机械零件的强度.doc

机械设计教案（68）第十六章 弹簧第三章 机械零件的强度大纲要求：掌握材料的疲劳特性；掌握机械零件的整体强度和表面强度的计算方法。（4学时）重点内容：材料的疲劳特性及疲劳强度计算方法。提高机械零件疲劳强度的措施。机械零件接触强度计算方法。31 材料的疲劳特性（一）应力类型静应力只在静载荷下产生变应力可由变载荷下产生，也可由静载荷产生 稳定变应力 对称循环变应力 有规则变应力 脉动循环变应力 非对称循环变应力 非稳定变应力 无规则变应力 变应力的特性：平均应力 m （max min ）/ 2 应力幅 a （max min ）/ 2 应力循环特性 r min / max 对称循环变应力的应力循环特性 r 1，其极限应力lim记为 1 脉动循环变应力的应力循环特性 r 0，其极限应力lim记为 0非对称循环变应力的应力循环特性 1 r NC的疲劳区统称高周疲劳区DND点开始疲劳曲线明显趋于水平，ND约10625107 或更大 。疲劳试验时，常规定一个适当的应力循环次数N0称为应力循环基数 ，对应的极限应力称为持久疲劳极限，记为r ，如1 、0 等CD N在NCND之间，称为有限寿命区 ，曲线形状近似指数曲线，因此，CD间任意点都有：rNm N C （31）而在D点有：rm N0 C故有： rNm N rm N0 （32）其中： 寿命因（系）数 （33） 寿命因数KN 的含义有限寿命区工作时材料疲劳极限可以提高的程度。一般情况下，可取：m = 9，N0 =5*106-107。详见教材P23例：钢=307mpa，m = 9，n。=5*106，=500mpa：0.0625*106，：，应力增加一倍，寿命减少2 9倍。（三）等寿命曲线 （极限应力线图） （重点并难点内容）不可能通过试验获得所有不同r时的疲劳曲线。等寿命曲线 （极限应力线图）是利用试验获得的1、0 及S ，获得任意r值时的疲劳极限应力近似值的方法。见图33。 （仔细讲解作图方法、特性点坐标）1. 分别以、为横座标和纵座标作图，2.当r = -1时为对称循环变应力，= 0，极限点A的座标为（0，）3.当r = 0时为脉动循环变应力，= ，极限点D的座标为（，）4.当r = 1时为静应力， = 0，极限点C的座标为（，0）5.简化极限应力线图用两条直线表示：AD直线和过C点所作的450斜线，两直线相交于G点 直线AG可表示为： 1a + m (34)直线CG可表示为： a+m S (35) 其中： （210）/0 （36） 试件受循环弯曲应力时的材料常数（把平均应力折算到应力幅上去的折算因数）说明：直线ADG上各点为材料在不同循环特性下工作，其疲劳破坏的极限点直线GC上所有点的=+=，为塑性破坏的极限点材料中发生的应力如处于OAGC以内，不发生破坏。材料中发生的应力如处于OAGC以外，一定发生破坏。材料中发生的应力如正好处于OAGC线上以内，为极限状态。已知（、），或（、）材料极限应力线图便可确定。32 机械零件的疲劳强度计算 （重点并难点内容）1. 影响机械零件疲劳强度的主要因素：外形影响：槽、孔、轴肩、螺纹等。系数尺寸影响：试样尺寸增大时，疲劳极限会降低。系数表面质量影响：粗糙度、刀痕、表面强化等。系数2.弯曲疲劳极限的综合影响系数 p25K（k/ + 1/1）1/q （37） 零件的有效应力 零件的 零件的表面 零件的 集中因数 尺寸因数 质量因数 强化因数实验证明：，只对属于动应力的有影响，对属于静应力的无影响。修正后的零件极限应力线图如图34。 （仔细讲解作图方法）直线AG的方程变为 1e1/ Kae+eme （39） 或 1Kae+me (39a) e/K (310) 下标“ e ” 表示实际零件的参数 ，上标“ ”表示极限应力参数零件极限应力线图的应用：（一） 单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算1 rC的情况 （大多数转轴都是这种应力状态）此时：见图36。此时，对应的极限应力在 M1点，其极限应力为： (316) (317) 说明：工作应力若是不对称循环变应力，其相应的疲劳极限应力难以获得，可将其转化为等效的对称循环变应力进行强度计算。等效的对称循环变应力相当于一个应力幅（考虑应力集中的影响）Ka ,而把平均应力折算到应力幅上去m ,零件的极限应力就可取对称循环变应力的极限应力1 .所以，有时把Ka+m称为等效应力幅ad若对应的点落在直线C G上，则极限应力即为屈服点S ,只需作静强度计算 此时： (318)2 m C的情况（如弹簧在载荷作用下受振动时簧丝的受力状态） 图37 同理，当对应点落在AG段时，极限应力在M2（me，ae）点， mem （320） （319）计算安全因数为： （321）对应点落在G C段，则同样按静强度计算。3.min C 的情况（如轴向变载紧螺栓联接中螺栓的受力状况） 见图38如果不变，得到，在过M点450斜线上，=-疲劳强度的安全因数表达式： （324）若M点在CGI内，按静强度计算。当难以确定应力的变化规律时，常按 rC 进行计算。（二） 单向不稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算 Miner疲劳损伤累积假说：见图39 、310在有规律变化的不稳定变应力作用下，当材料疲劳损伤率的累积量达到100时，材料就发生疲劳破坏。可表示为( ni/Ni )1 (328)根据疲劳曲线的特性，有 NiN0(1/i )m 代入式328，得尚未达到疲劳破坏的条件为 ni/ N0(1/i )m 1 即： niim / N01 m1 或 niim N01 m 即，强度条件为 (1/N0)( niim)1/m 1 （330）若令 ca (1/N0)( niim)1/m 不稳定变应力的计算应力则 强度条件也可表示为 ca 1 （332）或 Sca1/caS （333）例：45钢调质，受应力1、n 1 次，2 、 n 2 次，3 、n 3 次，i、Ni次，对于1 N1 次，损伤率为n1 / N1 ，2 N 2 次，损伤率为n2 / N2 ，3 N 3 次，损伤率为n3 / N3 ，i Ni，损伤率为ni / Ni ， ， 实践证明：，先作用大的，后作用小的，数值小，有了初始裂纹，以后的力扩展裂纹，先作用小的，后作用大的，数值大，对材料起强化作用。 p为 % 值， 若p=1/2，则=1.08例题说明 ：工程计算不是数学计算，只要保持足够的有效位数（三） 提高机械零件疲劳强度的措施 （重点内容）1 尽可能降低零件的应力集中。这是提高零件疲劳强度的首要措施。牢记影响应力集中的四大因素：有效应力集中、尺寸因素、表面质量、表面强化 （合称：表面质量与状态）愈是高强度材料，对应力集中的敏感性愈强，就更应采取降低应力集中的措施“基尔兰”号惨案；某电厂发动机组减速器断轴特大事故 2选用疲劳强度高的材料，采用能提高疲劳强度的热处理方法和强化工艺。如表面淬火、渗碳淬火、氮化、碳氮共渗 ，表面滚压、表面喷丸、表面捶击等等3提高零件的表面质量。4尽可能减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸。 （其实，2、3、4三条都可归入1中）3-4机械零件的表面强度 p34一、挤压强度-面接触 接触表面因互相挤压产生挤压应力。过大，塑性材料变形、脆性材料表面破碎，统称压溃 。一种失效形式。=， A 为接触面积， 为许用挤压应力。 键联接，铰制螺栓联结等常需计算挤压强度。二、接触强度- 线接触或点