wCh0102L绪论总论课件

第一章绪论§1-1机械及机械设计§1-2本课程的内容、性质与任务§1-3特点及学习方法概论螺纹联接轴毂联接带传动齿轮传动蜗杆传动链传动轴滑动轴承滚动轴承联轴器和离合器机械设计§1-1机械及机械设计机械――机器和机构的总称。

一、机械、机器和机构机构

构件

零件机器｛通用零件专用零件本课程中“设计”的含义是指机械装置的实体设计，涉及零件的应力、强度的分析计算，材料的选择、结构设计，考虑加工工艺性、标准化以及经济性、环境保护等。构件：为完成同一使命而协同工作的许多零件的组合。零件：组成机器的不可拆的基本单元（即制造的基本单元）。如：滚动轴承、联轴器。机械零件常用泛指零件和构件用途专用零部件：只在一定类型机器中使用的零件，如曲轴。通用零部件：各种机器中普遍使用的零部件，如齿轮、螺栓。标准件：制定了国家标准，并由专门工厂生产的零部件

如：滚动轴承、螺栓等。机器的组成：原动部分传动部分执行部分辅助系统（比如润滑、显示、照明等)控制部分二、课程的目标1、掌握通用零件的设计原理、设计方法和机械设计的一般规律;2、掌握典型零件的实验方法；3、具有运用标准、规范和设计资料进行设计工作的能力。4、了解机械方案设计、现代设计理论与方法。

涉及面广关系多─与诸多先修课关系密切。要求多─设计一个机器或零件时，应同时满足强度、刚度、耐磨性、工艺、等各方面的要求。公式多─除了定义式以外，对于大多数公式着重于公式的应用，不强调公式的推导。图表多─要求能看懂、会用，了解适用的范围和变化趋势。

实践性强─不能单纯靠理论公式还要用经验或半经验公式，具体数据有时要进行圆整或取标准值

设计问题无统一答案-----重视结构设计，便于加工、装配和维修本课程的特点

§1-3本课程的特点及学习方法课程的设置：课程实验：6学时课堂理论教学：7～18周，42学时。

1、螺栓强度实验(2学时)2*、带传动实验(2学时)

3、轴系结构设计实验(2学时)4、齿轮减速箱拆装实验(2学时)

设计实践（课程设计）：2～2.5周。§2.1机械设计的基本要求第二章机械设计总论1.使用要求3.劳动保护要求4.环境保护要求5.可靠性要求1、强度、刚度、耐磨

性等2、结构工艺性要求3、经济性要求（材料、质量）4、零件的可靠性要求2.经济性要求一、设计机器的基本要求：零件应满足的要求：二、机械零件的设计方法2.经验设计3.模型实验设计4.现代设计方法：可靠性设计设计式验算式｛许用应力法安全系数法优化设计1.理论设计｛三、机械设计的一般程序

1、机器设计的一般程序

市场调研可行性研究原理方案设计技术设计试制试验小批生产试销投产设计任务书定出最佳方案装配图零件图技术文件样机评价改进考核工艺性收集用户意见产品销售

1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷2）选择零件的类型与结构3）选择零件的材料4）按可能的失效形式确定零件的计算准则，并确

定零件的基本尺寸，加以标准化和圆整5）零件的结构设计6）绘制零件的工作图，并编写计算说明书

2、机械零件设计的一般步骤一、工作能力失效：零件由于某种原因丧失正常工作能力。工作能力：机械零件抵抗失效的能力。影响工作能力的因素主要有：强度、刚度、稳定性、耐磨性以及温度等。§2.2机械零件设计应考虑的问题1、强度强度：零件抵抗断裂、塑变、疲劳破坏的能力。方法：1）或2）S——安全系数，S＞1S↑：安全，浪费材料S↓：经济，不安全挤压强度及刚度准则２、刚度

刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。

例如：机床主轴的弹性变性过大将会影响所加工工件的精度。零件材料的弹性模量E越大，则其刚度越大。３、振动稳定性

当作用在零件上的周期性外力的变化频率接近或等于零件的自激振动频率（固有频率）时，便发生共振，导致零件失效。这种现象称之为“失去振动稳定性”。耐磨性计算４、摩擦学（耐磨性计算）

到目前为止对于磨损失效还没有一个完善的计算方法。通常只进行条件性计算，通过限制影响磨损的主要因素防止产生过大的磨损量。

即压强不超过许用值p≤［p］速度不超过许用值v≤［v］压强与速度乘积不超过许用值pv

≤［pv

］注：限制p

值就是间接的限制因摩擦而产生的热量，防止温度过高。二、材料选择及结构工艺性1.合理地选择材料（如教材表2－1）2.机械零件要有良好的工艺性（如教材表2－2）三、标准化、通用化、系列化零部件标准化、通用化、系列化的优越性：1.减轻设计工作量、缩短设计周期和降低费用；2.便于批量生产、降低成本、保证质量；3.具有互换性，便于维修；4.可使技术条件、试验方法和验收等标准化，有利于改进和提高产品质量，以及扩大和开发新产品。§2-3机械零件的强度及其设计准则失效：零件由于某种原因丧失正常工作能力1、主要失效形式：1）整体断裂2）过大的变形（弹性变形、残余变形）3）零件的表面失效4）破坏正常工作条件引起的失效2、零件设计准则：1）强度准则2）刚度准则3）耐磨性准则4）振动准则机械零件的计算准则一、载荷和应力1、载荷静载荷变载荷按是否随时间变化，载荷分为：按是否考虑动载荷的影响，载荷分为：载荷和应力2名义载荷：在理想平稳条件下所受的载荷（不考虑动载荷的影响）由原动机的额定功率推算出的载荷。计算载荷＝载荷系数K×名义载荷（代表机器或零件实际所受载荷）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。静载荷：指大小、作用位置和方向不随时间变化或变化缓慢的载荷。2应力应力静应力变应力机械零件的计算准则（1）稳定变应力

1)对称循环变应力

2)非对称循环变应力（2）不稳定变应力a、

有规律变应力b、随机循环变应力a、脉动b、泛指3、稳定循环变应力的基本参数和种类

（1)基本参数

应力循环特性最大应力最小应力平均应力应力幅循环应力静应力非对称循环变应力脉动循环变应力对称循环变应力a)b)c)d)（2)稳定循环变应力种类：r=–1——对称循环变应力

r=0——脉动循环变应力-1<

r<+1——不对称循环变应力

r=+1——静应力

注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生名义应力——由名义载荷产生的应力计算应力——由计算载荷产生的应力

（3）名义应力和计算应力在变应力下，零件的主要失效形式为：疲劳破坏强度准则二、静应力的强度计算强度条件有两种表示方法：≤＝用安全系数：用应力：≥式中：—计算最大应力—极限应力—计算安全系数—许用应力—许用安全系数机械零件的计算准则整体强度（体积强度）：按体积应力计算的；如拉压弯扭应力等。表面强度：按表面应力计算的强度称表面强度。强度条件：

或

1、单向应力下的塑性零件

在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形或断裂。材料种类不同，所取极限应力也不同。塑性材料单向应力状态下：，复合应力状态下：按第二或第四强度理论计算当量应力。

2、复合应力时的塑性材料零件（1）按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算由第三强度理论（最大剪应力理论）由第四强度理论：（最大变形能理论）

（2）复合应力计算安全系数为：考虑到σs=2τs※

3、脆性材料与低塑性材料

（1)单向应力状态

强度条件：或

或

失效形式：断裂

单向应力状态下：

，复合应力状态下：按第一强度理论计算当量应力。

脆性材料按第一强度条件：

（最大主应力理论）

注意：低塑性材料（低温回火的高强度钢）—强度计算应计入应力集中的影响脆性材料（铸铁）—强度计算不考虑应力集中一般工作期内应力变化次数<103（104）按静应力强度计算（2)复合应力下工作的零件三、机械零件的疲劳强度计算（一）、变应力作用下机械零件的失效特征3、疲劳破坏的机理：损伤的累积4、影响因素：不仅与材料性能有关，变应力的循环特性，

应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。

1、失效形式：疲劳（破坏）（断裂）

2、疲劳破坏特征：

（1）断裂过程：①产生初始裂纹（应力较大处）②裂纹尖端在切应力作用下，反复扩

展，直至产生疲劳裂纹。

（2）断裂面：

①光滑区（疲劳发展区）

②粗糙区（脆性断裂区）

（3）无明显塑性变形的脆性突然断裂

（4）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限

（二）、材料的疲劳曲线和极限应力图——疲劳极限，循环变应力下应力循环N次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为材料的疲劳极限疲劳寿命（N）——材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N1、疲劳曲线：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线No—循环基数

—持久极限

不同或

N不同时，疲劳极限则不同。在疲劳强度计算中，取＝。

可以看出：随N的增大而减小。但是当N超过某一循环次数No

时，曲线趋于水平。即不再随N的增大而减小。

(2)无限寿命区——持久极限对称循环：脉动循环：(3）疲劳曲线方程(1）有限寿命区当N<103(104)—低周循环，疲劳极限接近于屈服极限，按静强度计算当N>103(104)——高周循环疲劳当时

随循环次数↑疲劳极限↓——寿命系数∴疲劳极限几点说明：

①No

:硬度≤350HBS钢，No=107

≥350HBS钢，

No=(10～25)x107

注意：有色金属和高强度合金钢没有无限寿命区。

有色金属(无水平部分)，规定当No>25x107时,近似为

无限寿命区②m—随应力状态而不同的指数，与应力与材料的种类有关。

钢m=9——拉、弯应力、剪应力m=6——接触应力

青铜m=9——弯曲应力m=8——接触应力③应力循环特性r越大，材料的疲劳极限与持久极限越大，对零

件强度越有利。对称循环（应力循环特性=-1）最不利2、材料的疲劳极限应力图——同一种材料在不同的应力循环特性下的疲劳极限图（图）

对任何材料（标准试件）而言，对不同的应力循环特性下有不同的持久极限，即每种应力循环特性下都对应着该材料的最大应力=

，再由应力循环特性可求出和、以为横坐标、为纵坐标，即可得材料在不同应力循环特性下的极限和的关系图如图A′B——脆性材料所示。塑性材料类似，可用折线代替。曲线上的点对应着不同应力循环特性下的材料疲劳极限A′——对称疲劳极限点

D′——脉动疲劳极限点B——强度极限点(静应力点)

C——屈服极限点

上各点：如果不会疲劳破坏上各点：如果不会屈服破坏

折线以内为疲劳和塑性安全区，折线以外为疲劳和塑性失效区，工作应力点离折线越远，安全程度愈高。材料的简化极限应力线图，可根据材料三个试验数据而作出

对称极限点

强度极限点

脉动疲劳极限点

屈服极限点简化极限应力线图：——简化极限应力图作法：考虑材料的最大应力不超过疲劳极限，得及延长线考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限，得注:

直线上任一点极限应力的求法可用直线方程求解。直线A

G

的方程：直线G

C的方程：

—为试件受循环弯曲应力时的材料常数，表示材料对循环不对称的敏感程度。其值由试验确定。对碳钢，对合金钢

也可计算：

-1—对称循环疲劳极限

0—脉动循环疲劳极限例1在图示极限应力图上，工作点D和E为斜齿轮轴上的两种应力工作点。试在图中标出对应的极限应力点，并说明分别会出现什么形式的破坏？要点分析：（1）斜齿轮轴上即承受弯矩，又承受扭矩，为转轴，所以轴上各点应力循环特性r=常数，D﹑E两点对应的极限应力点分别是OD,OE与极限应力线的交点D

、E′。（2）r=常数时，OAG区域内工作应力点的失效形式为疲劳失效，OGC区域内工作应力点的失效形式为屈服失效，其极限应力均为

s。解：

如图示D点对应的极限应力点为D′，

E

点对应的极限应力点为E′。

D点会出现疲劳失效，E点会出现

屈服失效（塑性变形）。

填空题

例2某材料的对称循环疲劳极限σ-1=350MPa,屈服极限σS=550MPa,强度极限σB=750MPa,循环基数N0=5×106,m=9,当对称循环次数N分别为5×104、5×105、5×107次时，极限应力分别为

、

、

。由于实际机械零件与标准试件之间在绝对尺寸、表面状态、应力集中、环境介质等方面往往有差异，这些因素的综合影响使零件的疲劳极限不同于材料的疲劳极限，其中尤以应力集中、零件尺寸和表面状态三项因素对机械零件的疲劳强度影响最大。

3、影响机械零件疲劳强度的主要因素和零件极限应力图(1)应力集中的影响——有效应力集中系数

零件受载时，在几何形状突变处（圆角、凹槽、孔等）要产生应力集中，对应力集中的敏感程度与零件的材料有关，一般材料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感

——无应力集中的疲劳极限——有应力集中的疲劳极限注：当同一剖面上同时有几个应力集中源时，应采用其中最大的有效应力集中系数进行计算。

(2)零件尺寸的影响——尺寸系数

由于零件尺寸愈大时，材料的晶粒较粗，出现缺陷的概率大，而机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，所以对零件疲劳强度的不良影响愈显著

表面质量系数β零件加工的表面质量（主要指表面粗糙度）对疲劳强度的影响

钢的越高，表面愈粗糙，β愈低

强化处理——淬火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、喷丸、滚压等冷作工艺注：对零件进行不同的强化处理，对零件疲劳强度的影响(3）表面状态的影响

∵应力集中，零件尺寸和表面状态只对应力幅有影响，而对平均应力无影响——可通过试验而得

(4）综合影响系数综合影响系数一般，钢的强度越高，越大。因此，对高强度钢，必须注意减小应力集中和提高表面质量。※零件的极限应力图可绘制零件极限应力图已知ABDC0A1B1（，）

零件极限应力图的方程表达式0ABDC4.稳定变应力时零件的疲劳强度已知工作应力点M（，）(1).对称循环变应力(r=-1)安全系数与强度条件:0工作应力点M（0,σa）极限应力点（0,σmax）(2)对称循环变化、复合应力对塑性材料，如按第三强度理论进行计算，如弯扭复合应力，可近似取则强度条件是：已知工作应力点M（，）0(3)非对称循环变应力找极限应力点（，）（1）简单加载r=C（2）复杂加载

（3）复杂加载0（,）因为r=C当r=C｝求、0（,）ADC（,）≥[S]静强度计算--疲劳强度计算。σae—等效应力幅（,）0ADC注１：等效应力幅0（,）如果r=-1,注2:应力的等效转化（４）非对称循环变化、复合应力a)对塑性材料，S按公式2-18计算，而SσSτ需按公

式2-20计算。b）疲劳强度计算：当N<N0时，则公式中

应乘以寿命系数例题、一零件用合金钢制成，其危险截面上的最大工作应力

max=240MPa，最小工作应力

min=-40MPa，该合金钢的机械性能

-1=450MPa，

s=800MPa，

=0.1，

b=900MPa。零件危险截面的系数为K

=1.3，

=0.78，

=1，要求：

（1）绘制材料的简化极限应力图；

（2）求极限值，，；

（3）取[s]=1.3，校核此轴是否安全。解：（1）

0=818.2MPa，A(0,400)，D(409.1，409.1)，C(800，0)，（2）

max=

α+

m=240

min=

m-

α=-40所以：

m=100MPa

α=140MPa工作应力点位于OAE区域：

ADEC

α

m45

=1.85>1.3

结论：此轴安全(5)单向不稳定变应力时零件的疲劳强度a.疲劳损伤累积假说Minger法则：在规律性不稳定循环应力中各应力的作用下，损伤是独立进行的，并且可以线性地累积成总损伤。当各应力的寿命损伤率之和等于1时，则会发生疲劳破坏。对零件的损伤率损伤率极限条件安全工作=1极限条件安全工作条件b、等效稳定变应力

在上图中不稳定变应力也可以用疲劳效果等同的等效稳定变应力来等效替代各应力的作用，一般可选各应力中数值较大或作用时间较长的变应力作为等效应力，如在图中选

则对应的等效循环次数Ne，例1.345钢经调质后的性能为σ-1=307MPa,m=9,No=5×106,以此材料作试件进行实验,先以对称循环变应力σ1=500MPa作用104次，再以σ2=400N/mm2作用于试件，求还能循环多少次才会使试件破坏。要点分析：这是属于不稳定变应力作用下的疲劳强度计算问题，应根据疲劳

损伤累积假说（Miner定理）进行计算：按计算。

解：由疲劳强度极限应力曲线方程

得

由知

还能循环