機(jī)械設(shè)計(jì)03機(jī)械零件強(qiáng)度

1、第三章 機(jī)械零件的強(qiáng)度基本要求基本要求1.1.了解疲勞曲線和極限應(yīng)力曲線的來源、意義了解疲勞曲線和極限應(yīng)力曲線的來源、意義 及用途，能從材料的幾個(gè)基本特性及零件及用途，能從材料的幾個(gè)基本特性及零件 的幾何特性繪制零件的極限應(yīng)力簡化曲線的幾何特性繪制零件的極限應(yīng)力簡化曲線 圖；會(huì)求零件的極限應(yīng)力。圖；會(huì)求零件的極限應(yīng)力。2.2.學(xué)會(huì)單向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算學(xué)會(huì)單向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算 方法；方法；3.3.學(xué)會(huì)雙向變應(yīng)力時(shí)機(jī)械零件的強(qiáng)度校核方法；學(xué)會(huì)雙向變應(yīng)力時(shí)機(jī)械零件的強(qiáng)度校核方法；4.4.會(huì)查附錄中的有關(guān)圖表。會(huì)查附錄中的有關(guān)圖表。一、基本概念一、基本概念1.1.載荷：載荷

2、：靜載荷、變載荷靜載荷、變載荷1 1）名義載荷名義載荷( (理論載荷理論載荷) )：Fn、M、T、P2 2）實(shí)際載荷實(shí)際載荷( (考慮實(shí)際因素的載荷考慮實(shí)際因素的載荷) )：2.2.應(yīng)力：應(yīng)力：靜應(yīng)力、變應(yīng)力靜應(yīng)力、變應(yīng)力ncaKFF3-1 機(jī)械零件強(qiáng)度計(jì)算概述3 3）計(jì)算載荷計(jì)算載荷( (強(qiáng)度計(jì)算時(shí)所采用的荷強(qiáng)度計(jì)算時(shí)所采用的荷) )：注意：注意：計(jì)算載荷比名義載荷更接近于實(shí)際載荷。計(jì)算載荷比名義載荷更接近于實(shí)際載荷。1）工作應(yīng)力工作應(yīng)力：按：按計(jì)算載荷計(jì)算的作用在零件上的應(yīng)力計(jì)算載荷計(jì)算的作用在零件上的應(yīng)力， 2）計(jì)算應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力：復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，按強(qiáng)度理論求出的應(yīng)力，：復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，按

3、強(qiáng)度理論求出的應(yīng)力， ca 3）極限應(yīng)力極限應(yīng)力： lim (靜應(yīng)力下，極限應(yīng)力為定值：靜應(yīng)力下，極限應(yīng)力為定值： S或或 B ；變應(yīng)力下，極限應(yīng)力是變值）；變應(yīng)力下，極限應(yīng)力是變值）4）許用應(yīng)力許用應(yīng)力： Slim二二. .機(jī)械零件的強(qiáng)度方法機(jī)械零件的強(qiáng)度方法 ca穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力1. .設(shè)計(jì)計(jì)算：設(shè)計(jì)計(jì)算： 2 . .校核計(jì)算：校核計(jì)算：1）應(yīng)力）應(yīng)力校核計(jì)算：校核計(jì)算：SScalim2）安全系數(shù)）安全系數(shù)校核計(jì)算：校核計(jì)算：三三. .變應(yīng)力變應(yīng)力應(yīng)力隨時(shí)間而變化應(yīng)力隨時(shí)間而變化1 1）循環(huán)變應(yīng)力）循環(huán)變應(yīng)力（周期變化）（周期變化） 2 2）非循

4、環(huán)變應(yīng)力）非循環(huán)變應(yīng)力（非周期變化）（非周期變化）穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力及特性：穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力及特性：變應(yīng)力關(guān)系：變應(yīng)力關(guān)系：)(21minmaxm)(21minmaxamaxminr1）最大應(yīng)力：）最大應(yīng)力： max2）最小應(yīng)力：）最小應(yīng)力： min3）平均應(yīng)力：）平均應(yīng)力： m4）應(yīng)力幅值：）應(yīng)力幅值： a5）循環(huán)特性：）循環(huán)特性：r注意：注意： 1）變應(yīng)力是由變載荷產(chǎn)生的，也可能是由靜載荷產(chǎn)生的。）變應(yīng)力是由變載荷產(chǎn)生的，也可能是由靜載荷產(chǎn)生的。 2）在變應(yīng)力作用下，零件產(chǎn)生的是疲勞破壞。）在變應(yīng)力作用下，零件產(chǎn)生的是疲勞破壞。3）疲勞破壞的特征）疲勞破壞的特征： （1） lin B或或 s ；

5、 （2）無塑性變形的突然斷裂；）無塑性變形的突然斷裂； （3）是損傷的累積，裂紋隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)）是損傷的累積，裂紋隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N擴(kuò)展。擴(kuò)展。 min m循環(huán)變應(yīng)力的類型及特性：循環(huán)變應(yīng)力的類型及特性：1）對稱）對稱循環(huán)變應(yīng)力：循環(huán)變應(yīng)力：10maxmaxminram、2）脈動(dòng)）脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力：循環(huán)變應(yīng)力：3）非對稱）非對稱循環(huán)變應(yīng)力：循環(huán)變應(yīng)力：4）靜）靜應(yīng)力：應(yīng)力：020maxminram、1maxminrm、變應(yīng)力關(guān)系：變應(yīng)力關(guān)系：)(21minmaxm)(21minmaxamaxminr min m描述材料的疲勞特性：描述材料的疲勞特性： lim ( ( max)與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力循

6、環(huán)次數(shù)N和應(yīng)力循環(huán)特性和應(yīng)力循環(huán)特性r有關(guān)有關(guān) rN（變應(yīng)力的極限應(yīng)力）（變應(yīng)力的極限應(yīng)力）3-1 材料的疲勞特性 當(dāng)循環(huán)特性為當(dāng)循環(huán)特性為 r 為定值時(shí)，對試樣作疲勞試驗(yàn)為定值時(shí)，對試樣作疲勞試驗(yàn), ,在不同的在不同的 N 值下值下, ,記錄試樣破壞的記錄試樣破壞的 rN 值。值。一、材料疲勞的兩種類型一、材料疲勞的兩種類型低周疲勞低周疲勞高周疲勞高周疲勞高周疲勞線段分為兩部分：高周疲勞線段分為兩部分：二、疲勞曲線二、疲勞曲線1）有限壽命）有限壽命（CD段）：段）：曲線方程：曲線方程：（常數(shù)）CNmrNm材料常數(shù)，材料常數(shù)，m=620 由于由于ND（10625 106）較大，為了）較大，為了

7、確定常數(shù)確定常數(shù)C，通常取通常取N=N0試驗(yàn)得試驗(yàn)得 rN0 rN0循環(huán)基數(shù)；循環(huán)基數(shù)； N0=（110） 106這樣：這樣：CNNmrmrN0）（DCrNmrrNNNNKNN02）無有限壽命）無有限壽命（C點(diǎn)以后段）：點(diǎn)以后段）：)(DrNrrNNND三三. .極限應(yīng)力圖：極限應(yīng)力圖：1.1.材料的極限應(yīng)力圖及其簡化：材料的極限應(yīng)力圖及其簡化： 當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N為定值時(shí)（為定值時(shí)（ N= N0 ），試驗(yàn)得出），試驗(yàn)得出 r 與與 r 的關(guān)系。的關(guān)系。通常是找通常是找 m與與 a 的關(guān)系，間接代表的關(guān)系，間接代表r 與與 r 的關(guān)系。的關(guān)系。amramamrmaxmaxmin試件

8、的試驗(yàn)條件：試件的試驗(yàn)條件：1）光滑、無應(yīng)力集中源；）光滑、無應(yīng)力集中源；2）標(biāo)準(zhǔn)尺寸。）標(biāo)準(zhǔn)尺寸。),(am),(am材料的極限應(yīng)力的簡化：材料的極限應(yīng)力的簡化：D4545G20ma20A 點(diǎn)：點(diǎn)：r = -1 (對稱對稱)C點(diǎn)：點(diǎn)： r = 1 (靜應(yīng)力靜應(yīng)力)D 點(diǎn)：點(diǎn)：r = 0 (脈動(dòng)脈動(dòng))直線直線 ： CG3 . 02 . 02 . 01 . 0合金鋼：碳鋼：直線直線 ： GAma00112m1）（am ,）（am ,mas2.2.零件的極限應(yīng)力圖及其簡化：零件的極限應(yīng)力圖及其簡化：考慮考慮應(yīng)力集中、絕對尺寸、表面質(zhì)量、強(qiáng)化應(yīng)力集中、絕對尺寸、表面質(zhì)量、強(qiáng)化等因素時(shí)的疲勞極限：等因

9、素時(shí)的疲勞極限：應(yīng)力集中：應(yīng)力集中：零件剖面幾何形狀突變處疲勞極限降低零件剖面幾何形狀突變處疲勞極限降低)(kk引引應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中系數(shù) 來考慮來考慮絕對尺寸：絕對尺寸：剖面絕對尺寸大、出現(xiàn)缺陷概率大、疲勞極限剖面絕對尺寸大、出現(xiàn)缺陷概率大、疲勞極限 降低降低用用絕對尺寸系數(shù)絕對尺寸系數(shù) 來考慮來考慮)(表面質(zhì)量表面質(zhì)量：表面光滑或強(qiáng)化處理，能提高疲勞極限表面光滑或強(qiáng)化處理，能提高疲勞極限用用表面質(zhì)量表面質(zhì)量系數(shù)系數(shù) 來考慮來考慮)(強(qiáng)化處理：強(qiáng)化處理：表面強(qiáng)化處理，能提高疲勞極限表面強(qiáng)化處理，能提高疲勞極限用用零件強(qiáng)化零件強(qiáng)化系數(shù)系數(shù) 來考慮來考慮q各個(gè)系數(shù)各個(gè)系數(shù)的值參看的值參看P35

10、P35 4141本本章附錄。章附錄。mmeaaeK,qkK111綜合影響系數(shù)：綜合影響系數(shù)：），（KD2200AK1直線直線 AGKaae由G），（aeme），（aememeKK1meeeae10012Ke1 1）直線直線 的方程：的方程： AGKaae2 2）直線直線 ： GCsmeae 同樣，按照上述方法可寫出剪應(yīng)力的極限應(yīng)力曲線方程。直線直線 ： GC直線直線 ： AGmeaeeK1mea001200121KKeqkK111meaes一一. .單向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算單向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算 變應(yīng)力的應(yīng)力比保持不變，即：變應(yīng)力的應(yīng)力比保持不變，即：r = C

11、變應(yīng)力的平均應(yīng)力保持不變，即：變應(yīng)力的平均應(yīng)力保持不變，即： m = = C 變應(yīng)力的最小應(yīng)力保持不變，即：變應(yīng)力的最小應(yīng)力保持不變，即： min = = C3-2 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算一般步驟：一般步驟：1）由外載荷計(jì)算）由外載荷計(jì)算 max 、 min m 、 a工作應(yīng)力；工作應(yīng)力；2）將）將工作應(yīng)力工作應(yīng)力 m、 a標(biāo)在零件極標(biāo)在零件極 限應(yīng)力圖上，得限應(yīng)力圖上，得工作應(yīng)力點(diǎn)：工作應(yīng)力點(diǎn)： M（ m， a ）amM,3）確定）確定工作應(yīng)力點(diǎn)工作應(yīng)力點(diǎn)M（ m， a ）所對應(yīng)的所對應(yīng)的 零件的極限應(yīng)力點(diǎn)零件的極限應(yīng)力點(diǎn) M （ me ， ae ） aemeM,零件的極限應(yīng)力零件的極限應(yīng)力

12、aememaxlim4）計(jì)算）計(jì)算安全系數(shù)安全系數(shù)： SScamaxmaxlim零件的極限應(yīng)力點(diǎn)的零件的極限應(yīng)力點(diǎn)的確定：確定： 按零件的加載方式分按零件的加載方式分Cr （如轉(zhuǎn)軸）（如轉(zhuǎn)軸）amM,aemeM,mamamameaeKKmax11maxlimCrrma11minmaxminmaxmaC1.1.變應(yīng)力的應(yīng)力比保持不變，即變應(yīng)力的應(yīng)力比保持不變，即上式表示：上式表示：r =C時(shí)，為過時(shí)，為過 坐標(biāo)坐標(biāo) 原點(diǎn)原點(diǎn)O的一條直線。的一條直線。1）如果）如果OM線與線與AG線交于線交于M （ me ， ae ），則有：），則有： maaaemammeKK11,SKSmaca1maxmaxl

13、imamM,aemeM,NsmeaemaxlimN2）如果）如果ON線與線與GC線交于線交于N （ me ， ae ），則有：），則有： SSamscamaxmaxlim按靜應(yīng)力計(jì)算：按靜應(yīng)力計(jì)算：注意：如果工作應(yīng)力點(diǎn)在注意：如果工作應(yīng)力點(diǎn)在OGC區(qū)域內(nèi)，區(qū)域內(nèi)， 則則 lin= s，這時(shí)，這時(shí)按靜應(yīng)力計(jì)算按靜應(yīng)力計(jì)算極限應(yīng)力圖分兩個(gè)區(qū)： 疲勞強(qiáng)度 靜強(qiáng)度：OGCOAG2.2.變應(yīng)力的平均應(yīng)力保持不變，即變應(yīng)力的平均應(yīng)力保持不變，即CmamM,（如振動(dòng)中的彈簧）（如振動(dòng)中的彈簧）aemeM,SKKSammca1maxmaxlimCm上式表示為：上式表示為： 平行平行 縱坐標(biāo)縱坐標(biāo) 的一條直線。

14、的一條直線。1）如果此線與）如果此線與AG線交于線交于M （ me ， ae ），則有：），則有： Kmaemme1,KKmmeae1maxlimamM,aemeM,極限應(yīng)力圖分兩個(gè)區(qū)： 疲勞強(qiáng)度 靜強(qiáng)度：HGCOAGHsmeaemaxlim2）如果此線與）如果此線與GC線交于線交于N （ me ， ae ），則有：），則有： SSamscamaxmaxlim按靜應(yīng)力計(jì)算：按靜應(yīng)力計(jì)算：注意：如果工作應(yīng)力點(diǎn)在注意：如果工作應(yīng)力點(diǎn)在HGC區(qū)域內(nèi)，區(qū)域內(nèi)， 則則 lin= s，這時(shí)，這時(shí)按靜應(yīng)力計(jì)算按靜應(yīng)力計(jì)算NHN3.3.變應(yīng)力的最小應(yīng)力保持不變，即變應(yīng)力的最小應(yīng)力保持不變，即CminamM,M

15、（如受軸向變載荷的緊（如受軸向變載荷的緊螺栓的應(yīng)力狀態(tài)）螺栓的應(yīng)力狀態(tài)）Cammin45SKKSacaminmin1maxmaxmaxlim22KKKKammeaemin11maxlim式表示為：過式表示為：過 M點(diǎn)與橫坐軸夾角點(diǎn)與橫坐軸夾角45的一條直線。的一條直線。KKKamaeamme)(,)(111）如果此線與）如果此線與AG線交于線交于M （ me ， ae ），則有：），則有： amM,MNI45N 同樣，按照上述方同樣，按照上述方法可寫出剪應(yīng)力的疲勞法可寫出剪應(yīng)力的疲勞強(qiáng)度計(jì)算公式。略強(qiáng)度計(jì)算公式。略 smeaemaxlim2）如果此線與）如果此線與GC線交于線交于N （ me

16、， ae ），則有：），則有： SSamscamaxmaxlim按靜應(yīng)力計(jì)算：按靜應(yīng)力計(jì)算：注意：如果工作應(yīng)力點(diǎn)在注意：如果工作應(yīng)力點(diǎn)在IGC區(qū)域內(nèi)，區(qū)域內(nèi)， 則則 lin= s，這時(shí)，這時(shí)按靜應(yīng)力計(jì)算按靜應(yīng)力計(jì)算極限應(yīng)力圖分兩個(gè)區(qū)： 疲勞強(qiáng)度 靜強(qiáng)度：IGCOAGI二二. .雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)機(jī)械零件的疲勞極限雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)機(jī)械零件的疲勞極限 若零件上作用有若零件上作用有周期相同、相位相同周期相同、相位相同的的對稱彎曲應(yīng)力對稱彎曲應(yīng)力 a a和和扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力 a a時(shí)，時(shí)，對一般結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得其對應(yīng)的對一般結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得其對應(yīng)的極限應(yīng)力極限應(yīng)力（ a a ， a a ）符合下

17、列關(guān)系：）符合下列關(guān)系：12121eaea注：注：因?yàn)闉閷ΨQ循環(huán)，所以：因?yàn)闉閷ΨQ循環(huán)，所以：maxmaxaa 曲線曲線 上任何上任何一點(diǎn)都代表一對極限一點(diǎn)都代表一對極限應(yīng)應(yīng) 。 若零件的工作應(yīng)若零件的工作應(yīng)力點(diǎn)力點(diǎn) 在以在以內(nèi)，則是安全的。內(nèi)，則是安全的。),(aa),(aaMABaae 1e 1oABCDCDeaeaM11,eaeaM11,式中：式中： -1e-1e為零件只受為零件只受對稱對稱 時(shí)的極限應(yīng)力時(shí)的極限應(yīng)力 - -1e 1e 為零件只受為零件只受對稱對稱 時(shí)的極限應(yīng)力時(shí)的極限應(yīng)力aae 1e 1oABCDCDeaeaeaeaDOCOODOC1111aaaacaODDOOCCOOMMOSacaaacaaSS12121eaea12121eacaeacaSSSae1令：Sae1eaeaM11,eaeaM11,122SSSScaca22SSSSSca 當(dāng)零件上作用的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為當(dāng)零件上作用的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為非對稱循環(huán)非對稱循環(huán)變應(yīng)力變應(yīng)力時(shí)：時(shí)：maKS1maKS1四四. .提高零件疲勞強(qiáng)度的措施提高零件疲勞強(qiáng)度的