第9章机械设计基础答案及课件

2020/6/2
二、应力的种类
静应力：不随时间变化的应力 σ
变应力：随时间变化的应力
t
循环变应力：具有周期性的 O 变应力
非循环变应力：不具有周期 σ 性的变应力
T σa
σmax O
σmin
σm t
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变应力的描述参数：
最大应力σmax
σ
T
σa
最小应力 σmin 平均应力 σm 应 力 幅 σa 循环特性r
从上式可求得对应于循环次数N的弯曲疲劳极限
1N
1m
ห้องสมุดไป่ตู้
N0 N
kN1
kN——寿命系数
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3、变应力下的许用应力
变应力下，取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应考 虑零件的切口和沟槽等界面尺寸突变、绝对尺寸和表面状态等 影响，引入有效应力集中系数kσ、尺寸系数εσ和表面状态系数β 等。
对称循环变应力下，许用应力：
σmax
σmin
m
maxmin
2
O
a
m
axm
2
in
r min max
σ
r ＝－1，对称循环变应力
r ＝0，脉动循环变应力
r ＝＋1，静应力
-1<r<1，非对称循环变应力。
T
T
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σm t
t
三、静应力条件下的许用应力
1、静应力下零件的失效形式：
脆性材料：断裂 塑性材料：塑性变形
2、静应力下的许用应力：
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没有专门的表格时，可参考下述原则选择安全系数。 1、静应力下
（1）塑性材料： 一般情况下：S=1.2~1.5； 塑性较差的材料（σS/σB>0.6）或铸钢件S=1.5~2.5。
（2）脆性材料：S=3~4。 2、变应力下
S=1.3~1.7； 若材料不够均匀、计算不够准确取S=1.7~2.5。
4、发生强烈的振动
5、连接的松弛
6、摩擦传动的打滑
四、机械零件工作能力的判定条件
计算量≤许用量
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工作能力计算准则
五、机械零件设计的步骤
1、拟定零件的计算简图； 2、确定作用在零件上的载荷； 3、选择合适的材料； 4、根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判 定条件，确定零件的形状和尺寸； 5、绘制工作图并标注必要的技术条件。
开课单位：机械基础中心 主讲教师 刘卫
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1、学期成绩评定：
A：期末考试成绩（70％）
B：课后作业（20％）
C：实验成绩（10％）
2、课程要求：
A： 独立完成作业 B： 按时交作业，迟交无成绩 C： 作业总量不足2/3，取消考试资格 D： 点名3次不到者取消考试资格 F: 周三下午3:30～5:30 主楼237答疑
[
]
1
1
kS
脉动循环变应力下，许用应力：
[
]
0
0
kS
式中：S为安全系数；为材料的脉动循环疲劳极限；kσ、εσ及β 的数值可在材料力学或有关设计手册中查得。
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五、安全系数
[ ] lim
S
根据上式可知，安全系数定得正确与否对零件尺 寸有很大的影响。如果安全系数定得过大将使结构笨 重；如果定得过小，又可能不安全。根据使用的部门 不同，采用查表法。
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接触应力作用下的失效形式：疲劳点蚀
机械零件在周期性接触应力的作用下，首先在表层 产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展，终于使表层金 属呈小片剥落下来，而在零件表面形成一些小坑，这种 现象称为疲劳点蚀。
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二、接触应力
计算依据：弹性力学的赫兹公式 两圆柱体接触
H
11
F n
b
1
1
2 1
2
1
2 2
E
E
1
2
H amx H amx
F
1 b
2a 2
F
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H
11
F n
b
1
1
2 1
2
1
2 2
E
E
1
2
令 11 1及 E 1E 12E 1，钢或 1铸 20.铁 3 取
1
2
1
2
可得：0.418FnE
H
bp
接触疲劳强度的判定条件为： []，而 []Hlim
塑性材料：取材料的屈服极限σS 作为极限应力 [ ] S S
脆性材料：取材料的强度极限σB 作为极限应力
[ ] B
S
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四、变应力条件下的许用应力
1、变应力下零件的失效形式：疲劳断裂
其特征为： 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的表面或表 层形成微裂纹，这种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以承受外载荷时，零 件就突然断裂。疲劳断裂与应力循环次数（即使用期限或 寿命）密切相关。
二、机械零件的失效
1、失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称 为失效。 2、工作能力：在不发生失效的条件下，零件所能安全 工作的限度，称为工作能力。通常此限度是对载荷而 言，又称为承载能力。
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三、机械零件失效的原因
1、断裂或塑性变形
2、过大的弹性变形
3、工作表面的过度磨损或损伤
H
H
HS
H
式中σHlim为由实验测得的材料的接触疲劳极限，对于钢，其 经验公式为：
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疲劳断裂断口形式
其它断裂断口形式
2、疲劳曲线
疲劳曲线：表示应力σ与应力循环次数N之间的关系曲线
N0－循环基数 σr－材料的疲劳极限 通常，用σ-1表示材料在对称循环变应
力下的弯曲疲劳极限。
N
O
N
N0
N
疲劳曲线的左半部（N<N0）可用如下方程表示：
mNmNC
1N
1 0
式中： σ-1N为对应于循环次数N的疲劳极限，C为常数，m为 随应力状态而不同的幂指数，钢制材料弯曲时m=9。
以上过程为设计计算，反之为校核计算。
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4、名义应力与计算应力
按照名义载荷用力学公式求得的应力称为名义 应力；按照计算载荷求得的应力称为计算应力。 5、强度条件
σ≤[σ] σ－计算正应力 [σ] = σlim /S，零件材料的许用正应力 τ≤[τ] τ－计算切应力 [τ] =τlim /S ，零件材料的许用切应力 σlim 、 τlim 分别为极限正应力和极限切应力；S －为安全系数
联系电话:6576370
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第9章 机械零件设计概论
§9-1 机械零件设计概述
一、机械设计应满足的要求
在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成 本低，在预定使用期限内安全可靠、操作方便、维修 简单和造型美观等。
概括为：所设计的机械零件既要工作可靠，又要成 本低廉。
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