机械设计第二章机械零件的计算准则.pptx
合集下载
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。
机械零件的工作能力和计算准则.pptx
•
• 2.3.3 表面挤压强度
– 产生原因：局部应力过大 – 失效形式：压溃（表面塑性变形）和表面破碎 – 计算公式： σp = F/A≤ [σp], A为曲面接触时的投影面积（见P22）
• 2.3.4 表面磨损强度
– 计算准则： – 滑动速度低，载荷大时p ≤[p] – 中速时：pv ≤[pv] – 高速时： pv ≤[pFra bibliotek]；v ≤[v]
– 表面强度分：①表面接触强度；②表面挤压强度；③表面磨损强度；
• 2.3.1 表面接触强度
– 产生原因：力作用点、接触面接触不均匀及塑性变形造成接触面局部应力较大（P19图） – 计算：赫兹公式（P19，理解，并理解课本上的两个例题） – 失效形式：
• 静载荷：脆性材料的表面压碎和塑性材料的表面塑性变形 • 循环接触：表面疲劳磨损（疲劳点蚀），产生原因及过程见P20
– 强度指标（极限应力）
• 静载荷：最大许用接触应力σHmax≤ [σH]max
• 循环接触：接触疲劳极限（在规定的应力循环次数下材料
不发生点蚀现象的极限应力） σHmax≤ [σH] • 2.3.2 提高表面接触强度的主要措施
– 增大接触表面的综合曲率半径，以降低接触应力（赫兹公式） – 将外接触改为内接触，将点接触改为线接触，降低接触应力（课本上例子） – 提高表面质量，使接触面更均匀，降低接触应力，同时减少缺陷，避免发生应力集中 – 提高表面硬度，延缓点蚀 – 采用黏度高的润滑油，减轻油挤入裂纹，形成油压
• 刚度计算
– ｙ≤［ｙ］或θ≤［θ］ φ≤［φ］
• 影响刚度的因素及其改进措施
– 材料对刚度的影响
• 弹性模量大则刚度大，但同类金属材料的弹性模量相差不大，故没必要用合 金钢代替普通钢来提高刚度
• 2.3.3 表面挤压强度
– 产生原因：局部应力过大 – 失效形式：压溃（表面塑性变形）和表面破碎 – 计算公式： σp = F/A≤ [σp], A为曲面接触时的投影面积（见P22）
• 2.3.4 表面磨损强度
– 计算准则： – 滑动速度低，载荷大时p ≤[p] – 中速时：pv ≤[pv] – 高速时： pv ≤[pFra bibliotek]；v ≤[v]
– 表面强度分：①表面接触强度；②表面挤压强度；③表面磨损强度；
• 2.3.1 表面接触强度
– 产生原因：力作用点、接触面接触不均匀及塑性变形造成接触面局部应力较大（P19图） – 计算：赫兹公式（P19，理解，并理解课本上的两个例题） – 失效形式：
• 静载荷：脆性材料的表面压碎和塑性材料的表面塑性变形 • 循环接触：表面疲劳磨损（疲劳点蚀），产生原因及过程见P20
– 强度指标（极限应力）
• 静载荷：最大许用接触应力σHmax≤ [σH]max
• 循环接触：接触疲劳极限（在规定的应力循环次数下材料
不发生点蚀现象的极限应力） σHmax≤ [σH] • 2.3.2 提高表面接触强度的主要措施
– 增大接触表面的综合曲率半径，以降低接触应力（赫兹公式） – 将外接触改为内接触，将点接触改为线接触，降低接触应力（课本上例子） – 提高表面质量，使接触面更均匀，降低接触应力，同时减少缺陷，避免发生应力集中 – 提高表面硬度，延缓点蚀 – 采用黏度高的润滑油，减轻油挤入裂纹，形成油压
• 刚度计算
– ｙ≤［ｙ］或θ≤［θ］ φ≤［φ］
• 影响刚度的因素及其改进措施
– 材料对刚度的影响
• 弹性模量大则刚度大，但同类金属材料的弹性模量相差不大，故没必要用合 金钢代替普通钢来提高刚度
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
机械设计第二章机械零件的计算准则-文档资料
二、疲劳曲线及疲劳极限
疲劳极限 rN 或 rN
在循环特性r下的变应力，经过N次循环后，材料不发生疲劳破 坏的应力最大值
疲劳曲线（ —N或—N曲线）
表示循环次数N与疲劳极限之间的关系曲线
分成两个区域：
N < N0为有限寿命区
N ≥ N0为无限寿命区 N0为循环基数
1．有限寿命区
N < 103（104）
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度是时间的函数
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
dN / d t l (t ) 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
dN N l (t )dt ln ln R 0 N0 N N0
——低周循环疲劳 疲劳极限较高，接近 屈服极限，疲劳极限 几乎与循环次数的变 化无关 低周循环疲劳的零件，一般可按静强度计算 N ≥103（104）——高周循环疲劳
其中：103（104）≤N < N0，疲劳极限随循环次数增 加而降低
有限寿命设计
2．无限寿命区
N≥N0时，疲劳 曲线为水平线
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
第2章 机械零件的工作能力和计算准则PPT课件
在变应力下工作的零件，其主要失效形式是疲劳 断裂。应用（2.1）--(2.4)计算疲劳强度时，其极
限应力为疲劳极限。 limr 疲劳极限—循环特性 r 一定时，应力循环N 次
后材料不发生破坏时的最大应力.
2.2.4 许用安全系数
安全系数的选择原则：
在保证安全、可靠的前提下，尽可能选用较 小的许用安全系数。
S2S2
(2.4)
3.允许少量塑性变形的零件
可根据允许达到一定塑性变形时的载荷进
行强度计算。
图示简支梁 M
4.脆性材料和低塑性材料的零件
公式（2.1）和（2.2）中的极限应力为材料的强度极 限。对组织不均匀的材料，在计算时不考虑应力集中。组织 均匀的低塑性材料应考虑应力集中。
2.2.3 变应力强度
点蚀形成过程
点蚀的形成和润滑油的关系：
不发生失效的强度条件：
Hmax H
2.3.2提高表面接触强度的主要措施
——增大接触表面的综合曲率半径。
——将外接触改为内接触。 ——将点接触改为线接触。 ——采用粘度较高的润滑油。
降低计 算应力
——提高接触表面的加工质量。
——提高零件表面硬度。
提高许用应力
图 2.1应 力 类 型
描述变应力特性的主要参数有：
m,ax m,i nm , a,r
r－应力循环特性.
r min max
注意：静应力由静载荷产生； 变应力可以由静载荷或变载荷产生*，例如
图2.2在静载荷下，随时间变化的变应力
滚动轴承
2.2 机械零件的强度
2.2.1 判断零件强度的两种方法
1）滑动速度低、载荷大时，可只限制工作表面的
压强，即 pp
2）滑动速度较高时，还要限制摩擦功耗， 以免工作温度过高而使润滑失效。
限应力为疲劳极限。 limr 疲劳极限—循环特性 r 一定时，应力循环N 次
后材料不发生破坏时的最大应力.
2.2.4 许用安全系数
安全系数的选择原则：
在保证安全、可靠的前提下，尽可能选用较 小的许用安全系数。
S2S2
(2.4)
3.允许少量塑性变形的零件
可根据允许达到一定塑性变形时的载荷进
行强度计算。
图示简支梁 M
4.脆性材料和低塑性材料的零件
公式（2.1）和（2.2）中的极限应力为材料的强度极 限。对组织不均匀的材料，在计算时不考虑应力集中。组织 均匀的低塑性材料应考虑应力集中。
2.2.3 变应力强度
点蚀形成过程
点蚀的形成和润滑油的关系：
不发生失效的强度条件：
Hmax H
2.3.2提高表面接触强度的主要措施
——增大接触表面的综合曲率半径。
——将外接触改为内接触。 ——将点接触改为线接触。 ——采用粘度较高的润滑油。
降低计 算应力
——提高接触表面的加工质量。
——提高零件表面硬度。
提高许用应力
图 2.1应 力 类 型
描述变应力特性的主要参数有：
m,ax m,i nm , a,r
r－应力循环特性.
r min max
注意：静应力由静载荷产生； 变应力可以由静载荷或变载荷产生*，例如
图2.2在静载荷下，随时间变化的变应力
滚动轴承
2.2 机械零件的强度
2.2.1 判断零件强度的两种方法
1）滑动速度低、载荷大时，可只限制工作表面的
压强，即 pp
2）滑动速度较高时，还要限制摩擦功耗， 以免工作温度过高而使润滑失效。
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
2机械零件的工作能力和计算准则
写在前面的话 在看PPT之前，最好已经是将《机械设计》完整 的复习了一遍，这样看起来才有重点；
PPT仅供参考，不能过于依赖，复习仍然以课本 和作业为主，认真看书和布置的作业；
作业题目和例题一定要动手做，不能只是一味的 看，合住书自己做一遍效果才是最真实的；
第2章 机械零件的工作能力和计算准则
公式（2.1）和（2.2）中的极限应力为材料的强 度极限。对组织不均匀的材料，在计算时不考虑应 力集中。组织均匀的低塑性材料应考虑应力集中。
Page 21
第2章 机械零件的工作能力和计算准则
2.2 机械零件的强度 2.2.3 变应力强度
在变应力时工作的零件，其强度失效形式是——
疲劳断裂。
静应力 变应力 周期性变化 非周期性变化
Page 8
第2章 机械零件的工作能力和计算准则
2.1 载荷和应力的分类 2.1.1 应力分类
特性参数
smax ─ 最大应力
smin ─ 最小应力 sm ─ 平均应力 sa ─ 应力幅值
r
Page 9
─ 循环特性
第2章 机械零件的工作能力和计算准则
2.1 载荷和应力的分类 2.1.1 应力分类
静应力 变应力
不随时间变化或变化缓慢的应力
Page 6
第2章 机械零件的工作能力和计算准则
2.1 载荷和应力的分类 2.1.1 应力分类
静应力 变应力
随时间变化的应力
Page 7
第2章 机械零件的工作能力和计算准则
2.1 载荷和应力的分类 2.1.1 应力分类
（2）判断危险截面处的实际安全系数是 否大于或等于许用安全系数。 强度条件：
s lim Ss S s s lim S S
PPT仅供参考，不能过于依赖，复习仍然以课本 和作业为主，认真看书和布置的作业；
作业题目和例题一定要动手做，不能只是一味的 看，合住书自己做一遍效果才是最真实的；
第2章 机械零件的工作能力和计算准则
公式（2.1）和（2.2）中的极限应力为材料的强 度极限。对组织不均匀的材料，在计算时不考虑应 力集中。组织均匀的低塑性材料应考虑应力集中。
Page 21
第2章 机械零件的工作能力和计算准则
2.2 机械零件的强度 2.2.3 变应力强度
在变应力时工作的零件，其强度失效形式是——
疲劳断裂。
静应力 变应力 周期性变化 非周期性变化
Page 8
第2章 机械零件的工作能力和计算准则
2.1 载荷和应力的分类 2.1.1 应力分类
特性参数
smax ─ 最大应力
smin ─ 最小应力 sm ─ 平均应力 sa ─ 应力幅值
r
Page 9
─ 循环特性
第2章 机械零件的工作能力和计算准则
2.1 载荷和应力的分类 2.1.1 应力分类
静应力 变应力
不随时间变化或变化缓慢的应力
Page 6
第2章 机械零件的工作能力和计算准则
2.1 载荷和应力的分类 2.1.1 应力分类
静应力 变应力
随时间变化的应力
Page 7
第2章 机械零件的工作能力和计算准则
2.1 载荷和应力的分类 2.1.1 应力分类
（2）判断危险截面处的实际安全系数是 否大于或等于许用安全系数。 强度条件：
s lim Ss S s s lim S S
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）
机械设计：第二章 机械零件的计算准则及强度计算
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
二、机械零件的强度判据
▪ 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
▪ 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
▪ 分离变量并积分，得
▪即
t
l(t)dt
N dN ln N
ln R
0
N N0
N0
t
R
l (t )dt
e 0
▪ 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
——低周循环疲劳 疲劳极限较高，接近 屈服极限，疲劳极限 几乎与循环次数的变 化无关
低周循环疲劳的零件，一般可按静强度计算
▪ N ≥103（104）——高周循环疲劳 其中：103（104）≤N < N0，疲劳极限随循环次数增 加而降低
第2章机械设计的工作能力和计算准则(PPT)
• 对Ft进行微分得： • 失效分布密度f(t)=dFt/dt=dNf/Ndt • 与时间的关系曲线称为失效分布曲线,常见的分布曲线有
正态分布,可根据分布函数求出可靠度。
第二十二页，共四十七页。
• 可靠性计算准那么,就是要保证零件在工 作过程(guòchéng)中能够满足规定的可靠性要 求。
第二十三页，共四十七页。
第2章 机械零件的强度(qiángdù)和计算准那么
2.1机械零件的载荷和应力 2.2 机械零件的计算准那么 2.3提高强度的一般方法 2.4机械零件的三种外表强度
2.5机械零件的刚度及改进措施(cuòshī) 2.6机械零件的稳定性和冲击强度
第一页，共四十七页。
2.1 机械零件的载荷(zài hè)和应力
第十五页，共四十七页。
2.2.2刚度(ɡānɡ dù)准那么
• 刚度----零件在载荷作用下抵抗变形的能力 (力,力矩/弹性(tánxìng)变形量)
• 柔度----在外力作用下产生变形的能力(弹 性变形量/力,力矩)
第十六页，共四十七页。
刚度(ɡānɡ dù)指标: 伸长,压缩,挠度,扭角,转角
2.3 提高强度的一般(yībān)方法
第二十四页，共四十七页。
2.3.2 提高机械零件强度的一般(yībān)措施
1〕合理布置零件(línɡ jiàn),减少所受最大载荷
图2.6 改进零件布置提高(tí gāo)弯曲强度
第二十五页，共四十七页。
2〕采用等强度(qiángdù)结构
图2.7 阶梯轴的等强度(qiángdù)原理
13
6F
1E1 12
122
E2
第三十四页，共四十七页。
----两圆柱体接触，接触面为矩形(jǔxíng)， 最大接 触应力σHmax∝F1/2，两球体接触，接触面为圆 形， 最大接触应力σHmax∝F1/3 ---- 最大接触应力以两圆柱体外接触最高，圆柱 体-平面接触次之，内、外圆柱体接触最低
正态分布,可根据分布函数求出可靠度。
第二十二页，共四十七页。
• 可靠性计算准那么,就是要保证零件在工 作过程(guòchéng)中能够满足规定的可靠性要 求。
第二十三页，共四十七页。
第2章 机械零件的强度(qiángdù)和计算准那么
2.1机械零件的载荷和应力 2.2 机械零件的计算准那么 2.3提高强度的一般方法 2.4机械零件的三种外表强度
2.5机械零件的刚度及改进措施(cuòshī) 2.6机械零件的稳定性和冲击强度
第一页，共四十七页。
2.1 机械零件的载荷(zài hè)和应力
第十五页，共四十七页。
2.2.2刚度(ɡānɡ dù)准那么
• 刚度----零件在载荷作用下抵抗变形的能力 (力,力矩/弹性(tánxìng)变形量)
• 柔度----在外力作用下产生变形的能力(弹 性变形量/力,力矩)
第十六页，共四十七页。
刚度(ɡānɡ dù)指标: 伸长,压缩,挠度,扭角,转角
2.3 提高强度的一般(yībān)方法
第二十四页，共四十七页。
2.3.2 提高机械零件强度的一般(yībān)措施
1〕合理布置零件(línɡ jiàn),减少所受最大载荷
图2.6 改进零件布置提高(tí gāo)弯曲强度
第二十五页，共四十七页。
2〕采用等强度(qiángdù)结构
图2.7 阶梯轴的等强度(qiángdù)原理
13
6F
1E1 12
122
E2
第三十四页，共四十七页。
----两圆柱体接触，接触面为矩形(jǔxíng)， 最大接 触应力σHmax∝F1/2，两球体接触，接触面为圆 形， 最大接触应力σHmax∝F1/3 ---- 最大接触应力以两圆柱体外接触最高，圆柱 体-平面接触次之，内、外圆柱体接触最低
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
▪ 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
▪ 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
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
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
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
稳定变应力
非对称循环变应力 脉动循环变应力
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）
1）变应力参数
•最大应力：σmax •最小应力：σmin
▪ 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
S S
lim
lim
[S ]
[
S
]Leabharlann 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
1．塑性材料制成的零件
•平均应力：
m
max
min 2
•应力幅：
a
max
2
min
•应力循环特性
用来表示应力的变化情况
σ σa σa σmin
r σmin σ max
σmax σm
t
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
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
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
▪ 分离变量并积分，得
▪即
t
l(t)dt
N dN ln N
ln R
0
N N0
N0
t
R
l (t )dt
e 0
▪ 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
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
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
▪ 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
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
▪ 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
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
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
▪ 高速时 还要限制滑动速度u
u [u]
—— 防止加速磨损
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
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
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
二、机械零件的强度判据
▪ 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
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
▪ 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
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
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
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
稳定变应力
非对称循环变应力 脉动循环变应力
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）
1）变应力参数
•最大应力：σmax •最小应力：σmin
▪ 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
S S
lim
lim
[S ]
[
S
]Leabharlann 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
1．塑性材料制成的零件
•平均应力：
m
max
min 2
•应力幅：
a
max
2
min
•应力循环特性
用来表示应力的变化情况
σ σa σa σmin
r σmin σ max
σmax σm
t
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
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
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
▪ 分离变量并积分，得
▪即
t
l(t)dt
N dN ln N
ln R
0
N N0
N0
t
R
l (t )dt
e 0
▪ 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
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
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
▪ 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
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
▪ 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
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
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
▪ 高速时 还要限制滑动速度u
u [u]
—— 防止加速磨损
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
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
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
二、机械零件的强度判据
▪ 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