机械行业及零件知识管理分析强度(PPT 59页).ppt

机械零件的强度 1材料的疲劳特性 2机械零件的疲劳强度计算 3机械零件的抗断裂强度 4机械零件的接触强度 机械零件的强度 本章主要讨论零件在变应力下的疲劳强度和接触强度等问题 零件在变应力作用下产生的破坏 疲劳破坏 绝大多数机械零件都是处在变应力的状态下工作的 机械零件的强度 一般来讲 静应力只能在静载荷的作用下产生 而变应力由变载荷产生 也可能由静载荷产生 对称循环变应力 r 1 例如 转轴上a点的应力变化 机械零件的强度 平均应力 循环变应力 变应力的循环特性 静应力 常数 变应力 随时间变化 变应力参数 最大应力 smax sm sa 最小应力 smin sm sa 应力幅 脉动循环变应力 对称循环变应力 静应力 对称循环变应力 smax smin sa 0 sm smax 静应力 变应力的特例 sm 0 sa smax smin 脉动循环变应力 可见 变应力可由五个参数中的两个参数来描述 通常是 smax和r 1材料的疲劳特性 用参数 max表征材料的疲劳极限 通过实验 记录出在不同最大应力下引起试件疲劳破坏所经历的应力循环次数N AB段 N 103 max基本不变 可看作是静应力强度 BC段 随着N max 因N较少 故称为 低周疲劳 高应力低循环疲劳 1材料的疲劳特性 机械零件的疲劳大多发生在s N曲线的CD段 多数通用零件 其承受变应力循环次数总是大于104的 所以本书不讨论低周疲劳问题 一 s N疲劳曲线 曲线CD段上任何一点所代表的疲劳极限 有限寿命疲劳极限 rN 1材料的疲劳特性 在此范围内 试件经过一定次数的变应力作用后总会发生疲劳破坏 可用下式描述 曲线CD段上任何一点所代表的疲劳极限 有限寿命疲劳极限 rN 1材料的疲劳特性 可用下式描述 r D点对应的疲劳极限 常称为持久疲劳极限 3 1 循环基数N0 用N0及其相对应的疲劳极限 r来近似代表ND和 r 1材料的疲劳特性 有限寿命疲劳阶段 无限寿命疲劳阶段 ND 106 25 107 于是有 1a 有限寿命疲劳阶段 于是有 1材料的疲劳特性 求有限寿命区内任意循环次数N时的疲劳极限 rN的表达式 式中 KN 寿命系数 m 材料常数 其值由试验来确定 多数通用机械零件的失效都是由高周疲劳引起的 1材料的疲劳特性 低应力高循环疲劳 材料的疲劳特性也可用在特定的应力循环次数N下 循环特性r与疲劳极限 r之间的关系曲线来表示 等寿命疲劳曲线 简化曲线 二 等寿命疲劳曲线 1材料的疲劳特性 一 s N疲劳曲线 s N疲劳曲线是在r不变的情况下 通过实验得到的表示N与 r之间的关系曲线 然而 零件的工作应力不总是对称循环的变应力 材料所受的变应力的循环特性不同 得到的疲劳极限也不同 在工程应用中 常将等寿命曲线用直线来近似替代 简化的等寿命疲劳曲线 极限应力线图 1材料的疲劳特性 图 3材料的极限应力线图 极限应力线图 在特定的N下 根据不同的r特性得到的 r 用 a m表示的图形 对称循环 m 0 脉动循环 m a 0 2 1材料的疲劳特性 A 点 代表材料的对称循环疲劳极限 1 坐标为 0 1 D 点 max a m 0 max a 1 1材料的疲劳特性 用折线A G C来代替等寿命疲劳曲线 只需要知道 1 0 S三个实验数据 就可作图 且与真实的极限应力曲线非常接近 如正好落在折线上 表示工作应力状况达到破坏的极限状态 如应力点落在OA G C区域以外 则表示一定会发生破坏 说明C 直线上任意点的最大应力达到了屈服极限应力 C 直线上任意点N 的坐标为 m a 由 中两条直角边相等可求得C 直线的方程为 A 直线上任意点代表了一定循环特性时的疲劳极限 1材料的疲劳特性 3 4 1材料的疲劳特性 对于碳钢 y 0 1 0 2 对于合金钢 y 0 2 0 3 式中 y 材料常数 材料 2机械零件的疲劳强度计算 一 零件的极限应力线图 由于材料试件是一种特殊的结构 而实际零件的几何形状 尺寸大小 加工质量及强化因素等与材料试件有区别 使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限 综合影响系数 零件弯曲疲劳极限为 1e 一 零件的极限应力线图 零件 综合影响系数 对称循环弯曲疲劳极限 各种因素只是对应力幅有影响 而对平均应力无影响 2机械零件的疲劳强度计算 曲线的CG部分 是按静应力的要求来考虑的 故不需修正 直线A 的方程为 直线C 的方程为 由已知两点坐标 ae 零件所受极限应力幅 me 零件所受极限平均应力 y e 零件受弯曲的材料常数 综合影响系数 反映了 应力集中 尺寸因素 表面加工质量及强化等因素的综合影响结果 其计算公式如下 其中 k 有效应力集中系数 表面质量系数 尺寸系数 q 强化系数 2机械零件的疲劳强度计算 以上公式只适合于零件受循环弯曲应力的情况 其中的系数 k 与k q相对应 教材附表3 1 3 11详细列出了零件的典型结构 尺寸 表面加工质量及强化措施等因素对弯曲疲劳极限的综合影响 下面列举了部分图表 对于切应力的情况 只需用 代替 就可以得到相应的极限应力曲线方程 2机械零件的疲劳强度计算 钢材的表面质量系数 2机械零件的疲劳强度计算 二 单向稳定变应力时零件的疲劳强度计算 进行零件疲劳强度计算时 一 零件的极限应力线图 M 或N 的位置确定与循环应力变化规律有关 可能发生的应力变化规律 平均应力为常数 m C 最小应力为常数 min C 在强度计算中所采用的极限应力应是零件的极限应力曲线AGC上的某一个点M 或N 所代表的应力 m a 2机械零件的疲劳强度计算 三种情况分别讨论 1 r Const 2机械零件的疲劳强度计算 工程实例 绝大多数转轴在工作时的应力状态 寻找极限应力值的原则 极限应力的r与零件工作应力的r相同 比值 M 1为极限应力点 其坐标值 me ae之和就是对应于M点的极限应力 max 2机械零件的疲劳强度计算 作射线OM 其上任意一点所代表的应力循环都具有相同的循环特性 设 M1 me ae M m a 联解OM和AG两直线的方程 可求出M 1点的坐标值 由相似三角形得 根据AG线方程 2机械零件的疲劳强度计算 联解OM和AG两直线的方程 可求出M 1点的坐标值 计算安全系数及疲劳强度条件为 可求出对应于M点的零件的极限应力 疲劳极限 max 2机械零件的疲劳强度计算 3 17 对应于N点的极限应力点N 1位于直线CG上 有 这说明工作应力为N点时 首先可能发生的是屈服失效 故只需要进行静强度计算 强度计算公式为 凡工作应力点落在OGC区域内 在r 常数的条件下 极限应力统为屈服极限 都只需要进行静强度计算 OGC区域 lim s 属于静强度计算区域 2机械零件的疲劳强度计算 OAG区域 属于疲劳强度校核区域 按式 3 18 计算 按式 3 17 计算 2 m Const 2机械零件的疲劳强度计算 工程实例 弹簧在载荷作用下的振荡 寻找极限应力值的原则 极限应力的 m与零件工作应力的 m相同 此时需要在AG上确定M 2 使得 m m 显然 该纵轴平行线的上任意一点所代表的应力循环都具有相同的平均应力值 求出M 2点的坐标 me m 计算安全系数及疲劳强度条件为 AG线方程 将两者加起来 对应M点的零件的极限应力 3 21 同理 对于N点的极限应力为N 2点 由于N 2点位于直线CG上 lim s 故只要进行静强度计算 计算公式为 式 3 21 式 18 式 18 2机械零件的疲劳强度计算 此时需要在AG上确定M 3 使得 min min 因为 min m a 3 min Const 2机械零件的疲劳强度计算 寻找极限应力值的原则 极限应力的 min与零件工作应力的 min相同 过M点作45 直线 其上任意一点所代表的应力循环都具有相同的最小应力 因为 min m a 3 min Const 2机械零件的疲劳强度计算 在GCI区域内 lim s 只需按式 3 18 做静强度计算 只有在ODGI区域内 极限应力才在疲劳极限应力曲线上 在OAD区域内 最小应力均为负值 故不予讨论 过O G两点分别作45 直线 得OAD ODGI GCI三个区域 2机械零件的疲劳强度计算 注 具体设计零件时 如果难于确定应力变化的规律 在实践中往往按r C时的公式计算 2机械零件的疲劳强度计算 4机械零件的接触强度 一 接触应力产生的条件 4机械零件的接触强度 如齿轮 凸轮 滚动轴承等 接触应力不同于以往所学过的挤压应力 挤压应力是面接触引起的应力 二 接触应力引起的失效形式 接触疲劳点蚀 4机械零件的接触强度 一 接触应力产生的条件 零件的接触应力通常随时间作周期性变化 疲劳点蚀通常是齿轮 滚动轴承等零件的主要失效形式 其中 用于外接触 用于内接触 式中 1和 2 分别为两零件初始接触线处的曲率半径 三 接触应力的计算 综合曲率半径 赫兹 H Hertz 公式 4机械零件的接触强度 四 提问 相互接触的两个零件 接触应力的大小是否相同 齿面上接触应力的变化规律如何 4机械零件的接触强度 二 接触应力引起的失效形式 一 接触应力产生的条件 三 接触应力的计算 赫兹 H Hertz 公式 疲劳点蚀 六 提高机械零件疲劳强度的措施 自学 采用具有高疲劳强度的材料 并配以