机械零件疲劳强度.ppt

1 本章属于备查章节，它包含了许多有关机械设计（零件）基本知识与基本概念，例如：机械零件强度的基本概念、机械零件的耐磨性、常用材料、工艺性、公差与配合等。本章采取部分内容插入有关章节介绍的方法。本章的主要任务是完成由研究常用机构向研究通用零件的过渡。2机械零件设计概述机械零件设计概述注意失效并不一定意味着破坏（破坏的零件则不能工作，而失效的零件不一定不能工作，只是不能正常工作），因此，失效有更广泛的含义。两个基本概念:失效:机械零件由于某种原因不能正常工作。工作能力：不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。若此限度对载荷而言，又可称承载能力。3机械零件的强度机械零件的强度零件设计中的载荷与应力零件设计中的载荷与应力名义载荷（公称载荷）在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。计算载荷=K名义载荷其中：K载荷系数载荷载荷的分类：静载荷变载荷4名义应力由名义载荷求出的应力计算应力由计算载荷求出的应力注意变应力既可由变载荷产生，也可由静载荷产生应力应力的分类静应力变应力5零件受静载荷产生变应力的举例1.转动心轴F=常数at产生对称循环弯曲应力62.齿 轮 传 动:abF单向回转时：脉动循环弯曲应力齿根弯曲tab双向回转时：tababab对称循环弯曲应力7齿面接触FaHta齿面产生脉动循环接触应力8滚动轴承外圈滚道表面：FaHta产生脉动循环接触应力9静应力变应力非对称循环对称循环脉动循环-tma（平均应力）(应力幅）r（循环特性）ot max=min0+1ot=常数aminmaxmmax+min2max-min2 min maxotamaxmin0max=-min-1otammaxa=max2m=max2010载荷与应力的关系归纳：载荷静载荷变载荷静应力变应力非对称循环对称循环脉动循环名义载荷 F计算载荷 Fc(Fc=KF)名义应力c=K计算应力c 应力11机械零件的强度条件机械零件的强度条件=limS（或=）limS说明：上式只适用简单应力于（即只拉、压、弯、扭其中之一应力作用在零件上时）；对于复杂情况（即两种以上应力同时作用在零件上），可用材料力学强度理论中的第3和第4理论）；许用应力12S安全系数应力种类材料S变应力静应力塑性材料1.21.5塑性较差(SB0.6)、铸铁1.52.5脆性材料34材质均匀,计算较准确1.31.7材质不均匀,计算不准确1.72.513lim 极限正应力（lim 极限切应力）变应力作用下时：lim=rN (疲劳极限）注意零件的材料一定时，s 和B可直接从手册(教材:123页表9-1)中查到，而rN 需计算得到。lim塑性材料：lim=s (屈服极限）静应力作用下时脆性材料：lim=B (强度极限）14机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度变应力下零件的损坏形式疲劳断裂疲劳断裂的过程：滑移萌生（微裂纹）裂纹扩展突然断裂15F大大F大大？F大大F大大？生 活小常识：如何将铁丝弄断呢？在无工具的情况下F小小16F小小小常识的启示：小常识的启示：使铁丝疲劳断裂要比使它在静应力下拉断省力的多。换言之，铁丝疲劳断裂的最大应力远小于静应力拉断的极限应力。疲劳断裂与循环次数（N）有关,即是损伤积累到一定程度突然发生的。疲劳断裂与应力循环特性（r）有关,应力循环特性不同则疲劳断裂的速度不同。例：r=-1 易断；1 2 3 N 易断；1 2 3 N 不易断（冷作硬化）；17疲劳断裂的断口疲劳断裂的断口疲劳区（表面光滑区）脆性断裂区（粗粒状区）18疲劳曲线疲劳曲线表示应力与循环次数N之间的关系曲线。有限寿命区无限寿命区疲劳曲线的特点：N0循环基数N0HB35010735025107orNNN0（黑色金属）rr持久极限对称循环脉动循环r-1019有限寿命区（NN0）的曲线方程：orNNN0r由试验得出：rnm N=rm N0=常数其中：m试验指数（弯曲时m=9)rN=r mN0N则疲劳极限为：（NN0）疲劳极限:rN=r（NN0）:20按有限寿命（NN0）计算时：rN=r mN0N其中：rN 疲劳极限按无限寿命（NN0）计算时：rN=r 变应力下的强度条件：=limSrNS=因此得出21因 试件零件故 零件的强度条件：=limS rNk S=影响零件疲劳强度的因素：1、应力集中（k）2、绝对尺寸（）3、表面质量（）（查手册）22 例：45号钢的对称循环持久极限-1=307 MPa,m=9,N0=107,求应力循环次数N=106,N=107,N=108 时的疲劳极限值。解：由公式rN=r mN0N（NN0）rN=r（N1.5安全因按无限寿命计算,故:rN=-125机机械械零零件件的的接接触触强强度度 接触应力(H)：是点或线接触的两零件，受载后，接触表面产生的局部应力。FnHH12b 这时，零件的强度称为接触强度。在接触应力作用下，零件的主要失效形式是疲劳点蚀。26疲劳点蚀的形成过程(演示)：在接触应力的反复作用下 FnFnFnFnFnFn先在1520m表层处产生初始疲劳裂纹（初始裂纹与表面成锐角方向发展）润滑油进入裂纹 因齿面受压变形，产生高油压，裂纹加快扩展（“胀开”）裂纹到达 一定深度后，越出表面 造成小块金属脱落，形成小坑疲劳点蚀。FnFn发生疲劳点蚀后的不良后果：损坏零件表面光洁度；接触面积减小；承载能力降低；传动质量下降，引起振动和噪音。27接触应力的计算：接触应力的计算：FnHH12b赫兹（H.Hertz)公式:H=Fnb.11121-12E11-22E2+其中：H 最大接触应力（赫兹应力）；b接触长度；Fn 载荷；1、2两圆柱体材料的泊松比；1、2 两圆柱体曲率半径；E1、E2两圆柱体材料的弹性模量；正号用于外接触，负号用于内接触。注意：H1=H228对钢或铸铁，取=1=2=0.3H=0.418Fn Eb其中：综合曲率半径1 22 1E综合材料的弹性模量2E1 E2E1+E2E=29若令，弹性系数：ZE =1-12E11-22E2+1.1H=ZE Fn b其中：综合曲率半径 b接触长度Fn 载荷；ZE材料系数30接触疲劳强度的条件：H H =Hlim S H 其中：Hlim材料的接触疲劳极限对于钢材Hlim2.76HB-70 (MPa)S H 安全系数，S H1 31例：图示为由两个相互压紧的钢制摩擦轮组成的摩擦轮传动。已知：D1=100mm,D2=140mm,b=50mm,小轮主动；主动轴传递功率P=5kW、转速n1=500r/min，传动较平稳，载荷系数K=1.25，摩擦系数,f=0.15。试求：（1）所需的法向压紧力N；（2）两轮接触处 最大接触应力；（3）若摩擦轮的材料硬度HB=300,试校核接触强度。D1D2NNb32D1D2NNb解：（1）小轮的转矩：T1=9.55106Pn1=9.551065500=95500(N.mm)圆周力：F=2T1D1=295500100=1910(N)由防滑条件：fNKF 得法向压紧力：N=KFf=1.25 19100.15=15900(N)33（2）根据公式：H=0.418Fn Eb本题中，Fn=N=15900 N;b=50 mm =1 22+1=507050+70=29.2查得：E=2.06105 MPa故H=0.418159002.061055029.2=626 (MPa)34(3)接触疲劳极限：Hlim=2.76HB-70 =2.76300-70=758 MPa)取 安全系数：SH=1.1则 许用接触应力：H=Hlim SH7581.1=因 H H 故 满足接触强度条件。35例：图示，为实现变速，主动摩擦轮可分别带动三个从动摩擦轮（1、2、3轮）。已知：D1 D20.6%)低合金钢(合金总含量5%)中合金钢(合金总含量510%)高合金钢(合金总含量10%)齿轮、轴、蜗杆、螺钉、铆钉、连杆等较重要的结构和构件铸钢一般铸钢特殊铸钢普通碳素铸钢低合金铸钢机座、大齿轮、棘轮、曲轴等容器、齿轮、曲轴、水轮机叶片等耐蚀、耐热、无磁、电工零件、水轮机叶片、模具等铸铁灰铸铁(HT)低牌号（HT100HT150)高牌号（HT200HT400)底座、手轮、床身、盖等齿轮、带轮、飞轮、联轴器、机身可锻铸铁（KT)铁素体型珠光体型减速器壳、搬手、支座等曲轴、齿轮、活塞环、轴套等球墨铸铁(QT)珠光体型铁素体型同可锻铸铁特殊铸铁耐蚀、耐热、耐磨场合43铜合金铸造铜合金变形铜合金铸造黄铜（ZH)铸造青铜（ZQ)轴瓦、衬套、阀体、管接头轴瓦、蜗轮、丝杠螺母、管配件黄铜（H)青铜（Q)管、铆钉、螺母、垫圈轴瓦、蜗轮、螺母、弹簧轴承合金（巴氏合金）锡基轴承合金(ZChSnSb)铅基轴承合金(ZChPbSb)轴承衬同上，（强度、耐腐蚀性梢差，但价格较低）塑料热塑性塑料（聚乙烯、有机玻璃、尼龙等）热固性塑料（酚醛塑料、氨基塑料等）耐腐蚀件、绝缘件、透明件、减磨件、密封件等橡胶通用橡胶特种橡胶密封件、减振件、带传动、运输带、软管、绝缘材料、轮胎等44材料的选用原则：1使用要求1、受载情况和工作情况2、对尺寸和重量的限制3、零件的重要程度2工艺要求3经济要求45公差与配合、表面粗糙度公差与配合、表面粗糙度（祥见（祥见公差与配合公差与配合）公差：零件尺寸必须介于两个允许的极限尺寸之间，这两个极限尺寸之差成为公差。基本尺寸：设计给定的尺寸。公差带：指代表上下偏差的两条直线所限定的区域。配合：指同一基本尺寸的孔与轴的结合。配合的分类：间隙配合过渡配合过盈配合间隙配合表面粗糙度:是指零件表面的微观几何形状误差。46孔最大极限尺寸最小极限尺寸上偏差下偏差间隙配合：孔比轴大、用于动联接（如：轴颈与滑动轴承）。轴最大极限尺寸上偏差最小极限尺寸下偏差基本尺寸零线孔公差轴公差47轴过渡配合：孔与轴可能有间隙，也可能有过盈，常用于要求具有良好同轴度并又便于装拆的静联接（如：齿轮与轴）。孔孔公差轴公差48过盈配合：孔比轴小，用于静联接（如：火车车轮与轴）。轴孔孔公差轴公差最小过盈最大过盈49配合制度：1、基孔制孔是基准孔，其下偏差为零，代号为H，而各种配合是由改变轴的公差带来实现的。孔公差零线DefghH间隙配合jskm过渡配合prs过盈配合502、基轴制轴是基准轴，其上偏差为零，代号为h,而各种配合是由改变孔的公差带来实现的。51H8f 7F8h7转动配合,例：滑动轴承等常用优先配合及应用常用优先配合及应用间隙配合间隙配合基孔制基孔制基轴制基轴制应应用用过渡配合过渡配合过盈配合过盈配合H7g6G7h6不转动的滑动配合，例：活塞、滚动轴承、花键联接等H8h 7H8h 7不转动的定位配合和精密滑动配合，例：滚动轴承等H7k6精密定位 配合，例：低速齿轮、蜗轮、带轮、轴、滚动轴承等K7h6H7n6N7h6更精密定位配合，例：齿轮、蜗轮、轴、滚动轴承等H7p 6P7h6特别重要的定位配合，例：较高速齿轮、蜗轮、轴、等H7s6S7h6能传递外载荷的配合和高速齿轮孔与轴的配合H7u6U7h6能传递较大外载荷的配合52公差等级：表示尺寸精度的程度。共20个公差等级，代号为：IT01、IT0、IT1、IT18。等级代号数字越大，其公差等级越低，尺寸精确程度越低。例：H 7表示孔的公差带为H7 级公差精度机械制造中常用的公差等级：411级特别精密的零件重要零件中等工作速度、中等精度要求的零件低精度零件4 、56、7、88、910、1153注意凡低级能满足要求的，则不要采用高等级。盲目追求高等级，必将导致加工量和加工费用的增长。相对加工费用公差等级IT4IT5IT6IT7IT8IT9IT10IT114.541.01.52.02.53.03.5加工内表面加工外表面54表面粗糙度:是指零件表面的微观几何形状误差。它主要是由于加工后在零件表面留下微细的凹凸不平的刀痕。表面粗糙度的评定叁数：1、轮廓算术平均偏差Ra2、轮廓最大高度 Ry3、微观不平度十点高度 Rz用于切削加工表面；用于未加工表面和非常精细的精加工表面。1、Ra,Ry,Rz 的值越大，表面越粗糙；注意2、加工方法不同，则粗糙度不同。（其值查手册）55机械零件的工艺性机械零件的工艺性（祥见（祥见金属工艺学金属工艺学、机械工程手册机械工程手册（5卷，卷，25篇）篇）良好的工艺性：良好的工艺性：花费的劳动量较小、加工费用较低，省时、省工、省材、便于加工、易保证精度。工艺性的基本要求：工艺性的基本要求：1、经济性。2、造型简单化。形状越复杂制造越困难，成本越高。3、加工的可能性、方便性、精确性。4、满足热处理要求。避免热处理时产生变形、开裂或 降低热处理质量。5、装拆的可能性和方便性。56（可连续加工）（需加工三次）切削加工：57难在机床上固定设计夹紧凸缘开夹紧工艺孔58（一次走刀）L（精车长度过长）L（减少精车长度）（需两次走刀）59需两次装夹，难保证孔的同轴度只需一次装夹，易保证孔的同轴度60螺纹孔无法加工开设工艺孔刚度不足，加工时由于变形影响精度加强筋61L1L2应保证装配条件：L1 L2A向装拆工艺性：62A向向Sr应保证扳手空间（特殊情况应配专用扳手）63轴肩过高，拆卸困难6465圆柱面配合较紧时，拆卸不便设拆卸落钉66装销时，空气无法排除开设排气孔开设排气槽67ab定位销对角布置a=b时，易出现安装错误（误转180）同侧布置定位销（或使ab）68铸造工艺性：壁厚不均匀，易出现缩孔壁厚减薄，（加筋）上中中下分型面多，造型不便，需三箱造型上下只需两箱造型69焊接工艺性：M（弯矩）此处不易作为受拉侧M（弯矩）让焊缝底面作为受拉侧M（双向弯矩时）M（弯矩）*焊缝十字交叉内应力大焊缝错开减小内应力70热处理：剖面不均匀，淬火变形大开设工艺孔，淬火变形小一侧键槽匀，淬火变形大加开对称工艺槽，淬火变形小7172本章学习内容小结本章学习内容小结本章主要概括性介绍了机械零件设计入门必备的本章主要概括性介绍了机械零件设计入门必备的有关基本知识：有关基本知识：1、零件的强度（载荷、应力、强度条件）、零件的强度（载荷、应力、强度条件）2、零件接触强度（点蚀、赫兹公式）、零件接触强度（点蚀、赫兹公式）3、零件的耐磨性（四类磨损：、零件的耐磨性（四类磨损：磨粒、粘着、疲劳、腐蚀磨粒、粘着、疲劳、腐蚀）4、机械制造中常用的材料及选择、机械制造中常用的材料及选择5、公差与配合、公差与配合6、机械零件的工艺性、机械零件的工艺性73思考题思考题99-3-27341、何谓失效？何谓零件的工作能力？、何谓失效？何谓零件的工作能力？2、何谓静应力？何谓变应力？两者主要、何谓静应力？何谓变应力？两者主要区别是什么？区别是什么？3、何谓对称循环变应力？何谓非对称循环变应力？、何谓对称循环变应力？何谓非对称循环变应力？何谓脉动循环变应力？三者各有何特点？何谓脉动循环变应力？三者各有何特点？4、何谓疲劳极限？何谓疲劳点蚀，它是如何形成的、何谓疲劳极限？何谓疲劳点蚀，它是如何形成的？5、影响零件疲劳强度的因素有哪些？、影响零件疲劳强度的因素有哪些？6、机械制造中常用材料有哪些？何谓公差？何谓配合、机械制造中常用材料有哪些？何谓公差？何谓配合？7、如何保证所设计的零件具有良好的工艺性？、如何保证所设计的零件具有良好的工艺性？74第129页 9-1275