机械设计第二章机械零件的计算准则PPT课件
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2计算准则
1）变应力参数： 最大应力：σmax
σ
最小应力：σmin
max min 平均应力： m 2
σa σa σmin σmax σm
t
max min 应力幅： a 2
应力循环特性：用来表示应力的变化情况
σ min r σ max
2）典型变应力及应力循环特征r
σ σ
对于钢，受拉应力、弯曲应力和切应力时m = 9， 接触应力时m = 6； 对于青铜，弯曲应力时m = 9，接触应力时m = 8。
（4）有关疲劳曲线方程的基点说明
不同循环特性r时的疲劳曲线：
R值 不同，曲线形状相似， r越大，疲劳极限值越高。
三、 影响机械零件疲劳强度的主要因素 • (1) 应力集中的影响 以有效应力集中系数
（2）无限寿命区：N≥N0
按此区疲劳极限所作的疲劳强度设计称为无限寿命设计
（3）有限寿命区内应力循环次数为N时的疲劳极限
σ N σ N0 C
m rN m r
σ rN
m
N0 σr K N σr N
……式（2-17）
KN
m
N0 N
式（2-18）
KN：寿命系数，当N > N0时，取N = N0，即KN = 1；
• 双向稳定变应下机械零件的疲劳强度计算
• 机械零件的接触强度 • 机械零件的材料及选用原则 • 机械零件的工艺性及设计的标准化
本章重点
• 机械零件的主要失效形式及计算准则
• 静应力下机械零件的强度计算
• 对称循环稳定变应力下机械零件的疲劳 强度计算 • 非对称循环稳定变应力下机械零件的疲 劳强度计算 • 机械零件的接触强度
循环变应力多次反复作用下产生
机械设计第二章
破坏正常工作条件引起的失效 胶合
打滑、共振、
机械电子工程学院
机械零件失效的实例：
齿轮轴断裂 整体塑变
轮齿磨损
机械电子工程学院
机械零件失效的实例：
齿轮轮齿折断
轴承内圈破裂
轮齿塑性变形
机械电子工程学院
轴承外圈塑性变形
机械零件失效的实例：
被联件拉断
被联件相对滑移
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轴瓦磨损
齿面接触疲劳
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2. 经验设计
根据经验关系式，用类比的方法所进行的设计。如：箱
体的结构设计
2016/12/27
48
机械电子工程学院
3. 模型实验设计
把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺
寸样机进行实验。如：飞机、桥梁的风洞实验。
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第八节 机械零件设计的一般步骤
机械电子工程学院
机械电子工程学院
四、质量小的要求
减小零件质量的好处： 节约材料。 减小惯性；改善机器的动力性能。 便于运输。
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五、可靠性要求
机械零件设计过程中存在不确定因素 参数不确定性：尺寸参数（制造精度） 设计参数（数据不足）
模型不确定性： （1）材料各向同性；
（2）小变形及线弹性；
（3）简化的简支梁； （4）圆柱体接触； （5）齿轮都是刚性体。
编制技术文件
第二节
机器的运动学设计
设计机器的一般程序
根据确定的结构方案 确定原动件参数（功率、转速、线速度） 确定各运动部件的运动参数（转速、速度、加速度）
机器的动力学计算
计算各主要零件所受的名义载荷
零件的工作能力设计
依据零件的设计准则和名义载荷，确定零部 件的基本尺寸
2024版机械设计基础PPT全套完整教学课件pptx
人机交互优化
通过改进人机交互方式，提高机械操作的便捷性和舒适性。
未来机械设计的创新点与突破
• 跨领域融合：将不同领域的技术和理念融 入机械设计，创造出更具创新性和实用性 的产品。
未来机械设计的创新点与突破
新材料应用
探索和应用新型材料，提高机械 产品的性能和寿命。
先进制造技术
采用先进的制造技术，如精密加工、 超精密加工等，提高机械制造的精 度和效率。
绿色设计
注重环保和可持续发展，减少资源消耗 和环境污染。
机械设计的发展历程与趋势
集成化设计
实现多学科、多领域的协同设计和优化。
个性化设计
满足用户个性化需求，提供定制化的设计方案。
02
机械零件设计基础
机械零件的分类与功能
传动零件
包括齿轮、带轮、链轮 等，用于传递动力和扭
矩。
轴系零件
连接零件
密封零件
机械制造工艺的优化与改进
工艺优化
通过对现有工艺的改进和优化， 提高产品质量和生产效率，降低
生产成本。
新技术应用
积极引进和应用新技术、新工艺、 新材料等，推动机械制造工艺的 创新和发展。
智能化制造
借助人工智能、大数据等先进技 术，实现机械制造工艺的智能化 和自动化，提高生产效率和果
完成齿轮减速器的三维模型设 计、二维工程图绘制及装配图
等。
案例二：轴承座的设计
设计背景
轴承座是支撑轴承并传递载荷的重要部件， 广泛应用于各种机械设备中。
设计步骤
确定轴承类型、选择轴承座结构形式、计算 轴承座尺寸、校核轴承座强度等。
设计目标
实现支撑轴承、传递载荷、保证轴的旋转精 度等功能。
机械设计的发展趋势与挑战
第2章机械零件的工作能力和计算准则
复合应力计算安全系数为：
s sca [s] s 2 2 2 ( ) s
或： sca
s s s s
2 2
[s]
3.允许少量塑性变形的零件(可按 1.5 s 作为极限应 力)
这类零件可按允许一定塑性变形时的载荷进行强度计算。 看课本图2.3，受弯矩M的简支梁，用塑性材料制成时，随 着弯矩M的增大，由（a）到（c）变化，到（c）图时材料 全部屈服。此时梁承受的弯矩计为 M lim ，因此，可以按 进行强度计算。 M lim
第2章 机械零件的工作能力 和计算准则
1.失效：机械零件丧失工作能力或达不到设 计要求的性能时，称为失效。 有人平时不说“失效”，而说“坏了”，是 不准确的。有些零件看上去没有“坏”但 已经失效了。 2.常见的失效形式
零件失效表现在强度问题、刚度问题、表面 失效和其他方面。
零件的失效形式有： 1）断裂; 2）过大塑性变形； 3）过量的弹性变形； 4）表面失效（工作表面的过度磨损或损伤 等）； 5）其他形式（联接的松弛、摩擦传动的打滑 等）。
单位接触线载荷。B为接触线长度。
F P B
(2)两球接触
1 3 6F 2 2 1 1 1 2 E E2 1
2
F Hmax 2
H max
1
1 2 E1、E2 两接触体材料的弹性模 量 1、 2 两接触体材料的泊松比
式中 : 相应的强度条件可表示为:
σ、τ——零件的最大工作应力。其中σ为 正应力，可由拉伸、压缩、弯曲等产生；τ 为切应力，可由扭转、剪切等产生； 2.[σ]、[τ]——许用正应力、许用切应力； 3.σlim、τlim——材料的极限正应力、极限 切应力； 4.[Sσ],[Sτ]——对应于正应力、切应力的许 用安全系数。
《机械设计》第二章强度
高副零件工作时，理论上是点接触或线接触→实际上由于接
触部分的局部弹性变形而形成面接触→由于接触面积很小，使
表层产生的局部应力却很大。该应力称为接触应力。在表面接
触应力作用下的零件强度称为接触强度
计算依据：弹性力学的赫兹公式
F
1、接触应力
a)两圆柱体接触
H
F( 1 )
b[(1
12
)
(1
2 2
)]
E1
5、热平衡准则
t t
t [t]
*温度对机械零件工作能力的影响
温度影响摩擦磨损 温度影响材料膨胀和收缩
温度影响蠕变和松弛
c E (t2 t1)E
热应变、弹性模量、线膨胀系数
蠕变：在一定温度和应力下，零件塑性变形连续增长的现象 松弛：在预紧情况下工作的零件总变形量不变，其弹性变形 逐渐转化成塑性变形，应力逐步降低的现象
E2
Hmax Hmax
1 b
2a 2
1 2 0.3, E1 E2 E, H max 0.418
FE
b
F
Hmax Hmax
b)两球接触Βιβλιοθήκη 1H max1
3
6F[
1
12
1
2 2
]
E1
E2
1 2 0.3, E1 E2 E时, H max 0.388
3
FE 2
2
ρΣ——综合曲率半径
1 11
Ft
Nf N
1 Rt
,
Rt Ft 1
n个零件组成的串联系统，单个零件的可靠度:R1、R2 、 …Rn， 则系统的可靠度为R=R1R2…Rn
§ 2—3 静应力时机械零件的强度计算
一、单向应力下的塑性零件
《机械设计(3D版)》张继忠第2章 机械设计总论
提高机器可靠性可从以下方面考虑，设计上力求结构简单，传 动链短，零件数少，调整环节少，连接可靠；选用可靠度高的标准件； 结构布置要能直接检查和修改等。
对机器的主要要求
（五）其他专用要求
设计机器时，在满足前述共同的基本要求的前提下，还应着重地 满足机器的特殊要求，以提高机器的使用性能。
零件是组成机器的基本要素，零件和机器是局部和整体的关系。 因此，机器的各项要求的满足，是以组成机器的机械零件的正确设计 和制造为前提的。亦即零件设计的好坏，将对机器使用性能的优劣起 着决定性的作用。
5. 可靠性要求
在设计零件时需要考虑保证零件的可靠性。零件可靠度的定义和 机器可靠度的定义是相同的，即在规定的使用时间（寿命）内和给 定环境条件下，零件能够正常地完成其功能的概率。
§2-6 机械零件的设计准则
机械零件的计算准则1
设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相 应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：
设计机器的一般程序
（二）方案设计阶段
方案设计阶段对设计的成败起着至关重要的作用。在这一阶段中 也充分地表现出设计工作有多个解（方案）的特点。
实现机器的功能是机器设计的核心。此阶段，对设计任务书提 出的机器功能中必须达到的要求、最低要求及希望达到的要求进行 综合分析，这些功能能否实现，多项功能间有无矛盾，相互间能否 替代等。在此基础上最终确定出功能参数，并作为进一步设计的依 据。
§2-4 机械零件的主要失效形式
机械零件的主要失效形式1
机械零件常见的失效形式有：整体断裂、过大的残余变形、零件 的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效等。 （一）整体断裂
整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的 强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断 裂。
对机器的主要要求
（五）其他专用要求
设计机器时，在满足前述共同的基本要求的前提下，还应着重地 满足机器的特殊要求，以提高机器的使用性能。
零件是组成机器的基本要素，零件和机器是局部和整体的关系。 因此，机器的各项要求的满足，是以组成机器的机械零件的正确设计 和制造为前提的。亦即零件设计的好坏，将对机器使用性能的优劣起 着决定性的作用。
5. 可靠性要求
在设计零件时需要考虑保证零件的可靠性。零件可靠度的定义和 机器可靠度的定义是相同的，即在规定的使用时间（寿命）内和给 定环境条件下，零件能够正常地完成其功能的概率。
§2-6 机械零件的设计准则
机械零件的计算准则1
设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相 应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：
设计机器的一般程序
（二）方案设计阶段
方案设计阶段对设计的成败起着至关重要的作用。在这一阶段中 也充分地表现出设计工作有多个解（方案）的特点。
实现机器的功能是机器设计的核心。此阶段，对设计任务书提 出的机器功能中必须达到的要求、最低要求及希望达到的要求进行 综合分析，这些功能能否实现，多项功能间有无矛盾，相互间能否 替代等。在此基础上最终确定出功能参数，并作为进一步设计的依 据。
§2-4 机械零件的主要失效形式
机械零件的主要失效形式1
机械零件常见的失效形式有：整体断裂、过大的残余变形、零件 的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效等。 （一）整体断裂
整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的 强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断 裂。
第2章机械零件的疲劳强度计算机械设计课件
作σ
自用盘编号JJ321002
r∞
，通常用N0次数下的σ r取代，σ r值由实验得到。
σ
rN
轻合金材料的循环基数通常取为： N0≈2.5×108 σ
r
0
N0
N
图2—5 轻合金材料的σ—N曲线 N0称为循环基数，对应的疲劳极限σ r称为该材料的疲
劳极限。 对于钢材：当HB≤350时：N0≈106~107；
α
σ
、α
τ
——理论应力集中系数，查教材P39 ~ P41附表
自用盘编号JJ321002
3—1 ~ 附表3—3或查手册和其它资料。 若一个剖面上有几个不同的应力集中源，则零件的疲劳 强度由各kσ （kτ ）中的最大值决定。
3、尺寸效应的影响 材料的疲劳强度极限是对一定尺寸的光滑试件进行实验 得出的，考虑到零件尺寸和试件的尺寸不同，其疲劳强度 也不一样，故引入一个尺寸系数ε： 1d 1d 直径d的 ; 1 1 标准试件的 εσ 、ετ的值可查教材P42 ~ P43附图3—2、3—3，附 表3—7或查手册及有关资料。 4、表面质量的影响 零件表面的加工质量，对疲劳强度也有影响，加工表面 的粗糙度值越小，应力集中越小，疲劳强度越高。因此引 入一个表面质量系数β 来考虑零件表面的加工质量不同对 疲劳强度的影响。 β可查教材P44附图3—4
max
自用盘编号JJ321002
min r max
称r为应力循环特性，表示了变应力 的变化性质。
σa σ r=-1
r=-1 t
σ
r=0 t t r=+1 t + σm
t 左边区域： σ 压应力为主， Ⅱ区： 零件在压缩 - 1 ＜ r ＜0 变应力时破 σ 坏的情况较 Ⅰ区： 少，故不予 0 ＜r ＜+ 1 以分析。 45° - σm σ 0 0
机械零件计算的管理分析准则设计.pptx
机械零件整体断裂中，80%属于疲劳断裂
2．表面破坏
表面磨粒磨损、胶合、疲劳点蚀、腐蚀磨损、表面压溃、表面塑性流动等
3．变形量过大
弹性变形 塑性变形
4．破坏正常工作条件引起的失效
有些零件只有在一定的工作条件下才能正常地工作。如带传动和摩擦 轮传动，高速转动的零件
▪ 同一种零件发生失效的形式可能有数种
齿轮的失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿 面或齿体塑性变形、齿轮其他部分的破坏 ▪ 主要失效形式将由零件的材料、具体的结构及工作条件等决定
▪ 工作能力
零件不发生失效时的安全工作的限度 ▪ 同一种零件可能有数种不同的失效形式，显然，起决定作用的将是承载
能力中的较小值
二、机械零件的计算准则
▪ 计算准则——用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据
▪ 常用的计算准则有：
1．强度准则
强度是零件在载荷作用下抵抗整体断裂、表面接触疲劳及塑性变形的 能力
2．刚度准则
[ ]
[
]
刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力
y [y]
3．寿命准则
影响零件寿命的主要失效形式：腐蚀、磨损、疲劳
腐蚀寿命、磨损寿命 没有提出实用有效的或通行的定量计算的方法
▪ 第Ⅱ段：正常使用阶段 失效的发生是随机性的，失效率则表现为一常数
▪ 第Ⅲ段：损坏阶段 由于长时间的使用而使零件发生磨损、疲劳等原因，使失效率急剧增加
第二节 静应力下机械零件的强度计算
一、载荷及应力的分类
1．载荷的分类
▪ 静载荷
大小和方向不随时间变化或变化缓慢的载荷
▪ 变载荷
随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷
•平均应力：
m
2．表面破坏
表面磨粒磨损、胶合、疲劳点蚀、腐蚀磨损、表面压溃、表面塑性流动等
3．变形量过大
弹性变形 塑性变形
4．破坏正常工作条件引起的失效
有些零件只有在一定的工作条件下才能正常地工作。如带传动和摩擦 轮传动，高速转动的零件
▪ 同一种零件发生失效的形式可能有数种
齿轮的失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿 面或齿体塑性变形、齿轮其他部分的破坏 ▪ 主要失效形式将由零件的材料、具体的结构及工作条件等决定
▪ 工作能力
零件不发生失效时的安全工作的限度 ▪ 同一种零件可能有数种不同的失效形式，显然，起决定作用的将是承载
能力中的较小值
二、机械零件的计算准则
▪ 计算准则——用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据
▪ 常用的计算准则有：
1．强度准则
强度是零件在载荷作用下抵抗整体断裂、表面接触疲劳及塑性变形的 能力
2．刚度准则
[ ]
[
]
刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力
y [y]
3．寿命准则
影响零件寿命的主要失效形式：腐蚀、磨损、疲劳
腐蚀寿命、磨损寿命 没有提出实用有效的或通行的定量计算的方法
▪ 第Ⅱ段：正常使用阶段 失效的发生是随机性的，失效率则表现为一常数
▪ 第Ⅲ段：损坏阶段 由于长时间的使用而使零件发生磨损、疲劳等原因，使失效率急剧增加
第二节 静应力下机械零件的强度计算
一、载荷及应力的分类
1．载荷的分类
▪ 静载荷
大小和方向不随时间变化或变化缓慢的载荷
▪ 变载荷
随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷
•平均应力：
m
机械工程 完整的ppt课件
一）
σ— γ
N
疲劳曲线（等应力循环特征γ的不等寿命N曲线）
描述应力循环次数N和疲劳极限σγN间关系的曲线，其横坐标为应力循环次 数N，纵坐标为疲劳极限σγN
机械零件的疲劳大多发生在 －N曲线D点以前，可用下式描
述：
m rN NC (N ND)
D点以后的疲劳曲线呈一水 平线，代表着无限寿命区， 其方程为：
m a 1 a/ m 1tg
对应的疲劳极限：
r 'm'a ( 1 a( a m m ))
等效系数
21 0 0
已知材料的机械性能 1 0 S( b)
可作 r 简图
折线ADG上任一点，表示在
不同 r 时的疲劳极限
编辑版pppt
24
零件的极限应力图还应考虑应力集中、绝对尺寸、表面状态的影响
机械设计(Machine Design) ——即为各种机械
装置的设计，机械设计是为了满足机器的某些特定
功能而进行的创造性过程，设计是创造性的劳动，
设计的本质在于创新。本课程主要介绍机械设计中
的一些基础知识。
编辑版pppt
2
机械设计课程的研究对象——机械。如：
破 碎 机
指 南 车
内燃机
编辑版pppt
材料的极限应力
安全系数
1．静应力作用下 脆性材料制造的零件：σlim =σb 零件极限应力 塑性材料制造的零件：σlim =σS
2．变应力作用下零件限应力 ——σlim = σγN
疲劳极限 3.安全系数——S的取值对零件的结构尺寸、工作可靠性均 有影响，设计时应根据零件的重要性、零件材料的质量、栽 荷计算准确性等方面，合理选编辑取版p，ppt 具体数值可参考设计资料19 。
第2章机械零件的工作能力和计算准则
表面挤压强度与表面磨损强度
表面挤压强度设计准则：
P [ P ]
F P [ P ] A
表面磨损强度设计准则：
p [ p] pv [ pv ] v [v ]
第2章机械零件的工作能力和计算准则
§2-5 机械零件的刚度
刚度:零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。
§2-7 机械零件的振动稳定性
振动：零件发生周期弹性变形的现象称为振动。 零件受周期性变化的作用力作用，会出现共振现象（失稳）。 设计准则：零件的自振频率与外力作用频率不相接近。
第2章机械零件的工作能力和计算准则
§2-8 机械零件的可靠性
一.可靠性概念
可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，正常工作的能力。
温度对材料膨胀和收缩的影响
第2章机械零件的工作能力和计算准则
§2-6 温度对机械零件工作能力的影响
温度对蠕变的影响： 蠕变：在一定工作温度和应力作用下， 零件塑性变形缓慢而连续增长 的现象。 温度对松弛的影响 松弛：在预紧情况下工作的零件，虽 然总变形不变，但在高温影响 下，其弹性变形会随时间逐渐 转化为塑性变形，引起应力降 低的现象称为松弛。 第2章机械零件的工作能力和计算准则
工作表面失效 （磨损、点蚀、胶合、塑性流动、压溃和腐蚀等）
§2-1 机械零件的失效形式及设计准则
三、设计准则 机械零件设计时，保证零件能正常工作而不产生失效所必 须遵循的条件。 如：强度条件、刚度（稳定性）条件、耐磨性条件等 均是机械零件的设计准则。 四、机械零件设计计算的类型 设计计算 校核计算
弹性范围内
Fl Ek E p y EA
F y ' F y'
冲击系数
2h F' ( 1 1 )F K1F y
第二章 机械零件的工作能力和计算准则
轴承外圈塑性变形
强度问题 刚度问题 耐磨性问题
轴瓦磨损 齿轮齿面塑形变形 齿面接触疲劳
工作能力—不失效条件下零件的安全工作限度。 这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示， 所以又常称为“承载能力”
吊钩最大起重量——50 kN
工作能力或承载能力——50 kN 50 kN 设计计算准则：设计机械零件时，保证零件不产生时效所 依据的基本准则。 主要有：强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定 性准则、可靠性准则。
强度条件：σ≤ [σ] 或 τ≤ [τ] 许用应力： [ ] lim ; [ ] lim
s s
σlim 、τlim — 极限应力 s — 安全系数
塑性材料： σlim = σs ；τlim = τs 脆性材料： σlim = σB ；τlim = τB σB、τB— 材料强度极限 σs、τs— 材料屈服极限
接触应力是不同于以往所学过的挤压应力的。挤压应力是面接触 性模量 引起的应力，是二向应力状态，而接触应力是三向应力状态。 接触应力的特点：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。
接触线长度
两接触体材料的弹
•
当零件在循环接触条件下工作时，接触表面的失效属于疲劳 损坏，称为表面疲劳磨损（点蚀）。
齿面接触疲劳
•
•
应力判别 式：
lim
S
• • • 安全系数判别式：
S
lim
（2.1）
lim S S
lim S S
（2.2）
二、静应力作用下的强度问题
主要失效形式：断裂或塑性变形
• 名义载荷：理想工作条件下的载荷。 • 计算载荷：作用于零件的实际载荷。 计算载荷 = K × 名义载荷 载荷系数 • 设计计算：根据零件的工作情况和工作能力准则给出安 全条件，求出在此安全条件下所允许的零件危险剖面尺 寸，以此为基础使结构具体化。 强度条件（或刚度）
强度问题 刚度问题 耐磨性问题
轴瓦磨损 齿轮齿面塑形变形 齿面接触疲劳
工作能力—不失效条件下零件的安全工作限度。 这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示， 所以又常称为“承载能力”
吊钩最大起重量——50 kN
工作能力或承载能力——50 kN 50 kN 设计计算准则：设计机械零件时，保证零件不产生时效所 依据的基本准则。 主要有：强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定 性准则、可靠性准则。
强度条件：σ≤ [σ] 或 τ≤ [τ] 许用应力： [ ] lim ; [ ] lim
s s
σlim 、τlim — 极限应力 s — 安全系数
塑性材料： σlim = σs ；τlim = τs 脆性材料： σlim = σB ；τlim = τB σB、τB— 材料强度极限 σs、τs— 材料屈服极限
接触应力是不同于以往所学过的挤压应力的。挤压应力是面接触 性模量 引起的应力，是二向应力状态，而接触应力是三向应力状态。 接触应力的特点：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。
接触线长度
两接触体材料的弹
•
当零件在循环接触条件下工作时，接触表面的失效属于疲劳 损坏，称为表面疲劳磨损（点蚀）。
齿面接触疲劳
•
•
应力判别 式：
lim
S
• • • 安全系数判别式：
S
lim
（2.1）
lim S S
lim S S
（2.2）
二、静应力作用下的强度问题
主要失效形式：断裂或塑性变形
• 名义载荷：理想工作条件下的载荷。 • 计算载荷：作用于零件的实际载荷。 计算载荷 = K × 名义载荷 载荷系数 • 设计计算：根据零件的工作情况和工作能力准则给出安 全条件，求出在此安全条件下所允许的零件危险剖面尺 寸，以此为基础使结构具体化。 强度条件（或刚度）
第二章机械零件的工作能力
lim
[S ]
lim
[ S ]
2.判断危险截面的实际安全系数是否大于或 等于许用安全系数
lim S [ S ] lim S [ S ]
静应力强度
静应力作用下的零件强度失效形式 -----塑性变形或断裂 1. 单向应力时的塑性材料零件： 按不发生塑性变形的条件进行强度计算, 取屈 服极限为极限应力, 不考虑应力集中 2. 复合应力时的塑性材料零件
6.采用粘度较高的润滑油
表面挤压强度
1.挤压应力---2.挤压失效形式----压碎和塑性变形 3.挤压应力的分布 4.条件性简化计算挤压 5.计算公式
F P [ P ] A
表面磨损强度
条件性计算 1、滑动速度低、载荷大时限制表面压强
p[p] (防止压碎及塑性变形）
2、滑动速度高时防止润滑失效 3、高速时防止速度过高加速磨损 pv[pv] v[v]
从结构方面 1.合理布置零件,减少所受载荷 2.降低应力集中,均匀载荷分布 3.采用等强度结构 4.选用合理截面 5.减少应力集中 从工艺方面改善表面状态 1. 喷丸,碾压 2.渗碳,碳氮共渗,渗氮,表面淬火 基本原理----形成残余压应力,提高表面疲劳强 度
2.3 机械零件的表面强度
1.表面强度的重要性 2.表面强度分为三种: A.表面接触强度 B.表面挤压强度 C.表面磨损强度
r = －1→对称循环变应力
⑵ 当σmin＝0 (或σmax＝0)
r = 0 →脉动循环变应力
（3） r（-1，+1） →非对称循环变应力 应力循环特性 r= σmin／σmax 平均应力σm ＝ (σmax+σmin)／2 应力幅 σa ＝ (σmax－σmin)／2
机械零件的工作能力和计算准则
end
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树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.12.2020.12.20Sunday, December 20, 2020
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人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。03:37:1803:37:1803:3712/20/2020 3:37:18 AM
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安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.12.2003:37:1803:37Dec-2020-Dec-20
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好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。上 午3时37分18秒 上午3时37分03:37:1820.12.20
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一马当先，全员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.12.2020.12.2003:3703:37:1803:37:18Dec-20
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牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。2020年12月20日 星期日3时37分 18秒Sunday, December 20, 2020
– 蠕变：在一定工作温度和应力下，零件塑性变形缓慢而连续增长的现象， 如高温高压的管道管壁逐渐变薄
– 改善蠕变的措施：采用耐热钢、冷却和隔热 – 松弛：由于塑性变形而引起的，原予紧零件应力逐渐减小的现象 – 改善松弛的措施：采用耐温材料、采用加工良好的接触面、定期检查
• 2.7机械零件的振动稳定性
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相信相信得力量。20.12.202020年12月 20日星 期日3时37分18秒20.12.20
谢谢大家！
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踏实，奋斗，坚持，专业，努力成就 未来。20.12.2020.12.20Sunday, December 20, 2020
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弄虚作假要不得，踏实肯干第一名。03:37:1803:37:1803:3712/20/2020 3:37:18 AM
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u [u]
—— 防止加速磨损
7
5．振动稳定性准则
▪ 失稳 ▪ 零件的自振频率 f 与激振源的激振频率 fp 相等或相接近时，零件发生
共振的现象，即丧失振动稳定性
▪ 振动稳定性准则 使机器中各零件的自振频率与激振源的激振频率错开
6．可靠性准则
0.85 f f p
1.15 f
f
p
▪ 设一批相同零件的件数为N0，如在t 时间后仍有N件在正常地工作， 则此零件在工作时间t 的可靠度R
R N N0
▪ 零件的可靠度是时间的函数
8
▪ 如果时间t到t+dt的间隔中，又有dN件零件发生失效，则 在此时间间隔内失效的比率
l(t) dN/dt
N
式中： l（t）称为失效率，负号表示dN的增大将使N减小
▪ 分离变量并积分，得
▪即
tl(t)dtNdNlnNln R
0
N N0 N0
t
R
l(t)dt
载荷系数K（或工作情况系数）
概略估计实际载荷随时间作用的不均匀性、载荷在零件上分布的不均匀性及 其他因素的综合影响
11
2．应力的分类
▪ 静应力
不随时间变化或变化缓慢的应力，它只能在静载荷下产生
▪ 变应力
随时间变化的应力，它可由变载荷产生，也可由静载荷产生
12
稳定变应力
非对称循环变应力 脉动循环变应力
10
第二节 静应力下机械零件的强度计算
一、载荷及应力的分类
1．载荷的分类
▪ 静载荷
大小和方向不随时间变化或变化缓慢的载荷
▪ 变载荷
随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷
▪ 名义载荷
根据机器原动机的额定功率或稳定和理想工作条件下的工作阻力，用力学公式计 算出作用在零件上的载荷
▪ 计算载荷
载荷系数K与名义载荷的乘积。 如FC=KF，PC=KP，TC=KT
变应力
对称循环变应力
非稳定变应力
规律性非稳定变应力
无规律性非稳定变应力 （随机变应力）
13
1）变应力参数
•最大应力：σmax •最小应力：σmin
•平均应力：
m
maxmin
2
•应力幅：
a
maxmin
2
σ
σa σa
σmin
•应力循环特性
用来表示应力的变化情况
r σ min σ max
σmax σm
的绘制及其数学表达式 6、变应力下机械零件的疲劳强度计算
3
第一节 机械零件的 主要失效形式及计算准则
一、机械零件的主要失效形式
▪ 失效的概念
机械零件在规定的使用期间内，在规定的条件下，不能完成规定的功能 而丧失工作能力时
▪ 机械零件常见的失效形式: 1．整体断裂
静强度断裂 —— 静应力过大产生的 疲劳断裂 —— 变应力的反复作用下产生的
▪ 机械零件的强度判据的两种表达方式 1.危险截面处的最大应力小于或等于许用应力
[ ] [ ]
lim
[S lim
]
[ S ]
2.危险截面处的实际安全系数大于或等于许用安全系数
S S
lim
lim
[S ]
[
S
ห้องสมุดไป่ตู้
]
16
三、静应力下机械零件的强度
▪ 静应力下，零件的强度失效：塑性变形或断裂
极限应力绘制简化疲劳极限线图 6、掌握变应力下机械零件的疲劳强度安全系数校核计算方
法 7、了解接触疲劳强度的概念和接触应力的计算方法
2
重点内容
1、机械零件的失效分析 2、静应力下机械零件强度计算准则、计算应力、材
料极限应力和安全系数的确定 3、疲劳现象及其断口特征、疲劳曲线及其表达式 4、线性疲劳损伤积累理论及其表达式 5、材料极限线图的功用、常用的简化疲劳极限线图
第二章 机械零件的计算 准则及强度计算
沈阳农业大学 工程学院 机械设计教研室
张祖立
1
基本要求
1、掌握载荷和应力的分类、含义及其确定方法 2、掌握静应力下零件的强度计算判据，计算应力，许用应
力和安全系数的确定方法 3、了解疲劳现象和疲劳曲线的来源、意义和用途 4、了解疲劳损伤积累的概念、意义及其应用 5、了解疲劳极限线图的来源、意义和用途，能根据材料的
e 0
9
▪ 浴盆曲线
零件或部件的失效率l（t）与时间t
的关系，一般是用试验的方法求得
▪ 该曲线分为三段：
▪ 第Ⅰ段：早期失效阶段 失效率由开始的很高的数值急剧地 下降到某一稳定的数值 原因是零、部件中所存在的初始缺 陷
▪ 第Ⅱ段：正常使用阶段 失效的发生是随机性的，失效率则表现为一常数
▪ 第Ⅲ段：损坏阶段 由于长时间的使用而使零件发生磨损、疲劳等原因，使失效率急剧增加
1．塑性材料制成的零件
疲劳寿命计算 通常是求出使用寿命时的疲劳极限来作为计算的依据 6
4．耐磨性准则
耐磨性是指磨损过程中材料抵抗脱落的能力 —— 采用条件性计算
▪ 滑动速度低，载荷大时 可只限制工作表面的压强p
p[p]
—— 防止过快磨损
▪ 滑动速度u 较高时 还要限制摩擦功耗
pu[pu]
—— 防止加剧磨损或胶合
▪ 高速时 还要限制滑动速度u
齿轮的失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿 面或齿体塑性变形、齿轮其他部分的破坏 ▪ 主要失效形式将由零件的材料、具体的结构及工作条件等决定
▪ 工作能力
零件不发生失效时的安全工作的限度 ▪ 同一种零件可能有数种不同的失效形式，显然，起决定作用的将是承载
能力中的较小值
5
二、机械零件的计算准则
t
14
2）典型变应力及应力循环特性r
σ
σ
σ =常数 t
a）静应力：r= +1 变应力特例
σ
σa
σa σmin
σm σmax t
b）非对称循环变应力r
在（+1～-1）间变化
σ
σa
σmax
t σmin
c）对称循环变应力r = -1
σa
σmax
σa
σm
t
d）脉动循环变应力r = 0
15
二、机械零件的强度判据
▪ 计算准则——用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据
▪ 常用的计算准则有：
1．强度准则
强度是零件在载荷作用下抵抗整体断裂、表面接触疲劳及塑性变形的 能力
2．刚度准则
[ ]
[
]
刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力
y [y]
3．寿命准则
影响零件寿命的主要失效形式：腐蚀、磨损、疲劳
腐蚀寿命、磨损寿命 没有提出实用有效的或通行的定量计算的方法
机械零件整体断裂中，80%属于疲劳断裂
2．表面破坏
表面磨粒磨损、胶合、疲劳点蚀、腐蚀磨损、表面压溃、表面塑性流动等
4
3．变形量过大
弹性变形 塑性变形
4．破坏正常工作条件引起的失效
有些零件只有在一定的工作条件下才能正常地工作。如带传动和摩擦 轮传动，高速转动的零件
▪ 同一种零件发生失效的形式可能有数种
—— 防止加速磨损
7
5．振动稳定性准则
▪ 失稳 ▪ 零件的自振频率 f 与激振源的激振频率 fp 相等或相接近时，零件发生
共振的现象，即丧失振动稳定性
▪ 振动稳定性准则 使机器中各零件的自振频率与激振源的激振频率错开
6．可靠性准则
0.85 f f p
1.15 f
f
p
▪ 设一批相同零件的件数为N0，如在t 时间后仍有N件在正常地工作， 则此零件在工作时间t 的可靠度R
R N N0
▪ 零件的可靠度是时间的函数
8
▪ 如果时间t到t+dt的间隔中，又有dN件零件发生失效，则 在此时间间隔内失效的比率
l(t) dN/dt
N
式中： l（t）称为失效率，负号表示dN的增大将使N减小
▪ 分离变量并积分，得
▪即
tl(t)dtNdNlnNln R
0
N N0 N0
t
R
l(t)dt
载荷系数K（或工作情况系数）
概略估计实际载荷随时间作用的不均匀性、载荷在零件上分布的不均匀性及 其他因素的综合影响
11
2．应力的分类
▪ 静应力
不随时间变化或变化缓慢的应力，它只能在静载荷下产生
▪ 变应力
随时间变化的应力，它可由变载荷产生，也可由静载荷产生
12
稳定变应力
非对称循环变应力 脉动循环变应力
10
第二节 静应力下机械零件的强度计算
一、载荷及应力的分类
1．载荷的分类
▪ 静载荷
大小和方向不随时间变化或变化缓慢的载荷
▪ 变载荷
随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷
▪ 名义载荷
根据机器原动机的额定功率或稳定和理想工作条件下的工作阻力，用力学公式计 算出作用在零件上的载荷
▪ 计算载荷
载荷系数K与名义载荷的乘积。 如FC=KF，PC=KP，TC=KT
变应力
对称循环变应力
非稳定变应力
规律性非稳定变应力
无规律性非稳定变应力 （随机变应力）
13
1）变应力参数
•最大应力：σmax •最小应力：σmin
•平均应力：
m
maxmin
2
•应力幅：
a
maxmin
2
σ
σa σa
σmin
•应力循环特性
用来表示应力的变化情况
r σ min σ max
σmax σm
的绘制及其数学表达式 6、变应力下机械零件的疲劳强度计算
3
第一节 机械零件的 主要失效形式及计算准则
一、机械零件的主要失效形式
▪ 失效的概念
机械零件在规定的使用期间内，在规定的条件下，不能完成规定的功能 而丧失工作能力时
▪ 机械零件常见的失效形式: 1．整体断裂
静强度断裂 —— 静应力过大产生的 疲劳断裂 —— 变应力的反复作用下产生的
▪ 机械零件的强度判据的两种表达方式 1.危险截面处的最大应力小于或等于许用应力
[ ] [ ]
lim
[S lim
]
[ S ]
2.危险截面处的实际安全系数大于或等于许用安全系数
S S
lim
lim
[S ]
[
S
ห้องสมุดไป่ตู้
]
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三、静应力下机械零件的强度
▪ 静应力下，零件的强度失效：塑性变形或断裂
极限应力绘制简化疲劳极限线图 6、掌握变应力下机械零件的疲劳强度安全系数校核计算方
法 7、了解接触疲劳强度的概念和接触应力的计算方法
2
重点内容
1、机械零件的失效分析 2、静应力下机械零件强度计算准则、计算应力、材
料极限应力和安全系数的确定 3、疲劳现象及其断口特征、疲劳曲线及其表达式 4、线性疲劳损伤积累理论及其表达式 5、材料极限线图的功用、常用的简化疲劳极限线图
第二章 机械零件的计算 准则及强度计算
沈阳农业大学 工程学院 机械设计教研室
张祖立
1
基本要求
1、掌握载荷和应力的分类、含义及其确定方法 2、掌握静应力下零件的强度计算判据，计算应力，许用应
力和安全系数的确定方法 3、了解疲劳现象和疲劳曲线的来源、意义和用途 4、了解疲劳损伤积累的概念、意义及其应用 5、了解疲劳极限线图的来源、意义和用途，能根据材料的
e 0
9
▪ 浴盆曲线
零件或部件的失效率l（t）与时间t
的关系，一般是用试验的方法求得
▪ 该曲线分为三段：
▪ 第Ⅰ段：早期失效阶段 失效率由开始的很高的数值急剧地 下降到某一稳定的数值 原因是零、部件中所存在的初始缺 陷
▪ 第Ⅱ段：正常使用阶段 失效的发生是随机性的，失效率则表现为一常数
▪ 第Ⅲ段：损坏阶段 由于长时间的使用而使零件发生磨损、疲劳等原因，使失效率急剧增加
1．塑性材料制成的零件
疲劳寿命计算 通常是求出使用寿命时的疲劳极限来作为计算的依据 6
4．耐磨性准则
耐磨性是指磨损过程中材料抵抗脱落的能力 —— 采用条件性计算
▪ 滑动速度低，载荷大时 可只限制工作表面的压强p
p[p]
—— 防止过快磨损
▪ 滑动速度u 较高时 还要限制摩擦功耗
pu[pu]
—— 防止加剧磨损或胶合
▪ 高速时 还要限制滑动速度u
齿轮的失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿 面或齿体塑性变形、齿轮其他部分的破坏 ▪ 主要失效形式将由零件的材料、具体的结构及工作条件等决定
▪ 工作能力
零件不发生失效时的安全工作的限度 ▪ 同一种零件可能有数种不同的失效形式，显然，起决定作用的将是承载
能力中的较小值
5
二、机械零件的计算准则
t
14
2）典型变应力及应力循环特性r
σ
σ
σ =常数 t
a）静应力：r= +1 变应力特例
σ
σa
σa σmin
σm σmax t
b）非对称循环变应力r
在（+1～-1）间变化
σ
σa
σmax
t σmin
c）对称循环变应力r = -1
σa
σmax
σa
σm
t
d）脉动循环变应力r = 0
15
二、机械零件的强度判据
▪ 计算准则——用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据
▪ 常用的计算准则有：
1．强度准则
强度是零件在载荷作用下抵抗整体断裂、表面接触疲劳及塑性变形的 能力
2．刚度准则
[ ]
[
]
刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力
y [y]
3．寿命准则
影响零件寿命的主要失效形式：腐蚀、磨损、疲劳
腐蚀寿命、磨损寿命 没有提出实用有效的或通行的定量计算的方法
机械零件整体断裂中，80%属于疲劳断裂
2．表面破坏
表面磨粒磨损、胶合、疲劳点蚀、腐蚀磨损、表面压溃、表面塑性流动等
4
3．变形量过大
弹性变形 塑性变形
4．破坏正常工作条件引起的失效
有些零件只有在一定的工作条件下才能正常地工作。如带传动和摩擦 轮传动，高速转动的零件
▪ 同一种零件发生失效的形式可能有数种