第二章 机械设计概论_PPT幻灯片
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N ——持久极限
O
N
N0
N
对称循环： 1 1
脉动循环： 0 0
注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。
3）疲劳曲线方程 (130 (140 )NN 0)
m NN mN 0C
9
∴疲劳极限
N mN N0 KN
几点说明：
KN
m
N0 N
——寿命系数
① No-应力循环基数 硬度≤350HBS钢， No=107
钢的 B 越高，表面愈粗糙， ( ) 愈低
2）表面强化系数 q
考虑对零件进行不同的强化处理，对零件疲劳强度的影响 强化处理——评火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、喷丸、
滚压等冷作工艺 12
4、综合影响系数 k (k ) 和零件的极限应力图
∵应力集中，零件尺寸和表面状态 ,,,q只对应力幅 a
有影响，而对平均应力 m无影响——试验而得
疲劳极限分为无限寿命疲劳极限和有限寿命疲劳极限
7
2）材料的疲劳曲线和极限应力图
N(N) ——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N
1、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 N N
No —循环基数
—持久极限
N
有限寿命区
无限寿命区
1）有限寿命区
N
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
O
N
N0
N
8
当N>103(104)——高周循环疲
劳当130(14 0)N 时N 随0循环次数↑ 疲劳极限↓
N
有限寿命区
无限寿命区
N
2）无限寿命区
N N0
影响安全系数的因素： 1） 计算的准确性；
2）材料的均匀性；
3）零件的重要性。
一般取[S]=1.25—5.5，如材料性能数据可靠，载 荷与应力计算准确，零件的重要程度不高，则可 取=1—1.5
硬度≥350HBS钢， No=(10 - 25)x107
有色金属(无水平部分)，规定当No>25x107时,近似为无限寿命
区
② m—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
10
3）影响机械零件疲劳强度的主要因素
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。
2.1.2、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
设 计 任 务 书
原理 方案 设计
定 出 最 佳 方 案
技术 设计
试制 试验
装配图、 样
零件图、 机
技术文
评
件
价
改
进
小批生 投 产试销 产
考核
产
工艺
品
性收
销
集用
售
户意
见 1
2、机械零件设计的一般步骤
1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷 Fca=KF Pca KP
( ) ——应力集中源处名义应力
ma(xma)x——应力集中源处最大应力
11
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
3、表面状态的影响
1）表面质量系数 ( )
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
的两种情况
4）对切应力上述公式同样适用，只需将σ改为τ即可。
5）等效应力幅 ad kam 14
4、许用应力和安全系数
设计零件时，计算应力允许达到的最大值，称许用应力。 许用应力等于极限应力和许用安全系数[S]的比值。
合理地选择许用安全系数是设计中的一项重要工作。 过大则机器会过于笨重;过小，可能不安全。因此，在保 证安全的前提下，尽可能选用较小的许用安全系数。
6
3、极限应力
1）极限应力：按强度准则设计零件时，根据材料 性质及应力种类采用材料的某个应力极限值
对脆性材料： 在静应力作用下主要失效形式是断 裂，故取材料的强度极限为极限应力
对朔性材料： 在变应力作用下主要失效形式是朔性 变形，故取材料的屈服极限为极限应力
在变应力作用下的主要失效形式是疲劳破坏， 故取材料的疲劳极限为极限应力
13
注意：
1）若零件所受应力变化规律不能肯定，一般采用 γ =C的 情况计算
2）上述计算均为按无限寿命进行零件设计，若按有限寿命
要求设计零件时，即应力循环次数103(104)<N<No时， 这时上述公式中的极限应力应为有限寿命的疲劳极限
N
m
N0 N
，即应以σ-1N
代σ-1
，以σoN代σo
3）当未Hale Waihona Puke Baidu工作应力点所在区域时，应同时考虑可能出现
1）综合影响系数 k (k )
k
( k
1
1) 1 q
k
( k
1
1)
1 q
综合影响系数表示了材料极限应力幅与零件极限应力幅的比值
ka (标 a (e零 准 件 试 的 件 极 ))的 对 限 极 称 应 限 1 循 1 e((标 力 零 应 环 准 幅 件 力 试 试 幅 件 件劳 劳 对 对极 极 称 )称 )
2）随机变载荷
载荷：1）名义载荷：根据原动机或工作机的额定功率 计算出的作用在零件上的载荷 2）计算载荷：载荷系数K与名义载荷F的乘积
3
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
a
O t
a O
t
2、工作应力和计算应力
工作应力——由名义载荷产生的应力 ( ) 计算应力——由计算载荷产生的应力 ca(ca)
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，并加于标准化和圆整 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
2.2 机械零件的载荷与应力
2.2.1 载荷的分类
静载荷： 不随时间变化或缓慢变化的载荷
变载荷：
1）循环变载荷 a) 稳定循环变载荷 b) 不稳定循环变载荷
1、应力集中的影响——有效应力集中系数 k (k )
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
kk
1q( 1) 1q( 1)
max
max
q (q ) ——材料对应力集中的敏感系数
, ——为考虑零件几何形状的理论应力集中系数
O
N
N0
N
对称循环： 1 1
脉动循环： 0 0
注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。
3）疲劳曲线方程 (130 (140 )NN 0)
m NN mN 0C
9
∴疲劳极限
N mN N0 KN
几点说明：
KN
m
N0 N
——寿命系数
① No-应力循环基数 硬度≤350HBS钢， No=107
钢的 B 越高，表面愈粗糙， ( ) 愈低
2）表面强化系数 q
考虑对零件进行不同的强化处理，对零件疲劳强度的影响 强化处理——评火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、喷丸、
滚压等冷作工艺 12
4、综合影响系数 k (k ) 和零件的极限应力图
∵应力集中，零件尺寸和表面状态 ,,,q只对应力幅 a
有影响，而对平均应力 m无影响——试验而得
疲劳极限分为无限寿命疲劳极限和有限寿命疲劳极限
7
2）材料的疲劳曲线和极限应力图
N(N) ——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N
1、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 N N
No —循环基数
—持久极限
N
有限寿命区
无限寿命区
1）有限寿命区
N
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
O
N
N0
N
8
当N>103(104)——高周循环疲
劳当130(14 0)N 时N 随0循环次数↑ 疲劳极限↓
N
有限寿命区
无限寿命区
N
2）无限寿命区
N N0
影响安全系数的因素： 1） 计算的准确性；
2）材料的均匀性；
3）零件的重要性。
一般取[S]=1.25—5.5，如材料性能数据可靠，载 荷与应力计算准确，零件的重要程度不高，则可 取=1—1.5
硬度≥350HBS钢， No=(10 - 25)x107
有色金属(无水平部分)，规定当No>25x107时,近似为无限寿命
区
② m—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
10
3）影响机械零件疲劳强度的主要因素
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。
2.1.2、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
设 计 任 务 书
原理 方案 设计
定 出 最 佳 方 案
技术 设计
试制 试验
装配图、 样
零件图、 机
技术文
评
件
价
改
进
小批生 投 产试销 产
考核
产
工艺
品
性收
销
集用
售
户意
见 1
2、机械零件设计的一般步骤
1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷 Fca=KF Pca KP
( ) ——应力集中源处名义应力
ma(xma)x——应力集中源处最大应力
11
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
3、表面状态的影响
1）表面质量系数 ( )
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
的两种情况
4）对切应力上述公式同样适用，只需将σ改为τ即可。
5）等效应力幅 ad kam 14
4、许用应力和安全系数
设计零件时，计算应力允许达到的最大值，称许用应力。 许用应力等于极限应力和许用安全系数[S]的比值。
合理地选择许用安全系数是设计中的一项重要工作。 过大则机器会过于笨重;过小，可能不安全。因此，在保 证安全的前提下，尽可能选用较小的许用安全系数。
6
3、极限应力
1）极限应力：按强度准则设计零件时，根据材料 性质及应力种类采用材料的某个应力极限值
对脆性材料： 在静应力作用下主要失效形式是断 裂，故取材料的强度极限为极限应力
对朔性材料： 在变应力作用下主要失效形式是朔性 变形，故取材料的屈服极限为极限应力
在变应力作用下的主要失效形式是疲劳破坏， 故取材料的疲劳极限为极限应力
13
注意：
1）若零件所受应力变化规律不能肯定，一般采用 γ =C的 情况计算
2）上述计算均为按无限寿命进行零件设计，若按有限寿命
要求设计零件时，即应力循环次数103(104)<N<No时， 这时上述公式中的极限应力应为有限寿命的疲劳极限
N
m
N0 N
，即应以σ-1N
代σ-1
，以σoN代σo
3）当未Hale Waihona Puke Baidu工作应力点所在区域时，应同时考虑可能出现
1）综合影响系数 k (k )
k
( k
1
1) 1 q
k
( k
1
1)
1 q
综合影响系数表示了材料极限应力幅与零件极限应力幅的比值
ka (标 a (e零 准 件 试 的 件 极 ))的 对 限 极 称 应 限 1 循 1 e((标 力 零 应 环 准 幅 件 力 试 试 幅 件 件劳 劳 对 对极 极 称 )称 )
2）随机变载荷
载荷：1）名义载荷：根据原动机或工作机的额定功率 计算出的作用在零件上的载荷 2）计算载荷：载荷系数K与名义载荷F的乘积
3
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
a
O t
a O
t
2、工作应力和计算应力
工作应力——由名义载荷产生的应力 ( ) 计算应力——由计算载荷产生的应力 ca(ca)
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，并加于标准化和圆整 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
2.2 机械零件的载荷与应力
2.2.1 载荷的分类
静载荷： 不随时间变化或缓慢变化的载荷
变载荷：
1）循环变载荷 a) 稳定循环变载荷 b) 不稳定循环变载荷
1、应力集中的影响——有效应力集中系数 k (k )
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
kk
1q( 1) 1q( 1)
max
max
q (q ) ——材料对应力集中的敏感系数
, ——为考虑零件几何形状的理论应力集中系数