机械设计的相关基础知识优秀课件

a) 基本参数
最大应力 max m a
最小应力 min m a
平均应力 应力幅
m
max
min
2
a
max
min
2
应力循环特性
min max
b) 稳定循环变应力种类：
γ = –1 ——对称循环变应力 γ = 0 —— 脉动循环变应力
-1< γ<+1——不对称循环变应力 γ =+1 —— 静应力
（一）载荷的分类
静载荷：不随时间变化的载荷。
变载荷：随时间变化的载荷。 1）循环变载荷 a) 稳定循环变载荷 b) 不稳定循环变载荷 2）随机变载荷
（二）应力分类 静应力— 不随时间变化的应力 变应力— 随时间变化的应力
稳定循环变应力
不稳定变应力
一个循环
O
O
t
t
规律性不稳定变应力
随机变应力
稳定循环变应力的基本参数和种类
机械设计的相关基础 知识
（三）零件的表面破坏
腐蚀：发生在金属表面的一种电化学 或化学侵蚀现象。
磨损：两个接触表面在作相对运动的 过程中表面物质丧失或转移的 现象。
接触疲劳：零件表面受接触变应力的长 期作用产生裂纹或微粒剥落 的现象。
（四）破坏正常工作条件引起的失效
零件发生哪种形式的失效，与很多因素有关。但有人对 1378项失效所做的分析结果显示，由于腐蚀、磨损和各种疲劳 破坏引起的失效占73.88%，断裂引起的失效占4.79%。从中可 以看出零件失效的主要原因是腐蚀、磨损和疲劳。
6)根据工艺性及标准化等原则进行零件的结构设计。 7)细节设计完成后，必要时进行详细的校核计算，以判定结构的 合理性。 8)画出零件的工作图，并写出计算说明书。
六、机械零件的强度
名义载荷—在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷 F
载荷系数—机器运转时，零件会受到各种附加载荷的影响 K 计算载荷—载荷系数与名义载荷的乘积 Fca K F
（三）静应力时机械零件的强度计算
1、单向应力下塑性材料零件的强度条件：
ca
[
]
s
S
ca
[ ]
s
S
或
Sca
Sca
s ca
s ca
S S
2、复合应力时塑性材料零件的强度条件：
按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算
第三强度理论 ca 2 4 2 [ ] s / S
钢 m=9——拉、弯应力、剪应力
2、影响机械零件疲劳强度的主要因素 应力集中 有效应力集中系数 k 零件尺寸 尺寸系数 表面状态 表面状态系数
3、许用应力
1
1
k S
（五）安全系数
0
k S
0
1、静应力下，塑性材料以屈服极限为极限应力。S =1.2～1.5；
对于塑性较差的材料 S =1.5～2.5 2、静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，取较大的安全
二、设计机械零件时应满足的基本要求
（一）强度 断裂、残余变形统属于强度不足引起
（二）刚度 弹性变形
（三）寿命及可靠性 （四）结构工艺性 （五）经济性 （六）质量小
三、机械零件的设计准则
(一)强度准则 lim S
(二)刚度准则 y≤[y]
(三)寿命准则
(四)振动稳定性准则 0．85＞P或1.15＜P
e 0
失效率曲线（浴盆曲线 ）
四、机械零件的设计方法
(一)理论设计
由设计理论和实验数据所进行的设计
1、设计计算 2、校核计算 (二)经验设计
lim
S
A SF
lim
F
A
F lim
AS
(三)模型实验设计
五、机械零件设计的一般步骤
机械零件的设计大体要经过以下几个步骤： 1)根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。为此，必须对 各种零件的不同类型、优缺点、特性与使用范围等，进行综合对 比并正确选用。 2)根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。 3)根据零件的类型、结构和所受载荷，分析零件可能的失效形式， 从而确定零件的设计准则。 4)根据零件的工作条件及对零件的特殊要求(例如高温或在腐蚀性 介质中工作等)，选择适当的材料。 5)根据设计准则进行有关的计算，确定出零件的基本尺寸。
疲劳破坏的机理：损伤的累积 影响因素：不仅与材料性能有关，零件的表层缺陷、截面尺寸突
变、应力集中部位等，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、σ—N疲劳曲线：
σ—N疲劳曲线
在疲劳曲线的左半部（N＜N0）
m 1N
N
m 1
N
0
C
1N
1 m
N0 N
循环基数 N0 106 ~ 25107
(五)可靠性准则
可靠度的概念 有一批某种零件，其件数为N0，在一定的工作条件下进行试验。 在t时间后仍有N件在正常地工作，则此零件在该工作环境条件 下工作t时间的可靠度R可表示为
R N N0
失效率 (t) dN / dt
N
t tdt N dN ln N ln R
0
N N0
N0
R
t t dt
系数。 S ＝3～4 3、变应力下，以疲劳极限作为极限应力 S =1.3～1.7或S =1.7～2.5
七、机械零件的摩擦、磨损与润滑剂
（一）摩擦状态 按表面润滑情况，将摩擦分为以下几种状态
1、干摩擦 两摩擦表面间不加任何润滑剂
粘附理论：
Ff f Fn
弹性变形
f 0.1 ~ 1.5
塑性变形
2、边界摩擦（边界润滑） 两摩擦表面间有润滑油存在，由于润滑油与金属表面的吸附 作用，因而在金属表面上形成极薄的边界油膜。
[ ]
B
S
或
Sca
B ca
S
2）复合应力下工作的零件
按第一强度理论：
ca
1 (
2
2 4 2 ) [ ] B
S
Sca
2 B 2 4 2
S
（四）变应力时机械零件的强度计算
变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂
疲劳断裂具有以下特征：
1）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； 2）不管脆性材料或塑性材料，其疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然 断裂； 3）疲劳断裂是损伤的积累，它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这 种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未裂开的截面积不 足以承受外载荷时，零件就突然断裂。
第四强度理论 ca 2 3 2 [ ] s / S
复合应力计算安全系数为：
Sca
s
S
2 ( s )2 2
s
Sca
S S S S2 S2
3、脆性材料与低塑性材料 失效形式：极限）
B
1）单向应力状态
强度条件： ca
[
]
B
S
或
Sca
B ca
S
ca