第2章機械零部件設(shè)計中的強度與耐磨性

第2章機械零部件設(shè)計中的強度

問題與耐磨性2.1概述2.2機械設(shè)計中的強度問題2.3機械零件的疲勞強度2.4機械零件的外表接觸強度2.5機械設(shè)計中的摩擦、磨損和光滑問題教學(xué)目的和教學(xué)重點1、掌握載荷和應(yīng)力的分類；2、熟習(xí)機械零件強度的根本概念；3、掌握資料的疲勞特性；4、了解機械零件的強度計算和提高零件疲勞強度的措施。教學(xué)目的:教學(xué)重點:1、穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力類型及參量；2、資料的疲勞曲線及極限應(yīng)力曲線。2.2機械設(shè)計中的強度問題一.載荷與應(yīng)力強度→任務(wù)應(yīng)力≤許用應(yīng)力載荷〔應(yīng)力〕資料靜載荷：不隨時間變化或變化緩慢的載荷.變載荷：隨時間作周期性或非周期性變化的載荷.留意:在設(shè)計計算中，載荷又可分為名義載荷和計算載荷，計算載荷等于載荷系數(shù)乘以名義載荷。1.零件設(shè)計中的載荷及其分類2．應(yīng)力的分類靜應(yīng)力：不隨時間變化或變化緩慢的應(yīng)力。變應(yīng)力:隨時間變化的應(yīng)力。描畫穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力有5個參量，應(yīng)力幅σa、平均應(yīng)力σm、最小應(yīng)力σmin、最大應(yīng)力σmax和循環(huán)特性系數(shù)r。但其中只需兩個參數(shù)是獨立的。留意:應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N。非對稱循環(huán)變應(yīng)力2．應(yīng)力的分類對稱循環(huán)變應(yīng)力2．應(yīng)力的分類脈動循環(huán)變應(yīng)力2．應(yīng)力的分類靜應(yīng)力2．應(yīng)力的分類2.3機械零件的疲勞強度變應(yīng)力下，零件的損壞方式是疲勞斷裂。疲勞斷裂過程：疲勞斷裂截面初始裂紋光滑疲勞區(qū)粗糙的脆性

斷裂區(qū)變應(yīng)力下，零件的損壞方式是疲勞斷裂?！跀嗔训淖畲髴?yīng)力遠(yuǎn)比靜應(yīng)力下資料的強度極限低，甚至比屈服極限低;▲疲勞斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性忽然斷裂;▲疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結(jié)果。不論脆性資料或塑性資料，▲零件表層產(chǎn)生微小裂紋；疲勞斷裂過程：▲隨著循環(huán)次數(shù)添加，微裂紋逐漸擴展；▲當(dāng)剩余資料缺乏以接受載荷時，忽然脆性斷裂。疲勞斷裂是與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(即使用壽命)有關(guān)的斷裂。疲勞斷裂具有以下特征：▲斷裂面累積損傷處外表光滑，而折斷區(qū)外表粗糙。光滑疲勞區(qū)粗糙的脆性

斷裂區(qū)2.3機械零件的疲勞強度一.資料的疲勞特性兩個概念：1〕疲勞壽命N：資料疲勞失效前所閱歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

不同或N不同時，疲勞極限那么不同。在疲勞強度計算中，?。?。2〕資料的疲勞極限：在應(yīng)力比為的循環(huán)應(yīng)力作用下，應(yīng)力循環(huán)N次后，資料不發(fā)生疲勞破壞時所能接受的最大應(yīng)力。〔變應(yīng)力的大小可按其最大應(yīng)力進(jìn)展比較〕2.3機械零件的疲勞強度1、s－N疲勞曲線s－N疲勞曲線σmaxN用參數(shù)σmax表征資料的疲勞極限，經(jīng)過實驗，可得出如下圖的疲勞曲線。稱為：s－N疲勞曲線2.3機械零件的疲勞強度1、s－N疲勞曲線一.資料的疲勞特性1、s－N疲勞曲線σmaxN104CB103σBAN=1/4在原點處，對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為N=1/4。在AB段，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)<103，σmax變化很小，可以近似看作為靜應(yīng)力強度。因N較小，特稱為：低周疲勞。在原點處，對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為N=1/4。BC段，N=103～104，隨著N↑→σmax↓,疲勞景象明顯。因N較小，特稱為：低周疲勞。一.資料的疲勞特性σrCD段，隨著N↑→σmax↓，代表有限壽命區(qū)，機械零件的疲勞大多發(fā)生在CD段。σmaxN104CB103σBAN=1/4DN0≈107D點以后的疲勞曲線呈一程度線，代表著無限壽命區(qū)。

N﹥104，高周疲勞σrNNN0σr2.3機械零件的疲勞強度2、疲勞極限應(yīng)力圖〔等壽命疲勞曲線〕一.資料的疲勞特性注：1〕疲勞曲線的用途：在于根據(jù)確定某個循環(huán)次數(shù)N下的條件疲勞極限。2〕極限應(yīng)力圖的用途：在于根據(jù)確定非對稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞極限以計算平安系數(shù)。

3〕對于切應(yīng)力，只需將各式中的換成即可。2.3機械零件的疲勞強度二.機械零件的疲勞強度計算1.影響零件疲勞強度的主要要素影響零件疲勞強度的主要要素有以下三個：1〕應(yīng)力集中的影響機械零件上的應(yīng)力集中會加快疲勞裂紋的構(gòu)成和擴展。從而導(dǎo)致零件的疲勞強度下降。用應(yīng)力集中系數(shù)計入應(yīng)力集中的影響。有效應(yīng)力集中系數(shù)：、。實際應(yīng)力集中系數(shù)：、。注：當(dāng)同一剖面上同時有幾個應(yīng)力集中源時，應(yīng)采用其中最大的應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)展計算。有效應(yīng)力集中系數(shù)kσασατ2〕尺寸的影響零件的尺寸越大，在各種冷、熱加工中出現(xiàn)缺陷，產(chǎn)生微觀裂紋等疲勞源的能夠性〔時機〕增大。從而使零件的疲勞強度降低。用尺寸系數(shù)、，計入尺寸的影響。3〕外表質(zhì)量的影響外表質(zhì)量：是指外表粗糙度及其外表強化的工藝效果。外表越光滑，疲勞強度可以提高。強化工藝〔滲碳、外表淬火、外表滾壓、噴丸等〕可顯著提高零件的疲勞強度。用外表形狀系數(shù)、計入外表質(zhì)量的影響。1.00.80.60.40.2400600800100012001400σB/Mpaβσ精車粗車未加工磨削拋光鋼材的外表質(zhì)量系數(shù)βσ外表高頻淬火的強化系數(shù)βq7~201.3~1.630~401.2~1.57~201.6~2.830~401.5~5試件種類試件直徑/mm無應(yīng)力集中有應(yīng)力集中綜合影響系數(shù)實驗證明：應(yīng)力集中、尺寸和外表質(zhì)量都只對應(yīng)力幅有影響，而對平均應(yīng)力沒有明顯的影響?！布磳o應(yīng)力沒有影響〕在計算中，上述三個系數(shù)都只計在應(yīng)力幅上，故可將三個系數(shù)組成一個綜合影響系數(shù)：零件的疲勞極限為：1111eDeDKKstsstt----==2.3機械零件的疲勞強度二.機械零件的疲勞強度計算2.零件的極限應(yīng)力線圖折線即為零件的極限應(yīng)力線。注：由于E′C段屬于靜強度，而靜強度不受的影響，故不需修正。DDNM3.單向穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強度計算進(jìn)展零件疲勞強度計算時，首先根據(jù)零件危險截面上的σmax及σmin確定平均應(yīng)力σm與應(yīng)力幅σa，然后，在極限應(yīng)力線圖的坐標(biāo)中標(biāo)示出相應(yīng)任務(wù)應(yīng)力點M或N。兩種情況分別討論σaσmoσSσ-1CAEσ-1eD相應(yīng)的疲勞極限應(yīng)力應(yīng)是極限應(yīng)力曲線AEC上的某一個點M’或N’所代表的應(yīng)力(σ’m，σ’a)。M’或N’的位置確定與循環(huán)應(yīng)力變化規(guī)律有關(guān)。σaσm▲應(yīng)力比為常數(shù)：r=C(如大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應(yīng)力形狀)能夠發(fā)生的應(yīng)力變化規(guī)律：▲平均應(yīng)力為常數(shù)σm=C(如震動著的受載彈簧中的應(yīng)力形狀)▲最小應(yīng)力為常數(shù)σmin=C〔如緊螺栓聯(lián)接中螺栓受軸向變載荷時的應(yīng)力形狀〕計算平安系數(shù)及疲勞強度條件為：σaσmOσ-1CAEσ-1eD1)r=Const經(jīng)過聯(lián)立直線OM和AE的方程可求解M’1點的坐標(biāo)為：作射線OM，其上恣意一點所代表的應(yīng)力循環(huán)都具有一樣的應(yīng)力比。M’1為極限應(yīng)力點，其坐標(biāo)值σ’me，σ’ae之和就是對應(yīng)于M點的極限應(yīng)力σ’max。σSσaσmMσ’meσ’ae也是一個常數(shù)。M’1σ’ae計算平安系數(shù)及疲勞強度條件為：σ-1σ-1eσaσmOCADσSEN點的極限應(yīng)力點N’1位于直線CE上，σ’meσ’aeσaσmNN’1有：這闡明任務(wù)應(yīng)力為N點時，首先能夠發(fā)生的是屈服失效。故只需求進(jìn)展靜強度計算即可。強度計算公式為：凡是任務(wù)應(yīng)力點落在OEC區(qū)域內(nèi)，在循環(huán)特性r=常數(shù)的條件下，極限應(yīng)力統(tǒng)統(tǒng)為屈服極限，只需求進(jìn)展靜強度計算。σaσmσ-1σ-1eσaσmOCADσSE2)σm=Const此時需求在AE上確定M’2，使得：σ’m=σmM顯然M’2在過M點且縱軸平行線上，該線上恣意一點所代表的應(yīng)力循環(huán)都具有一樣的平均應(yīng)力值。M’2經(jīng)過聯(lián)立直線MM’2和AE的方程可求解M’2點的坐標(biāo)為：計算平安系數(shù)及疲勞強度條件為：σ-1σ-1eσaσmOCADσSE45?σaσmσ-1σ-1eσaσmOCADσSE同理，對于N點的極限應(yīng)力為N’2點。NN’2由于落在了直線CE上，故只需進(jìn)展靜強度計算：計算公式為：3)σmin=ConstMM’3此時需求在AG上確定M’3，使得：σ’min=σmin由于：σmin=σm-σa=C過M點作45?直線，其上恣意一點所代表的應(yīng)力循環(huán)都具有一樣的最小應(yīng)力。M’3位置如圖。σminML在OAD區(qū)域內(nèi)，最小應(yīng)力均為負(fù)值，在實踐機器中極少出現(xiàn)，故不予討論。經(jīng)過O、E兩點分別作45?直線，I得OAD、ODEI、ECI三個區(qū)域。PLQσminQ<0D而在ECI區(qū)域內(nèi)，極限應(yīng)力統(tǒng)為屈服極限。按靜強度處置：只需在ODEI區(qū)域內(nèi)，極限應(yīng)力才在疲勞極限應(yīng)力曲線上。經(jīng)過聯(lián)立直線MM’2和AE的方程可求解M’2點的坐標(biāo)值后，可得到計算平安系數(shù)及疲勞強度條件為：σminMσ-1eσ-1σaσmOCAσSEMM’3三.提高機械零件疲勞強度的措施在綜合思索零件的性能要求和經(jīng)濟性后，采器具有高疲勞強度的資料，并配以適當(dāng)?shù)臒崽幹煤透鞣N外表強化處置。適當(dāng)提高零件的外表質(zhì)量，特別是提高有應(yīng)力集中部位的外表加工質(zhì)量，必要時外表作適當(dāng)?shù)姆雷o處置。盡能夠降低零件上的應(yīng)力集中的影響，是提高零件疲勞強度的首要措施。盡能夠地減少或消除零件外表能夠發(fā)生的初始裂紋的尺寸，對于延長零件的疲勞壽命有著比提高資料性能更為顯著的作用。減載槽在不可防止地要產(chǎn)生較大應(yīng)力集中的構(gòu)造處，可采用減載槽來降低應(yīng)力集中的作用。

1、圖示的齒輪傳動，試確定齒輪B上輪齒的彎曲應(yīng)力循環(huán)形狀。假定：〔1〕齒輪B為“惰輪〞〔中間輪〕，A為自動輪，c為從動輪?！?〕齒輪B為自動，A和C均為從動輪。課堂練習(xí)2.4機械零件的接觸強度如齒輪、凸輪、滾動軸承等。B機械零件中各零件之間的力的傳送，總是經(jīng)過兩個零件的接觸方式來實現(xiàn)的。常見兩機械零件的接觸方式為點接觸或線接觸。假設(shè)兩個零件在受載前是點接觸或線接觸。受載后，由于變形其接觸處為一小面積，通常此面積甚小而表層產(chǎn)生的部分應(yīng)力卻很大，這種應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。這時零件強度稱為接觸強度。接觸失效方式常表現(xiàn)為：疲勞點蝕后果：減少了接觸面積、損壞了零件的光滑外表、降低了承載才干、引起振動和噪音。機械零件的接觸應(yīng)力通常是隨時間作周期性變化的，在載荷反復(fù)作用下，首先在表層內(nèi)約20μm處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展(光滑油被擠迸裂紋中將產(chǎn)生高壓，使裂紋加快擴展，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件外表構(gòu)成一些小坑，這種景象稱為渡勞點蝕。初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋裂紋的擴展與斷裂油金屬剝落出現(xiàn)小坑Fnρ1ρ22aHmaxHmax●Fnbρ2FnFnρ由彈性力學(xué)可知，應(yīng)力為：對于鋼或鑄鐵取泊松比：μ1=μ2=μ=0.3,那么有簡化公式。上述公式稱為赫茲(H·Hertz)公式“+〞用于外接觸，“-〞用于內(nèi)接觸。σH-------最大接觸應(yīng)力或赫茲應(yīng)力;b-------接觸長度;Fn-------作用在圓柱體上的載荷;-----綜合曲率半徑;-----綜合彈性模量;E1、E2分