机械设计基础-教学课件-樊智敏-第5章-机械零件设计概论

第5章机械零件设计概论5-1

机械零件设计概述5-2机械零件的强度5-3

机械零件的接触强度5-4机械零件的常用材料及其选择5-5机械零件的结构工艺性及标准化掌握零件常见的失效形式和设计准则掌握许用应力、安全系数的概念及确定方法了解零件的常用材料及性能本章教学内容本章基本要求第5章机械零件设计概论5-1机械零件设计概述掌握零件常见5-1机械零件设计概述一、机械零件的主要失效形式二、机械零件的设计准则三、机械零件设计的一般步骤四、机械零件的设计方法5-1机械零件设计概述一、机械零件的主要失效形式一、机械零件的主要失效形式机械零件的失效：机械零件由于某种原因而丧失正常的工作能力。1、基本概念2、机械零件的主要失效形式：断裂

过大的残余变形表面失效破坏正常的工作条件而引起的失效一、机械零件的主要失效形式机械零件的失效：机械零件由于某种原机械零件失效的实例齿轮轮齿折断轴承内圈破裂轴承外圈塑性变形轮齿塑性变形机械零件失效的实例齿轮轮齿折断轴承内圈破裂轴承外圈塑性变二、机械零件的设计准则（一）基本概念（二）主要的设计准则

1、强度准则2、刚度准则3、寿命准则4、振动稳定性准则5、热平衡准则6、可靠性准则二、机械零件的设计准则（一）基本概念零件工作—→承受载荷—→载荷欲使零件失效零件据自身结构、材料反抗失效—→反抗失效＞失效—→解决办法：合理设计遵循设计准则2、设计准则：设计机械零件时，保证其工作能力而不发生失效所依据的基本准则称为设计准则

1、工作能力：在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，习惯上又称为承载能力。（一）基本概念零件设计时的共性：零件工作—→承受载荷—→载荷欲使零件失效零件据自身结构、材料1、强度准则机械零件工作能力的最基本准则强度：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]正应力：剪应力：极限应力（二）主要的设计准则1、强度准则机械零件工作能力的最基本准则正应力：剪应力：极限2、刚度准则刚度：材料抵抗弹性变形的能力刚度准则：实际变形量≤许用变形量弯曲刚度：挠度条件：y≤[y]倾角条件：θ≤[θ]扭曲刚度：扭角条件：j≤[j]2、刚度准则刚度：材料抵抗弹性变形的能力3、寿命准则寿命:指零件在不发生失效的情况下，安全可靠的工作的时间影响寿命的因素:磨损、腐蚀、疲劳寿命准则：控制表面压强

P3、寿命准则寿命:指零件在不发生失效的情况下，安全可靠的工作4、振动稳定性准则振动：零件发生周期性弹性变形的现象称为振动共振：如果某一零件的固有频率与周期性外力的变化频率相等或相接近时就会产生共振振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值振动稳定性准则：

或4、振动稳定性准则振动：零件发生周期性弹性变形的现象称为振动5、热平衡准则高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、附加热应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间的间隙，降低精度等热平衡准则：工作温度低于许用值5、热平衡准则高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、附6、可靠性准则可靠性的衡量指标是可靠度，可靠度即零件在规定的使用条件下和在规定的使用时内能安全或正常工作的概率。可靠性准则就是要求所设计零件的工作可靠度不小于规定值。6、可靠性准则可靠性的衡量指标是可靠度，写出计算说明书画出零件工作图校核计算选择零件的材料选择零件类型、结构确定零件的基本尺寸结构设计确定计算准则计算零件上的载荷三、机械零件设计的一般步骤写出计算说明书画出零件工作图校核计算选择零件的材料选择四、机械零件的设计方法(一)传统设计方法：1.理论设计：2.经验设计

3.模型实验设计设计计算：先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。

校核计算：先确定零件的结构尺寸，再验算零件是否满足计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。

FF例如设计计算校核计算四、机械零件的设计方法(一)传统设计方法：1.理论设计：2.（二）现代设计方法计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、智能设计、有限元设计、摩擦学设计、动态设计等激烈的竞争传统的手段手工绘图常规的计算方法简单的计算工具矛盾CAD（二）现代设计方法计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、智能5-2机械零件的强度一、载荷和应力二、强度

1.机械零件设计的静强度

2.机械零件的疲劳强度3.安全系数5-2机械零件的强度一、载荷和应力载荷和应力1一、载荷和应力1载荷的分类由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。（1）按是否随时间变化，载荷分为：静载荷变载荷（2）按是否考虑动载荷的影响，载荷分为：名义载荷：理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷计算载荷＝载荷系数K×名义载荷

载荷系数K：用于计入在实际工作中受到的各种动载荷的影响。额定载荷：由原动机的额定功率推算出的载荷。载荷和应力1一、载荷和应力1载荷的分类由于运动中产生的2应力的分类静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力tssminsmaxsm稳定循环变应力变应力ts随机变应力不稳定循环变应力不稳定循环变应力2应力的分类静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力变应力：应力参数以正应力s为例最大应力:

smax=sm+sa最小应力:

smin应力幅:

sa平均应力:

sm循环特征:r循环应力稳定循环变应力：应力参数以正应力s为例平均应力:sm循环应力稳定循环变应力载荷和应力3稳定循环变应力对称循环变应力对称循环应力r=-1、sm＝0脉动循环变应力

脉动循环应力

r=0、smin＝0静应力r=1静应力（可看作是循环应力的一个特例）非对称循环变应力非对称循环应力载荷和应力3稳定循环变应力对称循环变应力对称循环应力脉动循环静应力只能由静载荷产生，变应力可能由变载荷或静载荷产生。aσ0tt0σa在变应力下，零件的主要失效形式为：疲劳破坏另外，应力还分为名义应力：根据名义载荷求得的应力计算应力：根据计算载荷求得的应力静应力只能由静载荷产生，变应力可能由变载荷或静载荷产生。aσ对称循环变应力应力表达：

s-1（t-1

）最大应力:

smax最小应力:

smin应力幅:

sa平均应力:

sm循环特征:rts对称循环变应力应力表达：s-1（t-1）ts脉动循环变应力应力表达：

s0（t0

）最大应力:

smax最小应力:

smin应力幅:

sa平均应力:

sm循环特征:rsmts脉动循环变应力应力表达：s0（t0）smts静应力应力表达：

s+1（t+1

）最大应力:

smax最小应力:

smin应力幅:

sa平均应力:

sm循环特征:rtssm静应力应力表达：s+1（t+1）tssm二、强度（一）机械零件的静强度强度准则：工作应力≤许用应力

σ≤[σ]或τ≤[τ]或（二）机械零件的疲劳强度变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。

1疲劳断裂机械零件在循环应力作用下,即使，应力的每次循环仍然会对零件造成轻微损伤。随应力循环次数的增加，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。二、强度（一）机械零件的静强度强度准则：工作应力≤许用应力（

疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低;疲劳断口均表现为脆性突然断裂;

疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。零件表层产生微小裂纹；

疲劳断裂过程：

随着循环次数增加，微裂纹逐渐扩展；当剩余材料不足以承受载荷时，突然脆性断裂。疲劳断裂具有以下特征：断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。表面光滑表面粗糙疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服§2-2疲劳曲线和极限应力图

2两个概念：2）疲劳寿命N：材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。

3疲劳曲线（-N曲线）

应力比一定时，表示疲劳极限与循环次数N之间关系的曲线。

注：

不同或

N不同时，疲劳极限则不同。在疲劳强度计算中，取＝。1）材料的疲劳极限：

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。§2-2疲劳曲线和极限应力图2两个概念：2）疲劳寿命疲劳曲线典型的疲劳曲线：

随N的增大而减小。但是当N超过某一循环次数N0

时，曲线趋于水平。即不再随N的增大而减小

N0

-----循环基数

以N0为界，曲线分为两个区：

s－N疲劳曲线有限寿命区无限寿命区1）有限寿命区：非水平段（N＜N0）的疲劳极限称为条件疲劳极限，用表示。当材料受到的工作应力超过时，在疲劳破坏之前，只能经受有限次的应力循环。——寿命是有限的疲劳曲线典型的疲劳曲线：随N的增大而减小。疲劳曲线2

与曲线的两个区相对应，疲劳设计分为：1）无限寿命设计：

N≥N0时的设计,＝

2）有限寿命设计：

N＜N0时的设计=

设计中常用的是疲劳曲线上的AB段，其方程为：（常数）——称为疲劳曲线方程1）无限寿命区：当N≥N0时，曲线为水平直线，对应的疲劳极限是一个定值，用表示。它是表征材料疲劳强度的重要指标，是疲劳设计的基本依据。

可以认为：当材料受到的应力不超过时，则可以经受无限次的应力循环而不疲劳破坏。——寿命是无限的。

疲劳曲线2与曲线的两个区相对应，疲劳设计分为：1）无限寿疲劳曲线3B点的坐标满足AB的方程，即，代入上式得则

式中：——寿命系数；m

—寿命指数，

—循环基数

2）工程中常用的是对称循环应力（

）下的疲劳极限，计算时，只须把和换成和即可。注：1）计算时，如

，则取3）对于受切应力的情况，则只需将各式中的换成即可。

4）当

时，因N较小，可按静强度计算。疲劳曲线3B点的坐标满足AB的方程，即，代入上式得则§2-3影响疲劳强度的因素（二）零件的许用应力实际中的各机械零件与标准试件，在形体，表面质量以及绝对尺寸等方面往往是有差异的。

影响零件疲劳强度的主要因素有以下三个：

1、应力集中的影响

机械零件上的应力集中会加快疲劳裂纹的形成和扩展。从而导致零件的疲劳强度下降。

用有效应力集中系数、计入应力集中的影响2、尺寸的影响零件尺寸越大，在加工中出现缺陷，产生微观裂纹等疲劳源的可能性越大。从而使零件的疲劳强度降低。

§2-3影响疲劳强度的因素（二）零件的许用应力实际中的各机械影响疲劳强度的主要因素2

用尺寸系数、计入尺寸的影响。3、表面质量的影响

表面质量：是指表面粗糙度及其表面强化的工艺效果。表面越光滑，疲劳强度可以提高。强化工艺（渗碳、表面淬火、表面滚压、喷丸等）可显著提高零件的疲劳强度。

无限寿命区的许用应力：

用表面状态系数、计入表面质量的影响。机械零件在有限寿命区的许用应力：S—许用安全系数影响疲劳强度的主要因素2用尺寸系数、计入（三）稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算1、对称循环、简单应力下的疲劳强度2、对称循环、复合应力下的疲劳强度（三）稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算1、对称循环、简单应三、安全系数的选取1）静应力下，塑性材料的零件：S=1.2～１.5铸钢件：S=1.５～２.5典型机械的S可通过查表求得。无表可查时，按以下原则取：S↑→零件尺寸大，结构笨重。S↓→可能不安全。２）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：S=3～43）变应力下，S=1.3～1.7材料不均匀，或计算不准时取：S=1.7～2.5三、安全系数的选取1）静应力下，塑性材料的零件：S=1.25－3机械零件的接触强度

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。5－3机械零件的接触强度若两个零件在受载前是点接FFρ2

O2

ρ1

O1

ρ2

O2

ρ1

O1

F

Fω2

2b

sHω1

变形量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扩展与断裂

油B金属剥落出现小坑FFρ2O2ρ1O1ρ2O2ρ1O1Fb由弹性力学可知，应力为：对于钢或铸铁取泊松比：

μ1=μ2=μ=0.3,则有简化公式。上述公式称为赫兹(H·Hertz)公式

“+”用于外接触，“-”用于内接触。σHσHρ2ρ1Fnρ1Fnbρ2σHσHb由弹性力学可知，应力为：对于钢或铸铁取泊松比：上述公式称为σH-------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：bFnσH-------最大接触应力或赫兹应力;b------5-4

常用材料及其选择一、常用材料二、钢的热处理三、材料选择原则5-4常用材料及其选择一、常用材料一、常用材料1铸铁：含Ｃ＞2.06％→易成型、价廉、吸振、可靠性差灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁2钢：含Ｃ量＜1.4％→常用碳素钢：（含Ｓ、Ｐ量不同）普通碳素钢、优质碳素钢合金钢：综合机械性能好，但较贵合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理铸钢：含Ｃ→（0.15～0.6）％→易成型3有色金属合金：有特殊性能，价昂→少用铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金4非金属材料：工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料…一、常用材料1铸铁：含Ｃ＞2.06％→易成型、价廉、吸振、二、钢的热处理1退火2正火3淬火4回火5表面热处理二、钢的热处理1退火热处理工艺主要目的用途退火降低硬度，提高塑性，改善切削性能；细化晶粒，减少组织的不均匀性；消除内应力退火工序多安排在锻、铸之后，切削工序之前。适用于铸件、焊接件、中碳钢和中碳合金钢轧制件等正火调整硬度，细化品粒，消除网状碳化物。淬火前的预备热处理，以减少淬火缺陷改善低碳钢和低碳合金钢的切削性能；中碳钢和合金钢淬火前的预备热处理；对要求不高的零件可作为最终热处理淬火获得高强度和高硬度，提高耐磨性和耐蚀性适用于含碳量大于0.3%的碳素钢、合金钢；淬火后能发挥钢的强度和耐磨性潜力，但会产生较大的内应力，降低塑性和韧性，应回火以得到较好的综合性能。热处理工艺主要目的用途退火降低硬度，提高塑性，改善切削性能；热处理工艺主要目的用途回火提高塑性和韧性、降低或消除回火后产生的内应力，并稳定零件形状和尺寸要求硬度55～62HRC，用低温(150～250℃)回火；要求硬度35～45HRC，用中温(300～500℃)回火；要求硬度23～35HRC,，用高温(500～650℃)回火。调质中碳钢和某些合金钢可用调质热处理来获得良好的综合力学性能（既有较高的强度又有良好的韧性）。适用于中碳钢和淬透性较好的合金钢，用于重要零件(如齿轮、轴等)热处理和精密零件的预先热处理。表面淬火使工件表面获得高硬度和耐磨性，而内部仍保持足够的塑性和韧性。用于要求表面硬度高、内部韧度大的零件，如齿轮、蜗杆、丝杠等，多用于成批大量生产热处理工艺主要目的用途回火提高塑性和韧性、降低或消除回火后产热处理工艺主要目的用途渗碳淬火提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度，并保持原来材料的高塑性和韧性齿轮、轴、活塞销、链、万向联轴器等要求表面硬度大而内部韧性大的重载零件渗氮能获得比渗碳淬火更高的表而硬度、耐磨性、疲劳强度和耐腐蚀性能，渗氮后不再淬火，变形小要求硬度、耐磨性高、不易磨削的零件和精密零件，如齿轮(尤其是内齿轮)、主轴、镗杆、精密丝杠、量具、模具等碳氮共渗提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、耐腐蚀能力，变形比渗碳淬火小，处理周期短齿轮、轴、链等零件，可代替渗碳淬火热处理工艺主要目的用途渗碳淬火提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度1.使用要求2.工艺要求3.经济性

有强度和重量要求，选强密比高的；有刚度要求，选弹性模量大的（对碳钢，这种情况下宁肯用较低强度的材料）；有接触强度和耐磨要求，选表面可强化处理的。

毛坯要与生产规模相适应，大批量宜用铸造、模锻，小批量宜用焊接、自由锻。相应的：铸件要求液态流动性好、缩孔和偏析倾向小；焊件要求可焊性好、不易开裂；锻件要求延展性好、热脆性小；切削加工件要便于切削、表面要光整；热处理件要求可淬性、淬透性好，变形倾向小。

相对价格要低、材料利用率要高、加工费用要少，最终要与生产规模相适应。三、材料选择原则1.使用要求2.工艺要求3.经济性有强度和一、结构工艺性要求

1)毛坯选择合理毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。大批量生产时，选用铸造、锻造、冲压等方法。5-5机械零件的结构工艺性及标准化2)结构简单合理最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合；尽量减少加工面数和加工面积；增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、螺纹、键、齿轮模数等）的数量；一、结构工艺性要求1)毛坯选择合理毛坯选择与生产批量、材尽量采用标准件。3)合理的制造精度和表面粗糙度

零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。应在满足使用要求的前提下，尽量采用较低的精度和表面质量。4)尽量减小零件的加工量

毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进工艺满足上述要求。尽量采用标准件。3)合理的制造精度和表面粗糙度1)产品品种规格的系列化

将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。标准化：通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准2)零部件的通用化

将用途、结构相近的零部件，经过统一后实现互换。3)产品质量标准化

要保证产品产品质量合格和稳定，就必须做好设计、加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。二、机械零件设计中的标准化1)产品品种规格的系列化标准化：通过对零件的尺寸、结构要素、第5章机械零件设计概论5-1

机械零件设计概述5-2机械零件的强度5-3

机械零件的接触强度5-4机械零件的常用材料及其选择5-5机械零件的结构工艺性及标准化掌握零件常见的失效形式和设计准则掌握许用应力、安全系数的概念及确定方法了解零件的常用材料及性能本章教学内容本章基本要求第5章机械零件设计概论5-1机械零件设计概述掌握零件常见5-1机械零件设计概述一、机械零件的主要失效形式二、机械零件的设计准则三、机械零件设计的一般步骤四、机械零件的设计方法5-1机械零件设计概述一、机械零件的主要失效形式一、机械零件的主要失效形式机械零件的失效：机械零件由于某种原因而丧失正常的工作能力。1、基本概念2、机械零件的主要失效形式：断裂

过大的残余变形表面失效破坏正常的工作条件而引起的失效一、机械零件的主要失效形式机械零件的失效：机械零件由于某种原机械零件失效的实例齿轮轮齿折断轴承内圈破裂轴承外圈塑性变形轮齿塑性变形机械零件失效的实例齿轮轮齿折断轴承内圈破裂轴承外圈塑性变二、机械零件的设计准则（一）基本概念（二）主要的设计准则

1、强度准则2、刚度准则3、寿命准则4、振动稳定性准则5、热平衡准则6、可靠性准则二、机械零件的设计准则（一）基本概念零件工作—→承受载荷—→载荷欲使零件失效零件据自身结构、材料反抗失效—→反抗失效＞失效—→解决办法：合理设计遵循设计准则2、设计准则：设计机械零件时，保证其工作能力而不发生失效所依据的基本准则称为设计准则

1、工作能力：在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，习惯上又称为承载能力。（一）基本概念零件设计时的共性：零件工作—→承受载荷—→载荷欲使零件失效零件据自身结构、材料1、强度准则机械零件工作能力的最基本准则强度：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]正应力：剪应力：极限应力（二）主要的设计准则1、强度准则机械零件工作能力的最基本准则正应力：剪应力：极限2、刚度准则刚度：材料抵抗弹性变形的能力刚度准则：实际变形量≤许用变形量弯曲刚度：挠度条件：y≤[y]倾角条件：θ≤[θ]扭曲刚度：扭角条件：j≤[j]2、刚度准则刚度：材料抵抗弹性变形的能力3、寿命准则寿命:指零件在不发生失效的情况下，安全可靠的工作的时间影响寿命的因素:磨损、腐蚀、疲劳寿命准则：控制表面压强

P3、寿命准则寿命:指零件在不发生失效的情况下，安全可靠的工作4、振动稳定性准则振动：零件发生周期性弹性变形的现象称为振动共振：如果某一零件的固有频率与周期性外力的变化频率相等或相接近时就会产生共振振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值振动稳定性准则：

或4、振动稳定性准则振动：零件发生周期性弹性变形的现象称为振动5、热平衡准则高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、附加热应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间的间隙，降低精度等热平衡准则：工作温度低于许用值5、热平衡准则高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、附6、可靠性准则可靠性的衡量指标是可靠度，可靠度即零件在规定的使用条件下和在规定的使用时内能安全或正常工作的概率。可靠性准则就是要求所设计零件的工作可靠度不小于规定值。6、可靠性准则可靠性的衡量指标是可靠度，写出计算说明书画出零件工作图校核计算选择零件的材料选择零件类型、结构确定零件的基本尺寸结构设计确定计算准则计算零件上的载荷三、机械零件设计的一般步骤写出计算说明书画出零件工作图校核计算选择零件的材料选择四、机械零件的设计方法(一)传统设计方法：1.理论设计：2.经验设计

3.模型实验设计设计计算：先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。

校核计算：先确定零件的结构尺寸，再验算零件是否满足计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。

FF例如设计计算校核计算四、机械零件的设计方法(一)传统设计方法：1.理论设计：2.（二）现代设计方法计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、智能设计、有限元设计、摩擦学设计、动态设计等激烈的竞争传统的手段手工绘图常规的计算方法简单的计算工具矛盾CAD（二）现代设计方法计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、智能5-2机械零件的强度一、载荷和应力二、强度

1.机械零件设计的静强度

2.机械零件的疲劳强度3.安全系数5-2机械零件的强度一、载荷和应力载荷和应力1一、载荷和应力1载荷的分类由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。（1）按是否随时间变化，载荷分为：静载荷变载荷（2）按是否考虑动载荷的影响，载荷分为：名义载荷：理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷计算载荷＝载荷系数K×名义载荷

载荷系数K：用于计入在实际工作中受到的各种动载荷的影响。额定载荷：由原动机的额定功率推算出的载荷。载荷和应力1一、载荷和应力1载荷的分类由于运动中产生的2应力的分类静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力tssminsmaxsm稳定循环变应力变应力ts随机变应力不稳定循环变应力不稳定循环变应力2应力的分类静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力变应力：应力参数以正应力s为例最大应力:

smax=sm+sa最小应力:

smin应力幅:

sa平均应力:

sm循环特征:r循环应力稳定循环变应力：应力参数以正应力s为例平均应力:sm循环应力稳定循环变应力载荷和应力3稳定循环变应力对称循环变应力对称循环应力r=-1、sm＝0脉动循环变应力

脉动循环应力

r=0、smin＝0静应力r=1静应力（可看作是循环应力的一个特例）非对称循环变应力非对称循环应力载荷和应力3稳定循环变应力对称循环变应力对称循环应力脉动循环静应力只能由静载荷产生，变应力可能由变载荷或静载荷产生。aσ0tt0σa在变应力下，零件的主要失效形式为：疲劳破坏另外，应力还分为名义应力：根据名义载荷求得的应力计算应力：根据计算载荷求得的应力静应力只能由静载荷产生，变应力可能由变载荷或静载荷产生。aσ对称循环变应力应力表达：

s-1（t-1

）最大应力:

smax最小应力:

smin应力幅:

sa平均应力:

sm循环特征:rts对称循环变应力应力表达：s-1（t-1）ts脉动循环变应力应力表达：

s0（t0

）最大应力:

smax最小应力:

smin应力幅:

sa平均应力:

sm循环特征:rsmts脉动循环变应力应力表达：s0（t0）smts静应力应力表达：

s+1（t+1

）最大应力:

smax最小应力:

smin应力幅:

sa平均应力:

sm循环特征:rtssm静应力应力表达：s+1（t+1）tssm二、强度（一）机械零件的静强度强度准则：工作应力≤许用应力

σ≤[σ]或τ≤[τ]或（二）机械零件的疲劳强度变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。

1疲劳断裂机械零件在循环应力作用下,即使，应力的每次循环仍然会对零件造成轻微损伤。随应力循环次数的增加，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。二、强度（一）机械零件的静强度强度准则：工作应力≤许用应力（

疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低;疲劳断口均表现为脆性突然断裂;

疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。零件表层产生微小裂纹；

疲劳断裂过程：

随着循环次数增加，微裂纹逐渐扩展；当剩余材料不足以承受载荷时，突然脆性断裂。疲劳断裂具有以下特征：断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。表面光滑表面粗糙疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服§2-2疲劳曲线和极限应力图

2两个概念：2）疲劳寿命N：材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。

3疲劳曲线（-N曲线）

应力比一定时，表示疲劳极限与循环次数N之间关系的曲线。

注：

不同或

N不同时，疲劳极限则不同。在疲劳强度计算中，取＝。1）材料的疲劳极限：

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。§2-2疲劳曲线和极限应力图2两个概念：2）疲劳寿命疲劳曲线典型的疲劳曲线：

随N的增大而减小。但是当N超过某一循环次数N0

时，曲线趋于水平。即不再随N的增大而减小

N0

-----循环基数

以N0为界，曲线分为两个区：

s－N疲劳曲线有限寿命区无限寿命区1）有限寿命区：非水平段（N＜N0）的疲劳极限称为条件疲劳极限，用表示。当材料受到的工作应力超过时，在疲劳破坏之前，只能经受有限次的应力循环。——寿命是有限的疲劳曲线典型的疲劳曲线：随N的增大而减小。疲劳曲线2

与曲线的两个区相对应，疲劳设计分为：1）无限寿命设计：

N≥N0时的设计,＝

2）有限寿命设计：

N＜N0时的设计=

设计中常用的是疲劳曲线上的AB段，其方程为：（常数）——称为疲劳曲线方程1）无限寿命区：当N≥N0时，曲线为水平直线，对应的疲劳极限是一个定值，用表示。它是表征材料疲劳强度的重要指标，是疲劳设计的基本依据。

可以认为：当材料受到的应力不超过时，则可以经受无限次的应力循环而不疲劳破坏。——寿命是无限的。

疲劳曲线2与曲线的两个区相对应，疲劳设计分为：1）无限寿疲劳曲线3B点的坐标满足AB的方程，即，代入上式得则

式中：——寿命系数；m

—寿命指数，

—循环基数

2）工程中常用的是对称循环应力（

）下的疲劳极限，计算时，只须把和换成和即可。注：1）计算时，如

，则取3）对于受切应力的情况，则只需将各式中的换成即可。

4）当

时，因N较小，可按静强度计算。疲劳曲线3B点的坐标满足AB的方程，即，代入上式得则§2-3影响疲劳强度的因素（二）零件的许用应力实际中的各机械零件与标准试件，在形体，表面质量以及绝对尺寸等方面往往是有差异的。

影响零件疲劳强度的主要因素有以下三个：

1、应力集中的影响

机械零件上的应力集中会加快疲劳裂纹的形成和扩展。从而导致零件的疲劳强度下降。

用有效应力集中系数、计入应力集中的影响2、尺寸的影响零件尺寸越大，在加工中出现缺陷，产生微观裂纹等疲劳源的可能性越大。从而使零件的疲劳强度降低。

§2-3影响疲劳强度的因素（二）零件的许用应力实际中的各机械影响疲劳强度的主要因素2

用尺寸系数、计入尺寸的影响。3、表面质量的影响

表面质量：是指表面粗糙度及其表面强化的工艺效果。表面越光滑，疲劳强度可以提高。强化工艺（渗碳、表面淬火、表面滚压、喷丸等）可显著提高零件的疲劳强度。

无限寿命区的许用应力：

用表面状态系数、计入表面质量的影响。机械零件在有限寿命区的许用应力：S—许用安全系数影响疲劳强度的主要因素2用尺寸系数、计入（三）稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算1、对称循环、简单应力下的疲劳强度2、对称循环、复合应力下的疲劳强度（三）稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算1、对称循环、简单应三、安全系数的选取1）静应力下，塑性材料的零件：S=1.2～１.5铸钢件：S=1.５～２.5典型机械的S可通过查表求得。无表可查时，按以下原则取：S↑→零件尺寸大，结构笨重。S↓→可能不安全。２）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：S=3～43）变应力下，S=1.3～1.7材料不均匀，或计算不准时取：S=1.7～2.5三、安全系数的选取1）静应力下，塑性材料的零件：S=1.25－3机械零件的接触强度

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。5－3机械零件的接触强度若两个零件在受载前是点接FFρ2

O2

ρ1

O1

ρ2

O2

ρ1

O1

F

Fω2

2b

sHω1

变形量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扩展与断裂

油B金属剥落出现小坑FFρ2O2ρ1O1ρ2O2ρ1O1Fb由弹性力学可知，应力为：对于钢或铸铁取泊松比：

μ1=μ2=μ=0.3,则有简化公式。上述公式称为赫兹(H·Hertz)公式

“+”用于外接触，“-”用于内接触。σHσHρ2ρ1Fnρ1Fnbρ2σHσHb由弹性力学可知，应力为：对于钢或铸铁取泊松比：上述公式称为σH-------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：bFnσH-------最大接触应力或赫兹应力;b------5-4

常用材料及其选择一、常用材料二、钢的热处理三、材料选择原则5-4常用材料及其选择一、常用材料一、常用材料1铸铁：含Ｃ＞2.06％→易成型、价廉、吸振、可靠性差灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁2钢：含Ｃ量＜1.4％→常用碳素钢：（含Ｓ、Ｐ量不同）普通碳素钢、优质碳素钢合金钢：综合机械性能好，但较贵合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理铸钢：含Ｃ→（0.15～0.6）％→易成型3有色金属合金：有特殊性能，价昂→少用铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金4非金属材料：工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料…一、常用材料1铸铁：含Ｃ＞2.06％→易成型、价廉、吸振、二、钢的热处理1退火2正火3淬火4回火5表面热处理二、钢的热处理1退火热处理工艺主要目的用途退火降低硬度，提高塑性，改善切削性能；细化晶粒，减少组织的不均匀性；消除内应力退火工序多安排在锻、铸之后，切削工序之前。适用于铸件、焊接件、中碳钢和中碳合金钢轧制件等正火调整硬度，细化品粒，消除网状碳化物。淬火前的预备热处理，以减少淬火缺陷改善低碳钢和低碳合金钢的切削性能；中碳钢和合金钢淬火前的预备热处理；对要求不高的零件可作为最终热处理淬