第2章 机械零部件设计中的强度与耐磨性

1、第第2章章 机械零部件设计中的机械零部件设计中的强度与耐磨性强度与耐磨性2.1 概述概述2.2 机械设计中的强度问题机械设计中的强度问题2.4 机械零件的表面接触强度机械零件的表面接触强度2.5 机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性2.3 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度载荷系数载荷系数-考虑各种附加载荷因素的影响。考虑各种附加载荷因素的影响。名义载荷名义载荷-在理想的平稳工作条件下作用在零件上在理想的平稳工作条件下作用在零件上 的载荷。的载荷。2.2 机械零件的强度机械零件的强度计算载荷计算载荷-载荷系数与名义载荷的乘积。载荷系数与名义载荷的乘积。工作载荷工作载荷-实际载荷。实际载荷。强度判

2、强度判 定条件：定条件：其中=、-许用应力许用应力S-安全系数安全系数lim、 lim -极限应力，由实验方法测定。极限应力，由实验方法测定。SSlimlim然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入2.2.12.2.1应力的种类应力的种类ot= =常数常数max脉动循环变应力脉动循环变应力r =0m静应力静应力: = =常数常数变应力变应力: 随时间变化随时间变化2minmaxm平均应力平均应力:2minmaxa应力幅应力幅:Tmaxminaam循环变应力循环变应力ot变应力的循环特性变应力的循环特性:maxminrmaxminaa对称循环变应力对称循环变应力r =- -1ot-

3、脉动循环变应力脉动循环变应力-对称循环变应力对称循环变应力 -1 -1= 0= 0 +1 +1-静应力静应力otaaminr =+1静应力是变应力的特例2.2.2 2.2.2 静应力作用下的强度静应力作用下的强度静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形塑性材料，取塑性材料，取屈服极屈服极限限S S 作为极限应力作为极限应力, ,许用应力为：许用应力为：脆性材料：取强度脆性材料：取强度极极限限B B 作为极限应力作为极限应力, ,许用应力为：许用应力为：SsSB2.3.22.3.2疲劳极限疲劳极限变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂变应力下

4、，零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂具有以下特征：具有以下特征： 1)疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低限低，甚至比屈服极限低; 2) 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;3) 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。2.3 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度2.3.1 疲劳断裂特征疲劳断裂特征 疲劳曲线疲劳曲线NOrN0rNN应力应力与应力循环次数与应力循环次数N N 之间的关系曲线称为：之间的关系曲线称为：疲劳曲线疲劳曲线当

5、当NNNN0 0 时时, ,试件将不会断裂。试件将不会断裂。N N0 0 -循环基数循环基数N N0 0 对应的应力为：对应的应力为：CNNmrmrN0当当NNNN0 0 时时, , 有近似公式：有近似公式：对应于对应于N N 的弯曲疲劳极限：的弯曲疲劳极限：疲劳极限疲劳极限rmrrNNN02.3.3 疲劳极限应力图疲劳极限应力图2.3.4 影响机械零件疲劳强度的主要因素极限影响机械零件疲劳强度的主要因素极限1.应力集中的影响应力集中的影响 钢材的强度极限越高应力集中越敏感钢材的强度极限越高应力集中越敏感,铸铁对应力集中的敏铸铁对应力集中的敏感度接近于零感度接近于零.2.绝对尺寸的影响绝对尺寸

6、的影响绝对尺寸月大疲劳强度越低绝对尺寸月大疲劳强度越低 .3.表面状态的影响表面状态的影响包括表面粗糙度和表面处理包括表面粗糙度和表面处理考虑应力集中考虑应力集中,尺寸效应尺寸效应,表面状态的影响表面状态的影响,强度计算时要用降强度计算时要用降低了的许用应力。低了的许用应力。2.3.5 许用应力许用应力 在变应力，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同在变应力，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应考虑零件的切口和沟槽等截面突时还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸变、绝对尺寸和表面状态等影晌，为此引人应力集中系数和表面状态等影晌，为此引人应力集中系数k、尺寸尺寸系数系数和表面状态系数和表

7、面状态系数等。等。Sk11当应力是对称循环变化时，许用应力为当应力是对称循环变化时，许用应力为： 当应力是脉动循环变化时，许用应力为：当应力是脉动循环变化时，许用应力为： Sk000 0 为材料的脉动循环疲劳极限，为材料的脉动循环疲劳极限，S S为安全系数。以上为安全系数。以上各系数均可机械设计手册中查得。各系数均可机械设计手册中查得。以上所述为“无限寿命” ，mNNSk011有限寿命时，用有限寿命时，用-1N-1N代入得：代入得：2.3.6 安全系数安全系数 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响1 1）静应力下，塑性材料）静应力下，塑性材料的零件：的零件：S =1.2S =1.2.5.5

8、 铸钢件：铸钢件：S =1.S =1.5.5S S典型机械的典型机械的 S S 可通过查表求得。可通过查表求得。 无表可查时，按无表可查时，按以下原则取：以下原则取： 零件尺寸大，结构笨重。零件尺寸大，结构笨重。S S 可能不安全。可能不安全。2 2）静应力下，）静应力下，脆脆性材料，性材料，如高强度钢或铸铁：如高强度钢或铸铁： S =3S =34 43 3）变变应力下，应力下， S =1.3S =1.31.71.7材料不均匀，或计算不准时取：材料不均匀，或计算不准时取： S =1.7S =1.72.52.5初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹2.3 机械零件的接触强度机械零件的接

9、触强度高副接触处局部应力为接触应力。这时零件强度称高副接触处局部应力为接触应力。这时零件强度称为接触强度为接触强度。如齿轮、凸轮、滚动轴承等。如齿轮、凸轮、滚动轴承等。裂纹的扩展与断裂裂纹的扩展与断裂 油油失效形式常表现为：失效形式常表现为： 疲劳点蚀疲劳点蚀金属剥落出现小坑金属剥落出现小坑后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降后果：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。低了承载能力、引起振动和噪音。由弹性力学可知，应力为：由弹性力学可知，应力为：222121211111EEbFnH2121:令:22121代入化简得EEEEEbEFnH)1 (212bE

10、Fn418.0对于钢或铸铁取泊松比：对于钢或铸铁取泊松比： 1=2=0.3 , 则有简化公式。则有简化公式。上述公式称为赫兹上述公式称为赫兹(HHertz)公式公式 “+”用于外接触用于外接触，“-”用于内接触用于内接触。H HH H2b b11Fnb b2H HH HFn222121211111EEbFnHbEFnH)1 (212bEFn418.0bEFnH418.0H H -最大接触应力或赫兹应力最大接触应力或赫兹应力;212121212EEEEEb b -接触长度接触长度;F Fn n -作用在圆柱体上的载荷作用在圆柱体上的载荷; -综合曲率半径综合曲率半径; -综合弹性模量综合弹性模量

11、; E1、 E2 分别为两分别为两 圆柱体的弹性模量。圆柱体的弹性模量。 接触疲劳强度的判定条件为：接触疲劳强度的判定条件为：HHHHHSlim,而b bFn2.5 机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性 运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面形状。零件抗磨磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面形状。零件抗磨损的能力称为耐磨性。损的能力称为耐磨性。 磨损磨损 间隙间隙、精度精度、 效率效率、 振动振动、冲击冲击、 噪音噪音据统计，约有据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。的损坏零件是因磨损而报废的。 磨损的主要类型磨损的主要类型 ：1）磨粒磨损）磨粒磨损2）粘着磨损）粘着磨损(胶合磨损胶合磨损)3）疲劳磨损）疲劳磨损(疲劳点蚀疲劳点蚀)4） 腐蚀磨损腐蚀磨损实用耐磨计算是限制运动副的压强实用耐