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第三章第三章 机械零件的强度机械零件的强度机械设计机械设计1ppt课件载荷的种类载荷的种类静静载荷：荷：载荷的大小和方向不随荷的大小和方向不随时间变化或化或变化化缓慢的慢的载荷。荷。变载荷：荷：载荷的大小和方向随荷的大小和方向随时间变化的化的载荷。荷。工作工作载荷：荷：机器正常工作机器正常工作时所受的所受的实际载荷。荷。名名义载荷：荷：按原按原动机的功率求出的机的功率求出的载荷。荷。计算算载荷：荷：用用载荷系数荷系数对名名义载荷荷进行修正得到的与工行修正得到的与工作作载荷近似的荷近似的载荷。荷。2强度：构件抵抗破坏的能力。强度：构件抵抗破坏的能力。要求零件在规定的使用条件下不发生意外断裂要求零件在规定的使用条件下不发生意外断裂 或显著塑性变形。或显著塑性变形。根据零件承载的不同，分为根据零件承载的不同，分为静应力强度静应力强度和和变应力强度变应力强度。静应力强度问题静应力强度问题材料力学材料力学变应力强度问题变应力强度问题疲劳强度理论疲劳强度理论3主要内容主要内容材料的疲劳特性材料的疲劳特性机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算机械零件的接触强度机械零件的接触强度1 12 23 34变应力的产生变应力的产生1234变应力的特性参数及类型变应力的特性参数及类型疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征材料的疲劳曲线材料的疲劳曲线第一节第一节 材料的疲劳特性材料的疲劳特性5静应力静应力只能在只能在静载荷静载荷作用下产生。作用下产生。变应力变应力变应力变应力可能由可能由变载荷变载荷变载荷变载荷产生，也可能由产生，也可能由静载荷静载荷产生产生（转动轴例）静应力静应力不随时间变化或变化缓慢不随时间变化或变化缓慢交变应力交变应力随时间变化随时间变化1.变应力的产生变应力的产生应力的类型应力的类型ot=常数常数6LaaFF Fa(+)M-图图11压压拉拉zA1yA2A31.变应力的产生变应力的产生1-1横截面上的弯曲正应横截面上的弯曲正应力分布图力分布图7LaaFF Fa(+)M-图图1.变应力的产生变应力的产生w wARAyAw wtzyw wt为轴的工作时间为轴的工作时间11转轴外表面一点转轴外表面一点8stoARAyAw wtzyw w压压拉拉1.变应力的产生变应力的产生转轴外表面一点转轴外表面一点91.变应力的产生变应力的产生 齿廓进入啮合到脱离啮合的过程中，表面上任意一齿廓进入啮合到脱离啮合的过程中，表面上任意一点的接触力是变应力。点的接触力是变应力。齿廓上一点齿廓上一点10载荷做周期性载荷做周期性变化变化构件做周期构件做周期性变化性变化1.变应力的产生变应力的产生11最大应力最大应力最大应力最大应力最小应力最小应力最小应力最小应力平均应力平均应力平均应力平均应力应力幅应力幅应力幅应力幅应力比应力比应力比应力比s ssmaxsmsmin2.变应力的特性参数及类型变应力的特性参数及类型sa应力循环特性应力循环特性12稳稳定定变变应应力力脉动循环脉动循环 r=0对称循环对称循环 r=1非对称循环非对称循环 1 r 1tototo2.变应力的特性参数及类型变应力的特性参数及类型13脉动循环变应力举例脉动循环变应力举例2.变应力的特性参数及类型变应力的特性参数及类型齿轮的齿面接触应力齿轮的齿面接触应力滚动轴承内圈、外圈和滚动滚动轴承内圈、外圈和滚动体上一点体上一点承载区固定圈上确定点的应力变化承载区固定圈上确定点的应力变化 HFNito滚动体、动圈上确定点的应力变化滚动体、动圈上确定点的应力变化 HFNito有载荷有载荷无载荷无载荷142.变应力的特性参数及类型变应力的特性参数及类型对称循环变应力举例对称循环变应力举例转动轴外表面一点的弯曲正应力转动轴外表面一点的弯曲正应力图示惰轮的齿根弯曲应力。图示惰轮的齿根弯曲应力。扭矩为对称循环载荷时，轴横截面上的扭转切应力扭矩为对称循环载荷时，轴横截面上的扭转切应力15非对称循环变应力举例非对称循环变应力举例2.变应力的特性参数及类型变应力的特性参数及类型气缸盖法兰盘螺纹连接的螺栓杆气缸盖法兰盘螺纹连接的螺栓杆16例例1 发动机连杆大头螺钉工作最大拉力发动机连杆大头螺钉工作最大拉力Pmax=58.3kN，最小拉力最小拉力Pmin=55.8kN，螺纹小径为，螺纹小径为 d=11.5mm，试求试求 a、m 和和 r。解：解：17有规律非稳定变应力：有规律非稳定变应力：应力变化周期、应力幅应力变化周期、应力幅和平均应力之一随时间和平均应力之一随时间变化变化无规律非稳定变应力：无规律非稳定变应力：应力的变化不呈周期性。应力的变化不呈周期性。otot周期变应力的类型变应力的类型18汽车后桥载荷谱汽车后桥载荷谱19 构件在构件在循环载荷循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也会发生断裂，这种现象称为疲劳。也会发生断裂，这种现象称为疲劳。3.疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征疲劳断裂由疲劳疲劳断裂由疲劳裂纹产生裂纹产生扩展扩展瞬时断裂瞬时断裂三个阶段组成。三个阶段组成。材材料料内内部部的的夹夹渣渣、微微孔孔、晶晶界界以以及及表表面面划划伤伤、裂裂纹纹、腐腐蚀蚀等等都都有有可可能产生能产生初始裂纹初始裂纹，形成，形成疲劳源疲劳源，疲劳源可以有一个或数个；，疲劳源可以有一个或数个；是是裂裂纹纹尖尖端端在在切切应应力力下下发发生生反反复复塑塑性性变变形形，使使裂裂纹纹扩扩展展直直至至发发生生疲疲劳断裂劳断裂。203.疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征crack initiationcrack growth疲劳破坏的过程疲劳破坏的过程 疲劳破坏断面疲劳破坏断面光滑的疲劳发展区光滑的疲劳发展区粗糙的脆性断裂区粗糙的脆性断裂区213.疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征疲劳破坏的实物疲劳破坏的实物连杆体连杆体曲轴曲轴22循环应力多次反复作用下产生；循环应力多次反复作用下产生；无宏观的、明显的塑性变形迹象；无宏观的、明显的塑性变形迹象；对材料的组成、零件的形状、尺寸、表面状态、对材料的组成、零件的形状、尺寸、表面状态、使用条件非常敏感。使用条件非常敏感。循环应力远小于材料的静强度极限；循环应力远小于材料的静强度极限；经过一定的载荷循环次数才会发生；经过一定的载荷循环次数才会发生；3.疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征23不同外部载荷作用下疲劳断面特征不同外部载荷作用下疲劳断面特征244.材料的疲劳曲线材料的疲劳曲线两种疲劳曲线两种疲劳曲线材料的极限应力图材料的极限应力图应力比为定值应力比为定值特特定定疲疲劳劳寿寿命命条条件件下下，描描述述材材料料在在不不同同应应力力比比下的不同的疲劳极限下的不同的疲劳极限疲劳寿命曲线又称为疲劳寿命曲线又称为Wohler曲曲线，也称作线，也称作S-N曲线曲线。254.材料的疲劳曲线材料的疲劳曲线 应力比一定应力比一定(r=0或或r=-1)，描述最大工作应力与应力循环次数，描述最大工作应力与应力循环次数之间关系的曲线。之间关系的曲线。采用标准试件，尺寸小，表面精度高。采用标准试件，尺寸小，表面精度高。应力作用次数应力作用次数最大应力最大应力曲线曲线为持久疲劳极限为持久疲劳极限 即应力比为即应力比为r时，时，材料的疲劳材料的疲劳极限极限。则为与寿命则为与寿命N对应的对应的有限有限寿命疲劳极限寿命疲劳极限。26对有色合金和高硬度合金对有色合金和高硬度合金钢，无论钢，无论N值多大，疲劳值多大，疲劳曲线也不存在水平部分。曲线也不存在水平部分。对应的极限应力为材料对应的极限应力为材料的疲劳极限的疲劳极限4.材料的疲劳曲线材料的疲劳曲线 27曲曲线线AB段段，循循环环次次数数在在103之之前前，使使试试件件材材料料发发生生破破坏坏的的最最大大应应力力几几乎乎不不变变。将将应应力力循循环环次次数数N103 的的变变应应力力强强度度看看做做是是静强度静强度计算。计算。曲线的有限寿命阶段曲线的有限寿命阶段4.材料的疲劳曲线材料的疲劳曲线 28曲曲线BC段段，使使试件件发生生破破坏坏的的最最大大应力力值不不断断下下降降，C点点相相应的的循循环次次数数N104。这一一阶段段的的疲疲劳破破坏坏称称为低低周周疲疲劳。4.材料的疲劳曲线材料的疲劳曲线 曲线的有限寿命阶段曲线的有限寿命阶段29 曲曲线线CD段段-有有限限寿寿命命疲疲劳劳阶阶段段，试试件件经经过过一一定定次次数数的的变变应应力力作作用用后后总总会会发生疲劳破坏。发生疲劳破坏。CD段方程段方程C为常数为常数m为材料常数，由实验确定。为材料常数，由实验确定。需要时可以查阅机械设计手册需要时可以查阅机械设计手册4.材料的疲劳曲线材料的疲劳曲线 30D点点以以后后的的曲曲线无无限限寿寿命命疲疲劳阶段段，只只要要应力力低低于于持持久久疲疲劳极极限限，无无论应力力变化化多多少少次次，材材料料都都不不会破坏。会破坏。CD曲曲线D点点以以后后的的曲曲线代代表表的的疲疲劳为高高周周疲疲劳，大大多多数数机机械械零零件件的的失失效效都都是是由高周疲由高周疲劳引起。引起。4.材料的疲劳曲线材料的疲劳曲线 31寿命系数寿命系数循环基数循环基数32不同循环特性的疲劳寿命曲线对比不同循环特性的疲劳寿命曲线对比lgmaxlg NOr=0.5r=0r=-1 对称循环变应力最容易造成疲劳破坏。对称循环变应力最容易造成疲劳破坏。33材材料料的的极极限限应应力力图图：不不同同应应力力比比条条件件下下，疲疲劳劳极极限限的的平平均均应应力力和应力幅之间的关系曲线。和应力幅之间的关系曲线。am-1SODAC4.材料的疲劳曲线材料的疲劳曲线利利用用各各应应力力比比下下的的疲疲劳劳试试验验得得到到相相应应的的极极限限应应力力（及及最最大大应应力力），计计算算其其平平均均应应力力和和应应力力幅，描点，绘制曲线。幅，描点，绘制曲线。34amS-1amS-1简化曲线之一简化曲线之一简化曲线之二简化曲线之二45 实际应用时常用其简化形式。实际应用时常用其简化形式。35简化的材料疲劳极限应力图简化的材料疲劳极限应力图amO45对称极限点对称极限点脉动极限点脉动极限点屈服极限点屈服极限点A(0,s-1)D(s0/2,s0/2)C(ss,0)G36amO45A(0,s-1)D(s0/2,s0/2)C(ss,0)G折线以内为疲劳和塑性安全区，折线以外折线以内为疲劳和塑性安全区，折线以外为疲劳和塑性失效区。为疲劳和塑性失效区。工作应力点工作应力点简化的材料疲劳极限应力图简化的材料疲劳极限应力图37直直线AG方程：方程：直线直线CG方程：方程：试件在变应力作用下试件在变应力作用下疲劳疲劳极限极限的平均应力的平均应力与应力幅值。与应力幅值。amO45A(0,s-1)D(s0/2,s0/2)C(ss,0)G简化的材料疲劳极限应力图简化的材料疲劳极限应力图382024/6/2839主要内容主要内容材料的疲劳特性材料的疲劳特性机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算机械零件的接触强度机械零件的接触强度1 12 23 339标准试件的疲标准试件的疲劳强度劳强度 绝对尺寸绝对尺寸应力集中应力集中 表面状态表面状态环境介质环境介质零件的疲零件的疲劳强度劳强度 1.综合影响系数综合影响系数K引引入入综综合合影影响响系系数数K来来考考虑虑各各种种因因素素对对零零件件疲疲劳强度的影响。劳强度的影响。40 Ks s为材料的材料的对称循称循环疲疲劳极限极限s s-1与零件与零件对称循称循环疲疲劳极限极限s s-1e的比的比值:(1)在对称循环应力作用下在对称循环应力作用下to1.综合影响系数综合影响系数K41(2)在非对称循环应力作用下在非对称循环应力作用下 Ks s为材料的试件与零件的极限应力幅之比，即：为材料的试件与零件的极限应力幅之比，即：s sa与与s sae的比值的比值:例如：脉动循环变应力作用下，例如：脉动循环变应力作用下，1.综合影响系数综合影响系数K421.综合影响系数综合影响系数K零件的有效应力集中系数零件的有效应力集中系数零件的尺寸系数零件的尺寸系数零件的强化系数零件的强化系数零件的表面质量系数零件的表面质量系数43零件的有效应力集中系数零件的有效应力集中系数理论应力集中系数理论应力集中系数敏感系数敏感系数1.综合影响系数综合影响系数K442.零件的极限应力图零件的极限应力图OADGC 把把材材料料的的极极限限应应力力图图中中AD段段按按比比例例下下移移并并延延长长，交交CG与与G，形成的，形成的ADGC折线为零件的极限应力图。折线为零件的极限应力图。45AG方程方程CG方程方程ae-零件的极限应力幅；零件的极限应力幅；me-零件的极限平均应力；零件的极限平均应力；OADGC折线折线AGC上任一点坐标为（上任一点坐标为（me，ae）463.单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算 进进行行零零件件疲疲劳劳强强度度计计算算时时，首首先先根根据据零零件件危危险险截截面面上上的的 max 及及 min确确定定平平均均应应力力m与与应应力力幅幅a，然然后后，在在极极限限应应力力线线图的坐标中标示出工作应力点图的坐标中标示出工作应力点M或或N。NMamoS CAG-1eDam 相相应应的的疲疲劳劳极极限限应应力力应应是是极极限限应应力力曲曲线线AGC上上的的某某一一个个点点M或或N所代表的应力所代表的应力(me，ae)。极限应力与工作应力的极限应力与工作应力的性质应相同性质应相同如何确定极限应力点？如何确定极限应力点？47计算安全系数及疲劳强度条件为：计算安全系数及疲劳强度条件为：ae-零件的极限应力幅；零件的极限应力幅；me-零件的极限平均应力；零件的极限平均应力；a-零件工作应力的应力幅；零件工作应力的应力幅；m-零件工作应力的平均应力；零件工作应力的平均应力；计算计算安全安全系数系数许用许用安全安全系数系数48NMamoS CAG-1eDam极限应力与工作应力的性质应相同极限应力与工作应力的性质应相同如何确定极限应力点？如何确定极限应力点？M或或N的位置与循环应力变的位置与循环应力变化规律有关。化规律有关。应明确工作应力的变化规律。应明确工作应力的变化规律。应力比为常数：应力比为常数：r=C可能发生的应可能发生的应力变化规律：力变化规律：平均应力为常数平均应力为常数m=C最小应力为常数最小应力为常数min=C49（1）r=C 的情况的情况 绝大多数转轴中的应力绝大多数转轴中的应力也是一个常数。也是一个常数。通过联立直线通过联立直线OM和和AG的方程可求解的方程可求解M1点的坐标。点的坐标。amO-1CAG-1e DS MM150计算安全系数及疲劳强度条件为：计算安全系数及疲劳强度条件为：amO-1CAG-1e DS MM151amO-1CAG-1e DS MM1图解法求疲劳强度安全系数图解法求疲劳强度安全系数52 N点的极限应力点点的极限应力点N1 位位于直线于直线CG上，上，有：有：工作应力为工作应力为N点时，首先可点时，首先可能发生的是屈服失效。故只能发生的是屈服失效。故只需要进行静强度计算即可。需要进行静强度计算即可。ae-1-1eamOCADS GmeaeamN N153（2）.m=C 的情况的情况需要在需要在 AG上确定上确定M2，使，使得：得：m=m am-1-1eamOCADS GMM2M2在在过过M点点且且纵纵轴轴平平行行线线上上，该该线线上上任任意意一一点点所所代代表表的的应应力力循循环都具有相同的平均应力值。环都具有相同的平均应力值。54am-1-1eamOCADS G同理，对于同理，对于N点的极限应力点的极限应力为为N2点。点。N N2由于落在了直线由于落在了直线CG上，故只上，故只要进行静强度计算：要进行静强度计算：计算公式为：计算公式为：55-1-1eamOCA DS G45(3)min=C MM3需要在需要在 AG上确定上确定M3，使得：，使得：因为：因为：min=m-a=C过过M点作点作45 直线，其上任意一点所代表的应力循环都直线，其上任意一点所代表的应力循环都具有相同的最小应力。具有相同的最小应力。M3位置如图。位置如图。minL56-1-1eamOCA DS G45 MM3minLAG方程方程57p在图示零件的极限应力简图中，如工作应力点在图示零件的极限应力简图中，如工作应力点M所在的所在的ON线线与横轴之间的夹角与横轴之间的夹角90时，则该零件受的是时，则该零件受的是_.A.脉动循环变应力 B.对称循环变应力 C.变号的不对称循环变应力 D.不变号的不对称循环变应力课堂练习课堂练习58p在图示零件的极限应力简图上，在图示零件的极限应力简图上，M M为零件的工作应力点，若为零件的工作应力点，若加载于零件的过程中保持最小应力加载于零件的过程中保持最小应力minmin为常数。则该零件的为常数。则该零件的极限应力点应为极限应力点应为_._.A Ml B M2 C M3 D M459例题例题某合金钢制成的零件，其材料性能为：某合金钢制成的零件，其材料性能为：已知工作应力为已知工作应力为 综合影响系数为综合影响系数为 按无限寿命考虑，分别用图解法和解析法校核该零件是按无限寿命考虑，分别用图解法和解析法校核该零件是否安全。否安全。设计安全系数为设计安全系数为 604.单向不稳定变应力时的疲劳强度计算单向不稳定变应力时的疲劳强度计算有规律非稳定变应力：有规律非稳定变应力：应力变化周期、应力幅应力变化周期、应力幅和平均应力之一随时间和平均应力之一随时间变化变化无规律非稳定变应力：无规律非稳定变应力：应力的变化不呈周期性。应力的变化不呈周期性。otot周期周期614.单向不稳定变应力时的疲劳强度计算单向不稳定变应力时的疲劳强度计算不稳定不稳定变应力变应力非规律性非规律性用统计方法进行疲劳强度计算用统计方法进行疲劳强度计算按累按累积积损伤假说进行疲劳强度计算损伤假说进行疲劳强度计算规律性规律性62规律性不稳定变应力规律性不稳定变应力1n12n23n34n4maxnOmaxNO1n1N12 n2N23 n3 N3-1-1 ND累积损伤假说累积损伤假说63 当损伤率达到当损伤率达到100%时，材料即发生疲劳破坏，故对时，材料即发生疲劳破坏，故对应于极限状况有：应于极限状况有：损伤累积假说损伤累积假说 Cumulative fatigue damage 适用于各作用应力幅无巨大的差别，无短时过载的情况。适用于各作用应力幅无巨大的差别，无短时过载的情况。Miner累积损伤法则累积损伤法则64实验表明：实验表明：1）当应力作用顺序是先大）当应力作用顺序是先大 后小时，等号右边值后小时，等号右边值 1；655.5.提高机械零件疲劳强度的措施提高机械零件疲劳强度的措施 （2 2）在综合考虑零件的性能要求和经济性后，采用具有）在综合考虑零件的性能要求和经济性后，采用具有高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和各种表面强化高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和各种表面强化处理。处理。（3 3）适当提高零件的表面质量，特别是提高有应力集中适当提高零件的表面质量，特别是提高有应力集中部位的表面加工质量，必要时表面作适当的防护处理。部位的表面加工质量，必要时表面作适当的防护处理。（1 1）降低零件上的应力集中的影响，是提高零件疲劳）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。强度的首要措施。（4 4）尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹尽可能地减少或消除零件表面可能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材料性能的尺寸，对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。更为显著的作用。662024/6/2867主要内容主要内容材料的疲劳特性材料的疲劳特性机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算机械零件的接触强度机械零件的接触强度1 12 23 367高高副副零零件件工工作作时理理论上上是是点点接接触触或或线接接触触，实际上上由由于于接接触触部部分分的的局局部部弹性性变形形而而形形成成面面接接触触，由由于于接接触触面面积很很小小，使使表表层产生生的的局局部部应力力却却很很大大。该应力力称称为接接触触应力力；在在表表面面接接触触应力力作作用用下下的的零零件件强度成度成为接触接触强度。度。接触应力的定义接触应力的定义68B两圆柱体接触两圆柱体接触两球体接触两球体接触接触失效形式常表现为：接触失效形式常表现为：疲劳点蚀疲劳点蚀后后果果：减减少少了了接接触触面面积积、损损坏坏了了零零件件的的光光滑滑表表面面、降降低低了了承承载载能能力力、引起振动和噪音。引起振动和噪音。接触强度不足的失效形式接触强度不足的失效形式69接触应力的计算接触应力的计算计算依据：弹性力学的赫兹公式计算依据：弹性力学的赫兹公式两圆柱体接触两圆柱体接触式式中中1 1和和2 2 分分别别为为两两零零件件初初始始接接触触线线处处的的曲曲率率半半径径（变变形形前前的的原原始始尺尺寸寸）,其其中中正正号号用用于于外外接接触触，负负号用于内接触。号用于内接触。7071
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