第02章 机械零部件设计中的强度与耐磨性

第2章机械零部件设计中的强度与耐磨性2.1概述2.1概述载荷系数K----思索各种附加载荷要素的影响。名义载荷-----在理想的平稳任务条件下作用在零件上的载荷。2.2机械设计中的强度问题计算载荷-----载荷系数与名义载荷的乘积。然而在机器运转时，零件还会遭到各种附加载荷，任务载荷难以确定，通常用引入2.2.1载荷与力1.载荷-------力和力矩静载荷变载荷大小、作用位置和方向不随时间变化或随时间缓慢变化的载荷大小、作用位置和方向随时间变化的载荷任务载荷-----机器正常任务时所受的实践载荷。任务情况系数KA----只思索任务情况的影响。FC=KF或TC=KT式中，F、T为名义载荷，FC、TC为计算载荷〔N·m〕原动机的额定功率为P〔KW〕额定转速为n(r/min)作用在传动零件上的名义转矩T为式中，i---从原动机到所计算零件之间的总传动比η---从原动机到所计算零件之间传动链的总效率2.应力静应力变应力不随时间变化或随时间缓慢变化的应力随时间变化的应力静应力:σ=常数变应力:σ随时间变化平均应力:应力幅:最大应力:最小应力:σmaxσminotσσ=常数σmax脉动循环变应力r=0σmTσmaxσminσaσaσm非对称循环循环变应力otσσmaxσminσaσa对称循环变应力otσotσσaσaσmin静应力是变应力的特例静应力r=-1r=+1静应力:σ=常数σa=0,σmax=σmin=σm=σr=+1对称循环变应力:σm=0,σmax=σa,σmin=-σar=-1otσσ=常数静应力r=+1σmaxσminσaσa对称循环变应力otσr=-1脉动循环变应力:σm=σa,σmax=2σa,σmin=0r=0变应力的循环特性:----脉动循环变应力----对称循环变应力-1=0+1----静应力σmax脉动循环变应力r=0σmotσσaσaσmin2.2.2静应力作用下的强度一、静应力下的强度条件[σ]、[τ]----许用正应力，许用剪切应力σlim、τlim-----极限正应力，极限剪切应力⑴危险截面处的计算应力不超越许用应力⑵危险截面处的计算平安系数不超越许用平安系数σlim、τlim-----极限正应力，极限剪切应力二、静应力下的许用应力静应力形状下，零件的失效方式：断裂或塑性变形资料种类不同，所取极限应力也不同。塑性资料单向应力形状下：，复合应力形状下：按第三或第四强度实际计算当量应力。脆性资料单向应力形状下：，复合应力形状下：按第一强度实际计算当量应力。2.3机械零件的疲劳强度2.3.1疲劳断裂特征静应力形状下，零件的失效方式：断裂或塑性变形变应力形状下，零件的失效方式：疲劳断裂1、疲劳断裂的过程第一阶段、零件外表上应力较大处的资料发生剪切滑移，产生初始裂纹构成疲劳源〔1个或数个〕第二阶段、裂纹端部在切应力下发生反复塑性变形，裂纹扩展直至发生疲劳断裂2、疲劳断裂具有以下特征：1)疲劳断裂的最大应力远比静应力下资料的强度极限低，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忽然断裂;3)疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。它的初期景象是在零件外表或表层构成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的添加而逐渐扩展，直至余下的未断裂的截面积缺乏以接受外载荷时，就忽然断裂。疲劳断裂不同于普通静力断裂，它是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的忽然断裂。所以疲劳断裂是与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂。不论脆性资料或塑性资料，3、疲劳断裂截面由光滑的疲劳开展区和粗糙的脆性断裂区组成§2.3.2疲劳极限一、两个概念1〕资料的疲劳极限：对恣意给定的应力循环特性，当应力循环N次后，资料不发生疲劳破坏、时所能接受的最大应力。〔变应力的大小可按其最大应力进展比较〕2〕疲劳寿命N：资料疲劳失效前所阅历的应力循环次数。

不同或N不同时，疲劳极限那么不同。在疲劳强度计算中，取＝。r二、疲劳曲线〔-N曲线〕是在循环特性一定时，表示循环次数N〔lgN〕与疲劳极限(lg)之间关系的曲线。1.第一类金属资料的疲劳曲线〔如下图：〕s－N疲劳曲线有限寿命区无限寿命区s－N疲劳曲线有限寿命区无限寿命区大多数黑色金属及其合金，当N≥N0时，疲劳曲线呈现为程度直线。可以看出：随N的增大而减小。但是当N超越某一循环次数N0时，曲线趋于程度。即不再随N的增大而减小。典型的疲劳曲线如下图：s－N疲劳曲线有限寿命区无限寿命区典型的疲劳曲线如下图：N0---应力循环基数。以N0为界，曲线分为两个区：1〕无限寿命区：当N≥N0时，曲线为程度直线，对应的疲劳极限是一个定值，用表示。它是表征资料疲劳强度的重要目的，是疲劳设计的根本根据。s－N疲劳曲线有限寿命区无限寿命区可以以为：当资料遭到的应力不超越时，那么可以经受无限次的应力循环而不疲劳破坏。－－寿命是无限的。疲劳极限与曲线的两个区相对应，疲劳设计分为：2〕有限寿命设计：N＜N0时的设计。取＝。设计中常用的是疲劳曲线上的AB段，其方程为：〔常数〕－－－－称为疲劳曲线方程2〕有限寿命区：非程度段〔N＜N0〕的疲劳极限称为条件疲劳极限，用表示。当资料遭到的任务应力超越时，在疲劳破坏之前，只能经受有限次的应力循环。－－寿命是有限的。1〕无限寿命设计：N≥N0时的设计。取＝。s－N疲劳曲线有限寿命区无限寿命区显然，B点的坐标满足AB的方程，即，代入上式得：式中：C——实验常数；m—特性系数，与资料性能和应力形状有关。—对应于的疲劳极限，资料的疲劳极限。N0---应力循环基数，随资料不同而不同。通常HBS≤350的钢，N0≈1×107HBS﹥350的钢，N0≈25×107那么——寿命系数；N≥N0时，kN=1注：1〕计算时，如N≥，那么取N＝。2〕工程中常用的是对称循环应力〔=-1〕下的疲劳极限，计算时，只须把和换成和即可。3〕对于受切应力的情况，那么只需将各式中的换成即可。4〕当N＜〔～〕时，因N较小，可按静强度计算。2.第二类金属资料的疲劳曲线〔如下图：〕有色金属及高硬度合金钢，无论N多大，疲劳曲线也不存在程度直线。公式与前面有限寿命段一样2.3.3疲劳极限应力图极限应力图是在疲劳寿命N一定时，表示疲劳极限与之间关系的线图。疲劳寿命为〔无限寿命〕时的极限应力图如右图所示。无限寿命极限应力线资料一样，r不同时，也不同，可用疲劳极限应力图表示。疲劳极限应力图也称为等寿命疲劳曲线，为二次曲线。极限应力线上的点称为极限应力点。三个特殊点A、B、C分别为对称循环、脉动循环、以及静应力下的极限应力点。极限应力线上的每个点，都表示了某个r下的极限应力。疲劳强度线屈服强度线)(armsrsss=+-1≤r≤+1且r≠0〔非对称循环变应力〕可根据简化疲劳极限应力图直接求得疲劳失效区塑性失效区)(armsrsss=+AE段，任一点的极限应力为：ES段，任一点的极限应力为：---循环特性r时的疲劳极限---循环特性r时的极限平均应力---循环特性r时的极限应力幅2.3.4影响零件疲劳强度的主要要素前边提到的各疲劳极限，实践上是资料的力学性能目的，是用试件经过实验测出的。而实践中的各机械零件与规范试件，在形体、面质量以及绝对尺寸等方面往往是有差别的。因此实践机械零件的疲劳强度与用试件测出的疲劳强度必然有所不同。影响零件疲劳强度的主要要素有以下三个：一、应力集中的影响应力集中—在零件剖面的几何外形忽然变化之处，部分应力远大于名义应力，这种景象称为应力集中。机械零件上的应力集中会加快疲劳裂纹的构成和扩展。从而导致零件的疲劳强度下降。用应力集中系数、〔也称疲劳缺口系数〕计入应力集中的影响。实际应力集中系数无法直接判别零件疲劳强度降低的程度。同时，零件资料对应力集中的敏感程度不同。有效应力集中系数表示零件疲劳强度降低的程度。式中：—无应力集中试样的疲劳极限—遭到对称循环变应力的作用—有应力集中试样的疲劳极限-1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展计算。二、绝对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能够性〔时机〕增大。从而使零件的疲劳强度降低。用绝对尺寸系数、，计入截面绝对尺寸对零件疲劳极限的影响。式中：—直径为d的试样的疲劳极限—遭到对称循环变应力的作用—直径为d0的试样的疲劳极限d0=6～10mm-1三、外表形状的影响外表形状：是指外表粗糙度及其外表处置。其他条件一样时，外表越光滑〔粗糙度值越小〕，疲劳强度越高。外表强化〔渗碳、外表淬火、外表滚压、喷丸等〕可显著提高零件的疲劳强度。用外表形状系数计入外表形状的影响。式中：—某种外表形状下试样的疲劳极限—遭到对称循环变应力的作用—精抛光〔未强化处置〕的试样的疲劳极限-1综合影响系数在计算中，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：或实验证明：应力集中、尺寸和外表形状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〕计算时，只需用综合影响系数对零件的任务应力幅修正即可。其他公式见课本P252.3.5稳定变应力形状下零件疲劳强度的计算稳定变应力和非稳定变应力1.稳定变应力----循环中平均应力、应力幅和周期都不随时间变化的变应力。2.非稳定变应力----上述参数之一假设随时间变化那么称作非稳定变应力。T稳定变应力规律性不稳定变应力随机性不稳定变应力1.许用应力法2.3.5稳定变应力形状下零件疲劳强度的计算式中：—零件在危险点处的最大任务应力—零件遭到对称循环变应力的作用—零件在对称循环下的许用应力-1—平安系数零件受对称循环变应力作用：零件受非对称循环变应力作用：—零件所受的最大任务应力幅—零件的许用应力幅要用降低了的许用应力值1.许用应力法2.3.5稳定变应力形状下零件疲劳强度的计算2.平安系数法零件危险点处的最大任务应力应小于或等于零件的许用应力零件危险截面处的平安系数应大于或等于零件的许用平安系数—零件危险截面处的平安系数—零件的许用平安系数平安系数表示的强度约束条件见课本P262.3.6复合应力形状下平安系数的强度约束条件零件在对称循环弯扭复合应力形状下：零件在非对称循环弯扭复合应力形状下：的计算公式不同，见课本P262.4机械零件的外表接触强度假设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部分应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。如:齿轮、凸轮、滚动轴承等。失效方式常表现为：疲劳点蚀后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑外表、降低了承载才干、引起振动和噪音。属于变应力作用下的接触疲劳破坏初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷反复作用下，首先在表层内约15～20μm处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(光滑油被挤进裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件外表构成一些小坑，这种景象称为渡劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑外表，因此也降低了承载才干。裂纹的扩展与断裂油金属剥落出现小坑由弹性力学可知，应力为：“+〞用于外接触，“-〞用于内接触。σHσHρ2bρ1ρ1Fnbρ2σHσHFn〔MPa〕b-------接触长度;Fn-------作用在圆柱体上的载荷;E1,E2—两圆柱体资料的弹性模量μ1,μ2—两圆柱体的泊松比σH-------最大接触应力接触疲劳强度的断定条件为：—资料的许用接触应力—资料的接触疲劳极限—接触疲劳平安系数2.5机械设计中的摩擦、磨损与光滑2.5.1摩擦2.5.2磨损2.5.3润滑2.5.4流体动力光滑的根本原理引言引言摩擦景象是自然界中普遍存在的物理景象。对于机器来讲，摩擦会使效率降低，温度升高，外表磨损。过大的磨损会使机器丧失应有的精度，进而产生振动和噪音，缩短运用寿命。世界上运用的能源大约有1/3~1/2耗费于摩擦。假设可以尽力减少无用的摩擦耗费，便可大量节省能源。机械产品的易损零件大部分是由于磨损超越限制而报废。光滑是减小摩擦、减小磨损、提高机械效率的最常用最有效方法。关于摩擦、磨损与光滑的学科构成了摩擦学。本章主要引见有关摩擦、磨损和光滑的一些根底知识。2.5.1摩擦1、摩擦的定义和分类一、定义:两个接触外表作相对运动或有相对运动的趋势时，将会产生阻止其相对运动的景象，这种景象就称为摩擦。可用摩擦系数衡量其大小二、分类：内摩擦外摩擦按摩擦副的运动形状静摩擦动摩擦按摩擦副的运动方式滑动摩擦滚动摩擦按外表光滑形状不同干摩擦流体摩擦混合摩擦边境摩擦摩擦三、滑动摩擦的四种摩擦形状1〕干摩擦：是指外表间无任何光滑剂或维护膜，外表金属直接接触时的摩擦。2〕边境摩擦：是指两摩擦面被吸附在外表的边境膜隔开，摩擦性质取决于边境膜和外表吸附性能的摩擦。其摩擦阻力最大，磨损最严重。光滑剂中的极性分子与金属外表相互吸引，构成定向陈列的分子栅，称为物理吸附膜。光滑油靠物理吸附构成边境膜的才干，称为油性。光滑剂中的活性分子靠离子键吸附在金属外表上构成的吸附膜，称为化学吸附膜。吸附膜反响膜边境膜分为：物理吸附膜化学吸附膜在光滑剂中添参与硫、磷、氯等元素，它们与外表金属发生化学反响生成的边境膜，称为反响膜。边境摩擦靠边境膜起光滑作用，边境膜的类型如下：能生成反响膜的光滑油称为极压油。注：温度对边境膜的影响很大。温度越高，边境膜越容易破坏。反响膜在高温下破裂后，能生成新的化合物，构成新的反响膜，这种才干称为极压性。摩擦4摩擦３〕流体摩擦：是指摩擦外表完全被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦。其摩擦系数最小，且不会产生磨损，是理想的摩擦形状。边境摩擦和混合摩擦在工程实践中很难区分，常统称为边境摩擦。4〕混合摩擦：是指摩擦外表间处于干摩擦，边境摩擦和流体摩擦的混合形状。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数比边境摩擦时要小得多。2、影响摩擦的主要要素摩擦是个很复杂的景象，其大小余摩擦副资料的外表性质、外表外形、周围介质、环境温度、实践任务条件等有关。⑴金属的外表膜大气中自然生成强度相当高的氧化膜或其他污染膜。人为在金属外表上构成一层很薄的膜，氧化膜、硫化膜⑵摩擦副的资料性质⑶摩擦副的外表粗糙度互溶性较大的金属摩擦副，外表易黏着，摩擦系数较大；反之，较小。摩擦副塑性接触，干摩擦系数为一定值，不受外表粗糙度的影响。弹性或弹塑性接触，干摩擦形状时：粗糙度数值↓，干摩系数↑；混合摩擦形状时：粗糙度数值↓，摩擦系数↓。〔摩擦副间参与光滑油〕〔光滑油覆盖面积越大〕⑷摩擦外表间的光滑情况普通情况下：干摩擦摩擦系数最大f﹥0.1;边境摩擦与混合摩擦摩擦系数次之f=0.01～0.1；流体摩擦和油光滑时摩擦系数最小f=0.001～0.008。参与光滑油会大大降低摩擦系数。但光滑情况摩擦形状不同时，f大小不同。⑸摩擦的约束性质两方面的性质：有利的一面，可以加以利用；利用摩擦传动，如:带传动，摩擦离合器、制动器，车辆行驶；利用摩擦引起的自锁，如：螺纹衔接有害的一面、摩擦会带来能量损耗，降低效率，发热，引起振动噪声等。对应地，设计中的摩擦约束条件也有两方面：需求利用摩擦时，约束条件为：摩擦〔摩擦力，摩擦力矩〕必需足够大，以保证任务的可靠性。当摩擦有害时，尽量减小摩擦。约束条件为：摩擦系数不超越许用值温升不超越许用值效率不低于许用值摩擦能耗不超越许用值定义：磨损主要是运动副相对运动产生摩擦导致零件外表资料的逐渐消逝或损失的景象。磨损会影响机器的效率，降低任务的可靠性，促使机器提早报废。2.5.2磨损2.5.2磨损1、磨损的定义和分类分类：按磨损结果分类按磨损机理分类点蚀磨损胶合磨损擦伤磨损磨粒磨损外表接触疲劳磨损腐蚀磨损黏附磨损二、磨损的类型按磨损的机理不同，机械零件的磨损大体分为四种根本类型：1〕粘着磨损也称胶合2〕疲劳磨损即疲劳点蚀3〕磨粒磨损也称磨料磨损，摩擦外表的微观凸峰粘在一同后，在相对运动中，资料从一个外表迁移到另一个外表，便构成粘着磨损。是外界的硬颗粒或粗糙的硬外表在相对运动中，对摩擦外表的擦伤所引起的磨损。是高副〔点、线接触〕机械零件的常件磨损方式。摩擦外表在摩擦过程中，伴随有外表资料被腐蚀的景象，这种情况下产生的磨损即为腐蚀磨损。除了上述四种根本磨损类型以外，还有侵蚀磨损、微动磨损等其他方式，由于时间关系，不多讲。4〕腐蚀磨损一个机械零件的磨损过程大体可分为三个阶段：1〕跑合磨损阶段跑合：是指新零件在运转初期的磨损。2、磨损的过程新的摩擦副外表比较粗糙，真实微观接触面积比较小，压强大，因此运转初期的磨损比较快。但是，磨损以后外表的微观凸峰降低，接触面积增大，压强减小，磨损的速度逐渐减慢。时间t跑合磨损阶段稳定磨损阶段猛烈磨损阶段abc磨损量q2〕稳定磨损阶段这个阶段属于零件的正常任务阶段，磨损率稳定且较低。这一阶段的长短直接影响机器的寿命。3〕猛烈磨损阶段零件经长时间任务磨损以后，外表精度下降，效率降低，温度升高，冲击振动加大，导致磨损加剧，最终导致零件报废。磨损注：应该力求缩短跑合期，延伸稳定磨损期，推迟猛烈磨损的到来。时间t跑合磨损阶段稳定磨损阶段猛烈磨损阶段abc磨损量q3、影响磨损的要素也具有二重性。有利：磨合，磨削；有害：降低精度、可靠性、寿命。4、减小磨损的措施〔1〕合理选择摩擦副资料黏着磨损为主时：选互资料硬度溶性小的资料；磨粒磨损：选硬度高的资料或提高资料硬度；疲劳磨损：选硬度高的资料并减少非金属夹杂物。〔2〕进展有效的光滑光滑是减小摩擦、减小磨损的最有效的方法。正确选用光滑剂，使摩擦外表处于液体摩擦，混合摩擦形状下4、减小磨损的措施〔1〕合理选择摩擦副资料〔3〕进展适当外表处置〔4〕改良构造，提高加工装配精度〔5〕正确运用、维护与保养。〔2〕进展有效的光滑2.5.3润滑光滑：是指在两个摩擦外表之间参与光滑剂，以减小摩擦和磨损。此外，光滑还可起到散热降温，防锈、密封防尘，缓冲吸振等作用。一、光滑的分类1〕流体动力光滑：靠两摩擦外表的相对运动建立压力油膜〔称为动压油膜〕，两外表被压力油膜完全分开，实现流体光滑。2〕流体静力光滑：两摩擦外表被外部供油配备输入的压力油完全分开，强迫构成压力油膜，实现流体光滑。3〕弹性流体动力光滑：是指实际上为点、线接触的摩擦副，在思索外表的弹性变形等要素的根底上建立的流体动力光滑。4〕边境光滑和混合光滑〔即边境摩擦和混合摩擦〕。二、光滑剂种类石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。凡是能减小摩擦阻力，减小磨损的物质都可作为光滑剂。1〕液体光滑剂：2〕光滑脂：注：光滑油和光滑脂在实践中运用最广。俗称黄油。由光滑油+稠化剂混合而成。光滑脂的主要性能目的是：锥入度，反映其稠度大小。滴点，决议任务温度。3)固体光滑剂：4〕气体光滑剂：如空气、氮气、二氧化碳等。光滑时，应首先根据工况等条件，正确选择光滑剂和光滑方式。光滑剂在光滑过程中起着非常重要的作用，主要可归纳如下：(1)降低机器的摩擦功耗，从而可节约能源；(2)减少或防止机器摩擦副零件的磨损；(3)由于摩擦功耗的降低，因摩擦所引起的发热量将大大减少，此外，光滑剂还可以带走一部分热量，因此，光滑剂具有较好的降温作用；(4)光滑膜可以隔绝空气中的氧和腐蚀性气体，从而维护摩擦外表不受锈蚀，所以，光滑剂也有防锈的作用；(5)由于光滑膜具有弹性和阻尼作用，因此，光滑剂还能起缓冲和减振作用；(6)循环光滑的液体光滑剂，还可以清洗摩擦外表，将磨损产生的颗粒及其他污物带走，起密封、防尘的作用。光滑剂二、光滑剂润滑石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。凡是能减小摩擦阻力，减小磨损的物质都可作为光滑剂。1光滑剂的分类1〕液体光滑剂：主要有：动植物油、矿物油、水、液态金属等。2〕光滑脂：注：光滑油和光滑脂在实践中运用最广。俗称黄油。由光滑油+稠化剂混合而成。光滑脂的主要性能目的是：锥入度，反映其稠度大小。滴点，决议任务温度。3)固体光滑剂：4〕气体光滑剂：如空气、氮气、二氧化碳等。光滑油的主要性质润滑2光滑油的主要性质1〕油性：是光滑油吸附于摩擦外表构成边境膜的才干。油性越好，吸附才干就越强。2〕粘度：是表示油液内部相对运动时产生内摩擦阻力大小的性能目的。〔粘度是选择光滑油的主要根据〕。下面分析粘度的物理意义：两个平行的平板之间充溢光滑油，B板静止，A板以速度运动，各油层的速度呈直线分布。相邻油层之间有相对运动，会产生内摩擦阻力。粘度润滑研讨阐明：油液内摩擦切应力与速度梯度成正比。即式中：即为光滑油的动力粘度。其国际单位为：〔帕·秒〕动力粘度与同温度下该流体的密度