機械及機械零件設計概要

第一章

機械及機械零件設計概要

本章論述了機械設計課程教學內(nèi)容總綱、設計基本知識和一些共性問題。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(nèi)容五、課程的特點六、學習要求七、達到的水平（國家教委制定）一、機械（機器）的組成我們以洗衣機為例，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)

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)行部分是用來完成機器預定功能的組成部分；

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）二、機械設計步驟計劃階段提出要求洗衣機自動進水洗滌甩干（脫水）方案設計提出盡可能多的解決方法篩選、決策、評價（可靠性、經(jīng)濟上），選出最佳方案。單缸雙缸滾筒模糊控制自適應控制雙模控制技術設計目的：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：編制設計計算說明書。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。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）

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s為屈服極限由此可求出d；其中Smin根據(jù)工作環(huán)境來定。機械零件的設計大體要經(jīng)過以下幾個步驟：1、載荷分析（受力分析）：W2、應力分析：3、失效分析：斷裂4、材料的選擇：45#鋼、40Cr>s（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。四．課程的主要內(nèi)容

概括地說，機械零件可以分為兩大類：本書討論的具體內(nèi)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）五、特點1、實踐性比較強。理論性差一些，經(jīng)驗、半經(jīng)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《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。六、要求

以聽課為主，自學為輔，考試內(nèi)容以講課和要求自學的為主，答疑兩周一次，具體時間待定?？己?0%+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(nèi)：課外用時是1：2。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(jīng)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。1、機器的的基本組成成要素是什什么？2、什么是是通用零件件？什么是是專用零件件？試各舉舉三個實例例？3、一臺完完整的機器器通常是由由哪些基本本部分組成成？各部分分的作用是是什么？4、機械零零件有哪些些主要的失失效形式？？5、機械零零件常用的的有哪些計計算準則？？它們是針針對什么失失效形式而而建立的？？6、機械零零件設計的的一般步驟驟有哪些？？第一章結束束習題第二二章章機機械械零零件件的的疲疲勞勞強強度度計計算算一、、變變應應力力的的分分類類二、、變變應應力力參參數(shù)數(shù)三、、幾幾種種特特殊殊的的變變應應力力四、、疲疲勞勞曲曲線線（（對對稱稱循循環(huán)環(huán)變變應應力力的的—N曲曲線線））五、、（（非非對對稱稱循循環(huán)環(huán)變變應應力力的的））極極限限應應力力圖圖六、、影影響響疲疲勞勞強強度度的的因因素素七、、不不穩(wěn)穩(wěn)定定變變應應力力的的強強度度計計算算八、、復復合合應應力力狀狀態(tài)態(tài)下下的的強強度度計計算算（（彎彎扭扭聯(lián)聯(lián)合合作作用用））一、、變變應應力力的的分分類類周期時間ta）穩(wěn)定循環(huán)變應力a）隨隨時時間間按按一一定定規(guī)規(guī)律律周周期期性性變變化化，，而而且且變變化化幅幅度度保保持持常常數(shù)數(shù)的的變變應應力力稱稱為為穩(wěn)穩(wěn)定定循循環(huán)環(huán)變變應應力力。。如如圖圖2-1a所示示。。變應應力力循環(huán)環(huán)變變應應力力（（周周期期））穩(wěn)定定不穩(wěn)穩(wěn)定定循循環(huán)環(huán)變變應應力力簡單單復合合對稱稱脈動動非對對稱稱隨機機變變應應力力（（非非周周期期））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變應應力力的的分分類類b）若若變變化化幅幅度度也也是是按按一一定定規(guī)規(guī)律律周周期期性性變變化化如如圖圖2-1b所示示，，則則稱稱為為不不穩(wěn)穩(wěn)定定循循環(huán)環(huán)變變應應力力。。c）如如果果變變化化不不呈呈周周期期性性，，而而帶帶有有偶偶然然性性，，則則稱稱為為隨隨機機變變應應力力，，如如圖圖2-1c所示示。。二、、變變應應力力參參數(shù)數(shù)圖2-2給給出出了了一一般般情情況況下下穩(wěn)穩(wěn)定定循循環(huán)環(huán)變變應應力力譜譜的的應應力力變變化化規(guī)規(guī)律律。。a0tmaxmmina0tmaxmmin圖2-2穩(wěn)定循環(huán)變應力圖2-2給出出了了一一般般情情況況下下穩(wěn)穩(wěn)定定循循環(huán)環(huán)變變應應力力譜譜的的應應力力變變化化規(guī)規(guī)律律。零件件受受周周期期性性的的最最大大應應力力max及最最小小應應力力min作用用，，其其應應力力幅幅為為a，平平均均應應力力為為m，它它們們之之間間的的關關系系為為規(guī)定定：：1、、a總為為正正值值；；2、、a的符符號號要要與與m的符符號號保保持持一一致致。。其中中：：max—變變應應力力最最大大值值；；min—變變應應力力最最小小值值；；m—平平均均應應力力；；a—應應力力幅幅；；r——循循環(huán)環(huán)特特性性，，-1r+1。。由此此可可以以看看出出，，一一種種變變應應力力的的狀狀況況，，一一般般地地可可由由max、min、m、a及r五五個個參參數(shù)數(shù)中中的的任任意意兩兩個個來來確確定定。。a0tmaxmmina0tmaxmmin圖2-2穩(wěn)定循環(huán)變應力三、、幾幾種種特特殊殊的的變變應應力力特殊殊點點：：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不屬屬于于上上述述三三類類的的應應力力稱稱為為非非對對稱稱循循環(huán)環(huán)應應力力，，其其r在+1與-1之間間，，它它可可看看作作是是由由第第一一類類（（靜靜應應力力））和和第第二二類類（（對對稱稱循循環(huán)環(huán)應應力力））疊疊加加而而成成。。例1已知知：：max=200N/mm2，r=－－0.5，，求求：：min、a、m。解：：a0tmaxmmin20050-100例2已已知知：：a=80N/mm2，m=－－40N/mm2求：：max、min、r、、繪繪圖圖。。解：：a0tmaxmmin40-40-120例3已已知知：：A截截面面產(chǎn)產(chǎn)生生max=－－400N/mm2，min=100N/mm2求：：a、m，r。。FaFaFraAFrMb彎曲應力a0tm100-150-4000ta0tm＋=穩(wěn)定循環(huán)變應力R=－1對稱循環(huán)R=＋1靜應力解：：例4如如圖圖示示旋旋轉轉軸軸，，求求截截面面A上上max、min、a、m及r。。Pr=6000APx=3000Nd=50150l=300b彎曲應力解：：PrA：對對稱稱循循環(huán)環(huán)變變應應力力PxA：靜靜壓壓力力＋=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）第二二章章機機械械零零件件的的疲疲勞勞強強度度計計算算（（習習題題））一、、選選擇擇題題1、、機機械械設設計計課課程程研研究究的的內(nèi)內(nèi)容容只只限限于于。（1））專專用用零零件件和和部部件件；；（（2））在在高高速速、、高高壓壓、、環(huán)環(huán)境境溫溫度度過過高高或或過過低低等等特特殊殊條條件件下下工工作作的的以以及及尺尺寸寸特特大大或或特特小小的的通通用用零零件件和和部部件件；；（（3））在在普普通通工工作作條條件件下下工工作作的的一一般般參參數(shù)數(shù)的的通通用用零零件件和和部部件件；；（（4））標標準準化化的的零零件件和和部部件件。。2、下下列四四種敘敘述中中是正確確的。。（1））變應應力只只能由由變載載荷產(chǎn)產(chǎn)生；；（2）靜靜載荷荷不能能產(chǎn)生生變應應力；；（3）變變應力力是由由靜載載荷產(chǎn)產(chǎn)生；；（4）變變應力力是由由變載載荷產(chǎn)產(chǎn)生，，也可可能由由靜載載荷產(chǎn)產(chǎn)生。。343、發(fā)發(fā)動機機連桿桿橫截截面上上的應應力變變化規(guī)規(guī)律如如圖所所示，，則該該變應應力的的應力力比r為。（1））0.24；（（2））-0.24；；（3）-4.17；（（4））4.17。4、發(fā)發(fā)動機機連桿桿橫截截面上上的應應力變變化規(guī)規(guī)律如如題3圖所所示，，則其其應力力幅a和平均均應力力m分別為為。（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=－－80.6Mpa。。5、變變應力力特性性max、min、m、a及r等等五五個個參參數(shù)數(shù)中中的的任任意意來描描述述。。（1））一一個個；；（（2））兩兩個個；；（（3））三三個個；；（（4））四四個個。。t31.2N/mm2-130N/mm202226、、機機械械零零件件的的強強度度條條件件可可以以寫寫成成。（1）），，或或，，（2）），，或或，，（3）），，或或，，（4）），，或或，，7、、一一直直徑徑d=18mm的的等等截截面面直直桿桿，，桿桿長長為為800mm，，受受靜靜拉拉力力F=36kN，，桿桿材材料料的的屈屈服服點點s=270Mpa，，取取許許用用安安全全系系數(shù)數(shù)[S]=1.8，，則則該該桿桿的的強強度度。（1））不不足足；；（（2））剛剛好好滿滿足足要要求求；；（（3））足足夠夠。。8、、在在進進行行疲疲勞勞強強度度計計算算時時，，其其極極限限應應力力應應為為材材料料的的。（1））屈屈服服點點；；（（2））疲疲勞勞極極限限；；（（3））強強度度極極限限：：（（4））彈彈性性極極限限。。二、、分分析析與與思思考考題題1、、什什么么是是變變應應力力的的應應力力比比r？？靜靜應應力力、、脈脈動動循循環(huán)環(huán)變變應應力力和和對對稱稱循循環(huán)環(huán)變變應應力力的的r值值各各是是多多少少？？332靜應應力力r靜=＋1；脈脈動動循循環(huán)環(huán)r脈=0；對對稱稱循循環(huán)環(huán)變變應應力力r=-1。解：：2、、圖圖示示各各應應力力隨隨時時間間變變化化的的圖圖形形分分別別表表示示什什么么類類型型的的應應力力？？它它們們的的應應力力比比分分別別是是多多少少？？0tmax0tmaxmminaa)b)0tmaxmmin=0a0tmaxam=0c)d)解：：a）靜靜應應力力r=1；b）非非對對稱稱（（或或穩(wěn)穩(wěn)定定））循循環(huán)環(huán)變變應應力力0<r<+1；c）脈脈動動循循環(huán)環(huán)r=0；d）對對稱稱循循環(huán)環(huán)r=－1。四、、疲疲勞勞曲曲線線（（對對稱稱循循環(huán)環(huán)變變應應力力的的—N曲曲線線））疲勞勞曲曲線線的的定定義義：：表示示應應力力循循環(huán)環(huán)次次數(shù)數(shù)N與與疲疲勞勞極極限限的的關關系系曲曲線線。。a大N小a中N中a小N大Fr曲線線上上各各點點表表示示在在相相應應的的循循環(huán)環(huán)次次數(shù)數(shù)下下，，不不產(chǎn)產(chǎn)生生疲疲勞勞失失效效的的最最大大應應力力值值，，即即疲疲勞勞極極限限應應力力。。從從圖圖上上可可以以看看出出，，應應力力愈愈高高，，則則產(chǎn)產(chǎn)生生疲疲勞勞失失效效的的循循環(huán)環(huán)次次數(shù)數(shù)愈愈少少。。在作作材材料料試試驗驗時時，，常常取取一一規(guī)規(guī)定定的的應應力力循循環(huán)環(huán)次次數(shù)數(shù)N0，稱稱為為循循環(huán)環(huán)基基數(shù)數(shù)，，把把相相應應于于這這一一循循環(huán)環(huán)次次數(shù)數(shù)的的疲疲勞勞極極限限，，稱稱為為材材料料的的持持久久疲疲勞勞極極限限，，記記為為－1（或或r）。。有限壽命區(qū)N0N3N2N1-1321Nr=－1無限壽命區(qū)lgN0lgNa）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）疲勞勞曲曲線線可可分分成成兩兩個個區(qū)區(qū)域域：：有有限限壽壽命命區(qū)區(qū)和和無無限限壽壽命命區(qū)區(qū)。。所所謂謂““無無限限””壽壽命命，，是是指指零零件件承承受受的的變變應應力力水水平平低低于于或或等等于于材材料料的的疲疲勞勞極極限限－1，工工作作應應力力總總循循環(huán)環(huán)次次數(shù)數(shù)可可大大于于N0，零零件件將將永永遠遠不不會會產(chǎn)產(chǎn)生生破破壞壞。。在有有限限壽壽命命區(qū)區(qū)的的疲疲勞勞曲曲線線上上，，N<N0所對對應應的的各各點點的的應應力力值值，，為為有有限限壽壽命命條條件件下下的的疲疲勞勞極極限限。。對低低碳碳鋼鋼而而言言，，循循環(huán)環(huán)基基數(shù)數(shù)N0=106～107；對合合金金鋼鋼及及有有色色金金屬屬，，循循環(huán)環(huán)基基數(shù)數(shù)N0=108或（（5××108）；；變應應力力與在在此此應應力力作作用用下下斷斷裂裂時時的的循循環(huán)環(huán)次次數(shù)數(shù)N之之間間有有以以下下關關系系式式：：此式式稱稱為為疲疲勞勞曲曲線線方方程程（（或或s—N曲線線方方程程））。。其其中中：：－1N—r=-1時有有限限壽壽命命疲疲勞勞極極限限應應力力；；N—與s－1N對應應的的循循環(huán)環(huán)次次數(shù)數(shù)；；m——與材材料料有有關關的的指指數(shù)數(shù)；；C—實驗驗常常數(shù)數(shù)；；(m、c根據(jù)據(jù)實實驗驗數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)通通過過數(shù)數(shù)理理統(tǒng)統(tǒng)計計得得到到)。s－1—r=-1時時持持久久疲疲勞勞極極限限應應力力；；N0—循環(huán)環(huán)基基數(shù)數(shù)；；由上上式式，，對對于于不不同同的的應應力力水水平平，，可可寫寫出出下下式式：：因而而材材料料的的有有限限壽壽命命（（即即壽壽命命為為N時））的的疲疲勞勞極極限限s－1N則為為：：利用用上上式式，，可可求求得得不不同同循循環(huán)環(huán)次次數(shù)數(shù)N時的的疲疲勞勞極極限限值值－1N，kN稱為為壽壽命命系系數(shù)數(shù)。。例題題2-1：：某零零件件采采用用塑塑性性材材料料，，s－1=268N/mm2（N0=107，m=9）），，當當工工作作應應力力smax=240（（或或300））N/mm2，r=－－1，，試試按按下下述述條條件件求求材材料料的的疲疲勞勞極極限限應應力力，，并并在在s—N曲曲線線上上定定性性標標出出極極限限應應力力點點和和工工作作應應力力點點，，Sca。。（1））N=N0（2））N=106解：：N0=107N=106-1=268300346N240當時時：：將會會失失效效。。五、、（（非非對對稱稱循循環(huán)環(huán)變變應應力力的的））極極限限應應力力圖圖以上上所所討討論論的的s—N曲曲線線，，是是指指對對稱稱應應力力時時的的失失效效規(guī)規(guī)律律。。對對于于非非對對稱稱的的變變應應力力，，必必須須考考慮慮循循環(huán)環(huán)特特性性r對疲疲勞勞失失效效的的影影響響。。在作作材材料料試試驗驗時時，，通通常常是是求求出出對對稱稱循循環(huán)環(huán)及及脈脈動動循循環(huán)環(huán)的的疲疲勞勞極極限限s－1及s0，把把這這兩兩個個極極限限應應力力標標在在sm—sa坐標標上上（（圖圖2-3））。。0/2s04545amADGC-10/2圖3材料的極限應力線圖由于于對對稱稱循循環(huán)環(huán)變變應應力力的的平平均均應應力力sm=0，最最大大應應力力等等于于應應力力幅幅，，所所以以對對稱稱循循環(huán)環(huán)疲疲勞勞極極限限在在圖圖中中以以縱縱坐坐標標軸軸上上的的A點來來表表示示。。由于脈動動循環(huán)變變應力的的平均應應力及應應力幅均均為sm=sa=s0/2，所以脈脈動循環(huán)環(huán)疲勞極極限以由由原點0所作45射線上的的D點來表示示。連接A、D得直線AD。由于這這條直線線與不同同循環(huán)特特性時進進行試驗驗所求得得的疲勞勞極限應應力曲線線非常接接近，所所以直線線AD上任何一一點都代代表了一一定循環(huán)環(huán)特性時時的疲勞勞極限。。橫軸上任任何一點點都代表表應力幅幅等于零零的應力力，即靜靜應力。。取C點點的坐標標值等于于材料的的屈服極極限ss，并自C點作一一直線與與直線C0成45夾角，交交AD延長線于于G，則CG上任何一一點均代代表的的變應應力狀況況。-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，零零件材料料（試件件）的極極限應力力曲線即即為折線線AGC。材料中中發(fā)生的的應力如如處于OAGC區(qū)域以內(nèi)內(nèi)，則表表示不發(fā)發(fā)生破壞壞；直線AG的方程，，由已知知兩點坐坐標A（0，s－1）及D（s0/2，s0/2）求得為為（疲勞勞區(qū)）：：＋=0t-10ta0tm令—試件的材材料特性性（等效效系數(shù)、、折算系系數(shù)）；；直線GC方程為（（靜強度度區(qū)）：：下面推導導非對稱稱循環(huán)變變應力時時機械零零件的疲疲勞強度度計算式式：在極限應應力線圖圖的坐標標上即可可標示出出相應于于m及a的一個工工作應力力點M（（或者N）見圖圖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，強強度計算算時所用用的極限限應力應應是零件件的極限限應力曲曲線（AGC）上的某某一個點點所代表表的應力力。到底底用哪一一個點來來表示極極限應力力才算合合適，這這要根據(jù)據(jù)應力的的變化規(guī)規(guī)律來決決定?？赡馨l(fā)生生的典型型應力變變化規(guī)律律通常有有下述三三種：a）變變應力的的循環(huán)特特性保持持不變，，即r=C（例例如絕大大多數(shù)轉轉軸中的的應力狀狀態(tài)）；；Fr0tr=C0tm=Cm=CGFb）變應應力的平平均應力力保持不不變，即即m=C（例如振振動著的的受載彈彈簧中的的應力狀狀態(tài)）；；C）變應應力的最最小應力力保持不不變，即即min=C（例例如緊螺螺栓聯(lián)接接中螺栓栓受軸向向變載時時的應力力狀態(tài)））。P=0～a0tmin=Cmin以下分別別討論這這三種情情況：1、r=C的情況當r=C時，需找找到一個個循環(huán)特特性與工工作應力力點的循循環(huán)特性性相同的的極限應應力值。。因為：：因此，在在圖6中中，從坐坐標原點點引射線線通過工工作應力力點M（（或N）），與極極限應力力曲線交交于M1（或N1），得到到0M1（或0N1），則在在此射線線上任何何一個點點所代表表的應力力循環(huán)都都具有相相同的循循環(huán)特性性。0amADGCmaMNM1N1圖6r=C時的極限應力聯(lián)解OM及AG兩直線的的方程式式，可以以求出M1點的坐標標值m及a，把它們們加起來來，就可可以求出出對應于于M點的試件件的極限限應力max：于是，安安全系數(shù)數(shù)計算值值Sca及強度度條件為為：對應于N點的極限限應力點點N1位于直線線CG上。此時時的極限限應力即即為屈服服極限s。這就是是說，工工作應力力為N點時，首首先可能能發(fā)生的的是屈服服失效，，故只需需進行靜靜強度計計算，其其強度計計算式為為：分析圖6得知，凡凡是工作作應力點點位于OGC區(qū)域內(nèi)時時，在循循環(huán)特性性等于常常數(shù)的條條件下，，極限應應力統(tǒng)為為屈服極極限，都都只需進進行靜強強度計算算。2、m=C的情情況當m=C時，，需找到到一個其其平均應應力與工工作應力力的平均均應力相相同的極極限應力力。在圖圖7中，，通過M（或N）點作作縱軸的的平行線線MM2（或NN2），則此此線上任任何一點點代表的的應力循循環(huán)都具具有相同同的平均均應力值值。0amADGCMNM2N2H圖7m=C時的極限應力3、min=C的情情況當min=C時，，需找到到一個其其最小應應力與工工作應力力的最小小應力相相同的極極限應力力。0amADGCMNM3’N3’I45minMminN圖8min=C時的極限應力因此在圖圖8中，通過過M（或N）點，作作與橫坐坐標軸夾夾角為45的直線，，則此直直線上任任何一個個點所代代表的應應力均具具有相同同的最小小應力。。六、影響響疲勞強強度的因因素1、應力力集中的的影響定義：幾幾何形狀狀突然變變化產(chǎn)生生的應力力。零件件上的應應力集中中源如鍵鍵槽、過過渡圓角角、小孔孔等以及及刀口劃劃痕存在在，使疲疲勞強度度降低。。計算時時用應力力集中系系數(shù)k（見表1-2、、3、4）。2、尺寸與與形狀的的影響尺寸效應應對疲勞勞強度的的影響，，用尺寸寸系數(shù)來考慮。?！叽缗c形形狀系數(shù)數(shù)，見表表1-5；3、表面面質量的的影響表面粗糙糙度越低低，應力力集中越越小，疲疲勞強度度也越高高。—表面質質量系數(shù)數(shù)，見表表1-6、8以上三個個系數(shù)都都是對極極限應力力有所削削弱的。。4、表面面強化的的影響可以大大幅度度地提提高零零件的的疲勞勞強度度，延延長零零件的的疲勞勞壽命命。計計算時時用強強化系系數(shù)q考慮其其影響響。q—強化化系數(shù)數(shù)，可可以加加大極極限應應力，，見見表1-7。。由于零零件的的幾何何形狀狀的變變化，，尺寸寸大小小、加加工質質量及及強化化因素素等的的影響響，使使得零零件的的疲勞勞強度度極限限要小小于材材料試試件的的疲勞勞極限限。我我們用用疲勞勞強度度的綜綜合影影響系系數(shù)K來考慮慮其影影響。。K只對變變應力力有影影響，，對靜靜應力力無影影響，，和疲疲勞強強度有有關，，與靜靜強度度無關關。對稱循循環(huán)變變應力力非對稱稱循環(huán)環(huán)變應應力（r=C）實驗、、試件件d=10mm，光光桿。。04545amADGC45試件零件-1-1/K(0/2,0/2)(0/2,0/2K)試件：：零件：：例2-2:一鉻鎳鎳合金金鋼，，-1=460N/mm2，s=920N/mm2。試繪制制此材材料試試件的的簡化化的m—a極限應應力圖圖。解：按按合金金鋼，，=0.2～～0.3，，取=0.2，，由式式（2—9a））得：：m0/2=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點坐標標為(0/2=383,0/2=383)，A點坐標標為(0,-1=460)。過C點(s=920,0)與橫坐坐標成成135作直線線，與與AD的延長長線相相交于于G，則直直線化化的極極限應應力圖圖為ADG。例2-3：：在圖2-10的的極限限應力力圖中中，求求r=-0.4時的的a和m值。m0/2=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從而得得又由式式（3-9a）：得聯(lián)立以以上兩兩式解解得：：即圖上上M點。解：由由式（（2-8）得：：作業(yè)：：1-1、、1-2、、1-5習題分分析：：0amADGCMNM2’N2’H疲勞區(qū)靜強度區(qū)靜強度度區(qū)：：疲勞區(qū)區(qū)：如果工工作應應力點點在極極限應應力曲曲線以以內(nèi)，，說明明零件件是合合格，，不會會失效效。七、不不穩(wěn)定定變應應力的的強度度計算算1．應應力譜譜1nn1n2n323231123tn1n2n3圖2-9不穩(wěn)定變應力示意圖圖2-9為為一不不穩(wěn)定定變應應力的的示意意圖。。變應應力1（對稱稱循環(huán)環(huán)變應應力的的最大大應力力，或或不對對稱循循環(huán)變變應力力的等等效對對稱循循環(huán)變變應力力的應應力幅幅）作作用了了n1次，2作用了了n2次，………等等等。。2、疲疲勞損損傷累累積假假說——曼耐耐爾（（Miner’’srule法則則）a）金金屬材材料在在一定定變應應力作作用下下都有有一定定壽命命；b）每每增加加一次次過載載的應應力（（超過過材料料的持持久疲疲勞極極限）），就就對材材料造造成一一定的的損傷傷，當當這些些損傷傷的逐逐漸積積累其其總和和達到到其壽壽命相相當?shù)牡膲勖鼤r，，材料料即造造成破破壞；；c）小小于持持久疲疲勞極極限，，不會會對材材料造造成損損傷；；d）變變應力力大小小作用用的次次序對對損傷傷沒有有多大大影響響。把圖2-9中所所示的的應力力圖放放在材材料的的—N坐坐標上上，如如圖2-10所所示。。根據(jù)據(jù)—N曲曲線，，可以以找出出僅有有1作用時時使材材料發(fā)發(fā)生疲疲勞破破壞的的應力力循環(huán)環(huán)次數(shù)數(shù)N1。假使使應力力每循循環(huán)一一次都都對材材料的的破壞壞起相相同的的作用用，則則應力力1每循環(huán)環(huán)一次次對材材料的的損傷傷率即即為1/N1，而循循環(huán)了了n1次的1對材料料的損損傷率率即為為n1/N1。如此此類推推，循循環(huán)n2次的2對材料料的損損傷率率為n2/N2，………。123n1n2n3N1N2N3N0圖2-10不穩(wěn)定變應力在—N坐標上N因為當當損傷傷率達達到100%時時，材材料即即發(fā)生生疲勞勞破壞壞，故故對應應于極極限狀狀況有有：是極限限狀態(tài)態(tài)一般地地寫成成：上式是是疲勞勞損傷傷線性性累積積假說說的數(shù)數(shù)學表表達式式。自自從此此假說說提出出后，，曾作作了大大量的的試驗驗研究究，以以驗證證此假假說的的正確確性。。試驗驗表明明，當當各個個作用用的應應力幅幅無巨巨大的的差別別時，，這個個規(guī)律律是正正確的的。當各級級應力力是先先作用用最大大的，，然后后依次次降低低時，，上式式中的的等號號右邊邊將不不等于于1，，而小小于1（起起斷裂裂作用用）;當各級級應力力是先先作用用最小小的，，然后后依次次升高高時，，則式式中等等號右右邊要要大于于1（（起強強化作作用））。通過大大量的的試驗驗，可可以有有以下下的關關系：：說明Miner法則有有一定定的局局限性性。3．疲疲勞強強度計計算不穩(wěn)定定應力力，尋尋找相相當應應力，，穩(wěn)定定應力力。如果材材料在在上述述應力力作用用下還還未達達到破破壞，，則上上式變變?yōu)椋海簩⑸鲜绞降姆址肿印?、分母母同乘乘以im，則：：又因為為，，所所以：：將上式式代入入式得得：上式又又可變變形為為：上式右右邊根根號部部分表表示了了變應應力參參數(shù)的的變化化情況況。令令：其中，，ks—為應力力折算算系數(shù)數(shù)；1—為任選選，一一般取取最大大工作作應力力或循循環(huán)次次數(shù)最最多的的應力力作為為計算算的基基本應應力。。引入ks后，則則安全全系數(shù)數(shù)計算算值Sca及強度度條件件則為為：例題：：45號鋼鋼經(jīng)過過調(diào)質質后的的性能能為：：-1=307Mpa，m=9，N0=5××106。現(xiàn)以以此材材料作作試件件進行行試驗驗，以以對稱稱循環(huán)環(huán)變應應力1=500Mpa作用用104次，2=400Mpa作用用105次，試試計算算該試試件在在此條條件下下的安安全系系數(shù)計計算值值。若若以后后再以以3=350Mpa作用用于試試件，，還能能再循循環(huán)多多少次次才會會使試試件破破壞？？解：根根據(jù)式式（2-46））：根據(jù)式式（2-47），試試件的的安全全系數(shù)數(shù)計算算值為為：又根據(jù)據(jù)式（（2-19）：：若要使使試件件破壞壞，則則由式式（2-42））得：：即該試試件在在3=350Mpa的對稱稱循環(huán)環(huán)變應應力的的作用用下，，估計計尚可可再承承受0.97××106次應力力循環(huán)環(huán)。八、復復合應應力狀狀態(tài)下下的強強度計計算（（彎曲曲、扭扭轉聯(lián)聯(lián)合作作用））對于試試件在在彎曲曲—扭扭轉聯(lián)聯(lián)合作作用的的交變變應力力下進進行疲疲勞試試驗時時，其其數(shù)據(jù)據(jù)基本本上符符合圖圖2-11中橢橢圓弧弧的規(guī)規(guī)律。。其疲疲勞破破壞條條件可可近似似地直直接用用橢圓圓方程程表示示：a-10a-1m(a,a)n(a,a)AB圖2-11復合應力時的極限應力線圖對于鋼材材，經(jīng)過過試驗得得出的極極限應力力關系式式為：由于是對對稱循環(huán)環(huán)變應力力，故應應力幅即即為最大大應力。。圓弧AmB上上任何一一個點即即代表一一對極限限應力a及a。如果作作用于零零件上的的應力幅幅a及a在坐標上上用n表表示，引引直線on與AB交于于m點，，則安全全系數(shù)計計算值S為：將式（1）變形為為：則：其中，S—只有正應應力作用用下的安安全系數(shù)數(shù)計算值值；S—只有剪應應力作用用下的安安全系數(shù)數(shù)計算值值；S—復合應力力作用下下的安全全系數(shù)計計算值；；亦即解決了簡簡單和復復合的問問題。總結結1、在解解決變應應力下零零件的強強度問題題叫疲勞勞強度。。零件里通通常作用用的都是是變應力力，所以以其應用用更為廣廣泛。2、疲勞勞強度和和哪些因因素有關關=f（N，r，，K，材料，，形式））疲勞強度度比靜強強度復雜雜得多。。3．三大大理論一一假說：：疲勞曲線線——解解決對稱稱循環(huán)變變應力的的強度計計算問題題；極限應力力圖———對稱非對稱的的關系；；復合極限限應力圖圖——復復合和簡簡單應力力的關系系；Miner法則則——穩(wěn)穩(wěn)定和非非穩(wěn)定應應力的關關系；4．強度度計算式式變應力穩(wěn)定不穩(wěn)定簡單復合對稱稱非對稱例題：一一零件采采用塑性性材料-1=275Mpa（N0=106，m=9），K=11）當作作用一工工作應力力1，n1=4×103（N1=8×103）后，又又作用一一工作應應力2=275Mpa，試求求其工作作壽命n2=?2）當作作用1=410Mpa，n1=4×103后，若使n2=106，則工作應應力2=?3）若工作作應力1=410Mpa，n1=4×103，2=275Mpa，n2=5×105求：S（安安全系數(shù)））。解：1）這這屬于不穩(wěn)穩(wěn)定變應力力下的強度度計算問題題，應用疲疲勞損傷累累積假說的的數(shù)學表達達式。2）3）第二章機機械零件的的疲勞強度度設計（習習題續(xù)）一、選擇題題2-1．45鋼的持持久疲勞極極限-1=270Mpa，設設疲勞曲線線方程的冪冪指數(shù)m=9，應力力循環(huán)基數(shù)數(shù)N0=5×106次，當實際際應力循環(huán)環(huán)次數(shù)N=104次時，有限限壽命疲勞勞極限為Mpa。（1）539；（（2）135；（（3））175；；（4）417；2-2．零零件表面經(jīng)經(jīng)淬火、滲滲氮、噴丸丸、滾子碾碾壓等處理理后，其疲疲勞強度。（1）增高高（2）降低（（3））不變（（4）增增高或降低低視處理方方法而定2-3．影影響零件疲疲勞強度的的綜合影響響系數(shù)K與等因素有關關。（1）零件件的應力集集中、加工工方法、過過載；（2）零件的的應力循環(huán)環(huán)特性、應應力集中、、加載狀態(tài)態(tài)；（3））零件的表表面狀態(tài)、、絕對尺寸寸、應力集集中；（4）零件的的材料、熱熱處理方法法、絕對尺尺寸。1132-4．繪繪制設計計零件的m—a極限應力簡簡圖時，所所必須須的已知數(shù)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．在在圖示設計計零件的m—a極限應力簡簡圖中，如如工作應力力點M所在在的0N線線與橫軸間間夾角=45，則該零件件受的是。（1）不變變號的不對對稱循環(huán)變變應力；（（2）變號號的不對稱稱循環(huán)變應應力；（3）脈動循循環(huán)變應力力；（4））對稱循環(huán)環(huán)變應力；；045135amANGCM232-6．在在題2-5圖所示零零件的極限限應力簡圖圖中，如工工作應力點點M所在的的0N線與與橫軸之間間的夾角=90時，則該零零件受的是是。（1）脈動動循環(huán)變應應力；（2）對稱循循環(huán)變應力力；（3））變號的不不對稱循環(huán)環(huán)變應力；；（4）不不變號的不不對稱循環(huán)環(huán)變應力；；2-7．已已知一零件件的最大工工作應力max=180Mpa，最最小工作應應力min=-80Mpa。則則在圖示的的極限應力力簡圖中，，該應力點點M與原點點的連線0M與橫軸軸間的夾角角為。（1）685744；（2）21215；（3）66215；（4）742833；0135amANGCM(m,a)212-8．在在圖示零件件的極限應應力簡圖上上，M為零零件的工作作應力點，，若加載于于零件的過過程中保持持最小應力力min為常數(shù)。則則該零件的的極限應力力點應為。（1）M1；（2）M2；（3）M3（4）M4；2-9．在在上題中若若對零件加加載的過程程中保持應應力比r等等于常數(shù)。。則該零件件的極限應應力點應為為。（1）M1；（2）M2；（3）M3（4）M4；045135amAGCM45M1M2M3M4232-10．．2-8題題中若對零零件加載的的過程中保保持平均應應力m等于常數(shù)。。則該零件件的極限應應力點應為為。（1）M1；（2）M2；（3）M3（4）M4；2-11．．零件的材材料為45鋼，b=600Mpa，s=355Mpa，-1=270Mpa，=0.2，，零件的疲疲勞強度綜綜合影響系系數(shù)K=1.4。。則在圖示示的零件極極限應力簡簡圖中角為。（1）365535；（2）411422；（3）484538；（3）6786；-1/K0/2K0/2s045amADBC122-12．．在題2-5圖所所示零件的的極限應力力簡圖中，，如工作應應力點M所所在的0N線與橫軸軸間夾角=50，則該零件件受的是。（1）脈動動循環(huán)變應應力；（2）對稱循循環(huán)變應力力；（3））變號的不不對稱循環(huán)環(huán)變應力；；（4）不不變號的不不對稱循環(huán)環(huán)變應力；；2-13．．一零件由由40Cr制成，已已知材料的的b=980Mpa，s=785Mpa，-1=440Mpa，=0.3。。零件的最最大工作應應力max=240Mpa，最最小工作應應力min=-80Mpa，疲疲勞強度綜綜合影響系系數(shù)K=1.44。則當應應力比r=常數(shù)時，，該零件的的疲勞強度度工作安全全系數(shù)S為為。（1）3.27;（（2）1.73;（（3）1.83;（（4）1.27;2-14．．若材料疲疲勞曲線方方程的冪指指數(shù)m=9，則以對對稱循環(huán)應應力1=500Mpa作用用于零件n1=104次以后，它它所造成的的疲勞損傷傷，相當于于應力2=450Mpa作用用于零件。（1）0.39×104；（2）1.46××104；（3）2.58××104；（4）7.45××104；3232-15．．若材料疲疲勞曲線方方程的冪指指數(shù)m=9，則以對對稱循環(huán)應應力1=400Mpa作用用于零件n1=105次所造成的的疲勞損傷傷，相當當于2=Mpa作用用于零件n2=104次所造成的的疲勞損傷傷。(1)517；（（2）546；（3）583；（4））615；；2-16．．45鋼經(jīng)經(jīng)調(diào)質后的的疲勞極限限-1=300Mpa，應應力循環(huán)基基數(shù)N0=5×106次，疲勞曲曲線方程的的冪指數(shù)m=9，若若用此材料料做成的試試件進行試試驗，以對對稱循環(huán)應應力1=450Mpa作用用104次，2=400Mpa作用用2×104次。則工作作安全系數(shù)數(shù)為。（1）1.14；（（2）1.25；（（3）1.47；（（4）1.65；2-17．．45鋼經(jīng)經(jīng)調(diào)質后的的疲勞極限限-1=300Mpa，應應力循環(huán)基基數(shù)N0=5×106次，疲勞曲曲線方程的的冪指數(shù)m=9，若若用此材料料做成的試試件進行試試驗，以對對稱循環(huán)應應力1=450Mpa作用用104次，2=400Mpa作用用2×104次，再以3=350Mpa作用用于此試件件，直到它它破壞為止止，試件還還能承受的的應力循環(huán)環(huán)次數(shù)為次。（1）6.25×105（2）9.34×105（3）1.09×106（4）4.52×106123第三章章摩摩擦、、磨損損及潤潤滑理理論一、摩摩擦、、磨損損及潤潤滑三三者關關系當在正正壓力力作用用下相相互接接觸的的兩個個物體體受切切向外外力的的影響響而發(fā)發(fā)生相相對滑滑動，，或有有相對對滑動動趨勢勢時，，在接接觸表表面上上就會會產(chǎn)生生抵抗抗滑動動的阻阻力，，這一一自然然現(xiàn)象象叫做做摩擦擦。其結果果必然然有能能量損損耗和和摩擦擦表面面物質質的喪喪失或或轉移移，即即磨損損。據(jù)估計計，世世界上上在工工業(yè)方方面約約有30%的能能量消消耗于于摩擦擦過程程中。。所以以人們們?yōu)榱肆丝刂浦屏慵谀δΣ林兄袚p壞壞，在在摩擦擦面間間加入入潤滑滑劑來來降低低摩擦擦，減減小磨磨損的的產(chǎn)生生，所所以說說三者者互為為因果果關系系。二、摩摩擦的的種類類干摩擦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兩個無無潤滑滑物體體之間間的摩摩擦，，主要要是由由兩種種因素素所構構成：：一是是摩擦擦面的的實際際接觸觸區(qū)內(nèi)內(nèi)出現(xiàn)現(xiàn)的粘粘著；；二是是較硬硬表面面上的的微凸凸體在在較軟軟表面面上所所起的的犁刨刨作用用。那么，，怎么么樣來來區(qū)別別邊界界摩擦擦、混混合摩摩擦和和液體體摩擦擦的界界限呢呢？可可用膜膜厚比比來劃劃分：：式中：：hmin——兩粗糙糙面間間的最最小公公稱油油膜厚厚度，，m；Ra——兩表面面的綜綜合粗粗糙度度；m；Ra1、Ra2——分別為為兩表表面的的輪廓廓算術術平均均偏差差，m；當<0.4時為邊邊界摩摩擦；；當0.43.0時為混混合摩摩擦；；當>3～5后則為為液體體摩擦擦。三、牛牛頓流流體定定律yx0V=0ABVhN0S(面積)如圖3-6所示，，在兩兩個平平行的的平板板間充充滿具具有一一定粘粘度的的潤滑滑油，，若平平板A以速度度V移動，，另一一平板板B靜止不不動，，則由由于油油分子子與平平板表表面的的吸附附作用用，將將使貼貼近板板A的油層層以同同樣的的速度度V隨板移移動；；而貼貼近板板B的油層層則靜靜止不不動。。由于于層與與層之之間速速度不不同，，于是是形成成各油油層間間的相相對滑滑移，，在各各層的的界面面上就就存在在有相相應的的剪應應力。。牛頓在在1687年提提出一一個粘粘性液液的摩摩擦定定律（（簡稱稱粘性性定律律），，即在在流體體中任任意點點處的的剪應應力均均與其其剪切切率（（或速速度梯梯度））成正正比。。若用數(shù)數(shù)學形形式表表示這這一定定律，，即為為：式中：：——流體單單位面面積上上的剪剪切阻阻力，，即剪剪應力力；dv/dy———流體沿沿垂直直于運運動方方向（（即沿沿圖3-6中y軸方向向或流流體膜膜厚度度方向向）的的速度度梯度度，式式中的的“－－”號號表示示v隨y的增大大而減減??；；——比例常常數(shù)，，即流流體的的動力力粘度度。摩擦學學中把把凡是是服從從這個個粘性性定律律的液液體都都叫牛牛頓液液體。。四、液液體動動壓潤潤滑的的條件件（楔楔形承承載機機理））（1））兩個個運動動的表表面要要有楔楔形間間隙；；（2））被油油膜分分開的的兩表表面有有一定定相對對滑動動速度度，且且大口口向小小口；；（3））潤滑滑油必必須有有一定定的粘粘度。。（4））有足足夠充充足的的供油油量。。Pmax油壓P分布曲線abcVxy各油層的速度分布壓力油膜h0p/x>0p/x=0p/x<0>h0h=h0h<h0＋Pmax

－產(chǎn)生內(nèi)壓h=h0進=出不產(chǎn)生油壓除非靠供應壓力油進少、出多產(chǎn)生負壓（a）由大口小口（b）兩平板平行（c）由小口大口圖3-9兩相對運動平板間油層中的速度分布和壓力分布流體動動壓潤潤滑是是依靠靠摩擦擦副的的兩滑滑動表表面作作相對對運動動時把把油帶帶入兩兩表面面之間間，形形成具具有足足夠壓壓力的的油膜膜，從從而將將兩表表面隔隔開。。然而而動壓壓油膜膜的形形成必必須滿滿足一一定的的條件件。為此，，首先先討論論圖3-8中相相對運運動的的平板板完全全被一一層油油膜分分開的的情形形。設板A沿x軸方方向以以速度度V移移動；；另一一板B為靜靜止。?，F(xiàn)從從層流流運動動的油油膜中中取一一微單單元體體進行行分析析。由圖可可見，，作用用在此此微單單元體