工學(xué)提高疲勞強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則-刪減螺栓部分

1、第三節(jié) 提高疲勞強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則機(jī)械零件失效調(diào)查發(fā)現(xiàn),80%屬于疲勞破壞。因此,在設(shè)計(jì)中應(yīng)重視提高疲勞強(qiáng)度的措施。疲勞破壞:在材料有不一致性的情況下,零件內(nèi)部分布不均的彈性和塑性變形多次快速反復(fù)交替作用的結(jié)果。最先的破壞發(fā)生在存在相對(duì)于作用載荷的方向不利的殘余應(yīng)力和受局部削弱部分的微觀體積內(nèi),進(jìn)而逐漸擴(kuò)展而發(fā)生零件的整體破壞。從疲勞斷裂的斷面可以分析出引起破壞的原因。 上圖是典型花鍵軸疲勞斷裂的斷面情況。從中可以清楚地看到,從根部應(yīng)力集中處產(chǎn)生并發(fā)展成的裂紋。應(yīng)力集中、螺紋連接中連接件與被連接件的相對(duì)剛度、零件表面的粗糙度、形狀及尺寸均影響零件的疲勞強(qiáng)度。對(duì)零件的表層進(jìn)行某些處理可以提高疲勞

2、強(qiáng)度。下面分別介紹:一、降低應(yīng)力集中的準(zhǔn)則二、連接件與被連接件的剛度合理匹配準(zhǔn)則三、改善表面狀況準(zhǔn)則一、降低應(yīng)力集中的準(zhǔn)則 受載荷的零件,在鉆孔、切槽、過(guò)渡倒角以及斷面驟然變化的過(guò)渡部分都存在應(yīng)力集中。在應(yīng)力集中的部位,零件的疲勞強(qiáng)度將顯著降低。該處的最大應(yīng)力比這個(gè)斷面上的平均應(yīng)力可以大25倍。降低應(yīng)力集中程度可以提高零件的疲勞強(qiáng)度。例例: :三種槽型的應(yīng)力集中三種槽型的應(yīng)力集中圖中所示的板或軸受拉,上面切出不同的三個(gè)槽,其應(yīng)力集中程度有明顯差別。例例: :五種段面變化形式五種段面變化形式應(yīng)力集中的比較的比較上圖所示的五種不同的局部變化形式,其應(yīng)力集中程度也有明顯差別。規(guī)律是:斷面變化急劇,則

3、應(yīng)力集中嚴(yán)重;斷面變化平緩,應(yīng)力集中輕微。例:降低應(yīng)力集中的最大應(yīng)力降低應(yīng)力集中的最大應(yīng)力板上有孔,若既要降低應(yīng)力集中的最大應(yīng)力又不多費(fèi)材料,可參考上圖的結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步了解應(yīng)力集中問(wèn)題,以板上鉆孔為例作些介紹。nomkmaxnomttkmaxnomekmax通常以應(yīng)力集中系數(shù)表示應(yīng)力集中的程度。若認(rèn)為材料是理想、均質(zhì)的彈性物質(zhì),用彈性力學(xué)方法可以得出理論的應(yīng)力集中系數(shù) 用實(shí)驗(yàn)得出的是有效應(yīng)力集中系數(shù)例:橫向孔受拉矩形斷面桿件的應(yīng)力集中橫向孔受拉矩形斷面桿件的應(yīng)力集中 上圖給出了三種不同材料在不同的d/b值時(shí),受拉的kt、ke值以及 值。) 1/() 1()/(tetekkqkkc、 受拉、壓

4、、彎、扭不同形式的載荷和引起零件應(yīng)力集中的不同結(jié)構(gòu)形式,其應(yīng)力集中程度也各不相同。以受拉時(shí)的ke為1,其他情況時(shí)的ke值見表。彎曲扭轉(zhuǎn)壓縮圓角過(guò)渡部分的應(yīng)力集中圓角過(guò)渡部分的應(yīng)力集中 不同直徑相鄰軸段過(guò)渡部分的結(jié)構(gòu),對(duì)應(yīng)力集中有直接影響。當(dāng)采用圓弧過(guò)渡時(shí),軸受彎曲,其應(yīng)力分布如圖a所示;受扭時(shí),如圖b所示。有效應(yīng)力集中系數(shù)有效應(yīng)力集中系數(shù)當(dāng)r=(d-d)/2時(shí),不同d/d值時(shí)的彎曲有效應(yīng)力集中系數(shù)k及受扭應(yīng)力集中系數(shù)k,見圖a和圖b。受彎曲比受扭對(duì)應(yīng)力集中更敏感。受彎曲比受扭對(duì)應(yīng)力集中更敏感。不同的圓角過(guò)渡形式不同的圓角過(guò)渡形式上圖列舉了七種圓弧過(guò)渡形式。 不同的圓角過(guò)渡形式不同的圓角過(guò)渡形式

5、 當(dāng)過(guò)渡部分的軸向長(zhǎng)度不受限制時(shí),可用如圖a的直線或大圓弧形式。當(dāng)過(guò)渡部分的長(zhǎng)度l1.6d時(shí),就不存在應(yīng)力集中了。 但是,這種形式常因長(zhǎng)度l過(guò)大而在使用上受限制。不同的圓角過(guò)渡形式不同的圓角過(guò)渡形式 圖b所示橢圓圓角過(guò)渡部分長(zhǎng)度較圖a的l小,也有較好地降低應(yīng)力集中的效果。不同的圓角過(guò)渡形式不同的圓角過(guò)渡形式為便于與小直徑軸段銜接,還有采用三圓弧或二圓弧的過(guò)渡形式, 且r1r2 (圖c、d)。這樣可獲得與橢圓圓弧近似的效果。不同的圓角過(guò)渡形式不同的圓角過(guò)渡形式 當(dāng)既要有較大的圓弧半徑又不減小較小的軸頸時(shí),可采用圖e、f的形式。圖g是具有卸荷槽的結(jié)構(gòu)。它可以更有效地降低有效應(yīng)力集中系數(shù)。螺栓的應(yīng)力

6、集中螺栓的應(yīng)力集中 重要的、受重載或變載的螺栓,螺栓頭部和桿部的過(guò)渡部分也須認(rèn)真設(shè)計(jì)。普通結(jié)構(gòu)的螺栓與被連接件結(jié)合后,存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中,如圖所示。螺栓的應(yīng)力集中螺栓的應(yīng)力集中螺母與螺桿螺紋的結(jié)合部位的應(yīng)力集中可采用改進(jìn)螺母結(jié)構(gòu)的方法解決,本章前面已有闡述。螺栓頭與桿的截面突變處也有嚴(yán)重的應(yīng)力集中。如圖a所示之尖角結(jié)構(gòu),從螺栓頭到桿部,其剛度突然減小很多,力線的方向發(fā)生急劇變化,所以,應(yīng)力集中嚴(yán)重。如果將過(guò)渡部位設(shè)計(jì)成半徑為r圓角(圖b),可提高壽命35倍。螺栓的應(yīng)力集中螺栓的應(yīng)力集中 但是這種僅有過(guò)渡圓角的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中仍很嚴(yán)重。為了有效地降低應(yīng)力集中,可采用圖b、c、d的結(jié)構(gòu),d最佳。在交變

7、載荷作用下,對(duì)于車、銑和磨制的螺紋,要使螺栓等強(qiáng),過(guò)渡圓角半徑應(yīng)取r=(0.10.125)d0。對(duì)于滾軋螺紋或在車、銑、磨之后經(jīng)滾軋而提高了螺紋強(qiáng)度的螺栓，則取r=(0.20.3)d0 。二、連接件與被連接件的剛度合理匹配準(zhǔn)則以一個(gè)合理配置螺栓連接剛度以提高其疲勞強(qiáng)度的例子，說(shuō)明連接件與被連接件的剛度合理匹配準(zhǔn)則。43 . 121dqca合理配置螺栓連接剛度以提高其疲合理配置螺栓連接剛度以提高其疲勞強(qiáng)度勞強(qiáng)度( (見機(jī)械設(shè)計(jì)見機(jī)械設(shè)計(jì)) ) 在具有預(yù)緊力的螺栓連接中,如果工作載荷是脈動(dòng)的,則螺栓和被連接件(以下簡(jiǎn)稱凸緣)所受的拉力和壓力都是非對(duì)稱循環(huán)變化的。螺栓與凸緣的剛度(實(shí)為二者的相對(duì)剛度

8、)和連接的預(yù)緊力與工作載荷的比值,決定了螺栓和凸緣所受載荷的波動(dòng)程度。合理配置螺栓連接剛度以提高其疲合理配置螺栓連接剛度以提高其疲勞強(qiáng)度勞強(qiáng)度降低相對(duì)剛度1/2 :減小螺栓直徑、加大螺栓距離和加大凸緣截面積三、改善表面狀況準(zhǔn)則1、降低表面粗糙程度準(zhǔn)則表面加工粗糙留有刀痕,零件受力后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。所以,提高表面光潔程度可使零件的疲勞強(qiáng)度得到改善。右圖是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的疲勞強(qiáng)度折減因子b(鋼材)與材料的抗拉強(qiáng)度b及表面粗糙度ra之間的關(guān)系曲線。強(qiáng)度越高，鋼材塑性越低對(duì)應(yīng)力集中越敏感對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響越顯著圖2-44是交變應(yīng)力下淬火-回火鋼及正火鋼的b-ra曲線。圖2-45是拉-壓及彎曲應(yīng)力(非交

9、變)下淬火-回火鋼的b-ra曲線。圖2-46是鑄鐵材料毛坯面時(shí)的b-b曲線。表面處理:采用滾壓、噴丸、碳化和氮化等方法強(qiáng)化表面層,以提高疲勞強(qiáng)度。2、表面處理提高疲勞強(qiáng)度準(zhǔn)則、表面處理提高疲勞強(qiáng)度準(zhǔn)則表面經(jīng)處理后形成硬化層和氮化層,并在表面形成壓應(yīng)力。當(dāng)工作載荷使表層存在拉應(yīng)力時(shí),因有殘余應(yīng)力,拉應(yīng)力被部分地抵消?？偟男Ч翘岣吡似趶?qiáng)度。 表面硬化層不得間斷,否則,在間斷的軟硬表面交界處,疲勞強(qiáng)度會(huì)顯著降低。以上圖中的齒輪輪齒表面和曲軸軸頸表面的硬化為例,其中:是錯(cuò)誤的;是正確的。 為了提高疲勞強(qiáng)度,對(duì)于不同的表面硬化方法,最佳的硬化層厚度是: 滲碳:0.40.8mm 碳氮共滲和氮化:0.3

10、0.5mm 高頻淬火及火焰淬火:24mm如果將齒輪輪齒的全齒廓均作火焰淬火處理,其持久根限為原鋼料的1.85倍。若僅將工作齒面淬火,因軟硬交界處產(chǎn)生應(yīng)力突變,持久極限反而降低為原鋼料的80%。例例: :游戲機(jī)鋼繩彎曲疲勞失效游戲機(jī)鋼繩彎曲疲勞失效大型游戲飛機(jī)的傳動(dòng)裝置，由電動(dòng)機(jī)-減速器-卷筒-鋼繩提起立柱,在立柱頂端裝有8根橫桿其上各有一架模型飛機(jī)。立柱由鋼繩拉起3m高,立柱頂端的電動(dòng)機(jī)2使飛機(jī)繞立柱轉(zhuǎn)動(dòng),35min后電動(dòng)機(jī)1反轉(zhuǎn),飛機(jī)下落至地面,完成一個(gè)游戲循環(huán)。提升立柱所須鋼繩拉力f=15kn。例例: :游戲機(jī)鋼繩彎曲疲勞失效游戲機(jī)鋼繩彎曲疲勞失效傳動(dòng)裝置采用了619+1的鋼繩(6股,每股

11、19根鋼絲,芯1)鋼繩直徑d=21.5mm,鋼絲繩最小破斷拉力fd=272kn,滑輪直徑d=400mm。此例中,fd/f=272/15=18.1好象有較大的安全儲(chǔ)備。實(shí)際上工作18743次以后,鋼絲繩被拉斷,游藝飛機(jī)落下。游戲機(jī)鋼繩彎曲疲勞失效游戲機(jī)鋼繩彎曲疲勞失效事后分析主要結(jié)果如下:1)鋼絲繩斷口十分不整齊,是鋼絲逐漸斷開,最后整 根鋼絲繩斷裂,造成事故。2)在斷口以外的鋼絲繩也有許多斷絲現(xiàn)象。3)鋼絲繩表面的鋼絲有許多發(fā)生嚴(yán)重磨損。4)鋼絲繩所受彎曲應(yīng)力過(guò)大。5)鋼絲繩導(dǎo)向的導(dǎo)向輪與軸之間沒(méi)有潤(rùn)滑油孔 ,導(dǎo)致表面嚴(yán)重磨損。游戲機(jī)鋼繩彎曲疲勞失效游戲機(jī)鋼繩彎曲疲勞失效6)鋼絲斷口有明顯的疲

12、勞條帶,確定為疲勞斷裂。7) 圖為游藝飛機(jī)在最低(圖a)和最高(圖b)位置時(shí)的鋼絲繩工作情況。卷筒卷起鋼絲繩共12m,其中45m、10.515.5m處兩段的斷絲特別多,說(shuō)明彎曲應(yīng)力對(duì)鋼絲繩斷絲起主要作用。辦法：增大傳動(dòng)輪的直徑，減小鋼絲繩經(jīng)過(guò)傳動(dòng)輪時(shí)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。游戲機(jī)活塞桿彎曲疲勞失效游戲機(jī)活塞桿彎曲疲勞失效圖為大型游戲機(jī)探空飛梭的座椅及其鎖緊機(jī)構(gòu)。3s內(nèi)座椅可以上升3050m,然后靠彈性繩索牽引及重力作用,上下運(yùn)動(dòng),逐漸衰減。在椅上裝有安全杠壓在游戲者前面。安全杠可以繞a軸轉(zhuǎn)動(dòng),抬起時(shí)游戲者可以進(jìn)入或離開座椅,坐定后放下安全杠。游戲機(jī)活塞桿彎曲疲勞失效游戲機(jī)活塞桿彎曲疲勞失效在安全杠起落

13、時(shí)其外端b處推動(dòng)活塞桿在液壓缸中上下運(yùn)動(dòng)。用電磁閥控制聯(lián)系液壓缸兩端油路的開閉。油路開通時(shí),活塞在液壓缸中可以上下自由移動(dòng),安全杠可以自由開閉。游戲者坐定,放下安全杠以后,關(guān)閉油路,活塞不能移動(dòng),安全杠不能抬起,可以保證游戲者的安全。活塞桿若斷裂則安全杠失去約束,會(huì)發(fā)生事故。游戲機(jī)活塞桿彎曲疲勞失效游戲機(jī)活塞桿彎曲疲勞失效下面對(duì)活塞桿強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算:3355245023arctan nnffnnffba43933552sin8600sin858933552cos8600cos3333 由計(jì)算得到安全杠桿受水平推力f1=600n,向上推力f2=700n。據(jù)此,計(jì)算得到b點(diǎn)受力f3=8600nf3作

14、用方向沿bc連線,可以分解為沿活塞桿方向的分力f3a和垂直于活塞桿方向的分力f3b。游戲機(jī)活塞桿彎曲疲勞失效游戲機(jī)活塞桿彎曲疲勞失效 活塞桿危險(xiǎn)斷面d處直徑d=11mm,距b端l=70mm。壓力f3a產(chǎn)生壓縮應(yīng)力:mpampadfaa4 .9011485894223mpampadlfbb2 .23511327043932333mpampaba6 .325)2 .2354 .90(f3b對(duì)斷面d處產(chǎn)生彎曲應(yīng)力:斷面d所受的總應(yīng)力游戲機(jī)活塞桿彎曲疲勞失效游戲機(jī)活塞桿彎曲疲勞失效 活塞桿屈服強(qiáng)度s=355mpa 彎曲疲勞極限-1=275mpa 抗拉強(qiáng)度b=640mpa09. 16 .325355ssmpampaam162.826 .3252按靜載荷校核,安全系數(shù)按疲勞強(qiáng)度校核安全系數(shù),因活塞桿所受拉力較大,所受應(yīng)力按脈動(dòng)變應(yīng)力計(jì)算游戲機(jī)活塞桿彎曲疲勞失效游戲機(jī)活塞桿彎曲疲勞失效 計(jì)算活塞桿斷面d處的應(yīng)力集中: d=16.5mm,d=11mm,r=1mm,由手冊(cè)或資料查得有效應(yīng)力集中系數(shù)k=1.46,尺寸系數(shù)=0.91,表