2010第二章机械零件强度.pptVIP

安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 1 1 机 械 设 计 教师：陈 丰 邮箱：fengchen_12126.com /u/1614655272 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 2 2 知识回顾和问题 知识回顾: 1、知道了“学什么，为什么学，如何学”的问题； 2、几个名词和概念； 3、机械设计的总体原则和一般程序； 4、零件设计的一般程序。 问题： 1、本课程的研究对象是什么？主要任务是什么？ 2、从功能方面谈谈机械的组成。 3、什么叫机械零部件的失效？ 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 3 3 第二章 机械零件的强度 【计划学时】2-3学时 【主要内容】机械零件的工作能力和计算准则，机械零件的设 计方法，载荷与应力分类，静应力时机械零件的强度计算，机械静应力时机械零件的强度计算，机械 零件的疲劳强度计算，机械零件的接触强度零件的疲劳强度计算，机械零件的接触强度 【学习目标】了解机械零件的工作能力和计算准则以及设计方 法，掌握变应力的种类和基本参数，变应力的种类和基本参数，明确明确材料简化极限应力图和材料简化极限应力图和 零件简化极限应力图的意义及应用，能够进行单向稳定变应力时零件简化极限应力图的意义及应用，能够进行单向稳定变应力时 的疲劳强度计算：的疲劳强度计算：=C=C、 m m =C=C、min min=C =C的疲劳强度校核，的疲劳强度校核，了解了解提提 高机械零件疲劳强度的措施。高机械零件疲劳强度的措施。 【重点难点】重点是掌握变应力的种类和基本参数，材料简化 极限应力图和零件简化应力图的意义及应用。 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 4 4 第1节 机械零件的工作能力和计算准则 第2节 载荷与应力的分类 第3节 静应力时机械零件的强度计算 第4节 机械零件的疲劳强度计算 第5节 机械零件的接触强度（自学） 主 要 内 容 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 5 5 1 机械零件的工作能力和计算准则 1.1 机械零件的主要失效形式和工作能力 1） 机械零件的主要失效形式 机械零件的主要失效形式 整体断裂：拉，压，弯，扭 零件表面的破坏：磨损、腐蚀、接触疲劳 破坏正常工作条件引起的失效：打滑，共振，胶合 过大的残余应力：加工，热处理 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 6 6 2） 机械零件的工作能力 零件不发生失效的安全工作限度称为工作能力。对载荷 而言的工作能力称为承载能力。有时，零件工作能力是针对 变形、速度、温度或压力而言的安全工作限度。 机械零件设计的基本要求： 避免在预期寿命期内失效的要求（强度、刚度、耐磨性、振 动稳定性、可靠性等） 结构工艺性的要求 经济性要求 质量小的要求 可靠性要求 1 机械零件的工作能力和计算准则 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 7 7 1 机械零件的工作能力和计算准则 1.2 机械零件的计算准则 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 8 8 1 机械零件的工作能力和计算准则 1.3 机械零件的设计方法(一般设计方法) （1） 理论设计 1）根据使用要求，选择零件的类型和结构。 2）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。 名义载荷（F、P、T）：力学公式计算出的载荷。 但：由于载荷作用的不平稳性、分布的不均匀性等 因素，实际载荷大于名义载荷。载荷系数K 计算载荷(Fc、Pc、Tc)=载荷系数名义载荷 3）选择适当的材料。 4）根据零件工作能力准则，确定零件的主要尺寸 两种计算方法： a）设计计算：直接求出危险截面尺寸A。 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 9 9 1 机械零件的工作能力和计算准则 b）校核计算：其他方法初步设计 验算。 5）画零件图。 （2） 经验设计 根据经验关系式，用类比的方法所进行的设计。 如：箱体、传动件各个结构要素等 （3） 模型实验设计 把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺寸样机 进行实验。 如：飞机、桥梁、风力发电设备等的风洞实验，水轮机、 轮船、潜艇等的水洞实验。 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 1010 2 载荷与应力的分类 2.1、载荷的分类 随机变载荷 变载荷： 静载荷:如锅炉的压力、匀速转动的离心力、自重等。 循环变载荷 稳定循环变载荷： 不稳定循环变载荷： 如汽车、农业机械等。 计算载荷 Pca 载荷系数 K 载荷 名义载荷 P 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 1111 2 载荷与应力的分类 静应力: 2.2 应力的分类 1） 应力种类 变应力： 稳定循环变应力:应力变化周期、应力幅和平均应力均 不随时间而改变者； 非对称循环变应力 脉动循环变应力对称循环变应力 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 1212 2 载荷与应力的分类 随机变应力规律性不稳定变应力 不稳定变应力 2） 稳定循环变应力的基本参数和种类 a)基本参数: 平均应力: 应力幅: 最大应力: 最小应力: 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 1313 2 载荷与应力的分类 应力循环特性: b) 稳定循环变应力种类： -1103(104) 高周循环疲劳。 N0 循环基数 持久极限 注意：大多数通用机械零件及专用零件的失效都是高周 循环疲劳引起的。 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 2323 4 机械零件的疲劳强度计算 2）无限寿命区 持久极限 对称循环： 脉动循环： 注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区 ! 3）疲劳曲线方程 随循环次数疲劳极限。 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 2424 4 机械零件的疲劳强度计算 寿命系数 几点说明： N0 循环基数，与材料性质有关。 钢: 硬度350HBS， N0=107 350HBS， N0=(1025)x107 有色金属: 疲劳曲线无水平部分，规定 当N025x107时，近似为无限寿命区。 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 2525 4 机械零件的疲劳强度计算 m 材料常数，与应力及材料的种类有关。 m =9 拉、弯曲应力、剪应力 。 m =6 接触应力。 m =9 弯曲应力 。 m =8 接触应力 。 钢： 青铜： 应力循环特性越大，材料的疲劳极限与持久极限越大， 对零件强度越有利。 对称循环（应力循环特性=-1）最不利！ 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 2626 4 机械零件的疲劳强度计算 以 为横坐标、 为纵坐标，即可得材料在不同应力循 环特性下的 曲线，即为材料的疲劳极限应力图。 每种应力循环特性下都对应着该材料的最大应力 再由应力循环特性可求出 （2） 材料的疲劳极限应力图 同一种材料在不同的应力循环特性下的疲劳极限图。 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 2727 4 机械零件的疲劳强度计算 强度极限点 如图 AB曲线上 的点对应着不同 应力循环特性 下的材料疲劳极 限 对称疲劳极限点脉动疲劳极限点 屈服极限点 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 2828 4 机械零件的疲劳强度计算 材料的简化极限应力线图，可根据材料的三个试验数据 而作出。 折线以内为疲劳和塑性安全区，折线以外为疲劳和塑性失 效区，工作应力点离折线越远，安全程度愈高。 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 2929 4 机械零件的疲劳强度计算 应力集中、零件尺寸和表面状态三项因素对机械零件 的疲劳强度影响最大! 4.3 影响机械零件疲劳强度的主要因素和零件极限应力图 （1） 应力集中的影响有效应力集中系数 零件受载时，在几何形状突变处（直角、凹槽、孔等） 要产生应力集中，对应力集中的敏感程度与零件的材料有关 。 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 3030 4 机械零件的疲劳强度计算 为考虑零件几何形状的理论应力集中系数 应力集中源处名义应力 材料对应力集中的敏感系数 应力集中源处最大应力 （2）零件尺寸的影响尺寸系数 由于零件尺寸愈大时，材料的晶粒较粗，出现缺陷的 概率大，而机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，所以对 零件疲劳强度的不良影响愈显著 。 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 3131 （3）表面状态的影响 1）表面质量系数 零件加工的表面质量（主要指表面粗糙度）对疲劳强度 的影响。 钢的 越高，表面愈粗糙， 愈低。 强化处理淬火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、喷丸、滚压等。 2）表面强化系数 考虑对零件进行不同的强化处理，对零件疲劳强度的影响。 查相关表。 4 机械零件的疲劳强度计算 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 3232 4 机械零件的疲劳强度计算 应力集中，零件尺寸和表面状态只对应力幅有影响，而对 平均应力无影响。 （4）综合影响系数 和零件的极限应力图 综合影响系数表示了材料极限应力幅与零件极限应力幅 的比值。 1）综合影响系数 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 3333 4 机械零件的疲劳强度计算 2)零件的极限应力图 由于 只对 有影响，而对 无影响，所以在材料的极限应力图 ADGC上几个特殊点以坐标计入 影响 零件的简化极限应力图。 零件脉动循环疲劳点 零件对称循环疲劳点 GC 零件屈服极限曲线 AG 零件许用疲劳极限曲线 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 3434 4 机械零件的疲劳强度计算 直线AG方程 : 直线CG方程： 零件的材料特性 标准试件的材料特性 零件的极限应力幅和极限平均应力。 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 3535 4 机械零件的疲劳强度计算 4.4 单向稳定变应力时的疲劳强度计算 1） 大多数转轴中的应力状态 已知零件危险断面的最大工作 应力和最小工作应力，求对应 于M点的零件的极限应力（疲 劳极限） 过原点与工作应力点M或N作连线交ADGC于M1或N1点。 此直线上任一点的应力循环特性均相同。 M1或N1点即为所求的极限应力点。 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 3636 4 机械零件的疲劳强度计算 a)当工作应力点位于OAG内 极限应力为疲劳极限，按 疲劳强度计算。 联解OM和AG两直线方程 即可求得M1坐标 ，纵横坐 标加起来既可得到零件的 极限应力 零件的极限应力（疲劳极限）： 强度条件： 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 3737 4 机械零件的疲劳强度计算 b)当工作应力点位于 OGC内 极限应力为屈服极限， 按静强度计算。 强度条件： 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 3838 4 机械零件的疲劳强度计算 2） 振动中的受载弹簧的应力状态 过工作应力点M（N）作与纵轴平行的轴线交 AG(GC)于M2（N2 ）点。 此直线上任一点的都具有相同的平均应力值。 M2或N2点即为所求的极限应力点。 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 3939 4 机械零件的疲劳强度计算 a) 当工作应力点位于OAGH区域内 强度条件： 极限应力为疲劳极限，按疲劳强度计算。 b）工作应力点位于GHC区域内 强度条件为： 极限应力为屈服极限，按静强度计算。 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 4040 4 机械零件的疲劳强度计算 3） 轴向变载荷 的紧螺栓联接中的螺栓应力 状态 过工作应力点M（N）作与横坐标成45的直线， 则这直线任一点的最小应力 均相同。 直线与极限应力线图交点 即为所求极限应力点。 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 4141 4 机械零件的疲劳强度计算 a)工作应力点位于OJGI内 极限应力为疲劳极限，按疲 劳强度计算。 求AG与MM3的交点: 强度条件: 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 4242 4 机械零件的疲劳强度计算 b)工作应力点位于IGC区域内 极限应力点为 强度条件： 极限应力为屈服极限 ，按静强度计算。 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 4343 4 机械零件的疲劳强度计算 注意： 1）若零件所受应力变化规律不能肯定，一般采用 =C的 情况计算。 2）上述计算均为按无限寿命进行零件设计，若按有限寿命 要求设计零件时，即应力循环次数103(104)NNo时，这 时上述公式中的极限应力应为有限寿命的疲劳极限： ，即应以-1N 代-1 ，以oN代o 。 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 4444 4 机械零件的疲劳强度计算 注意： 5）等效应力幅： 3）当未知工作应力点所在区域时，应同时考虑可能出现 的两种情况。 4）对切应力上述公式同样适用，只需将改为即可。 安 徽 科 技 学 院 工 学 院 Page Page 4545 5 机械零件的接触强度（自学） 高副零件工作时，理论上是点接触或线接触实际上由于 接触部分的局部弹性变形而形成面接触由于接触面积很小， 使表层产生的局部应力却很大。该应力称为接触应力。 在表面接触应力作用下的零件强度称为接触强度。 计算依据：弹性力学的赫兹公式。 5.1 接