机械设计基础之机械设计-第2章机械零件设计计算基础11369.pptx

第二章第二章E静应力状态下的强度计算静应力状态下的强度计算E变应力状态下的强度计算变应力状态下的强度计算E表面强度计算表面强度计算E刚度和振动计算刚度和振动计算北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022步骤步骤1 1：绘制运动简图：绘制运动简图步骤步骤2 2：绘制结构简图：绘制结构简图步骤步骤3 3：分析载荷应力：分析载荷应力步骤步骤4 4：选择零件材料：选择零件材料步骤步骤5 5：分析失效形式：分析失效形式步骤步骤6 6：确定工作准则：确定工作准则步骤步骤7 7：进行设计计算：进行设计计算步骤步骤8 8：进行结构设计：进行结构设计步骤步骤9 9：进行校核验算：进行校核验算机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022步骤步骤1 1：绘制运动简图：绘制运动简图步骤步骤2 2：绘制结构简图：绘制结构简图步骤步骤3 3：分析载荷应力：分析载荷应力步骤步骤4 4：选择零件材料：选择零件材料步骤步骤5 5：分析失效形式：分析失效形式步骤步骤6 6：确定工作准则：确定工作准则步骤步骤7 7：进行设计计算：进行设计计算步骤步骤8 8：进行结构设计：进行结构设计步骤步骤9 9：进行校核验算：进行校核验算机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022计算载荷计算载荷=K K 名义载荷名义载荷载荷系数（工作情况系数）载荷系数（工作情况系数）载荷（载荷（1）载荷载荷 作用于零件上的力或力矩作用于零件上的力或力矩名义载荷（理论载荷）名义载荷（理论载荷）F F 理想工作条件下的载荷，根据额定功率计算理想工作条件下的载荷，根据额定功率计算计算载荷（实际载荷）计算载荷（实际载荷）F Fc c 作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷K 1主因是动力机与工作机的工作性质，如平稳、冲击主因是动力机与工作机的工作性质，如平稳、冲击北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022内燃机阀门内燃机阀门弹簧受力弹簧受力载荷（载荷（2）静载荷静载荷 不随时间变化或变化缓慢的载荷不随时间变化或变化缓慢的载荷 锅炉受力锅炉受力变载荷变载荷 随时间周期性或非周期性变化的载荷随时间周期性或非周期性变化的载荷汽车轴、汽车轴、齿轮受力齿轮受力北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022应力应力（）单位面积上的内力单位面积上的内力拉伸应力、压缩应力、剪切应力拉伸应力、压缩应力、剪切应力F北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022t tminmaxm零件的应力零件的应力作用在零件剖面上的应力作用在零件剖面上的应力稳定变应力稳定变应力静应力静应力 不随时间变化或变化缓慢的应力不随时间变化或变化缓慢的应力变应力变应力 随时间周期性或非周期性变化的应力随时间周期性或非周期性变化的应力非稳定变应力非稳定变应力北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022问题问题：静变载荷与静变应力的关系？静变载荷与静变应力的关系？名义应力？计算应力？名义应力？计算应力？北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022稳定变应力稳定变应力每次循环的参数和周期均不随时间变化每次循环的参数和周期均不随时间变化的周期性变应力，亦称循环变应力的周期性变应力，亦称循环变应力对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力非对称循环变应力应力参数应力参数最大应力最大应力max max m m +a a最小应力最小应力minmin m m a a平均应力平均应力m m (maxmax+minmin)2 2 应力幅应力幅 a a (maxmaxminmin)2 2 应力循环特性应力循环特性 r r =minminmaxmax问题问题：三种稳定变应力的参数？三种稳定变应力的参数？静应力的参数？静应力的参数？北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022材料的极限应力（材料的极限应力（1）Be e 玻璃钢玻璃钢灰口铸铁灰口铸铁e e p S BA AB BCDE静应力静应力下的极限应力与材料性能有关下的极限应力与材料性能有关脆性材料取强度极限应力脆性材料取强度极限应力B B塑性材料取屈服极限应力塑性材料取屈服极限应力S S北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022材料的极限应力（材料的极限应力（2）变应力变应力下的极限应力依据防疲劳断裂准则确定，下的极限应力依据防疲劳断裂准则确定，取疲劳极限应力（材料经过取疲劳极限应力（材料经过N N0 0次应力循环不发生次应力循环不发生破坏的最大应力）破坏的最大应力）r，该值可从有关手册查取。，该值可从有关手册查取。有限寿命区有限寿命区 无限寿命区无限寿命区北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022许用应力：许用应力：设计零件时所依据的条件应力设计零件时所依据的条件应力许用安全系数：许用安全系数：考虑计算精度、材料均匀度和考虑计算精度、材料均匀度和 零件重要度等因素，查表而得。零件重要度等因素，查表而得。许用安全系数许用安全系数许用应力许用应力结构笨重结构笨重许用安全系数许用安全系数许用应力许用应力不够安全不够安全许用应力与许用安全系数许用应力与许用安全系数许用应力许用应力极限应力极限应力许用安全系数许用安全系数 北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022步骤步骤1 1：绘制运动简图：绘制运动简图步骤步骤2 2：绘制结构简图：绘制结构简图步骤步骤3 3：分析载荷应力：分析载荷应力步骤步骤4 4：选择零件材料：选择零件材料步骤步骤5 5：分析失效形式：分析失效形式步骤步骤6 6：确定工作准则：确定工作准则步骤步骤7 7：进行设计计算：进行设计计算步骤步骤8 8：进行结构设计：进行结构设计步骤步骤9 9：进行校核验算：进行校核验算机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022常用零件材料的力学性能等级和牌号常用零件材料的力学性能等级和牌号（1 1）铸铁铸铁：含：含2.062.06易成型、价廉、吸振、可易成型、价廉、吸振、可靠性差。如灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁靠性差。如灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁（2 2）钢钢：含量：含量1.41.4常用。常用。碳素钢碳素钢：普通碳素钢、优质碳素钢普通碳素钢、优质碳素钢 合金钢：综合机械性能好，但较贵合金钢：综合机械性能好，但较贵 铸钢：铸钢：含（含（0.150.150.60.6）易成型易成型（3 3）有色金属合金有色金属合金：有特殊性能，价昂：有特殊性能，价昂少用。如少用。如铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金（4 4）非金属材料非金属材料：如工程塑料、橡胶、玻璃等烧结：如工程塑料、橡胶、玻璃等烧结材料、复合材料材料、复合材料常用材料常用材料北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022材料选用原则材料选用原则使用要求使用要求使用环境、载荷性质、结构、重要程度使用环境、载荷性质、结构、重要程度.工艺要求工艺要求零件及其毛坯的形状、批量、加工方法零件及其毛坯的形状、批量、加工方法.经济要求经济要求材料价格结合加工费用、材料利用率材料价格结合加工费用、材料利用率.北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022步骤步骤1 1：绘制运动简图：绘制运动简图步骤步骤2 2：绘制结构简图：绘制结构简图步骤步骤3 3：分析载荷应力：分析载荷应力步骤步骤4 4：选择零件材料：选择零件材料步骤步骤5 5：分析失效形式：分析失效形式步骤步骤6 6：确定工作准则：确定工作准则步骤步骤7 7：进行设计计算：进行设计计算步骤步骤8 8：进行结构设计：进行结构设计步骤步骤9 9：进行校核验算：进行校核验算机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022轴可能的失效形式：轴可能的失效形式：断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振Fn零件失效形式零件失效形式失效失效零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指破坏仅仅指破坏主要失效形式主要失效形式断裂断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂表面点蚀表面点蚀：工作表面片状剥落：工作表面片状剥落塑性变形塑性变形：零件发生永久性变形：零件发生永久性变形过大弹性变形过大弹性变形表面破坏表面破坏过大振动和噪声、过热过大振动和噪声、过热等等北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022步骤步骤1 1：绘制运动简图：绘制运动简图步骤步骤2 2：绘制结构简图：绘制结构简图步骤步骤3 3：分析载荷应力：分析载荷应力步骤步骤4 4：选择零件材料：选择零件材料步骤步骤5 5：分析失效形式：分析失效形式步骤步骤6 6：确定工作准则：确定工作准则步骤步骤7 7：进行设计计算：进行设计计算步骤步骤8 8：进行结构设计：进行结构设计步骤步骤9 9：进行校核验算：进行校核验算机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 1352204602250 kN零件工作能力准则零件工作能力准则工作能力工作能力不失效条件下零件的安全工作限度。该限不失效条件下零件的安全工作限度。该限度通常以零件承受载荷的大小来表示，又度通常以零件承受载荷的大小来表示，又常称为常称为“承载能力承载能力”。如：吊钩最大起重。如：吊钩最大起重量量50 kN50 kN，其工作能力或承载能力为，其工作能力或承载能力为50 kN50 kN工作能力准则工作能力准则衡量零件工作能力的指标。零件设计就是针对零件主要衡量零件工作能力的指标。零件设计就是针对零件主要失效形式选择适合的工作能力准则进行设计。主要包括失效形式选择适合的工作能力准则进行设计。主要包括强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则、强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则、耐热性准则耐热性准则北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022强强度度准准则则刚度准则刚度准则耐磨性准则耐磨性准则选择工作准则选择工作准则主要失效形式与工作准则的对应主要失效形式与工作准则的对应断裂断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂表面点蚀表面点蚀：工作表面片状剥落：工作表面片状剥落塑性变形塑性变形：零件发生永久性变形：零件发生永久性变形过大弹性变形过大弹性变形表面破坏表面破坏过大振动和噪声、过热过大振动和噪声、过热等等振动稳定性准则振动稳定性准则北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022步骤步骤1 1：绘制运动简图：绘制运动简图步骤步骤2 2：绘制结构简图：绘制结构简图步骤步骤3 3：分析载荷应力：分析载荷应力步骤步骤4 4：选择零件材料：选择零件材料步骤步骤5 5：分析失效形式：分析失效形式步骤步骤6 6：确定工作准则：确定工作准则步骤步骤7 7：进行设计计算：进行设计计算步骤步骤8 8：进行：进行结构设计结构设计步骤步骤9 9：进行：进行校核验算校核验算机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022强度计算强度计算强度：强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力材料抵抗断裂或残余变形的能力强度准则：强度准则：工作应力工作应力许用应力许用应力 或或 失效形式：失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形断裂、疲劳破坏、残余变形典型零件：典型零件：轴、齿轮、轴、齿轮、带轮等带轮等正应力：正应力：剪应力：剪应力：机械零件工作能力的最基本准则机械零件工作能力的最基本准则北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022静应力状态下的强度计算静应力状态下的强度计算塑性材料零件塑性材料零件 =sS =sS脆性或低塑性材料零件脆性或低塑性材料零件 =BS =BS防止塑性变形防止塑性变形防止断裂防止断裂北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022变应力状态下的强度计算（变应力状态下的强度计算（1）疲劳破坏机理：疲劳破坏机理：零件产生微观裂纹；发展成宏观裂纹；零件产生微观裂纹；发展成宏观裂纹；宏观裂纹急剧扩展；到达材料极限强度时发生断裂宏观裂纹急剧扩展；到达材料极限强度时发生断裂影响零件疲劳强度因素影响零件疲劳强度因素材料极限应力材料极限应力 应力集中应力集中 尺寸效应尺寸效应 表面状态表面状态 疲劳失效：疲劳失效：大多数机械零件工作时受变应力作用。即大多数机械零件工作时受变应力作用。即使应力值小于材料的屈服强度，也会在经受一定应力循使应力值小于材料的屈服强度，也会在经受一定应力循环周期后突然断裂，而且断裂时没有明显的宏观塑性变环周期后突然断裂，而且断裂时没有明显的宏观塑性变形，这种破坏形式称为疲劳失效形，这种破坏形式称为疲劳失效北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022变应力状态下的强度计算（变应力状态下的强度计算（2）有限寿命区有限寿命区 无限寿命区无限寿命区循环特性循环特性r r一定时，应力循环一定时，应力循环N N次后，材料不发次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力，称为疲劳极限。生疲劳破坏时的最大应力，称为疲劳极限。K KN N：寿命系数：寿命系数N N0 0:循环基数循环基数m m：材料与应力指数：材料与应力指数疲劳曲线（疲劳曲线（N曲线曲线）rNmN=rmN0=C北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022变应力状态下的强度计算（变应力状态下的强度计算（3）lgNlg rNO103(104)N0 rAB低周循环低周循环高周循环高周循环有限寿命区有限寿命区无限寿命区无限寿命区循环基数循环基数(107)疲劳曲线一般是在对称循环变应力条件下的实验结果疲劳曲线一般是在对称循环变应力条件下的实验结果北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022变应力状态下的强度计算（变应力状态下的强度计算（4）相同循环次数（通常取相同循环次数（通常取N N0 0）和不同循环特性）和不同循环特性r r下，下，材料有不同的疲劳极限，可从材料疲劳极限应力材料有不同的疲劳极限，可从材料疲劳极限应力图求得。图求得。a mF(B,0)S(s,0)A(0,-1)B(0/2,0/2)E安全区安全区塑性失效区塑性失效区疲劳失效区疲劳失效区45o135oABES北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022变应力状态下的强度计算（变应力状态下的强度计算（5）a mS(s,0)A a mS(s,0)A a mS(s,0)A lim=2-1K(1-r)+(1+r)许用疲劳极限曲线许用疲劳极限曲线许用疲劳极限曲线许用疲劳极限曲线许用疲劳极限曲线许用疲劳极限曲线简化疲劳曲线简化疲劳曲线简化疲劳曲线简化疲劳曲线简化疲劳曲线简化疲劳曲线m1minK K：疲劳强度综合影响系数：疲劳强度综合影响系数北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022变应力状态下的强度计算（变应力状态下的强度计算（6）max =limS a a=lim-aS疲劳强度准则：疲劳强度准则：北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022表面强度计算表面强度计算表面接触强度表面接触强度表面挤压强度表面挤压强度表面磨损强度表面磨损强度齿轮传动、蜗杆传动以及滚动轴承等依靠表面接齿轮传动、蜗杆传动以及滚动轴承等依靠表面接触工作的零件，受到法向载荷时，其工作能力取触工作的零件，受到法向载荷时，其工作能力取决于接触表面的强度决于接触表面的强度北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022表面接触强度表面接触强度北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022赫兹公式赫兹公式接触应力的计算公式接触应力的计算公式影响接触应力的因素：影响接触应力的因素：曲率半径曲率半径材料材料接触线长度接触线长度FacFac：法向载荷；：法向载荷；L L：接触长度；：接触长度；疲劳强度准则：疲劳强度准则：H H 北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022耐磨性准则耐磨性准则耐磨性：零件抗磨损的能力。磨损是相当复耐磨性：零件抗磨损的能力。磨损是相当复杂的物理化学过程。影响磨损的因素包括载杂的物理化学过程。影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂的化学荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂的化学性质和物理性质等。磨粒磨损、粘着磨损、性质和物理性质等。磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损耐磨性准则耐磨性准则：P 失效形式：失效形式：零件表面破坏零件表面破坏典型零部件：典型零部件：齿轮、轴承、链等齿轮、轴承、链等P P为表面压强为表面压强北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022刚度准则刚度准则刚度：刚度：材料抵抗弹性变形的能力材料抵抗弹性变形的能力刚度准则：刚度准则：实际变形量实际变形量许用变形量许用变形量 弯曲刚度：挠度条件：弯曲刚度：挠度条件：y y y y 倾角条件：倾角条件：扭曲刚度：扭角条件：扭曲刚度：扭角条件：j j j j 失效形式：失效形式：过大的弹性变形过大的弹性变形典型零件：典型零件：轴、蜗杆等轴、蜗杆等北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022振动稳定性准则振动稳定性准则共振：共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变化当机器的自振频率与周期性干扰力变化频率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振频率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失幅急剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等常等振动稳定性：振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值机器工作时振幅不能超过许可值振动稳定性准则：振动稳定性准则：0.85f 0.85f f fp p 或或 1.15f 1.15ff fp p失效形式：失效形式：共振产生的工作失常共振产生的工作失常典型零部件：典型零部件：轴等轴等北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院 刘继红刘继红 13522046022谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH