2010第二章機(jī)械零件強(qiáng)度.ppt

機(jī)械設(shè)計,教師：陳豐郵箱：fengchen_12,知識回顧和問題,知識回顧:1、知道了“學(xué)什么，為什么學(xué)，如何學(xué)”的問題；2、幾個名詞和概念；3、機(jī)械設(shè)計的總體原則和一般程序；4、零件設(shè)計的一般程序。,問題：1、本課程的研究對象是什么？主要任務(wù)是什么？2、從功能方面談?wù)剻C(jī)械的組成。3、什么叫機(jī)械零部件的失效？,第二章機(jī)械零件的強(qiáng)度,【計劃學(xué)時】2-3學(xué)時【主要內(nèi)容】機(jī)械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則，機(jī)械零件的設(shè)計方法，載荷與應(yīng)力分類，靜應(yīng)力時機(jī)械零件的強(qiáng)度計算，機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算，機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度【學(xué)習(xí)目標(biāo)】了解機(jī)械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則以及設(shè)計方法，掌握變應(yīng)力的種類和基本參數(shù)，明確材料簡化極限應(yīng)力圖和零件簡化極限應(yīng)力圖的意義及應(yīng)用，能夠進(jìn)行單向穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強(qiáng)度計算：=C、m=C、min=C的疲勞強(qiáng)度校核，了解提高機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的措施?！局攸c難點】重點是掌握變應(yīng)力的種類和基本參數(shù)，材料簡化極限應(yīng)力圖和零件簡化應(yīng)力圖的意義及應(yīng)用。,第1節(jié)機(jī)械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則第2節(jié)載荷與應(yīng)力的分類第3節(jié)靜應(yīng)力時機(jī)械零件的強(qiáng)度計算第4節(jié)機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算第5節(jié)機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度（自學(xué)）,主要內(nèi)容,1機(jī)械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則,1.1機(jī)械零件的主要失效形式和工作能力1）機(jī)械零件的主要失效形式,機(jī)械零件的主要失效形式,整體斷裂：拉，壓，彎，扭,零件表面的破壞：磨損、腐蝕、接觸疲勞,破壞正常工作條件引起的失效：打滑，共振，膠合,過大的殘余應(yīng)力：加工，熱處理,2）機(jī)械零件的工作能力零件不發(fā)生失效的安全工作限度稱為工作能力。對載荷而言的工作能力稱為承載能力。有時，零件工作能力是針對變形、速度、溫度或壓力而言的安全工作限度。機(jī)械零件設(shè)計的基本要求：避免在預(yù)期壽命期內(nèi)失效的要求（強(qiáng)度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、可靠性等）結(jié)構(gòu)工藝性的要求經(jīng)濟(jì)性要求質(zhì)量小的要求可靠性要求,1機(jī)械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則,1機(jī)械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則,1.2機(jī)械零件的計算準(zhǔn)則,1機(jī)械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則,1.3機(jī)械零件的設(shè)計方法(一般設(shè)計方法)（1）理論設(shè)計1）根據(jù)使用要求，選擇零件的類型和結(jié)構(gòu)。2）根據(jù)機(jī)器的工作要求，計算作用在零件上的載荷。名義載荷（F、P、T）：力學(xué)公式計算出的載荷。但：由于載荷作用的不平穩(wěn)性、分布的不均勻性等因素，實際載荷大于名義載荷。載荷系數(shù)K計算載荷(Fc、Pc、Tc)=載荷系數(shù)名義載荷3）選擇適當(dāng)?shù)牟牧稀?）根據(jù)零件工作能力準(zhǔn)則，確定零件的主要尺寸兩種計算方法：a）設(shè)計計算：直接求出危險截面尺寸A。,1機(jī)械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則,b）校核計算：其他方法初步設(shè)計驗算。5）畫零件圖。（2）經(jīng)驗設(shè)計根據(jù)經(jīng)驗關(guān)系式，用類比的方法所進(jìn)行的設(shè)計。如：箱體、傳動件各個結(jié)構(gòu)要素等（3）模型實驗設(shè)計把初步設(shè)計的零、部件或機(jī)器作成小模型或小尺寸樣機(jī)進(jìn)行實驗。如：飛機(jī)、橋梁、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備等的風(fēng)洞實驗，水輪機(jī)、輪船、潛艇等的水洞實驗。,2載荷與應(yīng)力的分類,2.1、載荷的分類,隨機(jī)變載荷,變載荷：,靜載荷:,如鍋爐的壓力、勻速轉(zhuǎn)動的離心力、自重等。,循環(huán)變載荷,穩(wěn)定循環(huán)變載荷：,不穩(wěn)定循環(huán)變載荷：,如汽車、農(nóng)業(yè)機(jī)械等。,2載荷與應(yīng)力的分類,靜應(yīng)力:,2.2應(yīng)力的分類,1）應(yīng)力種類,變應(yīng)力：,穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力:應(yīng)力變化周期、應(yīng)力幅和平均應(yīng)力均不隨時間而改變者；,非對稱循環(huán)變應(yīng)力,脈動循環(huán)變應(yīng)力,對稱循環(huán)變應(yīng)力,2載荷與應(yīng)力的分類,2）穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力的基本參數(shù)和種類,a)基本參數(shù):,平均應(yīng)力:,應(yīng)力幅:,最大應(yīng)力:,最小應(yīng)力:,2載荷與應(yīng)力的分類,應(yīng)力循環(huán)特性:,b)穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力種類：,-1<<+1不對稱循環(huán)變應(yīng)力,=0脈動循環(huán)變應(yīng)力,=+1靜應(yīng)力,=1對稱循環(huán)變應(yīng)力,注意：靜應(yīng)力只能由靜載荷產(chǎn)生，而變應(yīng)力可能由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生！？,2載荷與應(yīng)力的分類,名義應(yīng)力由名義載荷產(chǎn)生的應(yīng)力計算應(yīng)力由計算載荷產(chǎn)生的應(yīng)力,3）名義應(yīng)力和計算應(yīng)力,3靜應(yīng)力時機(jī)械零件的強(qiáng)度計算,3.1單向應(yīng)力下的塑性零件,強(qiáng)度條件：,或：,（失效形式：塑性變形）,3.2復(fù)合應(yīng)力時的塑性材料零件,按第三或第四強(qiáng)度理論對彎扭復(fù)合應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度計算由第三強(qiáng)度理論：（最大剪應(yīng)力理論）由第四強(qiáng)度理論：（最大變形能理論）,（失效形式：塑性變形）,3靜應(yīng)力時機(jī)械零件的強(qiáng)度計算,復(fù)合應(yīng)力計算安全系數(shù)為：,或：,3.3脆性材料與低塑性材料,脆性材料極限應(yīng)力：強(qiáng)度極限,（失效形式：斷裂）,3靜應(yīng)力時機(jī)械零件的強(qiáng)度計算,按第一強(qiáng)度條件：（最大主應(yīng)力理論）,2）復(fù)合應(yīng)力下工作的零件,注意：(1)低塑性材料強(qiáng)度計算應(yīng)計入應(yīng)力集中的影響。(2)脆性材料強(qiáng)度計算不考慮應(yīng)力集中。(3)一般工作期內(nèi)應(yīng)力變化次數(shù)<103（104），按靜應(yīng)力強(qiáng)度計算。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,比例極限：,彈性極限：,屈服極限或屈服強(qiáng)度：,抗拉強(qiáng)度：,最大斷裂強(qiáng)度：,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,（1）失效形式：疲勞斷裂。（2）疲勞破壞特征：1）斷裂過程：產(chǎn)生初始裂紋（應(yīng)力較大處）裂紋尖端在切應(yīng)力作用下，反復(fù)擴(kuò)展，直至產(chǎn)生疲勞斷裂。,4.1變應(yīng)力作用下機(jī)械零件的失效特征,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,2）斷裂面：光滑區(qū)（疲勞發(fā)展區(qū)）粗糙區(qū)（脆性斷裂區(qū)）3）無明顯塑性變形的脆性突然斷裂4）破壞時的應(yīng)力（疲勞極限）遠(yuǎn)小于材料的屈服極限。,4.1變應(yīng)力作用下機(jī)械零件的失效特征,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,（4）影響因素：不僅與材料性能有關(guān)，變應(yīng)力的循環(huán)特性，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，應(yīng)力幅都對疲勞極限有很大影響。,（3）疲勞破壞的機(jī)理：損傷的累積。,4.2材料的疲勞曲線和極限應(yīng)力圖,疲勞極限，應(yīng)力循環(huán)特性下應(yīng)力循環(huán)N次后材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應(yīng)力。,疲勞壽命（N）材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N,（1）疲勞曲線：應(yīng)力循環(huán)特性一定時，材料的疲勞極限與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系的曲線。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,1）有限壽命區(qū),N103(104)高周循環(huán)疲勞。,N0循環(huán)基數(shù)持久極限,注意：大多數(shù)通用機(jī)械零件及專用零件的失效都是高周循環(huán)疲勞引起的。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,2）無限壽命區(qū),持久極限,對稱循環(huán)：,脈動循環(huán)：,注意：有色金屬和高強(qiáng)度合金鋼無無限壽命區(qū)!,3）疲勞曲線方程,隨循環(huán)次數(shù)疲勞極限。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,壽命系數(shù),幾點說明：,N0循環(huán)基數(shù)，與材料性質(zhì)有關(guān)。鋼:硬度350HBS，N0=107350HBS，N0=(1025)x107有色金屬:疲勞曲線無水平部分，規(guī)定當(dāng)N0>25x107時，近似為無限壽命區(qū)。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,m材料常數(shù)，與應(yīng)力及材料的種類有關(guān)。,m=9拉、彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力。m=6接觸應(yīng)力。,m=9彎曲應(yīng)力。m=8接觸應(yīng)力。,鋼：,青銅：,應(yīng)力循環(huán)特性越大，材料的疲勞極限與持久極限越大，對零件強(qiáng)度越有利。對稱循環(huán)（應(yīng)力循環(huán)特性=-1）最不利！,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,以為橫坐標(biāo)、為縱坐標(biāo)，即可得材料在不同應(yīng)力循環(huán)特性下的曲線，即為材料的疲勞極限應(yīng)力圖。,（2）材料的疲勞極限應(yīng)力圖同一種材料在不同的應(yīng)力循環(huán)特性下的疲勞極限圖。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,強(qiáng)度極限點,如圖AB曲線上的點對應(yīng)著不同應(yīng)力循環(huán)特性下的材料疲勞極限,對稱疲勞極限點,脈動疲勞極限點,屈服極限點,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,材料的簡化極限應(yīng)力線圖，可根據(jù)材料的三個試驗數(shù)據(jù)而作出。,折線以內(nèi)為疲勞和塑性安全區(qū)，折線以外為疲勞和塑性失效區(qū)，工作應(yīng)力點離折線越遠(yuǎn)，安全程度愈高。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,應(yīng)力集中、零件尺寸和表面狀態(tài)三項因素對機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度影響最大!,4.3影響機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的主要因素和零件極限應(yīng)力圖,（1）應(yīng)力集中的影響有效應(yīng)力集中系數(shù),零件受載時，在幾何形狀突變處（直角、凹槽、孔等）要產(chǎn)生應(yīng)力集中，對應(yīng)力集中的敏感程度與零件的材料有關(guān)。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,為考慮零件幾何形狀的理論應(yīng)力集中系數(shù),應(yīng)力集中源處名義應(yīng)力,材料對應(yīng)力集中的敏感系數(shù),應(yīng)力集中源處最大應(yīng)力,（2）零件尺寸的影響尺寸系數(shù),由于零件尺寸愈大時，材料的晶粒較粗，出現(xiàn)缺陷的概率大，而機(jī)械加工后表面冷作硬化層相對較薄，所以對零件疲勞強(qiáng)度的不良影響愈顯著。,（3）表面狀態(tài)的影響,1）表面質(zhì)量系數(shù),零件加工的表面質(zhì)量（主要指表面粗糙度）對疲勞強(qiáng)度的影響。,鋼的越高，表面愈粗糙，愈低。,強(qiáng)化處理淬火、滲氮、滲碳、熱處理、拋光、噴丸、滾壓等。,2）表面強(qiáng)化系數(shù),考慮對零件進(jìn)行不同的強(qiáng)化處理，對零件疲勞強(qiáng)度的影響。,查相關(guān)表。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,應(yīng)力集中，零件尺寸和表面狀態(tài)只對應(yīng)力幅有影響，而對平均應(yīng)力無影響。,（4）綜合影響系數(shù)和零件的極限應(yīng)力圖,綜合影響系數(shù)表示了材料極限應(yīng)力幅與零件極限應(yīng)力幅的比值。,1）綜合影響系數(shù),4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,2)零件的極限應(yīng)力圖,零件脈動循環(huán)疲勞點,零件對稱循環(huán)疲勞點,GC零件屈服極限曲線,AG零件許用疲勞極限曲線,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,零件的材料特性,標(biāo)準(zhǔn)試件的材料特性,零件的極限應(yīng)力幅和極限平均應(yīng)力。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,4.4單向穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強(qiáng)度計算,1）大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應(yīng)力狀態(tài),已知零件危險斷面的最大工作應(yīng)力和最小工作應(yīng)力，求對應(yīng)于M點的零件的極限應(yīng)力（疲勞極限）,過原點與工作應(yīng)力點M或N作連線交ADGC于M1或N1點。此直線上任一點的應(yīng)力循環(huán)特性均相同。M1或N1點即為所求的極限應(yīng)力點。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,a)當(dāng)工作應(yīng)力點位于OAG內(nèi),極限應(yīng)力為疲勞極限，按疲勞強(qiáng)度計算。,聯(lián)解OM和AG兩直線方程即可求得M1坐標(biāo)，縱橫坐標(biāo)加起來既可得到零件的極限應(yīng)力,零件的極限應(yīng)力（疲勞極限）：,強(qiáng)度條件：,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,b)當(dāng)工作應(yīng)力點位于OGC內(nèi),極限應(yīng)力為屈服極限，按靜強(qiáng)度計算。,強(qiáng)度條件：,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,2）振動中的受載彈簧的應(yīng)力狀態(tài),過工作應(yīng)力點M（N）作與縱軸平行的軸線交AG(GC)于M2（N2）點。此直線上任一點的都具有相同的平均應(yīng)力值。M2或N2點即為所求的極限應(yīng)力點。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,a)當(dāng)工作應(yīng)力點位于OAGH區(qū)域內(nèi),強(qiáng)度條件：,極限應(yīng)力為疲勞極限，按疲勞強(qiáng)度計算。,b）工作應(yīng)力點位于GHC區(qū)域內(nèi),強(qiáng)度條件為：,極限應(yīng)力為屈服極限，按靜強(qiáng)度計算。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,3）軸向變載荷的緊螺栓聯(lián)接中的螺栓應(yīng)力狀態(tài),過工作應(yīng)力點M（N）作與橫坐標(biāo)成45的直線，則這直線任一點的最小應(yīng)力均相同。直線與極限應(yīng)力線圖交點即為所求極限應(yīng)力點。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,a)工作應(yīng)力點位于OJGI內(nèi),極限應(yīng)力為疲勞極限，按疲勞強(qiáng)度計算。,求AG與MM3的交點:,強(qiáng)度條件:,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,b)工作應(yīng)力點位于IGC區(qū)域內(nèi),極限應(yīng)力點為,強(qiáng)度條件：,極限應(yīng)力為屈服極限，按靜強(qiáng)度計算。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,注意：,1）若零件所受應(yīng)力變化規(guī)律不能肯定，一般采用=C的情況計算。,2）上述計算均為按無限壽命進(jìn)行零件設(shè)計，若按有限壽命要求設(shè)計零件時，即應(yīng)力循環(huán)次數(shù)103(104)<N<No時，這時上述公式中的極限應(yīng)力應(yīng)為有限壽命的疲勞極限：，即應(yīng)以-1N代-1，以oN代o。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算,注意：,5）等效應(yīng)力幅：,3）當(dāng)未知工作應(yīng)力點所在區(qū)域時，應(yīng)同時考慮可能出現(xiàn)的兩種情況。,4）對切應(yīng)力上述公式同樣適用，只需將改為即可。,5機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度（自學(xué)）,高副零件工作時，理論上是點接觸或線接觸實際上由于接觸部分的局部彈性變形而形成面接觸由于接觸面積很小，使表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力卻很大。該應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。在表面接觸應(yīng)力作用下的零件強(qiáng)度稱為接觸強(qiáng)度。計算依據(jù)：彈性力學(xué)的赫茲公式。,5.1接觸應(yīng)力,a)兩圓柱體接觸,b)兩球接觸,綜合曲率半徑,說明：1）圓柱體：，球：Hmax與F不呈線性關(guān)系。,5機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度（自學(xué)）,5機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度（自學(xué)）,3）同樣的1、2下，內(nèi)接觸時較大，Hmax較小，約為外接觸時的48%。重載情況下，采用內(nèi)接觸，有利于提高承載能力或降低接觸副的尺寸。,2）圓柱體：，球：越大，Hmax越小。,5.2失效形式,靜應(yīng)力:表面壓碎脆性材料表面塑性變形塑性材料變應(yīng)力：疲勞點蝕齒輪、滾動軸承的常見失效形式。,5機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度（自學(xué)）,5.3提高接觸疲勞強(qiáng)度的措施1）控制最大接觸應(yīng)力。2）提高接觸表面硬度，改善表面加工質(zhì)量。3）增大綜合曲率半徑。4）改外接觸為內(nèi)接觸，點接觸線接觸。5）采用高粘度潤滑油。,預(yù)習(xí),1、摩擦、磨損及潤滑定義，預(yù)防措施等。2、摩擦與潤滑在汽車上的應(yīng)用：發(fā)動機(jī)、變速器、差速器、汽車輪胎、車輪軸承等；3、汽車制動系統(tǒng)如何利用摩擦進(jìn)行工作？4、如何防止汽車運(yùn)行中的磨損？5、請你對汽車中的有關(guān)摩擦、磨損現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)論述。（小論文或大作業(yè)）,