机械设计电子教案

机械设计电子教案第一章绪论基本要求及重点、难点机械的组成及本课程研究的对象，本课程的性质和任务，本课程的特点和学习方法。

基本要求:1) 搞清楚“学什么”、“为什么学”和“如何学”这三个大问题，树立学好本课程的信心和决心。

重点、难点：1) 本课程的性质、特点和学习方法一、本课程介绍1.命名及分类：命名：组成机器的必不可拆的基本单元称机械零件。

机器：执行机械运动的装置。

由原动机－传动部分－工作机组成，代替人的劳动作工或进行能量转换。

特征：１）人为实物组合，或由机构组成；２）各部分之间有确定的相对运动；３）用来代替或减轻人的劳动左右用工或转换能量。

机构：具机器特征机械：机器及机构的总称。

设计：为满足某一特定要求而进行的创造过程。

分类：通用机械零件专用机械零件２．研究对象：在普通条件下工作的一般参数的通用机械零件的设计理论和方法。

３．课程性质、任务：性质：是一门论述机械设计理论、研究机械设计方法的设计性质的技术基础课。

是多学科知识的综合运用。

具有综合性、设计性。

任务：１）掌握机械设计所必需的基本知识、基本理论和基本技能，解决通用零件设计问题设计计算绘制工作图２）独立进行传动装置的设计；３）熟悉国家标准、手册、规范等，并正确运用；４）培养学生树立正确的设计思想。

４．特点及学习方法：特点：三性：综合性、设计性、实践性四多：公式多而繁、概念多、图表多、系数多。

学习方法：１）抓实质２）理论联系实际３）试算法４）归纳总结二．机械零件的主要失效形式和设计准则：1.主要失效形式：１）断裂２）塑变磨损３）表面失效胶合疲劳点蚀４）其他失效：打滑2.设计准则：1）强度准则：σσ≤［σ］或τ≤［τ］；［σ］＝s minτ或［τ］＝s min2）刚度准则：ｙ≤［ｙ］或θ≤［θ］φ≤［φ］3）耐磨性准则：验算压强：ｐ≤［ｐ］条件性计算限制单位接触面上单位时间产生摩擦功不太大，控制ｐｖ≤［ｐｖ］4）可靠性准则：按传统强度设计方法设计零件，由于材料强度，外载荷和加工尺寸等存在离散性，有可能出现达不到预定工作时间而失效的情况。

希望将出现这种失效情况的概率控制在一定程度之内，这就对零件提出可靠性要求。

可靠度：机器或零件在一定工作环境下，在规定的使用期限内连续工作的概率。

三．机械零件的一般设计步骤：１．计算零件上的载荷２．选材设计计算３．理论计算校核计算４．结构设计５．画工作图载荷与应力1、载荷机械工作时所受的力或力矩统称为载荷。

载荷的大小或方向不随时间变化极缓慢时，称为静载荷；载荷大小或方向不断随时间变化时，称为变载荷。

2、应力荷作用在零件上将产生应力。

不随时间而变或随时间缓慢变化的应力称为静不断地随时间而变的应力称为变应力。

静载荷和变载荷均可能产生变应力。

3、变应力的种类图中：T为应力变化周期为应力幅为平均应力绝对值最大应力为绝对值最小应力1）稳定循环变应力：应力变化周期、应力幅和平均应力均不随时间而变者；2）不稳定循环变应力：应力变化周期、应力幅或平均应力之一随时间而变者；3）随机变应力：应力变化不呈周期性而带偶然性者。

4、稳定循环变应力的种类对称循环变应力 2）脉动循环变应力 3）对称循环变应力在稳定循环变应力中：＝＋；＝－＝(+)/2＝(－)/2对称循环变应力：＝0，＝||＝||脉动循环变应力：＝0，＝||，＝2＝2静应力：＝0，＝5、稳定循环变应力的应力比（应力循环特征）三种稳定循环变应力可用应力比（应力循环特征）r来表征：对称循环变应力：r＝－1；脉动循环变应力：r＝0；静应力：r＝＋1。

例：设有一零件受变应力作用，已知变应力的平均应力＝189Mpa，应力幅为＝129Mpa，试求该变应力的循环特征r。

：最大应力为：＝＋＝189＋129＝318 Mpa，最小应力为：＝－＝189－129＝60 MPa，循环特征为：＝60/318＝0.18876、材料的极限应力1）静应力作用下的极限应力主要与材料的性能有关。

对于塑性材料：主要失效形式是塑性变形，取其屈服极限(σs、τs)作为极限应力，即，；对于脆性材料：主要失效形式是脆性破坏，取其强度极限(σb、τb)作为极限应力，即，。

静应力作用下的机械零件强度条件式常采用：或即危险剖面处的计算应力σca、τca不超过许用应力[ ]、[τ]。

2）变应力作用下的极限应力也称材料疲劳极限，除了与材料的性能有关外，还与应力的循环特征r、应次数N有关。

疲劳极限用σrN表示，r不同，σrN不同；N不同，σrN也不同（如下图）。

变应力作用下的机械零件强度条件式常采用：≥[S] 或即危险剖面处的计算安全系数不小于许用安全系数[S]。

您现在的位置：主页》机械零件的强度计算》材料的疲劳曲线1、σ-N曲线在材料的标准试件上加上循环特性为r的稳定循环变应力（通常为r=-1的对称循环变应力或者r=的脉动循环变应力），并以循环的最大应力σmax表征材料的疲劳极限，通过试验，记录出在不同最大应力下引起试件疲劳破坏所经历的应力循环次数N，即可得到疲劳曲线，通称σ-N曲线。

静应力强度（AB段）：应力循环次数N≤1000以前，使材料试件发生破坏的最大应力值基本不随N而变，这时的变应力强度可看作是静应力强度的状况。

低周疲劳（BC段）：随着循环次数的增加，使材料发生疲劳破坏的最大应力不断下降。

观察试件在这一阶段的破坏断口，可见到材料已发生塑性变形的特征。

C点相应的循环次数大约在10000左右。

这一阶段的疲劳现象称为应变疲劳。

由于应力循环次数相对很小，所以也叫做低周疲劳。

有些机械零件，例如一次性使用的火箭发动机的某些零件、导弹壳体等，在整个使用寿命期间应力变化次数只有几百到几千次，故其疲劳属于低周疲劳。

但对绝大多数通用零件来说，当其承受变应力作用时，其应力循环次数总是大于10000的所以本课程不讨论低周疲劳问题。

高周疲劳（CD段）：CD段代表有限寿命疲劳破坏。

在此范围内，试件经过相应次数的变应力作用后总会发生疲劳破坏。

在D点以后，如果σmax＜σD时,则无论应力变化多少次,材料都不会破坏。

故D点以后的水平线代表了试件无限寿命疲劳阶段。

这两段曲线所代表的疲劳统称高周疲劳。

大多数通用机械零件及专用零件的失效都是由高周疲劳引起的。

CD上任何一点所代表的材料的疲劳极限，均称为有限寿命疲劳极限，用符号σrN表示。

脚标r代表该变应力的循环特性，N代表达到疲劳破坏时所经历的应力循环次数。

D点所代表的是材料的无限寿命疲劳极限，也称为持久疲劳极限，用符号σr∞或σr表示。

2、有限寿命疲劳曲线方程有限寿命疲劳曲线的CD段可用公式描述：对上式两边取对数，则得双对数坐标上的疲劳曲线，如下图所示。

无限寿命疲劳曲线在D点以后，是一条水平线，它的方程为：。

在双对数坐标上有限寿命疲劳曲线CD是一条直线。

由于N D有时很大（或更大），所以人们在作疲劳试验时，常规定一个循环次数N0，称为循环基数，将与N0相对应的疲劳极限称为该材料的疲劳极限σrN0，简写为σ当N D不大时，N0=N D，而当N D很大时，N0〈N D，于是疲劳曲线的CD段可改为：，由此便得到了根据σr及N0来求有限寿命区间内任意循环次数N（Nc〈N〈N D）时的疲劳极限σrN的表达式为式中：K N称为寿命系数，它等于σrN与σr之比值；m为材料常数，其值由试验来决定：对于钢材，在弯曲疲劳和拉压疲劳时，m=6～20，；在初步计算中，钢制零件受弯曲疲劳时，中等尺寸零件取m=9，；大尺寸零件取m=9，。

当Ｎ大于疲劳曲线转折点Ｄ所对应的循环次数ＮD时，Ｎ就取为ＮD而不再增加（亦即)。

一、材料的极限应力线图在作材料试验时，通常是求出对称循环的疲劳极限σ-1和脉动循环的疲劳极限σ0，但机械零件的力并不总是对称循环变应力或脉动循环变应力。

为此需要构造材料的极限应力线图来求出符合实际工作应力循环特性的疲劳极限，作为计算强度时的极限应力。

如图所示把σ-1这σ0两个极限应力标在σm-σa图上。

由于对称循环变应力的平均应力σm=0，最大应力等于应力幅，所以对称循环疲劳极限在图中以纵坐标轴上的A′点来表示。

由于脉动循环变应力的平均应力及应力幅均为σm=σa=σ0/2，所以脉动循环疲劳极限以由原点0所作45°射线上的D′点来表示。

直线A′D′上任何一点都代表了一定循环特性时的疲劳极限。

横轴上任何一点都代表应力幅等于零的应力，即静应力。

取C点的坐标值等于材料的屈服极限σs，则CG′上任何一点均代表σmax=σm+σa=σs的变应力状况。

材料（试件）的极限应力曲线即为折线A′G′C。

材料中的应力如处于OA′G′C区域以内，则表示不发生破坏；如在此区域以外，则表示一定发生破坏；如正好处于折线上，则表示工作应力状况正好达到极限状态。

二、零件的极限应力线图由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因素等的影响，使得零件的疲劳极限要小试件的疲劳极限。

如以弯曲疲劳极限的综合影响系数Ｋσ表示材料对称循环弯曲疲劳极限σ-1与零件对称循环弯曲疲劳极限σ-1e的比值，即则当已知Ｋσ及σ-1时,就可以不经试验而估算出零件的对称循环弯曲疲劳极限为：在不对称循环时,Ｋσ是试件的与零件的极限应力幅的比值。

因此把零件材料的极限应力线图中的直线A′D′G′按比例向下移，则得零件的极限应力线图中的直线ADG；而直线CG为材料极限应力线图中的直线CG′（此段直线是按照静应力的要求来考虑的，与应力幅无关）。

故零件的极限应力曲线由折线AGC表示。

直线AG的方程为：或直线CG的方程为：式中：σ-1e为零件的对称循环弯曲疲劳极限σae′为零件受循环弯曲应力时的极限应力幅σme′为零件受循环弯曲应力时的极限平均应力ψσe为零件受循环弯曲应力时的材料特性：式中：ψσ为试件受循环弯曲应力时的材料特性，其值由试验决定；Ｋσ为弯曲疲劳极限的综合影响系数：式中：kσ为零件的有效应力集中系数（脚标σ表示在正应力条件下，下同）；εσ为零件的尺寸系数；βσ为零件的表面质量系数；βq为零件的强化系数。

以上各系数的值见有关资料。

将上述公式中的σ以τ代换,可得切应力情况的极限应力曲线方程。

定变应力时零件的疲劳强度计算1、零件的工作应力点当已知机械零件危险截面上的最大应力σmax及最小应力σmin时，可计算出平均应力σm及应力幅然后在极限应力线图的坐标上即可标示出相应于σm及σa的一个工作应力点M或N，如下图所示。

2、零件极限应力的确定在作机械零件的疲劳强度计算时，需要确定与工作应力点M（或N）所代表的最大工作应力σmax相对应的位于AGC线上的极限应力点M'1（或N'1）所代表的极限应力σ'max。

那么究竟哪一点是M'1（或N'1）？这要根据零件中由σ于结构的约束而使应力可能发生的变化规律来决定。