第1章机械零部件设计概述_699201203 (2)

1、机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所第第1 1章章 机械零部件设计概述机械零部件设计概述 1.1 1.1 机械零部件设计要求机械零部件设计要求 1.2 1.2 工作能力设计工作能力设计 1.3 1.3 机械零件的强度设计机械零件的强度设计 1.41.4 机械零部件的材料选择机械零部件的材料选择 1.5 1.5 机械零部件的标准化机械零部件的标准化机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所 1.1.1 1.1.1 工作能力要求工作能力要求 1.1.2 1.1.2 工艺要求工艺要求 1.1.3 1.1.3 经济性要求经济性要求 1.1 1.1 机械零部件设计要求机械零部件设计要求强度、刚度、振动

2、稳定性、可靠性、寿命强度、刚度、振动稳定性、可靠性、寿命 机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所q 标准件标准件 根据初步设计的机械结构根据初步设计的机械结构选用选用标准零部件；标准零部件； 根据工作的动力或运动要求对标准零部件根据工作的动力或运动要求对标准零部件进行必要的工作能力进行必要的工作能力校核校核； 若不满足工作要求，进行必要的结构调整，若不满足工作要求，进行必要的结构调整，直到符合要求。直到符合要求。1.2.1 1.2.1 工作能力设计的基本方法工作能力设计的基本方法 常规设计方法常规设计方法: : 理论设计、经验设计、模型实验设计理论设计、经验设计、模型实验设计机械系设计工程研

3、究所机械系设计工程研究所q非标准件非标准件根据初步设计的结构和工作情况根据初步设计的结构和工作情况分析分析零件的零件的受受力力；根据受力情况根据受力情况分析失效分析失效形式形式；根据失效形式，根据失效形式，建立力学、数学建立力学、数学分析分析模型模型( (设设计准则计准则) )；对数学模型进行对数学模型进行计算计算，设计出零件的，设计出零件的关键尺寸关键尺寸；确定确定其他其他结构尺寸结构尺寸。机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所此外：耐热性和精度准则机械零件的主要机械零件的主要设计准则设计准则机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所1.2.2 1.2.2 工作能力设计的基本思路工作能力设计

4、的基本思路工作能力设计的基本思路工作能力设计的基本思路1.1.分析分析机械结构的机械结构的受力状态。受力状态。2.2.根据受力状态根据受力状态分析分析结构可能的结构可能的失效形式。失效形式。3.3.根据失效形式根据失效形式提炼设计提炼设计计算计算准则。准则。另外，结构设计是相互交叉、反复进行的。另外，结构设计是相互交叉、反复进行的。机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所1.3 1.3 机械零件的强度设计机械零件的强度设计1.3.11.3.1 机械零件的静强度机械零件的静强度lim0 s机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所 1. 疲劳失效及其特点疲劳失效及其特点零件在零件在交变应力交变应力

5、下发生的下发生的失效失效即疲劳失效即疲劳失效疲劳失效的特点疲劳失效的特点(1) max B 或或 max S(2) 疲劳失效的过程：裂纹萌生、裂纹扩展、断裂疲劳失效的过程：裂纹萌生、裂纹扩展、断裂发展的过程发展的过程(3) 断口形状：光滑的断口形状：光滑的疲劳发展区疲劳发展区+粗糙的粗糙的脆性断裂脆性断裂区区1.3.2 1.3.2 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所疲劳断口特征疲劳断口特征机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所2. 变应力的产生及表征变应力的产生及表征 引起变应力的原因引起变应力的原因(1) (1) 变载荷变载荷(2) (2) 零件运

6、动零件运动 变应力种类变应力种类(1) (1) 稳定循环稳定循环变应力变应力(2) (2) 非稳定循环非稳定循环变应力变应力(3) (3) 随机随机变应力变应力 1.3.2 1.3.2 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所(1) (1) 变载荷变载荷 例：内燃机连杆例：内燃机连杆机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所(2) (2) 零件运动零件运动 例：齿轮轮齿例：齿轮轮齿机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所(2) (2) 零件运动零件运动 例：轴例：轴机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所稳定循环变应力的描述稳定循环变应力的描述( (五个描述参

7、数五个描述参数) ) ammaxammin2minmaxm2minmaxamaxminr应力循环特性：机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所(1) 稳定性循环变应力图稳定性循环变应力图minminmamaxmaxmaxaam0min对称循环对称循环变应力变应力 r=-1r=-1 脉动循环脉动循环变应力变应力 r=0r=0 非对称循环非对称循环应力应力 -1-1r1r1应力循环特性应力循环特性( (系数系数) ) maxminr机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所(2) 非稳定性循环变应力及随机变应力图非稳定性循环变应力及随机变应力图规律性非稳定循环变应力规律性非稳定循环变应力随机变应力图

8、随机变应力图机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所3. 材料的疲劳曲线材料的疲劳曲线S-N对数坐标的疲劳曲线：对数坐标的疲劳曲线：机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所 疲劳曲线方程疲劳曲线方程疲劳极限应力疲劳极限应力循环基数循环基数持久疲劳极限持久疲劳极限mrrNNN0有限寿命下的许用应力有限寿命下的许用应力CNNmrmrN0有限寿命疲劳方程有限寿命疲劳方程机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所 疲劳曲线方程疲劳曲线方程 m：与零件的材料和应力状态有关。：与零件的材料和应力状态有关。 钢材钢材:受弯曲应力时受弯曲应力时m=9,受表面接触应力时受表面接触应力时m=6。 青铜青铜:受弯曲应

9、力时受弯曲应力时m=9,受表面接触应力时受表面接触应力时m=8。 寿命系数寿命系数的意义：应用寿命系数，通过疲劳曲线的意义：应用寿命系数，通过疲劳曲线方程，可以计算出任意循环次数方程，可以计算出任意循环次数N下的疲劳极限应下的疲劳极限应力力rN。0rNrmNN机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所3（4）0lgNAB00mmrNrNNC高周疲劳高周疲劳低周疲劳低周疲劳无限寿命区无限寿命区有限寿命区有限寿命区机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所4 4. . 疲劳极限应力图疲劳极限应力图 材料的极限应力图材料的极限应力图 图图1-81-8韧性材料的疲劳极限应力图韧性材料的疲劳极限应力图Ger

10、ber抛物线方程抛物线方程机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所4.4.疲劳极限应力图疲劳极限应力图 材料的极限应力图的简化材料的极限应力图的简化 塑性材料的疲劳极限应力简化图塑性材料的疲劳极限应力简化图塑性失效塑性失效区区疲劳失效疲劳失效区区BESAo1002机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所5.5.影响零件疲劳极限的主要因素影响零件疲劳极限的主要因素应力集中系数应力集中系数k k 、k ( (附表附表1-11-3)1-11-3)机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所5.5.影响零件疲劳极限的主要因素影响零件疲劳极限的主要因素表面状态系数表面

11、状态系数 ( (附表附表1-41-6)1-41-6)零件的尺寸系数零件的尺寸系数 、 ( (附表附表1-7)1-7)maxmax应力集中系数应力集中系数k k 、k ( (附表附表1-11-3)1-11-3)rm21max厚度内平均应力厚度内平均应力机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所5.5.影响零件疲劳极限的主要因素影响零件疲劳极限的主要因素 提高疲劳强度的措施提高疲劳强度的措施减少应力集中减少应力集中减小尺寸减小尺寸提高表面质量提高表面质量表面状态系数表面状态系数 ( (附表附表1-41-6)1-41-6)零件尺寸系数零件尺寸系数 、 ( (附表附表1-7)1-7)综合影响系数综合影响

12、系数 kkD应力集中系数应力集中系数k k 、k ( (附表附表1-11-3)1-11-3)机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所6. 6. 零件的疲劳强度设计零件的疲劳强度设计（2 2）局部应力应变分析法）局部应力应变分析法（3 3）损伤容限设计法）损伤容限设计法（4 4）疲劳可靠性设计）疲劳可靠性设计 SScalim式（式（1-10）（1 1）名义应力疲劳设计法）名义应力疲劳设计法机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所 名义应力疲劳法名义应力疲劳法典型应力变化规律可以归纳为典型应力变化规律可以归纳为3种种1. 应力循环特性不变，即应力循环特性不变，即r =C2. 平均应力不变，即平均应

13、力不变，即3. 最小应力保持不变最小应力保持不变CmCmin机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所 名义应力疲劳设计法名义应力疲劳设计法 r r = =C C 时时最大应力（幅）极限值最大应力（幅）极限值许用安全系数许用安全系数工作时的最大应力（幅）值工作时的最大应力（幅）值 SSmarmraca式（式（1-11）应用特点：应用特点：1. 在零件结构尺寸已知的情况下，进行的校核计算。在零件结构尺寸已知的情况下，进行的校核计算。2.需要需要同时校核同时校核最大应力最大应力和和最大应力幅最大应力幅安全系数。安全系数。3. 最大应力（幅）极限值的取值与工作应力增长规律最大应力（幅）极限值的取值与工

14、作应力增长规律有关。有关。机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所 循环特征系数循环特征系数r =C SkSmaDca)(1式（1-11）疲劳安全区疲劳安全区 SSmaSca式（1-12）塑性安全区塑性安全区1.1.按最大应力、平均应力或应力幅分别计算按最大应力、平均应力或应力幅分别计算 的安全系数均相等；的安全系数均相等；2.2.受剪应力零件的安全系数计算可类似进行。受剪应力零件的安全系数计算可类似进行。机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所 平均应力平均应力m=常数常数 P17 表表1-11()maaDaSSk 1()() ()DmcaDamkSSk疲劳安全区疲劳安全区 SSmaSca塑

15、性安全塑性安全区区机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所 平均应力平均应力min=常数常数 P17 表表1-11min()aaDaSSk 1minmin2()()2DcaDakSSk 疲劳安全区疲劳安全区 SSmaSca塑性安全塑性安全区区机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所当零件受到同相位的双向稳定循环变应当零件受到同相位的双向稳定循环变应力作用时力作用时 机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所22SSSSSca11*aamDSk 11*aamDSk 机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所 最小应力最小

16、应力min=常数常数 名义应力疲劳设计法进行校核时应注意的名义应力疲劳设计法进行校核时应注意的几个问题：几个问题：1.无法判断应力增长规律时，一般采用无法判断应力增长规律时，一般采用r =常常数的规律计算。数的规律计算。2.要要同时校核同时校核最大应力最大应力和和最大应力幅最大应力幅两种安两种安全系数，均要满足要求。全系数，均要满足要求。3.注意判断工作点在疲劳极限应力图中的位注意判断工作点在疲劳极限应力图中的位置，选择正确的公式计算安全系数。置，选择正确的公式计算安全系数。机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所7. 7. 疲劳损伤线性累积假说（疲劳损伤线性累积假说（MinerMiner理论

17、）理论） 疲劳损伤是疲劳损伤是逐渐累积逐渐累积和和线性叠加线性叠加的，的，每循环每循环一次一次对材料的对材料的破坏作用是一样的破坏作用是一样的，当达到疲劳极，当达到疲劳极限时，材料将发生疲劳失效。限时，材料将发生疲劳失效。其中：其中：ni对应对应于应力于应力i的工作循环次数；的工作循环次数；Ni对应于应力对应于应力i的发生疲劳破环时的循环次数。的发生疲劳破环时的循环次数。12121kknnnNNN式（式（1-14）线性疲劳损伤累积的寿命损伤率：线性疲劳损伤累积的寿命损伤率：机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所1.1.计算的基本思路：计算的基本思路： 将非稳定变应力的作用转化为等效稳定变应力

18、，将非稳定变应力的作用转化为等效稳定变应力，然后按照稳定变应力的方法进行处理。然后按照稳定变应力的方法进行处理。2.2.等效应力等效应力V V的选取：的选取： 非稳定变应力中的最大值或作用时间最长的应力非稳定变应力中的最大值或作用时间最长的应力3.3.等效循环次数的计算：等效循环次数的计算：inimViVnN1)(4.4.等效循环次数下的对称循环有限寿命疲劳极限：等效循环次数下的对称循环有限寿命疲劳极限：5.5.安全系数计算：安全系数计算：mVVNN011式（式（1-16）110VmcaVVVNSN式（式（1-17）机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所1.3.3 1.3.3 机械零件的接触疲劳强度机械零件的接触疲劳强度线接触时线接触时122212121111HFbEE机械系设计工程研究所机械系设计工程研究所 机械零件常用材料机械零件常用材料金属材料金属材料高分子材料高分子材料陶瓷