§2.1載荷和應(yīng)力§2.2機(jī)械零件的失效形式與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則第2章機(jī)械設(shè)計(jì)中的力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)§2.1載荷和應(yīng)力1.機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)能力

設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)首先要保證其功能的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)要考慮零部件加工裝配的工藝性和操作維護(hù)的方便合理，并使產(chǎn)品成本盡量降低，這樣才能在市場競爭中取得更大的優(yōu)勢。組成機(jī)械的各零部件也應(yīng)有其自己的功能，如齒輪傳遞動(dòng)力，軸、軸承和機(jī)座支承傳動(dòng)零件，密封圈密封防漏等。零部件工作能力反映其功能和工作中的性能，如強(qiáng)度、剛度、精度、穩(wěn)定性、壽命等。以傳動(dòng)為主的零件一般要求有一定的強(qiáng)度和剛度，即在工作負(fù)荷下不發(fā)生破壞和過大的變形；具有相對運(yùn)動(dòng)并傳力的零件需要有較好的耐磨性；而高速轉(zhuǎn)動(dòng)的零件則要具有較高的振動(dòng)穩(wěn)定性。2.機(jī)械零件的強(qiáng)度根據(jù)工作條件不同，機(jī)械零件的強(qiáng)度分：強(qiáng)度反映機(jī)械零件承受載荷時(shí)抵抗破壞的能力。

強(qiáng)度必須從引起破壞的主要因素(外載荷)和機(jī)械零件本身抵抗破壞的因素(形狀、尺寸和材料)兩個(gè)方面同時(shí)進(jìn)行考慮。根據(jù)破壞部位和破壞形式的不同又有各種類型的整體強(qiáng)度和表面強(qiáng)度。靜強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度§2.1載荷和應(yīng)力§2.1載荷和應(yīng)力3.載荷靜載荷：大小、方向不隨時(shí)間變化或變化緩慢

如重力變載荷：大小、方向隨時(shí)間作周期性或非周期性變化名義載荷F：根據(jù)原動(dòng)機(jī)或工作機(jī)的額定功率計(jì)算出的作用于

機(jī)械零件上的載荷（未考慮不均勻性及其他影響因素）。周期性變化如內(nèi)燃機(jī)等往復(fù)式動(dòng)力機(jī)械的曲軸所受的載荷非周期性變化如承受車身質(zhì)量的懸掛彈簧所受的載荷計(jì)算載荷：§2.1載荷和應(yīng)力4.應(yīng)力1.靜應(yīng)力和變應(yīng)力變應(yīng)力：

穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力：變化周期相同、變化幅值相等靜應(yīng)力：大小、方向不隨時(shí)間變化或變化緩慢靜應(yīng)力譜§2.1載荷和應(yīng)力材料疲勞的兩種類別sm─平均應(yīng)力；sa─應(yīng)力幅值smax─最大應(yīng)力；smin─最小應(yīng)力r─應(yīng)力比（循環(huán)特征）變應(yīng)力的基本參數(shù)：

描述規(guī)律性的交變應(yīng)力可有5個(gè)參數(shù)，但其中只有2個(gè)參數(shù)是獨(dú)立的?！?.1載荷和應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力根據(jù)循環(huán)特征r可分為：§2.1載荷和應(yīng)力

非對稱循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力§2.1載荷和應(yīng)力

循環(huán)應(yīng)力類型

循環(huán)特征

應(yīng)力特點(diǎn)

對稱循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力靜應(yīng)力表2-1幾種典型變應(yīng)力的循環(huán)特征和應(yīng)力特點(diǎn)當(dāng)零件受變切應(yīng)力作用時(shí)，只需將公式中的§2.1載荷和應(yīng)力注意：靜應(yīng)力只能由靜載荷產(chǎn)生，而變應(yīng)力可能由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生工作應(yīng)力——由計(jì)算載荷產(chǎn)生的應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力——當(dāng)零件危險(xiǎn)剖面上呈復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，按某一強(qiáng)度理論求出的、與單向拉伸時(shí)有同等破壞作用的應(yīng)力2.工作應(yīng)力和計(jì)算應(yīng)力§2.1載荷和應(yīng)力3.極限應(yīng)力塑性材料極限應(yīng)力：屈服極限

失效形式：塑性變形

根據(jù)材料性質(zhì)及應(yīng)力種類而采用材料的某個(gè)應(yīng)力極限值

靜應(yīng)力作用下:

脆性材料極限應(yīng)力：強(qiáng)度極限

失效形式：脆性破壞，

§2.1載荷和應(yīng)力4.疲勞曲線和疲勞極限零件在變應(yīng)力作用下的損壞形式是疲勞破壞應(yīng)力越小，試件能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)越多。反之，如果應(yīng)力越大，則試件經(jīng)過很少循環(huán)次數(shù)就會(huì)破壞。m—與應(yīng)力與材料的種類有關(guān)。鋼m=9——拉、彎應(yīng)力、剪應(yīng)力m=6——接觸應(yīng)力N—應(yīng)力循環(huán)次數(shù)—疲勞破壞應(yīng)力§2.1載荷和應(yīng)力N0—應(yīng)力循環(huán)基數(shù)—材料的疲勞極限疲勞曲線在一給定循環(huán)特性的條件下，疲勞曲線在后趨于水平,可以認(rèn)為在無限次循環(huán)后試件也不會(huì)斷裂。當(dāng)工作的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)時(shí),材料不發(fā)生疲勞破壞時(shí)的最大應(yīng)力稱為材料的有限壽命疲勞極限§2.1載荷和應(yīng)力5.零件的疲勞極限影響機(jī)械零件疲勞極限的主要因素:(1)應(yīng)力集中的影響——有效應(yīng)力集中系數(shù)(）—有應(yīng)力集中試件的對稱循環(huán)彎曲（扭轉(zhuǎn)剪切）疲勞極限。

應(yīng)力集中；絕對尺寸；表面狀態(tài)（）—無應(yīng)力集中試件的對稱循環(huán)彎曲（扭轉(zhuǎn)剪切）疲勞極限。

零件受載時(shí)，在幾何形狀突變處（圓角、凹槽、孔等）要產(chǎn)生應(yīng)力集中，對應(yīng)力集中的敏感程度與零件的材料有關(guān)，一般材料強(qiáng)度越高，硬度越高，對應(yīng)力集中越敏感§2.1載荷和應(yīng)力(2)絕對尺寸的影響

零件的尺寸越大，在各種冷、熱加工中出現(xiàn)缺陷，產(chǎn)生微觀裂紋等疲勞源的可能性（機(jī)會(huì)）增大。從而使零件的疲勞強(qiáng)度降低。

用尺寸系數(shù)，計(jì)入尺寸的影響。

、—標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件的對稱循環(huán)彎曲（扭轉(zhuǎn)剪切）疲勞極限。

、—直徑為d的某種尺寸零件的對稱循環(huán)彎曲（扭轉(zhuǎn)剪切）疲勞極限?！?.1載荷和應(yīng)力疲勞裂紋多發(fā)生在表層，不同表面狀態(tài)（表面質(zhì)量、強(qiáng)化方法）對零件疲勞強(qiáng)度的影響。用表面狀態(tài)系數(shù)、計(jì)入表面質(zhì)量的影響。(3)表面狀態(tài)的影響影響疲勞強(qiáng)度的主要因素3—標(biāo)準(zhǔn)表面狀態(tài)(精拋光)試件的對稱循環(huán)疲勞極限?！撤N表面狀態(tài)零件的對稱循環(huán)疲勞極限?！?.1載荷和應(yīng)力綜合影響

試驗(yàn)證明：應(yīng)力集中、尺寸和表面質(zhì)量都只對應(yīng)力幅有影響，而對平均應(yīng)力沒有明顯的影響。（即對靜應(yīng)力沒有影響）零件的疲勞極限為：表面狀態(tài)系數(shù)有效應(yīng)力集中系數(shù)尺寸系數(shù)§2.1載荷和應(yīng)力6.許用應(yīng)力和安全系數(shù)設(shè)計(jì)零件時(shí)，計(jì)算應(yīng)力允許達(dá)到的最大值在保證安全可靠的原則下，盡可能選擇較小的安全系數(shù)安全系數(shù)的確定方法：表格法經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法部分系數(shù)法§2.1載荷和應(yīng)力7.整體強(qiáng)度和表面強(qiáng)度零件在傳力過程中要同時(shí)考慮整體強(qiáng)度與表面強(qiáng)度。零件受載時(shí)在本體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力為整體強(qiáng)度問題整體強(qiáng)度的形式有拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切等連接兩連桿的圓柱銷在載荷的作用下可能發(fā)生剪切破壞§2.1載荷和應(yīng)力零件受載時(shí)，在傳力的接觸表面上產(chǎn)生應(yīng)力，引起表面強(qiáng)度問題。面接觸傳力時(shí)產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，它可能使表面壓潰破壞；而點(diǎn)接觸或線接觸，交變的接觸應(yīng)力可能使表面發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕破壞。圓柱銷連接兩連桿傳力，連桿孔與銷在接觸面上都會(huì)產(chǎn)生擠壓應(yīng)力：傳力時(shí)，產(chǎn)生接觸應(yīng)力§2.1載荷和應(yīng)力8.接觸強(qiáng)度接觸應(yīng)力：當(dāng)兩零件以點(diǎn)、線相接觸時(shí)，其接觸的局部會(huì)引起較大

的應(yīng)力。零件1和2初始接觸線上沿連心線方向的彈性位移點(diǎn)接觸時(shí)，接觸區(qū)一般呈橢圓形。本教材的接觸應(yīng)力計(jì)算僅為線接觸的情況線接觸：§2.1載荷和應(yīng)力綜合曲率半徑--正壓力--接觸線長度--兩圓柱體材料的彈性模量--兩圓柱體材料的泊松比--材料彈性系數(shù)理論依據(jù)：赫茲公式接觸應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力§2.1載荷和應(yīng)力§2.2機(jī)械零部件的失效形式與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1.失效與防止失效的對策機(jī)械零部件由于某種原因喪失工作能力而不能正常工作時(shí)稱為失效。失效形式分類如下：為保證零部件正常工作能力，避免失效，一般采取以下幾方面的措施：

按強(qiáng)度、剛度等工作能力準(zhǔn)則計(jì)算零件尺寸，使在滿足工作要求條件下尺寸盡量緊湊1）控制零件尺寸2）合理選擇材料和熱處理從考慮強(qiáng)度出發(fā)選擇強(qiáng)度極限較高的材料,使同樣尺寸的零件可承受更大載荷而不破壞。從考慮剛度出發(fā)選擇彈性模量較大的材料，在相同工作條件下可減小變形量。從考慮零件的表面硬度和整體韌性出發(fā)，合理地選擇熱處理工藝方法。合理選配摩擦副材料以減少磨損?！?.2機(jī)械零部件的失效形式與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則3）確定合理的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)合理是保證零部件正常工作能力的重要因素。如箱體兩軸承孔的結(jié)構(gòu)，若能使其一次鏜削加工，可保證對中性，避免軸與軸承間由于不同心而引起的附加磨損。4）合理使用和維護(hù)機(jī)械使用過程中的維護(hù)，如閉式系統(tǒng)的密封，相對運(yùn)動(dòng)零件間的潤滑，聯(lián)接件的防松等，都將直接影響其工作能力?！?/p>