第七章 机械产品设计中的几个主 要技术问题
➢ PART 本章主要内容 讲解机械疲劳设计方法 讲解摩擦机理和磨损的基本规律 可靠性设计 介绍机械的热效应设计 介绍机械抗振性设计和低噪声设计 人计学设计
PART Ⅱ 本章重点
掌握疲劳破坏的机制和特点，现行的机械 疲劳设计方法
掌握摩擦机理和磨损的基本规律 掌握了解机械的热效应设计
k
d
n
1
n
k a d
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 n
(1) k a 1 m
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na
(2)
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(1
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)
na
（2）安全寿命设计
线性损伤理论：
ni Ni
1
零件的安全寿命为Z时：Z
nN
1
(
ni Ni
)
六、低周疲劳概念
应力水平很高时零件会进入塑性区，每一个应 力循环有少量塑性变形，出现滞后回线，导致 在循环次数很低时产生疲劳破坏。
第一节 机械疲劳设计
疲劳：零件在循环应力或循环应变作用下， 由于某点或某些点产生了局部的永久结构变化， 从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断 裂的过程。
疲劳失效占到机器零件失效的50%~90%。
以疲劳破坏为主要失效形式的零件应采用疲 劳强度设计方法。
一、疲劳破坏的机制和特点
1.疲劳破坏机制
（ 1）疲劳裂纹萌生(局部塑性应变集中引起) 疲劳破坏三个阶段（ 2）疲劳裂纹的扩展
尺寸系数：
d
1d 1d0
3.表面状态影响 表面强化可以提高疲劳强度，表面粗糙会降 低疲劳强度。 表面状态系数：
1 1
式中 -1 ——某种表面状态下的疲劳极限； -1 ——精抛光和未强化试件的疲劳极限。
五、疲劳设计
1.名义应力疲劳设计法 以名义应力为基本设计参数，以S-N曲线为主 要设计依据的疲劳设计方法。 该法历史悠久，也称常规疲劳设计法。 根据设计寿命分为： 无限寿命设计法和有限 寿命设计法。
概率统计方法和疲劳设计方法结合的产物， 也称概率疲劳设计。
考虑了载荷、材料疲劳性能和其他疲劳设计 数据的分散性。
分为：无限寿命设计和安全寿命设计
疲劳强度设计的两个阶段
（ 1）疲劳计算 （ 2）疲劳试验
（1）无限寿命设计
1）恒幅对称循环
2)恒幅非对称循环，应力比保 持不变
3)非对称循环，平均应力保持 不变
k
1 -1k
式中：-1 无应力集中时试件的疲劳极限 -1k 有应力集中时试件的疲劳极限
由于有效应力集中系数k总是低于理论应力集 中系数，各种材料对应力集中的感受程度可 用敏感系数q表示.
2.尺寸效应
零件截面尺寸越大，疲劳极限越低。
原因：材料晶粒粗导致出现缺陷概率高和表 面冷作硬化层相对薄。
疲劳失效：交变应力与交变应变的作用下， 构件因发生疲劳破坏而使其丧失正常工作性能。
疲劳强度：试件抵抗疲劳失效的能力。
2.疲劳曲线
交变载荷作用下，零件承受的交变应力和断 裂循环周次之间的关系，用疲劳曲线描述。
疲劳极限：疲劳寿命无穷大时的疲劳强度。 在S-N曲线上非水平段与 某循环次数N对应的最大应 力 max称为该循环次数下的 条件疲劳极限。
2.局部应力应变分析法
低周疲劳基础上发展起来的疲劳寿命估算方 法。
基本设计参数为应变集中处的局部应变和局 部应力。
3.损伤容限设计法
前提：承认材料内部存在初始缺陷，并把初 始缺陷看成裂纹。
思路：根据初始缺陷正确估算剩余寿命，采 取适当的断裂控制措施，确保零件在使用期限 内能安全使用。
4.疲劳可靠性设计
（ 3）失稳断裂（损伤逐渐累积到临界值）
宏观方面：研究前端的弹塑性应力应变，
疲劳破坏机制目前研究重点微观方面：分建析立裂断纹裂前过端程应规变律区的内理的论组基织础
结构，建立物理模型或判据
把宏观和微观方面的研究结合起来。
宏观和微观的研究集中在疲劳裂纹的萌生和 扩展方面。
2.疲劳破坏的特点
(1)疲劳破坏是在循环应力或循环应变作用下的破坏，疲劳条件下
的破断应力低于材料的抗拉强度 b，而且可能低于屈服强度s。
（ 2）疲劳破坏必须经历一定的载荷循环次数。 (3)零件在整个疲劳过程中不发生宏观塑性变形，其断裂方式类似
于脆性断裂。 （ 4）疲劳断口上明显地分为两个区域。
二、载荷类型
掌握载荷的变化情况是研究疲劳强度的先决条件。 载荷幅值随时间变化分为有规则和无规则，相应载荷 分为周期载荷和随机载荷。 载荷谱：每个工作周期载荷变化的历程。
一、摩擦
定义：抵抗两物体接触表面在外力作用下发 生切向相对运动的现象。
1.滑动摩擦
（1）滑动摩擦机理
1）机械理论：摩擦表面凸凹不平造成机械咬合而产生摩擦
32））机分械子—理分论子：理摩论擦：是摩由擦摩力擦是表由面接间触分点子上力分作子用吸引力和机械作用产生
周期载荷
循环特性 对称循环
r=
r =-1
min max
脉动循环
r=0
不对称循环 -1 r 1(r 0)
三、疲劳应力与疲劳强度、疲劳曲线、 疲劳极限
1.疲劳应力与疲劳强度
交变应力（交变应变）：构件受到载荷值随 时间变化的交变载荷作用，使零件的材料内部 产生随时间变化的内力分布或变形分布。
（3）整机疲劳试验 特别重要的机械或批量大的机械采用。 费用昂贵。 2.试验结果的统计处理 一般采用数理统计的方法
八、研究现状和发展趋势
缺乏疲劳设计的基础数据，未建立疲劳设计 规范。
第二节 摩擦学设计
两物体接触表面发生切向相对运动时会产生 摩擦现象。 固体运动件中，摩擦作用会带来磨损。 研究相互作用表面的科学技术定名为“摩擦 学”（Tribology）
曼森-柯芬定律：
T 2
e 2
p 2
f E
(2Nf )b
' f
(2
Nf
)c
七、结构疲劳试验简介
1.结构疲劳试验的基本类型和特点 （1）零件疲劳试验 验证零件质量是否满足使用强度要求有效手段。 能暴露结构上存在的薄弱环节和应力集中源。 可检查关键零件的寿命。 （2）模拟试验 几何相似模拟试验 局部应力场模拟疲劳试验
3.疲劳极限的经验计算公式
4.疲劳极限图（疲劳图）
疲劳曲线图：测得的一系列疲劳极限，选取 一定坐标绘出的曲线。
四、影响疲劳强度的因素
1.应力集中的影响
应力集中：在零件几何形状突然变化处（孔、 圆角、键槽等），局部应力远大于名义应力。
理论应力集中系数 ：最大局部应力与名义 应力比值。
有效应力集中系数k来表示疲劳强度的真正降 低程度：