：吊吊鉤最大起起重量50kN，，其工作能能力或承載載能力為50kN工作能力準(zhǔn)準(zhǔn)則衡量零件工工作能力的的指標(biāo)。零零件設(shè)計(jì)就就是針對零零件主要失失效形式選選擇適合的的工作能力力準(zhǔn)則進(jìn)行行設(shè)計(jì)。主主要包括強(qiáng)強(qiáng)度準(zhǔn)則、、剛度準(zhǔn)則則、耐磨性性準(zhǔn)則、振振動(dòng)穩(wěn)定性性準(zhǔn)則、耐耐熱性準(zhǔn)則則北京航空航航天大學(xué)機(jī)機(jī)械工程及及自動(dòng)化學(xué)學(xué)院劉劉繼紅ryukeiko@.c度準(zhǔn)則剛度準(zhǔn)則耐磨性準(zhǔn)則則選擇工作準(zhǔn)準(zhǔn)則主要失效形形式與工作作準(zhǔn)則的對對應(yīng)斷裂：如軸、齒齒輪輪齒發(fā)發(fā)生斷裂表面點(diǎn)蝕：工作表面面片狀剝落落塑性變形：零件發(fā)生生永久性變變形過大彈性變變形表面破壞過大振動(dòng)和和噪聲、過過熱等振動(dòng)穩(wěn)定性性準(zhǔn)則北京航空航航天大學(xué)機(jī)機(jī)械工程及及自動(dòng)化學(xué)學(xué)院劉劉繼紅ryukeiko@.c驟1：繪制運(yùn)運(yùn)動(dòng)簡圖步驟2：繪繪制結(jié)構(gòu)簡簡圖步驟3：分分析載荷應(yīng)應(yīng)力步驟4：選選擇零件材材料步驟5：分分析失效形形式步驟6：確確定工作準(zhǔn)準(zhǔn)則步驟7：進(jìn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)算步驟8：進(jìn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟9：進(jìn)進(jìn)行校核驗(yàn)算機(jī)械零件設(shè)設(shè)計(jì)的一般般步驟北京航空航航天大學(xué)機(jī)機(jī)械工程及及自動(dòng)化學(xué)學(xué)院劉劉繼紅ryukeiko@.c度計(jì)算強(qiáng)度：材料抵抗斷斷裂或殘余余變形的能能力強(qiáng)度準(zhǔn)則：：工作應(yīng)力≤≤許用應(yīng)力力σ≤[σσ]或ττ≤[τ]失效形式：：斷裂、疲勞勞破壞、殘殘余變形典型零件：：軸、齒輪、、帶輪等等正應(yīng)力：剪應(yīng)力：機(jī)械零件工工作能力的的最基本準(zhǔn)準(zhǔn)則北京航空航航天大學(xué)機(jī)機(jī)械工程及及自動(dòng)化學(xué)學(xué)院劉劉繼紅ryukeiko@.c應(yīng)力狀態(tài)態(tài)下的強(qiáng)度度計(jì)算塑性材料零零件[]=s[S][]=

s[S]脆性或低塑塑性材料零零件[]=B[S][]=

B[S]防止塑性變變形防止斷裂北京航空航航天大學(xué)機(jī)機(jī)械工程及及自動(dòng)化學(xué)學(xué)院劉劉繼紅ryukeiko@.c應(yīng)力狀態(tài)態(tài)下的強(qiáng)度度計(jì)算（1）疲勞破壞機(jī)機(jī)理：零件產(chǎn)生微微觀裂紋；；發(fā)展成宏宏觀裂紋；；宏觀裂紋紋急劇擴(kuò)展展；到達(dá)材材料極限強(qiáng)強(qiáng)度時(shí)發(fā)生生斷裂影響零件疲疲勞強(qiáng)度因因素材料極限應(yīng)應(yīng)力應(yīng)力集中尺寸效應(yīng)表面狀態(tài)疲勞失效：：大多數(shù)機(jī)械械零件工作作時(shí)受變應(yīng)應(yīng)力作用。。即使應(yīng)力力值小于材材料的屈服服強(qiáng)度，也也會(huì)在經(jīng)受受一定應(yīng)力力循環(huán)周期期后突然斷斷裂，而且且斷裂時(shí)沒沒有明顯的的宏觀塑性性變形，這這種破壞形形式稱為疲疲勞失效北京航空航航天大學(xué)機(jī)機(jī)械工程及及自動(dòng)化學(xué)學(xué)院劉劉繼紅ryukeiko@.c應(yīng)力狀態(tài)態(tài)下的強(qiáng)度度計(jì)算（2）有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)循環(huán)特性r一定時(shí)，，應(yīng)力循環(huán)環(huán)N次后，，材料不發(fā)發(fā)生疲勞破破壞時(shí)的最最大應(yīng)力，，稱為疲勞勞極限。KN：壽命系數(shù)數(shù)N0:循環(huán)環(huán)基數(shù)m：材料與與應(yīng)力指數(shù)數(shù)疲勞曲線（（－N曲線線）rNmN=rmN0=C北京航空航航天大學(xué)機(jī)機(jī)械工程及及自動(dòng)化學(xué)學(xué)院劉劉繼紅ryukeiko@.c應(yīng)力狀態(tài)態(tài)下的強(qiáng)度度計(jì)算（3）lgNlgrNO103(104)N0rAB低周循環(huán)高周循環(huán)有限壽命區(qū)區(qū)無限壽命區(qū)區(qū)循環(huán)基數(shù)(107)疲勞曲線一一般是在對對稱循環(huán)變變應(yīng)力條件件下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果北京航空航航天大學(xué)機(jī)機(jī)械工程及及自動(dòng)化學(xué)學(xué)院劉劉繼紅ryukeiko@.c應(yīng)力狀態(tài)態(tài)下的強(qiáng)度度計(jì)算（4）相同循環(huán)次次數(shù)（通常常取N0）和不同循循環(huán)特性r下，材料料有不同的的疲勞極限限，可從材材料疲勞極極限應(yīng)力圖圖求得。amF(B,0)S(s,0)A(0,-1)B(0/2,0/2)E安全區(qū)塑性失效區(qū)疲勞失效區(qū)45o135oABES北京航空航航天大學(xué)機(jī)機(jī)械工程及及自動(dòng)化學(xué)學(xué)院劉劉繼紅ryukeiko@.c應(yīng)力狀態(tài)態(tài)下的強(qiáng)度度計(jì)算（5）amS(s,0)AamS(s,0)AamS(s,0)Alim=2-1K(1-r)+(1+r)許用疲勞極極限曲線許用疲勞極極限曲線許用疲勞極極限曲線簡化疲勞曲曲線簡化疲勞曲曲線簡化疲勞曲曲線m1minK：疲勞強(qiáng)度度綜合影響響系數(shù)北京航空航航天大學(xué)機(jī)機(jī)械工程及及自動(dòng)化學(xué)學(xué)院劉劉繼紅ryukeiko@.c應(yīng)力狀態(tài)態(tài)下的強(qiáng)度度計(jì)算（6）max[]=lim[S]a[a]=lim-a[S]疲勞強(qiáng)度準(zhǔn)準(zhǔn)則：北京航空航航天大學(xué)機(jī)機(jī)械工程及及自動(dòng)化學(xué)學(xué)院劉劉繼紅ryukeiko@.c面強(qiáng)度計(jì)計(jì)算表面接觸強(qiáng)強(qiáng)度表面擠壓強(qiáng)強(qiáng)度表面磨損強(qiáng)強(qiáng)度齒輪傳動(dòng)動(dòng)、蝸桿桿傳動(dòng)以以及滾動(dòng)動(dòng)軸承等等依靠表表面接觸觸工作的的零件，，受到法法向載荷荷時(shí)，其其工作能能力取決決于接觸觸表面的的強(qiáng)度北京航空空航天大大學(xué)機(jī)械械工程及及自動(dòng)化化學(xué)院劉劉繼繼紅ryukeiko@.c面接觸觸強(qiáng)度北京航空空航天大大學(xué)機(jī)械械工程及及自動(dòng)化化學(xué)院劉劉繼繼紅ryukeiko@.c茲公式式接觸應(yīng)力力的計(jì)算算公式影響接觸觸應(yīng)力的的因素：：曲率半徑徑材料接觸線長長度Fac：：法向載載荷；L：接觸觸長度；；疲勞強(qiáng)度度準(zhǔn)則：：H[H]北京航空空航天大大學(xué)機(jī)械械工程及及自動(dòng)化化學(xué)院劉劉繼繼紅ryukeiko@.c磨性準(zhǔn)準(zhǔn)則耐磨性：：零件抗抗磨損的的能力。。磨損是是相當(dāng)復(fù)復(fù)雜的物物理化學(xué)學(xué)過程。。影響磨磨損的因因素包括括載荷的的大小和和性質(zhì)、、滑動(dòng)速速度、潤潤滑劑的的化學(xué)性性質(zhì)和物物理性質(zhì)質(zhì)等。磨磨粒磨損損、粘著著磨損、、疲勞磨磨損、腐腐蝕磨損損