机械零件设计基础

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1、第十章机械零件设计基础§10-1机械设计中的强度、许用应力和安全系数§10-2机械设计中的摩擦、磨损和润滑§10-3机械设计中的基本要求和一般程序§10-4机械零件的工作能力和计算准则§10-1机械设计中的强度、许用应力和安全系数一、机械设计中的载荷和应力一）载荷和应力的类型（一）载荷静载荷—大小和方向均不随时间变化的载荷变载荷—大小或方向随时间变化的载荷静应力—大小和方向均不随时间变化（或变化极缓慢）的应力变应力—大小和方向，或大小或方向随时变化的应力（二）应力机械设计应满足的要求很多，但强度要求是所有零件都必须满足

2、的首要条件，而强度计算必需确定作用于零件上的载荷和应力。载荷指的是使结构或构件产生内力和变形的外力及其他因素。工作载荷机器正常工作时所承受的实际载荷（实测载荷谱）考虑各种附加载荷的影响K——载荷系数计算载荷名义载荷按原动机功率求得的载荷P——功率n——机器转速静应力应力不随时间而变化{稳定循环T、平均应力、应力幅等不随时间变化不稳定循环T、平均应力、应力幅等变化有规律变应力应力随时间而变化随机σ、τ变化无规律本课程仅讨论循环变应力载荷应力(考虑内部和外部附加动载荷而引入的系数）2．变应力参数及典型变应力1）稳定变应力参

3、数：最大应力：σmax最小应力：σmin应力循环特征：用来表示应力的变化情况γ=σmin/σmax2）典型变应力及应力循环特征γ平均应力：应力幅：σmaxσmσminσaσatσ应力类型a）静应力：γ=+1变应力特例b）非对称循环变应力γ在（+1～-1）间变化σmaxσmσminσaσatσσtσ=常数c）对称循环变应力γ=-1σtσaσmaxσmind）脉动循环变应力γ=0σtσaσaσmaxσm一）载荷和应力的类型二、机械零件的失效形式及强度条件式静应力作用下——过载断裂、塑性变形二）零件强度条件式：σ≤[σ]=σ

4、lim/S材料的极限应力安全系数脆性材料制造的零件：σlim=σb塑性材料制造的零件：σlim=σS1．静应力作用下零件极限应力2．变应力作用下零件极限应力——σlim=σγN疲劳极限一）零件的失效形式变应力作用下——疲劳破坏约占零件损坏事故中的80%。3.安全系数——S的取值对零件的结构尺寸、工作可靠性均有影响，设计时应根据零件的重要性、零件材料的质量、栽荷计算准确性等方面，合理选取，具体数值可参考设计资料。材料的许用应力(1)零件损坏机理静应力作用下：危险剖面塑性变形或断裂变应力作用下：疲劳断裂零件表面应力超过极限

5、值微裂纹扩展断裂(2)极限应力静应力极限应力：与材料性能有关变应力疲劳极限：与材料有关外，还与循环特征r应力循环次数N有关应力集中、绝对尺寸、表面状态三)零件疲劳损坏机理由于80%的零件产生疲劳破坏，所以先讨论零件疲劳损伤机理三．机械零件材料的疲劳极限描述应力循环次数N和疲劳极限σγN间关系的曲线，其横坐标为应力循环次数N，纵坐标为疲劳极限σγN疲劳曲线无限寿命区σγ有限寿命区N0σγN1N1σγN2N2σγNNN0σγ一）σγ—N疲劳曲线（等应力循环特征γ的不等寿命N曲线）DD点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿

6、命区，其方程为：由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数N0(称为循环基数)，用N0及其相对应的疲劳极限σr来近似代表ND和σr∞，于是有：机械零件的疲劳大多发生在s－N曲线D点以前，可用下式描述：有限寿命区间内循环次数N与疲劳极限σrN的关系为：式中，σr、N0及m的值由材料试验确定。N—应力循环次数N=60nthɑ每转受载次数使用寿命（h）转速（r/min）用疲劳曲线求取疲劳极限σγN的方法无限寿命区（N≥N0）疲劳极限：σγN=σγ，kN=1kN—寿命系数有限寿命区（N＜N0)疲劳极限:二）极限应力线

7、图（等寿命疲劳曲线）机械零件材料的疲劳特性除用σ－N曲线表示外，还可用等寿命曲线来描述。该曲线表达了不同应力比时疲劳极限的特性。在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。用A'Ｇ'C折线表示零件材料的极限应力线图是其中一种近似方法。A'Ｇ'直线的方程为：CＧ'直线的方程为：ψσ为试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定：对于碳钢，ψσ≈0.1~0.2，对于合金钢，ψσ≈0.2~0.3。极限应力线图材料的疲劳特性不同应力循环特征r时的疲劳极限材料的极限应力简图已知材料的机械性能可作简图折线ADG上任一点，

8、表示在不同r时的疲劳极限对于n点(工作应力为和)应力循环特征：对应的疲劳极限：等效系数零件的极限应力图还应考虑应力集中、绝对尺寸、表面状态的影响应力集中：零件剖面几何形状突变处疲劳极限降低用有效应力集中系数来考虑绝对尺寸：剖面绝对尺寸大、出现缺陷概率大、疲劳极限降低用绝对尺寸系数来考虑表面状态：表面光滑或强化处理、能提高疲劳极限用