機械設(shè)計基礎(chǔ)之機械設(shè)計-第二章機械零件設(shè)計計算基礎(chǔ)

機械設(shè)計基礎(chǔ)之機械設(shè)計-第二章機械零件設(shè)計計算基礎(chǔ)第二章靜應(yīng)力狀態(tài)下的強度計算變應(yīng)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)步驟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(yīng)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(zhǔn)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)計的一般步驟步驟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(yīng)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(zhǔn)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)計的一般步驟計算載荷=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)、沖擊內(nèi)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、齒輪受力應(yīng)力（τ）單位面積上的內(nèi)力拉伸應(yīng)力、壓縮應(yīng)力、剪切應(yīng)力Ftstssminsmaxsm零件的應(yīng)力作用在零件剖面上的應(yīng)力穩(wěn)定變應(yīng)力靜應(yīng)力不隨時間變化或變化緩慢的應(yīng)力變應(yīng)力隨時間周期性或非周期性變化的應(yīng)力非穩(wěn)定變應(yīng)力問題：靜變載荷與靜變應(yīng)力的關(guān)系？名義應(yīng)力？計算應(yīng)力？穩(wěn)定變應(yīng)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(yīng)力，亦稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力應(yīng)力參數(shù)最大應(yīng)力σmax＝σm+σa最小應(yīng)力σmin＝σm－σa平均應(yīng)力σm＝(σmax+σmin)／2應(yīng)力幅σa＝(σmax－σmin)／2應(yīng)力循環(huán)特性r

=σmin／σmax問題：三種穩(wěn)定變應(yīng)力的參數(shù)？靜應(yīng)力的參數(shù)？材料的極限應(yīng)力（1）sBes玻璃鋼灰口鑄鐵esspsSsBABCDE靜應(yīng)力下的極限應(yīng)力與材料性能有關(guān)－脆性材料取強度極限應(yīng)力σB－塑性材料取屈服極限應(yīng)力σS材料的極限應(yīng)力（2）變應(yīng)力下的極限應(yīng)力依據(jù)防疲勞斷裂準(zhǔn)則確定，取疲勞極限應(yīng)力（材料經(jīng)過N0次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力）σr，該值可從有關(guān)手冊查取。有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)許用應(yīng)力：設(shè)計零件時所依據(jù)的條件應(yīng)力許用安全系數(shù)：考慮計算精度、材料均勻度和零件重要度等因素，查表而得。許用安全系數(shù)↑→許用應(yīng)力↓→結(jié)構(gòu)笨重許用安全系數(shù)↓→許用應(yīng)力↑→不夠安全許用應(yīng)力與許用安全系數(shù)許用應(yīng)力極限應(yīng)力許用安全系數(shù)[][]步驟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(yīng)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(zhǔn)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)計的一般步驟常用零件材料的力學(xué)性能等級和牌號（1）鑄鐵：含Ｃ＞2.06％→易成型、價廉、吸振、可靠性差。如灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵（2）鋼：含Ｃ量＜1.4％→常用。－碳素鋼：普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼－合金鋼：綜合機械性能好，但較貴－鑄鋼：含Ｃ（0.15～0.6）％→易成型（3）有色金屬合金：有特殊性能，價昂→少用。如鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金（4）非金屬材料：如工程塑料、橡膠、玻璃等燒結(jié)材料、復(fù)合材料…常用材料材料選用原則使用要求使用環(huán)境、載荷性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、重要程度...工藝要求零件及其毛坯的形狀、批量、加工方法...經(jīng)濟要求材料價格結(jié)合加工費用、材料利用率...步驟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(yīng)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(zhǔn)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)計的一般步驟軸可能的失效形式：斷裂、塑性變形、過大彈性變形、共振Fn零件失效形式失效零件喪失工作能力或達不到設(shè)計要求的性能，不僅僅指破壞主要失效形式斷裂：如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂表面點蝕：工作表面片狀剝落塑性變形：零件發(fā)生永久性變形過大彈性變形表面破壞過大振動和噪聲、過熱等步驟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(yīng)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(zhǔn)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50kN零件工作能力準(zhǔn)則工作能力不失效條件下零件的安全工作限度。該限度通常以零件承受載荷的大小來表示，又常稱為“承載能力”。如：吊鉤最大起重量50kN，其工作能力或承載能力為50kN工作能力準(zhǔn)則衡量零件工作能力的指標(biāo)。零件設(shè)計就是針對零件主要失效形式選擇適合的工作能力準(zhǔn)則進行設(shè)計。主要包括強度準(zhǔn)則、剛度準(zhǔn)則、耐磨性準(zhǔn)則、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則、耐熱性準(zhǔn)則強度準(zhǔn)則剛度準(zhǔn)則耐磨性準(zhǔn)則選擇工作準(zhǔn)則主要失效形式與工作準(zhǔn)則的對應(yīng)斷裂：如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂表面點蝕：工作表面片狀剝落塑性變形：零件發(fā)生永久性變形過大彈性變形表面破壞過大振動和噪聲、過熱等振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則步驟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(yīng)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(zhǔn)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)計的一般步驟強度計算強度：材料抵抗斷裂或殘余變形的能力強度準(zhǔn)則：工作應(yīng)力≤許用應(yīng)力 σ≤[σ]或τ≤[τ]失效形式：斷裂、疲勞破壞、殘余變形典型零件：軸、齒輪、帶輪等正應(yīng)力：剪應(yīng)力：機械零件工作能力的最基本準(zhǔn)則靜應(yīng)力狀態(tài)下的強度計算塑性材料零件[]=

s[S][]=

s[S]脆性或低塑性材料零件[]=

B[S][]=

B[S]防止塑性變形防止斷裂變應(yīng)力狀態(tài)下的強度計算（1）疲勞破壞機理：零件產(chǎn)生微觀裂紋；發(fā)展成宏觀裂紋；宏觀裂紋急劇擴展；到達材料極限強度時發(fā)生斷裂影響零件疲勞強度因素材料極限應(yīng)力

應(yīng)力集中

尺寸效應(yīng)

表面狀態(tài)

疲勞失效：大多數(shù)機械零件工作時受變應(yīng)力作用。即使應(yīng)力值小于材料的屈服強度，也會在經(jīng)受一定應(yīng)力循環(huán)周期后突然斷裂，而且斷裂時沒有明顯的宏觀塑性變形，這種破壞形式稱為疲勞失效變應(yīng)力狀態(tài)下的強度計算（2）有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)循環(huán)特性r一定時，應(yīng)力循環(huán)N次后，材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應(yīng)力，稱為疲勞極限。KN：壽命系數(shù)N0:循環(huán)基數(shù)m：材料與應(yīng)力指數(shù)疲勞曲線（－N曲線）

rNmN=rmN0=C變應(yīng)力狀態(tài)下的強度計算（3）lgNlg

rNO103(104)N0

rAB低周循環(huán)高周循環(huán)有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)循環(huán)基數(shù)(107)疲勞曲線一般是在對稱循環(huán)變應(yīng)力條件下的實驗結(jié)果變應(yīng)力狀態(tài)下的強度計算（4）相同循環(huán)次數(shù)（通常取N0）和不同循環(huán)特性r下，材料有不同的疲勞極限，可從材料疲勞極限應(yīng)力圖求得。

a

mF(

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變應(yīng)力狀態(tài)下的強度計算（5）

a

mS(

s,0)A

a

mS(

s,0)A

a

mS(

s,0)A

lim=2

-1K

(1-r)+

(1+r)許用疲勞極限曲線許用疲勞極限曲線許用疲勞極限曲線簡化疲勞曲線簡化疲勞曲線簡化疲勞曲線

m1

minK

：疲勞強度綜合影響系數(shù)變應(yīng)力狀態(tài)下的強度計算（6）

max[]=

lim[S]

a[a]=

lim-a[S]疲勞強度準(zhǔn)則：表面強度計算表面接觸強度表面擠壓強度表面磨損強度齒輪傳動、蝸桿傳動以及滾動軸承等依靠表面接觸工作的零件，受到法向載荷時，其工作能力取決于接觸表面的強度表面接觸強度赫茲公式接觸應(yīng)力的計算公式影響接觸應(yīng)力的因素：曲率半徑材料接觸線長度Fac：法向載荷；L：接觸長度；疲勞強度準(zhǔn)則：

H[

H

]耐磨性準(zhǔn)則耐磨性：零件抗磨損的能力。磨損是相當(dāng)復(fù)雜的物理化學(xué)過程。影響磨損的因素包括載荷的大小和性質(zhì)、滑動速度、潤滑劑的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)等。磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損、微動磨損耐磨性準(zhǔn)則：

P

失效形式：零件表面破壞典型零部件：齒輪、軸承、鏈等P為表面壓強剛度準(zhǔn)則剛度：材料抵抗彈性變形的能力剛度準(zhǔn)則：實際變形量≤許用變形量彎曲剛度：撓度條件：y≤[y]傾角條件：θ≤[θ]