第1章 機(jī)械設(shè)計的基礎(chǔ)知識

1、第第1章機(jī)械設(shè)計的基礎(chǔ)知識章機(jī)械設(shè)計的基礎(chǔ)知識 1.1機(jī)械零件的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則機(jī)械零件的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則1.2機(jī)械零件的強度計算機(jī)械零件的強度計算1.3機(jī)械零件的材料及熱處理機(jī)械零件的材料及熱處理1.4 機(jī)械零件的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械零件的標(biāo)準(zhǔn)化1.1機(jī)械零件的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則機(jī)械零件的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則1.1.1 機(jī)械零件的主要失效形式機(jī)械零件的主要失效形式機(jī)械零件的失效：機(jī)械零件的失效：機(jī)械零件由于某些原因而喪失工作能力或達(dá)不機(jī)械零件由于某些原因而喪失工作能力或達(dá)不到設(shè)計要求性能時，稱為失效。到設(shè)計要求性能時，稱為失效。機(jī)械零件可能的失效形式：機(jī)械零件可能的失效形式： 由強度、剛度、耐磨性、

2、振動穩(wěn)定性、可靠性、溫度對工作能由強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、可靠性、溫度對工作能 力的影響引起的失效。主要有以下幾種：力的影響引起的失效。主要有以下幾種：1. 整體斷裂整體斷裂2. 過大的殘余變形過大的殘余變形3. 零件的表面破壞零件的表面破壞4. 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1.1.2機(jī)械零件的設(shè)計準(zhǔn)則機(jī)械零件的設(shè)計準(zhǔn)則1. 強度準(zhǔn)則強度準(zhǔn)則 Slim式中：式中：零件的應(yīng)力，零件的應(yīng)力，MPa；lim材料極限應(yīng)力，材料極限應(yīng)力，MPa；S 為安全系數(shù)。為安全系數(shù)。針對的失效形式為：針對的失效形式為：斷裂失效（過載斷裂、疲勞斷裂）、塑性變形失效和點蝕失效。斷裂失效

3、（過載斷裂、疲勞斷裂）、塑性變形失效和點蝕失效。 強度準(zhǔn)則是最基本的設(shè)計準(zhǔn)則。強度準(zhǔn)則是最基本的設(shè)計準(zhǔn)則。強度準(zhǔn)則的設(shè)計表達(dá)式為強度準(zhǔn)則的設(shè)計表達(dá)式為：2. 剛度準(zhǔn)則剛度準(zhǔn)則 剛度準(zhǔn)則針對零件過大的彈性變形失效。剛度準(zhǔn)則針對零件過大的彈性變形失效。yy ，式中：式中： 分別是零件的撓度、偏轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)角；分別是零件的撓度、偏轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)角； y、 分別是許用的撓度、偏轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)角。分別是許用的撓度、偏轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)角。 y 、3. 耐磨性準(zhǔn)則耐磨性準(zhǔn)則 耐磨性準(zhǔn)則針對的是零件的表面失效。耐磨性準(zhǔn)則針對的是零件的表面失效。 .pp pvpv 在工程中對零件的條件性耐磨性計算表達(dá)式為：在工程中對零件的條件

4、性耐磨性計算表達(dá)式為： 剛度準(zhǔn)則的設(shè)計表達(dá)式為剛度準(zhǔn)則的設(shè)計表達(dá)式為p工作表面上的壓強，工作表面上的壓強，MPa； p材料的許用壓強，材料的許用壓強，MPa； v工作表面線速度，工作表面線速度，m/s；pvpv 的許用值，的許用值，MPam/s。4. 振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則 振動是指機(jī)械零件發(fā)生周期性的彈性變形現(xiàn)象。振動是指機(jī)械零件發(fā)生周期性的彈性變形現(xiàn)象。 失穩(wěn)現(xiàn)象：失穩(wěn)現(xiàn)象：當(dāng)零件的固有頻率與激振源的頻率接近或成整倍當(dāng)零件的固有頻率與激振源的頻率接近或成整倍數(shù)關(guān)系時，零件就要發(fā)生共振，振幅急劇增大，致使零件破壞數(shù)關(guān)系時，零件就要發(fā)生共振，振幅急劇增大，致使零件破壞或機(jī)器工作失常?；驒C(jī)

5、器工作失常。 振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則是指設(shè)計時使機(jī)器中受激振作用的各零件的振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則是指設(shè)計時使機(jī)器中受激振作用的各零件的固有頻率與激振源的頻率錯開。固有頻率與激振源的頻率錯開。其條件式為：其條件式為：ffp85. 0ffp15. 1或或改變零件和系統(tǒng)的剛性；改變零件和系統(tǒng)的剛性； 提高回轉(zhuǎn)件的動平衡精度；提高回轉(zhuǎn)件的動平衡精度；改變支承位置；改變支承位置； 增加或減少輔助支承；增加或減少輔助支承； 用隔振元件隔開激振源與零件防止振動傳播；用隔振元件隔開激振源與零件防止振動傳播； 采用阻尼以消耗引起振動的能量。采用阻尼以消耗引起振動的能量。當(dāng)不能滿足上述條件時，改變零件的固有頻率，避免共振的措施：

6、當(dāng)不能滿足上述條件時，改變零件的固有頻率，避免共振的措施：5. 可靠性準(zhǔn)則可靠性準(zhǔn)則可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。的能力。 可靠性是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要指標(biāo)可靠性是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要指標(biāo) 機(jī)械產(chǎn)品常用的可靠性指標(biāo)主要有機(jī)械產(chǎn)品常用的可靠性指標(biāo)主要有:失效概率失效概率F失效率失效率?？煽慷瓤煽慷萊FNNR10tdtteR0)(或或 如有一大批（如有一大批（N0件）某種零件，在一定的工作條件下進(jìn)行件）某種零件，在一定的工作條件下進(jìn)行試驗。如在時間試驗。如在時間 t 后仍有后仍有 N 件正常工作，則此零件在該

7、工作件正常工作，則此零件在該工作環(huán)境條件下工作環(huán)境條件下工作 t 時間的可靠度時間的可靠度 R 可表示為：可表示為：浴盆曲線浴盆曲線 描述機(jī)械產(chǎn)品典型的失效率描述機(jī)械產(chǎn)品典型的失效率（t）與時間與時間 t 的關(guān)系的曲線。的關(guān)系的曲線。NdtdNt)(0)(tt第第階段：早期失效階段；階段：早期失效階段；第第階段：損壞階段。階段：損壞階段。第第階段：正常使用階段；階段：正常使用階段；圖圖1.1 失效率曲線失效率曲線1.2機(jī)械零件的強度計算機(jī)械零件的強度計算 機(jī)械零件的強度計算是機(jī)械零件設(shè)計中最基本的計算。機(jī)械零件的強度計算是機(jī)械零件設(shè)計中最基本的計算。 強度分類強度分類 靜應(yīng)力強度靜應(yīng)力強度變應(yīng)

8、力強度變應(yīng)力強度靜應(yīng)力強度計算適用的場所：靜應(yīng)力強度計算適用的場所：靜應(yīng)力作用的零件的強度校核靜應(yīng)力作用的零件的強度校核 ；變應(yīng)力作用的零件的強度校核變應(yīng)力作用的零件的強度校核 ，但應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，但應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N103 ； 有短時過載的零件的強度校核有短時過載的零件的強度校核 。1.2.1 強度計算中的基本定義強度計算中的基本定義1. 載荷分類載荷分類按照隨時間變化特征分按照隨時間變化特征分按照計算要求分按照計算要求分靜載荷靜載荷 不隨時間變化或變化緩慢的載荷不隨時間變化或變化緩慢的載荷變載荷變載荷 隨時間變化的載荷隨時間變化的載荷 計算載荷計算載荷考慮各種因素綜合影響計算的載荷。考慮各種因

9、素綜合影響計算的載荷。名義載荷名義載荷根據(jù)額定功率用力學(xué)公式計算出的根據(jù)額定功率用力學(xué)公式計算出的 載荷。載荷。 2應(yīng)力分類應(yīng)力分類靜應(yīng)力靜應(yīng)力 不隨時間變化或變化緩慢的應(yīng)力稱為靜應(yīng)力；不隨時間變化或變化緩慢的應(yīng)力稱為靜應(yīng)力； 變應(yīng)力變應(yīng)力隨時間變化的應(yīng)力稱為變應(yīng)力。隨時間變化的應(yīng)力稱為變應(yīng)力。 FFt AFF截面截面 所受應(yīng)力為所受應(yīng)力為變應(yīng)力變應(yīng)力maxFA其應(yīng)力變化圖形為：其應(yīng)力變化圖形為：注意注意:變應(yīng)力既可由變載荷引起，變應(yīng)力既可由變載荷引起， 也可由靜載荷引起。也可由靜載荷引起。FWMF tF變應(yīng)力變應(yīng)力大小、方向隨時間變化的應(yīng)力大小、方向隨時間變化的應(yīng)力AAFFFFFFFFFFt

10、 maxminmaxmin 對稱循環(huán)變化的彎曲對稱循環(huán)變化的彎曲應(yīng)力由靜載荷應(yīng)力由靜載荷F 引起引起應(yīng)力變化的周期應(yīng)力變化的周期T、應(yīng)力幅值、應(yīng)力幅值a和平均應(yīng)力和平均應(yīng)力m均不變的為穩(wěn)均不變的為穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力。定循環(huán)變應(yīng)力。 變應(yīng)力的分類變應(yīng)力的分類穩(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 應(yīng)力變化的周期應(yīng)力變化的周期T、應(yīng)力幅值、應(yīng)力幅值a和平均應(yīng)力和平均應(yīng)力m之一不為常數(shù)之一不為常數(shù)的為非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力。的為非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力。 規(guī)律性的規(guī)律性的非規(guī)律性的非規(guī)律性的脈動循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力 非對稱循環(huán)變應(yīng)力、非對稱循環(huán)變應(yīng)力、穩(wěn)定循環(huán)變

11、應(yīng)力的主要參數(shù)穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力的主要參數(shù)m（1）最大應(yīng)力）最大應(yīng)力maxmax m （2）最小應(yīng)）最小應(yīng)min（3）平均應(yīng)力）平均應(yīng)力mm（4）應(yīng)力幅）應(yīng)力幅aat max am 0m minmaxammax ammin maxmin2maxmin2amaxminaminamin =0t amax min （5） 應(yīng)力比應(yīng)力比rr minmaxmama1r+1 （非對稱）（非對稱）r=0 （脈動）（脈動）r=1 （對稱）（對稱）t 依作用在零件上的變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的不同，零件材料的疲勞依作用在零件上的變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的不同，零件材料的疲勞分為兩種。分為兩種。 1.2.2 材料疲勞的類別材料疲勞的類別

12、低周疲勞低周疲勞（應(yīng)變疲勞）（應(yīng)變疲勞） 循環(huán)次數(shù)低于循環(huán)次數(shù)低于103次次 或或104次次 ；高周疲勞高周疲勞 循環(huán)次數(shù)高于循環(huán)次數(shù)高于 104次次 。1.2.3 高周疲勞的機(jī)械零件的疲勞強度計算高周疲勞的機(jī)械零件的疲勞強度計算1. 疲勞曲線疲勞曲線（機(jī)械零件材料的）（機(jī)械零件材料的）曲線的得出：曲線的得出： 實驗的結(jié)果實驗的結(jié)果實驗限定條件實驗限定條件：實驗?zāi)康模簩嶒災(zāi)康模禾囟ú牧?、特定的?yīng)力比特定材料、特定的應(yīng)力比 r 或特定循環(huán)次數(shù)或特定循環(huán)次數(shù)N。建立疲勞極限建立疲勞極限max 與應(yīng)力循次數(shù)與應(yīng)力循次數(shù)N的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。建立極限平均應(yīng)力建立極限平均應(yīng)力m與極限應(yīng)力幅與極限應(yīng)力

13、幅a的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。1）N 曲線曲線（機(jī)械零件材料的）（機(jī)械零件材料的）BAB段段（對應(yīng)對應(yīng)N103）在該區(qū)間內(nèi)，隨循環(huán)次數(shù)在該區(qū)間內(nèi)，隨循環(huán)次數(shù)增加，發(fā)生破壞的最大應(yīng)增加，發(fā)生破壞的最大應(yīng)力基本不變。力基本不變。結(jié)論：結(jié)論：當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N103：按靜應(yīng)力強度考慮。按靜應(yīng)力強度考慮。max NANA=14NB103KN圖圖1.4 材料疲勞曲線之一（材料疲勞曲線之一（ N）實驗限定條件實驗限定條件：特定的循環(huán)特性特定的循環(huán)特性r特定的材料特定的材料實驗?zāi)康模簩嶒災(zāi)康模航⑵跇O限建立疲勞極限max 與應(yīng)力與應(yīng)力循次數(shù)循次數(shù)N的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。max NANA=14N

14、B103BCBC段段低周疲勞段低周疲勞段隨著循環(huán)次數(shù)增加，使材隨著循環(huán)次數(shù)增加，使材料發(fā)生破壞的最大應(yīng)力料發(fā)生破壞的最大應(yīng)力不不斷下降斷下降。該階段的疲勞破。該階段的疲勞破壞形式為壞形式為塑性變形，塑性變形，也稱也稱作作應(yīng)變疲勞應(yīng)變疲勞按破壞形式命名按破壞形式命名。由于循環(huán)次數(shù)相對較少由于循環(huán)次數(shù)相對較少（NC=104）所以也叫做）所以也叫做低周疲勞低周疲勞按循環(huán)次數(shù)命名按循環(huán)次數(shù)命名 N104：低周疲勞：低周疲勞CD段段有限壽命疲勞段有限壽命疲勞段NC該段上任一點所代表的疲勞該段上任一點所代表的疲勞極限稱作極限稱作有限壽命疲勞極限有限壽命疲勞極限r(nóng)N 有限壽命疲勞極限有限壽命疲勞極限靜力失效

15、具有突變性靜力失效具有突變性疲勞失效具有漸變性疲勞失效具有漸變性NC104ND= N0DrNmax NANA=14NB103BrD ND= N0DNrN NC104CD 點代表點代表無限壽命疲勞極限無限壽命疲勞極限Nr r無限壽命疲勞極限無限壽命疲勞極限當(dāng)試件上作用的應(yīng)力值當(dāng)試件上作用的應(yīng)力值 rr無論應(yīng)力循環(huán)多少次，無論應(yīng)力循環(huán)多少次，試件都不會發(fā)生疲勞破壞。試件都不會發(fā)生疲勞破壞。0N循環(huán)基數(shù)。有限壽命和無限壽命的界限值。當(dāng)循環(huán)基數(shù)。有限壽命和無限壽命的界限值。當(dāng)可按無限壽命考慮?？砂礋o限壽命考慮。 值與零件材料、應(yīng)力性質(zhì)以及尺值與零件材料、應(yīng)力性質(zhì)以及尺寸有關(guān)，由實驗決定。寸有關(guān)，由實驗

16、決定。0NN 0N對于鋼材料試件對于鋼材料試件0N=即試件的的壽命按無限壽命考慮即試件的的壽命按無限壽命考慮610)101 (彎曲、拉壓疲勞時；彎曲、拉壓疲勞時；6105中等尺寸、彎曲疲勞時；中等尺寸、彎曲疲勞時；710大尺寸零件大尺寸零件見教材見教材P23max Nr N0N有限壽命疲勞極限有限壽命疲勞極限 與與無限壽命疲勞極限無限壽命疲勞極限 之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。rN r CCD段曲線段曲線滿足下列數(shù)學(xué)關(guān)系：滿足下列數(shù)學(xué)關(guān)系：CNmrN CNmr0 聯(lián)立以上兩式，得：聯(lián)立以上兩式，得：rNNNKN0mNK壽命系數(shù)壽命系數(shù)m材料常數(shù)材料常數(shù) m=620 ，一般尺寸，一般尺寸9 ，中等或大

17、尺寸，中等或大尺寸m0rNNrNK見教材見教材P23rN Da m o實驗限定條件實驗限定條件：特定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)特定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N （?。ㄈ=N0）實驗包含的范圍：實驗包含的范圍： 1 r 1實驗?zāi)康模簩嶒災(zāi)康模航⒆畲髴?yīng)力建立最大應(yīng)力max與循環(huán)特性與循環(huán)特性 r 的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。ADC曲線曲線CA上任意一點都代表了上任意一點都代表了一定循環(huán)特性一定循環(huán)特性的疲勞極限的疲勞極限 圖圖1-5 等壽命疲勞曲線等壽命疲勞曲線A點代表對稱循環(huán)（點代表對稱循環(huán)（r=1）材料的的極限應(yīng)力）材料的的極限應(yīng)力1r 特定材料特定材料D點代表脈動循環(huán)（點代表脈動循環(huán)（r=0）材料的的極限應(yīng)力）材

18、料的的極限應(yīng)力0r點代表鋼材料的屈服極限（點代表鋼材料的屈服極限（r=1）CS2）等壽命疲勞曲線）等壽命疲勞曲線（機(jī)械零件材料的）（機(jī)械零件材料的）a m oAmax10m min r=1t max a1A代表對稱循環(huán)疲勞極限代表對稱循環(huán)疲勞極限 。1AO 上任意一點都代表一個對稱循環(huán)應(yīng)力上任意一點都代表一個對稱循環(huán)應(yīng)力 由由O引出的射線引出的射線1amax2minmaxm2minmaxamaa1maa), 0(1lima m o 0/2AD代表脈動循環(huán)疲勞極限代表脈動循環(huán)疲勞極限 。0 DO上任意一點都代表一個上任意一點都代表一個 由由O點引出的點引出的45射線射線脈動循環(huán)應(yīng)力。脈動循環(huán)應(yīng)力

19、。45D 0/2t 0limmaxammaxam 02200 max am 0mina) 2/, 2/(00 橫坐標(biāo)上任意一點都代表了應(yīng)力幅值橫坐標(biāo)上任意一點都代表了應(yīng)力幅值0a 的靜應(yīng)力的靜應(yīng)力C點代表材料的屈服極限點代表材料的屈服極限S。a m oSADCt mminmax r=10a Slimmax ammax 靜力極限是疲勞極限的特例靜力極限是疲勞極限的特例amS mS 2. 極限應(yīng)力線圖極限應(yīng)力線圖（機(jī)械零件材料的）（機(jī)械零件材料的）簡化結(jié)果：簡化結(jié)果： 用直線近似代替曲線用直線近似代替曲線a m oD具體簡化方法：具體簡化方法：、過過AD兩點連一條直線兩點連一條直線 過過C點作一條

20、與橫軸成點作一條與橫軸成45夾角的直線與直線夾角的直線與直線A D相交，并得出相交，并得出G點點45GCA極限應(yīng)力線圖是等壽命極限應(yīng)力線圖是等壽命疲勞曲線簡化而成的。疲勞曲線簡化而成的。實驗包含的范圍：實驗包含的范圍： 1 r 1a m oC45GADSAD已知已知、的坐標(biāo)：的坐標(biāo)：A),(10 D),(2200 maa 1直線直線 的方程的方程:A D CG直線直線的方程：的方程：amS 直線直線CG任意一點都代表任意一點都代表limmaK 試件的材料常數(shù)試件的材料常數(shù)Sma0012機(jī)械零件的極限應(yīng)力線圖機(jī)械零件的極限應(yīng)力線圖rlim 1 1r對稱循環(huán)疲勞極限對稱循環(huán)疲勞極限0 0r脈動循環(huán)

21、疲勞極限脈動循環(huán)疲勞極限c 11r非對稱循環(huán)疲勞極限非對稱循環(huán)疲勞極限是采用標(biāo)準(zhǔn)是采用標(biāo)準(zhǔn)材料試件材料試件通過試驗得出的通過試驗得出的材料疲勞極限材料疲勞極限r(nóng) l材料標(biāo)準(zhǔn)試件材料標(biāo)準(zhǔn)試件具體零件與標(biāo)準(zhǔn)試件間具體零件與標(biāo)準(zhǔn)試件間 存在以下幾方面的差異存在以下幾方面的差異1 .應(yīng)力集中差異應(yīng)力集中差異2 .絕對尺寸差異絕對尺寸差異3 .表面狀態(tài)差異表面狀態(tài)差異結(jié)論：結(jié)論：材料材料疲勞極限疲勞極限 不能代表不能代表具體零件具體零件的疲勞極限的疲勞極限r(nóng) re rre 零件極限應(yīng)力圖來自：零件極限應(yīng)力圖來自： 材料極限應(yīng)力圖材料極限應(yīng)力圖將材料極限應(yīng)力圖轉(zhuǎn)化為零件將材料極限應(yīng)力圖轉(zhuǎn)化為零件極限應(yīng)力圖

22、的具體修正方法：極限應(yīng)力圖的具體修正方法：每點每點縱坐標(biāo)值縱坐標(biāo)值（應(yīng)力幅值應(yīng)力幅值）按同一比例縮?。ǔ砸话赐槐壤s小（除以一個大于個大于 1 的系數(shù)的系數(shù)AAa m oC45GADSAD),(A10 )K,o(A 1),(D2200 )K,(D 2200GGA將材料極限應(yīng)力圖將材料極限應(yīng)力圖上上DD K)eK(kKSa m o45ACGD02K根據(jù)根據(jù)A、D 兩點的坐標(biāo)：兩點的坐標(biāo)：)K,(D 2200)K,o(A 1求得求得AD的方程為：的方程為：11eK或為：或為：1e 零件的材料常數(shù)零件的材料常數(shù) 試件的材料常數(shù)試件的材料常數(shù)各系數(shù)意義請參考教材內(nèi)容各系數(shù)意義請參考教材內(nèi)容aeem

23、e -1e=-1K20零件極限應(yīng)力圖零件極限應(yīng)力圖aeKme 1K100211q1)3許用安全系數(shù)許用安全系數(shù)1）靜應(yīng)力）靜應(yīng)力脆性材料以強度極限脆性材料以強度極限B為極限應(yīng)力，許用安全系數(shù)選取：為極限應(yīng)力，許用安全系數(shù)選取： 塑性材料以屈服極限塑性材料以屈服極限S為極限應(yīng)力，許用安全系數(shù)選取：為極限應(yīng)力，許用安全系數(shù)選?。?一般情況：一般情況： S = 1.2 1.5塑性較差材料：塑性較差材料：S = 1.5 2.5S = 3 42）變應(yīng)力）變應(yīng)力以疲勞極限以疲勞極限r(nóng) 作為極限應(yīng)力作為極限應(yīng)力 ，許用安全系數(shù)選?。海S用安全系數(shù)選?。?。一般情況：一般情況： S = 1.3 1.7非精確計

24、算：非精確計算：S = 1.7 2.5安全系數(shù)也可用部分系數(shù)法確定安全系數(shù)也可用部分系數(shù)法確定 :321SSSSS1 考慮載荷及計算準(zhǔn)確性；考慮載荷及計算準(zhǔn)確性； S2 考慮材料力學(xué)性能；考慮材料力學(xué)性能； S3 考慮零件的重要性考慮零件的重要性 。4. 單向穩(wěn)定變應(yīng)力下的機(jī)械零件疲勞強度單向穩(wěn)定變應(yīng)力下的機(jī)械零件疲勞強度45a m oNmaM、N 兩點代表零件兩個不同兩點代表零件兩個不同的工作應(yīng)力點。的工作應(yīng)力點。兩種疲勞強度計算方法分別為：兩種疲勞強度計算方法分別為： 一般校核計算一般校核計算limmaxeS 精確校核計算精確校核計算limecaSammax 最大最大工作工作應(yīng)力為：應(yīng)力為

25、：ADGC問題：問題：如何根據(jù)極限應(yīng)力圖確定極限應(yīng)力如何根據(jù)極限應(yīng)力圖確定極限應(yīng)力？ 即極限應(yīng)力曲線即極限應(yīng)力曲線AGC上哪點是對應(yīng)的上哪點是對應(yīng)的maxS maxmaxSlim ？M45a m omaADGC應(yīng)根據(jù)三種情況確定應(yīng)根據(jù)三種情況確定lim 1）r 等于常數(shù)的情況等于常數(shù)的情況（ r=C ）（絕大多數(shù)轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力狀態(tài)）（絕大多數(shù)轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力狀態(tài)）當(dāng)當(dāng)r=C 時，時，am由由o點引出的任意一條射線點引出的任意一條射線上的點所代表的應(yīng)力都滿足：上的點所代表的應(yīng)力都滿足：Ctanma M當(dāng)工作應(yīng)力點為當(dāng)工作應(yīng)力點為M時，時，對應(yīng)的極限應(yīng)力為對應(yīng)的極限應(yīng)力為M 工作應(yīng)力工作應(yīng)力N點的點的極限應(yīng)

26、力點為極限應(yīng)力點為N Cma 與與r=C 等價等價F Mmaxminmaxmin11rrCCC NN45a m omADGC aM M點所代表零件上點所代表零件上 作用的最大作用的最大工作工作應(yīng)力為：應(yīng)力為：ammax M、M兩點的坐標(biāo)為點：兩點的坐標(biāo)為點： M點所代表的零件極限應(yīng)力：點所代表的零件極限應(yīng)力：lime利用關(guān)系利用關(guān)系meaeK 1tanammaxaemeaeme aememax推導(dǎo)出推導(dǎo)出的應(yīng)用表達(dá)式的應(yīng)用表達(dá)式見下頁見下頁M),(amM),(aemeM由：由：meaematanamaeme （1）maxaeme（2）1maKmeaeK 1將式（將式（1）代入公式）代入公式:得

27、出：得出：amaaeK 1（3）limmax將（將（3）代入）代入 （2），），maeaea(1)maea得出：得出：1maK(1)maamamaKmax11maxmaxamK limecaS1max()amK )K(ma 1精確校核（安全系數(shù)法）精確校核（安全系數(shù)法）maxmaxcaS疲勞強度校核（應(yīng)力點在疲勞區(qū)）疲勞強度校核（應(yīng)力點在疲勞區(qū)）maxmaxmax11()amK S見教材見教材P27公式公式13-1745a m o疲勞安全區(qū)疲勞安全區(qū)MMmaxmaxG45a m oADCmamax N點：點：Smeaemax N點：點：limmaxcaS靜強度校核（應(yīng)力點在靜力區(qū)）靜強度校核（

28、應(yīng)力點在靜力區(qū)）SSamSca 靜力安全區(qū)靜力安全區(qū)GSmamaxmax本章作業(yè)：本章作業(yè)：3-1 3-5SmaxaeamemNN45a m oADGC小結(jié)小結(jié)當(dāng)當(dāng)r=C 時：時：工作應(yīng)力點處在疲勞區(qū)時工作應(yīng)力點處在疲勞區(qū)時一般需做兩種強度校核：一般需做兩種強度校核：精確疲勞強度校核精確疲勞強度校核SKSmaca)(1工作應(yīng)力點處在靜力區(qū)時僅需做：工作應(yīng)力點處在靜力區(qū)時僅需做：精確靜強度校核精確靜強度校核SSamScaM疲勞區(qū)疲勞區(qū)：AoG靜力區(qū)靜力區(qū)：GoC靜力安全區(qū)靜力安全區(qū)疲勞安全區(qū)疲勞安全區(qū)N精確靜強度校核精確靜強度校核SSamSca 2）平均應(yīng)力等于常數(shù)平均應(yīng)力等于常數(shù)（m=C ）（

29、振動的受載彈簧的應(yīng)（振動的受載彈簧的應(yīng) 力狀態(tài)）力狀態(tài)）a m oADGCNm精確疲勞強度校核為：精確疲勞強度校核為：S)K()k(Smamca 1精確靜強度校核為：精確靜強度校核為：SSamSca 工作應(yīng)力點處在疲勞區(qū)時工作應(yīng)力點處在疲勞區(qū)時應(yīng)做兩種校核（考慮過載）應(yīng)做兩種校核（考慮過載）工作應(yīng)力點處在靜力區(qū)時工作應(yīng)力點處在靜力區(qū)時疲勞安全區(qū)疲勞安全區(qū)精確靜強度校核為：精確靜強度校核為：SSamSca MMMNN靜力安全區(qū)靜力安全區(qū)m3） 最小應(yīng)力等于常數(shù)最小應(yīng)力等于常數(shù)（min=C） （緊螺栓聯(lián)接中螺栓受軸向（緊螺栓聯(lián)接中螺栓受軸向 變載荷的應(yīng)變載荷的應(yīng) 力狀態(tài)）力狀態(tài)）oa m GC45

30、min min MminmaC精確疲勞強度校核為：精確疲勞強度校核為：SKkSMinaca)2)()(2min1精確靜強度校核為：精確靜強度校核為：SSamSca 工作應(yīng)力點處在疲勞區(qū)時工作應(yīng)力點處在疲勞區(qū)時工作應(yīng)力點處在靜力區(qū)時工作應(yīng)力點處在靜力區(qū)時m精確靜強度校核為：精確靜強度校核為：SSamSca MMmaNa aNNKKK靜力安全區(qū)靜力安全區(qū)疲勞安全區(qū)疲勞安全區(qū) 零件變應(yīng)力為以上三種情況時，即便工作應(yīng)力點處在疲零件變應(yīng)力為以上三種情況時，即便工作應(yīng)力點處在疲勞區(qū)，一般也需做兩種強度計算：勞區(qū)，一般也需做兩種強度計算：注意：注意：疲勞強度計算疲勞強度計算靜強度計算靜強度計算SKSmaca

31、)(1SKkSmamca)()(1SKkSMinaca)2)()(2min1SSamSca 為什么？為什么？例題例題 1.1 分別用公式法和圖解法求某發(fā)動機(jī)連桿的安全系數(shù)。分別用公式法和圖解法求某發(fā)動機(jī)連桿的安全系數(shù)。桿在危險剖面處的直徑桿在危險剖面處的直徑d=70mmmm。當(dāng)氣缸發(fā)火時，連桿受到壓力。當(dāng)氣缸發(fā)火時，連桿受到壓力500KN，在吸氣時，則受到拉力，在吸氣時，則受到拉力120KN。連桿表面精磨并用優(yōu)質(zhì)。連桿表面精磨并用優(yōu)質(zhì)碳鋼制造。連桿材料如下：碳鋼制造。連桿材料如下：aB 640aS 355a2751a 458042. 1K，解解：（：（1）確定最大及最小應(yīng)力確定最大及最小應(yīng)力拉

32、應(yīng)力）(2 .31351012023minaa壓應(yīng)力）(9 .129351050023maxaa（2）確定平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值，由式（確定平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值，由式（1.8）及式（）及式（1.9）2minmaxmaa35.4922 .319 .1292minmaxaaa55.802)2 .31()9 .129(（3）計算試件受循環(huán)彎曲應(yīng)力時的材料常數(shù)，由式（計算試件受循環(huán)彎曲應(yīng)力時的材料常數(shù)，由式（1.17）00122 . 04584582752（4）確定疲勞強度安全系數(shù)，因循環(huán)特性為常數(shù)，由式確定疲勞強度安全系數(shù)，因循環(huán)特性為常數(shù)，由式(1.30)macaKS121. 235.492 . 055

33、.8042. 1275（5）計算屈服強度安全系數(shù)，由式計算屈服強度安全系數(shù)，由式(1.31)maScaS73. 235.4955.80355（6）用圖解法求安全系數(shù)用圖解法求安全系數(shù)求點求點A（0，-1-1/ /K）及點）及點D（0/ /2， 0/ /2K ）的坐標(biāo)值：）的坐標(biāo)值：K1K20a66.19342. 1275a27.16142. 12458A點點（0，193.66）、）、D點點（229，161.27）C點點（355，0） OMOESca21. 2選比例尺選比例尺作圖作圖am0D（229，161）45GC（355，0）EEE4981 EEEEM（49，81）A（0，194.）. 單向

34、不穩(wěn)定變應(yīng)力下的機(jī)械零件疲勞強度單向不穩(wěn)定變應(yīng)力下的機(jī)械零件疲勞強度規(guī)律性變應(yīng)力規(guī)律性變應(yīng)力不規(guī)律性（隨機(jī)）變應(yīng)力不規(guī)律性（隨機(jī)）變應(yīng)力tt規(guī)律性變應(yīng)力計算規(guī)律性變應(yīng)力計算用疲勞損傷累計假說的理論計算用疲勞損傷累計假說的理論計算隨機(jī)變應(yīng)力的計算隨機(jī)變應(yīng)力的計算用統(tǒng)計疲勞強度方法計算用統(tǒng)計疲勞強度方法計算疲勞損傷累計假說的理論疲勞損傷累計假說的理論：零件在變應(yīng)力作用下，其材料：零件在變應(yīng)力作用下，其材料的內(nèi)部損傷是逐漸發(fā)生的，累計到一定程度即發(fā)生破壞。的內(nèi)部損傷是逐漸發(fā)生的，累計到一定程度即發(fā)生破壞。t1234tn1n2n3n4N1N2N3 （a ）（b ） 由（由（b）圖知：僅有）圖知：僅有

35、作用時作用時 ，對應(yīng)壽命為，對應(yīng)壽命為N1 , 以此類推：以此類推： N2 , N3 。123合理假設(shè)：合理假設(shè)： 大于大于 的應(yīng)力每循環(huán)一次，就會造成一次壽命的應(yīng)力每循環(huán)一次，就會造成一次壽命 損失。經(jīng)過損失。經(jīng)過n1 、 n2 、 n3 、 nn 次循環(huán)后，其壽命損失次循環(huán)后，其壽命損失 率分別為：率分別為：r規(guī)律性不穩(wěn)定對稱循環(huán)變應(yīng)力討論規(guī)律性不穩(wěn)定對稱循環(huán)變應(yīng)力討論r N0D11/ Nn，22/ Nn ，33/ Nn ，iiNn / 。iiNn11Nn，22Nn，33Nn，當(dāng)損傷率達(dá)到當(dāng)損傷率達(dá)到100%，即各壽命損傷率之和等于，即各壽命損傷率之和等于 1 時，時，零件就會發(fā)生破壞，即

36、：零件就會發(fā)生破壞，即：14322 ii11NnNnNnNn11niiiNn注意兩種不同加載狀況：注意兩種不同加載狀況：1. 當(dāng)各級應(yīng)力為當(dāng)各級應(yīng)力為由大至小由大至小依次作用時：依次作用時：niiiNn1說明累計損傷沒有達(dá)到說明累計損傷沒有達(dá)到 100%便便提前提前破壞破壞由式：由式：NNrrN0mmiiNN10得：得：mNN1101；mNN2102；將上述各式代入公式：將上述各式代入公式：14322 nn11NnNnNnNn整理后得不穩(wěn)定變應(yīng)力的計算值為整理后得不穩(wěn)定變應(yīng)力的計算值為：ZimiicanN101m精確校核公式為：精確校核公式為：SScaca1材料材料結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼鑄鐵鑄鐵注注變形

37、形式變形形式對稱循環(huán)疲勞極限對稱循環(huán)疲勞極限脈動循環(huán)疲勞極限脈動循環(huán)疲勞極限)(27. 01BS)(23. 01BSt)(156. 01BSB45.01Bt40.01B36.011033.1tt1042.11050.11033.1tt1042.11035.1彎曲彎曲拉伸拉伸扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)彎曲彎曲拉伸拉伸扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)腳注腳注t拉伸；拉伸；B抗拉強度極限；抗拉強度極限；S屈服極限屈服極限疲勞極限與靜強度的近似關(guān)系疲勞極限與靜強度的近似關(guān)系45例題例題 1.2 某轉(zhuǎn)軸材料為某轉(zhuǎn)軸材料為4545調(diào)質(zhì)鋼，調(diào)質(zhì)鋼，受規(guī)律性非穩(wěn)定對稱循環(huán)受規(guī)律性非穩(wěn)定對稱循環(huán) 變應(yīng)力作用，各級應(yīng)力的最大值分別為變應(yīng)力作用，各級應(yīng)力的

38、最大值分別為 1max=125MPa， 2max=115MPa， 3max=100MPa，其作用次數(shù)分別為：，其作用次數(shù)分別為： n1=3103次，次， n2=7104次，次， n4=4106次，并已知：次，并已知： -1=250MPa，m=9 ，N0=107，k=1.76, =0.78,=0.95, =0.34，q=1，設(shè)計安全系數(shù)，設(shè)計安全系數(shù)S=1.5。試校核該軸的疲勞強度。試校核該軸的疲勞強度。，解：解：（1）求彎曲疲勞極限的綜合影響系數(shù)，由式（）求彎曲疲勞極限的綜合影響系數(shù)，由式（1.23） qkK111（2） 求非穩(wěn)定對稱循環(huán)變應(yīng)力的計算應(yīng)力，由于求非穩(wěn)定對稱循環(huán)變應(yīng)力的計算應(yīng)力，

39、由于3max是最小是最小 的應(yīng)力，的應(yīng)力， 且有：且有：max3SK15 .3461005 . 131. 2a 250故在計算時，應(yīng)考慮故在計算時，應(yīng)考慮3max的影響。的影響。 31. 21195. 0178. 076. 1mzimiicanN101aa97.90)100104115107125103(10199694937根據(jù)式（根據(jù)式（1.43） （3）求該軸的對稱循環(huán)彎曲疲勞極限，由式（）求該軸的對稱循環(huán)彎曲疲勞極限，由式（1.19）Ke11（4）校核該軸的疲勞強度，由式（）校核該軸的疲勞強度，由式（1.45）5 . 1 S故該軸疲勞強度不足。故該軸疲勞強度不足。應(yīng)該怎么辦？應(yīng)該怎么辦

40、？31. 225019. 1a23.108caecaS197.9023.108. 雙向穩(wěn)定變應(yīng)力下的機(jī)械零件疲勞強度雙向穩(wěn)定變應(yīng)力下的機(jī)械零件疲勞強度1）對稱循環(huán)穩(wěn)定變應(yīng)力時，對于鋼材，經(jīng)試驗得出的極限對稱循環(huán)穩(wěn)定變應(yīng)力時，對于鋼材，經(jīng)試驗得出的極限 應(yīng)力關(guān)系式為：應(yīng)力關(guān)系式為：，同時作用的正應(yīng)力同時作用的正應(yīng)力和切應(yīng)力和切應(yīng)力的應(yīng)力幅極限值的應(yīng)力幅極限值 （ 、 同時作用）同時作用）;aa、 零件對稱循環(huán)正應(yīng)力和切應(yīng)力時的疲勞極限值零件對稱循環(huán)正應(yīng)力和切應(yīng)力時的疲勞極限值 （ 、 單獨作用）。單獨作用）。e1e1、12121eaea（1.46）式式（1.46）在在a/ -1e , a / -

41、1e坐標(biāo)系上是一個單位圓。坐標(biāo)系上是一個單位圓。由于是對稱循環(huán)變應(yīng)力，故應(yīng)力幅即由于是對稱循環(huán)變應(yīng)力，故應(yīng)力幅即a為最大應(yīng)力為最大應(yīng)力max ，即：，即：,maxa。 maxa0ea1ea1BDCDMCA如果工作應(yīng)力點如果工作應(yīng)力點M 在極限圓以內(nèi)，零件是安全的。在極限圓以內(nèi)，零件是安全的。 弧線弧線AM B上任何一個點即代表一對極限應(yīng)力上任何一個點即代表一對極限應(yīng)力 及及 。aa計算安全系數(shù)為計算安全系數(shù)為:OMMOScaOCCO 式中，各線段的長度為：式中，各線段的長度為：eaOC1eaCO1eaDO1eaOD1代入式代入式（1.46a）后得：后得：ODDO （1.46 a ）caaSac

42、aaS（1.46b）將式將式（1.46b）代入式（代入式（1.46），得：），得：見下頁見下頁12121eaea（1.46）caaSacaaS（1.46b） 12121eacaeacaSS（1.46c）、aeS1aeS1由于由于則：則：、22SSSSSca2）當(dāng)零件上所承受的兩個變應(yīng)力均為非對稱循環(huán)變應(yīng)力時當(dāng)零件上所承受的兩個變應(yīng)力均為非對稱循環(huán)變應(yīng)力時:,1maKSmaKS1例題例題 1.3 已知轉(zhuǎn)軸危險截面的直徑已知轉(zhuǎn)軸危險截面的直徑d= 40mm，承受彎矩，承受彎矩M=300Nm 彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)。軸材料為彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)。軸材料為40Cr

43、鋼鋼 調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)，-1=355MPa，-1=200MPa， =0.2， =0.1， k=2.2， k=1.8，設(shè)計安全系數(shù)，設(shè)計安全系數(shù)S=1.5。試計算轉(zhuǎn)軸在彎曲和。試計算轉(zhuǎn)軸在彎曲和 扭矩共同作用時的計算安全系數(shù)扭矩共同作用時的計算安全系數(shù)Sca ， 并校核該軸的疲勞強度。并校核該軸的疲勞強度。 解：解：（1）計算轉(zhuǎn)軸危險截面工作應(yīng)力參數(shù)計算轉(zhuǎn)軸危險截面工作應(yīng)力參數(shù)WMbTWT31 . 0 dM33402 . 01080032 . 0 dT33401 . 010300a5 .62a88.46因彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)，則：因彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)，則：0m

44、ba5 . 0，ama5 .31a88.465 .625 . 0（2）求計算安全系數(shù)及校核疲勞強度，由式（求計算安全系數(shù)及校核疲勞強度，由式（1.30），得），得maKS1SKSmaca1maxmax（1.30）maKS1由式（由式（1.47）得）得22SSSSSca02 . 088.462 . 2355368. 325.311 . 025.318 . 120044. 35 . 1 S41. 222368. 344. 3368. 344. 3故該軸疲勞強度足夠。故該軸疲勞強度足夠。1.2.4 機(jī)械零件的接觸強度機(jī)械零件的接觸強度接觸應(yīng)力的特點接觸應(yīng)力的特點：作用在點、線接觸的兩構(gòu)件接觸處的、局

45、部：作用在點、線接觸的兩構(gòu)件接觸處的、局部受力變形后的較小區(qū)域內(nèi)的很大應(yīng)力受力變形后的較小區(qū)域內(nèi)的很大應(yīng)力 。 周期性變化的接觸應(yīng)力長期作用的后果周期性變化的接觸應(yīng)力長期作用的后果：疲勞點蝕：疲勞點蝕疲勞點蝕發(fā)生的過程疲勞點蝕發(fā)生的過程：初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋 裂紋內(nèi)被擠入高壓油裂紋內(nèi)被擠入高壓油 裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展 表層金屬呈小片狀剝落表層金屬呈小片狀剝落 降低了承載能力，并引起振動和噪音。降低了承載能力，并引起振動和噪音。 疲勞點蝕的后果疲勞點蝕的后果：兩物體接觸形式分類：兩物體接觸形式分類： 共形面接觸共形面接觸 兩相互接觸面的幾何形狀完全相同，處處貼合；兩相互接觸面的幾何形狀完全相同，

46、處處貼合；異形曲面接觸異形曲面接觸平面與曲面、平面與曲面、 曲面與曲面間的接觸曲面與曲面間的接觸在點接觸情況下，受力變形后接觸區(qū)一般呈橢圓形。在點接觸情況下，受力變形后接觸區(qū)一般呈橢圓形。兩平行圓柱體接觸，受力變形后，接觸線變成一個窄矩形。兩平行圓柱體接觸，受力變形后，接觸線變成一個窄矩形。 21兩平行圓柱體兩平行圓柱體受力受力 變形前為變形前為線接觸線接觸兩平行圓柱體兩平行圓柱體受力受力 變形后為變形后為矩形面積接觸矩形面積接觸FF2b接觸端面接觸端面應(yīng)力分布應(yīng)力分布H最大應(yīng)力計算式最大應(yīng)力計算式 （赫茲公式）（赫茲公式）1222121211()11()HFBEEB1.3 機(jī)械零件的材料及熱處理機(jī)械零件的材料及熱處理1.3.1 機(jī)械零件常用材料機(jī)械零件常用材料1鋼鐵金屬鋼鐵金屬1）鑄鐵鑄鐵2）鋼鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼 中碳鋼中碳鋼 （含碳量（含碳量0.3%0.5% ）低碳鋼低碳鋼 （含碳量在（含碳量在0.1%0.2% ）高碳鋼高碳鋼 （含碳量（含碳量0.55%0.7% ）鑄鋼鑄鋼 灰鑄鐵灰鑄鐵球墨鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵合金鑄鐵合金鑄鐵脆性材料，不能輾壓和鍛造脆性材料，不能輾壓和鍛造 2非金屬材料非金屬材料1）塑料塑料2）橡膠橡膠3）非鐵合金非鐵合金鋁合金鋁合金銅合金銅合