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1、第2章 机械零件设计的基础知识2-1 机械零件的设计要求和准则2-2 机械零件的基本失效形式2-3 机械零件设计的一般方法和步骤2-4 机械零件的疲劳强度2-5 机械零件的抗断裂强度2-6 机械零件的表面强度2-7 机械零件的材料和毛坯选择2-8 机械零件设计中的标准化2-1 机械零件的设计要求和准则机械零件应避免在预定寿命期内失效的要求 强度、刚度、寿命 设计准则：v（1）结构功能要求v（2）强度准则v（3）刚度准则v（4）寿命准则v（5）可靠性准则v（6）振动稳定性准则（一）结构功能要求：一、功能性要求如：连接件应满足连接的要求支承件应满足支承的要求等（二）强度准则 极限应力 计算安全系数
2、 静强度（三）刚度准则提高机械零件强度的方法： 1.采用更高强度的材料或选择合适的热处理方法； 2.改变机械零件的结构尺寸和截面形状，不一定是截面 积的改变，在截面积不变的情况下增大截面的惯性矩以 减小零件所受的应力。 3.尽量减少附加或不必要的载荷。y可以是挠度、偏转角或扭转角变形量许用变形量（四）寿命准则：零件正常工作所延续的时间称为零件的寿命。影响零件寿命的因素： 疲劳、腐蚀和磨损 疲劳强度极限或额定载荷已作为零件疲劳寿命的计算准则。腐蚀、磨损目前尚无可靠的计算方法 (五）、可靠性准则0tIIIIII浴盆曲线零件的可靠度就是在规定的使用时间内（寿命） 和预定的环境下，零件能够正常地完成其
3、功能的概率 。R=正常数N 总件数N0失效率， =f(t)早期失 效阶段( 跑合)正常使 用阶段( 稳定)对应损 坏阶段( 急剧)早期失效阶段：初 始裂纹、安装不正 确、未磨合等对应损坏阶段：磨 损、腐蚀、疲劳裂 纹等，及时更换失 效零件，定时小、 中、大修。（六）振动稳定性准则要求机械振动频率fp远离机械的固有频率f，如不满足可采取的措施：1）改变机械及零件的刚度；2）采取减振措施 。特别是一阶固有频率f，即二、结构工艺性要求：便于制造和装配便于制造和装配 工艺性：毛坯、制造、装配和拆卸三、经济性要求：省时、省料省时、省料 经济性：降低消耗、简化结构、减少工时 、工艺性好增加零件经济性的措施
4、： 1.采用廉价而充足的材料； 2.减少材料的耗费量和加工工时； 3.采用标准化零部件； 4.采用组合结构代替整体结构。 四、其他要求： 质量小要求 大转动惯量的要求 防污染、装饰要求等2-2 机械零件的基本失效形式v失效：不能完成所规定的功能。v分类1：根据零件失效后能否再行使用分：损伤性失效和非损伤性失效：损伤性失效v零件发生了实质性的损坏。如轮齿断裂 ，带断裂等。非损伤性失效v零件未发生实质性的损坏，只是暂时失 去了效能。如螺纹松动，带打滑、链传动脱链等。 对工作条件、安装方式进行适当的调整，零件仍能 正常的工作。整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零 件的强度极限而导致的
5、断裂，或在变应力作用下，危险截面发生 的疲劳断裂。齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂2-2 机械零件的基本失效形式整体失效分类2：整体失效和表面失效当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形 。齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形过大的残余变形零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。齿面接触疲劳轴瓦磨损表面失效v发生于表面的失效。如磨损、点蚀 ，表面压溃等。破坏正常工作条件引起的失效有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。高速转动的零件，只有在转速与转动
6、件系统的固有频率避开一个适当 的间隔才能正常工作。零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境、载荷性 质等很多因素有关。有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、 腐蚀等因素引起。设计的方法 ：经验设计理论设计模型实验设计2-3 机械零件设计的一般方法和步骤（1）设计计算： （2）校核计算：ASF limA截面积 S安全系数 F载荷 lim 极限应力 =F A F lim SA一、机械零件的设计方法Sca安全系数计算值经验设计根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验 公式和数据，或用类比的方法所进行的设计，称为经验设计 。经验设计对那些使用要求变动不大而结构形状已典
7、型化的 零件 (如箱体、机架等)，是很有效的设计方法。 模型实验设计对于一些尺寸很大、结构复杂、工况条件特殊而又难以 进行理论计算的重要零部件 ( 如一些重型整体机械零件 ) ， 为了提高设计的可靠性，可采用模型实验设计的方法。即把 初步设计的零部件或机器根据相似理论做成小模型或小尺寸 样机，经过实验考核其性能，取得必要的数据，然后根据实 验结果对设计进行逐步的修改，使其达到完善。这样的过程 称为模型实验设计。 根据零件的使用要求选择零件的类型和结构； 根据机器的工作要求，计算作用于零件上的载荷； 分析失效形式，并确定计算准则，通过计算确定零 件的基本尺寸或主要参数； 选择合适材料； 确定零件
8、的主要尺寸； 零件结构细化； 校核计算； 绘出零件的工作图； 标出必要的技术条件，编写说明书。二、 机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤 使用要求选择零件类型计算作用载荷选择材料失效分析计算准则工作能力计算几何尺寸计算结构设计技术文件工作图说明书学习各类零件应 该注意的问题：实体结构；工作特点；主要参数；失效方式；失效原因；避免失效的方法 （措施）。所有的零件都必须满足强度要求，所以强度准则是设计机械零件时最基本的准则。机械零件的确定分为静应力强度和 变应力强度(疲劳强度)。机械零件在整个寿命工作周期内所受应力次数小于103次，可按静强度进行设计计算，否则应按疲劳强度进行计算。 2-4
9、 机械零件的疲劳强度疲劳破坏机械零件在循环应力作用下。即使循环应力的max b ，而 应力的每次循环也仍然会对零件造成轻微的损伤。随应力循环次数 的增加，当损伤累积到一定程度时，在零件的表面或内部将出现（ 萌生）裂纹。之后，裂纹又逐渐扩展直到发生完全断裂。这种缓慢 形成的破坏称为 “疲劳破坏”。 “疲劳破坏”。是循环应力作用下零件的主要失效形 式。 2-4 机械零件的疲劳强度以折弯程度不一样来控 制其所受应力大小，分 别记录从开始到折断所 需的循环次数脆性断裂区疲劳区疲劳源疲劳纹疲劳破坏的特点 a) 疲劳断裂时：受到的max低于b，甚至低于s 。 b) 断口通常没有显著的塑性变形。不论是脆性材
10、料，还是塑 性材料，均表现为脆性断裂。更具突然性，更危险。c）疲劳破坏是一个损伤累积的过程，需要时间。寿命可计算 。 d) 疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆性断裂区。 两个概念：2）疲劳寿命N： 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。 不同或 N 不同时，疲劳极限 rN 则不同。在疲劳强度计算中，取 lim rN 。1）材料的疲劳极限rN ： 在应力比为 的循环应力作用下 ，应力循环 N 次后，材料不发生疲劳破坏时所能承受的最 大应力max(max) 。（变应力的大小可按其最大应力进行比 较） 机械零件疲劳强度的两种计算方法允许零件存在裂纹并缓慢扩展，但须保证在规定的 工作周期内，仍能安全可靠地工
11、作。可按疲劳裂纹寿命 计算。1、安全寿命设计 在规定的工作时间内，不允许零件出现疲劳裂纹， 一旦出现即为失效。可按N曲线进行有限寿命和疲 劳寿命疲劳计算，这也是本章介绍的计算方法。2、破坏安全设计一、交变应力的描述m 平均应力； a 应力幅值； max 最大应力； min 最小应力； r 应力比（循环特性）描述规律性的交变应力可有5个参数，但其中只有两个参数是独立的。变应力参数变应力参数下图给出了一般情况下稳定循环变应力谱的应力变化规律。稳定循环变应力上图给出了一般情况下稳定循环变应力谱的应力变化 规律。零件受周期性的最大 应力max及最小应力min作用 ，其应力幅为a，平均应力为m，它们之间
12、的关系为a0tmaxmmina0tmaxmmin规定：1、a总为正值；2、a的符号要与m的符号保持一致。r循环特性，-1 r +1。由此可知，一种变应力的状况，一般地可由max、min 、m、a及r五个参数中的任意两个来确定。a0tmaxmmina0tmaxmmin稳定循环变应力几种特殊的变应力0tm静应力 max=min=m a=0 r = +10tmaxmin对称循环变应力 max=min=a m=0 r = -10tmax mmin脉动循环变应力 min=0 a=m=max/2 r=0不属于上述三类的应力称为非对称循环应力，其r在+1与-1之间， 它可看作是由第一类（静应力）和第二类（对
13、称循环应力）叠加而成。静应力对称循环 变应力脉动循环 变应力【例】 已知：max=200N/mm2，r =0.5，求：min、a、m。a0tmax m min20050-100解：【例】 已知：a= 80N/mm2，m=40N/mm2求：max、min、r、绘图。a0tmaxmmin40-40-120解：【例】已知：A截面产生max=400N/mm2，min=100N/mm2求：a、m，r。FaFaFr aAFrMb弯曲应力a0tm100-150-4000ta0t m= 稳定循环变应力R=1对称循环R=1静应力解：【例】 如图示旋转轴，求截面A上max、min、a、m及r 。Pr=6000AP
14、x=3000Nd=50150l=300b弯曲应力解：Pr A：对称循环变应力Px A：静压力=0tbPr（对称循环）0 tcPx（静应力）a 0tm34.472-3636-1.528-37.528合成后（稳定循环变应力）机械零件的疲劳强度计算（练习）一、选择题 1、下列四种叙述中 是正确的。 (1)变应力只能由变载荷产生； (2) 静载荷不能产生变应力； (3) 变应力是由静载荷产生； (4) 变应力是由变载荷产生， 也可能由静载荷产生。 2、 发动机连杆横截面上的应力变化规律如图所示，则该变应 力的应力比r为 。 （1）0.24；（2）-0.24；（3）-4.17；（4）4.17。42t31
15、.2N/mm2-130N/mm203、发动机连杆横截面上的应力变化规律如题3图所示，则其应力幅a和 平均应力m分别为 。(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。4、 变应力特性max、min、m、a及r等五个参数中的任意 来描述 。（1）一个；（2）两个；（3）三个；（4）四个。5、机械零件的强度条件可以写成 。（1） ， 或 ，（2） ， 或 ，（3） ， 或 ，（4） ， 或 ，2236、一直径d=18mm的等截面直杆， 杆长为800mm，受 静拉力F=36kN，杆材料的屈服点s=270Mpa， 取许用 安
