(机械制造行业)机械设计机械零件的强度
第三章 机械零件的强度
§ 3 – 1 材料的疲劳特性
一、交变应力的描述
静应力，变应力
max ─最大应力； min ─最小应力 m ─平均应力； a ─应力幅值
2
min
max
σσσ+=
m 2
min
max σσσ-=
a
max
min
σσ=
r r
─应力比（循环特性）
【注意】
1）已知任意两个参数，可确定其他三个参数。一般已
知 max ，r ；
2） max ， min 指代数值； a 为绝对值； 3）-1≤ r ≤ +1； a =0，r =+1，为静应力
r = -1 对称循环应力 r =0 脉动循环应力 r =1 静应力
σ－N 疲劳曲线
二、 疲劳曲线（σ-N 曲线）
1.材料的疲劳极限：σr N
在一定应力比为г的循环变应力作用下，应力循环N 次后，材料不发生疲劳破坏时，所能承受的最大应力σmax 。 2.疲劳寿命：N
材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。
г不同或N 不同时，疲劳极限σrN 不同。即σrN 与r 、N 有关。疲劳强度计算中，就是以疲劳极限作为σlim 。 即σlim =σrN 。通过试验可得，疲劳极限σrN 与循环次数N 之间关系的曲线，如上图所示。
AB段曲线：N<103，计算零件强度时按静强度计算。（σrN≈σs）
BC段曲线：103 CD段曲线：σr N随N的增大而降低。但是当N超过某一次数时（图中N D），曲线趋于水平。即σr N不再减小。 N D与材料有关，有的相差很大，因此规定一个常数。 N0?循环基数 当N>N D 时，σrN=σr∞=σr（简记） 疲劳曲线以N0为界分为两个区： 1）有限寿命区 把曲线CD段上的疲劳极限σr称为有限疲劳极限（条件～）。 当材料受到的工作应力超过σr时，在疲劳破坏之前，只能经受有限次的应力循环。即寿命是有限的。 【说明】 不同应力比г时的疲劳曲线具有相似的形状。但г↑，σrN↑。 2）无限寿命区 当N >N 0时，曲线为水平直线，对应的疲劳极限是一个定值，——称为持久疲劳极限，用0rN σ表示 （简写为σr ）。在工程设计中，一般认为：当材料受到的应力不超过σr 时，则可以经受无限次的循环应力而不疲劳破坏——即寿命是无限的。 ------------------------------------------------------------------- 设计中经常用到的是σ-N 曲线的高周疲劳段（CD 段）。 CD 段曲线方程为： C N m rN =σ （N c N N D ）称为疲劳曲线方程 显然D （N 0，σr ），也符合上述方程，即： C N m r =0σ代入上式得： C N N m r m rN ==0σσ N r m r rN K N N σσσ==0 （3-3） 式中: K N —— 寿命系数 m —— 材料常数 【说明】 1.计算K N时，如N>N0，则取N=N0此时K N=1 2. 对钢件：受拉、压、弯、扭时：m=6~20；N0=（1~10）?106。初步计算，受弯曲疲劳时，中等尺寸零件取m=9，N0=5?106；大尺寸零件取m=9，N0=107。 3．无限寿命设计：零件的寿命N ≥N0，（强度指标为σr ）有限寿命设计：零件的寿命N 可以适当提高疲劳极限应力。亦即零件承受的工作应力可以 更大些，以充分发挥材料的能力。 工程中经常用到的是对称循环（г=-1）下的疲劳极限 σ-1或σ-1N，计算时，只需把式中σr，σrN，换成σ-1和σ-1N即可。 4．对于受切应力τ的情况，把σ换成τ即可。 5．大多数钢的疲劳曲线形状类似上图所示。但是，高强度合金钢和有色金属的（σ-N）曲线没有水平部分，不存在无限寿命区，因此，工程上常规定一个循环基数N0，而将此基数N0下的条件疲劳极限作为材料疲劳强度的基本指标。也记为σr。 请想想：σ-N曲线有什么用途？（?求任意r下的σrN） 三、等寿命疲劳曲线（极限应力线图） σm ?σa 极限应力线图 以上所讨论的σ－N 曲线是材料承受单向稳定对称循环变应力的失效规律。当零件材料承受非对称循环变应力时，必须考虑r 对疲劳破坏的影响。这时用等寿命疲劳曲线。 σrN 与材料、r 、N 有关。固定材料与N ，求σrN ～r 之间的极限应力曲线。 m a m a a m a m r σσσσσσσσσσ+- = +-== 11max min σrN = σm + σa σa －σm 的关系即能表达σrN ～r 之间的关系。 疲劳寿命N 一定时，表示疲劳极限与应力比г之间关系的线图，称为极限应力线图。 下图为疲劳寿命为N 0时（无限寿命时的）的σm ?σa 极限应力图。它是极限应力图的表示形式之一，在疲劳设计中应用最广。除此之外还有其他表示形式。这里只介绍这种σm ?σa 图。（也是由实验得到的） 曲线上的不同点，表示了不同应力比г下的疲劳极限σr （亦即σmax）。横纵坐标之和σr =σrm +σra 曲线上的四个特殊点： A'——对称循环疲劳极限 D'——脉动循环疲劳极限 B——抗拉强度极限σB C——材料的屈服极限σS 为了便于计算，工程设计中常对上图进行简化。 A' G'线——疲劳强度线。其上的各点表示了一定r下的疲劳极限。 CG'线称为——屈服强度线。其上的各点表示屈服极限。 σmax =σ'm+σ'a =σS 横轴上的任一点都代表了应力幅等于零的应力?静应力?如果材料承受的工作应力点落在折线A' G'C以内，则不发生破坏。且距离折线越远越安全。 ?如果落在折线以外，则一定发生破坏。 ?如果正好处于折线上，表示工作应力状况正好处于极限应力状态。 --------------------------------------------- 直线A' G '的方程： 由已知两点的坐标A '（0，σ-1）、D '（ 2 σ，2 0σ）可推出， 00 2 2m 1a 10 -'-'= ----σσσσσσ 10a 0m 10222---'='?? ? ??-σσσσσσσ m 01a 10 22 2 σσσσσσσ'?? ? ? ? -+'= -- ()m 01a 0102σσσσσσσ'-+'=-- m 1a 12σσσσσσ'-+'=-- σ-1 =σ'a +?σσ'm （3–4） 式中： 0 12σσσ?σ-= - （3–6） 碳钢：?σ≈0.10 ～ 0.2；合金钢：?σ≈0.2～0.3 直线CG '的方程为： σ'a +σ'm =σS （3–5） ?σ——试件受循环弯曲应力时的材料常数。（用于将平均应 力等效地折算成应力幅的折算系数） σ'a ——试件受循环弯曲应力时的极限应力幅 σ'm ——试件受循环弯曲应力时的极限平均应力 【强调】σm -σa 图的用途：根据σ-1，确定非对称循环应力下的疲劳极限σrN ，以计算安全系数。 § 3 – 2 疲劳曲线和极限应力图 由于零件的应力集中、绝对尺寸、表面质量及强化等影响，零件的疲劳极限小于标准试件的疲劳极限。 K σ ?弯曲疲劳极限的综合影响系数 σ-1?材料的对称循环弯曲疲劳极限 σ-1e ?零件的对称循环弯曲疲劳极限 1e 1 K --= σσσ （3–7） σ σ σK e 1 1--= （3–8） （在非对称循环时，K σ是试件的与零件的极限应力幅的比值） 由于K σ只影响应力幅，所以只有A '、D '两点的纵坐标计入K σ，得到零件的对称循环疲劳极限点A 和脉动循环疲劳极限点D 。对CG 线，由于是按静强度考虑的，而静强度不受K σ的影响，所以CG 线不必修正。因此，折线AGC 即为零件的极限应力图。 【方法】 把材料的极限应力线图中的直线A 'D 'G '按比例向下移动→直线ADG 直线AG 的方程： A (0， σσK 1-)，D (2 0σ ，σσK 20) 直线AD 间的任一点的坐标 （me σ'，ae σ'） 00 2 2me 1 ae 1 -'-'= -- --σσσσσσσσ σ K K K → σσσ σσσσσσσK K K 10ae 0me 10222---'='???? ??- me ae K K K σσσσσσσσσσ '???? ??-+'= --2220101 0 me ae K K K σσσσσσσσσ σ '??? ? ??-+'= --222010 1 0 me ae K K σσσσσσσ σ '??? ? ??-+'=--0011 21 me e ae 1 1e K σ?σσσσσ '+'== -- （3–9） 或 me ae 1K σ?σσσσ'+'=- （3–9a ） 直线CG 的方程：σ'ae +σ'me =σS （3–10） σ'ae ——零件受循环弯曲应力时的极限应力幅 σ'me ——零件受循环弯曲应力时的极限平均应力 ?'σe ——零件受循环弯曲应力时的材料常数 1211σσσ??σσσσ-?=?= -K K e （3–11） q K K ββεσ σ σ σ1 ) 11 ( -+ = （3–12） K σ?零件的有效应力集中系数 εσ?零件的尺寸系数 βσ?零件的表面质量系数 βq ?零件的强化系数 【注解】对于切向应力，将σ改为τ即可。 一、单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算 计算零件的疲劳强度时，应首先求出零件危险截面上的σmax , σmin →σm , σa ，即得到工作应力点M （σm , σa ）。然后将其标在零件的极限应力图上。 强度条件是S ca = m ax lim σσ>S σlim 为零件的极限应力线AGC 上的点。即：σlim =σ'max σmax 为零件的最大工作应力。 计算强度时，σlim 用AGC 线上的哪一点呢？这要根据零件载荷的变化规律决定。典型的应力变化规律通常有三种： 1. r =C （绝大多数转轴的应力状态） C r r m a =+-=+-=11min max min max σσσσσσ（常数） 连接OM ，并延长，交AG 于M '1。射线O M '1上任何一点的应力比都相同。M '1点的应力值就是我们要的极限应力 ∵ M '1 (σ'me , σ'ae ) 在极限应力曲线AG 上， ∴σ'max =σ'ae +σ'me OM 方程： me ae m a σσσσ''= ??（1） AG 方程：me ae 1K σ?σσσσ'+'=- ??（2） 由（1）得 m me a ae σσσσ'=' ?? （3） 将（3） 代入（2）得 me m m m me a K σσσ?σσ?σσσσσσσσσ '+='+'=-me 1K m a m K σ?σσσσσσ+='-1m e ??（4） 将（4）代入（3）得 m a a K σ?σσσσσσ+='-1ae ??（5） 将（4）与（5）相加 σ'max =σ'ae +σ'me =m a a m a a m K K σ?σσσσ?σσσσσσσ+=++--max 11)( 强度条件： S ca =m a K σ?σσσσσσσσ+='=-1max max max lim ≥ S （3–17） N 点的极限应力点N '在CG 上，此时的极限应力为σs ，属于屈服失效。 静强度条件： S ca =m a S S σσσσσσσ+==max max lim ≥ S （3–18） 【强调】 凡是工作应力点位于OGC 区域时，在r=C 的条件下，都只进行静强度计算。 2. σm =C （常数）（振动着的受载弹簧的应力状态） 过M 点作MM 2'∥纵轴，交直线AG 于点M '2 (σ'me , σ'ae ) 直线MM 2'的方程为：σ'me =σm ??（1） 直线AG 的方程为：me ae 1K σ?σσσσ'+'=- ? ? (2) （1）代入 (2) 得： σ σσ?σσK m -='-1ae ??（3） （1）+（3）得： σ'max =σ'ae +σ'me =σ σσσ σσ?σσσ?σK K K m m m )() 11-+= +--- 强度条件： S ca = max max max lim σσσσ'= =) ()(1a m m K K σσσ?σσσσ+-+-≥ S （3–21） N 点的极限应力N '位于CG 上，仍按（3–18）计算 【强调】 凡是工作应力点位于GHC 区域时，在σm =C 的条件下，都只进行静强度计算。 3. σmin =C （常数）（受轴向变载荷的紧螺栓联接） σmin =σm -σa → σa =σm -σmin AG 的方程：me ae 1K σ?σσσσ'+'=- ?? (1) MM '4的方程：由σa =σm -σmin 得 σ'ae =σ'me -σmin ?? (2) (2)代入（1）得： me min me 1)(σ?σσσσσ'+-'=-K min me 1)(σσ?σσσσK K -'+=- σ σσ?σσσ++='-K K me min 1 ??（3） 将（3）代入（2）得： σ σσσσσ?σ?σσ?σσσ+-=-++='--K K K ae min 1min min 1 ?? （4） σ'max =σ'ae +σ'me = σ σσσψσ?σ+-+-K K min 1)(2 σmax = σm +σa =（σmin +σa ）+σa =2σa +σmin 强度条件： S ca =max max max lim σσσσ'= =) 2)(()(2min min 1σσ?σ?σσσσσ++-+-a K K ≥ S （3–24） 【强调】 M 点在AOJ 区域内，很少，不讨论； M 点在CGI 区域内，按静强度~ ； M 点只有在OJGI 区域内，才按（3–24）计算。 具体设计时，如难以确定应力变化的规律，按r=C 计算 S ca = m a K σ?σσσσσσσσ+='=-1 max max max lim ≥ S （3–17） 进一步分析（3–17）式， 分子：对称循环弯曲疲劳极限 分母：第一项为应力幅；第二项?σσm 可以看成是应力幅，即?σ是把平均应力等效地折算成应力幅的折算系数。因此，把K σσa +ψσσm 看成是对称循环变应力。由于是对称循环，所以它是一个应力幅，记为σad 。应力的等效转化。 σad=Kσσa+?σσm（3–26）于是计算安全系数为：S ca= ad σ σ 1-（3–27） 当要求零件的寿命在104 二、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算 不稳定变应力分为： 非规律性的：用统计疲劳强度的方法。 规律性的：疲劳损伤累积假说。 规律性不稳定变应力 如图所示，变应力σ1?对称循环变应力的最大值，作用了n1次；σ2，作用了n2次；??；与σ–N图合讲。 假设每一次应力循环都对材料起到损伤作用， 应力σ1每作用一次，对材料的损伤率为 1 1 N ，作用了n1 次，损伤率为 1 1 N n；以此类推，σ 2 ，n2,?。 当应力σ<σ-1 时，认为该应力对材料不起疲劳损伤的 作用，故可不考虑。 当损伤率达到100 % 时，材料则会发生疲劳破坏。 13 32211=++N n N n N n 一般地 ∑ ==z i i i N n 1 1 ∵0111N N m m -=σσ，0122N N m m -=σσ，?，01N N m z m z -=σσ ∴m N N )( 1101σσ-=，m N N )(2102σσ-=，?，m z z N N )(10σσ -= 1)(110122111 0== +++-=-∑m z i m i i m z z m m m N n n n n N σσσσσσ ΛΛ 若材料未达到破坏，则 11 01<-=∑m z i m i i N n σ σ → m z i m i i N n 101 -=<∑σσ m z i m i i n N 1 1 1-=<∑σσ → 11 1 -=<∑σσ m z i m i i n N 令m z i m i i ca n N ∑==1 1σ σ （3-31） σca ?不稳定变应力时的计算应力 σca <σ-1 ( 安全技术 ) 单位：_________________________ 姓名：_________________________ 日期：_________________________ 精品文档 / Word文档 / 文字可改 机械设计与人机工程学(新版) Technical safety means that the pursuit of technology should also include ensuring that people make mistakes 机械设计与人机工程学(新版) 摘要：论述了人机工程学对于机械产品设计的重要性，指出人机结合及人机功能分配的主要研究内容，对人体感觉功能与设计关系的协调提出了具体建议。 关键词：人机系统；环境条件；人机工程 人机工程学是研究人的特性及工作条件与机器相匹配的科学。它把人和机器视为一个有机结合的系统，指出机器应该具有什么样的条件才能使人付出适宜的代价后可获得整个系统的最佳效益。人机工程学不仅涉及到工程技术理论，还涉及到人体解剖学、生理学、心理学以及劳动卫生学等。认真研究这门科学，可以创造出最佳设计和最适宜的条件，使人机实现高度协调统一，形成高效、经济、安全的有机系统。 1人机匹配与人机系统总体设计 人机匹配是指人的特性与机器特性的适当配合。在人机系统中，人是系统的主体，机器是人创造出来的，机器当然应该适应人的特点。如操作空间应与人体外形测量尺寸相适应；操作机构应与人的形体和最佳用力范围相适应，指示仪表及信号应适合人的视觉、听觉和触觉的常规要求等。 操纵机构是人将信息传给机器的工具。因为人输出信息的部位（口、手、足等）不同和操作要求不同，所以操作机构的种类也很多。在设计时要考虑机器的动作方向、阻力、速度和安全等因素。如果操纵机构的运动方向与被控制对象的运动方向及仪表显示方向保持一致，操作就会准确及时；也可简化培训过程，改善调节的速度和精度，并减少事故。操纵机构存在摩擦、弹性、粘性和惯性等阻力是必要的，这可以产生“操纵直接感觉”，使操作连贯，减少振动和过载造成的干扰，保证操作控制的准确性。 控制动作分为行程调节和微量调节。行程调节可使控制器迅速接近所需位置。微量调节则使控制器准确地置于所需位置。设计时应使操纵机构与仪表显示的位移有合适的比率。 第一篇总论 第三章机械零件的强度 3-1 某材料的对称循环弯曲疲劳极限σ-1=180MPa，取循环基数N0=5?106，m=9，试求循环次数N分别为7000，2500，620000次是时的有限寿命弯曲疲劳极限。 3-2 已知材料的力学性能为σS=260MPa，σ-1=170MPa，ψσ=0.2,试绘制此材料的简化极限应力线图（参看图3-3中的A’D’G’C）。 3-3 一圆轴的轴肩尺寸为：D=72mm，d=62mm，r=3mm。材料为40CrNi，其强度极限σB=900MPa，屈服极限σS=750MPa，试计算轴肩的弯曲有效应力集中系数kσ。 3-4 圆轴轴肩处的尺寸为：D=54mm，d=45mm，r=3mm。如用题3-2中的材料，设其强度极限σB=420MPa，试绘制此零件的简化极限应力线图。 3-5 如题3-4中危险截面上的平均应力σm=20MPa，应力幅σa=900MPa，试分别按：a）r=C；b）σm=C，求出该截面的计算安全系数S ca。 第二篇联接 第五章螺纹联接和螺旋传动 5-1 分析比较普通螺纹、管螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹的特点，各举一例说明它们的应用。5-2 将承受轴向变载荷的联接螺栓的光杆部分做得细些有什么好处？ 5-3 分析活塞式空气压缩机气缸盖联接螺栓在工作时的受力变化情况，它的最大应力，最小应力如何得出？当气缸内的最高压力提高时，它的最大应力、最小应力将如何变化？ 5-4 图5-49所示的底板螺栓组联接受外力F∑的作用。外力F∑作用在包含x轴并垂直于底板接合面的平面内。试分析底板螺栓组的受力情况，并判断哪个螺栓受力最大？保证联接安全工作的必要条件有哪些？ 5-5 图5-50是由两块边板和一块承重板焊成的龙门起重机导轨托架。两块边板各用4个螺栓与立柱相联接，托架所承受的最大载荷为20kN，载荷有较大的变动。试问：此螺栓联接采用普通螺栓联接还是铰制孔用螺栓联接为宜？为什么？ 5-6 已知一个托架的边板用6个螺栓与相邻的机架相联接。托架受一与边板螺栓组的垂直对称轴线相平行、距离为250mm、大小为60kN的载荷作用。现有如图5-51所示的两种螺栓布置型式，设采用铰制孔用螺栓联接，试问哪一种布置型式所用的螺栓直径较小？为什么？ 人机工程学是研究人的特性及工作条件与机器相匹配的科学。它把人和机器视为一个有机结合的系统，指出机器应该具有什么样的条件才能使人付出适宜的代价后可获得整个系统的最佳效益。人机工程学不仅涉及到工程技术理论，还涉及到人体解剖学、生理学、心理学以及劳动卫生学等。认真研究这门科学，可以创造出最佳设计和最适宜的条件，使人机实现高度协调统一，形成高效、经济、安全的有机系统。 1人机匹配与人机系统总体设计 人机匹配是指人的特性与机器特性的适当配合。在人机系统中，人是系统的主体，机器是人创造出来的，机器当然应该适应人的特点。如操作空间应与人体外形测量尺寸相适应；操作机构应与人的形体和最佳用力范围相适应，指示仪表及信号应适合人的视觉、听觉和触觉的常规要求等。 操纵机构是人将信息传给机器的工具。因为人输出信息的部位（口、手、足等）不同和操作要求不同，所以操作机构的种类也很多。在设计时要考虑机器的动作方向、阻力、速度和安全等因素。如果操纵机构的运动方向与被控制对象的运动方向及仪表显示方向保持一致，操作就会准确及时；也可简化培训过程，改善调节的速度和精度，并减少事故。 操纵机构存在摩擦、弹性、粘性和惯性等阻力是必要的，这可以产生“操纵直接感觉”，使操作连贯，减少振动和过载造成的干扰，保证操作控制的准确性。 控制动作分为行程调节和微量调节。行程调节可使控制器迅速接近所需位置。微量调节则使控制器准确地置于所需位置。设计时应使操纵机构与仪表显示的位移有合适的比率。 在仪表指示设计中，视觉显示装置最多。人的正常视距为46cm～71cm，视角为39°～41°。仪表应设置在操作者正面视野内，最佳视距为50cm～55cm;重要仪表不得超出40°视角的范围，常用仪表必须在3 0°视角内。仪表高度最好与眼睛相平，上下视线在10°～45°范围内。指针刻度间距摆角不得小于10°，指针的宽度为1.0mm～2.5mm，并应贴近刻度盘表面，以减少误差。当有多个仪表并列时，其正常位置变化所对应的指针方向应该相同，闪光信号不要太多，闪光频率以0.67Hz~1.67Hz为宜。 第三章 机械零件的强度 § 3 – 1 材料的疲劳特性 一、交变应力的描述 静应力，变应力 max ─最大应力； min ─最小应力 m ─平均应力； a ─应力幅值 2 min max σσσ+= m 2 min max σσσ-= a max min σσ= r r ─应力比（循环特性） 【注意】 1）已知任意两个参数，可确定其他三个参数。一般已知 max，r； 2） max， min指代数值； a为绝对值； 3）-1≤r ≤ +1； a=0，r =+1，为静应力 r = -1 对称循环应力r=0 脉动循环应力r=1静应力 二、疲劳曲线（σ-N曲线） 1.材料的疲劳极限：σr N 在一定应力比为г的循环变应力作用下，应力循环N 次后，材料不发生疲劳破坏时，所能承受的最大应力σmax。 2.疲劳寿命：N 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。 σ－N疲劳曲线 г不同或N不同时，疲劳极限σrN不同。即σrN与r、N 有关。疲劳强度计算中，就是以疲劳极限作为σlim。 即σlim=σrN。通过实验可得，疲劳极限σrN与循环次数N之间关系的曲线，如上图所示。 AB段曲线：N<103，计算零件强度时按静强度计算。（σrN≈σs） BC段曲线：103 N D 与材料有关，有的相差很大，因此规定一个常数。 N 0?循环基数 当N >N D 时，σrN =σr ∞=σr （简记） 疲劳曲线以N 0为界分为两个区： 1）有限寿命区 把曲线CD 段上的疲劳极限σr 称为有限疲劳极限（条件～）。 当材料受到的工作应力超过σr 时，在疲劳破坏之前，只能经受有限次的应力循环。即寿命是有限的。 【说明】 不同应力比г时的疲劳曲线具有相似的形状。但г↑，σrN ↑。 2）无限寿命区 当N >N 0时，曲线为水平直线，对应的疲劳极限是一个定值，——称为持久疲劳极限，用0rN σ表示 （简写为σr ）。在工程设计中，一般认为：当材料受到的应力不超过σr 时，则可以经受无限次的循环应力而不疲劳破坏——即寿命是 机械零件的强度 Document number【AA80KGB-AA98YT-AAT8CB-2A6UT-A18GG】 沈阳工业大学备课用纸 第三章机械零件的强度 1.强度问题： 静应力强度：通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于103的通用零件，均按静应力强度进行设计。 （材料力学范畴） 变应力强度：在变应力作用下，零件产生疲劳破坏。 2.疲劳破坏定义：金属材料试件在交变应力作用下，经过长时间的试 验而发生的破坏。 3.疲劳破坏的原因：材料内部的缺陷、加工过程中的刀痕或零件局部 的应力集中等导致产生了微观裂纹，称为裂纹源，在交变应力作用下，随着循环次数的增加，裂纹不断扩展，直至零件发生突然断裂。4.疲劳破坏的特征： 1）零件的最大应力在远小于静应力的强度极限时，就可能发生破坏； 2）即使是塑性材料，在没有明显的塑性变形下就可能发生突然的脆性断裂。 3)疲劳破坏是一个损伤累积的过程，有发展的过程，需要时间。 4) 疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆性断裂区。 §3-1 材料的疲劳特性 一、应力的分类 1、静应力:大小和方向均不随时间改变,或者变化缓慢。 2、变应力:大小或方向随时间而变化。 1）稳定循环变应力: 以下各参数不随时间变化的变应力。 ?m─平均应力； ?a─应力幅值 ?max─最大应力； ?min─最小应力r ─应力比（循环特性） 描述规律性的交变应力可有5个参数， 但其中只有两个参数是独立的。 沈阳工业大学备课用纸 r = -1 对称循环 应力 r=0 脉动循环应 力 r=1 静应力 2）非稳定循环变应力: 参数随时间变化的变应力。 （1）规律性非稳定变应力:参数按一定规律周期性变化的称为。 （2）随机变应力：随机变化的。 二、疲劳曲线 1、σ-N 曲线：应力比r 一定时，表示疲劳极限N γσ（最大应力）与 循环次数N 之间关系的曲线。典型的疲劳曲线如下图示： 大多数零件失效在C 点右侧区域,称高周疲劳区N>104 高周疲劳区以N 0为界分为两个区： 有限寿命区(CD)： N ＜N 0，循环次数N,对应的极限应力 N γσ 。 N γσ ——条件疲劳极限。 曲线方程为 m N N C γσ?= 曲线可分为AB BC CD D 右 四个区域。 其中： AB 区最大应力变化不大，可按静应力考虑。 BC:为低周疲劳（循环次数少） 区。N<104 。也称应变疲劳（疲劳破坏伴随塑性变形） M-材料常数 N 0-循环基数 沈阳工业大学备课用纸 ?－N 疲劳曲线 机械设计中的人机工 程 学 1 引言 机械设计是一项极其复杂的工程,在设计过程中不仅需要设计人员考虑机械的材料、力学、温度、工作环境、工作强度和频率等因素外[ 1 ] ,还要求充分考虑人- 机- 环境之间的关系,也就是我们常说的人机工程学。机械简单地说仅是为减轻人的劳动强度而设计的一种机械装置,无论其自动化、智能化程度发展到什 么程度,它始终是一种为人类服务的工具。通过人- 机器和人- 组织和组织- 技术的接口技术,以技术为中心的设计系统逐渐转变为以人为中心的、人和计算机集成的系统。人在现代设计系统中的作用越来越重要。 现代化生产要求工作人员在适应生理、心理的环境下工作,才能发挥最大的效能和减少差错,为了使工作人员减少差错,需要根据人的生理、心理特点设计机械,这就是人机工程。在实现现代机械设计的技术和社会目标的过程中,人机工程学发挥着重要的作用,并参与塑造未来设计模式。 2 人机工程学的应用技术 人机工程学是一门新兴的边缘学科。它是运用人体测量学、生理学、心理学和生物力学及工程学等学科的研究方法和手段,综合地进行人体结构、功能、心理以及力学等问题研究的学科[ 2 ]。它和我们的生活密 切相关,因为在任何设计和制造过程中,都必须把“人”的因素作为一个重要条件来考虑,才能体现和贯彻人性化设计理念。通过人机工程学的研究与应用[ 3 ] ,可为机械设计中考虑“人”的因素提供人体尺寸参数;为机械设计中考虑“物”的功能合理性提供科学依据;为机械设计中考虑“环境”因素提供设计准则;为进行人- 机-环境系统设计提供理论依据。 2.1 人机工程学发展过程 人机工程学发展大致经历以下阶段:第1阶段,机器发展初期,机器设计只考虑物理原理,而忽视操作者的因素,造成许多差错和事故,因此,对机器改进和重新设计成为工程技术专家、生理学家和心理学者共同研究的课题。其特点是选择人和训练人,使它适应于机器。第2阶段,随着工业技术不断发展的需要,机器发展的品种越来越多,加工要求愈来愈高也越复杂,机械系 机械设计与人机工程学 摘要：论述了人机工程学对于机械产品设计的重要性，指出人机结合及人机功能分配的主要研究内容，对人体感觉功能与设计关系的协调提出了具体建议。 关键词：人机系统；环境条件；人机工程 人机工程学是研究人的特性及工作条件与机器相匹配的科学。它把人和机器视为一个有机结合的系统，指出机器应该具有什么样的条件才能使人付出适宜的代价后可获得整个系统的最佳效益。人机工程学不仅涉及到工程技术理论，还涉及到人体解剖学、生理学、心理学以及劳动卫生学等。认真研究这门科学，可以创造出最佳设计和最适宜的条件，使人机实现高度协调统一，形成高效、经济、安全的有机系统。 1人机匹配与人机系统总体设计 人机匹配是指人的特性与机器特性的适当配合。在人机系统中，人是系统的主体，机器是人创造出来的，机器当然应该适应人的特点。如操作空间应与人体外形测量尺寸相适应；操作机构应与人的形体和最佳用力范围相适应，指示仪表及信号应适合人的视觉、听觉和触觉的常规要求等。 操纵机构是人将信息传给机器的工具。因为人输出信息的部位（口、手、足等）不同和操作要求不同，所以操作机构的种类也很多。 在设计时要考虑机器的动作方向、阻力、速度和安全等因素。如果操纵机构的运动方向与被控制对象的运动方向及仪表显示方向保持一致，操作就会准确及时；也可简化培训过程，改善调节的速度和精度，并减少事故。操纵机构存在摩擦、弹性、粘性和惯性等阻力是必要的，这可以产生“操纵直接感觉”，使操作连贯，减少振动和过载造成的干扰，保证操作控制的准确性。 控制动作分为行程调节和微量调节。行程调节可使控制器迅速接近所需位置。微量调节则使控制器准确地置于所需位置。设计时应使操纵机构与仪表显示的位移有合适的比率。 在仪表指示设计中，视觉显示装置最多。人的正常视距为46cm～71cm，视角为39°～41°。仪表应设置在操作者正面视野内，最佳视距为50cm～55cm;重要仪表不得超出40°视角的范围，常用仪表必须在30°视角内。仪表高度最好与眼睛相平，上下视线在10°～45°范围内。指针刻度间距摆角不得小于10°，指针的宽度为1.0mm～2.5mm，并应贴近刻度盘表面，以减少误差。当有多个仪表并列时，其正常位置变化所对应的指针方向应该相同，闪光信号不要太多，闪光频率以0.67Hz~1.67Hz为宜。 由于作为人机系统主体的人有易出错误的特性，除通过训练提高其可靠性外，在操作机构和指示仪表设计中还需采取安全措施，以防偶然错失而造成严重后果。预防方法很多，常用的有顺序自锁、锁定、阻尼、槽卡、定向、定位等物理方法。 综上所述，以装运设备为例，当总体设计时就应考虑以下几点： 第三章 机械零件的强度 §3T 材料的疲劳特性 、交变应力的描述 静应力，变应力 max ——最大应力; 平均应力； max r ——应力比（循环特性） 【注意】 1） 已知任意两个参数，可确定其他三个参数。一般已 max , r ； 2） max , min 指代数值；a 为绝对值； 3） -1 r + 1 ； a =0, r =+1 ,为静应力 min max min 2 r = -1对称循环应力 疲劳曲线（-N 曲线） 1.材料的疲劳极限：r N 在一定应力比为 r 的循环变应力作用下，应力循环 N 次后，材料不发生疲劳破坏时，所能承受的最大应力 max 。 2.疲劳寿命：N 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。 有关。疲劳强度计算中，就是以疲劳极限作为 lim 即lim = rN 。通过试验可得，疲劳极限 rN 与循环次数N 之 间关系的曲线，如上图所示 6 ( 6 A B \ /T 、 1 r 不同或N 不同时，疲劳极限rN 不同 。即rN 与r 、N —N 疲劳曲线 AB段曲线：N 103，计算零件强度时按静强度计算。 （rN s） BC段曲线：103N 104,零件的破坏为塑性破坏属于低周疲劳破坏。特点：应力高，寿命低。 CD段曲线：r N随N的增大而降低。但是当N超过某一次数时（图中N D），曲线趋于水平。即r N不再减小。 N D与材料有关，有的相差很大，因此规定一个常数。 当N N D时，rN= r = r （简记） 疲劳曲线以N o为界分为两个区: 1）有限寿命区 把曲线CD段上的疲劳极限r称为有限疲劳极限（条件?）。当材料受到的工作应力超过r时，在疲劳破坏之前，只能经受有限次的应力循环。即寿命是有限的。 【说明】 编订：__________________ 审核：__________________ 单位：__________________ 人机工程学在工程机械设 计中的应用 Deploy The Objectives, Requirements And Methods To Make The Personnel In The Organization Operate According To The Established Standards And Reach The Expected Level. Word格式 / 完整 / 可编辑 文件编号：KG-AO-1763-100 人机工程学在工程机械设计中的应 用 使用备注：本文档可用在日常工作场景，通过对目的、要求、方式、方法、进度等进行具体的部署，从而使得组织内人员按照既定标准、规范的要求进行操作，使日常工作或活动达到预期的水平。下载后就可自由编辑。 人机工程学是一门研究人、机和环境的新兴学科，它与人体科学、劳动科学和工程技术等科学相互交叉。人机工程学充分运用人的行动方式、活动能力等特征，科学合理地设计机器、工具、任务和系统等，它能促进生产率的提高，提高舒适性。随着近年来经济社会的快速发展和科学技术的不断进步，人机工程学也得到迅速发展，并广泛应用于工程机械领域中。本文主要论述了人机工程学的运用，人机工程在机械设计中的运用，人体机能对机械设计的作用以及环境对机械设计的影响。 随着社会不断发展进步，人机工程学已作为新兴的学科被广泛用于工程机械设计中。在环境-操作者-工程机械的整个系统中,操作者可以说是研究的核心 对象。伴随工程机械的种类不断增多,工程机械的用途也渐渐扩大,作业的效率也不断得到提高,因为施工现场和工作场地都很复杂,现场施工难度也越来越高，使得机械操作工作变得更加复杂。所以，有必要改善机械操纵者的劳动条件,构建安全舒适的工作环境，进而使人机工程学在机械设计领域的作用更加突出。 人机工程学的运用 人体工程学从人的心理特点与生理特点角度出发，探索研究人、机和环境三者之间的关系和互相作用规律，它运用人体力学、测量学、劳动生理学等学科的研究方式，分析研究人体基本结构特点及机能特征，给出人体各个身体部分重量、尺寸、比重以及各部分在运动时的相互作用关系，提供各部分活动范围、出力范围、动作速度及重心变化等机能特征的参数，分析人听觉、视觉和触觉等感官特性，研究人在进行不同活动时的不同能量消耗、生理变化及疲劳机理;探讨影响人心理的各种因素。 人机工程在机械设计领域的应用 机械零件的强度 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】 沈阳工业大学备课用纸 第三章机械零件的强度 1.强度问题： 静应力强度：通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于103的通用零件，均按静应力强度进行设计。 （材料力学范畴） 变应力强度：在变应力作用下，零件产生疲劳破坏。 2.疲劳破坏定义：金属材料试件在交变应力作用下，经过长时间的试 验而发生的破坏。 3.疲劳破坏的原因：材料内部的缺陷、加工过程中的刀痕或零件局部 的应力集中等导致产生了微观裂纹，称为裂纹源，在交变应力作用下，随着循环次数的增加，裂纹不断扩展，直至零件发生突然断裂。4.疲劳破坏的特征： 1）零件的最大应力在远小于静应力的强度极限时，就可能发生破坏； 2）即使是塑性材料，在没有明显的塑性变形下就可能发生突然的脆性断裂。 3)疲劳破坏是一个损伤累积的过程，有发展的过程，需要时间。 4) 疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆性断裂区。 §3-1 材料的疲劳特性 一、应力的分类 1、静应力:大小和方向均不随时间改变,或者变化缓慢。 2、变应力:大小或方向随时间而变化。 1）稳定循环变应力: 以下各参数不随时间变化的变应力。 m─平均应力；a─应力幅值 max─最大应力；min─最小应力r ─应力比（循环特性） 描述规律性的交变应力可有5个参数， 但其中只有两个参数是独立的。 沈阳工业大学备课用纸 r = -1对称循环应r=0脉动循环应r=1静应力 2）非稳定循环变应力: 参数随时间变化的变应力。 （1）规律性非稳定变应力:参数按一定规律周期性变化的称为。 （2）随机变应力：随机变化的。 二、疲劳曲线 1、σ-N 曲线：应力比r 一定时，表示疲劳极限N γσ（最大应力）与 循环次数N 之间关系的曲线。典型的疲劳曲线如下图示： 大多数零件失效在C 点右侧区域,称高周疲劳区N>104 高周疲劳区以N 0为界分为两个区： 有限寿命区(CD)： N ＜N 0，循环次数N,对应的极限应力 N γσ 。 N γσ ——条件疲劳极限。 曲线方程为 m N N C γσ?= 曲线可分为AB BC CD D 右 四个区域。 其中： AB 区最大应力变化不大，可按静应力考虑。 BC:为低周疲劳（循环次数少）区。N<104。也称应变疲劳（疲劳破坏伴随塑性变形） M-材料常数 N 0-循环基数 沈阳工业大学备课用纸 －N 疲劳曲线 人 性 化 设 计 中 的 人 机 工 程 学 姓名： 班级： 学号： 摘要:通过介绍人机工程的应用技术,论述人机工程学在机械工 程中的应用以及如何应用。凸显了人机工程学在机械工程中的重要性。随着社会的发展，技术的进步，产品的更新等等都与人，机，环境有密切的联系，所以要实现“以人为本”人性化设计思想，必定以人机工程学为参照。 关键词:人机工程学;机械工程;人性化设计 一、人机工程学的定义 所谓人机工程学，亦即是应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围、活动范围、动作速度、动作频率、重心变化以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等。 人机工程学的范围是很广泛的，其基础学科是研究人的生理、心理。就是实用科学，把技术科学直接应用的实际的操作之中，也是人体工程的本源之处。人机工程学以人为最根本、最直接的研究、服务的对象，所以一切信息必须从人的自身中去获得，综合了这些信息才 能做出判断。人类工程学是与人相关的科学信息在对对象、体系和环境进行设计中的应用，它涉及到人类生活的方方面面。理想的设计应当在工作体系、运动、休闲、健康和安全等诸多方面充分体现人类工程学的原理。 人机工程学的特点是在认真研究人，机，环境三个要素本身特性的基础上，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将使用“物”的人和设计的“物”以及人与“物”所共处的环境作为一个系统来研究，在人机工 程学中将这个系统称为“人—机—环境”系统，这个系统中，人，机，环境三个要素之间相互作用，相互依存的关系决定着系统总体的性能，人机工程是科学地利用三个要素见的有机联系，来寻求系统的最佳参数。 随着机械化、自动化和信息化的高度发展，人的因素在产品设计与生产中的影响越来越大，人机和谐发展的问题也就越来越显得重要，人机工程学在产品设计的地位与作用愈显出其的重要性。 二、人机工程学的应用 人机工程学研究内容及其对于设计学科的作用可以概括为以下几方面： 为工业设计中考虑“人的因素”提供人体尺度参数：应用人体测量学、人体力学、生理学、心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和肌能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、体重、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时相互关系和可及范围等人体结构特征 参数提供人体各部分的发力范围、活动范围、动作速度、频率、重心 第三章机械零件的强度标准化管理部编码-[99968T-6889628-J68568-1689N] 沈阳工业大学备课用纸 第三章机械零件的强度 1.强度问题： 静应力强度：通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于103的通用零件，均按静应力强度进行设计。 （材料力学范畴） 变应力强度：在变应力作用下，零件产生疲劳破坏。 2.疲劳破坏定义：金属材料试件在交变应力作用下，经过长时间的试 验而发生的破坏。 3.疲劳破坏的原因：材料内部的缺陷、加工过程中的刀痕或零件局部 的应力集中等导致产生了微观裂纹，称为裂纹源，在交变应力作用下，随着循环次数的增加，裂纹不断扩展，直至零件发生突然断裂。4.疲劳破坏的特征： 1）零件的最大应力在远小于静应力的强度极限时，就可能发生破坏； 2）即使是塑性材料，在没有明显的塑性变形下就可能发生突然的脆性断裂。 3)疲劳破坏是一个损伤累积的过程，有发展的过程，需要时间。 4) 疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆性断裂区。 §3-1 材料的疲劳特性 一、应力的分类 1、静应力:大小和方向均不随时间改变,或者变化缓慢。 2、变应力:大小或方向随时间而变化。 1）稳定循环变应力: 以下各参数不随时间变化的变应力。 m─平均应力；a─应力幅值 max─最大应力；min─最小应力r ─应力比（循环特性） 描述规律性的交变应力可有5个参数， 但其中只有两个参数是独立的。 沈阳工业大学备课用纸 r = -1 对称循环 应力 r=0 脉动循环应 力 r=1 静应力 2）非稳定循环变应力: 参数随时间变化的变应力。 （1）规律性非稳定变应力:参数按一定规律周期性变化的称为。 （2）随机变应力：随机变化的。 二、疲劳曲线 1、σ-N 曲线：应力比r 一定时，表示疲劳极限N γσ（最大应力）与 循环次数N 之间关系的曲线。典型的疲劳曲线如下图示： 大多数零件失效在C 点右侧区域,称高周疲劳区N>104 高周疲劳区以N 0为界分为两个区： 有限寿命区(CD)： N ＜N 0，循环次数N,对应的极限应力 N γσ 。 N γσ ——条件疲劳极限。 曲线方程为 m N N C γσ?= 曲线可分为AB BC CD D 右 四个区域。 其中： AB 区最大应力变化不大，可按静应力考虑。 BC:为低周疲劳（循环次数少）区。N<104。也称应变疲劳（疲劳破坏伴随塑性变形） M-材料常数 N 0-循环基数 沈阳工业大学备课用纸 －N 疲劳曲线 机械设计中人机工程的具体运用 发表时间：2018-11-30T17:40:54.507Z 来源：《防护工程》2018年第24期作者：王延省 [导读] 在我国社会的不断发展进程中，其科研技术水平得到了显著提高。针对机械产品来说 王延省 天津九安医疗电子股份有限公司天津 300190 摘要：目前，在我国社会的不断发展进程中，其科研技术水平得到了显著提高。针对机械产品来说，逐渐由最开始的人适应机械到现阶段的机械适应人操作进行发展，从而更加体现出了机械产品人性化的发展趋势。最近几年，随着人们对机械产品要求的不断提高，人机工程学对机械设计满足人们的需求起十分重要的作用，从而在一定程度上推动了机械产品智能化和自动化的发展。基于此，本文将根据人机工程学的概念和必要性，深入分析在机械设计中人机工程的具体运用。 关键词：机械制造；人机工程；设计 一、人机工程学的概念 人机工程学是运用人体测量学、人体力学、生理学、心理学和生物力学以及工程学等学科和其他相关学科的基本知识和理论，分析和研究“人—机—环境”系统的相互作用，解决机器设备、工具、作业场所以及各种用具的设计如何适应人的生理和心理特点，从而为操作者（或使用者）创造安全、舒适、健康、高效的工作环境，因此人机工程学是按照人的特性改善和设计机器特性的学科。将人机工程学应用于机械设计中可以创造出最佳的机械产品，使人、机、环境实现高度协调统一，形成高效、经济、安全的有机系统。 二、机械制造设计中应用人机工程学的必要性 人机工程学是以人的生理和心理特点为基础，结合生理学和心理学的相关知识来研究人、机器和环境之间的联系和相互作用，进而使人在更舒适安全的环境中操作机械设备，达到人、机器、环境的有机结合的一门新兴学科。人机工程学分析研究人体基本结构特点及机能特征，给出人体各个身体部分重量、尺寸、比重以及各部分在运动时的相互作用关系，提供各部分活动范围、出力范围、动作速度及重心变化等机能特征的参数。而随着现代化进程的不断加快，机械设备在各个领域中的应用将越来越广泛，其应用条件、应用范围也将有很大差异，而且在不同的环境或场合中，人际关系匹配以及相关参数指标都会有明显的不同，因此，我们需要用人机工程学的相关知识来指导和优化机械制造设计。 三、机械设计中人机工程的具体运用 机械设计是一项极其复杂的过程，设计过程中除了应考虑机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各零件的材料和形状尺寸、润滑方法等因素外，还要求充分考虑人— 机—环境之间的关系，坚持“以人为本”的核心理念。要求在设计机械产品时充分考虑如何适应人的要求，即对人体特性进行研究与分析（主要是人体形态特征参数、人的感知特性、人的反应特性以及人在劳动中的心理特征和人为差错等），以保证人在操作过程中简便省力、迅速准确、安全舒适，使人机系统整体效率达到最大值。人机工程学的显著特点是，在认真研究人、机、环境三要素本身特性的基础上，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将使用“机械产品”的人和所设计的“机械产品”以及人与“机械产品”所共处的环境作为一个系统来研究。该系统中，人、机、环境三要素之间相互作用、相互依存的关系决定着系统总体的性能。机械产品设计，就是科学地利用三要素间的有机联系来寻求系统的最佳参数。 1.提高操作者的舒适性和操作性 人机工程学在工程机械设计中应用可以提升操作者对机械设备的操作性以及使用机械设备的舒适感。就拿机械设备的座椅而言，一般人在进行设备施工作业将坐在机械设备座椅上进行完成作业施工。传统机械设计中的座椅设计，没有根据人们的需求来进行规范化的设计，从而导致了人们在进行机械设备工作时会因长时间使用座椅而对其身心产生疲惫的效果，不利于工程施工的质量与进度，严重影响机械设备的使用效率。通过人机工程学在机械设计中的应用，可为机械设备中的座椅进行人性化设计，以不同种类人群体型特征设计出其相应适合的座椅，如座椅表面舒适度、前后调节与上下调节等方面，从而减少因人们在进行机械设备工作时会因长时间使用座椅而对其身心产生疲惫的效果，进一步保证了施工的质量与进度，提高机械设备的使用效率。在操作者进行机械操作的时候，由于要保持注意力的高度集中，就需要使操作人员能够在身体不倾斜的状态下也可以进行手上的操作。这样的设计理念可以减少操作者的疲惫感，从而保证机械操作的安全性。 2.机械操作安全可靠性 机械设备需要通过具体的动作来充分发挥操作装置的作用，进而在生产活动中展开作业，而操作装置是由操作人原来控制的，因此，机械设备的操作装置应当根据人机工程学的理论和原则，在安装位置、操纵力、运动状态等方面都符合人体力学的原理，这样才能提高机械操作的安全性和可靠性，才能使操作人员的人身安全得到保障。任何机械产品在使用过程中都有其危险性，尤其是大中型的机械产品在作业中更容易引发安全事故，对操作人员的安全带来了较大的威胁，而且对于作业难度大、作业环境复杂的施工现场，安全事故的发生频率会更高，因此，在机械制造设计中，应当本着安全的基本原则，根据人机工程学的设计原理设置一些防落物、防翻滚的装置，以及监控保护装置。 3.对机械设计的内部环境进行完善 好的工作环境才可使工作人员在进行施工时全身心的投入。机械设备的内部环境亦是如此，对机械产品在进行内部设计时多添加一些美化的内部环境设计，可以影响机械设备操控人员的心情，怀揣着愉悦的心情进行施工作业，会对机械设备的使用效率有所提高。在进行机械内部环境设计时，需保证其合理性的条件下对其进行造型上的设计，要体现出大方美观的设计形象，从而符合人的审美。在对内部环境的颜色设计掌控方面，也需根据可以使人心情愉悦的设计风格进行设计。一般而言，明亮的颜色可以使人们的疲惫心理减少。如黄色或者橙色等。在进行机械设计时该两种颜色是主要采取应用的两种颜色，其既可以保证操作者在使用时注意力高度集中也可以缓解操作者的精神压力，也可以为机械设备操控人员提供良好的内部工作环境，有利于机械设备使用效率的提升。 4.外观与功能相结合 完美的机械设计方案需要在具备操作性能的同时，也要兼顾外观的美化程度。机械设备的观感对于操作人员的心情也有着直观的影 第三章 机械零件的强度 习题答案 3-1某材料的对称循环弯曲疲劳极限MPa 1801=-σ，取循环基数60105?=N ，9=m ，试求循环次数N 分别为7 000、25 000、620 000次时的有限寿命弯曲疲劳极限。 [解] MPa 6.37310710518093 6910111=???==--N N σσN M P a 3.324105.210518094 6920112=???==--N N σσN M P a 0.227102.61051809569 30113=???==--N N σσN 3-2已知材料的力学性能为MPa 260=s σ，MPa 1701=-σ，2.0=σΦ，试绘制此材料的简化的等寿命寿命曲线。 [解] )170,0('A )0,260(C 012σσσΦσ-=- σ Φσσ+=∴-1210 M P a 33.2832 .0117021210=+?=+=∴-σΦσσ 得)233.283,233.283(D '，即)67.141,67.141(D ' 根据点)170,0('A ，)0,260(C ，)67.141,67.141(D ' 按比例绘制该材料的极限应力图如下图所示 3-4 圆轴轴肩处的尺寸为：D =72mm ，d =62mm ，r =3mm 。如用题3-2中的材料，设其强度极限σB =420MPa ，精车，弯曲，βq =1，试绘制此零件的简化等寿命疲劳曲线。 [解] 因2.14554==d D ，067.045 3==d r ，查附表3-2，插值得88.1=ασ，查附图3-1得78.0≈σq ，将所查值代入公式，即 ()()69.1188.178.0111k =-?+=-α+=σσσq 查附图3-2，得75.0=σε；按精车加工工艺，查附图3-4，得91.0=σβ，已知1=q β，则 35.211191.0175.069.1111k =???? ? ?-+=???? ??-+=q σσσσββεK ()()()35.267.141,67.141,0,260,35.2170,0D C A ∴ 根据()()()29.60,67.141,0,260,34.72,0D C A 按比例绘出该零件的极限应力线图如下图 3-5 如题3-4中危险截面上的平均应力MPa 20m =σ，应力幅MPa 20a =σ，试分别按①C r =②C σ=m ，求出该截面的计算安全系数ca S 。 [解] 由题3-4可知35.2,2.0MPa,260MPa,170s 1-====σσK Φσσ （1）C r = 工作应力点在疲劳强度区，根据变应力的循环特性不变公式，其计算安全系数 28.220 2.03035.2170m a 1-=?+?=+=σΦσK σS σσca （2）C σ=m 工作应力点在疲劳强度区，根据变应力的平均应力不变公式，其计算安全系数 第三章 机械零件的强度 § 3 – 1 材料的疲劳特性 一、交变应力的描述 静应力，变应力 max ─最大应力； min ─最小应力 m ─平均应力； a ─应力幅值 2 min max σσσ+= m 2 min max σσσ-= a max min σσ= r r ─应力比（循环特性） 【注意】 1）已知任意两个参数，可确定其他三个参数。一般已 知 max ，r ； 2） max ， min 指代数值； a 为绝对值； 3）-1≤ r ≤ +1； a =0，r =+1，为静应力 r = -1 对称循环应力 r =0 脉动循环应力 r =1 静应力 σ－N 疲劳曲线 二、 疲劳曲线（σ-N 曲线） 1.材料的疲劳极限：σr N 在一定应力比为г的循环变应力作用下，应力循环N 次后，材料不发生疲劳破坏时，所能承受的最大应力σmax 。 2.疲劳寿命：N 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。 г不同或N 不同时，疲劳极限σrN 不同。即σrN 与r 、N 有关。疲劳强度计算中，就是以疲劳极限作为σlim 。 即σlim =σrN 。通过试验可得，疲劳极限σrN 与循环次数N 之间关系的曲线，如上图所示。 AB段曲线：N<103，计算零件强度时按静强度计算。（σrN≈σs） BC段曲线：103 机械零件的强度. 第一篇总论 第三章机械零件的强度 3-1 某材料的对称循环弯曲疲劳极限σ -1=180MPa，取循环基数N =5?106，m=9，试 求循环次数N分别为7000，2500，620000 次是时的有限寿命弯曲疲劳极限。 3-2 已知材料的力学性能为σS=260MPa，σ -1=170MPa，ψ σ=0.2,试绘制此材料的简化极 限应力线图（参看图3-3中的A’D’G’C）。3-3 一圆轴的轴肩尺寸为：D=72mm，d=62mm，r=3mm。材料为40CrNi，其强度极限σ B =900MPa，屈服极限σ S =750MPa，试计算轴 肩的弯曲有效应力集中系数k σ。 3-4 圆轴轴肩处的尺寸为：D=54mm，d=45mm，r=3mm。如用题3-2中的材料，设其强度极 限σ B =420MPa，试绘制此零件的简化极限应力线图。 3-5 如题3-4中危险截面上的平均应力σ m =20MPa，应力幅σ a =900MPa，试分别按：a） r=C；b）σ m =C，求出该截面的计算安全系 数S ca 。 第二篇联接 第五章螺纹联接和螺旋传动 5-1 分析比较普通螺纹、管螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹的特点，各举一例说明它们的应 用。 5-2 将承受轴向变载荷的联接螺栓的光杆部分做得细些有什么好处？ 5-3 分析活塞式空气压缩机气缸盖联接螺栓在工作时的受力变化情况，它的最大应力， 最小应力如何得出？当气缸内的最高压力 提高时，它的最大应力、最小应力将如何 变化？ 5-4 图5-49所示的底板螺栓组联接受外力F∑的作用。外力F∑作用在包含x轴并垂直于底 板接合面的平面内。试分析底板螺栓组的 受力情况，并判断哪个螺栓受力最大？保 证联接安全工作的必要条件有哪些？ 机械零件的强度 公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N] 沈阳工业大学备课用纸 §3-1 材料的疲劳特性 一、应力的分类 1、静应力:大小和方向均不随时间改变,或者变化缓慢。 2、变应力:大小或方向随时间而变化。 1）稳定循环变应力: 以下各参数不随时间变化的变应力。m─平均应力；a─应力幅值 max─最大应力；min─最小应力r ─应力比（循环特性）描述规律性的交变应力可有5个参数， 但其中只有两个参数是独立的。 沈阳工业大学备课用纸 r = -1 对称循环r=0 脉动循环应r=1 静应力 2）非稳定循环变应力: 参数随时间变化的变应力。 （1）规律性非稳定变应力:参数按一定规律周期性变化的称为。 （2）随机变应力：随机变化的。 二、疲劳曲线 1、σ-N 曲线：应力比r 一定时，表示疲劳极限N γσ（最大应力）与 循环次数N 之间关系的曲线。典型的疲劳曲线如下图示： 大多数零件失效在C 点右侧区域,称高周疲劳区N>104 高周疲劳区以N 0为界分为两个区： 有限寿命区(CD)： N ＜N 0，循环次数N,对应的极限应力 N γσ 。 N γσ ——条件疲劳极限。 曲线方程为 m N N C γσ?= 曲线可分为AB BC CD D 右 四个区 域。 其中： AB 区最大应力变化不大，可按静应力考虑。 BC:为低周疲 劳（循环次数少）区。N<104。也称 应变疲劳（疲劳破坏伴随塑性变 形） M-材料常数 N 0-循环基数 N 无限寿命区：N ≥N 0时，曲线为水平直线，对应的疲劳极限是一个 定值，用 γ σ 表示。当材料受到的应力不超过 γ σ 时，则可以经受无限次的应力循环而不疲劳破坏。 即寿命是无限的。 γ σ ——疲劳极限（101//+-σσσ） 因为 C N N m r m rN =?=?0σσ 所以 r N r m rN K N N σσσ?=?=0 2、等寿命疲劳曲线（极限应力线图） 定义：循环次数一定时，应力幅与平均应力间的关系曲线。 理论疲劳曲线： 经过试验得二次曲线如下图。 即在曲线 r m a σσσσ==+max （寿命为循环基数N 0） 在曲线内为无限寿命。曲线外为有限寿命。 实际疲劳曲线： K N -寿命系数 图中，曲线上任意一点的横纵坐标之 和为最大应力。代 表应力比为一定值 的疲劳极 限。机械设计与人机工程学(新版)
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人机工程学在机械设计中的作用
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人机工程学的应用
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人机工程学在工程机械设计中的应用
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人 性 化 设 计 中 的 人 机 工 程 学
第三章机械零件的强度
机械设计中人机工程的具体运用
第三章 机械零件的强度作业答案
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