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1、机械设计力学基础第1页，本讲稿共19页1.11.1载荷和荷和应力力1.1.11.1.1机械零部件的工作能力机械零部件的工作能力 工作能力工作能力需求需求强度、刚度强度、刚度耐磨性耐磨性振动稳定性振动稳定性 以传动为主的零件一般要求有一定的强度和刚度，即以传动为主的零件一般要求有一定的强度和刚度，即在工作负荷下不发生破坏和过大的变形；具有相对运动并在工作负荷下不发生破坏和过大的变形；具有相对运动并传力的零件需要有较好的耐磨性；而高速转动的零件则要传力的零件需要有较好的耐磨性；而高速转动的零件则要具有较高的振动稳定性。具有较高的振动稳定性。第2页，本讲稿共19页1.1.21.1.2机械零件的机械零
2、件的强度度 静静强度度疲疲劳强度度 按工作条件分按工作条件分整体整体强度度表面表面强度度 按破坏部位和按破坏部位和破坏形式分破坏形式分强度反映机械零件承受载荷时抵抗破坏的能力强度反映机械零件承受载荷时抵抗破坏的能力第3页，本讲稿共19页1.1.31.1.3载荷荷 静静载荷荷变载荷荷 周期性周期性变载荷荷非周期性非周期性变载荷荷 名名义载荷荷计算算载荷荷 额定功率或名义功率引入载荷系数K 计算载荷计算载荷=K*名义载荷名义载荷第4页，本讲稿共19页1.1.41.1.4应力力P113P113 （a）对称循环 (b)脉动循环 (c)非对称循环 静应力 r=1静静应力力变应力力 1.1.应力力 循环特
3、性系数循环特性系数r=-1 r=0 -1r1第5页，本讲稿共19页第6页，本讲稿共19页强度极限度极限屈服极限屈服极限疲疲劳极限极限 极限极限应力力 脆性破坏，断裂塑性变形疲劳破坏工作应力工作应力：按照材料力学的基本公式求出的、作用在零件剖按照材料力学的基本公式求出的、作用在零件剖面上的应力面上的应力计算应力计算应力：零件危险剖面上呈复杂应力状态时，按照某一强零件危险剖面上呈复杂应力状态时，按照某一强度理论求出、与单向应力等效的应力。度理论求出、与单向应力等效的应力。工作工作应力力计算算应力力 2.2.应力力 3.3.极限极限应力力 按照强度准则设计机械零件时，根据材料性质及应力种类而按照强度
4、准则设计机械零件时，根据材料性质及应力种类而采用材料的某个应力极限值。采用材料的某个应力极限值。第7页，本讲稿共19页4.4.标准准试件的疲件的疲劳极限和疲极限和疲劳曲曲线 P114P114 疲劳破坏应力循环次数有限寿命疲劳极限有限寿命疲劳极限工程上常用对称循环工程上常用对称循环 r=-1 的应力极限值的应力极限值 和和 作为材料的作为材料的疲劳极限疲劳极限N0 循环基数，对应的循环基数，对应的 和和 称为称为 疲劳极限疲劳极限第8页，本讲稿共19页 影响疲影响疲劳极限的因素极限的因素 1.1.应力集中力集中2.2.绝对尺寸尺寸3.3.表面状表面状态 零件的零件的对称循称循环疲疲劳极限极限应力
5、力 5.5.零件的疲零件的疲劳极限极限P115P115第9页，本讲稿共19页6.6.许用用应力及（力及（许用用)安全系数安全系数 安全系数的采取原安全系数的采取原则：在保证安全的可靠的前提下，尽可能选择较小的安全系数在保证安全的可靠的前提下，尽可能选择较小的安全系数 许用应力许用应力：计算应力允许达到的最大值。在实现条件下找出极计算应力允许达到的最大值。在实现条件下找出极限应力值，在现场情况下，考虑各方面的影响，加一个安全系限应力值，在现场情况下，考虑各方面的影响，加一个安全系数。数。第10页，本讲稿共19页7.7.整体整体强度和表面度和表面强度度 整体强度零件受载时在本体内产生应力为整体强度
6、问题，整体强度零件受载时在本体内产生应力为整体强度问题，整体强度的形式有拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切的形式有拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切 零件受载时，在传力的接触表面上产生应力，引起表面强零件受载时，在传力的接触表面上产生应力，引起表面强度问题。度问题。表面强度第11页，本讲稿共19页8.8.接触接触强度度 接触应力接触应力：是在两个零件通过点接触或线接触传递载荷时，是在两个零件通过点接触或线接触传递载荷时，在接触部位产生弹性变形，同时产生的很大的应力。在接触部位产生弹性变形，同时产生的很大的应力。第12页，本讲稿共19页弹性力学中的赫兹Hertz公式 -作用在圆柱体上的压力，N -接触线长度
7、，mm -综合曲率半径 -两圆柱体材料的泊松比 -材料弹性系数，E1 E2 圆柱体材 料的弹性模量第13页，本讲稿共19页1.21.2机械零部件失效形式与机械零部件失效形式与设计准准则1.2.11.2.1失效形式及失效形式及对策策机械零部件由于某种原因丧失工作能力而不能正常工作时称为机械零部件由于某种原因丧失工作能力而不能正常工作时称为失效失效。第14页，本讲稿共19页采用的采用的对策策1.1.控制零件尺寸控制零件尺寸2.2.合理合理选择材料和材料和热处理方式理方式3.3.合理合理设计机构机构4.4.合理使用和合理使用和维护第15页，本讲稿共19页1.控制零件尺寸控制零件尺寸 按强度、刚度等工
8、作能力准则计算零件尺寸，使在满足工作要求条按强度、刚度等工作能力准则计算零件尺寸，使在满足工作要求条件下尺寸尽量紧凑。件下尺寸尽量紧凑。1）校验计算）校验计算2）设计计算）设计计算3）计算承载力）计算承载力第16页，本讲稿共19页2.合理选择材料和热处理合理选择材料和热处理从考虑强度出发选择强度极限高的材料从考虑强度出发选择强度极限高的材料 同样尺寸的零件可以承受更大载荷而不被破坏同样尺寸的零件可以承受更大载荷而不被破坏从考虑刚度出发选择弹性模量较大的材料从考虑刚度出发选择弹性模量较大的材料 相同工况下可以减小变形量相同工况下可以减小变形量从考虑零件的表面硬度和整体韧性出发从考虑零件的表面硬度和整体韧性出发 选择合理的热处理工艺方法选择合理的热处理工艺方法选择合理的耐磨材料，可以减少磨损选择合理的耐磨材料，可以减少磨损第17页，本讲稿共19页3.采用合理的结构采用合理的结构4.合理的使用和维护合理的使用和维护第18页，本讲稿共19页1.2.21.2.2设计准准则 设计机械零件时保证零部件不产生失效所依据设计机械零件时保证零部件不产生失效所依据的基本原则，称为设计准则。的基本原则，称为设计准则。(1)强度设计准则强度设计准则(2)刚度设计准则刚度设计准则一般用途的轴一般用途的轴第19页，本讲稿共19页