机械零件设计的基础知识

1、第2章 机械零件设计的基础知识2-1 机械零件的设计要求和准则2-2 机械零件的基本失效形式2-3 机械零件设计的一般方法和步骤2-4 机械零件的疲劳强度2-5 机械零件的抗断裂强度2-6 机械零件的表面强度2-7 机械零件的材料和毛坯选择2-8 机械零件设计中的标准化12-1 机械零件的设计要求和准则机械零件应避免在预定寿命期内失效的要求 强度、刚度、寿命 设计准则：（1）结构功能要求（2）强度准则（3）刚度准则（4）寿命准则（5）可靠性准则（6）振动稳定性准则（一）结构功能要求：一、功能性要求如：连接件应满足连接的要求 支承件应满足支承的要求等（二）强度准则 极限应力 计算安全系数 静强度

2、（三）刚度准则提高机械零件强度的方法：1.采用更高强度的材料或选择合适的热处理方法；2.改变机械零件的结构尺寸和截面形状，不一定是截面积的改变，在截面积不变的情况下增大截面的惯性矩以减小零件所受的应力。3.尽量减少附加或不必要的载荷。y可以是挠度、偏转角或扭转角变形量许用变形量（四）寿命准则： 零件正常工作所延续的时间称为零件的寿命。影响零件寿命的因素： 疲劳、腐蚀和磨损 疲劳强度极限或额定载荷已作为零件疲劳寿命的计算准则。 腐蚀、磨损目前尚无可靠的计算方法 (五）、可靠性准则0tIIIIII浴盆曲线零件的可靠度就是在规定的使用时间内（寿命）和预定的环境下，零件能够正常地完成其功能的概率。R=

3、正常数N总件数N0失效率， =f(t)早期失效阶段(跑合)正常使用阶段(稳定)对应损坏阶段(急剧)早期失效阶段：初始裂纹、安装不正确、未磨合等对应损坏阶段：磨损、腐蚀、疲劳裂纹等，及时更换失效零件，定时小、中、大修。（六）振动稳定性准则要求机械振动频率fp远离机械的固有频率f，如不满足可采取的措施：1）改变机械及零件的刚度；2）采取减振措施 。特别是一阶固有频率f，即二、结构工艺性要求：便于制造和装配 工艺性：毛坯、制造、装配和拆卸三、经济性要求：省时、省料 经济性：降低消耗、简化结构、减少工时 、工艺性好 增加零件经济性的措施：1.采用廉价而充足的材料；2.减少材料的耗费量和加工工时；3.采

4、用标准化零部件；4.采用组合结构代替整体结构。四、其他要求：质量小要求大转动惯量的要求防污染、装饰要求等2-2 机械零件的基本失效形式失效：不能完成所规定的功能。分类1：根据零件失效后能否再行使用分： 损伤性失效和非损伤性失效：损伤性失效零件发生了实质性的损坏。如轮齿断裂，带断裂等。非损伤性失效零件未发生实质性的损坏，只是暂时失去了效能。如螺纹松动，带打滑、链传动脱链等。对工作条件、安装方式进行适当的调整，零件仍能正常的工作。整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂2-2 机械零件的基本失效

5、形式整体失效分类2：整体失效和表面失效当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形过大的残余变形 零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。齿面接触疲劳轴瓦磨损表面失效发生于表面的失效。如磨损、点蚀，表面压溃等。破坏正常工作条件引起的失效 有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如： 液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。 带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。 高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔才能正常工作。零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境

6、、载荷性质等很多因素有关。有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起。设计的方法：经验设计理论设计模型实验设计2-3 机械零件设计的一般方法和步骤（1）设计计算：（2）校核计算：ASFlimA截面积S安全系数F载荷lim 极限应力 =FA F lim SA一、机械零件的设计方法Sca安全系数计算值经验设计 根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验公式和数据，或用类比的方法所进行的设计，称为经验设计。经验设计对那些使用要求变动不大而结构形状已典型化的零件 (如箱体、机架等)，是很有效的设计方法。模型实验设计 对于一些尺寸很大、结构复杂、工况条件特殊而又难以进行

7、理论计算的重要零部件 ( 如一些重型整体机械零件 ) ，为了提高设计的可靠性，可采用模型实验设计的方法。即把初步设计的零部件或机器根据相似理论做成小模型或小尺寸样机，经过实验考核其性能，取得必要的数据，然后根据实验结果对设计进行逐步的修改，使其达到完善。这样的过程称为模型实验设计。 根据零件的使用要求选择零件的类型和结构；根据机器的工作要求，计算作用于零件上的载荷； 分析失效形式，并确定计算准则，通过计算确定零件的基本尺寸或主要参数； 选择合适材料；确定零件的主要尺寸； 零件结构细化； 校核计算； 绘出零件的工作图； 标出必要的技术条件，编写说明书。二、 机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一

8、般步骤 使用要求选择零件类型计算作用载荷选择材料失效分析计算准则工作能力计算几何尺寸计算结构设计技术文件工作图说明书学习各类零件应该注意的问题：实体结构；工作特点；主要参数；失效方式；失效原因；避免失效的方法（措施）。 所有的零件都必须满足强度要求，所以强度准则是设计机械零件时最基本的准则。机械零件的确定分为静应力强度和 变应力强度(疲劳强度)。机械零件在整个寿命工作周期内所受应力次数小于103次，可按静强度进行设计计算，否则应按疲劳强度进行计算。 2-4 机械零件的疲劳强度 疲劳破坏 机械零件在循环应力作用下。即使循环应力的max b ，而应力的每次循环也仍然会对零件造成轻微的损伤。随应力循

9、环次数的增加，当损伤累积到一定程度时，在零件的表面或内部将出现（萌生）裂纹。之后，裂纹又逐渐扩展直到发生完全断裂。这种缓慢形成的破坏称为 “疲劳破坏”。 “疲劳破坏”。是循环应力作用下零件的主要失效形式。 2-4 机械零件的疲劳强度以折弯程度不一样来控制其所受应力大小，分别记录从开始到折断所需的循环次数脆性断裂区疲劳区疲劳源疲劳纹 疲劳破坏的特点 a) 疲劳断裂时：受到的max低于b，甚至低于s 。 b) 断口通常没有显著的塑性变形。不论是脆性材料，还是塑 性材料，均表现为脆性断裂。更具突然性，更危险。c）疲劳破坏是一个损伤累积的过程，需要时间。寿命可计算。d) 疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆

10、性断裂区。 两个概念：2）疲劳寿命N： 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。 不同或 N 不同时，疲劳极限 rN 则不同。 在疲劳强度计算中，取 lim rN 。1）材料的疲劳极限rN ： 在应力比为 的循环应力作用下，应力循环 N 次后，材料不发生疲劳破坏时所能承受的最大应力max(max) 。（变应力的大小可按其最大应力进行比较） 机械零件疲劳强度的两种计算方法允许零件存在裂纹并缓慢扩展，但须保证在规定的工作周期内，仍能安全可靠地工作。可按疲劳裂纹寿命计算。1、安全寿命设计 在规定的工作时间内，不允许零件出现疲劳裂纹，一旦出现即为失效。可按N曲线进行有限寿命和疲劳寿命疲劳计算，这也是本章介

11、绍的计算方法。2、破坏安全设计一、交变应力的描述sm 平均应力；sa 应力幅值；max 最大应力；min 最小应力；r 应力比（循环特性）描述规律性的交变应力可有5个参数，但其中只有两个参数是独立的。 变应力参数 下图给出了一般情况下稳定循环变应力谱的应力变化规律。稳定循环变应力 上图给出了一般情况下稳定循环变应力谱的应力变化规律。零件受周期性的最大 应力max及最小应力min作用，其应力幅为a，平均应力为m，它们之间的关系为a0tmaxmmina0tmaxmmin规定：1、a总为正值； 2、a的符号要与m的符号保持一致。 r循环特性，-1 r +1。 由此可知，一种变应力的状况，一般地可由m

12、ax、min、m、a及r五个参数中的任意两个来确定。a0tmaxmmina0tmaxmmin稳定循环变应力几种特殊的变应力0tm静应力max=min=ma=0r = +10tmaxmin对称循环变应力max=min=am=0r = -10tmaxmmin脉动循环变应力min=0a=m=max/2r=0 不属于上述三类的应力称为非对称循环应力，其r在+1与-1之间，它可看作是由第一类（静应力）和第二类（对称循环应力）叠加而成。静应力对称循环变应力脉动循环变应力【例】 已知：max=200N/mm2，r =0.5，求：min、a、m。a0tmaxmmin20050-100解：【例】 已知：a= 8

13、0N/mm2，m=40N/mm2 求：max、min、r、绘图。a0tmaxmmin40-40-120解：【例】已知：A截面产生max=400N/mm2，min=100N/mm2 求：a、m，r。FaFaFraAFrMb弯曲应力a0tm100-150-4000ta0tm= 稳定循环变应力R=1对称循环R=1静应力解：【例】 如图示旋转轴，求截面A上max、min、a、m及r。Pr=6000APx=3000Nd=50150l=300b弯曲应力解：Pr A：对称循环变应力Px A：静压力 =0tbPr（对称循环）0tcPx（静应力）a0tm34.472-3636-1.528-37.528合成后（稳

14、定循环变应力） 机械零件的疲劳强度计算（练习）一、选择题1、下列四种叙述中 是正确的。(1)变应力只能由变载荷产生； (2) 静载荷不能产生变应力；(3) 变应力是由静载荷产生； (4) 变应力是由变载荷产生，也可能由静载荷产生。2、 发动机连杆横截面上的应力变化规律如图所示，则该变应力的应力比r为 。（1）0.24；（2）-0.24；（3）-4.17；（4）4.17。42t31.2N/mm2-130N/mm203、发动机连杆横截面上的应力变化规律如题3图所示，则其应力幅a和平均应力m分别为 。(1)a=80.6Mpa，m=49.4Mpa；(2)a=80.6Mpa，m=-49.4Mpa；(3)

15、a=49.4Mpa，m=80.6Mpa；(4)a=49.4Mpa，m=80.6Mpa。4、 变应力特性max、min、m、a及r等五个参数中的任意 来描述。（1）一个；（2）两个；（3）三个；（4）四个。 5、机械零件的强度条件可以写成 。（1） ， 或 ，（2） ， 或 ，（3） ， 或 ，（4） ， 或 ，2236、一直径d=18mm的等截面直杆， 杆长为800mm，受静拉力F=36kN，杆材料的屈服点s=270Mpa， 取许用安全系数S=1.8， 则该杆的强度 。（1）不足；（2）刚好满足要求；（3）足够。7、在进行疲劳强度计算时，其极限应力应为材料的 。（1）屈服点； （2）疲劳极限；

16、（3）强度极限； （4）弹性极限。二、分析与思考题1、什么是变应力的应力比r？静应力、脉动循环变应力和对称循环变应力的r值各是多少？32 静 应 力： r静=1 ； 脉动循环： r脉= 0 ； 对称循环变应力： r = -1 。解：2、图示各应力随时间变化的图形分别表示什么类型的应力？它们的应力比分别是多少?0tmax0tmaxmminaa)b)0tmaxmmin=0a0tmaxam=0c)d)解：a）静应力r=1； b）非对称（或稳定）循环变应力 0 r +1； c）脉动循环r = 0； d）对称循环r=1。二、材料的疲劳曲线 maxNADCB N 疲劳曲线 曲线上各点表示在相应的循环次数下

17、，不产生疲劳失效的最大应力值，即疲劳极限应力。从图上可以看出，应力愈高，则产生疲劳失效的循环次数愈少。 AB段 max 基本不变，应力循环次数N103，静应力 BC段 N104，带有塑性变形的疲劳，低周疲劳（或应变疲劳） CD段 N104 高周疲劳, 有限寿命区 D点以后 ND106 25107 无限寿命区 r 持久疲劳极限 在作材料试验时，常取一规定的应力循环次数N0，称为循环基数，把相应于这一循环次数的疲劳极限，称为材料的持久疲劳极限，记为1（或r）。低周疲劳区有限寿命区无限寿命区 在有限寿命区的疲劳曲线上，N1）： 计算时零件的工作应力幅乘以综合影响系数，或者材料的极限应力幅除以综合影响

18、系数。这样就考虑了此四个因素对零件疲劳强度的影响。 综合影响系数越大，对零件疲劳强度的削弱越严重。材料的极限应力幅除以综合影响系数表示零件实际许用的工作应力幅。再强调两点：因为在其它条件相同的情况下，钢的强度越高，综合影响系数值越大，所以对高强度钢制造的零件，为了得到高强度的效果，必须采取减少应力集中及适当提高表面质量的措施；在考虑应力集中影响时，若零件危险剖面处有多个不同的应力集中源，则应取个有效应力集中系数中较大者，并代入综合影响系数中计算。 前面得到的简化疲劳极限应力图折线ABGS，那只是材料试件的疲劳极限应力图。在实际中是各个零件，我们又知道试件和零件又是不同的，至少相差一个综合影响系

19、数。 此外，试件的简化应力图是在N0=107试验得到的，而实际零件的工作循环次数N（即寿命）五花八门，因此零件的疲劳极限还要考虑寿命系数kN(对NN0时的修正)。这样我们就把试件的疲劳极限应力图转化成了零件的疲劳极限应力图。 试验表明，综合影响系数只对极限应力幅有影响，而对平均应力没有影响；而寿命系数对极限应力幅和平均应力均有影响。五、零件的疲劳极限应力图 机械零件的疲劳强度计算1 塑性材料的简化疲劳极限应力图，若考虑了影响疲劳强度的综合影响系数(k )D或(k)D 和寿命系数 kN后，便得到许用疲劳极限应力图。 综合影响系数只对极限应力幅有影响，而寿命系数对极限平均应力和极限应力幅都有影响。

20、极限应力曲线的 SG 部分，由于是按照静应力的要求来考虑的，故不须进行修正。简化疲劳极限曲线 -1=a+mGAB(0/2,0/2 )oam(0,-1)S(S,0)屈服极限曲线S=a+mAE许用疲劳极限曲线kN-1=(k)Da+m 简化疲劳极限曲线 -1=a+mAB(0/2,0/2)Goam(0,-1)S(S,0)屈服极限曲线S=a+mAG许用疲劳极限曲线kN-1=(k)Da+m实际上，折线ABGS还不是零件的许用疲劳极限应力。从定义上看，许用应力 ，折线ABGS只考虑了综合系数和寿命系数，还未考虑许用安全系数。目的：得到折线ABGS的目的是用来计算零件的安全系数，校核零件的疲劳强度。六、单向稳

21、定变应力下机械零件的疲劳强度计算 在极限应力线图的坐标上即可标示出相应于m及a的一个工作应力点M（或者N）见下图。0amADGCmaMN零件的工作应力在极限应力线图坐标上的位置 显然，强度计算时所用的极限应力应是零件的极限应力曲线（AGC）上的某一个点所代表的应力。到底用哪一个点来表示极限应力才算合适，这要根据应力的变化规律来决定。 可能发生的典型应力变化规律通常有下述三种： 计算零件的疲劳强度时，应首先求出零件危险剖面上的工作应力m和a 。据此，在极限应力图中标出工作应力点M（m ， a）。再在零件的极限应力线AGC上确定出相应的极限应力点M1，根据该极限应力点表示的极限应力和零件的工作应力

22、计算零件的安全系数。 零件工作应力的增长规律不同，则相应的极限应力点也不同。 典型的应力增长规律通常有三种： 疲劳强度线AG的方程为：1、 C（常数）；2、 ；3、式中： 、 为AG上任意点的坐标，即零件的极限应力。 六、单向稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算3-4 （单向稳定变应力） 计算机械零件疲劳强度的步骤：O（2）画零件的极限应力图，并定出工作点M(a 、 m)；（3）根据工作应力变化规律，在极限应力图上找出其疲 劳极限点M；（4）计算安全系数。 Sca=OM/OM（1）求危险截面上的max 和 min ,计算出a 和 m1、变应力的循环特性保持不变，即r=C（例如绝大多数转轴中的应力

23、状态）；Fr0tr=Cma N1M10amADGCMNr = C时的极限应力 因此，在右图中，从坐标原点引射线通过工作应力点M（或N），与极限应力曲线交于M1（或N1），得到0M1（或0N1），则在此射线上任何一个点所代表的应力循环都具有相同的循环特性。0amADGCma MNM1N1r = C时的极限应力 联解OM及AG两直线的方程式，可以求出M1点的坐标值m及a，把它们加起来，就可以求出对应于M1点的试件的极限应力max： 于是，安全系数计算值Sca及强度条件为： 对应于N点的极限应力点N1位于直线CG上。此时的极限应力即为屈服极限s。这就是说，工作应力为N点时，首先可能发生的是屈服失效，

24、故只需进行静强度计算，其强度计算式为： 分析图6得知，凡是工作应力点位于OGC区域内时，在循环特性等于常数的条件下，极限应力统为屈服极限，都只需进行静强度计算。单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算 变应力的应力比保持不变， 即：r = C 变应力的平均应力保持不变，即：m = C 变应力的最小应力保持不变，即：min = C一般步骤：1）由外载荷计算max 、min m 、a工作应力；2）将工作应力m、a标在零件极 限应力图上，得工作应力点： M（ m，a ）3）确定工作应力点M（ m，a ）所对应的 零件的极限应力点 M（ me ，ae ） 零件的极限应力4）计算安全系数： 零件的极限应力

25、点的确定： 按零件的加载方式分（如转轴）1.变应力的应力比保持不变，即上式表示：r =C时，为过 坐标 原点O的一条直线。1）如果OM线与AG线交于M（ me ，ae ），则有： 2）如果ON线与GC线交于N（ me ，ae ），则有： 按静应力计算：注意：如果工作应力点在OGC区域内， 则lin=s，这时按静应力计算极限应力图分两个区： 疲劳强度 静强度 当m=C时，需找到一个其平均应力与工作应力的平均应力相同的极限应力。（例如振动着的受载弹簧中的应力状态）。 在图7中，通过M（或N）点作纵轴的平行线MM2（或NN2），则此线上任何一点代表的应力循环都具有相同的平均应力值。0amADGCMN

26、M2 N2 Hm=C时的极限应力2、m=C的情况0tm=Cm=CGF2.变应力的平均应力保持不变，即（如振动中的弹簧）上式表示为： 平行 纵坐标 的一条直线。1）如果此线与AG线交于M（ me ，ae ），则有： 极限应力图分两个区： 疲劳强度 静强度2）如果此线与GC线交于N（ me ，ae ），则有： 按静应力计算：注意：如果工作应力点在HGC区域内， 则lin=s，这时按静应力计算当min=C时，需找到一个其最小应力与工作应力的最小应力相同的极限应力。 （例如紧螺栓联接中螺栓受轴向变载时的应力状态）。0amADGCMNM3N3I45minMminN min=C时的极限应力 因此在下图中，

27、通过M（或N）点，作与横坐标轴夹角为45的直线，则此直线上任何一个点所代表的应力均具有相同的最小应力。3、min=C的情况0tmin=Cmin3.变应力的最小应力保持不变，即（如受轴向变载荷的紧螺栓的应力状态）式表示为：过 M点与横坐轴夹角45的一条直线。1）如果此线与AG线交于M（ me ，ae ），则有： 同样，按照上述方法可写出剪应力的疲劳强度计算公式。略2）如果此线与GC线交于N（ me ，ae ），则有： 按静应力计算：注意：如果工作应力点在IGC区域内， 则lin=s，这时按静应力计算极限应力图分两个区： 疲劳强度 静强度双向稳定变应力 零件在同一截面上同时作用有同相位的法向及切向

28、对称循环稳定变应力 及 如不是对称循环稳定变应力 复合安全系数 七、双向稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算 为防止塑性材料在复合应力下发生塑性变形，还要根据第三或第四强度理论验算复合应力屈服强度安全系数。 规律性不稳定变应力若应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用，则应力 1 每循环一次对材料的损伤率即为1/N1，而循环了n1次的1对材料的损伤率即为n1/N1。如此类推，循环了n2次的2对材料的损伤率即为n2/N2，。当损伤率达到100%时，材料即发生疲劳破坏，故对应于极限状况有：用统计方法进行疲劳强度计算不稳定变应力非规律性规律性按损伤累积假说进行疲劳强度计算八、 单向不稳定变应力时的疲劳

29、强度计算机床、机械手汽车弹簧说明：1.当各个作用的应力幅无巨大差别以及无短时的强烈过载时，上述规律是正确的； 2.当各级应力作用大小的先后顺序不同时，有如下关系： 机械零件的疲劳强度计算5九、 提高机械零件疲劳强度的措施 在综合考虑零件的性能要求和经济性后，采用具有高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和各种表面强化处理。 适当提高零件的表面质量，特别是提高有应力集中部位的表面加工 质量，必要时表面作适当的防护处理。 降低零件上的应力集中是提高零件疲劳强度的首要措施 尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，对于延 长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。 在不可避免地要产生

30、较大应力集中的结构处，可采用减载槽来降低应力集中的作用。减载槽总 结1、在解决变应力下零件的强度问题叫疲劳强度。 零件里通常作用的都是变应力，所以其应用更为广泛。2、疲劳强度和哪些因素有关=f（N，r，K，材料，形式） 疲劳强度比静强度复杂得多。3三大理论一假说： 疲劳曲线解决对称循环变应力的强度计算问题； 极限应力图对称非对称的关系； 复合极限应力图复合和简单应力的关系； Miner法则稳定和非稳定应力的关系；4强度计算式变应力稳定不稳定简单复合对 称非对称【例】某轴只受稳定交变应力作用，工作应力 max=240MPa， min=-40MPa 材料的机械性能-1 =450MPa ， s= 8

31、00MPa ， 0= 700MPa ，轴上危险截面的 k=1.3 ，=0.78 ，=1 。（1）绘制材料的简化极限应力图；（2）用作图法求极限应力及安全系数（按r=c加载和无限寿命考虑）；（3）取S=1.3，试用计算法验证作图法求出的a，m 及S值，并校验此轴是否安全。解：（1）绘制材料的极限应力图 S（800，0）EA（0，450）B（350，350）135OamA（0，450）B（350，350）S（800，0） S（800，0）EA（0，450）B（350，350）135OamA（0，450）B（350，350）S（800，0） （2）绘制零件的极限应力图 A（0，270）B（350，2

32、10）S（800，0）A（0，270）B（350，210）（3）在图上标出工作应力点M 工作应力点的坐标为M（100，140） （4）由作图法求极限应力及安全系数（2）绘制零件的极限应力图 A（0，270）B（350，210）S（800，0）S（800，0）EA（0，450）B（350，350）135OamA（0，450）B（350，350）S（800，0） A（0，270）B（350，210）M（100，140）M（100，140）MM（170，241）（5）用计算法验证此轴疲劳强度达到安全要求 例 ：某钢制零件,其sB=560MPa， sS=280MPa ,s-1=250MPa ， s0=

33、385MPa 。工作变应力smax=155MPa， smin=30MPa ，零件的有效应力集中系数ks=1.65，绝对尺寸系数es=0.8 ，表面状态系数b=0.95。要求许用安全系数S=1.4，g=常数，校核该零件的强度是否足够。 解：1. 计算应力幅和平均应力：2. 计算疲劳安全系数 Ss其中：计算静强度安全系数在未判断工作点在极限应力图上的区域情况下,为安全起见，还应计算静强度安全系数Ss例 ：某零件材料 ， , , ，用作图法判别：1. 当r=0时，可能发生何种失效？当r=+0.6时，可能发生何种失效？解：1. 试件的极限应力图: 直线AE的倾角根据A点按 可画出AES线2. 零件的极

34、限应力图画出点A按画出点AES线3. g=0，由点O作45射线交AES线于B点，故可能发生疲劳失效(脉动循环)4. g=0.6时，由点O作a角射线交AES线的ES段于B点，故可能发生静强度破坏 2-5 机械零件的抗断裂强度 低应力脆断：在工作应力小于许用应力时发生的突然断裂。断裂力学：研究带有裂纹或带有尖缺口的结构或构件的强度和变形规律的学科。宏观裂纹。断裂力学建立了构件的裂纹尺寸、工作应力以及材料抵抗裂纹扩展能力三者之间的定量关系。分析步骤：1）确定初始尺寸a1；2）分析工作载荷，确定裂纹顶端的应力强度因子KI；3）通过断裂力学实验，测定构件材料的断裂韧度KIc；4）对构件进行安全性判断。如

35、齿轮、凸轮、滚动轴承等。B 机械零件中各零件之间的力的传递，总是通过两个零件的接触形式来实现的。常见两机械零件的接触形式为点接触、线接触或面接触。 2-6 机械零件的表面强度 若两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。接触共形曲面接触(面接触)异形曲面接触(点、线接触)表面强度表面接触强度表面挤压强度表面磨损强度b由弹性力学可知，应力为：对于钢或铸铁取泊松比： 1=2=0.3 , 则有简化公式。上述公式称为赫兹(HHertz)公式 “+”用于外接触，“-”用于内接触。HH21

36、Fn1Fnb2HHH -最大接触应力或赫兹应力;b -接触长度;Fn -作用在圆柱体上的载荷; -综合曲率半径; -综合弹性模量; E1、 E2 分别为两 圆柱体的弹性模量。 接触疲劳强度的判定条件为：bFn接触失效形式常表现为：疲劳点蚀后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹裂纹的扩展与断裂 油金属剥落出现小坑机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约20m处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑

37、，这种现象称为疲劳点蚀。变形量B提高表面接触应力的措施：1.尽量减少接触应力增大曲率半径，改点接触为线接触，提高接触精度。2.提高接触表面的硬度采用硬度较高的材料，采用合理的热处理方式。3.减少接触表面裂纹出现的可能性提高加工质量，减少材料缺陷4.采用黏度较高的润滑油机械零件常用材料：铝(LY12)、铜(ZCuSn10Pb5).黑色金属有色金属铁钢高分子材料复合材料陶瓷金属材料非金属材料：塑料、橡胶、合成纤维 ：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢(如：08F 45 60 1Cr18） ：灰铸铁、球墨铸铁(如：TH300 QT500-5)：强如钢、轻如铝、硬如金刚石：强度高、弹性模量大、质量轻指出下

38、列材料的种类，并说明代号中符号及数字的含义：HTl50，ZG230-450， 65Mn，45，Q235，40Cr，20CrMnTi，ZCuSnl0Pb5。 2-7 机械零件的材料的毛坯选择（含碳量0.0218%2.11%的铁碳合金;低碳钢含C0.25%以下,0.25-0.6,0.6-1.4) 碳素结构钢 ：Q235-A 碳钢 优质碳素结构钢：40、45# (含c0.45%） 碳素工具钢：T10、T12、 T8 (含c0.8%） 钢 合金结构钢 模具钢 低合金刃具钢：黑 合金钢 合金工具钢 ：刃具钢： 9SiCr 、CrWMn色 特殊性能钢 量具钢 高速钢:W18Cr4V W6Mo5Cr4V2

39、铸铁：(含碳量大于2.11%的铁碳合金) 灰铸铁HT150(抗拉强度) 、球墨QT700-2、 可锻KTH300-06、蠕墨RuT420。(以碳的存在形态分)化学热处理：渗碳、氮化、碳氮共渗 。种类常规热处理表面热处理退火: 降低硬度,提高机械性能,消除 内应力.用于中、高碳钢。正火: 消除内应力，改善切削性； 用于低、中碳钢淬火：使材料变硬（中、高碳钢）回火：在淬火后.低温、中温、高温 (淬火+ 高温回火是调质）表面淬火：使钢变硬。有火焰加热、 感应加热。常用热处理方法：退火：钢材加热到适当温度并保温一定时间， 然后随炉冷却的热处理工艺叫退火。 （温度一般为800900。用于铸件、锻件、焊件

40、切削加工前的处理） 目的：降低硬度，改善切削加工性，细化晶粒，改善 组织，提高机械性能；消除内应力，并为以后 的淬火作好准备。正火：将工件加热到临界温度以上的适当温度, 保温之后从炉中取出置于空气中冷却的热处理 工艺叫正火。（820 950） 淬火：加热、保温之后快速冷却。 （水、矿物油、盐水） 回火：将淬火后的工件加热、保温、冷却。 低温回火用于工具、量具、模具等； 中温回火用于弹簧等； 调质处理：淬火+高温回火。 用于齿轮、轴、连杆等。机械零件的材料选择原则：使用要求工艺要求经济性毛坯的选择:不同毛坯类型的基本特点：型材、锻件、铸件、焊接件、冲压件、冷挤压件、粉末冶金件毛坯的成本：材料成本

41、、制造毛坯的成本、加工毛坯的成本28 机械零件设计中的标准化标准化：对零件的结构尺寸、材料、检验、设 计、制图 制定统一的规范。 分类按运用范围 使用强制性 推荐使用：标准直径 尽量选用标准件 两重含意按有关标准设计机械零件 国际ISO、国家GB、部标 (JB、YB、QB)、企业标准 制图、公差、 形位 必须执行：三化：零件标准化、部件通用化、机器系列化 重点：零件的失效材料的疲劳特性提高零件疲劳强度的措施合理选材学习各类零件应该注意的问题：实体结构；工作特点；主要参数；失效方式；失效原因；避免失效的方法（措施）。 机械零件的疲劳强度设计（练习题续）一、选择题145钢的持久疲劳极限-1=270

42、Mpa，设疲劳曲线方程的幂指数m=9，应力循环基数N0=5106次，当实际应力循环次数N=104次时，有限寿命疲劳极限为 Mpa。（1）539； （2）135； （3）175； （4）417；2零件表面经淬火、渗氮、喷丸、滚子碾压等处理后，其疲劳强度 。（1）增高 （2）降低 （3）不变 （4）增高或降低视处理方法而定3影响零件疲劳强度的综合影响系数K与 等因素有关。（1）零件的应力集中、加工方法、过载；（2）零件的应力循环特性、应力集中、加载状态；（3）零件的表面状态、绝对尺寸、应力集中；（4）零件的材料、热处理方法、绝对尺寸。1134 绘制设计零件的ma极限应力简图时，所必须的已知数据是

43、。（1）-1，0，s，k； （2）-1，0，s，K;（3）-1，s，K; （4）-1，0，K;5在图示设计零件的ma极限应力简图中，如工作应力点M所在的0N线与横轴间夹角=45，则该零件受的是 。（1）不变号的不对称循环变应力；（2）变号的不对称循环变应力；（3）脉动循环变应力； （4）对称循环变应力；045135amANGCM236在题5图所示零件的极限应力简图中，如工作应力点M所在的0N线与横轴之间的夹角=90时，则该零件受的是 。（1）脉动循环变应力； （2）对称循环变应力；（3）变号的不对称循环变应力；（4）不变号的不对称循环变应力；7已知一零件的最大工作应力max=180Mpa，最小

44、工作应力 min=-80Mpa。则在图示的极限应力简图中，该应力点M与原点的连线0M与横轴间的夹角为 。（1）685744； （2）21215；（3）66215； （4）742833；0135amANGCM(m,a)218在图示零件的极限应力简图上，M为零件的工作应力点，若加载于零件的过程中保持最小应力min为常数。则该零件的极限应力点应为 。 （1）M1； （2）M2； （3）M3 ； （4）M4 。9在上题中若对零件加载的过程中保持应力比r等于常数。则该零件的极限应力点应为 。 （1）M1； （2）M2； （3）M3 ； （4）M4 。045135amAGCM45M1M2M3M423108题中若对零件加载的过程中保持平均应力m等于常数。则该零件的极限应力点应为 。（1）M1；（2）M2；（3）M3 ； （4）M4 。11零件的材料为45钢，b=600Mpa，s=355Mpa，-1=270Mpa，=0.2，零件的疲劳强度综合影响系数K=1.4。则在图示的零件极限应力简图中角为 。（1）365535；(2) 411422；（3）484538；（3）6786；-1/K0/2K0/2s045amADBC1212在题5图所