(4)--第2章 机械零件的强度机械设计.pdf

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1、机械零件的强度概述概述1机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度2机械零件的表面接触强度机械零件的表面接触强度3概述 强度强度 工作应力工作应力c c 许用应力许用应力 载荷（应力）载荷（应力）材料材料载荷与应力载荷与应力11零件设计中的载荷及其分类零件设计中的载荷及其分类静载荷静载荷：不随时间变化或变化缓慢的载荷。：不随时间变化或变化缓慢的载荷。变载荷变载荷：随时间作周期性或非周期性变化的载荷。：随时间作周期性或非周期性变化的载荷。概述 强度强度 工作应力工作应力c c 许用应力许用应力 载荷（应力）载荷（应力）材料材料载荷与应力载荷与应力11零件设计中的载荷及其分类零件设计中的载荷及其分类注意

2、注意:在设计计算中，载荷又可分为在设计计算中，载荷又可分为名义载荷名义载荷、工工 作载荷作载荷和和计算载荷计算载荷，计算载荷等于载荷系数，计算载荷等于载荷系数 乘以名义载荷。乘以名义载荷。概述应力的分类应力的分类静应力静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力。：不随时间变化或变化缓慢的应力。静应力静应力变应力变应力:随时间变化的应力。随时间变化的应力。变应力变应力2概述应力的分类应力的分类 描述稳定循环变应力有描述稳定循环变应力有6个参量，个参量，应力幅应力幅a、平均应力平均应力m、最小应力最小应力min、最大应力最大应力max和和循环循环特性系数特性系数r。但其中只有两个参数是独立的。但其中只有

3、两个参数是独立的。注意注意:应力循环次数应力循环次数N。2概述应力的分类应力的分类稳定循环变应力稳定循环变应力非对称循环变应力非对称循环变应力2概述应力的分类应力的分类稳定循环变应力稳定循环变应力对称循环变应力对称循环变应力2概述应力的分类应力的分类稳定循环变应力稳定循环变应力脉动循环变应力脉动循环变应力2概述应力的分类应力的分类稳定循环变应力稳定循环变应力静应力静应力2机械零件的疲劳强度疲劳破坏概述1材料的疲劳特性2机械零件的疲劳强度3疲劳破坏概述变应力变应力下，零件的损坏形式是下，零件的损坏形式是疲劳断裂疲劳断裂。零件表层产生微小裂纹；零件表层产生微小裂纹；疲劳断裂过程：疲劳断裂过程：随着

4、循环次数增加，微裂随着循环次数增加，微裂 纹逐渐扩展；纹逐渐扩展；当剩余材料不足以承受载当剩余材料不足以承受载 荷时，突然脆性断裂。荷时，突然脆性断裂。光滑疲劳区光滑疲劳区粗糙的脆性粗糙的脆性断裂区断裂区疲劳破坏概述 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低低，甚至比屈服极限低;疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。不管脆性材料或塑性材料，不管脆性材料或塑性材料，疲劳断裂是与疲劳断裂是与应力循环次

5、数应力循环次数(即使用寿命即使用寿命)有关的断裂。有关的断裂。疲劳断裂具有以下特征：疲劳断裂具有以下特征：断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。材料的疲劳特性材料的疲劳特性材料的疲劳特性1两个概念：两个概念：1）疲劳寿命疲劳寿命N：材料疲劳失效前所经历的应力循环：材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。次数。r不同不同 N N不同时，疲劳极限不同时，疲劳极限 rN则不同。则不同。在疲劳强度计算中，取在疲劳强度计算中，取lim rN 。12）材料的）材料的疲劳极限疲劳极限rN：在应力比为在应力比为r的循环应力的循环应力作用下，应力循环作用下，应力循环

6、 N 次后，材料不发生疲劳破坏次后，材料不发生疲劳破坏时所能承受的最大应力时所能承受的最大应力max（max）。（变应力的。（变应力的大小可按其最大应力进行比较）大小可按其最大应力进行比较）材料的疲劳特性材料的疲劳特性材料的疲劳特性1s sN疲劳曲线疲劳曲线1 1）用参数用参数max表征材料的疲劳极限，通过实验，可表征材料的疲劳极限，通过实验，可得出如图所示的疲劳曲线。称为：得出如图所示的疲劳曲线。称为：2s sN疲劳曲线疲劳曲线 N疲劳曲线疲劳曲线maxN材料的疲劳特性材料的疲劳特性材料的疲劳特性1s sN疲劳曲线疲劳曲线2maxNB103BAN=1/4 在原点处，对应的在原点处，对应的应力

7、应力循环次数为循环次数为N=1/4。在在AB段，段，应力循环次数应力循环次数N 104，高周疲劳高周疲劳材料的疲劳特性材料的疲劳特性材料的疲劳特性1s sN疲劳曲线疲劳曲线2rNNN0 r材料的疲劳特性材料的疲劳特性材料的疲劳特性1等寿命疲劳曲线等寿命疲劳曲线（疲劳极限应力图（疲劳极限应力图）3-10 /20 /2somaAD45 C45 G材料的疲劳特性材料的疲劳特性材料的疲劳特性1等寿命疲劳曲线等寿命疲劳曲线（疲劳极限应力图（疲劳极限应力图）3-10 /20 /2somaAD45 C45 G安全区安全区塑性失效区塑性失效区疲劳失效区疲劳失效区M材料的疲劳特性材料的疲劳特性材料的疲劳特性1总

8、结总结41）疲劳曲线的用途：在于根据）疲劳曲线的用途：在于根据r 确定某个循环确定某个循环次数次数 N 下的条件疲劳极限下的条件疲劳极限rN。2）等寿命疲劳曲线的用途：在于根据）等寿命疲劳曲线的用途：在于根据-1 确定确定非对称循环变应力下的疲劳极限以计算安全系数。非对称循环变应力下的疲劳极限以计算安全系数。3）对于切应力，只需将各式中的）对于切应力，只需将各式中的 换成换成即可。即可。机械零件的疲劳强度影响零件疲劳强度的主要因素影响零件疲劳强度的主要因素1应力集中的影响应力集中的影响1 机械零件上的应力集中会加快疲劳裂纹的机械零件上的应力集中会加快疲劳裂纹的形成和扩展，从而导致零件的疲劳强度

9、下降。形成和扩展，从而导致零件的疲劳强度下降。用用应力集中系数应力集中系数 计入应力集中的影响计入应力集中的影响 。机械零件的疲劳强度影响零件疲劳强度的主要因素影响零件疲劳强度的主要因素1应力集中的影响应力集中的影响1有效应力集中系数有效应力集中系数 ：、。skk理论应力集中系数理论应力集中系数 ：、。s注：当同一剖面上同时有几个应力集中源时，注：当同一剖面上同时有几个应力集中源时，应采用其中最大的应力集中系数进行计算。应采用其中最大的应力集中系数进行计算。有效应力集中系数有效应力集中系数k 机械零件的疲劳强度影响零件疲劳强度的主要因素影响零件疲劳强度的主要因素1尺寸的影响尺寸的影响2 零件的

10、尺寸越大，在各种冷、热加工中出零件的尺寸越大，在各种冷、热加工中出现缺陷，产生微观裂纹等疲劳源的可能性（机现缺陷，产生微观裂纹等疲劳源的可能性（机会）增大。从而使零件的疲劳强度降低。会）增大。从而使零件的疲劳强度降低。用用尺寸系数尺寸系数 、，计入尺寸的影响。，计入尺寸的影响。s机械零件的疲劳强度影响零件疲劳强度的主要因素影响零件疲劳强度的主要因素1表面质量的影响表面质量的影响3 表面质量：是指表面粗糙度及其表面强化表面质量：是指表面粗糙度及其表面强化的工艺效果。表面越光滑，疲劳强度可以提高。的工艺效果。表面越光滑，疲劳强度可以提高。强化工艺（渗碳、表面淬火、表面滚压、喷丸强化工艺（渗碳、表面

11、淬火、表面滚压、喷丸等）可显著提高零件的疲劳强度。等）可显著提高零件的疲劳强度。用用表面状态系数表面状态系数 、计入表面质量的影响。计入表面质量的影响。s1.00.80.60.40.2400 600 800 1000 1200 1400 B/Mpa精车精车粗车粗车未加工未加工磨削磨削抛光抛光钢材的表面质量系数钢材的表面质量系数 表面高频淬火的强化系数表面高频淬火的强化系数q 720 1.31.63040 1.21.5720 1.62.83040 1.55试件种类试件种类 试件直径试件直径/mm 无应力集中无应力集中 有应力集中有应力集中 机械零件的疲劳强度影响零件疲劳强度的主要因素影响零件疲劳

12、强度的主要因素1综合影响系数综合影响系数 试验证明：应力集中、尺寸和表面质量都只试验证明：应力集中、尺寸和表面质量都只对对应力幅应力幅有影响，而对平均应力没有明显的影响。有影响，而对平均应力没有明显的影响。（即对静应力没有影响）（即对静应力没有影响）在计算中，上述四个系数都只计在在计算中，上述四个系数都只计在应力幅应力幅上，上，故可将四个系数组成一个故可将四个系数组成一个综合影响系数综合影响系数：qkssss1)11(Kqk1)11(K机械零件的疲劳强度影响零件疲劳强度的主要因素影响零件疲劳强度的主要因素1综合影响系数综合影响系数 对称循环时：对称循环时：1111eeKKsss不对称循环时：不

13、对称循环时：aaaaeeKKsss机械零件的疲劳强度零件的极限应力线图零件的极限应力线图20 /2somaAD45 C45 G-1/K AD0 /2K G注：由于注：由于GC段属于静强度，段属于静强度，而静强度不受而静强度不受 K的影响，故不的影响，故不需修正。需修正。折线折线ADGC即为零件的极限即为零件的极限应力线图。应力线图。机械零件的疲劳强度单向稳定变应力时的疲劳强度计算单向稳定变应力时的疲劳强度计算3 进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的截面上的 max 及及 min确定平均应力确定平均应力m与应力幅与应力幅a，然后，在极限应力线图

14、的坐标中标示出相应工作应然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点力点M或或N。两种情况分别讨论两种情况分别讨论NMamoS CAG-1eDam机械零件的疲劳强度单向稳定变应力时的疲劳强度计算单向稳定变应力时的疲劳强度计算3NMamoS CAG-1eDam 相应的疲劳相应的疲劳极限应力应是极极限应力应是极限应力曲线限应力曲线AGC上的某一个点上的某一个点M或或N所代表的应所代表的应力力(me，ae)。计算安全系数及疲劳强度条件为：计算安全系数及疲劳强度条件为：SSaemeaemelimcassssss机械零件的疲劳强度单向稳定变应力时的疲劳强度计算单向稳定变应力时的疲劳强度计算3M或或N

15、的位置确定与循环应力变化规律有关。的位置确定与循环应力变化规律有关。应力比为常数：应力比为常数：r=C(如大多数转轴中的应力状态)可能发生的应力变化规律：可能发生的应力变化规律：平均应力为常数平均应力为常数：m=C(如震动着的受载弹簧中的应力状态)最小应力为常数：最小应力为常数：min=C（如紧螺栓联接中螺栓受轴向变载荷时的应力状态）am机械零件的疲劳强度单向稳定变应力时的疲劳强度计算单向稳定变应力时的疲劳强度计算3r=C 的情况的情况1MamoS CAG-1eD 作射线作射线OM，其上任意一点所代表的应力循环都，其上任意一点所代表的应力循环都具有相同的应力比。具有相同的应力比。M1为极限应力

16、点，其坐标值为极限应力点，其坐标值me，ae之和就是对应于之和就是对应于M点点的极限应力的极限应力max。meaeM1am机械零件的疲劳强度单向稳定变应力时的疲劳强度计算单向稳定变应力时的疲劳强度计算3r=C 的情况的情况1MamoS CAG-1eDmeaeM1通过联立直线通过联立直线OM和和AG的方程可求的方程可求解解M1点的坐标为：点的坐标为：mamaammeaeKKssssssssssssssssmax11max)(am机械零件的疲劳强度单向稳定变应力时的疲劳强度计算单向稳定变应力时的疲劳强度计算3r=C 的情况的情况1MamoS CAG-1eDmeaeM1计算安全系数及疲计算安全系数及

17、疲劳强度条件为：劳强度条件为：SKSmasssssssss1maxmaxlimcaae机械零件的疲劳强度单向稳定变应力时的疲劳强度计算单向稳定变应力时的疲劳强度计算3r=C 的情况的情况1amoS CAG-1eDamN N点的极限应力点点的极限应力点N1位于直线位于直线CG上上meaeN1有：有：smeaemaxssss强度计算公式为：强度计算公式为：SSmassssssssmaxslimca机械零件的疲劳强度单向稳定变应力时的疲劳强度计算单向稳定变应力时的疲劳强度计算3m=C 的情况的情况2amMamoS CAG-1eD显然显然M2在过在过M点且与纵轴平行线上，该线上任意点且与纵轴平行线上，

18、该线上任意一点所代表的应力循环都具有相同的平均应力值。一点所代表的应力循环都具有相同的平均应力值。M2此时需要在此时需要在 AG上确定上确定M2，使得：，使得：m=m 机械零件的疲劳强度单向稳定变应力时的疲劳强度计算单向稳定变应力时的疲劳强度计算3m=C 的情况的情况2amMamoS CAG-1eDM2通过联立直线通过联立直线M M2和和AG的方程可求解的方程可求解M2点的坐标为：点的坐标为：ssssssssssKKKmme)()1(11maxsssssKmae1机械零件的疲劳强度单向稳定变应力时的疲劳强度计算单向稳定变应力时的疲劳强度计算3m=C 的情况的情况2amMamoS CAG-1eD

19、M2计算安全系数及疲计算安全系数及疲劳强度条件为：劳强度条件为：SKKSmam)()(1maxmaxlimcasssssssssss机械零件的疲劳强度单向稳定变应力时的疲劳强度计算单向稳定变应力时的疲劳强度计算3m=C 的情况的情况2amoS CAG-1eD同理，对于同理，对于N N点点的极的极限应力为限应力为N2点。点。amN N2由于落在了直线由于落在了直线CG上，故只要进行静上，故只要进行静强度计算：强度计算：SSmassssssssmaxslimca45 机械零件的疲劳强度单向稳定变应力时的疲劳强度计算单向稳定变应力时的疲劳强度计算3min=C 的情况的情况3amoS CAG-1e此时

20、需要在此时需要在 AG上确定上确定M3，使得：，使得：min=min 因为：因为：min=m-a=CMM3minML过过M点作点作45 直线直线，其上任意一点所代表的应力循环，其上任意一点所代表的应力循环都具有相同的最小应力。都具有相同的最小应力。M3位置如图。位置如图。45 45 机械零件的疲劳强度单向稳定变应力时的疲劳强度计算单向稳定变应力时的疲劳强度计算3min=C 的情况的情况3amoS CAG-1eJ通过通过O、G两点分别作两点分别作45直线直线，得得OAJ、OJ GI、GCII在在OAJ区域区域内，内，PQ最小应力均为负值，在实际机器中最小应力均为负值，在实际机器中极少出现，故不予

21、讨论。极少出现，故不予讨论。45 minQ45 45 45 机械零件的疲劳强度单向稳定变应力时的疲劳强度计算单向稳定变应力时的疲劳强度计算3min=C 的情况的情况3amoS CAG-1eJI在在GCI区域区域内，内，N极限应力统为屈服极极限应力统为屈服极限。按静强度处理：限。按静强度处理：SSmassssssssmaxslimca45 45 45 机械零件的疲劳强度单向稳定变应力时的疲劳强度计算单向稳定变应力时的疲劳强度计算3min=C 的情况的情况3amoS CAG-1eJI只有在只有在OJGI区域区域内，极限应力才内，极限应力才在疲劳极限应力在疲劳极限应力曲线上。曲线上。通过联立通过联立

22、直线直线M M3和和AG的方程可求解的方程可求解M2点点的坐标的坐标值后，可得到计算安全系数及疲劳强度条件为：值后，可得到计算安全系数及疲劳强度条件为：MM3LSKKSa)2)()(2minmin1maxmaxlimcassssssssssss机械零件的疲劳强度提高零件疲劳强度的措施提高零件疲劳强度的措施4减载槽减载槽2在不可避免地要产生较大应力集中的结构处，在不可避免地要产生较大应力集中的结构处，可采用减载槽来降低应力集中的作用。可采用减载槽来降低应力集中的作用。1尽可能降低零件上的应力集中的影响，是提高尽可能降低零件上的应力集中的影响，是提高零件疲劳强度的首要措施。零件疲劳强度的首要措施。

23、机械零件的疲劳强度提高零件疲劳强度的措施提高零件疲劳强度的措施44适当提高零件的表面质量，特别是提高有应力适当提高零件的表面质量，特别是提高有应力集中部位的表面加工质量，必要时表面作适当集中部位的表面加工质量，必要时表面作适当的防护处理。的防护处理。3在综合考虑零件的性能要求和经济性后，采用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。和各种表面强化处理。5尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸。裂纹的尺寸。机械零件的接触强度接触类型接触类型1常见两

24、机械零件的接触形式为常见两机械零件的接触形式为点接触点接触或或线接触线接触。B如齿轮、凸轮、滚动轴承等。如齿轮、凸轮、滚动轴承等。机械零件的接触强度接触应力和接触强度接触应力和接触强度1 若两个零件在受载前是若两个零件在受载前是点接触点接触或或线接触线接触。受。受载后，由于变形其接触处为一载后，由于变形其接触处为一小面积小面积,通常此面积通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为为接触应力接触应力。这时零件强度称为这时零件强度称为接触强度接触强度。接触失效形式常表现为：接触失效形式常表现为：疲劳点蚀疲劳点蚀机械零件的接触应力通常是随时间作周

25、期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约20m处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑，这种现象称为疲劳点蚀。初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹机械零件的接触强度接触应力和接触强度接触应力和接触强度2 接触失效形式常表现为：接触失效形式常表现为：疲劳点蚀疲劳点蚀裂纹的扩展与断裂 油金属剥落出现小坑后果：后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。降低了承载能力、引起振动和噪音。机械零件的接触强度接触应力和接触强度接触应力和接触强度2122asH maxsH maxb2FF机械零件的接触强度接触应力和接触强度接触应力和接触强度2由弹性力学可知，接触应力为：由弹性力学可知，接触应力为：222121211111EEBFHsF 作用在圆柱体上的载荷作用在圆柱体上的载荷;B 接触长度接触长度;2121 综合曲率半径综合曲率半径;机械零件的接触强度接触应力和接触强度接触应力和接触强度2接触疲劳强度的判定条件为：接触疲劳强度的判定条件为：HHssHHHSlimss