机械设计03机械零件强度

1、第三章 机械零件的强度基本要求基本要求1.1.了解疲劳曲线和极限应力曲线的来源、意义了解疲劳曲线和极限应力曲线的来源、意义 及用途，能从材料的几个基本特性及零件及用途，能从材料的几个基本特性及零件 的几何特性绘制零件的极限应力简化曲线的几何特性绘制零件的极限应力简化曲线 图；会求零件的极限应力。图；会求零件的极限应力。2.2.学会单向稳定变应力时机械零件的强度计算学会单向稳定变应力时机械零件的强度计算 方法；方法；3.3.学会双向变应力时机械零件的强度校核方法；学会双向变应力时机械零件的强度校核方法；4.4.会查附录中的有关图表。会查附录中的有关图表。一、基本概念一、基本概念1.1.载荷：载荷

2、：静载荷、变载荷静载荷、变载荷1 1）名义载荷名义载荷( (理论载荷理论载荷) )：Fn、M、T、P2 2）实际载荷实际载荷( (考虑实际因素的载荷考虑实际因素的载荷) )：2.2.应力：应力：静应力、变应力静应力、变应力ncaKFF3-1 机械零件强度计算概述3 3）计算载荷计算载荷( (强度计算时所采用的荷强度计算时所采用的荷) )：注意：注意：计算载荷比名义载荷更接近于实际载荷。计算载荷比名义载荷更接近于实际载荷。1）工作应力工作应力：按：按计算载荷计算的作用在零件上的应力计算载荷计算的作用在零件上的应力， 2）计算应力计算应力：复杂应力状态时，按强度理论求出的应力，：复杂应力状态时，按

3、强度理论求出的应力， ca 3）极限应力极限应力： lim (静应力下，极限应力为定值：静应力下，极限应力为定值： S或或 B ；变应力下，极限应力是变值）；变应力下，极限应力是变值）4）许用应力许用应力： Slim二二. .机械零件的强度方法机械零件的强度方法 ca稳定循环变应力稳定循环变应力非稳定循环变应力非稳定循环变应力1. .设计计算：设计计算： 2 . .校核计算：校核计算：1）应力）应力校核计算：校核计算：SScalim2）安全系数）安全系数校核计算：校核计算：三三. .变应力变应力应力随时间而变化应力随时间而变化1 1）循环变应力）循环变应力（周期变化）（周期变化） 2 2）非循

4、环变应力）非循环变应力（非周期变化）（非周期变化）稳定循环变应力及特性：稳定循环变应力及特性：变应力关系：变应力关系：)(21minmaxm)(21minmaxamaxminr1）最大应力：）最大应力： max2）最小应力：）最小应力： min3）平均应力：）平均应力： m4）应力幅值：）应力幅值： a5）循环特性：）循环特性：r注意：注意： 1）变应力是由变载荷产生的，也可能是由静载荷产生的。）变应力是由变载荷产生的，也可能是由静载荷产生的。 2）在变应力作用下，零件产生的是疲劳破坏。）在变应力作用下，零件产生的是疲劳破坏。3）疲劳破坏的特征）疲劳破坏的特征： （1） lin B或或 s ；

5、 （2）无塑性变形的突然断裂；）无塑性变形的突然断裂； （3）是损伤的累积，裂纹随应力循环次数）是损伤的累积，裂纹随应力循环次数N扩展。扩展。 min m循环变应力的类型及特性：循环变应力的类型及特性：1）对称）对称循环变应力：循环变应力：10maxmaxminram、2）脉动）脉动循环变应力：循环变应力：3）非对称）非对称循环变应力：循环变应力：4）静）静应力：应力：020maxminram、1maxminrm、变应力关系：变应力关系：)(21minmaxm)(21minmaxamaxminr min m描述材料的疲劳特性：描述材料的疲劳特性： lim ( ( max)与应力循环次数与应力循

6、环次数N和应力循环特性和应力循环特性r有关有关 rN（变应力的极限应力）（变应力的极限应力）3-1 材料的疲劳特性 当循环特性为当循环特性为 r 为定值时，对试样作疲劳试验为定值时，对试样作疲劳试验, ,在不同的在不同的 N 值下值下, ,记录试样破坏的记录试样破坏的 rN 值。值。一、材料疲劳的两种类型一、材料疲劳的两种类型低周疲劳低周疲劳高周疲劳高周疲劳高周疲劳线段分为两部分：高周疲劳线段分为两部分：二、疲劳曲线二、疲劳曲线1）有限寿命）有限寿命（CD段）：段）：曲线方程：曲线方程：（常数）CNmrNm材料常数，材料常数，m=620 由于由于ND（10625 106）较大，为了）较大，为了

7、确定常数确定常数C，通常取通常取N=N0试验得试验得 rN0 rN0循环基数；循环基数； N0=（110） 106这样：这样：CNNmrmrN0）（DCrNmrrNNNNKNN02）无有限寿命）无有限寿命（C点以后段）：点以后段）：)(DrNrrNNND三三. .极限应力图：极限应力图：1.1.材料的极限应力图及其简化：材料的极限应力图及其简化： 当应力循环次数当应力循环次数N为定值时（为定值时（ N= N0 ），试验得出），试验得出 r 与与 r 的关系。的关系。通常是找通常是找 m与与 a 的关系，间接代表的关系，间接代表r 与与 r 的关系。的关系。amramamrmaxmaxmin试件

8、的试验条件：试件的试验条件：1）光滑、无应力集中源；）光滑、无应力集中源；2）标准尺寸。）标准尺寸。),(am),(am材料的极限应力的简化：材料的极限应力的简化：D4545G20ma20A 点：点：r = -1 (对称对称)C点：点： r = 1 (静应力静应力)D 点：点：r = 0 (脉动脉动)直线直线 ： CG3 . 02 . 02 . 01 . 0合金钢：碳钢：直线直线 ： GAma00112m1）（am ,）（am ,mas2.2.零件的极限应力图及其简化：零件的极限应力图及其简化：考虑考虑应力集中、绝对尺寸、表面质量、强化应力集中、绝对尺寸、表面质量、强化等因素时的疲劳极限：等因

9、素时的疲劳极限：应力集中：应力集中：零件剖面几何形状突变处疲劳极限降低零件剖面几何形状突变处疲劳极限降低)(kk引引应力集中系数应力集中系数 来考虑来考虑绝对尺寸：绝对尺寸：剖面绝对尺寸大、出现缺陷概率大、疲劳极限剖面绝对尺寸大、出现缺陷概率大、疲劳极限 降低降低用用绝对尺寸系数绝对尺寸系数 来考虑来考虑)(表面质量表面质量：表面光滑或强化处理，能提高疲劳极限表面光滑或强化处理，能提高疲劳极限用用表面质量表面质量系数系数 来考虑来考虑)(强化处理：强化处理：表面强化处理，能提高疲劳极限表面强化处理，能提高疲劳极限用用零件强化零件强化系数系数 来考虑来考虑q各个系数各个系数的值参看的值参看P35

10、P35 4141本本章附录。章附录。mmeaaeK,qkK111综合影响系数：综合影响系数：），（KD2200AK1直线直线 AGKaae由G），（aeme），（aememeKK1meeeae10012Ke1 1）直线直线 的方程：的方程： AGKaae2 2）直线直线 ： GCsmeae 同样，按照上述方法可写出剪应力的极限应力曲线方程。直线直线 ： GC直线直线 ： AGmeaeeK1mea001200121KKeqkK111meaes一一. .单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算 变应力的应力比保持不变，即：变应力的应力比保持不变，即：r = C

11、变应力的平均应力保持不变，即：变应力的平均应力保持不变，即： m = = C 变应力的最小应力保持不变，即：变应力的最小应力保持不变，即： min = = C3-2 机械零件的疲劳强度计算一般步骤：一般步骤：1）由外载荷计算）由外载荷计算 max 、 min m 、 a工作应力；工作应力；2）将）将工作应力工作应力 m、 a标在零件极标在零件极 限应力图上，得限应力图上，得工作应力点：工作应力点： M（ m， a ）amM,3）确定）确定工作应力点工作应力点M（ m， a ）所对应的所对应的 零件的极限应力点零件的极限应力点 M （ me ， ae ） aemeM,零件的极限应力零件的极限应力

12、aememaxlim4）计算）计算安全系数安全系数： SScamaxmaxlim零件的极限应力点的零件的极限应力点的确定：确定： 按零件的加载方式分按零件的加载方式分Cr （如转轴）（如转轴）amM,aemeM,mamamameaeKKmax11maxlimCrrma11minmaxminmaxmaC1.1.变应力的应力比保持不变，即变应力的应力比保持不变，即上式表示：上式表示：r =C时，为过时，为过 坐标坐标 原点原点O的一条直线。的一条直线。1）如果）如果OM线与线与AG线交于线交于M （ me ， ae ），则有：），则有： maaaemammeKK11,SKSmaca1maxmaxl

13、imamM,aemeM,NsmeaemaxlimN2）如果）如果ON线与线与GC线交于线交于N （ me ， ae ），则有：），则有： SSamscamaxmaxlim按静应力计算：按静应力计算：注意：如果工作应力点在注意：如果工作应力点在OGC区域内，区域内， 则则 lin= s，这时，这时按静应力计算按静应力计算极限应力图分两个区： 疲劳强度 静强度：OGCOAG2.2.变应力的平均应力保持不变，即变应力的平均应力保持不变，即CmamM,（如振动中的弹簧）（如振动中的弹簧）aemeM,SKKSammca1maxmaxlimCm上式表示为：上式表示为： 平行平行 纵坐标纵坐标 的一条直线。

14、的一条直线。1）如果此线与）如果此线与AG线交于线交于M （ me ， ae ），则有：），则有： Kmaemme1,KKmmeae1maxlimamM,aemeM,极限应力图分两个区： 疲劳强度 静强度：HGCOAGHsmeaemaxlim2）如果此线与）如果此线与GC线交于线交于N （ me ， ae ），则有：），则有： SSamscamaxmaxlim按静应力计算：按静应力计算：注意：如果工作应力点在注意：如果工作应力点在HGC区域内，区域内， 则则 lin= s，这时，这时按静应力计算按静应力计算NHN3.3.变应力的最小应力保持不变，即变应力的最小应力保持不变，即CminamM,M

15、（如受轴向变载荷的紧（如受轴向变载荷的紧螺栓的应力状态）螺栓的应力状态）Cammin45SKKSacaminmin1maxmaxmaxlim22KKKKammeaemin11maxlim式表示为：过式表示为：过 M点与横坐轴夹角点与横坐轴夹角45的一条直线。的一条直线。KKKamaeamme)(,)(111）如果此线与）如果此线与AG线交于线交于M （ me ， ae ），则有：），则有： amM,MNI45N 同样，按照上述方同样，按照上述方法可写出剪应力的疲劳法可写出剪应力的疲劳强度计算公式。略强度计算公式。略 smeaemaxlim2）如果此线与）如果此线与GC线交于线交于N （ me

16、， ae ），则有：），则有： SSamscamaxmaxlim按静应力计算：按静应力计算：注意：如果工作应力点在注意：如果工作应力点在IGC区域内，区域内， 则则 lin= s，这时，这时按静应力计算按静应力计算极限应力图分两个区： 疲劳强度 静强度：IGCOAGI二二. .双向稳定变应力时机械零件的疲劳极限双向稳定变应力时机械零件的疲劳极限 若零件上作用有若零件上作用有周期相同、相位相同周期相同、相位相同的的对称弯曲应力对称弯曲应力 a a和和扭转剪切应力扭转剪切应力 a a时，时，对一般结构钢，经实验得其对应的对一般结构钢，经实验得其对应的极限应力极限应力（ a a ， a a ）符合下

17、列关系：）符合下列关系：12121eaea注：注：因为为对称循环，所以：因为为对称循环，所以：maxmaxaa 曲线曲线 上任何上任何一点都代表一对极限一点都代表一对极限应应 。 若零件的工作应若零件的工作应力点力点 在以在以内，则是安全的。内，则是安全的。),(aa),(aaMABaae 1e 1oABCDCDeaeaM11,eaeaM11,式中：式中： -1e-1e为零件只受为零件只受对称对称 时的极限应力时的极限应力 - -1e 1e 为零件只受为零件只受对称对称 时的极限应力时的极限应力aae 1e 1oABCDCDeaeaeaeaDOCOODOC1111aaaacaODDOOCCOOMMOSacaaacaaSS12121eaea12121eacaeacaSSSae1令：Sae1eaeaM11,eaeaM11,122SSSScaca22SSSSSca 当零件上作用的弯曲应力和扭转应力为当零件上作用的弯曲应力和扭转应力为非对称循环非对称循环变应力变应力时：时：maKS1maKS1四四. .提高零件疲劳强度的措施提高零件疲劳强度的