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1、绪论绪论2. 强度和刚度设计基础强度和刚度设计基础o强度强度零件工作过程中抵抗零件工作过程中抵抗断裂断裂和和塑性变形塑性变形的能力的能力o刚度刚度零件在载荷下抵抗零件在载荷下抵抗弹性变形弹性变形的能力的能力*零件的强度与零件的强度与载荷、材料、几何因素、精度载荷、材料、几何因素、精度和和表面粗糙度表面粗糙度以及以及使用工况使用工况等有关，根据强度理等有关，根据强度理论分析这些因素之间的关系，即为论分析这些因素之间的关系，即为强度分析强度分析o保证零件在要求的工作条件下，满足强度的保证零件在要求的工作条件下，满足强度的要求要求强度设计强度设计强度条件强度条件（强度准则）（强度准则）1.最大应力是
2、否小于（等于）许用应力最大应力是否小于（等于）许用应力2.实际安全系数是否大于（等于）许用安全系数实际安全系数是否大于（等于）许用安全系数零件危险截面零件危险截面处的最大应力处的最大应力许用应力许用应力零件危险截面零件危险截面处的安全系数处的安全系数许用安全系数许用安全系数强度理论强度理论o人们根据对材料破坏现象的分析提出各种假人们根据对材料破坏现象的分析提出各种假说，认为材料的某一类型的破坏是由某种因说，认为材料的某一类型的破坏是由某种因素所引起的，这种假说素所引起的，这种假说强度理论强度理论。o第一类强度理论第一类强度理论以脆断为破坏标志以脆断为破坏标志o第二类强度理论第二类强度理论以出现
3、屈服强度或发生以出现屈服强度或发生显著的塑性变形为破坏标志显著的塑性变形为破坏标志o第三强度理论第三强度理论最大剪应力理论最大剪应力理论o第四强度理论第四强度理论形状改变比能理论形状改变比能理论 强度计算方法强度计算方法1. 强度校核计算强度校核计算 所有结构、尺寸确定的情况下，校核。所有结构、尺寸确定的情况下，校核。 （利用强度条件来校核零件是否满足强度要求）2. 强度设计计算强度设计计算 通过强度设计公式，确定几何参数通过强度设计公式，确定几何参数 （求出零件在满足强度要求时应有的几何尺寸）（求出零件在满足强度要求时应有的几何尺寸） 保证机器在保证机器在使用寿命期使用寿命期内满足内满足工作
4、要求工作要求机械设计目的机械设计目的零件承担外载荷零件承担外载荷负载负载零件的应力零件的应力 许用的应力许用的应力许用的应力许用的应力试验方法获得试验方法获得试验试验试件试件 查手册，产品样本查手册，产品样本 零件零件 亲自设计、做实验亲自设计、做实验断裂、塑性变形、弹性变形断裂、塑性变形、弹性变形失失效效不失效不失效强度和刚度设计基础强度和刚度设计基础o1.零件的失效零件的失效o2.机械零件设计应满足的一般要求机械零件设计应满足的一般要求o3.零件的载荷、应力、强度零件的载荷、应力、强度o4.静应力状态下的强度计算静应力状态下的强度计算 4.1 材料的力学性能材料的力学性能 4.2 静强度计
5、算静强度计算o5. 变应力状态下的强度计算变应力状态下的强度计算 5.1 疲劳极限疲劳极限 5.2 疲劳强度计算疲劳强度计算 o6. 表面强度计算表面强度计算o7. 刚度和振动计算刚度和振动计算 1. 零件的零件的失效失效o机械零件的失效（定义）机械零件的失效（定义）o实例实例o失效的分类失效的分类机械零件的失效机械零件的失效o承载能力不足承载能力不足o刚度不足刚度不足o寿命不够寿命不够o温度过高温度过高o机器不能达到正常工作机器不能达到正常工作要求和使用寿命要求和使用寿命传递动力、速度的承载零件传递动力、速度的承载零件机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式 o断裂断裂 整体断裂整体断裂
6、 局部断裂局部断裂o表面破坏表面破坏o变形过大变形过大o振动过大振动过大o温升过高温升过高1-1 断裂断裂零件在受拉、压、弯、剪、扭等外载荷作用时，零件在受拉、压、弯、剪、扭等外载荷作用时，由于某一由于某一危险截面危险截面上的应力超过零件的强度上的应力超过零件的强度极限而发生的断裂极限而发生的断裂断裂的形式断裂的形式 螺栓的断裂、齿轮轮齿根部的折断等螺栓的断裂、齿轮轮齿根部的折断等过载断裂（脆性断裂）过载断裂（脆性断裂）疲劳断裂疲劳断裂 整体断裂整体断裂局部断裂局部断裂零件的应力零件的应力 许用的应力许用的应力轧轧机机辊辊轴轴断断裂裂传动轴花键断裂传动轴花键断裂 传动轴花键断裂传动轴花键断裂
7、齿轮轮齿断裂齿轮轮齿断裂轮轮齿齿根根部部实实例例严重过载严重过载 由于一个轴承失效导致啮合轮由于一个轴承失效导致啮合轮齿间载荷分配发生剧烈改变齿间载荷分配发生剧烈改变 端部或接近齿端的部分被剪掉端部或接近齿端的部分被剪掉 脆性断裂脆性断裂 大齿轮严重胶合后热变断裂大齿轮严重胶合后热变断裂 软钢小齿轮轮齿冷塑变后断裂软钢小齿轮轮齿冷塑变后断裂 疲劳折断疲劳折断疲劳折断疲劳折断 断裂失效断裂失效 疲劳断裂疲劳断裂1-2 零件的表面破坏零件的表面破坏 o点蚀点蚀:（接触疲劳）（接触疲劳）零件表面的零件表面的接触疲劳接触疲劳是受到接触变应是受到接触变应力长期作用的表面力长期作用的表面产生裂纹产生裂纹或
8、或微粒剥落微粒剥落的现象。在接触的现象。在接触变应力条件下工作的零件表面将有可能发生变应力条件下工作的零件表面将有可能发生接触疲劳接触疲劳 o磨损：磨损：两个接触表面在作相对运动的过程中两个接触表面在作相对运动的过程中表面物质丧表面物质丧失失或或转移转移的现象。所有作相对运动的零件接触表面都有的现象。所有作相对运动的零件接触表面都有可能发生可能发生磨损磨损；o腐蚀腐蚀：发生在金属表面的一种：发生在金属表面的一种电化学电化学或或化学侵蚀化学侵蚀现象。现象。腐蚀的结果是使金属表面产生腐蚀的结果是使金属表面产生锈蚀锈蚀，从而零件表面遭到，从而零件表面遭到破坏。对于承受变应力的零件，还要引起腐蚀疲劳。
9、处破坏。对于承受变应力的零件，还要引起腐蚀疲劳。处于潮湿空气中或与水、汽及其它腐蚀性介质相接触的金于潮湿空气中或与水、汽及其它腐蚀性介质相接触的金属零件均有可能发生属零件均有可能发生腐蚀现象腐蚀现象；o胶合胶合o塑性变形塑性变形 点蚀点蚀早早期期点点蚀蚀破破坏坏性性点点蚀蚀 （表面（表面 精度，噪声）精度，噪声）齿齿轮轮轮轮齿齿的的疲疲劳劳点点蚀蚀初期点蚀初期点蚀 扩展性点蚀扩展性点蚀 滚滚动动轴轴承承滚滚道道的的疲疲劳劳点点蚀蚀 齿面磨损齿面磨损磨粒磨损磨粒磨损表面塑性变形表面塑性变形脆性剥落脆性剥落粘着磨损粘着磨损氧化磨损氧化磨损化学腐蚀磨损化学腐蚀磨损滚滚动动轴轴承承外外圈圈滚滚道道的的
10、磨磨损损磨损失效磨损失效 胶合胶合弧齿锥齿轮轮齿上的严重胶合。有时这种损伤引起工作温度升高弧齿锥齿轮轮齿上的严重胶合。有时这种损伤引起工作温度升高在低速、脂润滑条件下运转在低速、脂润滑条件下运转的小齿轮轮齿上的严重胶合的小齿轮轮齿上的严重胶合这类损伤通常称为这类损伤通常称为“冷胶合冷胶合” 腐蚀腐蚀 塑性变形塑性变形 1-3 其它其它o弹性变形过大，工作精度不够弹性变形过大，工作精度不够o振动，噪声过大，共振振动，噪声过大，共振o温升过高温升过高 失效的分类失效的分类o整体失效整体失效-体积强度（强度）体积强度（强度）o表面失效表面失效-表面强度表面强度o静应力失效静应力失效-静强度静强度o变
11、应力失效变应力失效-疲劳强度疲劳强度o弹性变形弹性变形-刚度刚度o振动振动-振动稳定性振动稳定性保证零件（设计寿命期内）不失效保证零件（设计寿命期内）不失效 机械设计的基本要求之一机械设计的基本要求之一2.机械零件设计应满足的一般要求机械零件设计应满足的一般要求零件在工作中受力零件在工作中受力传递载荷传递载荷零件材料内部零件材料内部零件的应力超过许用应力零件的应力超过许用应力应力应力零件的变形超过允许变形零件的变形超过允许变形断裂断裂（静）（静）零件的寿命小于要求寿命零件的寿命小于要求寿命精度精度噪声噪声断裂（疲劳断裂（疲劳)表面损伤表面损伤静强度静强度刚度刚度振动稳定性振动稳定性疲劳强度疲劳
12、强度失失效效机械零件的设计应满足的一般要求机械零件的设计应满足的一般要求o强度强度 静强度静强度o 动强度（疲劳强度）动强度（疲劳强度）o 表面强度表面强度o刚度刚度o振动稳定性振动稳定性o温度温度零件的应力零件的应力 许用的应力许用的应力3. 零件的载荷、应力、强度零件的载荷、应力、强度 载荷载荷 应力应力 强度强度 载荷载荷静载荷静载荷变载荷变载荷-变应力变应力静应力静应力变应力变应力疲劳强度疲劳强度静强度静强度疲劳强度疲劳强度实例机械零件在工作中要承担机械零件在工作中要承担 载荷载荷o静载荷静载荷不随时间变化或变化缓慢的载荷不随时间变化或变化缓慢的载荷o变载荷变载荷 随时间作周期性变化或
13、非周期性随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷变化的载荷举例举例F不变不变轴不转轴不转静载荷、静强度静载荷、静强度轴转轴转动载荷、疲劳强度动载荷、疲劳强度短时过载折断（塑性变形），长时间工作疲劳折断，短时过载折断（塑性变形），长时间工作疲劳折断，轴颈磨损，轴承点蚀。轴颈磨损，轴承点蚀。注意：静载荷可以产生变应力注意：静载荷可以产生变应力计算载荷计算载荷名义载荷名义载荷冲击冲击振动振动误差误差名义载荷名义载荷和和计算载荷计算载荷零件的应力零件的应力o按变形：拉应力、压应力、剪切应力按变形：拉应力、压应力、剪切应力o随时间：随时间：n静应力静应力n变应力：变应力：稳定变应力稳定变应力的五个参数的五
14、个参数 不稳定变应力不稳定变应力 有规律有规律 随机随机稳定变应力稳定变应力静应力静应力不稳定变应力不稳定变应力规律性不稳定变应力规律性不稳定变应力随机变应力随机变应力疲劳损伤累积假说定理疲劳损伤累积假说定理统计疲劳强度统计疲劳强度注意注意注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生变载荷产生，也可能由静载荷产生稳定变应力的稳定变应力的5个参数（个参数（2个独立）个独立）o最大应力最大应力o最小应力最小应力o平均应力平均应力o应力幅应力幅o应力循环特性应力循环特性4. 静应力状态下的强度计算静应力状态下的强度计算塑性材料
15、的拉伸曲线塑性材料的拉伸曲线塑性材料的压缩曲线塑性材料的压缩曲线屈服极限屈服极限抗拉极限抗拉极限弹性模量弹性模量4.1 材料的静力学性能材料的静力学性能4.2 静强度计算静强度计算o塑性材料零件塑性材料零件n受双向复合应力（第三、第四强度理论）受双向复合应力（第三、第四强度理论）塑性变形塑性变形屈服极限屈服极限o脆性材料和低塑性材料脆性材料和低塑性材料静强度静强度抗拉极限抗拉极限5. 变应力状态下的强度计算变应力状态下的强度计算o1. o2. 等寿命曲线，极限应力线图等寿命曲线，极限应力线图5.1 疲劳特性曲线疲劳特性曲线循环基数循环基数疲劳极限疲劳极限有色有色金属金属r 一定时一定时1.疲劳
16、曲线：疲劳曲线：循环次数循环次数N与疲劳极限的关系与疲劳极限的关系疲劳极限：疲劳极限：循循环特性环特性r一定，一定，应力循环应力循环N次次后，材料不发后，材料不发生疲劳破坏时生疲劳破坏时的最大应力。的最大应力。试验测定的试验测定的材料的疲劳曲线材料的疲劳曲线线性坐标线性坐标对数坐标对数坐标（图（图0-7）o有限寿命区有限寿命区n低周循环疲劳低周循环疲劳n高周循环疲劳高周循环疲劳o无限寿命区无限寿命区按静强度计算按静强度计算有限寿命区有限寿命区 疲劳曲线方程：疲劳曲线方程：循环次数循环次数N： 指数指数-材料及应力种类材料及应力种类 寿命系数寿命系数循环基数循环基数有限寿命区内，有限寿命区内，N
17、时的疲劳极限时的疲劳极限图图0-8材料的疲劳极限应力图材料的疲劳极限应力图（图（图0-9）等寿命疲劳曲线（极限应力线图）等寿命疲劳曲线（极限应力线图）2N一定时一定时BFC折线以内为折线以内为疲劳和塑性安全区疲劳和塑性安全区，折线以外为，折线以外为疲劳和塑性失效疲劳和塑性失效区区，工作应力点离折线越远，安全程度愈高。，工作应力点离折线越远，安全程度愈高。材料的简化极限材料的简化极限应力线图，可根应力线图，可根据材料的据材料的 三个三个试验数据试验数据 和和 而作出而作出简化极限应力线图简化极限应力线图疲劳和塑性失效区疲劳和塑性失效区疲疲劳劳和和塑塑性性安安全全区区ABESF （图（图0-9）几
18、个特征点：几个特征点：A(对称），对称），B(脉动），脉动），S(静静)塑性材料：塑性材料：AEF简简化为二折线化为二折线AE,ES;AE方程方程SE方程方程试件受循环弯曲应力试件受循环弯曲应力时的材料常数时的材料常数由试验确定由试验确定A、B点坐标点坐标机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算由于由于o零件尺寸零件尺寸o几何形状变化几何形状变化o加工质量加工质量o强化因素强化因素 的影响的影响o零件的疲劳极限零件的疲劳极限小于小于材料试件的疲劳极限材料试件的疲劳极限 零件的极限应力图零件的极限应力图（图（图0-10）o零件的极限应力零件的极限应力n 零件几何、尺寸、加工质量等（综合影响）
19、零件几何、尺寸、加工质量等（综合影响）AESACCBEB疲劳和塑性安全区疲劳和塑性安全区 综合影响系数综合影响系数尺寸效应尺寸效应应力集中应力集中表面状态表面状态表面强化系数表面强化系数表面质量系数表面质量系数附录附录A 表表A-1A-6影响零件疲劳强度的因素影响零件疲劳强度的因素n材料的极限应力：与材料的极限应力：与材料的疲劳极限材料的疲劳极限有关有关n应力集中：加工，应力集中源，应力集中：加工，应力集中源， 应力集中系数应力集中系数n尺寸效应尺寸效应n表面状态表面状态尺寸大尺寸大应力分布不均匀应力分布不均匀几何形状几何形状材料（强度高）材料（强度高）表面粗糙度表面粗糙度表面处理表面处理应应
20、力力集集中中尺尺寸寸效效应应表表面面状状态态光滑光滑 粗糙粗糙 粗糙度粗糙度硬硬 软软 硬度硬度典型的应力变化规律典型的应力变化规律绝大多数转轴绝大多数转轴振动的受载弹簧振动的受载弹簧紧螺栓连接中螺栓受轴向变载荷紧螺栓连接中螺栓受轴向变载荷r=C 常数常数 =C 常数常数5.2 疲劳强度计算疲劳强度计算o疲劳强度条件疲劳强度条件最大应力最大应力应力幅应力幅疲劳强度疲劳强度零件的许用应力、许用安全系数零件的许用应力、许用安全系数o零件的计算应力允许达到的最大值。零件的计算应力允许达到的最大值。表表0-2疲劳强度条件疲劳强度条件o疲劳强度条件疲劳强度条件受单向稳定变应力，受单向稳定变应力，r=常数
21、，常数，6. 表面强度计算表面强度计算o表面接触强度表面接触强度n两圆柱接触（两圆柱接触（HETZ定律）定律）表面强度计算表面强度计算o表面接触强度表面接触强度n两球体接触：两球体接触：表面接触强度条件表面接触强度条件接触疲劳强度接触疲劳强度表面挤压强度、表面磨损强度计算表面挤压强度、表面磨损强度计算o表面挤压强度表面挤压强度o表面磨损强度表面磨损强度挤压强度挤压强度磨损条件性计算磨损条件性计算注意注意: 静应力状态下的强度计算静应力状态下的强度计算变应力状态下的强度计算变应力状态下的强度计算 表面强度计算表面强度计算静强度静强度点蚀（接触疲劳）、挤压点蚀（接触疲劳）、挤压疲劳强度疲劳强度磨损
22、条件性计算磨损条件性计算7. 刚度和振动计算刚度和振动计算刚度计算刚度计算-零件在载荷作用下，抵抗弹性零件在载荷作用下，抵抗弹性变形的能力变形的能力刚度刚度影响刚度的因素影响刚度的因素o材料的弹性模量材料的弹性模量 Eo截面形状截面形状o支撑方式支撑方式o结构形式结构形式o钢钢 铸铁铸铁o青铜青铜 硬铝合金硬铝合金注意注意o钢钢o用高强度的合金钢代替普通碳素钢，对提高零件的用高强度的合金钢代替普通碳素钢，对提高零件的刚度作用不大刚度作用不大振动计算振动计算避免共振避免共振动态特性动态特性减小振动的方法减小振动的方法o结构的振动结构的振动-增加阻尼增加阻尼o转子的振动转子的振动-减轻质量，减轻质量， 动平衡，动平衡， 对称结构对称结构-减小惯性力减小惯性力 刚性轴（低于一阶固有频率）刚性轴（低于一阶固有频率） 柔性轴柔性轴 （高于一阶固有频率、低于二阶固有频率）（高于一阶固有频率、低于二阶固有频率）
