第2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

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机械零件的外表接触强度2.5机械设计中的摩擦、磨损和光滑问题教学目的和教学重点1、掌握载荷和应力的分类；2、熟习机械零件强度的根本概念；3、掌握资料的疲劳特性；4、了解机械零件的强度计算和提高零件疲劳强度的措施。教学目的:教学重点:1、稳定循环应力类型及参量；2、资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→任务应力≤许用应力载荷〔应力〕资料静载荷：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.留意: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。描画稳定循环变应力有5个参量，应力幅σa、平均应力σm、最小应力σmin、最大应力σmax和循环特性系数r。但其中只需两个参数是独立的。留意: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，零件的损坏方式是疲劳断裂。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，零件的损坏方式是疲劳断裂。▲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;▲疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性忽然断裂;▲疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。不论脆性资料或塑性资料，▲零件表层产生微小裂纹；疲劳断裂过程：▲随着循环次数添加，微裂纹逐渐扩展；▲当剩余资料缺乏以接受载荷时，忽然脆性断裂。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：▲断裂面累积损伤处外表光滑，而折断区外表粗糙。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.资料的疲劳特性两个概念：1〕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＝。2〕资料的疲劳极限：在应力比为的循环应力作用下，应力循环N次后，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〕2.3机械零件的疲劳强度1、s－N疲劳曲线s－N疲劳曲线σmaxN用参数σmax表征资料的疲劳极限，经过实验，可得出如下图的疲劳曲线。称为：s－N疲劳曲线2.3机械零件的疲劳强度1、s－N疲劳曲线一.资料的疲劳特性1、s－N疲劳曲线σmaxN104CB103σBAN=1/4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，σmax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=103～104，随着N↑→σmax↓,疲劳景象明显。因N较小，特称为：低周疲劳。一.资料的疲劳特性σrCD段，随着N↑→σmax↓，代表有限寿命区，机械零件的疲劳大多发生在CD段。σmaxN104CB103σBAN=1/4DN0≈107D点以后的疲劳曲线呈一程度线，代表着无限寿命区。

N﹥104，高周疲劳σrNNN0σr2.3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.资料的疲劳特性注：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平安系数。

3〕对于切应力，只需将各式中的换成即可。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要素影响零件疲劳强度的主要要素有以下三个：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。用应力集中系数计入应力集中的影响。有效应力集中系数：、。实际应力集中系数：、。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展计算。有效应力集中系数kσασατ2〕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。用尺寸系数、，计入尺寸的影响。3〕外表质量的影响外表质量：是指外表粗糙度及其外表强化的工艺效果。外表越光滑，疲劳强度可以提高。强化工艺〔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、计入外表质量的影响。1.00.80.60.40.2400600800100012001400σB/Mpaβσ精车粗车未加工磨削抛光钢材的外表质量系数βσ外表高频淬火的强化系数βq7~201.3~1.630~401.2~1.57~201.6~2.830~401.5~5试件种类试件直径/mm无应力集中有应力集中综合影响系数实验证明：应力集中、尺寸和外表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：零件的疲劳极限为：1111eDeDKKstsstt----==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E′C段属于静强度，而静强度不受的影响，故不需修正。DDNM3.单向稳定变应力时的疲劳强度计算进展零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的σmax及σmin确定平均应力σm与应力幅σa，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应任务应力点M或N。两种情况分别讨论σaσmoσSσ-1CAEσ-1eD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(σ’m，σ’a)。M’或N’的位置确定与循环应力变化规律有关。σaσm▲应力比为常数：r=C(如大多数转轴中的应力形状)能够发生的应力变化规律：▲平均应力为常数σm=C(如震动着的受载弹簧中的应力形状)▲最小应力为常数σmin=C〔如紧螺栓联接中螺栓受轴向变载荷时的应力形状〕计算平安系数及疲劳强度条件为：σaσmOσ-1CAEσ-1eD1)r=Const经过联立直线OM和AE的方程可求解M’1点的坐标为：作射线OM，其上恣意一点所代表的应力循环都具有一样的应力比。M’1为极限应力点，其坐标值σ’me，σ’ae之和就是对应于M点的极限应力σ’max。σSσaσmMσ’meσ’ae也是一个常数。M’1σ’ae计算平安系数及疲劳强度条件为：σ-1σ-1eσaσmOCADσSEN点的极限应力点N’1位于直线CE上，σ’meσ’aeσaσmNN’1有：这阐明任务应力为N点时，首先能够发生的是屈服失效。故只需求进展静强度计算即可。强度计算公式为：凡是任务应力点落在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，只需求进展静强度计算。σaσmσ-1σ-1eσaσmOCADσSE2)σm=Const此时需求在AE上确定M’2，使得：σ’m=σmM显然M’2在过M点且纵轴平行线上，该线上恣意一点所代表的应力循环都具有一样的平均应力值。M’2经过联立直线MM’2和AE的方程可求解M’2点的坐标为：计算平安系数及疲劳强度条件为：σ-1σ-1eσaσmOCADσSE45˚σaσmσ-1σ-1eσaσmOCADσSE同理，对于N点的极限应力为N’2点。NN’2由于落在了直线CE上，故只需进展静强度计算：计算公式为：3)σmin=ConstMM’3此时需求在AG上确定M’3，使得：σ’min=σmin由于：σmin=σm-σa=C过M点作45˚直线，其上恣意一点所代表的应力循环都具有一样的最小应力。M’3位置如图。σminML在OAD区域内，最小应力均为负值，在实践机器中极少出现，故不予讨论。经过O、E两点分别作45˚直线，I得OAD、ODEI、ECI三个区域。PLQσminQ<0D而在ECI区域内，极限应力统为屈服极限。按静强度处置：只需在ODEI区域内，极限应力才在疲劳极限应力曲线上。经过联立直线MM’2和AE的方程可求解M’2点的坐标值后，可得到计算平安系数及疲劳强度条件为：σminMσ-1eσ-1σaσmOCAσSEMM’3三.提高机械零件疲劳强度的措施在综合思索零件的性能要求和经济性后，采器具有高疲劳强度的资料，并配以适当的热处置和各种外表强化处置。适当提高零件的外表质量，特别是提高有应力集中部位的外表加工质量，必要时外表作适当的防护处置。尽能够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。尽能够地减少或消除零件外表能够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资料性能更为显著的作用。减载槽在不可防止地要产生较大应力集中的构造处，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形状。假定：〔1〕齿轮B为“惰轮〞〔中间轮〕，A为自动轮，c为从动轮。〔2〕齿轮B为自动，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。B机械零件中各零件之间的力的传送，总是经过两个零件的接触方式来实现的。常见两机械零件的接触方式为点接触或线接触。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。接触失效方式常表现为：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。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20μm处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(光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，而在零件外表构成一些小坑，这种景象称为渡劳点蚀。初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹裂纹的扩展与断裂油金属剥落出现小坑Fnρ1ρ22aHmaxHmax●Fnbρ2FnFnρ由弹性力学可知，应力为：对于钢或铸铁取泊松比：μ1=μ2=μ=0.3,那么有简化公式。上述公式称为赫兹(H·Hertz)公式“+〞用于外接触，“-〞用于内接触。σH-------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