机械设计课件(第八版)完整版

单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章,机械及机械零件设计概要,本章论述了机械设计课程教学内容总纲、设计基本知识和一些共性问题。,一、,机械（机器）的组成,二、机械设计步骤,三、零件的设计步骤,四、课程的主要内容,五、课程的特点,六、学习要求,七、达到的水平（国家教委制定）,一、机械（机器）的组成,我们以洗衣机为例，来说明机械的组成：,电动机,进水,排水,涡轮,皮带传动,控制部分：正转时间,反转时间,图,1,洗衣机机构示意图,图,2,机械（机器）的组成（按功能分）,原动机,传动机,工作机,辅助系统,控制系统,原动机部分,是驱动整部机器以完成预定功能的动力源；,执行部分,是用来完成机器预定功能的组成部分；,传动部分,是把原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数。,以上是从功能上分析机械的组成，下面从结构上看：,零件：,是机械的制造单元，机器的基本组成要素就是机械零件。,部件：,按共同的用途组合起来的独立制造或独立装配的组合体。 如减速器、离合器等。,按大小来分：,机械（机器）,部 件,零 件,图,3,机械（机器）的组成（按大小分）,二、机械设计步骤,计划阶段,提出要求,洗衣机,自动进水,洗 涤,甩干（脱水）,方案设计,提出尽可能多的解决方法,筛选、决策、评价（可靠性、经济上），选出最佳方案。,单 缸,双 缸,滚 筒,模糊控制,自适应控制,双模控制,技术设计,目的：确定机械中各个零部件的结构尺寸（量化）,绘图、对方案具体实施，出图。,技术文件编制,：,编制设计计算说明书。,三、零件的设计步骤,失效的定义：在正常的工作条件下，机械零件丧失工作能力或达不到工作性能要求时，就称为零件失效。,机械零件的失效形式,整体断裂,过大的残余变形,腐蚀、磨损和接触疲劳,机械零件的工作能力,强度,刚度,机械零件计算准则,强度准则：,刚度准则,：,寿命准则：（表示耐磨程度）,寿命（耐磨性、耐腐蚀性）,下面我们以设计千斤顶立柱为例，来说明机械零件的设计步骤：,d,l,车自重,W=2000kg=2,吨,s,为屈服极限,由此可求出,d,；其中,S,min,根据工作环境来定。,机械零件的设计大体要经过以下几个步骤：,1,、载荷分析（受力分析）：,W,2,、应力分析：,3,、失效分析：断裂,4,、材料的选择：,45#,钢、,40C,r,s,（手册查到）,5,、确定计算准则：（依据防止断裂失效）,6,、计算零件的主要尺寸：,7,、结构设计,l,：（根据人体的情况，操作情况）其他尺寸,8,、制图：设计最后都是用图纸来表达，然后拿到工厂去加工。,这不仅是零件设计的一般步骤，而且也是讲课的顺序。,四课程的主要内容,概括地说，机械零件可以分为两大类：,本书讨论的具体内容是,：,（设计方法、步骤、原理）,1,）传动部分,带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动以及螺旋传动等；,2,）联接部分,螺纹联接，键、花键及无键联接，销钉联接，铆接、焊接、胶接与过盈配合联接等；,3,）轴系部分,滑动轴承、滚动轴承、联轴器与离合器以及轴等；,4,）其他部分,弹簧、机座与箱体、减速器等；,零件,通用零件,专用零件,传动件,连接件,轴系件,其 他,（如螺钉、齿轮、链轮等）,五、特点,1,、实践性比较强。理论性差一些，经验、半经验公式，实验得出比较多；理论推导出的比较少，答案不唯一。,2,、,综合性比较强。 受力分析,理论力学,应力分析,材料力学,材料选择,材料与热处理,3,、承上启下的作用。它是最后一门专业基础课，起到承接基础课和专业课的桥梁作用。,六、要求,以听课为主，自学为辅，考试内容以讲课和要求自学的为主，答疑两周一次，具体时间待定。考核,20%+80%,平时作业质量、出席情况、实验数目占,20%,，期末考试占,80%,，要求课内：课外用时是,1,：,2,。,七、水平,1,）掌握通用机械零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具有设计机械传动装置和简单机械的能力；,2,）树立正确的设计思想，了解国家当前的有关技术经济政策；,3,）具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力；,机械设计手册,其中的一个标准是查手册的能力；,4,）掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技术的基本训练；,5,）对机械设计的新发展有所了解。,1,、机器的基本组成要素是什么？,2,、什么是通用零件？什么是专用零件？试各举三个实例？,3,、一台完整的机器通常是由哪些基本部分组成？各部分的作用是什么？,4,、机械零件有哪些主要的失效形式？,5,、机械零件常用的有哪些计算准则？它们是针对什么失效形式而建立的？,6,、机械零件设计的一般步骤有哪些？,第一章结束,习 题,第二章 机械零件的疲劳强度计算,一、变应力的分类,二、变应力参数,三、几种特殊的变应力,四、疲劳曲线（对称循环变应力的,N,曲线）,五、（非对称循环变应力的）极限应力图,六、影响疲劳强度的因素,七、不稳定变应力的强度计算,八、复合应力状态下的强度计算（弯扭联合作用）,一、变应力的分类,周期,时间,t,a,）稳定循环变应力,a,）随时间按一定规律周期性变化，而且变化幅度保持常数的变应力称为稳定循环变应力。如图,2-1a,所示。,变应力,循环变应力（周期）,稳定,不稳定循环变应力,简单,复合,对 称,脉 动,非对称,随机变应力（非周期）,周 期,t,b,）不稳定循环变应力,尖峰应力,C,）随机变应力,图,2-1,变应力的分类,b,）若变化幅度也是按一定规律周期性变化如图,2-1b,所示，则称为不稳定循环变应力。,c,）如果变化不呈周期性，而带有偶然性，则称为随机变应力，如图,2-1c,所示。,二、变应力参数,图,2-2,给出了一般情况下稳定循环变应力谱的应力变化规律。,a,0,t,max,m,min,a,0,t,max,m,min,图,2-2,稳定循环变应力,图,2-2,给出了一般情况下稳定循环变应力谱的应力变化规律,。,零件受周期性的最大应力,max,及最小应力,min,作用，其应力幅为,a,，平均应力为,m,，它们之间的关系为,规定：,1,、,a,总为正值；,2,、,a,的符号要与,m,的符号保持一致。,其中：,max,变应力最大值；,min,变应力最小值；,m,平均应力；,a,应力幅；,r,循环特性，,-1,r,+1,。,由此可以看出，一种变应力的状况，一般地可由,max,、,min,、,m,、,a,及,r,五个参数中的任意两个来确定。,a,0,t,max,m,min,a,0,t,max,m,min,图,2-2,稳定循环变应力,三、几种特殊的变应力,特殊点：,0,t,m,静应力,max,=,min,=,m,a,=0,r=+1,0,t,max,min,对称循环变应力,max,=,min,=,a,m,=0,r=-1,0,t,max,m,min,脉动循环变应力,min,=0,a,=,m,=,max,/2,r=0,不属于上述三类的应力称为非对称循环应力，其,r,在,+1,与,-1,之间，它可看作是由第一类（静应力）和第二类（对称循环应力）叠加而成。,例,1,已知：,max,=200N/mm,2,，,r =,0.5,，求：,min,、,a,、,m,。,解：,a,0,t,max,m,min,200,50,-100,例,2,已知：,a,= 80N/mm,2,，,m,=,40N/mm,2,求：,max,、,min,、,r,、绘图。,解：,a,0,t,max,m,min,40,-40,-120,例,3,已知：,A,截面产生,max,=,400N/mm,2,，,min,=100N/mm,2,求：,a,、,m,，,r,。,F,a,F,a,F,r,a,A,F,r,M,b,弯曲应力,a,0,t,m,100,-150,-400,0,t,a,0,t,m,=,稳定循环变应力,R=,1,对称循环,R=,1,静应力,解：,例,4,如图示旋转轴，求截面,A,上,max,、,min,、,a,、,m,及,r,。,P,r,=6000,A,P,x,=3000N,d=50,150,l=300,b,弯曲应力,解：,P,r,A,：对称循环变应力,P,x,A,：静压力,=,0,t,b,P,r,（对称循环）,0,t,c,P,x,（静应力）,a,0,t,m,34.472,-36,36,-1.528,-37.528,合成后（稳定循环变应力）,第二章 机械零件的疲劳强度计算（习题）,一、选择题,1,、机械设计课程研究的内容只限于,。,（,1,）专用零件和部件；（,2,）在高速、高压、环境温度过高或过低等特殊条件下工作的以及尺寸特大或特小的通用零件和部件；（,3,）在普通工作条件下工作的一般参数的通用零件和部件；（,4,）标准化的零件和部件。,2,、下列四种叙述中,是正确的。,（,1,）变应力只能由变载荷产生；（,2,）静载荷不能产生变应力；（,3,）变应力是由静载荷产生；（,4,）变应力是由变载荷产生，也可能由静载荷产生。,3,4,3,、发动机连杆横截面上的应力变化规律如图所示，则该变应力的应力比,r,为,。,（,1,）,0.24,；（,2,）,-0.24,；（,3,）,-4.17,；（,4,）,4.17,。,4,、发动机连杆横截面上的应力变化规律如题,3,图所示，则其应力幅,a,和平均应力,m,分别为,。,（,1,）,a,=,80.6Mpa,，,m,= 49.4Mpa,；（,2,）,a,= 80.6Mpa,，,m,= -49.4Mpa,；（,3,）,a,= 49.4Mpa,，,m,=,80.6Mpa,；（,4,）,a,=,49.4Mpa,，,m,=,80.6Mpa,。,5,、变应力特性,max,、,min,、,m,、,a,及,r,等五个参数中的任意,来描述。,（,1,）一个；（,2,）两个；（,3,）三个；（,4,）四个。,t,31.2N/mm,2,-130N/mm,2,0,2,2,2,6,、机械零件的强度条件可以写成,。,（,1,） ， 或 ，,（,2,） ， 或 ，,（,3,） ， 或 ，,（,4,） ， 或 ，,7,、一直径,d=18mm,的等截面直杆， 杆长为,800mm,，受静拉力,F=36kN,，杆材料的屈服点,s,=270Mpa,， 取许用安全系数,S,=1.8,， 则该杆的强度,。,（,1,）不足；（,2,）刚好满足要求；（,3,）足够。,8,、在进行疲劳强度计算时，其极限应力应为材料的,。,（,1,）屈服点；（,2,）疲劳极限；（,3,）强度极限：（,4,）弹性极限。,二、分析与思考题,1,、什么是变应力的应力比,r,？静应力、脉动循环变应力和对称循环变应力的,r,值各是多少？,3,3,2,静应力,r,静,=,1,； 脉动循环,r,脉,=0,；对称循环变应力,r=-1,。,解：,2,、图示各应力随时间变化的图形分别表示什么类型的应力？它们的应力比分别是多少？,0,t,max,0,t,max,m,min,a,a),b),0,t,max,m,min,=0,a,0,t,max,a,m,=0,c),d),解：,a,）静应力,r=1,；,b,）非对称（或稳定）循环变应力,0 r +1,；,c,）脉动循环,r = 0,；,d,）对称循环,r=,1,。,四、疲劳曲线（对称循环变应力的,N,曲线）,疲劳曲线的定义：,表示应力循环次数,N,与疲劳极限的关系曲线。,a,大,N,小,a,中,N,中,a,小,N,大,F,r,曲线上各点表示在相应的循环次数下，不产生疲劳失效的最大应力值，即疲劳极限应力。从图上可以看出，应力愈高，则产生疲劳失效的循环次数愈少。,在作材料试验时，常取一规定的应力循环次数,N,0,，称为循环基数，把相应于这一循环次数的疲劳极限，称为材料的持久疲劳极限，记为,1,（或,r,）。,有限寿命区,N,0,N,3,N,2,N,1,-1,3,2,1,N,r=,1,无限寿命区,lg,N,0,lgN,a,）为线性坐标上的疲劳曲线；,b,）为对数坐标上的疲劳曲线,图,2,疲劳曲线（,N,）,疲劳曲线可分成两个区域：有限寿命区和无限寿命区。所谓“无限”寿命，是指零件承受的变应力水平低于或等于材料的疲劳极限,1,，工作应力总循环次数可大于,N,0,，零件将永远不会产生破坏。,在有限寿命区的疲劳曲线上，,NN,0,所对应的各点的应力值，为有限寿命条件下的疲劳极限。,对低碳钢而言，循环基数,N,0,=10,6,10,7,；,对合金钢及有色金属，循环基数,N,0,=10,8,或（,510,8,）；,变应力,与在此应力作用下断裂时的循环次数,N,之间有以下关系式：,此式称为疲劳曲线方程（或,s,N,曲线方程）。其中：,1N,r=-1,时有限寿命疲劳极限应力；,N,与,s,1N,对应的循环次数；,m ,与材料有关的指数；,C,实验常数；,(m,、,c,根据实验数据通过数理统计得到,),。,s,1,r=-1,时持久疲劳极限应力；,N,0,循环基数；,由上式，对于不同的应力水平，可写出下式：,因而材料的有限寿命（即寿命为,N,时）的疲劳极限,s,1N,则为：,利用上式，可求得不同循环次数,N,时的疲劳极限值,1N,，,k,N,称为寿命系数。,例题,2-1,：,某零件采用塑性材料，,s,1,=268N/mm,2,（,N,0,=10,7,，,m=9,），当工作应力,s,max,=240,（或,300,）,N/mm,2,，,r=,1,，试按下述条件求材料的疲劳极限应力，并在,s,N,曲线上定性标出极限应力点和工作应力点，,Sca,。,（,1,）,N=N,0,（,2,）,N=10,6,解：,N,0,=10,7,N=10,6,-1,=268,300,346,N,240,当 时：,将会失效。,五、（非对称循环变应力的）极限应力图,以上所讨论的,s,N,曲线，是指对称应力时的失效规律。对于非对称的变应力，必须考虑循环特性,r,对疲劳失效的影响。,在作材料试验时，通常是求出对称循环及脉动循环的疲劳极限,s,1,及,s,0,，把这两个极限应力标在,s,m,s,a,坐标上（图,2-3,）。,0,/2,s,0,45,45,a,m,A,D,G,C,-1,0,/2,图,3,材料的极限应力线图,由于对称循环变应力的平均应力,s,m,=0,，最大应力等于应力幅，所以对称循环疲劳极限在图中以纵坐标轴上的,A,点来表示。,由于脉动循环变应力的平均应力及应力幅均为,s,m,=,s,a,=,s,0,/2,，所以脉动循环疲劳极限以由原点,0,所作,45,射线上的,D,点来表示。,连接,A,、,D,得直线,A,D,。由于这条直线与不同循环特性时进行试验所求得的疲劳极限应力曲线非常接近，所以直线,A,D,上任何一点都代表了一定循环特性时的疲劳极限。,横轴上任何一点都代表应力幅等于零的应力，即静应力。取,C,点的坐标值等于材料的屈服极限,s,s,，并自,C,点作一直线与直线,C0,成,45,夹角，交,A,D,延长线于,G,，则,CG,上任何一点均代表 的变应力状况。,-1,0,/2,s,0,45,45,a,m,A,D,G,C,0,/2,图,3,材料的极限应力线图,0,/2,s,0,45,a,m,A,D,G,C,-1e,=,-1,/K,0,/2K,图,4,零件的极限应力线图,于是，零件材料（试件）的极限应力曲线即为折线,A,G,C,。材料中发生的应力如处于,OA,G,C,区域以内，则表示不发生破坏；,直线,A,G,的方程，由已知两点坐标,A,（,0,，,s,1,）及,D,（,s,0,/2,，,s,0,/2,）求得为（疲劳区）：,=,0,t,-1,0,t,a,0,t,m,令,试件的材料特性（等效系数、折算系数）；,直线,G,C,方程为（静强度区）：,下面推导非对称循环变应力时机械零件的疲劳强度计算式：,在极限应力线图的坐标上即可标示出相应于,m,及,a,的一个工作应力点,M,（或者,N,）见图,5,。,0,a,m,A,D,G,C,m,a,M,N,图,5,零件的工作应力在极限应力线图坐标上的位置,显然，强度计算时所用的极限应力应是零件的极限应力曲线（,AGC,）上的某一个点所代表的应力。到底用哪一个点来表示极限应力才算合适，这要根据应力的变化规律来决定。,可能发生的典型应力变化规律通常有下述三种：,a,）变应力的循环特性保持不变，即,r=C,（例如绝大多数转轴中的应力状态）；,F,r,0,t,r=C,0,t,m,=C,m,=C,G,F,b,） 变应力的平均应力保持不变，即,m,=C,（例如振动着的受载弹簧中的应力状态）；,C,）变应力的最小应力保持不变，即,min,=C,（例如紧螺栓联接中螺栓受轴向变载时的应力状态）。,P = 0,a,0,t,min,=C,min,以下分别讨论这三种情况：,1,、,r=C,的情况,当,r=C,时，需找到一个循环特性与工作应力点的循环特性相同的极限应力值。因为：,因此，在图,6,中，从坐标原点引射线通过工作应力点,M,（或,N,），与极限应力曲线交于,M,1,（或,N,1,），得到,0M,1,（或,0N,1,），则在此射线上任何一个点所代表的应力循环都具有相同的循环特性。,0,a,m,A,D,G,C,m,a,M,N,M,1,N1,图,6 r = C,时的极限应力,联解,OM,及,A,G,两直线的方程式，可以求出,M,1,点的坐标值,m,及,a,，把它们加起来，就可以求出对应于,M,点的试件的极限应力,max,：,于是，安全系数计算值,Sca,及强度条件为：,对应于,N,点的极限应力点,N,1,位于直线,C,G,上。此时的极限应力即为屈服极限,s,。这就是说，工作应力为,N,点时，首先可能发生的是屈服失效，故只需进行静强度计算，其强度计算式为：,分析图,6,得知，凡是工作应力点位于,OGC,区域内时，在循环特性等于常数的条件下，极限应力统为屈服极限，都只需进行静强度计算。,2,、,m,=C,的情况,当,m,=C,时，需找到一个其平均应力与工作应力的平均应力相同的极限应力。在图,7,中，通过,M,（或,N,）点作纵轴的平行线,MM,2,（或,NN,2,），则此线上任何一点代表的应力循环都具有相同的平均应力值。,0,a,m,A,D,G,C,M,N,M,2,N,2,H,图,7,m,=C,时的极限应力,3,、,min,=C,的情况,当,min,=C,时，需找到一个其最小应力与工作应力的最小应力相同的极限应力。,0,a,m,A,D,G,C,M,N,M,3,N,3,I,45,minM,minN,图,8,min,=C,时的极限应力,因此在图,8,中，通过,M,（或,N,）点，作与横坐标轴夹角为,45,的直线，则此直线上任何一个点所代表的应力均具有相同的最小应力。,六、影响疲劳强度的因素,1,、应力集中的影响,定义：几何形状突然变化产生的应力。零件上的应力集中源如键槽、过渡圆角、小孔等以及刀口划痕存在，使疲劳强度降低。计算时用应力集中系数,k,（见表,1-2,、,3,、,4,）。,2,、尺寸与形状的影响,尺寸效应对疲劳强度的影响，用尺寸系数,来考虑。,尺寸与形状系数，见表,1-5,；,3,、表面质量的影响,表面粗糙度越低，应力集中越小，疲劳强度也越高。,表面质量系数，见表,1-6,、,8,以上三个系数都是对极限应力有所削弱的。,4,、表面强化的影响,可以大幅度地提高零件的疲劳强度，延长零件的疲劳寿命。计算时用强化系数,q,考虑其影响。,q,强化系数，可以加大极限应力， 见表,1-7,。,由于零件的几何形状的变化，尺寸大小、加工质量及强化因素等的影响，使得零件的疲劳强度极限要小于材料试件的疲劳极限。我们用疲劳强度的综合影响系数,K,来考虑其影响。,K,只对变应力有影响，对静应力无影响，和疲劳强度有关，与静强度无关,。,对称循环变应力,非对称循环变应力,（,r = C,）,实验、试件,d=10mm,，光杆。,0,45,45,a,m,A,D,G,C,45,试件,零件,-1,-1,/K,(,0,/2,0,/2),(,0,/2,0,/2K,),试件：,零件：,例,2-2:,一铬镍合金钢，,-1,=460N/mm,2,，,s,=920N/mm,2,。,试绘制此材料试件的简化的,m,a,极限应力图。,解：按合金钢，,=0.2,0.3,，取,=0.2,，由式（,29a,）得：,m,0,/2=383,s,=920,0,45,135,a,A,D,G,C,图,2-10,一铬镍合金钢的,m,a,极限应力图,0,/2=383,-1,如图,2-10,所示，取,D,点坐标为,(,0,/2=383,0,/2=383),，,A,点坐标为,(0,-1,=460),。过,C,点,(,s,=920, 0),与横坐标成,135,作直线，与,AD,的延长线相交于,G,，则直线化的极限应力图为,ADG,。,例,2-3,：,在图,2-10,的极限应力图中，求,r=-0.4,时的,a,和,m,值。,m,0,/2=383,s,=920,0,45,135,a,A,D,G,C,M(182,424),66,40,图,2-10,一铬镍合金钢的,m,a,极限应力图,0,/2=383,-1,从而得,又由式（,3-9a,）：,得,联立以上两式解得：,即图上,M,点。,解：由式（,2-8,）得：,作业：,1-1,、,1-2,、,1-5,习题分析：,0,a,m,A,D,G,C,M,N,M,2,N,2,H,疲劳区,静强度区,静强度区：,疲劳区：,如果工作应力点在极限应力曲线以内，说明零件是合格，不会失效。,七、不稳定变应力的强度计算,1,应力谱,1,n,n,1,n,2,n,3,2,3,2,3,1,1,2,3,t,n,1,n,2,n,3,图,2-9,不稳定变应力示意图,图,2-9,为一不稳定变应力的示意图。变应力,1,（对称循环变应力的最大应力，或不对称循环变应力的等效对称循环变应力的应力幅）作用了,n,1,次，,2,作用了,n,2,次，,等等。,2,、疲劳损伤累积假说,曼耐尔（,Miners rule,法则）,a,）金属材料在一定变应力作用下都有一定寿命；,b,）每增加一次过载的应力（超过材料的持久疲劳极限），就对材料造成一定的损伤，当这些损伤的逐渐积累其总和达到其寿命相当的寿命时，材料即造成破坏；,c,）小于持久疲劳极限，不会对材料造成损伤；,d,）变应力大小作用的次序对损伤没有多大影响。,把图,2-9,中所示的应力图放在材料的,N,坐标上，如图,2-10,所示。根据,N,曲线，可以找出仅有,1,作用时使材料发生疲劳破坏的应力循环次数,N,1,。假使应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用，则应力,1,每循环一次对材料的损伤率即为,1/N,1,，而循环了,n,1,次的,1,对材料的损伤率即为,n,1,/N,1,。如此类推，循环,n,2,次的,2,对材料的损伤率为,n,2,/N,2,，,。,1,2,3,n,1,n,2,n,3,N,1,N,2,N,3,N,0,图,2-10,不稳定变应力在,N,坐标上,N,因为当损伤率达到,100%,时，材料即发生疲劳破坏，故对应于极限状况有：,是极限状态,一般地写成：,上式是疲劳损伤线性累积假说的数学表达式。自从此假说提出后，曾作了大量的试验研究，以验证此假说的正确性。试验表明，当各个作用的应力幅无巨大的差别时，这个规律是正确的。,当各级应力是先作用最大的，然后依次降低时，上式中的等号右边将不等于,1,，而小于,1,（起断裂作用）,;,当各级应力是先作用最小的，然后依次升高时，则式中等号右边要大于,1,（起强化作用）。,通过大量的试验，可以有以下的关系：,说明,Miner,法则有一定的局限性。,3,疲劳强度计算,不稳定应力，寻找相当应力，稳定应力。,如果材料在上述应力作用下还未达到破坏，则上式变为：,将上式的分子、分母同乘以,i,m,，则：,又因为 ，所以：,将上式代入式得：,上式又可变形为：,上式右边根号部分表示了变应力参数的变化情况。令：,其中，,k,s,为应力折算系数；,1,为任选，一般取最大工作应力或循环次数最多的应力作为计算的基本应力。,引入,k,s,后，则安全系数计算值,S,ca,及强度条件则为：,例题：,45,号钢经过调质后的性能为：,-1,=307Mpa,，,m=9,，,N,0,=510,6,。现以此材料作试件进行试验，以对称循环变应力,1,=500Mpa,作用,10,4,次，,2,=400Mpa,作用,10,5,次，试计算该试件在此条件下的安全系数计算值。若以后再以,3,=350Mpa,作用于试件，还能再循环多少次才会使试件破坏？,解：根据式（,2-46,）：,根据式（,2-47,），试件的安全系数计算值为：,又根据式（,2-19,）：,若要使试件破坏，则由式（,2-42,）得：,即该试件在,3,=350Mpa,的对称循环变应力的作用下，估计尚可再承受,0.9710,6,次应力循环。,八、复合应力状态下的强度计算（弯曲、扭转联合作用）,对于试件在弯曲,扭转联合作用的交变应力下进行疲劳试验时，其数据基本上符合图,2-11,中椭圆弧的规律。其疲劳破坏条件可近似地直接用椭圆方程表示：,a,-1,0,a,-1,m(,a,a,),n(,a,a,),A,B,图,2-11,复合应力时的极限应力线图,对于钢材，经过试验得出的极限应力关系式为：,由于是对称循环变应力，故应力幅即为最大应力。圆弧,AmB,上任何一个点即代表一对极限应力,a,及,a,。如果作用于零件上的应力幅,a,及,a,在坐标上用,n,表示，引直线,on,与,AB,交于,m,点，则安全系数计算值,S,为：,将式（,1,）变形为：,则：,其中，,S,只有正应力作用下的安全系数计算值；,S,只有剪应力作用下的安全系数计算值；,S,复合应力作用下的安全系数计算值；,亦即,解决了简单和复合的问题。,总 结,1,、在解决变应力下零件的强度问题叫疲劳强度。,零件里通常作用的都是变应力，所以其应用更为广泛。,2,、疲劳强度和哪些因素有关,= f,（,N,，,r,，,K,，材料，形式）,疲劳强度比静强度复杂得多。,3,三大理论一假说：,疲劳曲线,解决对称循环变应力的强度计算问题；,极限应力图,对称,非对称的关系；,复合极限应力图,复合和简单应力的关系；,Miner,法则,稳定和非稳定应力的关系；,4,强度计算式,变应力,稳定,不稳定,简单,复合,对 称,非对称,例题：一零件采用塑性材料,-1,=275Mpa,（,N,0,=10,6,，,m=9,），,K,=1,1,）当作用一工作应力,1,，,n,1,=410,3,（,N,1,=810,3,）后，又作用一工作应力,2,=275Mpa,，试求其工作寿命,n,2,=?,2,）当作用,1,=410Mpa,，,n,1,=410,3,后，若使,n,2,=10,6,，则工作应力,2,=?,3,）若工作应力,1,=410Mpa,，,n,1,=410,3,，,2,=275Mpa,，,n,2,=510,5,求：,S,（安全系数）。,解：,1,）这属于不稳定变应力下的强度计算问题，应用疲劳损伤累积假说的数学表达式。,2,）,3,）,第二章 机械零件的疲劳强度设计（习题续）,一、选择题,2-1,45,钢的持久疲劳极限,-1,=270Mpa,，设疲劳曲线方程的幂指数,m=9,，应力循环基数,N,0,=510,6,次，当实际应力循环次数,N=10,4,次时，有限寿命疲劳极限为,Mpa,。,（,1,）,539,； （,2,）,135,； （,3,）,175,； （,4,）,417,；,2-2,零件表面经淬火、渗氮、喷丸、滚子碾压等处理后，其疲劳强度,。,（,1,）增高 （,2,）降低 （,3,）不变 （,4,）增高或降低视处理方法而定,2-3,影响零件疲劳强度的综合影响系数,K,与,等因素有关。,（,1,）零件的应力集中、加工方法、过载；（,2,）零件的应力循环特性、应力集中、加载状态；（,3,）零件的表面状态、绝对尺寸、应力集中；（,4,）零件的材料、热处理方法、绝对尺寸。,1,1,3,2-4, 绘制设计零件的,m,a,极限应力简图时， 所必须的已知数据是,。,（,1,）,-1,，,0,，,s,，,k,；（,2,）,-1,，,0,，,s,，,K,;,（,3,）,-1,，,s,，,，,K,;,（,4,）,-1,，,0,，,，,K,;,2-5,在图示设计零件的,m,a,极限应力简图中，如工作应力点,M,所在的,0N,线与横轴间夹角,=45,，则该零件受的是,。,（,1,）不变号的不对称循环变应力；（,2,）变号的不对称循环变应力；（,3,）脉动循环变应力；（,4,）对称循环变应力；,0,45,135,a,m,A,N,G,C,M,2,3,2-6,在题,2-5,图所示零件的极限应力简图中，如工作应力点,M,所在的,0N,线与横轴之间的夹角,=90,时，则该零件受的是,。,（,1,）脉动循环变应力；（,2,）对称循环变应力；（,3,）变号的不对称循环变应力；（,4,）不变号的不对称循环变应力；,2-7,已知一零件的最大工作应力,max,=180Mpa,，最小工作应力,min,=-80Mpa,。则在图示的极限应力简图中，该应力点,M,与原点的连线,0M,与横轴间的夹角,为,。,（,1,）,68,57,44,；（,2,）,21,2,15,；（,3,）,66,2,15,；（,4,）,74,28,33,；,0,135,a,m,A,N,G,C,M(,m,a,),2,1,2-8,在图示零件的极限应力简图上，,M,为零件的工作应力点，若加载于零件的过程中保持最小应力,min,为常数。则该零件的极限应力点应为,。,（,1,）,M,1,；（,2,）,M,2,；（,3,）,M,3,（,4,）,M,4,；,2-9,在上题中若对零件加载的过程中保持应力比,r,等于常数。则该零件的极限应力点应为,。,（,1,）,M,1,；（,2,）,M,2,；（,3,）,M,3,（,4,）,M,4,；,0,45,135,a,m,A,G,C,M,45,M,1,M,2,M,3,M,4,2,3,2-10,2-8,题中若对零件加载的过程中保持平均应力,m,等于常数。则该零件的极限应力点应为,。,（,1,）,M,1,；（,2,）,M,2,；（,3,）,M,3,（,4,）,M,4,；,2-11,零件的材料为,45,钢，,b,=600Mpa,，,s,=355Mpa,，,-1,=270Mpa,，,=0.2,，零件的疲劳强度综合影响系数,K,=1.4,。则在图示的零件极限应力简图中,角为,。,（,1,）,36,55,35,；（,2,）,41,14,22,；（,3,）,48,45,38,；（,3,）,67,8,6,；,-1,/K,0,/2K,0,/2,s,0,45,a,m,A,D,B,C,1,2,2-12,在题,2-5,图所示零件的极限应力简图中，如工作应力点,M,所在的,0N,线与横轴间夹角,=50,，则该零件受的是,。,（,1,）脉动循环变应力；（,2,）对称循环变应力；（,3,）变号的不对称循环变应力；（,4,）不变号的不对称循环变应力；,2-13,一零件由,40Cr,制成，已知材料的,b,=980Mpa,，,s,=785Mpa,，,-1,=440Mpa,，,=0.3,。零件的最大工作应力,max,=240Mpa,，最小工作应力,min,=-80Mpa,，疲劳强度综合影响系数,K,=1.44,。则当应力比,r=,常数时，该零件的疲劳强度工作安全系数,S,为,。,（,1,）,3.27;,（,2,）,1.73;,（,3,）,1.83;,（,4,）,1.27;,2-14,若材料疲劳曲线方程的幂指数,m=9,，则以对称循环应力,1,=500Mpa,作用于零件,n,1,=10,4,次以后，它所造成的疲劳损伤，相当 于应力,2,=450Mpa,作用于零件,。,（,1,）,0.3910,4,；（,2,）,1.4610,4,；（,3,）,2.5810,4,；（,4,）,7.4510,4,；,3,2,3,2-15,若材料疲劳曲线方程的幂指数,m=9,，则以对称循环应力,1,=400Mpa,作用于零件,n,1,=10,5,次所造成的疲劳损伤， 相当于,2,=,Mpa,作用于零件,n,2,=10,4,次所造成的疲劳损伤。,(1) 517,；（,2,）,546,；（,3,）,583,；（,4,）,615,；,2-16,45,钢经调质后的疲劳极限,-1,=300Mpa,，应力循环基数,N,0,=510,6,次，疲劳曲线方程的幂指数,m=9,，若用此材料做成的试件进行试验，以对称循环应力,1,=450Mpa,作用,10,4,次，,2,=400Mpa,作用,210,4,次。则工作安全系数为,。,（,1,）,1.14,；（,2,）,1.25,；（,3,）,1.47,；（,4,）,1.65,；,2-17,45,钢经调质后的疲劳极限,-1,=300Mpa,，应力循环基数,N,0,=510,6,次，疲劳曲线方程的幂指数,m=9,，若用此材料做成的试件进行试验，以对称循环应力,1,=450Mpa,作用,10,4,次，,2,=400Mpa,作用,210,4,次，再以,3,=350Mpa,作用于此试件，直到它破坏为止，试件还能承受的应力循环次数为,次。,（,1,）,6.2510,5,（,2,）,9.3410,5,（,3,）,1.0910,6,（,4,）,4.5210,6,1,2,3,第三章 摩擦、磨损及润滑理论,一、摩擦、磨损及润滑三者关系,当在正压力作用下相互接触的两个物体受切向外力的影响而发生相对滑动，或有相对滑动趋势时，在接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力，这一自然现象叫做摩擦。,其结果必然有能量损耗和摩擦表面物质的丧失或转移，即磨损。,据估计，世界上在工业方面约有,30%,的能量消耗于摩擦过程中。所以人们为了控制零件在摩擦中损坏，在摩擦面间加入润滑剂来降低摩擦，减小磨损的产生，所以说三者互为因果关系。,二、摩擦的种类,干摩擦,N,V,N,边界摩擦,V,N,液体摩擦,V,没有润滑剂,很薄油膜,被厚的油膜完全隔开,两个无润滑物体之间的摩擦，主要是由两种因素所构成：一是摩擦面的实际接触区内出现的粘着；二是较硬表面上的微凸体在较软表面上所起的犁刨作用。,那么，怎么样来区别边界摩擦、混合摩擦和液体摩擦的界限呢？可用膜厚比来划分：,式中：,h,min,两粗糙面间的最小公称油膜厚度，,m,；,R,a,两表面的综合粗糙度；,m,；,R,a1,、,R,a2,分别为两表面的轮廓算术平均偏差，,m,；,当,3,5,后则为液体摩擦。,三、牛顿流体定律,y,x,0,V=0,A,B,V,h,N,0,S(,面积,),如图,3-6,所示，在两个平行的平板间充满具有一定粘度的润滑油，若平板,A,以速度,V,移动，另一平板,B,静止不动，则由于油分子与平板表面的吸附作用，将使贴近板,A,的油层以同样的速度,V,随板移动；而贴近板,B,的油层则静止不动。由于层与层之间速度不同，于是形成各油层间的相对滑移，在各层的界面上就存在有相应的剪应力。,牛顿在,1687,年提出一个粘性液的摩擦定律（简称粘性定律），即在流体中任意点处的剪应力均与其剪切率（或速度梯度）成正比。,若用数学形式表示这一定律，即为：,式中：,流体单位面积上的剪切阻力，即剪应力；,dv/dy,流体沿垂直于运动方向（即沿图,3-6,中,y,轴方向或流体膜厚度方向）的速度梯度，式中的“”号表示,v,随,y,的增大而减小；,比例常数，即流体的动力粘度。,摩擦学中把凡是服从这个粘性定律的液体都叫牛顿液体。,四、液体动压润滑的条件（楔形承载机理）,（,1,）两个运动的表面要有楔形间隙；,（,2,）被油膜分开的两表面有一定相对滑动速度，且大口向小口；,（,3,）润滑油必须有一定的粘度。,（,4,）有足够充足的供油量。,P,max,油压,P,分布曲线,a b c,V,x,y,各油层的速度分布,压力油膜,h,0,p/,x0,p/,x=0,p/,x,h,0,h=h,0,hh,0,),段，,p/,x0,，即压力沿,x,方向逐渐增大；而在,bc(hh,0,),段，即,p/,x0,，这表明压力沿,x,方向逐渐降低。在,a,和,c,之间必有一处（,b,点）的油流速度变化规律不变，即,p/,x=0,，因而压力,p,达到最大值。由于油膜沿着,x,方向各处的油压都大于入口和出口的油压，且压力形成如图,3-9b,上部曲线所示的分布，因而能承受一定的外载荷。,b,）被油膜分开的两表面必须有一定的相对滑动速度；,由式（,3-10,）可知，若将速度,V,降低，则,p/,x,亦将降低，此时油膜各点的压力强度也会随之降低。如,V,降低过多，油膜将无法支持外载荷，而使两表面直接接触，致使油膜破裂，液体摩擦也就消失。,c,）润滑油必须有一定的粘性。,d,）有足够充足的供油量。,习题：,第三章 摩擦、磨损及润滑理论,一、选择题,3-1,现在把研究有关摩擦、磨损与润滑的科学与技术统称为,。,（,1,）摩擦理论；（,2,）磨损理论；（,3,）润滑理论；（,4,）摩擦学；,3-2,两相对滑动的接触表面，依靠吸附的油膜进行润滑的摩擦状态称为,。,（,1,）液体摩擦；（,2,）干摩擦；（,3,）混合摩擦；（,4,）边界摩擦；,3-3,两摩擦表面间的膜厚比,=0.4,3,时，其摩擦状态为,；,两摩擦表面间的膜厚比,3,5,时，其摩擦状态为,。,（,1,）液体摩擦；（,2,）干摩擦；（,3,）混合摩擦；（,4,）边界摩擦；,3-4,采用含有油性和极压添加剂的润滑剂，主要是为了减小,。,（,1,）粘着磨损；（,2,）表面疲劳磨损；（,3,）磨粒磨损；（,4,）腐蚀磨损；,3-5,通过大量试验， 得出的摩擦副的磨损过程图 （磨损量,q,与时间,t,的关系曲线）， 图中,是正确的。,t,q,t,q,t,q,t,q,a),b),c),d),3-6,根据牛顿液体粘性定律，大多数润滑油油层间相对滑动时所产生的切应力,与偏导数,v/,y,之间的关系是,。,（,1,） ；（,2,） ；（,3,） ；（,4,）,;,3-7,动力粘度,的国际单位制,(SI),单位为,。,（,1,）泊,(p),；（,2,）厘斯,(cst),；（,3,）恩氏度,(,E),；（,4,）帕,.,秒,(Pa.s),；,3-8,运动粘度,是动力粘度,与同温下润滑油,的比值。,（,1,）密度,；（,2,）质量,m,；（,3,）相对密度,d,；（,4,）速度,v,；,3-9,运动粘度,的国际单位制,(SI),单位为,。,（,1,）,m,2,/s,；（,2,）厘斯,(cst),；（,3,）厘泊,(cp) ;(4),帕,.,秒,(Pa.s);,3-10,当压力加大时，润滑油的粘度,。,（,1,）随之加大；（,2,）保持不变；（,3,）随之减小；（,4,）增大还是减小或不变，视润滑油性质而定；,3-11,当温度升高时，润滑油的粘度,。,（,1,）随之升高；（,2,）随之降低；（,3,）保持不变；（,4,）升高或降低视润滑油性质而定；,二、分析题,1,、何谓摩擦、磨损和润滑？它们之间的相互关系如何？,2,、按摩擦面间的润滑状况，滑动摩擦可分哪几种？,3,、按照磨损机理分，磨损有哪几种基本类型？它们各有什么主要特点？如何防止或减轻这些类型的磨损发生？,4,、获得流体动压润滑的必要条件是什么？,5,、润滑剂的作用是什么？常用润滑剂有哪几种？,第四章 螺纹零件,一、概述,1,、作用,联接：起联接作用的螺纹,;,传动：起传动作用的螺纹,;,外螺纹,内螺纹,圆柱,圆锥,母体,2,、螺纹的形成,刀具,做直线运动；,工件,做旋转运动；,螺纹线：转动与直线运动；,螺纹牙：某一个形状小面积沿螺旋线运动就形成；,3,、螺纹的种类,牙型形状：,三角,=30,矩形,=0,梯形,=15,锯齿,=30,、,3,右旋,多数用右旋,左旋,旋向,单线螺纹：沿一根螺旋线形成的螺纹；,双线螺纹：沿二根螺旋线形成的螺纹；,多线螺纹：沿三根以上螺旋线形成的螺纹；,线数,常用螺纹的类型见表,9-1,，,P201,。,常用的联接螺纹