機械設計基礎之機械設計-第二章機械零件設計計算基礎

機械設計基礎之機械設計-第二章機械零件設計計算基礎第二章靜應力狀態(tài)下的強度計算變應力狀態(tài)下的強度計算表面強度計算剛度和振動計算機械零件設計計算基礎步驟1：繪制運動簡圖步驟2：繪制結構簡圖步驟3：分析載荷應力步驟4：選擇零件材料步驟5：分析失效形式步驟6：確定工作準則步驟7：進行設計計算步驟8：進行結構設計步驟9：進行校核驗算機械零件設計的一般步驟步驟1：繪制運動簡圖步驟2：繪制結構簡圖步驟3：分析載荷應力步驟4：選擇零件材料步驟5：分析失效形式步驟6：確定工作準則步驟7：進行設計計算步驟8：進行結構設計步驟9：進行校核驗算機械零件設計的一般步驟計算載荷=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)額定功率計算計算載荷（實際載荷）Fc作用于零件的實際載荷，考慮各種附加載荷K1主因是動力機與工作機的工作性質，如平穩(wěn)、沖擊內燃機閥門彈簧受力載荷（2）靜載荷不隨時間變化或變化緩慢的載荷

鍋爐受力變載荷隨時間周期性或非周期性變化的載荷汽車軸、齒輪受力應力（τ）單位面積上的內力拉伸應力、壓縮應力、剪切應力Ftstssminsmaxsm零件的應力作用在零件剖面上的應力穩(wěn)定變應力靜應力不隨時間變化或變化緩慢的應力變應力隨時間周期性或非周期性變化的應力非穩(wěn)定變應力問題：靜變載荷與靜變應力的關系？名義應力？計算應力？穩(wěn)定變應力每次循環(huán)的參數(shù)和周期均不隨時間變化的周期性變應力，亦稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力非對稱循環(huán)變應力應力參數(shù)最大應力σmax＝σm+σa最小應力σmin＝σm－σa平均應力σm＝(σmax+σmin)／2應力幅σa＝(σmax－σmin)／2應力循環(huán)特性r

=σmin／σmax問題：三種穩(wěn)定變應力的參數(shù)？靜應力的參數(shù)？材料的極限應力（1）sBes玻璃鋼灰口鑄鐵esspsSsBABCDE靜應力下的極限應力與材料性能有關－脆性材料取強度極限應力σB－塑性材料取屈服極限應力σS材料的極限應力（2）變應力下的極限應力依據(jù)防疲勞斷裂準則確定，取疲勞極限應力（材料經過N0次應力循環(huán)不發(fā)生破壞的最大應力）σr，該值可從有關手冊查取。有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)許用應力：設計零件時所依據(jù)的條件應力許用安全系數(shù)：考慮計算精度、材料均勻度和零件重要度等因素，查表而得。許用安全系數(shù)↑→許用應力↓→結構笨重許用安全系數(shù)↓→許用應力↑→不夠安全許用應力與許用安全系數(shù)許用應力極限應力許用安全系數(shù)[][]步驟1：繪制運動簡圖步驟2：繪制結構簡圖步驟3：分析載荷應力步驟4：選擇零件材料步驟5：分析失效形式步驟6：確定工作準則步驟7：進行設計計算步驟8：進行結構設計步驟9：進行校核驗算機械零件設計的一般步驟常用零件材料的力學性能等級和牌號（1）鑄鐵：含Ｃ＞2.06％→易成型、價廉、吸振、可靠性差。如灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵（2）鋼：含Ｃ量＜1.4％→常用。－碳素鋼：普通碳素鋼、優(yōu)質碳素鋼－合金鋼：綜合機械性能好，但較貴－鑄鋼：含Ｃ（0.15～0.6）％→易成型（3）有色金屬合金：有特殊性能，價昂→少用。如鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金（4）非金屬材料：如工程塑料、橡膠、玻璃等燒結材料、復合材料…常用材料材料選用原則使用要求使用環(huán)境、載荷性質、結構、重要程度...工藝要求零件及其毛坯的形狀、批量、加工方法...經濟要求材料價格結合加工費用、材料利用率...步驟1：繪制運動簡圖步驟2：繪制結構簡圖步驟3：分析載荷應力步驟4：選擇零件材料步驟5：分析失效形式步驟6：確定工作準則步驟7：進行設計計算步驟8：進行結構設計步驟9：進行校核驗算機械零件設計的一般步驟軸可能的失效形式：斷裂、塑性變形、過大彈性變形、共振Fn零件失效形式失效零件喪失工作能力或達不到設計要求的性能，不僅僅指破壞主要失效形式斷裂：如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂表面點蝕：工作表面片狀剝落塑性變形：零件發(fā)生永久性變形過大彈性變形表面破壞過大振動和噪聲、過熱等步驟1：繪制運動簡圖步驟2：繪制結構簡圖步驟3：分析載荷應力步驟4：選擇零件材料步驟5：分析失效形式步驟6：確定工作準則步驟7：進行設計計算步驟8：進行結構設計步驟9：進行校核驗算機械零件設計的一般步驟50kN零件工作能力準則工作能力不失效條件下零件的安全工作限度。該限度通常以零件承受載荷的大小來表示，又常稱為“承載能力”。如：吊鉤最大起重量50kN，其工作能力或承載能力為50kN工作能力準則衡量零件工作能力的指標。零件設計就是針對零件主要失效形式選擇適合的工作能力準則進行設計。主要包括強度準則、剛度準則、耐磨性準則、振動穩(wěn)定性準則、耐熱性準則強度準則剛度準則耐磨性準則選擇工作準則主要失效形式與工作準則的對應斷裂：如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂表面點蝕：工作表面片狀剝落塑性變形：零件發(fā)生永久性變形過大彈性變形表面破壞過大振動和噪聲、過熱等振動穩(wěn)定性準則步驟1：繪制運動簡圖步驟2：繪制結構簡圖步驟3：分析載荷應力步驟4：選擇零件材料步驟5：分析失效形式步驟6：確定工作準則步驟7：進行設計計算步驟8：進行結構設計步驟9：進行校核驗算機械零件設計的一般步驟強度計算強度：材料抵抗斷裂或殘余變形的能力強度準則：工作應力≤許用應力 σ≤[σ]或τ≤[τ]失效形式：斷裂、疲勞破壞、殘余變形典型零件：軸、齒輪、帶輪等正應力：剪應力：機械零件工作能力的最基本準則靜應力狀態(tài)下的強度計算塑性材料零件[]=

s[S][]=

s[S]脆性或低塑性材料零件[]=

B[S][]=

B[S]防止塑性變形防止斷裂變應力狀態(tài)下的強度計算（1）疲勞破壞機理：零件產生微觀裂紋；發(fā)展成宏觀裂紋；宏觀裂紋急劇擴展；到達材料極限強度時發(fā)生斷裂影響零件疲勞強度因素材料極限應力

應力集中

尺寸效應

表面狀態(tài)

疲勞失效：大多數(shù)機械零件工作時受變應力作用。即使應力值小于材料的屈服強度，也會在經受一定應力循環(huán)周期后突然斷裂，而且斷裂時沒有明顯的宏觀塑性變形，這種破壞形式稱為疲勞失效變應力狀態(tài)下的強度計算（2）有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)循環(huán)特性r一定時，應力循環(huán)N次后，材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應力，稱為疲勞極限。KN：壽命系數(shù)N0:循環(huán)基數(shù)m：材料與應力指數(shù)疲勞曲線（－N曲線）

rNmN=rmN0=C變應力狀態(tài)下的強度計算（3）lgNlg

rNO103(104)N0

rAB低周循環(huán)高周循環(huán)有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)循環(huán)基數(shù)(107)疲勞曲線一般是在對稱循環(huán)變應力條件下的實驗結果變應力狀態(tài)下的強度計算（4）相同循環(huán)次數(shù)（通常取N0）和不同循環(huán)特性r下，材料有不同的疲勞極限，可從材料疲勞極限應力圖求得。

a

mF(

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變應力狀態(tài)下的強度計算（5）

a

mS(

s,0)A

a

mS(

s,0)A

a

mS(

s,0)A

lim=2

-1K

(1-r)+

(1+r)許用疲勞極限曲線許用疲勞極限曲線許用疲勞極限曲線簡化疲勞曲線簡化疲勞曲線簡化疲勞曲線

m1

minK

：疲勞強度綜合影響系數(shù)變應力狀態(tài)下的強度計算（6）

max[]=

lim[S]

a[a]=

lim-a[S]疲勞強度準則：表面強度計算表面接觸強度表面擠壓強度表面磨損強度齒輪傳動、蝸桿傳動以及滾動軸承等依靠表面接觸工作的零件，受到法向載荷時，其工作能力取決于接觸表面的強度表面接觸強度赫茲公式接觸應力的計算公式影響接觸應力的因素：曲率半徑材料接觸線長度Fac：法向載荷；L：接觸長度；疲勞強度準則：

H[

H

]耐磨性準則耐磨性：零件抗磨損的能力。磨損是相當復雜的物理化學過程。影響磨損的因素包括載荷的大小和性質、滑動速度、潤滑劑的化學性質和物理性質等。磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損、微動磨損耐磨性準則：

P

失效形式：零件表面破壞典型零部件：齒輪、軸承、鏈等P為表面壓強剛度準則剛度：材料抵抗彈性變形的能力剛度準則：實際變形量≤許用變形量彎曲剛度：撓度條件：y≤[y]傾角條件：θ≤[θ]