机械设计-第03章-周兴义

第三章机械零件的强度,3-1材料的疲劳特性,3-2机械零件的疲劳强度计算（重点）,3-3机械零件的抗断裂强度（*）,3-4机械零件的接触强度,3-0强度计算的一些基础知识,第三章机械零件的强度,3-1材料的疲劳特性,3-2机械零件的疲劳强度计算（重点）,3-3机械零件的抗断裂强度（*）,3-4机械零件的接触强度,3-0强度计算的一些基础知识,静应力作用下零件的失效形式主要是断裂和塑性变形静应力下的强度准则（强度计算方法）：,（一）静应力下机械零件的强度计算,脆性材料,3-0强度计算的一些基础知识,静应力：不随时间变化或随时间缓慢变化的应力零件工作寿命期间内应力变化次数103次，均按静强度计算,许用应力法：,安全系数法：,塑性材料,3-0强度计算的一些基础知识,（二）变应力的定义与产生,变应力：随时间变化的应力,静应力只能在静载荷作用下产生,变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生,变应力,稳定变应力,不稳定变应力,对称循环,3-0强度计算的一些基础知识,（三）变应力的类型,非对称循环,脉动循环,3-0强度计算的一些基础知识,（四）稳定循环变应力的几个重要参数,最大应力（绝对值最大）：,最小应力（绝对值最小）：,平均应力：,应力幅：,循环特性（应力比）：,应力比越大，对零件强度越有利，对称循环（r=-1）最不利,1、对称循环应力（r=-1）max=min=am=0,2、脉动循环应力（r=0）min=0m=a=max/2,3、静应力（r=1）max=min=ma=0,3-0强度计算的一些基础知识,（五）几种常见的应力,例题1某零件的工作应力变化如图所示，求最大应力，最小应力，平均应力，应力幅，循环特性r。,3-0强度计算的一些基础知识,练习如一零件的应力循环特性r=+0.6，a=80MPa，则此时m=()，max=()，min=()。,320,400,240,3-0强度计算的一些基础知识,第三章机械零件的强度,3-1材料的疲劳特性,3-2机械零件的疲劳强度计算（重点）,3-3机械零件的抗断裂强度（*）,3-4机械零件的接触强度,3-0强度计算的一些基础知识,3-1材料的疲劳特性,（一）材料疲劳特性概述,变应力作用下，材料的的主要失效形式是疲劳破坏,低于塑性或强度极限的应力反复作用下表面破坏或整体断裂,疲劳特性材料在变应力作用下表现出的特性,材料的疲劳特性可用最大应力max、应力比r、应力循环次数N描述,两条曲线：-N疲劳曲线、等寿命疲劳曲线,材料疲劳特性最大应力：max应力比：r循环次数：N,3-1材料的疲劳特性,（二）-N疲劳曲线,试验：改变试件上变应力的max，测发生疲劳破坏时的N,疲劳极限与寿命之间关系！,应力循环次数（寿命）,疲劳极限,材料疲劳特性最大应力：max应力比：r循环次数：N,应力比r一定时，疲劳极限(max)与寿命间(N)的关系,3-1材料的疲劳特性,（二）-N疲劳曲线,AB段静载破坏阶段,BC段低周疲劳阶段,材料疲劳特性最大应力：max应力比：r循环次数：N,疲劳曲线2,D点以后无限寿命疲劳阶段,sN疲劳曲线,CD段有限寿命疲劳阶段,3-1材料的疲劳特性,（二）-N疲劳曲线,N0及m的值由试验材料确定,材料疲劳特性最大应力：max应力比：r循环次数：N,根据（无限寿命）疲劳极限r，材料常数m与N0，求取与有限寿命N对应的有限寿命疲劳极限rN！,sN疲劳曲线,例题2：45钢的对称循环疲劳强度-1=300MPa，N0=5106，m=9，求：N=104，105，106时的有限寿命疲劳极限。,解：,3-1材料的疲劳特性,根据（无限寿命）疲劳极限r，材料常数m与N0，求取与有限寿命N对应的有限寿命疲劳极限rN！,3-1材料的疲劳特性,（三）等寿命疲劳曲线（极限应力线图）,特定循环次数N下，材料循环特性r与疲劳极限max的关系,曲线上每一点对应一组循环特性r与极限应力值max,材料疲劳特性最大应力：max应力比：r循环次数：N,3-1材料的疲劳特性,（三）等寿命疲劳曲线（极限应力线图）,两条直线简化材料极限应力线图,材料疲劳特性最大应力：max应力比：r循环次数：N,OADGC为简化极限应力线图！,3-1材料的疲劳特性,（三）等寿命疲劳曲线（极限应力线图）,简化极限应力线图的画法,材料疲劳特性最大应力：max应力比：r循环次数：N,已知:-1,0,s;,1.作图法2.解析法,第三章机械零件的强度,3-1材料的疲劳特性,3-2机械零件的疲劳强度计算（重点）,3-3机械零件的抗断裂强度（*）,3-4机械零件的接触强度,3-0强度计算的一些基础知识,1、与材料的极限应力线图的区别,3-2机械零件的疲劳强度计算,（一）零件的极限应力线图,材料的极限应力由标准试件测得,实际零件与标准试件在形状、尺寸、表面质量等方面有差异,零件的疲劳极限与材料的疲劳极限有差异,引入弯曲疲劳极限影响系数K对材料极限应力线图进行修正,3-2机械零件的疲劳强度计算,2、零件的极限应力线图,（一）零件的极限应力线图,OADGC为零件极限应力线图！,3-2机械零件的疲劳强度计算,（一）零件的极限应力线图,2、零件的极限应力线图,CG直线方程：,AG直线方程：,为材料常数（碳钢0.1-0.2，合金钢0.2-0.3）,零件不会发生失效,零件会发生疲劳或塑性失效,安全区,3-2机械零件的疲劳强度计算,（一）零件的极限应力线图,3、零件的极限应力线图应用,若工作应力（m，a）处于OAGC区域内：,max=m+ar且max=m+as,若工作应力（m，a）处于OAGC区域外：,OAGC是零件工作的安全区！,K弯曲疲劳综合影响系数,其中：k零件应力集中影响系数（形状因素）零件的尺寸系数零件的表面质量系数q零件的表面强化系数,3-2机械零件的疲劳强度计算,（二）影响零件疲劳极限的主要因素,引入K描述实际零件与材料疲劳极限的差异,详见附录中各参数的查取方法（自学）！,1、应力集中的影响有效应力集中系数,3-2机械零件的疲劳强度计算,（二）影响零件疲劳极限的主要因素,零件受载时，在几何形状突变处要产生应力集中,材料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感,2、零件尺寸的影响尺寸系数,零件尺寸愈大，材料的晶粒较粗，出现缺陷的概率大,机械加工后表面冷作硬化层较薄，对疲劳强度有不利影响,3-2机械零件的疲劳强度计算,（二）影响零件疲劳极限的主要因素,3、表面状态的影响,零件表面质量（主要是粗糙度）对疲劳强度的影响,表面越粗糙，系数取值越小,1）表面质量系数,对零件表面进行强化处理对疲劳强度的影响,2）表面强化系数,淬火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、喷丸等,3-2机械零件的疲劳强度计算,（三）单向稳定变应力下零件的疲劳强度计算,单向：只有一个应力方向（正应力或切应力）,稳定：变应力的参数稳定,1、疲劳强度计算步骤,画出零件的极限应力图求出零件危险剖面上的min和max（工作应力）由min、max求出m和a由m、a在零件极限应力图上找出工作应力点M在折线上找出M点对应的极限应力点M计算安全系数,3-2机械零件的疲劳强度计算,（三）单向稳定变应力下零件的疲劳强度计算,2、疲劳强度计算极限应力点M的确定方法,根据零件所受结构约束确定应力允许发生的变化规律,根据应力变化规律确定极限应力点M,1）r=C,常见的三种应力变化规律,2)m=C,3）min=C,1）r=C,图解法：作图求OM与AG或CG交点,3-2机械零件的疲劳强度计算,（三）单向稳定变应力下零件的疲劳强度计算,2、疲劳强度计算极限应力点M的确定方法,应力在经过原点的直线上变化,极限应力点M在经过原点O与工作点M的直线上,解析法：联立直线方程求交点,1）r=C,3-2机械零件的疲劳强度计算,（三）单向稳定变应力下零件的疲劳强度计算,2、疲劳强度计算极限应力点M的确定方法,如果r=C直线与CG相交，近似认为是静应力状态,采用解析法时，要先确定点M在OAG还是在OCG,图解法,3-2机械零件的疲劳强度计算,（三）单向稳定变应力下零件的疲劳强度计算,2、疲劳强度计算极限应力点M的确定方法,应力在平行于纵轴的直线上变化,极限应力点M在经过工作点M且平行于纵轴的直线上,解析法,2)m=C,3-2机械零件的疲劳强度计算,（三）单向稳定变应力下零件的疲劳强度计算,2、疲劳强度计算极限应力点M的确定方法,应力在与横轴夹角为45的直线上变化,极限应力点M在经过工作点M的45直线上,3）min=C,a.M在AOJ内，min为负值，少有，不研究b.M在OJGI内，疲劳强度安全区c.M位于IGC区域内，塑性强度安全区,3-2机械零件的疲劳强度计算,（三）单向稳定变应力下零件的疲劳强度计算,3、单向稳定变应力下零件疲劳强度计算方法总结,画出零件的极限应力图求出零件危险剖面上的min和max（工作应力）由min、max求出m和a由m、a在零件极限应力图上找出工作应力点M在折线上找出M点对应的极限应力点M计算安全系数,对于剪切变应力，只须把公式中的改为,设计零件时如果难于确定应力变化规律，一般采用r=C,3-2机械零件的疲劳强度计算,（三）单向稳定变应力下零件的疲劳强度计算,4、单向稳定变应力下零件疲劳强度计算说明,如果零件所需寿命为104NN0（不需要无限寿命），作极限应力线图时用有限寿命疲劳极限rN代替r（-1N代替-1，0N代替0），计算结果更安全。,例题3：试在下列极限应力图上分别标出2种不同加载情况下的疲劳安全区及塑性安全区。,3-2机械零件的疲劳强度计算,例题4某零件的工作应力为：，钢材的力学性能为，工作中危险断面的综合影响系数。若许用安全系数对变应力取S=1.3,对静应力取S=1.5。试求：1）画出该零件的极限应力图（要求按比例画出）；2）在图中标出工作点，说明当r=c时该零件可能发生的失效形式3）校核零件的强度是否满足要求。,3-2机械零件的疲劳强度计算,极限应力图:,G,3-2机械零件的疲劳强度计算,解:（1）零件极限应力图,（2）在图中标出工作点，并说明当r=c时,该零件可能发生的失效形式,工作点平均应力:,工作点应力幅:,工作点座标M(90,60),3-2机械零件的疲劳强度计算,由于工作点M位于OAG区域内,该零件可能发生的失效形式为疲劳失效.,3-2机械零件的疲劳强度计算,(3)校核该零件强度是否满足要求,设M（x，y）,M,3-2机械零件的疲劳强度计算,联立求解,所以该零件满足强度要求。,零件疲劳极限：,计算安全系数：,3-2机械零件的疲劳强度计算,M,可用作图法或最终公式！,例5一钢制零件，工作中max=130Mpa,min=30Mpa,K=1.23,s=300Mpa,-1=170Mpa,=0.2,若S动=1.3,S静=1.5,试按r=C校该其安全系数。,3-2机械零件的疲劳强度计算,解：1）零件极限应力线图：,各点坐标：A（0，138）,D(141.5,115),C(300,0),2）工作应力点：,作OM直线，交AG线于M点。得M（80，120）,3-2机械零件的疲劳强度计算,平均应力：m=80MPa应力幅：a=50Mpa,3）极限应力点：,3）安全系数：,当损伤率达到100%时，材料即发生疲劳破坏,3-2机械零件的疲劳强度计算,（四）单向不稳定变应力下零件的疲劳强度计算,例题6钢制零件在非稳定对称循环弯曲应力下工作，材料的疲劳强度极限，在时工作循环次数，试用疲劳损伤累积假说，估计再受时，到疲劳破坏前还可能继续工作多少循环次数。注：材料的应力循环基数为107；疲劳曲线方程的指数。,3-2机械零件的疲劳强度计算,零件上同时作用法向及切向稳定变应力和,3-2机械零件的疲劳强度计算,（五）双向稳定变应力下零件的疲劳强度计算（了解）,计算安全系数：,：零件只承受切向应力时的安全系数,：零件只承受法向应力时的安全系数,降低零件上应力集中的影响（首要措施）1）减小结构形状和尺寸的突变（尽可能平滑和均匀）2）增大过渡圆角半径3）采用卸载槽降低应力集中的影响,3-2机械零件的疲劳强度计算,（六）提高零件疲劳强度的措施,在综合考虑零件的性能要求和经济性后，采用具有高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和各种表面强化处理。提高表面质量（如提高零件表面糙粗度；对于工作在腐蚀性环境中的零件采用适当的表面保护等。尽可能减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸,3-2机械零件的疲劳强度计算,（六）提高零件疲劳强度的措施,第三章机械零件的强度,3-1材料的疲劳特性,3-2机械零件的疲劳强度计算（重点）,3-3机械零件的抗断裂强度（*）,3-4机械零件的接触强度,3-0强度计算的一些基础知识,若两个零件在受载前是点接触或线接触受载后，由于变形其接触处为一小面积此小面积表层产生的局部很大的应力为接触应力这时零件强度称为接触强度齿轮、滚动轴承等的承载能力不仅取决于整体强度,3-4机械零件的接触强度,（一）接触应力与接触强度,两轴线平行的圆柱体相互接触并受压时，最大接触应力为：,3-4机械零件的接触强度,（二）接触强度的计算,:总压力,“+”外接触;“-”内接触.,静应力下：表面压碎（脆性）、表面塑性变形（塑性）,3-4机械零件的接触强度,（三）与接触强度对应的失效形式,变应力下：疲劳点蚀,载荷重复作用下，首先在表层产生初始疲劳裂纹接触表面相互运动，润滑油被挤入裂纹内运动表面将裂纹口封死，形成高压油，促使裂纹扩展裂纹扩展到一定深度后，表层金属呈小片状剥落，形成一些小坑,减少了接触面积，损坏光滑表面，降低了承载能力，引起振动和噪音齿轮、滚动