機械設(shè)計基礎(chǔ)之機械設(shè)計-第章機械零件設(shè)計計算基礎(chǔ)

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(shè)計計算基礎(chǔ)北京航空航天大學機械工程及自動化學院劉繼紅ryukeiko@.c驟1：繪制運動簡圖步驟2：繪制結(jié)構(gòu)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(shè)計計算步驟8：進行結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟9：進行校核驗算機械零件設(shè)計的一般步驟北京航空航天大學機械工程及自動化學院劉繼紅ryukeiko@.c驟1：繪制運動簡圖步驟2：繪制結(jié)構(gòu)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(shè)計計算步驟8：進行結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟9：進行校核驗算機械零件設(shè)計的一般步驟北京航空航天大學機械工程及自動化學院劉繼紅ryukeiko@.c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(zhì)，如平穩(wěn)、沖擊北京航空航天大學機械工程及自動化學院劉繼紅ryukeiko@.c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、齒輪受力北京航空航天大學機械工程及自動化學院劉繼紅ryukeiko@.c力（τ）單位面積上的內(nèi)力拉伸應力、壓縮應力、剪切應力F北京航空航天大學機械工程及自動化學院劉繼紅ryukeiko@.cstssminsmaxsm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)定變應力北京航空航天大學機械工程及自動化學院劉繼紅ryukeiko@.c題：靜變載荷與靜變應力的關(guān)系？名義應力？計算應力？北京航空航天大學機械工程及自動化學院劉繼紅ryukeiko@.c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)？北京航空航天大學機械工程及自動化學院劉繼紅ryukeiko@.c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(guān)－脆性材料取強度極限應力σB－塑性材料取屈服極限應力σS北京航空航天大學機械工程及自動化學院劉繼紅ryukeiko@.c料的的極限限應力力（2）變應力力下的極極限應應力依依據(jù)防防疲勞勞斷裂裂準則則確定定，取取疲勞勞極限限應力力（材材料經(jīng)經(jīng)過N0次應力力循環(huán)環(huán)不發(fā)發(fā)生破破壞的的最大大應力力）σr，該值值可從從有關(guān)關(guān)手冊冊查取取。有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)北京航航空航航天大大學機機械工工程及及自動動化學學院劉劉繼紅紅ryukeiko@.c用應應力：：設(shè)計零零件時時所依依據(jù)的的條件件應力力許用安安全系系數(shù)：：考慮計計算精精度、、材料料均勻勻度和和零件重重要度度等因因素，，查表表而得得。許用安安全系系數(shù)↑→許許用應應力↓↓→結(jié)結(jié)構(gòu)笨笨重許用安安全系系數(shù)↓→許許用應應力↑↑→不夠安安全許用應應力與與許用用安全全系數(shù)數(shù)許用應力極限應力許用安全系數(shù)[][]北京航航空航航天大大學機機械工工程及及自動動化學學院劉劉繼紅紅ryukeiko@.c驟1：繪繪制運運動簡簡圖步驟2：繪繪制結(jié)結(jié)構(gòu)簡簡圖步驟3：分分析載載荷應應力步驟4：選選擇零零件材材料步驟5：分分析失失效形形式步驟6：確確定工工作準準則步驟7：進進行設(shè)設(shè)計計計算步驟8：進進行結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計步驟9：進進行校校核驗驗算機械零零件設(shè)設(shè)計的的一般般步驟驟北京京航航空空航航天天大大學學機機械械工工程程及及自自動動化化學學院院劉劉繼繼紅紅ryukeiko@.c用用零零件件材材料料的的力力學學性性能能等等級級和和牌牌號號（1））鑄鐵鐵：含含ＣＣ＞＞2.06％％→→易易成成型型、、價價廉廉、、吸吸振振、、可可靠靠性性差差。。如如灰灰鑄鑄鐵鐵、、球球墨墨鑄鑄鐵鐵、、可可鍛鍛鑄鑄鐵鐵（2））鋼：含含ＣＣ量量＜＜1.4％％→→常常用用。。－碳碳素素鋼鋼：普通通碳碳素素鋼鋼、、優(yōu)優(yōu)質(zhì)質(zhì)碳碳素素鋼鋼－合合金金鋼鋼：：綜綜合合機機械械性性能能好好，，但但較較貴貴－鑄鑄鋼鋼：：含ＣＣ（（0.15～～0.6））％％→→易易成成型型（3））有色色金金屬屬合合金金：有有特特殊殊性性能能，，價價昂昂→→少少用用。。如如鋁鋁合合金金、、銅銅合合金金（（黃黃銅銅、、青青銅銅））、、軸軸承承合合金金（4））非金金屬屬材材料料：如如工工程程塑塑料料、、橡橡膠膠、、玻玻璃璃等等燒燒結(jié)結(jié)材材料料、、復復合合材材料料……常用用材材料料北京京航航空空航航天天大大學學機機械械工工程程及及自自動動化化學學院院劉劉繼繼紅紅ryukeiko@.c料料選選用用原原則則使用用要要求求使用用環(huán)環(huán)境境、、載載荷荷性性質(zhì)質(zhì)、、結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)、、重重要要程程度度...工藝藝要要求求零件件及及其其毛毛坯坯的的形形狀狀、、批批量量、、加加工工方方法法...經(jīng)濟濟要要求求材料料價價格格結(jié)結(jié)合合加加工工費費用用、、材材料料利利用用率率...北京京航航空空航航天天大大學學機機械械工工程程及及自自動動化化學學院院劉劉繼繼紅紅ryukeiko@.c驟驟1：：繪繪制制運運動動簡簡圖圖步驟驟2：：繪繪制制結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)簡簡圖圖步驟驟3：：分分析析載載荷荷應應力力步驟驟4：：選選擇擇零零件件材材料料步驟5：分析失失效形式步驟6：確確定工作準準則步驟7：進進行設(shè)計計計算步驟8：進進行結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計步驟9：進進行校核驗驗算機械零件設(shè)設(shè)計的一般般步驟北京航空航航天大學機機械工程及及自動化學學院劉劉繼紅ryukeiko@.c可能的失失效形式：：斷裂、塑性性變形、過過大彈性變變形、共振振Fn零件失效形形式失效零件喪失工工作能力或或達不到設(shè)設(shè)計要求的的性能，不不僅僅指破破壞主要失效形形式斷裂：如軸、齒齒輪輪齒發(fā)發(fā)生斷裂表面點蝕：工作表面面片狀剝落落塑性變形：零件發(fā)生生永久性變變形過大彈性變變形表面破壞過大振動和和噪聲、過過熱等北京航空航航天大學機機械工程及及自動化學學院劉劉繼紅ryukeiko@.c驟1：繪制運運動簡圖步驟2：繪繪制結(jié)構(gòu)簡簡圖步驟3：分分析載荷應應力步驟4：選選擇零件材材料步驟5：分分析失效形形式步驟6：確確定工作準準則步驟7：進進行設(shè)計計計算步驟8：進進行結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計步驟9：進進行校核驗驗算機械零件設(shè)設(shè)計的一般般步驟北京航空航航天大學機機械工程及及自動化學學院劉劉繼紅ryukeiko@1352204602250kN零件工作能能力準則工作能力不失效條件件下零件的的安全工作作限度。該該限度通常常以零件承承受載荷的的大小來表表示，又常常稱為“承承載能力””。如：吊吊鉤最大起起重量50kN，，其工作能能力或承載載能力為50kN工作能力準準則衡量零件工工作能力的的指標。零零件設(shè)計就就是針對零零件主要失失效形式選選擇適合的的工作能力力準則進行行設(shè)計。主主要包括強強度準則、、剛度準則則、耐磨性性準則、振振動穩(wěn)定性性準則、耐耐熱性準則則北京航空航航天大學機機械工程及及自動化學學院劉劉繼紅ryukeiko@.c度準則剛度準則耐磨性準則則選擇工作準準則主要失效形形式與工作作準則的對對應斷裂：如軸、齒齒輪輪齒發(fā)發(fā)生斷裂表面點蝕：工作表面面片狀剝落落塑性變形：零件發(fā)生生永久性變變形過大彈性變變形表面破壞過大振動和和噪聲、過過熱等振動穩(wěn)定性性準則北京航空航航天大學機機械工程及及自動化學學院劉劉繼紅ryukeiko@.c驟1：繪制運運動簡圖步驟2：繪繪制結(jié)構(gòu)簡簡圖步驟3：分分析載荷應應力步驟4：選選擇零件材材料步驟5：分分析失效形形式步驟6：確確定工作準準則步驟7：進進行設(shè)計計計算步驟8：進進行結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟9：進進行校核驗算機械零件設(shè)設(shè)計的一般般步驟北京航空航航天大學機機械工程及及自動化學學院劉劉繼紅ryukeiko@.c度計算強度：材料抵抗斷斷裂或殘余余變形的能能力強度準則：：工作應力≤≤許用應力力σ≤[σσ]或ττ≤[τ]失效形式：：斷裂、疲勞勞破壞、殘殘余變形典型零件：：軸、齒輪、、帶輪等等正應力：剪應力：機械零件工工作能力的的最基本準準則北京航空航航天大學機機械工程及及自動化學學院劉劉繼紅ryukeiko@.c應力狀態(tài)態(tài)下的強度度計算塑性材料零零件[]=s[S][]=

s[S]脆性或低塑塑性材料零零件[]=B[S][]=

B[S]防止塑性變變形防止斷裂北京航空航航天大學機機械工程及及自動化學學院劉劉繼紅ryukeiko@.c應力狀態(tài)態(tài)下的強度度計算（1）疲勞破壞機機理：零件產(chǎn)生微微觀裂紋；；發(fā)展成宏宏觀裂紋；；宏觀裂紋紋急劇擴展展；到達材材料極限強強度時發(fā)生生斷裂影響零件疲疲勞強度因因素材料極限應應力應力集中尺寸效應表面狀態(tài)疲勞失效：：大多數(shù)機械械零件工作作時受變應應力作用。。即使應力力值小于材材料的屈服服強度，也也會在經(jīng)受受一定應力力循環(huán)周期期后突然斷斷裂，而且且斷裂時沒沒有明顯的的宏觀塑性性變形，這這種破壞形形式稱為疲疲勞失效北京航空航航天大學機機械工程及及自動化學學院劉劉繼紅ryukeiko@.c應力狀態(tài)態(tài)下的強度度計算（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)環(huán)N次后，，材料不發(fā)發(fā)生疲勞破破壞時的最最大應力，，稱為疲勞勞極限。KN：壽命系數(shù)數(shù)N0:循環(huán)環(huán)基數(shù)m：材料與與應力指數(shù)數(shù)疲勞曲線（（－N曲線線）rNmN=rmN0=C北京航空航航天大學機機械工程及及自動化學學院劉劉繼紅ryukeiko@.c應力狀態(tài)態(tài)下的強度度計算（3）lgNlgrNO103(104)N0rAB低周循環(huán)高周循環(huán)有限壽命區(qū)區(qū)無限壽命區(qū)區(qū)循環(huán)基數(shù)(107)疲勞曲線一一般是在對對稱循環(huán)變變應力條件件下的實驗驗結(jié)果北京航空航航天大學機機械工程及及自動化學學院劉劉繼紅ryukeiko@.c應力狀態(tài)態(tài)下的強度度計算（4）相同循環(huán)次次數(shù)（通常常取N0）和不同循循環(huán)特性r下，材料料有不同的的疲勞極限限，可從材材料疲勞極極限應力圖圖求得。amF(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北京航空航航天大學機機械工程及及自動化學學院劉劉繼紅ryukeiko@.c應力狀態(tài)態(tài)下的強度度計算（5）amS(s,0)AamS(s,0)AamS(s,0)Alim=2-1K(1-r)+(1+r)許用疲勞極極限曲線許用疲勞極極限曲線許用疲勞極極限曲線簡化疲勞曲曲線簡化疲勞曲曲線簡化疲勞曲曲線m1minK：疲勞強度度綜合影響響系數(shù)北京航空航航天大學機機械工程及及自動化學學院劉劉繼紅ryukeiko@.c應力狀態(tài)態(tài)下的強度度計算（6）max[]=lim[S]a[a]=lim-a[S]疲勞強度準準則：北京航空航航天大學機機械工程及及自動化學學院劉劉繼紅ryukeiko@.c面強度計計算表面接觸強強度表面擠壓強強度表面磨損強強度齒輪傳動動、蝸桿桿傳動以以及滾動動軸承等等依靠表表面接觸觸工作的的零件，，受到法法向載荷荷時，其其工作能能力取決決于接觸觸表面的的強度北京航空空航天大大學機械械工程及及自動化化學院劉劉繼繼紅ryukeiko@.c面接觸觸強度北京航空空航天大大學機械械工程及及自動化化學院劉劉繼繼紅ryukeiko@.c茲公式式接觸應力力的計算算公式影響接觸觸應力的的因素：：曲率半徑徑材料接觸線長長度Fac：：法向載載荷；L：接觸觸長度；；疲勞強度度準則：：H[H]北京航空空航天大大學機械械工程及及自動化化學院劉劉繼繼紅ryukeiko@.c磨性準準則耐磨性：：零件抗抗磨損的的能力。。磨損是是相當復復雜的物物理化學學過程。。影響磨磨損的因因素包括括載荷的的大小和和性質(zhì)、、滑動速速度、潤潤滑劑的的化學性性質(zhì)和物物理性質(zhì)質(zhì)等。磨磨粒磨損損、粘著著磨損、、疲勞磨磨損、腐腐蝕磨損損