濮良贵《机械设计》考点精讲+讲义.pdf-资料库

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目　录（１）（１５）（２６）（３０）（３７）（４３）（５９）（６７）（７７）（８５）（９１）（１０１）第一章　机械设计总论第二章　螺纹联接与螺旋传动第三章　轴毂联接第四章　带传动第五章　链传动第六章　齿轮传动第七章　蜗杆传动第八章　滑动轴承第九章　滚动轴承第十章　联轴器和离合器第十一章　轴第十二章　弹簧

第一章　机械设计总论　　本章内容及基本考情分析本章的主要内容（１）机械设计的一般程序；（２）机械零件设计的一般步骤和方法；（３）机械零件的失效形式和设计准则；（４）机械零、部件所受载荷及应力的类型，变应力的种类和特点；（５）静应力下机械零件的强度判断方式。单向应力状态及复合应力状态下危险剖面上计算应力、表面接触应力的计算；（６）变应力作用下机械零件的强度问题：１）变应力作用下机械零件的失效特征及影响疲劳强度的主要因素；２）疲劳曲线（σ—Ｎ曲线）、极限应力线图（σｍ—σａ图）、疲劳损伤累积假说（Ｍｉｎｅｒ法则）的含义、极限应力的确定方法；３）变应力作用下机械零件的强度计算；（７）干摩擦、边界摩擦、混合摩擦和液体摩擦的特点，各类摩擦状态对摩擦系数“μ”的影响，干摩擦的机理；摩擦与磨损的相互关系，磨损对机器寿命和性能的影响，磨损的实质和基本规律，磨损的分类，各类磨损的影响因素，减少磨损的各种措施；润滑的作用，润滑材料的分类，各类润滑材料的性能指标，润滑剂的选用原则。重点内容是零件的失效和设计准则，稳定循环变应力作用下单向应力状态下的强度计算；难点是变应力作用下零件的疲劳曲线、极限应力图、疲劳损伤累积假说（Ｍｉｎｅｒ法则）及其应用。本章考研试题可分三种类型一、是基本概念题（内容涉及面较广，涉及机械零件的主要失效形式、设计的基本要求，计算准则、设计方法及步骤、材料选用原则，标准化等、机械零件的强度问题及摩擦、磨损和润滑的基本概念及机理）；二、是机械零件疲劳强度的计算；三、是绘制零件的极限应力图，并用图解法求极限应力值、其中的疲劳强度计算与画极限应力图又往往是结合在一起的，本章考研试题中的“大题”多是这一类型，而且又多集中在单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算问题。 —１—

本章重点与难点：１．机械零件的失效形式：整体断裂、过大残余变形、零件的表面破坏（主要是腐蚀、磨损和接触疲劳），破坏正常工作条件引起的失效。２．机械零件的设计准则：强度准则：σ≤σｌｉｍ考虑安全系数 σ≤σｌｉｍｓ刚度准则：ｙ≤［ｙ］（许用变形量）寿命准则：主要因素是腐蚀、磨损和疲劳０λ（ｔ）ｄｔ振动稳定性准则：０．８５ｆ＞ｆｐ或１．１５ｆ＜ｆｐ可靠性准则：可靠度Ｒ＝Ｎ／Ｎ０，Ｒ＝ｅ－∫ｔ，λ（ｔ）失效率。３．关于机械零件所受的应力类型及其相应的强度计算式ｍ─平均应力；ｓｍａｘ─最大应力；Ｒ─应力比（循环特性） σｍ＝σｍａｘ＋σｍｉｎ２　　　 σａ＝σｍａｘ－σｍｉｎ２　　　ｒ＝σｍｉｎσｍａｘ描述规律性的交变应力可有５个参数，ａ─应力幅值ｍｉｎ─最小应力但其中只有两个参数是独立的。ｒ＝－１对称循环应力　　ｒ＝０脉动循环应力　　ｒ＝１　静应力在变应力种类中，稳定循环单向变应力是最基本的变应力。论稳定循环变应力的ｒ为何值，其强度计算都是ｓ＝σ＿ｒ〖σ＿ｍａｘ≥［Ｓ］〗。即：安全系数＝极限应力／最大工作应力≥许用安全系数。从研究角度出发，可把任何稳定非对称循环变应力看作是由一静应力（其大小等于原变应力的平均应力 σｍ）和一对称循环变应力（其最大应力等于原变应力的应力幅 σａ）叠加而成的变应力。这样分 —２—

解，有助于理解为何在考虑疲劳强度因素对极限应力的影响时，只需用综合影响系数（Ｋσ）（或（Ｋτ））修正变应力中的应力幅 σａ部分，而不必修正平均应力 σｍ。４、关于疲劳曲线（σ—Ｎ曲线）及极限应力图（σｍ—σａ图）的含义与应用（１）σ—Ｎ曲线金属材料的疲劳曲线（σ—Ｎ曲线）是取同一ｒ值、不同Ｎ值时做试验得到的。它表示在给定循环ｒＮＮ＝常数，如图所示。由于ＮＤ很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数Ｎ０（称为环基数），用Ｎ０及其相对应的特征ｒ的条件下，应力循环次数Ｎ与疲劳极限的关系曲线。疲劳曲线方程为 σｍ疲劳极限 σｒ来近似代表ＮＤ和 σｒ∞，于是有：σｍｒＮＮ＝σｍｒＮ０＝Ｃ　ｓ－Ｎ疲劳曲线有限寿命区间内循环次数Ｎ与疲劳极限 σｒＮ的关系为：ｍＮ０槡Ｎ＝ｋＮσｒ　　Ｎ＝ σｒσ( )ｒＮ σｒＮ＝σｒ式中，σｒ、Ｎ０及ｍ的值由材料试验确定，ｋＮ称为寿命系数。当Ｎ≥Ｎ０时，取ｋＮ＝１，则 σｒＮ＝σｒ。当Ｎ＜Ｎ０时，取ｋＮ＞１，则 σｒＮ＞σｒ。ｍＮ０　　　ｋＮ＝ｍＮ０槡／Ｎ即有限寿命的疲劳极限应力大于疲劳极限值。这就意味着，零件按有限寿命设计和按无限寿命设计将获得不同结构的基本尺寸。（２）极限应力曲线在同一Ｎ值（常取Ｎ＝Ｎ０），不同ｒ值实验得到。用Ａ′Ｇ′Ｃ折线表示零件材料的极限应力线图是其中一种近似方法。Ａ′Ｇ′直线的方程为：σ－１＝σ′ａ＋ψσσ′ｍＣＧ′直线的方程为：σ′ａ＋σ′ｍ＝σｓ —３—

ψσ为试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定： ψσ ＝２σ－１－σ０σ０　对于碳钢，ψσ≈ ０．１～０．２，对于合金钢，ψσ≈ ０．２～０．３。由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因素等的影响，使得零件的疲劳极限要小以弯曲疲劳极限的综合影响系数Ｋσ表示材料对称循环弯曲疲劳极限 σ－１与零件对称循环 Ψσ疲于材料试件的疲劳极限。劳极限 σ－１ｅ的比值，即Ｋσ ＝σ－１σ－１ｅ在不对称循环时，Ｋσ是试件与零件极限应力幅的比值。将零件材料的极限应力线图中的直线Ａ′Ｄ′Ｇ′按比例向下移，成为右图所示的直线ＡＤＧ，而极限应力曲线的ＣＧ部分，由于是按照静应力的要求来考虑的，故不须进行修正。这样就得到了零件的极限应力线图。难点一：单向稳定变应力时的疲劳强度计算进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的 σｍａｘ及 σｍｉｎ确定平均应力 σｍ与应力幅 σａ，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点Ｍ或Ｎ。相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线上的某一个点所代表的应力（σ′ｍ，σ′ａ）计算安全系数及疲劳强度条件为：Ｓｃａ＝σ′ｍａｘσｍａｘ＝σ′ｍ＋σ′ａ σｍ＋σａ  Ｓ根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律，从而决定以哪一个点来表示极限应力。机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：１）应力比为常数：ｒ＝Ｃ射线ＯＭ′（ＯＮ′）上任何一点所代表的应力循环都具有相同的应力比；Ｍ′（Ｎ′）为极限应力点，其坐标值 σ′ｍｅ、σ′ａｅ之和就是对应于Ｍ（Ｎ）点的零件的极限应力 σ′ｍａｘ。 —４—

当工作点Ｍ位于ＡＯＧ区域时，零件的疲劳强度条件是：Ｓｃａ＝σ′ｍａｘσｍａｘ＝  Ｓ σ－１ｋσσａ＋φσσｍ当工作点Ｍ位于ＯＧＣ区域内时，其极限应力值为屈服极限，故强度条件为：Ｓｃａ＝ σｓσｍａｘ＝ σｓσａ＋σｍ  Ｓ２）平均应力为常数：σｍ＝Ｃ过Ｍ（Ｎ）点作纵轴的平行线，则此线上任何一个点所代表的应力循环都具有相同的平均应力值，Ｍ′（Ｎ′）的坐标值之和就是对应于Ｍ（Ｎ）的零件的极限应力 σ′ｍａｘ。当工作点Ｍ位于ＯＨＧＡ区域时，零件的疲劳强度条件为：＝σ－１＋（Ｋσ －φσ）σｍｋσ（σａ＋σｍ）Ｓｃａ＝σ′ｍａｘσｍａｘ  Ｓ当工作点Ｍ位于ＧＨＣ区域内时，其极限应力值为屈服极限，故强度条件为：Ｓｃａ＝ σｓσｍａｘ＝ σｓσａ＋σｍ  Ｓ３）最小应力为常数：σｍｉｎ＝Ｃ过Ｍ（Ｎ）点作与横坐标轴成４５°的线ＭＭ′（ＮＮ′），则此线上任何一点所代表的应力均具有相同的最小应力，因此，Ｍ′（Ｎ′）为极限应力点。但当工作点落在ＡＯＪ区域时，最小应力 σｍｉｎ负值，这在实际的机械结构中极少见，故不予讨论。 —５—

当工作点Ｍ位于ＯＪＧＩ区域时，零件的疲劳强度条件为：Ｓｃａ＝σ′ｍａｘσｍａｘ＝２σ－１＋（Ｋσ －φσ）σｍｉｎ（ｋσ ＋φσ）（２σａ＋σｍｉｎ）  Ｓ当工作点Ｍ位于ＩＧＣ区域内时，其极限应力值为屈服极限，故强度条件为：Ｓｃａ＝ σｓσｍａｘ＝ σｓσａ＋σｍ  Ｓ关于影响机械零件疲劳强度的主要因素：影响机械零件疲劳强度的主要因素有材料性能、应力循环特征ｒ、应力循环次数Ｎ、应力集中、绝对尺寸和表面状态等。在进行疲劳强度计算时，必须充分考虑这些影响因素。要注意两点：（１）因为在其他条件相同下，钢的强度越高，综合影响系数（Ｋσｅ）或（Ｋτｅ）值越大，所以对于用高强度钢制造的零件，为了得到提高强度的效果，必须采取减少应力集中及适当提高表面质量的措施。中系数Ｋσ（或Ｋτ）（２）在考虑应力集中影响时，若零件危险剖面处有多个不同的应力集中源，则应取诸有效应力集中较大者代入式Ｋσｅ＝Ｋσεσβ（或Ｋτｅ＝Ｋτετβ）中计算。难点二：单向不稳定变应力时的疲劳强度计算不稳定变应力 { 非规律性　用统计方法进行疲劳强度计算规律性　按损伤累积假说进行疲劳强度计算　　规律性不稳定变应力若应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用，则应力 σ１每循环一次对材料的损伤率即为１／Ｎ１，而循环了ｎ１次的 σ１对材料的损伤率即为ｎ１／Ｎ１。如此类推，循环了ｎ２次的 σ２对材料的损伤率即为ｎ２／Ｎ２，……。ｎ１Ｎ１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：＋ｎ２Ｎ２＋ｎ３Ｎ３＝１通常 —６—

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