重慶大學機械設計課件—第2章機械零件的強度

1、第第2章章 機械零件的強度機械零件的強度2.1.1 載荷分類載荷分類2.1 2.1 載荷和應力的分類載荷和應力的分類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、隨機載荷和變載荷又可以分為周期載荷、隨機載荷和動載荷。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計中載荷常分為：工作載荷、名義載在

2、設計中載荷常分為：工作載荷、名義載荷和計算載荷。荷和計算載荷。工作載荷：機械正常工作時所受的實際工作載荷：機械正常工作時所受的實際載荷。載荷。名義載荷：根據(jù)額定功率用力學公式計算名義載荷：根據(jù)額定功率用力學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 應力分類應力分類變應力：隨時間變化的應力。變應力：隨時間變化的應力。變應力變應力隨機變應力隨機變應力變應力由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生。變應力由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生。應力分為靜應力和變應力。應力分為靜應力和變應力。靜應力：不隨

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

4、；當時，稱為對稱循環(huán)變應力；當時，=,稱為脈動循環(huán)變應力；r = -1對稱循環(huán)應力r=0脈動循環(huán)應力r=1靜應力2.2 2.2 機械零件的靜強度機械零件的靜強度 在靜應力作用下的機械零件，在靜應力作用下的機械零件，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 靜強度計算方法靜強度計算方法1.1.許用應力法許用應力法判斷危險截面處的應力是否小于許用應力判斷危險截面處的應力是否小于許用應力即即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 機械零件的疲勞特性機械零件的疲勞特性 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； 裂紋尖端在切應力作用下發(fā)生反復塑性裂紋尖端在切應力作用下發(fā)生反復塑性變形，使裂紋擴展以致斷裂。變形，使裂紋擴展以致斷裂。 絕大多數(shù)機械零件都是在變應力下工作的。絕大多數(shù)機械零件都是在變應力下工作的。在變應力作用下經(jīng)過較長時間工作的零件，其失在變應力作用下經(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，應力循環(huán)的條件下，應力循環(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力稱為疲勞極限，生疲勞破壞時的最大應力稱為疲勞極限，用用 表示。表示。rNrN或 疲勞曲線：表示應力循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限 的關系的曲線。如圖 曲線的橫坐標為循環(huán)次數(shù)，縱坐標為疲勞極限。 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 極限應力圖極限應力圖 用縱坐標表示應力幅、橫

7、坐標表示平均應用縱坐標表示應力幅、橫坐標表示平均應力。將在一定的應力循環(huán)次數(shù)力。將在一定的應力循環(huán)次數(shù)N N下的極限應力值下的極限應力值描繪在坐標上所得到的平滑曲線即為該材料的描繪在坐標上所得到的平滑曲線即為該材料的疲勞極限應力線圖疲勞極限應力線圖 。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力曲線。如圖所示。稱為材料的簡化極限應力曲線。如圖所示。r一定材料的疲勞極限應力圖2.3.4 2.3.4 影響零件疲勞強度的因素影響零件疲勞強度的因素影響零件疲勞

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

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，零件的疲勞極限應力圖是直接將材料的零件的疲勞極限應力圖是直接將材料的疲勞極限應力圖中的直線疲勞極限應力圖中的直線 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零件的疲勞極限應力圖ABCA2.4.1 2.4.1 單向穩(wěn)定變應力的疲勞強度計算單向穩(wěn)定變應力的疲勞強度計算2.4 2.4 機械零件的疲勞強度計算機械零件的疲勞強度計算所謂所謂“單向單向”指僅受正應力或剪應力中的一種應力；指僅

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

11、inc3 3、變應力的最小應力保持不變、變應力的最小應力保持不變 ，例，例如緊螺栓聯(lián)結(jié)中螺栓受軸向變載荷的應力狀態(tài)。如緊螺栓聯(lián)結(jié)中螺栓受軸向變載荷的應力狀態(tài)。mc 根據(jù)零件應力的變化規(guī)律以及零件與相鄰零根據(jù)零件應力的變化規(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力變化規(guī)律：應力變化規(guī)律：1 1、變應力的循環(huán)特性保持不變、變應力的循環(huán)特性保持不變 ，例如，例如絕大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應力狀態(tài)；絕大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應力狀態(tài)；2 2、變應力的平均應力保持不變、變應力的平均應力保持不變 ，例，例如振動著的受載彈簧的應力狀態(tài)；如振動著的受載彈簧的應力狀

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