機械零件的疲勞強度完整版

1、2 本章屬于備查章節(jié)，它包含了許多有關(guān)機械設(shè)計（零件）基本知識與基本概念，例如：機械零件強度的基本概念、機械零件的耐磨性、常用材料、工藝性、公差與配合等。本章采取部分內(nèi)容插入有關(guān)章節(jié)介紹的方法。 本章的主要任務(wù)是完成由研究常用機構(gòu)向研究通用零件的過渡。3機械零件設(shè)計概述機械零件設(shè)計概述注意失效并不一定意味著破壞（破壞的零件則不能工作，而失效的零件不一定不能工作，只是不能正常工作），因此，失效有更廣泛的含義。兩個基本概念:失效:機械零件由于某種原因不能正常工作。工作能力：不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度。若此限度對載荷而言，又可稱承載能力。4機械零件的強度機械零件的強度零件設(shè)計中的載荷

2、與應(yīng)力零件設(shè)計中的載荷與應(yīng)力名義載荷（公稱載荷）在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷。計算載荷=K名義載荷其中： K載荷系數(shù)載荷載荷的分類：靜載荷變載荷5名義應(yīng)力由名義載荷求出的應(yīng)力計算應(yīng)力由計算載荷求出的應(yīng)力注意變應(yīng)力既可由變載荷產(chǎn)生，也可由靜載荷產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)力的分類靜應(yīng)力變應(yīng)力6零件受靜載荷產(chǎn)生變應(yīng)力的舉例1.轉(zhuǎn)動心軸F=常數(shù)at產(chǎn)生對稱循環(huán)彎曲應(yīng)力72 . 齒 輪 傳 動 :abF單向回轉(zhuǎn)時：脈動循環(huán)彎曲應(yīng)力齒根彎曲tab雙向回轉(zhuǎn)時：tababab對稱循環(huán)彎曲應(yīng)力8齒面接觸FaHta齒面產(chǎn)生脈動循環(huán)接觸應(yīng)力9滾動軸承外圈滾道表面：FaHta產(chǎn)生脈動循環(huán)接觸應(yīng)力10靜應(yīng)力變應(yīng)力非對稱循環(huán)

3、對稱循環(huán)脈動循環(huán)-tma（平均應(yīng)力）(應(yīng)力幅）r（循環(huán)特性）ot max= min0+1ot =常數(shù)aminmaxmmax + min2max - min2 min maxotamaxmin0max =- min-1otammaxa =max2m =max2011載荷與應(yīng)力的關(guān)系歸納：載荷靜載荷變載荷靜應(yīng)力變應(yīng)力非對稱循環(huán)對稱循環(huán)脈動循環(huán)名義載荷 F計算載荷 Fc(Fc=KF)名義應(yīng)力c=K計算應(yīng)力c 應(yīng)力12機械零件的強度條件機械零件的強度條件=limS（或= ） limS說明：上式只適用簡單應(yīng)力于（即只拉、壓、彎、扭其中之一應(yīng)力作用在零件上時）；對于復(fù)雜情況（即兩種以上應(yīng)力同時作用在零件上

4、），可用材料力學強度理論中的第3和第4理論）；許用應(yīng)力13S安全系數(shù)應(yīng)力種類材料S變應(yīng)力靜應(yīng)力塑性材料1.21.5塑性較差(SB0.6)、鑄鐵1.52.5脆性材料34材質(zhì)均勻,計算較準確1.31.7材質(zhì)不均勻,計算不準確1.72.514lim 極限正應(yīng)力（ lim 極限切應(yīng)力）變應(yīng)力作用下時：lim = rN (疲勞極限）注意零件的材料一定時， s 和B可直接從手冊(教材:123頁表9-1)中查到，而rN 需計算得到。lim塑性材料：lim = s (屈服極限）靜應(yīng)力作用下時脆性材料：lim = B (強度極限）15機械零件的疲勞強度機械零件的疲勞強度變應(yīng)力下零件的損壞形式疲勞斷裂疲勞斷裂的過

5、程：滑移萌生（微裂紋）裂紋擴展突然斷裂16F大大F大大？F大大F大大？生 活小常識：如何將鐵絲弄斷呢？在無工具的情況下F小小17F小小小常識的啟示：小常識的啟示：使鐵絲疲勞斷裂要比使它在靜應(yīng)力下拉斷省力的多。換言之，鐵絲疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠小于靜應(yīng)力拉斷的極限應(yīng)力。疲勞斷裂與循環(huán)次數(shù)（N）有關(guān),即是損傷積累到一定程度突然發(fā)生的。疲勞斷裂與應(yīng)力循環(huán)特性（r）有關(guān), 應(yīng)力循環(huán)特性不同則疲勞斷裂的速度不同。例：r= -1 易斷； 1 2 3 N 易斷； 1 2 3 N 不易斷（冷作硬化）；18疲勞斷裂的斷口疲勞斷裂的斷口疲勞區(qū)（表面光滑區(qū)）脆性斷裂區(qū)（粗粒狀區(qū)）19疲勞曲線疲勞曲線表示應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)

6、N之間的關(guān)系曲線。有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)疲勞曲線的特點：N0循環(huán)基數(shù)N0HB35010735025107orNNN0（黑色金屬）rr持久極限對稱循環(huán)脈動循環(huán)r-1020有限壽命區(qū)（NN0）的曲線方程：orNNN0r由試驗得出：rnm N =rm N0 =常數(shù)其中：m試驗指數(shù)（彎曲時m=9)rN = r mN0N則疲勞極限為：（NN0 ）疲勞極限: rN = r （ NN0 ）:21按有限壽命（NN0）計算時：rN = r mN0N其中： rN 疲勞極限按無限壽命（NN0）計算時：rN = r 變應(yīng)力下的強度條件：=limSrNS=因此得出22因 試件零件故 零件的強度條件：=limS rNk S

7、=影響零件疲勞強度的因素：1、應(yīng)力集中（ k ）2、絕對尺寸（ ）3、表面質(zhì)量（）（查手冊）23 例： 45號鋼的對稱循環(huán)持久極限-1 =307 MPa,m=9, N0 =107,求應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N =106, N =107, N =108 時的疲勞極限值。解：由公式rN = r mN0N（NN0）rN = r （N1.5安全因按無限壽命計算,故:rN=-126機械零件的接觸強度機械零件的接觸強度 接觸應(yīng)力(H)：是點或線接觸的兩零件，受載后，接觸表面產(chǎn)生的局部應(yīng)力。FnHH12b 這時，零件的強度稱為接觸強度。 在接觸應(yīng)力作用下，零件的主要失效形式是疲勞點蝕。27疲勞點蝕的形成過程(演示)：在

8、接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下 FnFnFnFnFnFn先在1520m表層處產(chǎn)生初始疲勞裂紋（初始裂紋與表面成銳角方向發(fā)展） 潤滑油進入裂紋 因齒面受壓變形，產(chǎn)生高油壓，裂紋加快擴展（“脹開”） 裂紋到達 一定深度后，越出表面 造成小塊金屬脫落，形成小坑疲勞點蝕。 FnFn發(fā)生疲勞點蝕后的不良后果：損壞零件表面光潔度；接觸面積減??；承載能力降低；傳動質(zhì)量下降，引起振動和噪音。28接觸應(yīng)力的計算：接觸應(yīng)力的計算：FnHH12b赫茲（H.Hertz)公式 :H =Fnb.11121-12E11-22E2+其中： H 最大接觸應(yīng)力（赫茲應(yīng)力） ；b接觸長度；Fn 載荷； 1、2兩圓柱體材料的泊松比； 1 、2

9、 兩圓柱體曲率半徑； E1、E2兩圓柱體材料的彈性模量；正號用于外接觸，負號用于內(nèi)接觸。注意： H1 = H229對鋼或鑄鐵，取=1=2=0.3H =0.418Fn Eb其中： 綜合曲率半徑1 22 1E綜合材料的彈性模量2E1 E2E1 + E2E=30若令，彈性系數(shù)：ZE =1-12E11-22E2+1.1H = ZE Fn b其中： 綜合曲率半徑 b接觸長度Fn 載荷；ZE材料系數(shù)31接觸疲勞強度的條件：H H =Hlim S H 其中： Hlim材料的接觸疲勞極限對于鋼材Hlim2.76HB-70 (MPa)S H 安全系數(shù)， S H1 32例：圖示為由兩個相互壓緊的鋼制摩擦輪組成的摩

10、擦輪傳動。已知：D1=100mm,D2=140mm,b=50mm,小輪主動；主動軸傳遞功率P=5kW、轉(zhuǎn)速n1=500r/min，傳動較平穩(wěn)，載荷系數(shù)K=1.25，摩擦系數(shù),f=0.15。試求：（1）所需的法向壓緊力N；（2）兩輪接觸處 最大接觸應(yīng)力；（3）若摩擦輪的材料硬度HB=300,試校核接觸強度。D1D2NNb33D1D2NNb解：（1）小輪的轉(zhuǎn)矩 ： T1=9.55106Pn1= 9.551065500=95500(N.mm)圓周力：F=2T1D1=295500100=1910(N)由防滑條件：fNKF 得法向壓緊力 ： N= KFf=1.25 19100.15=15900(N)34

11、（2） 根據(jù)公式：H =0.418Fn Eb本題中，F(xiàn)n=N=15900 N;b=50 mm =1 22 + 1=507050+70=29.2查得：E=2.06105 MPa故H =0.418159002.061055029.2=626 (MPa)35(3)接觸疲勞極限：Hlim =2.76HB -70 =2.76300-70=758 MPa)取 安全系數(shù)： SH=1.1則 許用接觸應(yīng)力：H =Hlim SH7581.1=因 H H 故 滿足接觸強度條件。36例：圖示，為實現(xiàn)變速，主動摩擦輪可分別帶動三個從動摩擦輪（1、2、3輪）。已知：D1 D20.6%)低合金鋼(合金總含量5%)中合金鋼(

12、合金總含量510%)高合金鋼(合金總含量10%)齒輪、軸、蝸桿、螺釘、鉚釘、連桿等較重要的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件鑄鋼一般鑄鋼特殊鑄鋼普通碳素鑄鋼低合金鑄鋼機座、大齒輪、棘輪、曲軸等容器、齒輪、曲軸、水輪機葉片等耐蝕、耐熱、無磁、電工零件、水輪機葉片、模具等鑄鐵灰鑄鐵(HT)低牌號（HT100HT150)高牌號（HT200HT400)底座、手輪、床身、蓋等齒輪、帶輪、飛輪、聯(lián)軸器、機身可鍛鑄鐵（KT)鐵素體型珠光體型減速器殼、搬手、支座等曲軸、齒輪、活塞環(huán)、軸套等球墨鑄鐵(QT)珠光體型鐵素體型同可鍛鑄鐵特殊鑄鐵耐蝕、耐熱、耐磨場合44銅合金鑄造銅合金變形銅合金鑄造黃銅（ZH)鑄造青銅（ZQ)軸瓦、襯套、閥

13、體、管接頭軸瓦、蝸輪、絲杠螺母、管配件黃銅（H)青銅（Q)管、鉚釘、螺母、墊圈軸瓦、蝸輪、螺母、彈簧軸承合金（巴氏合金）錫基軸承合金(ZChSnSb)鉛基軸承合金(ZChPbSb)軸承襯同上，（強度、耐腐蝕性梢差，但價格較低）塑料熱塑性塑料（聚乙烯、有機玻璃、尼龍等）熱固性塑料（酚醛塑料、氨基塑料等）耐腐蝕件、絕緣件、透明件、減磨件、密封件等橡膠通用橡膠特種橡膠密封件、減振件、帶傳動、運輸帶、軟管、絕緣材料、輪胎等45材料的選用原則：1使用要求1、受載情況和工作情況2、對尺寸和重量的限制3、零件的重要程度2工藝要求3經(jīng)濟要求46公差與配合、表面粗糙度公差與配合、表面粗糙度（祥見（祥見公差與配合

14、公差與配合）公差：零件尺寸必須介于兩個允許的極限尺寸之間，這兩個極限尺寸之差成為公差?；境叽纾涸O(shè)計給定的尺寸。公差帶：指代表上下偏差的兩條直線所限定的區(qū)域。配合：指同一基本尺寸的孔與軸的結(jié)合。配合的分類：間隙配合過渡配合過盈配合間隙配合表面粗糙度:是指零件表面的微觀幾何形狀誤差。47孔最大極限尺寸最小極限尺寸上偏差下偏差間隙配合：孔比軸大、用于動聯(lián)接（如：軸頸與滑動軸承）。軸最大極限尺寸上偏差最小極限尺寸下偏差基本尺寸零線孔公差軸公差48軸過渡配合：孔與軸可能有間隙，也可能有過盈，常用于要求具有良好同軸度并又便于裝拆的靜聯(lián)接（如：齒輪與軸）?？卓坠钶S公差49過盈配合：孔比軸小，用于靜聯(lián)接（

15、如：火車車輪與軸）。軸孔孔公差軸公差最小過盈最大過盈50配合制度：1、基孔制孔是基準孔，其下偏差為零，代號為H，而各種配合是由改變軸的公差帶來實現(xiàn)的?？坠盍憔€DefghH間隙配合jskm過渡配合prs過盈配合512、基軸制軸是基準軸，其上偏差為零，代號為h,而各種配合是由改變孔的公差帶來實現(xiàn)的。52H8f 7F8h7轉(zhuǎn)動配合,例：滑動軸承等常用優(yōu)先配合及應(yīng)用常用優(yōu)先配合及應(yīng)用間隙配合間隙配合基孔制基孔制基軸制基軸制應(yīng)應(yīng)用用過渡配合過渡配合過盈配合過盈配合H7g6G7h6不轉(zhuǎn)動的滑動配合，例：活塞、滾動軸承、花鍵聯(lián)接等H8h 7H8h 7不轉(zhuǎn)動的定位配合和精密滑動配合，例：滾動軸承等H7k6精

16、密定位 配合，例：低速齒輪、蝸輪、帶輪、軸、滾動軸承等K7h6H7n6N7h6更精密定位配合，例：齒輪、蝸輪、軸、滾動軸承等H7p 6P7h6特別重要的定位配合，例：較高速齒輪、蝸輪、軸、等H7s6S7h6能傳遞外載荷的配合和高速齒輪孔與軸的配合H7u6U7h6能傳遞較大外載荷的配合53公差等級：表示尺寸精度的程度。共20個公差等級，代號為：IT01、IT0、IT1、 、IT18。等級代號數(shù)字越大，其公差等級越低，尺寸精確程度越低。例：H 7表示孔的公差帶為H7 級公差精度機械制造中常用的公差等級：411級特別精密的零件重要零件中等工作速度、中等精度要求的零件低精度零件4 、56、7、88、9

17、10、1154注意凡低級能滿足要求的，則不要采用高等級。盲目追求高等級，必將導致加工量和加工費用的增長。相對加工費用公差等級IT4IT5IT6IT7IT8IT9IT10IT114.541.01.52.02.53.03.5加工內(nèi)表面加工外表面55表面粗糙度:是指零件表面的微觀幾何形狀誤差。它主要是由于加工后在零件表面留下微細的凹凸不平的刀痕。表面粗糙度的評定叁數(shù)：1、輪廓算術(shù)平均偏差Ra2、輪廓最大高度 Ry3、微觀不平度十點高度 Rz用于切削加工表面；用于未加工表面和非常精細的精加工表面。1、Ra ,Ry,Rz 的值越大，表面越粗糙；注意2、 加工方法不同，則粗糙度不同。（其值查手冊）56機械

18、零件的工藝性機械零件的工藝性（祥見（祥見金屬工藝學金屬工藝學、機械工程手冊機械工程手冊（5卷，卷，25篇）篇）良好的工藝性：良好的工藝性：花費的勞動量較小、加工費用較低，省時、省工、省材、便于加工、易保證精度。工藝性的基本要求：工藝性的基本要求：1、經(jīng)濟性。2、造型簡單化。形狀越復(fù)雜制造越困難，成本越高。3、加工的可能性、方便性、精確性。4、滿足熱處理要求。避免熱處理時產(chǎn)生變形、開裂或 降低熱處理質(zhì)量。5、裝拆的可能性和方便性。57（可連續(xù)加工）（需加工三次）切削加工：58難在機床上固定設(shè)計夾緊凸緣開夾緊工藝孔59（一次走刀）L（精車長度過長）L（減少精車長度）（需兩次走刀）60需兩次裝夾，難

19、保證孔的同軸度只需一次裝夾，易保證孔的同軸度61螺紋孔無法加工開設(shè)工藝孔剛度不足，加工時由于變形影響精度加強筋62L1L2應(yīng)保證裝配條件：L1 L2A向裝拆工藝性：63A向向Sr應(yīng)保證扳手空間（特殊情況應(yīng)配專用扳手）64軸肩過高，拆卸困難6566圓柱面配合較緊時，拆卸不便設(shè)拆卸落釘67裝銷時，空氣無法排除開設(shè)排氣孔開設(shè)排氣槽68ab定位銷對角布置a=b時，易出現(xiàn)安裝錯誤（誤轉(zhuǎn)180）同側(cè)布置定位銷（或使ab）69鑄造工藝性：壁厚不均勻，易出現(xiàn)縮孔壁厚減薄，（加筋）上中中下分型面多，造型不便，需三箱造型上下只需兩箱造型70焊接工藝性：M（彎矩）此處不易作為受拉側(cè)M（彎矩）讓焊縫底面作為受拉側(cè)M（雙向彎矩時）M（彎矩）*焊縫十字交叉內(nèi)應(yīng)力大焊縫錯開減小內(nèi)應(yīng)力71熱處理：剖面不均勻，淬火變形大開設(shè)工藝孔，淬火變形小一側(cè)