机械设计基础之机械设计-第2章机械零件设计计算基础

北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022第二章静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刚度和振动计算北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022步骤1：绘制运动简图步骤2：绘制结构简图步骤3：分析载荷应力步骤4：选择零件材料步骤5：分析失效形式步骤6：确定工作准则步骤7：进行设计计算步骤8：进行结构设计步骤9：进行校核验算机械零件设计的一般步骤北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022步骤1：绘制运动简图步骤2：绘制结构简图步骤3：分析载荷应力步骤4：选择零件材料步骤5：分析失效形式步骤6：确定工作准则步骤7：进行设计计算步骤8：进行结构设计步骤9：进行校核验算机械零件设计的一般步骤北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022计算载荷=K×名义载荷载荷系数（工作情况系数）载荷（1）载荷作用于零件上的力或力矩名义载荷（理论载荷）F理想工作条件下的载荷，根据额定功率计算计算载荷（实际载荷）Fc作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷K1主因是动力机与工作机的工作性质，如平稳、冲击北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022内燃机阀门弹簧受力载荷（2）静载荷不随时间变化或变化缓慢的载荷锅炉受力变载荷随时间周期性或非周期性变化的载荷汽车轴、齿轮受力北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022应力（τ）单位面积上的内力拉伸应力、压缩应力、剪切应力F北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022ttminmaxm零件的应力作用在零件剖面上的应力稳定变应力静应力不随时间变化或变化缓慢的应力变应力随时间周期性或非周期性变化的应力非稳定变应力北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022问题：静变载荷与静变应力的关系？名义应力？计算应力？北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022稳定变应力每次循环的参数和周期均不随时间变化的周期性变应力，亦称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力应力参数最大应力σmax＝σm+σa最小应力σmin＝σm－σa平均应力σm＝(σmax+σmin)／2应力幅σa＝(σmax－σmin)／2应力循环特性r=σmin／σmax问题：三种稳定变应力的参数？静应力的参数？北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022材料的极限应力（1）Be玻璃钢灰口铸铁epSBABCDE静应力下的极限应力与材料性能有关－脆性材料取强度极限应力σB－塑性材料取屈服极限应力σS北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022材料的极限应力（2）变应力下的极限应力依据防疲劳断裂准则确定，取疲劳极限应力（材料经过N0次应力循环不发生破坏的最大应力）σr，该值可从有关手册查取。0NNNrNr有限寿命区无限寿命区北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022许用应力：设计零件时所依据的条件应力许用安全系数：考虑计算精度、材料均匀度和零件重要度等因素，查表而得。许用安全系数↑→许用应力↓→结构笨重许用安全系数↓→许用应力↑→不够安全许用应力与许用安全系数Slim][Slim][许用应力极限应力许用安全系数[][]北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022步骤1：绘制运动简图步骤2：绘制结构简图步骤3：分析载荷应力步骤4：选择零件材料步骤5：分析失效形式步骤6：确定工作准则步骤7：进行设计计算步骤8：进行结构设计步骤9：进行校核验算机械零件设计的一般步骤北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022常用零件材料的力学性能等级和牌号（1）铸铁：含Ｃ＞2.06％→易成型、价廉、吸振、可靠性差。如灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁（2）钢：含Ｃ量＜1.4％→常用。－碳素钢：普通碳素钢、优质碳素钢－合金钢：综合机械性能好，但较贵－铸钢：含Ｃ（0.15～0.6）％→易成型（3）有色金属合金：有特殊性能，价昂→少用。如铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金（4）非金属材料：如工程塑料、橡胶、玻璃等烧结材料、复合材料…常用材料北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022材料选用原则使用要求使用环境、载荷性质、结构、重要程度...工艺要求零件及其毛坯的形状、批量、加工方法...经济要求材料价格结合加工费用、材料利用率...北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022步骤1：绘制运动简图步骤2：绘制结构简图步骤3：分析载荷应力步骤4：选择零件材料步骤5：分析失效形式步骤6：确定工作准则步骤7：进行设计计算步骤8：进行结构设计步骤9：进行校核验算机械零件设计的一般步骤北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022轴可能的失效形式：断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振Fn零件失效形式失效零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指破坏主要失效形式断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂表面点蚀：工作表面片状剥落塑性变形：零件发生永久性变形过大弹性变形表面破坏过大振动和噪声、过热等北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022步骤1：绘制运动简图步骤2：绘制结构简图步骤3：分析载荷应力步骤4：选择零件材料步骤5：分析失效形式步骤6：确定工作准则步骤7：进行设计计算步骤8：进行结构设计步骤9：进行校核验算机械零件设计的一般步骤北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]1352204602250kN零件工作能力准则工作能力不失效条件下零件的安全工作限度。该限度通常以零件承受载荷的大小来表示，又常称为“承载能力”。如：吊钩最大起重量50kN，其工作能力或承载能力为50kN工作能力准则衡量零件工作能力的指标。零件设计就是针对零件主要失效形式选择适合的工作能力准则进行设计。主要包括强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则、耐热性准则北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022强度准则刚度准则耐磨性准则选择工作准则主要失效形式与工作准则的对应断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂表面点蚀：工作表面片状剥落塑性变形：零件发生永久性变形过大弹性变形表面破坏过大振动和噪声、过热等振动稳定性准则北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022步骤1：绘制运动简图步骤2：绘制结构简图步骤3：分析载荷应力步骤4：选择零件材料步骤5：分析失效形式步骤6：确定工作准则步骤7：进行设计计算步骤8：进行结构设计步骤9：进行校核验算机械零件设计的一般步骤北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022强度计算强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力强度准则：工作应力≤许用应力σ≤[σ]或τ≤[τ]失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形典型零件：轴、齿轮、带轮等Slim][正应力：Slim][剪应力：机械零件工作能力的最基本准则北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022静应力状态下的强度计算塑性材料零件[]=s[S][]=s[S]脆性或低塑性材料零件[]=B[S][]=B[S]防止塑性变形防止断裂北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022变应力状态下的强度计算（1）疲劳破坏机理：零件产生微观裂纹；发展成宏观裂纹；宏观裂纹急剧扩展；到达材料极限强度时发生断裂影响零件疲劳强度因素材料极限应力应力集中尺寸效应表面状态疲劳失效：大多数机械零件工作时受变应力作用。即使应力值小于材料的屈服强度，也会在经受一定应力循环周期后突然断裂，而且断裂时没有明显的宏观塑性变形，这种破坏形式称为疲劳失效北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022变应力状态下的强度计算（2）0NNNrNr有限寿命区无限寿命区循环特性r一定时，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力，称为疲劳极限。NrmrrNKNN0KN：寿命系数N0:循环基数m：材料与应力指数疲劳曲线（－N曲线）rNmN=rmN0=C北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022变应力状态下的强度计算（3）lgNlgrNO103(104)N0rAB低周循环高周循环有限寿命区无限寿命区循环基数(107)疲劳曲线一般是在对称循环变应力条件下的实验结果北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022变应力状态下的强度计算（4）相同循环次数（通常取N0）和不同循环特性r下，材料有不同的疲劳极限，可从材料疲劳极限应力图求得。amF(B,0)S(s,0)A(0,-1)B(0/2,0/2)E安全区塑性失效区疲劳失效区45o135oABES北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022变应力状态下的强度计算（5）amS(s,0)AamS(s,0)AamS(s,0)Alim=2-1K(1-r)+(1+r)m1minK：疲劳强度综合影响系数北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022变应力状态下的强度计算（6）max[]=lim[S]a[a]=lim-a[S]疲劳强度准则：北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022表面强度计算表面接触强度表面挤压强度表面磨损强度齿轮传动、蜗杆传动以及滚动轴承等依靠表面接触工作的零件，受到法向载荷时，其工作能力取决于接触表面的强度北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022表面接触强度北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022LEEFcaH222121211111赫兹公式接触应力的计算公式影响接触应力的因素：曲率半径材料接触线长度Fac：法向载荷；L：接触长度；疲劳强度准则：H[H]北京航空航天大学机械工程及自动化学院刘继红[e-mail]13522046022耐磨性准则耐磨性：零件抗磨损的能力。磨损是相当复杂的物理化学过程。影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、