重庆大学机械设计课件—第2章机械零件的强度

1、第第2章章 机械零件的强度机械零件的强度2.1.1 载荷分类载荷分类2.1 2.1 载荷和应力的分类载荷和应力的分类1.1.静载荷和变载荷静载荷和变载荷静载荷：大小、位置和方向不随时间变化静载荷：大小、位置和方向不随时间变化或变化较缓慢的载荷。或变化较缓慢的载荷。变载荷变载荷 ：随时间变化的载荷。：随时间变化的载荷。变载荷又可以分为周期载荷、随机载荷和变载荷又可以分为周期载荷、随机载荷和动载荷。动载荷。 载荷系数载荷系数K：影响零件受载不均匀性因素的系：影响零件受载不均匀性因素的系数。数。2. 2. 工作载荷、名义载荷和计算载荷工作载荷、名义载荷和计算载荷在设计中载荷常分为：工作载荷、名义载在

2、设计中载荷常分为：工作载荷、名义载荷和计算载荷。荷和计算载荷。工作载荷：机械正常工作时所受的实际工作载荷：机械正常工作时所受的实际载荷。载荷。名义载荷：根据额定功率用力学公式计算名义载荷：根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷。出作用在零件上的载荷。计算载荷：载荷系数计算载荷：载荷系数K K与名义载荷的乘积。与名义载荷的乘积。2.1.2 2.1.2 应力分类应力分类变应力：随时间变化的应力。变应力：随时间变化的应力。变应力变应力随机变应力随机变应力变应力由变载荷产生，也可能由静载荷产生。变应力由变载荷产生，也可能由静载荷产生。应力分为静应力和变应力。应力分为静应力和变应力。静应力：不随

3、时间变化或变化较缓慢的应力。静应力：不随时间变化或变化较缓慢的应力。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。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。不稳定循环变应力不稳定循环变应力对于稳定循环变应力，引入下列参数：对于稳定循环变应力，引入下列参数：maxminmar 变应力最大值变应力最大值 变应力最小值变应力最小值 平均应力值平均应力值 应力幅应力幅 应力比（循环特性）应力比（循环特性）maxminmaxminmaxminminmax22mamamamamar因此：maxminmaxminminm1,1,00,2rrr maxa当时，即为静应力

4、；当时，称为对称循环变应力；当时，=,称为脉动循环变应力；r = -1对称循环应力r=0脉动循环应力r=1静应力2.2 2.2 机械零件的静强度机械零件的静强度 在静应力作用下的机械零件，在静应力作用下的机械零件，其主要失效形式是断裂或塑性变其主要失效形式是断裂或塑性变形。形。limlim,SS 静强度计算方法静强度计算方法1.1.许用应力法许用应力法判断危险截面处的应力是否小于许用应力判断危险截面处的应力是否小于许用应力即即limlim,ssss2.2.安全系数法安全系数法判断危险截面处的实际安全系数是否大判断危险截面处的实际安全系数是否大于等于许用安全系数于等于许用安全系数即即2.3 2.

5、3 机械零件的疲劳特性机械零件的疲劳特性 表面无宏观缺陷的金属材料，其疲劳过程表面无宏观缺陷的金属材料，其疲劳过程可分为两个阶段：可分为两个阶段： 表面通过各种滑移方式形成初始裂纹；表面通过各种滑移方式形成初始裂纹； 裂纹尖端在切应力作用下发生反复塑性裂纹尖端在切应力作用下发生反复塑性变形，使裂纹扩展以致断裂。变形，使裂纹扩展以致断裂。 绝大多数机械零件都是在变应力下工作的。绝大多数机械零件都是在变应力下工作的。在变应力作用下经过较长时间工作的零件，其失在变应力作用下经过较长时间工作的零件，其失效形式将是疲劳断裂。效形式将是疲劳断裂。2.3.1 2.3.1 疲劳断裂疲劳断裂2.3.2 2.3.

6、2 疲劳极限疲劳极限 疲劳极限：在任一给定循环特性疲劳极限：在任一给定循环特性r r 的条件下，应力循环的条件下，应力循环N N次后，材料不发次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为疲劳极限，生疲劳破坏时的最大应力称为疲劳极限，用用 表示。表示。rNrN或 疲劳曲线：表示应力循环次数N与疲劳极限 的关系的曲线。如图 曲线的横坐标为循环次数，纵坐标为疲劳极限。 在有限寿命区，疲劳曲线方程为：rNmr0N=N =CrNr一定材料的持久疲劳极限应力循环基数材料在不同的循环特性材料在不同的循环特性r下游不同的疲劳曲线下游不同的疲劳曲线2.3.3 2.3.3 极限应力图极限应力图 用纵坐标表示应力幅、横

7、坐标表示平均应用纵坐标表示应力幅、横坐标表示平均应力。将在一定的应力循环次数力。将在一定的应力循环次数N N下的极限应力值下的极限应力值描绘在坐标上所得到的平滑曲线即为该材料的描绘在坐标上所得到的平滑曲线即为该材料的疲劳极限应力线图疲劳极限应力线图 。C DC DACAC 为了简化试验，常用两条直线为了简化试验，常用两条直线 和和 来代来代替疲劳曲线。用替疲劳曲线。用 和和 二直线构成的疲劳曲线二直线构成的疲劳曲线称为材料的简化极限应力曲线。如图所示。称为材料的简化极限应力曲线。如图所示。r一定材料的疲劳极限应力图2.3.4 2.3.4 影响零件疲劳强度的因素影响零件疲劳强度的因素影响零件疲劳

8、强度的主要因素有：影响零件疲劳强度的主要因素有：1 1、应力集中、应力集中2 2、绝对尺寸、绝对尺寸3 3、表面质量、表面质量3.3.表面质量对零件疲劳强度的影响表面质量对零件疲劳强度的影响 当其他条件相同时，零件表面越粗糙，其疲劳极限也越低。1.应力集中对零件疲劳强度的影响应力集中对零件疲劳强度的影响 在零件剖面的几何形状突然变化处（如孔、圆角、键槽、螺纹等），局部应力要远远大于名义应力，这种现象叫应力集中。2.2.绝对尺寸对零件疲劳强度的影响绝对尺寸对零件疲劳强度的影响 当其他条件相同时，零件剖面的绝对尺寸越大，其疲劳极限也越低。2.3.5 2.3.5 零件的疲劳极限应力图零件的疲劳极限应

9、力图 由于受零件几何形状、尺寸大小及由于受零件几何形状、尺寸大小及加工质量等因素的影响，零件的疲劳极加工质量等因素的影响，零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。因此，限要小于材料试件的疲劳极限。因此，零件的疲劳极限应力图是直接将材料的零件的疲劳极限应力图是直接将材料的疲劳极限应力图中的直线疲劳极限应力图中的直线 按比例向按比例向下移即可得到。如图下移即可得到。如图ABC零件的疲劳极限应力图ABCA2.4.1 2.4.1 单向稳定变应力的疲劳强度计算单向稳定变应力的疲劳强度计算2.4 2.4 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算所谓所谓“单向单向”指仅受正应力或剪应力中的一种应力；指仅

10、受正应力或剪应力中的一种应力；所谓所谓“稳定稳定”指变应力参数不随时间变化。指变应力参数不随时间变化。 在作机械零件的疲劳强度计算时，首先要求出零件危在作机械零件的疲劳强度计算时，首先要求出零件危险截面上的最大应力险截面上的最大应力 及最小应力及最小应力 并计算出平均应力并计算出平均应力 及应力幅及应力幅 ，然后在疲劳极限应力图的坐标上标出相应，然后在疲劳极限应力图的坐标上标出相应的工作应力点的工作应力点 或或 。显然，在强度计算时所用的疲。显然，在强度计算时所用的疲劳极限应是零件疲劳极限应力图劳极限应是零件疲劳极限应力图ACDACD上的某一个点所代表上的某一个点所代表的应力。的应力。r cm

11、inc3 3、变应力的最小应力保持不变、变应力的最小应力保持不变 ，例，例如紧螺栓联结中螺栓受轴向变载荷的应力状态。如紧螺栓联结中螺栓受轴向变载荷的应力状态。mc 根据零件应力的变化规律以及零件与相邻零根据零件应力的变化规律以及零件与相邻零件互相约束情况的不同，通常有下述三种典型的件互相约束情况的不同，通常有下述三种典型的应力变化规律：应力变化规律：1 1、变应力的循环特性保持不变、变应力的循环特性保持不变 ，例如，例如绝大多数转轴中的应力状态；绝大多数转轴中的应力状态；2 2、变应力的平均应力保持不变、变应力的平均应力保持不变 ，例，例如振动着的受载弹簧的应力状态；如振动着的受载弹簧的应力状

12、态；r=cmincmc单向稳定变应力时零件的疲劳强度计算的步骤单向稳定变应力时零件的疲劳强度计算的步骤maxmema maxmaxcass第一步：求出零件危险剖面上的最大应力 和最小应力 ；minmax第二步：根据工作应力 、 计算出 和 ；mamaxmin第三步：在零件的极限应力线图的坐标上标出相应于 和 的一个工作应力点M（ ）或者点N（ ）；,mama,ma第四步：按照工作应力的性质，找出零件极限应力线图上相应于M点（或N点）的极限应力点 （或 ），求得零件得极限应力MN第五步：建立强度条件式中： maxmaxcass计算安全系数； 许用安全系数；零件的极限应力（疲劳极限）； 最大应力2.4.2 2.4.2 规律性单向非稳定变应力时的疲劳强度计算规律性单向非稳定变应力时的疲劳强度计算 如果变应力 表示循环特性为 时各循环的最大应力，