第1章机械设计的基础知识.

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1、第1章 机械设计的基础知识,1.1 机械零件的失效形式及设计准则,1.2 机械零件的强度计算,1.3 机械零件的材料及热处理,1.4 机械零件的标准化,1.1 机械零件的失效形式及设计准则,1.1.1 机械零件的主要失效形式,机械零件的失效：机械零件由于某些原因而丧失工作能力或达不 到设计要求性能时，称为失效。,机械零件可能的失效形式：,由强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、可靠性、温度对工作能 力的影响引起的失效。主要有以下几种：,1. 整体断裂,2. 过大的残余变形,3. 零件的表面破坏,4. 破坏正常工作条件引起的失效,1.1.2 机械零件的设计准则,1. 强度准则,针对的失效形式为： 断裂

2、失效（过载断裂、疲劳断裂）、塑性变形失效和点蚀失效。,强度准则是最基本的设计准则。,强度准则的设计表达式为：,2. 刚度准则,刚度准则针对零件过大的弹性变形失效。,，,3. 耐磨性准则, 耐磨性准则针对的是零件的表面失效。 .,在工程中对零件的条件性耐磨性计算表达式为：,刚度准则的设计表达式为,工作表面上的压强，MPa；,材料的许用压强，MPa；,工作表面线速度，m/s；, 的许用值，MPam/s。,4. 振动稳定性准则, 振动是指机械零件发生周期性的弹性变形现象。, 失稳现象：当零件的固有频率与激振源的频率接近或成整倍数关系时，零件就要发生共振，振幅急剧增大，致使零件破坏或机器工作失常。,振

3、动稳定性准则是指设计时使机器中受激振作用的各零件的 固有频率与激振源的频率错开。,其条件式为：,或,改变零件和系统的刚性； 提高回转件的动平衡精度； 改变支承位置； 增加或减少辅助支承； 用隔振元件隔开激振源与零件防止振动传播； 采用阻尼以消耗引起振动的能量。,当不能满足上述条件时，改变零件的固有频率，避免共振的措施：,5. 可靠性准则,可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能 的能力。,可靠性是衡量产品质量的一个重要指标,机械产品常用的可靠性指标主要有:,失效概率F,失效率。,可靠度R,或,如有一大批（N0件）某种零件，在一定的工作条件下进行试验。如在时间 t 后仍有 N 件正

4、常工作，则此零件在该工作环境条件下工作 t 时间的可靠度 R 可表示为：,浴盆曲线,描述机械产品典型的失效率（t）与时间 t 的关系的曲线。,第阶段：早期失效阶段；,第阶段：损坏阶段。,第阶段：正常使用阶段；,图1.1 失效率曲线,1.2 机械零件的强度计算, 机械零件的强度计算是机械零件设计中最基本的计算。,强度分类,静应力强度,变应力强度,静应力强度计算适用的场所：,静应力作用的零件的强度校核 ；,变应力作用的零件的强度校核 ，但应力循环次数 N103 ；,有短时过载的零件的强度校核 。,1.2.1 强度计算中的基本定义,1. 载荷分类,按照随时间变化特征分,按照计算要求分,静载荷 不随时

5、间变化或变化缓慢的载荷,变载荷 随时间变化的载荷,计算载荷考虑各种因素综合影响计算的载荷。,名义载荷根据额定功率用力学公式计算出的 载荷。,2应力分类,静应力 不随时间变化或变化缓慢的应力称为静应力；,变应力随时间变化的应力称为变应力。,截面 所受应力为变应力,其应力变化图形为：,变应力大小、方向随时间变化的应力,应力变化的周期T、应力幅值a和平均应力m均不变的为稳定循环变应力。,变应力的分类,稳定循环变应力,非稳定循环变应力,应力变化的周期T、应力幅值a和平均应力m之一不为常数的为非稳定循环变应力。,规律性的,非规律性的,脉动循环变应力,对称循环变应力,非对称循环变应力、,稳定循环变应力的主

6、要参数,（1）最大应力max,（2）最小应min,（3）平均应力m,（4）应力幅a,（5） 应力比r,1r+1 （非对称）,r=0 （脉动）,r=1 （对称）,依作用在零件上的变应力循环次数的不同，零件材料的疲劳 分为两种。,1.2.2 材料疲劳的类别,低周疲劳（应变疲劳） 循环次数低于103次 或104次 ；,高周疲劳 循环次数高于 104次 。,1.2.3 高周疲劳的机械零件的疲劳强度计算,1. 疲劳曲线（机械零件材料的）,曲线的得出： 实验的结果,实验限定条件：,实验目的：,特定材料、特定的应力比 r 或特定循环次数N。,建立疲劳极限max 与应力循次数N的关系曲线。,建立极限平均应力m

7、与极限应力幅a的关系曲线。,1）N 曲线（机械零件材料的）,AB段（对应N103） 在该区间内，随循环次数增加，发生破坏的最大应力基本不变。,结论：当应力循环次数N103：按静应力强度考虑。,图1.4 材料疲劳曲线之一（ N）,实验限定条件：,特定的循环特性r,特定的材料,实验目的：,建立疲劳极限max 与应力 循次数N的关系曲线。,BC段低周疲劳段,随着循环次数增加，使材料发生破坏的最大应力不断下降。该阶段的疲劳破坏形式为塑性变形，也称作应变疲劳按破坏形式命名。,由于循环次数相对较少 （NC=104）所以也叫做 低周疲劳按循环次数命名,CD段有限寿命疲劳段,该段上任一点所代表的疲劳极限称作有

8、限寿命疲劳极限,有限寿命疲劳极限,ND= N0,D 点代表无限寿命疲劳极限,无限寿命疲劳极限,当试件上作用的应力值,无论应力循环多少次， 试件都不会发生疲劳破坏。,循环基数。有限寿命和无限寿命的界限值。当 可按无限寿命考虑。 值与零件材料、应力性质以及尺 寸有关，由实验决定。,对于钢材料试件,=,即试件的的寿命按无限寿命考虑,弯曲、拉压疲劳时；,中等尺寸、弯曲疲劳时；,大尺寸零件,见教材P23,N0,有限寿命疲劳极限 与无限寿命疲劳极限 之间的关系。,CD段曲线满足下列数学关系：,联立以上两式，得：,寿命系数,m材料常数,m=,620 ，一般尺寸,9 ，中等或大尺寸,m,见教材P23,实验限定

9、条件：,特定的应力循环次数 N （取N=N0）,实验包含的范围： 1 r 1,实验目的：建立最大应力max与循环特性 r 的关系曲线。,图1-5 等寿命疲劳曲线,点代表对称循环（r=1）材料的的极限应力, 特定材料,点代表脉动循环（r=0）材料的的极限应力,点代表钢材料的屈服极限（r=1）,2）等寿命疲劳曲线（机械零件材料的）,r=1,r=1,2. 极限应力线图（机械零件材料的）,简化结果： 用直线近似代替曲线,具体简化方法：,极限应力线图是等寿命 疲劳曲线简化而成的。,实验包含的范围： 1 r 1,试件的材料常数,机械零件的极限应力线图,是采用标准材料试件通过试验得出的材料疲劳极限,具体零件

10、与标准试件间 存在以下几方面的差异,1 .应力集中差异 2 .绝对尺寸差异 3 .表面状态差异,零件极限应力图来自： 材料极限应力图,将材料极限应力图转化为零件 极限应力图的具体修正方法：,每点纵坐标值（应力幅值） 按同一比例缩小（除以一 个大于 1 的系数,),根据A、D 两点的坐标：,或为：,零件的材料常数,试件的材料常数,各系数意义请参考教材内容,零件极限应力图,3许用安全系数,1）静应力,脆性材料以强度极限B为极限应力，许用安全系数选取：,塑性材料以屈服极限S为极限应力，许用安全系数选取：,一般情况： S = 1.2 1.5,塑性较差材料：S = 1.5 2.5,S = 3 4,2）变

11、应力,以疲劳极限r 作为极限应力 ，许用安全系数选取：,。,一般情况： S = 1.3 1.7,非精确计算：S = 1.7 2.5,安全系数也可用部分系数法确定 :,S1 考虑载荷及计算准确性； S2 考虑材料力学性能； S3 考虑零件的重要性 。,4. 单向稳定变应力下的机械零件疲劳强度,M、N 两点代表零件两个不同的工作应力点。,两种疲劳强度计算方法分别为：,最大工作应力为：,问题：如何根据极限应力图确定极限应力？ 即极限应力曲线AGC上哪点是对应的,？,应根据三种情况确定,1）r 等于常数的情况（ r=C ） （绝大多数转轴的应力状态）,当r=C 时，,由o点引出的任意一条射线 上的点所

12、代表的应力都满足：,C,C, M点所代表零件上 作用的最大工作应力为：, M、M两点的坐标为点：, M点所代表的零件极限应力：,利用关系,见下页,由：,（2）,将式（1）代入公式:,得出：,将（3）代入 （2），,得出：,精确校核（安全系数法）,疲劳强度校核（应力点在疲劳区）,见教材P27公式13-17,疲劳安全区,点：,点：,静强度校核（应力点在静力区）,静力安全区,本章作业：3-1 3-5,工作应力点处在疲劳区时 一般需做两种强度校核：,精确疲劳强度校核,工作应力点处在静力区时仅需做：,精确静强度校核,疲劳区：AoG,静力区：GoC,静力安全区,疲劳安全区,精确静强度校核,2）平均应力等于

13、常数（m=C ） （振动的受载弹簧的应 力状态）,精确疲劳强度校核为：,精确静强度校核为：,工作应力点处在疲劳区时 应做两种校核（考虑过载）,工作应力点处在静力区时,疲劳安全区,精确静强度校核为：,3） 最小应力等于常数（min=C） （紧螺栓联接中螺栓受轴向 变载荷的应 力状态）,精确疲劳强度校核为：,精确静强度校核为：,工作应力点处在疲劳区时,工作应力点处在静力区时,精确静强度校核为：,静力安全区,疲劳安全区,零件变应力为以上三种情况时，即便工作应力点处在疲劳区，一般也需做两种强度计算：,注意：,疲劳强度计算,静强度计算,例题 1.1 分别用公式法和图解法求某发动机连杆的安全系数。 杆在危

14、险剖面处的直径d=70mm。当气缸发火时，连杆受到压力 500KN，在吸气时，则受到拉力120KN。连杆表面精磨并用优质 碳钢制造。连杆材料如下：,，,解：（1）确定最大及最小应力,（2）确定平均应力和应力幅值，由式（1.8）及式（1.9）,（3）计算试件受循环弯曲应力时的材料常数，由式（1.17）,（4）确定疲劳强度安全系数，因循环特性为常数，由式(1.30),（5）计算屈服强度安全系数，由式(1.31),（6）用图解法求安全系数,求点A（0，-1/K）及点D（0/2， 0/2K ）的坐标值：,选比例尺作图,. 单向不稳定变应力下的机械零件疲劳强度,规律性变应力,不规律性（随机）变应力,规律性变应力计算用疲劳损伤累计假说的理论计算,随机变应力的计算用统计疲劳强度方法计算,疲劳损伤累计假说的理论：零件在变应力作用下，其材料 的内部损伤是逐渐发生的，累计到一定程度即发生破坏。,（a ）,（b ）, 由（b）图知：仅有 作用时 ，对应寿命为N1 , 以此类推： N2 , N3 。,规律性不稳定对称循环变应力讨论,，,，,，,。,，,，,，,当损伤率达到100%，即各寿命损伤率之和等于 1 时，零件就会发生破坏，即：,注意两种不同加