机械零部件设计中的强度与耐磨性.ppt

第2章 机械零部件设计中的强度 问题与耐磨性,2.1 概述,2.2 机械设计中的强度问题,2.3 机械零件的疲劳强度,2.4 机械零件的表面接触强度,2.5 机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题,教学目标和教学重点,1、掌握载荷和应力的分类； 2、熟悉机械零件强度的基本概念； 3、掌握材料的疲劳特性； 4、了解机械零件的强度计算和提高零件疲劳强度的措施。,教学目标:,教学重点:,1、稳定循环应力类型及参量； 2、材料的疲劳曲线及极限应力曲线。,2.2 机械设计中的强度问题,一.载荷与应力,强度工作应力 许用应力 载荷（应力） 材料,静载荷：不随时间变化或变化缓慢的载荷. 变载荷：随时间作周期性或非周期性变化的载荷.,注意:在设计计算中，载荷又可分为名义载荷和计算载荷，计算载荷等于载荷系数乘以名义载荷。,1.零件设计中的载荷及其分类,2应力的分类,静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力。 变应力: 随时间变化的应力。,描述稳定循环变应力有5个参量，应力幅a、平均应力m 、最小应力min 、最大应力max和循环特性系数r。但其中只有两个参数是独立的。,注意:应力循环次数N。,非对称循环变应力,2应力的分类,对称循环变应力,2应力的分类,脉动循环变应力,2应力的分类,静应力,2应力的分类,2.3 机械零件的疲劳强度,变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。,疲劳断裂过程：,疲劳断裂截面,初始裂纹,光滑疲劳区,粗糙的脆性 断裂区,变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。, 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;, 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。,不管脆性材料或塑性材料，,零件表层产生微小裂纹；,疲劳断裂过程：,随着循环次数增加，微裂 纹逐渐扩展；,当剩余材料不足以承受载 荷时，突然脆性断裂。,疲劳断裂是与应力循环次数(即使用寿命)有关的断裂。,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。,光滑疲劳区,粗糙的脆性 断裂区,2.3 机械零件的疲劳强度,一.材料的疲劳特性,两个概念：,1）疲劳寿命N： 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。,不同或 N 不同时，疲劳极限 则不同。 在疲劳强度计算中，取 。,2）材料的疲劳极限 ： 在应力比为 的循环应力作用下，应 力循环 N 次后，材料不发生疲劳破坏时所能承受的最大应力 。 （变应力的大小可按其最大应力进行比较）,2.3 机械零件的疲劳强度,1、 sN疲劳曲线,sN疲劳曲线,用参数max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：,sN疲劳曲线,2.3 机械零件的疲劳强度,1、 sN疲劳曲线,一.材料的疲劳特性,1、 sN疲劳曲线,在原点处，对应的应力循环次数为N=1/4。,在AB段，应力循环次数103 ，max变化很小，可以近似看 作为静应力强度。,因N较小，特称为：,低周疲劳。,在原点处，对应的应力循环次数为N=1/4。,BC段，N=103104，随着 N max ,疲劳 现象明显。,因N较小，特称为：,低周疲劳。,一.材料的疲劳特性,CD段，随着N max ，代表有限寿命区，机械零件的疲劳大多发生在CD段。,D点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区。,N104，高周疲劳,2.3 机械零件的疲劳强度,2、 疲劳极限应力图（等寿命疲劳曲线）,一.材料的疲劳特性,注：1）疲劳曲线的用途：在于根据 确定某个 循环次数 N 下的条件疲劳极限 。,2）极限应力图的用途：在于根据 确定非 对称循环应力下的疲劳极限以计算安全系数。,2.3 机械零件的疲劳强度,二.机械零件的疲劳强度计算,1. 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有以下三个：,1）应力集中的影响,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下降。,用应力集中系数 计入应力集中的影响 。,有效应力集中系数 ： 、 。,理论应力集中系数 ： 、 。,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。,有效应力集中系数k,2）尺寸的影响,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（机会）增大。从而使零件的疲劳强度降低。,用尺寸系数 、 ，计入尺寸的影响。,3）表面质量的影响,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。强化工艺（渗碳、表面淬火、表面滚压、喷丸等）可显著提高零件的疲劳强度。,用表面状态系数 、 计入表面质量的影响。,钢材的表面质量系数,综合影响系数,试验证明：应力集中、尺寸和表面质量都只对应力幅有影响，而对平均应力没有明显的影响。（即对静应力没有影响）,在计算中，上述三个系数都只计在应力幅上，故可将三个系数组成一个综合影响系数：,2.3 机械零件的疲劳强度,二.机械零件的疲劳强度计算,2. 零件的极限应力线图,折线 即为零件的极限 应力线。,注：由于EC段 属于静强度，而 静强度不受 的影响，故不需修正。,3.单向稳定变应力时的疲劳强度计算,进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的 max 及 min确定平均应力m与应力幅a，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点M或N。两种情况分别讨论,相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线AEC上的某一个点M或N所代表的应力(m ，a ) 。,M或N的位置确定与循环应力变化规律有关。, 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：, 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min=C （如紧螺栓联接中螺栓受轴向变载荷时的应力状态）,计算安全系数及疲劳强度条件为：,-1,E,-1e,1) r=Const,通过联立直线OM和AE的方程可求解M1点的坐标为：,作射线OM，其上任意一点所代表的应力循环都具有相同的应力比。M1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 。,S,也是一个常数。,计算安全系数及疲劳强度条件为：,N点的极限应力点N1位于直线CE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即可。,强度计算公式为：,凡是工作应力点落在OEC区域内，在循环特性 r=常数的条件下，极限应力统统为屈服极限，只需要进行静强度计算。,2) m=Const,此时需要在 AE上确定M2，使得：m= m,显然M2在过M点且纵轴平行线上，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。,通过联立直线M M2和AE的方程可求解M2点的坐标为：,计算安全系数及疲劳强度条件为：,同理，对于N点的极限应力为N2点。,由于落在了直线CE上，故只要进行静强度计算：,计算公式为：,3) min=Const,此时需要在 AG上确定M3，使得：min= min,因为：min= m - a =C,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。 M3位置如图。,在OAD区域内，最小应力均为负值，在实际机器中极少出现，故不予讨论。,通过O、E两点分别作45直线，,得OAD、ODEI、ECI三个区域。,而在ECI区域内，极限应力统为屈服极限。按静强度处理：,只有在ODEI区域内，极限应力才在疲劳极限应力曲线上。,通过联立直线M M2和AE的方程可求解M2点的坐标值后，可得到计算安全系数及疲劳强度条件为：,三.提高机械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。,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，必要时表面作适当的防护处理。,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。,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，对于延 长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。,减载槽,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。,1、图示的齿轮传动，试确定齿轮B上轮齿的弯曲应力循环状态。 假定： （1）齿轮B为“惰轮”（中间轮），A为主动轮，c为从动轮。 （2）齿轮B为主动，A和C均为从动轮。,课堂练习,2.4 机械零件的接触强度,如齿轮、凸轮、滚动轴承等。,机械零件中各零件之间的力的传递，总是通过两个零件的接触形式来实现的。常见两机械零件的接触形式为点接触或线接触。,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，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。,接触失效形式常表现为：,疲劳点蚀,后果：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。,机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，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 ，这种现象称为渡劳点蚀。,Fn,由弹性力学可知，应力为：,对于钢或铸铁取泊松比： 1=2=0.3 , 则有简化公式。,上述公式称为赫兹(HHertz)公式,“+”用于外接触， “-”用于内接触。,H -最大接触应力或赫兹应力;,b -接触长度;,Fn -作用在圆柱体上的载荷;,-综合曲率半径;,-综合弹性模量; E1、 E2 分别为两 圆柱体的弹性模量。,接触疲劳强度的判定条件为：,2.5 机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题,一、机械设计中的摩擦,