重慶大學(xué)機(jī)械設(shè)計課件—第2章機(jī)械零件的強(qiáng)度

1、第第2章章 機(jī)械零件的強(qiáng)度機(jī)械零件的強(qiáng)度2.1.1 載荷分類載荷分類2.1 2.1 載荷和應(yīng)力的分類載荷和應(yīng)力的分類1.1.靜載荷和變載荷靜載荷和變載荷靜載荷：大小、位置和方向不隨時間變化靜載荷：大小、位置和方向不隨時間變化或變化較緩慢的載荷?；蜃兓^緩慢的載荷。變載荷變載荷 ：隨時間變化的載荷。：隨時間變化的載荷。變載荷又可以分為周期載荷、隨機(jī)載荷和變載荷又可以分為周期載荷、隨機(jī)載荷和動載荷。動載荷。 載荷系數(shù)載荷系數(shù)K：影響零件受載不均勻性因素的系：影響零件受載不均勻性因素的系數(shù)。數(shù)。2. 2. 工作載荷、名義載荷和計算載荷工作載荷、名義載荷和計算載荷在設(shè)計中載荷常分為：工作載荷、名義載在

2、設(shè)計中載荷常分為：工作載荷、名義載荷和計算載荷。荷和計算載荷。工作載荷：機(jī)械正常工作時所受的實際工作載荷：機(jī)械正常工作時所受的實際載荷。載荷。名義載荷：根據(jù)額定功率用力學(xué)公式計算名義載荷：根據(jù)額定功率用力學(xué)公式計算出作用在零件上的載荷。出作用在零件上的載荷。計算載荷：載荷系數(shù)計算載荷：載荷系數(shù)K K與名義載荷的乘積。與名義載荷的乘積。2.1.2 2.1.2 應(yīng)力分類應(yīng)力分類變應(yīng)力：隨時間變化的應(yīng)力。變應(yīng)力：隨時間變化的應(yīng)力。變應(yīng)力變應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力變應(yīng)力由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生。變應(yīng)力由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生。應(yīng)力分為靜應(yīng)力和變應(yīng)力。應(yīng)力分為靜應(yīng)力和變應(yīng)力。靜應(yīng)力：不隨

3、時間變化或變化較緩慢的應(yīng)力。靜應(yīng)力：不隨時間變化或變化較緩慢的應(yīng)力。穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力。非對稱循環(huán)變應(yīng)力。脈動循環(huán)變應(yīng)力。脈動循環(huán)變應(yīng)力。對稱循環(huán)變應(yīng)力。對稱循環(huán)變應(yīng)力。不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力對于穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力，引入下列參數(shù)：對于穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力，引入下列參數(shù)：maxminmar 變應(yīng)力最大值變應(yīng)力最大值 變應(yīng)力最小值變應(yīng)力最小值 平均應(yīng)力值平均應(yīng)力值 應(yīng)力幅應(yīng)力幅 應(yīng)力比（循環(huán)特性）應(yīng)力比（循環(huán)特性）maxminmaxminmaxminminmax22mamamamamar因此：maxminmaxminminm1,1,00,2rrr maxa當(dāng)時，即為靜應(yīng)力

4、；當(dāng)時，稱為對稱循環(huán)變應(yīng)力；當(dāng)時，=,稱為脈動循環(huán)變應(yīng)力；r = -1對稱循環(huán)應(yīng)力r=0脈動循環(huán)應(yīng)力r=1靜應(yīng)力2.2 2.2 機(jī)械零件的靜強(qiáng)度機(jī)械零件的靜強(qiáng)度 在靜應(yīng)力作用下的機(jī)械零件，在靜應(yīng)力作用下的機(jī)械零件，其主要失效形式是斷裂或塑性變其主要失效形式是斷裂或塑性變形。形。limlim,SS 靜強(qiáng)度計算方法靜強(qiáng)度計算方法1.1.許用應(yīng)力法許用應(yīng)力法判斷危險截面處的應(yīng)力是否小于許用應(yīng)力判斷危險截面處的應(yīng)力是否小于許用應(yīng)力即即limlim,ssss2.2.安全系數(shù)法安全系數(shù)法判斷危險截面處的實際安全系數(shù)是否大判斷危險截面處的實際安全系數(shù)是否大于等于許用安全系數(shù)于等于許用安全系數(shù)即即2.3 2.

5、3 機(jī)械零件的疲勞特性機(jī)械零件的疲勞特性 表面無宏觀缺陷的金屬材料，其疲勞過程表面無宏觀缺陷的金屬材料，其疲勞過程可分為兩個階段：可分為兩個階段： 表面通過各種滑移方式形成初始裂紋；表面通過各種滑移方式形成初始裂紋； 裂紋尖端在切應(yīng)力作用下發(fā)生反復(fù)塑性裂紋尖端在切應(yīng)力作用下發(fā)生反復(fù)塑性變形，使裂紋擴(kuò)展以致斷裂。變形，使裂紋擴(kuò)展以致斷裂。 絕大多數(shù)機(jī)械零件都是在變應(yīng)力下工作的。絕大多數(shù)機(jī)械零件都是在變應(yīng)力下工作的。在變應(yīng)力作用下經(jīng)過較長時間工作的零件，其失在變應(yīng)力作用下經(jīng)過較長時間工作的零件，其失效形式將是疲勞斷裂。效形式將是疲勞斷裂。2.3.1 2.3.1 疲勞斷裂疲勞斷裂2.3.2 2.3.

6、2 疲勞極限疲勞極限 疲勞極限：在任一給定循環(huán)特性疲勞極限：在任一給定循環(huán)特性r r 的條件下，應(yīng)力循環(huán)的條件下，應(yīng)力循環(huán)N N次后，材料不發(fā)次后，材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應(yīng)力稱為疲勞極限，生疲勞破壞時的最大應(yīng)力稱為疲勞極限，用用 表示。表示。rNrN或 疲勞曲線：表示應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限 的關(guān)系的曲線。如圖 曲線的橫坐標(biāo)為循環(huán)次數(shù)，縱坐標(biāo)為疲勞極限。 在有限壽命區(qū)，疲勞曲線方程為：rNmr0N=N =CrNr一定材料的持久疲勞極限應(yīng)力循環(huán)基數(shù)材料在不同的循環(huán)特性材料在不同的循環(huán)特性r下游不同的疲勞曲線下游不同的疲勞曲線2.3.3 2.3.3 極限應(yīng)力圖極限應(yīng)力圖 用縱坐標(biāo)表示應(yīng)力幅、橫

7、坐標(biāo)表示平均應(yīng)用縱坐標(biāo)表示應(yīng)力幅、橫坐標(biāo)表示平均應(yīng)力。將在一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)力。將在一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N N下的極限應(yīng)力值下的極限應(yīng)力值描繪在坐標(biāo)上所得到的平滑曲線即為該材料的描繪在坐標(biāo)上所得到的平滑曲線即為該材料的疲勞極限應(yīng)力線圖疲勞極限應(yīng)力線圖 。C DC DACAC 為了簡化試驗，常用兩條直線為了簡化試驗，常用兩條直線 和和 來代來代替疲勞曲線。用替疲勞曲線。用 和和 二直線構(gòu)成的疲勞曲線二直線構(gòu)成的疲勞曲線稱為材料的簡化極限應(yīng)力曲線。如圖所示。稱為材料的簡化極限應(yīng)力曲線。如圖所示。r一定材料的疲勞極限應(yīng)力圖2.3.4 2.3.4 影響零件疲勞強(qiáng)度的因素影響零件疲勞強(qiáng)度的因素影響零件疲勞

8、強(qiáng)度的主要因素有：影響零件疲勞強(qiáng)度的主要因素有：1 1、應(yīng)力集中、應(yīng)力集中2 2、絕對尺寸、絕對尺寸3 3、表面質(zhì)量、表面質(zhì)量3.3.表面質(zhì)量對零件疲勞強(qiáng)度的影響表面質(zhì)量對零件疲勞強(qiáng)度的影響 當(dāng)其他條件相同時，零件表面越粗糙，其疲勞極限也越低。1.應(yīng)力集中對零件疲勞強(qiáng)度的影響應(yīng)力集中對零件疲勞強(qiáng)度的影響 在零件剖面的幾何形狀突然變化處（如孔、圓角、鍵槽、螺紋等），局部應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力，這種現(xiàn)象叫應(yīng)力集中。2.2.絕對尺寸對零件疲勞強(qiáng)度的影響絕對尺寸對零件疲勞強(qiáng)度的影響 當(dāng)其他條件相同時，零件剖面的絕對尺寸越大，其疲勞極限也越低。2.3.5 2.3.5 零件的疲勞極限應(yīng)力圖零件的疲勞極限應(yīng)

9、力圖 由于受零件幾何形狀、尺寸大小及由于受零件幾何形狀、尺寸大小及加工質(zhì)量等因素的影響，零件的疲勞極加工質(zhì)量等因素的影響，零件的疲勞極限要小于材料試件的疲勞極限。因此，限要小于材料試件的疲勞極限。因此，零件的疲勞極限應(yīng)力圖是直接將材料的零件的疲勞極限應(yīng)力圖是直接將材料的疲勞極限應(yīng)力圖中的直線疲勞極限應(yīng)力圖中的直線 按比例向按比例向下移即可得到。如圖下移即可得到。如圖ABC零件的疲勞極限應(yīng)力圖ABCA2.4.1 2.4.1 單向穩(wěn)定變應(yīng)力的疲勞強(qiáng)度計算單向穩(wěn)定變應(yīng)力的疲勞強(qiáng)度計算2.4 2.4 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算所謂所謂“單向單向”指僅受正應(yīng)力或剪應(yīng)力中的一種應(yīng)力；指僅

10、受正應(yīng)力或剪應(yīng)力中的一種應(yīng)力；所謂所謂“穩(wěn)定穩(wěn)定”指變應(yīng)力參數(shù)不隨時間變化。指變應(yīng)力參數(shù)不隨時間變化。 在作機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算時，首先要求出零件危在作機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算時，首先要求出零件危險截面上的最大應(yīng)力險截面上的最大應(yīng)力 及最小應(yīng)力及最小應(yīng)力 并計算出平均應(yīng)力并計算出平均應(yīng)力 及應(yīng)力幅及應(yīng)力幅 ，然后在疲勞極限應(yīng)力圖的坐標(biāo)上標(biāo)出相應(yīng)，然后在疲勞極限應(yīng)力圖的坐標(biāo)上標(biāo)出相應(yīng)的工作應(yīng)力點的工作應(yīng)力點 或或 。顯然，在強(qiáng)度計算時所用的疲。顯然，在強(qiáng)度計算時所用的疲勞極限應(yīng)是零件疲勞極限應(yīng)力圖勞極限應(yīng)是零件疲勞極限應(yīng)力圖ACDACD上的某一個點所代表上的某一個點所代表的應(yīng)力。的應(yīng)力。r cm

11、inc3 3、變應(yīng)力的最小應(yīng)力保持不變、變應(yīng)力的最小應(yīng)力保持不變 ，例，例如緊螺栓聯(lián)結(jié)中螺栓受軸向變載荷的應(yīng)力狀態(tài)。如緊螺栓聯(lián)結(jié)中螺栓受軸向變載荷的應(yīng)力狀態(tài)。mc 根據(jù)零件應(yīng)力的變化規(guī)律以及零件與相鄰零根據(jù)零件應(yīng)力的變化規(guī)律以及零件與相鄰零件互相約束情況的不同，通常有下述三種典型的件互相約束情況的不同，通常有下述三種典型的應(yīng)力變化規(guī)律：應(yīng)力變化規(guī)律：1 1、變應(yīng)力的循環(huán)特性保持不變、變應(yīng)力的循環(huán)特性保持不變 ，例如，例如絕大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應(yīng)力狀態(tài)；絕大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應(yīng)力狀態(tài)；2 2、變應(yīng)力的平均應(yīng)力保持不變、變應(yīng)力的平均應(yīng)力保持不變 ，例，例如振動著的受載彈簧的應(yīng)力狀態(tài)；如振動著的受載彈簧的應(yīng)力狀

12、態(tài)；r=cmincmc單向穩(wěn)定變應(yīng)力時零件的疲勞強(qiáng)度計算的步驟單向穩(wěn)定變應(yīng)力時零件的疲勞強(qiáng)度計算的步驟maxmema maxmaxcass第一步：求出零件危險剖面上的最大應(yīng)力 和最小應(yīng)力 ；minmax第二步：根據(jù)工作應(yīng)力 、 計算出 和 ；mamaxmin第三步：在零件的極限應(yīng)力線圖的坐標(biāo)上標(biāo)出相應(yīng)于 和 的一個工作應(yīng)力點M（ ）或者點N（ ）；,mama,ma第四步：按照工作應(yīng)力的性質(zhì)，找出零件極限應(yīng)力線圖上相應(yīng)于M點（或N點）的極限應(yīng)力點 （或 ），求得零件得極限應(yīng)力MN第五步：建立強(qiáng)度條件式中： maxmaxcass計算安全系數(shù)； 許用安全系數(shù)；零件的極限應(yīng)力（疲勞極限）； 最大應(yīng)力2.4.2 2.4.2 規(guī)律性單向非穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強(qiáng)度計算規(guī)律性單向非穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強(qiáng)度計算 如果變應(yīng)力 表示循環(huán)特性為 時各循環(huán)的最大應(yīng)力，