第2章 機械零部件設(shè)計中的強度與耐磨性

1、第第2章章 機械零部件設(shè)計中的機械零部件設(shè)計中的強度與耐磨性強度與耐磨性2.1 概述概述2.2 機械設(shè)計中的強度問題機械設(shè)計中的強度問題2.4 機械零件的表面接觸強度機械零件的表面接觸強度2.5 機械零件的耐磨性機械零件的耐磨性2.3 機械零件的疲勞強度機械零件的疲勞強度載荷系數(shù)載荷系數(shù)-考慮各種附加載荷因素的影響。考慮各種附加載荷因素的影響。名義載荷名義載荷-在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上 的載荷。的載荷。2.2 機械零件的強度機械零件的強度計算載荷計算載荷-載荷系數(shù)與名義載荷的乘積。載荷系數(shù)與名義載荷的乘積。工作載荷工作載荷-實際載荷。實際載荷。強度判

2、強度判 定條件：定條件：其中=、-許用應(yīng)力許用應(yīng)力S-安全系數(shù)安全系數(shù)lim、 lim -極限應(yīng)力，由實驗方法測定。極限應(yīng)力，由實驗方法測定。SSlimlim然而在機器運轉(zhuǎn)時，零件還會受到各種附加載荷，通常用引入2.2.12.2.1應(yīng)力的種類應(yīng)力的種類ot= =常數(shù)常數(shù)max脈動循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力r =0m靜應(yīng)力靜應(yīng)力: = =常數(shù)常數(shù)變應(yīng)力變應(yīng)力: 隨時間變化隨時間變化2minmaxm平均應(yīng)力平均應(yīng)力:2minmaxa應(yīng)力幅應(yīng)力幅:Tmaxminaam循環(huán)變應(yīng)力循環(huán)變應(yīng)力ot變應(yīng)力的循環(huán)特性變應(yīng)力的循環(huán)特性:maxminrmaxminaa對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力r =- -1ot-

3、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 -1 -1= 0= 0 +1 +1-靜應(yīng)力靜應(yīng)力otaaminr =+1靜應(yīng)力是變應(yīng)力的特例2.2.2 2.2.2 靜應(yīng)力作用下的強度靜應(yīng)力作用下的強度靜應(yīng)力下，零件材料的破壞形式：斷裂或塑性變形靜應(yīng)力下，零件材料的破壞形式：斷裂或塑性變形塑性材料，取塑性材料，取屈服極屈服極限限S S 作為極限應(yīng)力作為極限應(yīng)力, ,許用應(yīng)力為：許用應(yīng)力為：脆性材料：取強度脆性材料：取強度極極限限B B 作為極限應(yīng)力作為極限應(yīng)力, ,許用應(yīng)力為：許用應(yīng)力為：SsSB2.3.22.3.2疲勞極限疲勞極限變應(yīng)力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂變應(yīng)力下

4、，零件的損壞形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂具有以下特征：具有以下特征： 1)疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠比靜應(yīng)力下材料的強度極疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠比靜應(yīng)力下材料的強度極限低，甚至比屈服極限低限低，甚至比屈服極限低; 2) 疲勞斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂疲勞斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂;3) 疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結(jié)果。疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結(jié)果。2.3 機械零件的疲勞強度機械零件的疲勞強度2.3.1 疲勞斷裂特征疲勞斷裂特征 疲勞曲線疲勞曲線NOrN0rNN應(yīng)力應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N N 之間的關(guān)系曲線稱為：之間的關(guān)系曲線稱為：疲勞曲線疲勞曲線當(dāng)

5、當(dāng)NNNN0 0 時時, ,試件將不會斷裂。試件將不會斷裂。N N0 0 -循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù)N N0 0 對應(yīng)的應(yīng)力為：對應(yīng)的應(yīng)力為：CNNmrmrN0當(dāng)當(dāng)NNNN0 0 時時, , 有近似公式：有近似公式：對應(yīng)于對應(yīng)于N N 的彎曲疲勞極限：的彎曲疲勞極限：疲勞極限疲勞極限r(nóng)mrrNNN02.3.3 疲勞極限應(yīng)力圖疲勞極限應(yīng)力圖2.3.4 影響機械零件疲勞強度的主要因素極限影響機械零件疲勞強度的主要因素極限1.應(yīng)力集中的影響應(yīng)力集中的影響 鋼材的強度極限越高應(yīng)力集中越敏感鋼材的強度極限越高應(yīng)力集中越敏感,鑄鐵對應(yīng)力集中的敏鑄鐵對應(yīng)力集中的敏感度接近于零感度接近于零.2.絕對尺寸的影響絕對尺寸

6、的影響絕對尺寸月大疲勞強度越低絕對尺寸月大疲勞強度越低 .3.表面狀態(tài)的影響表面狀態(tài)的影響包括表面粗糙度和表面處理包括表面粗糙度和表面處理考慮應(yīng)力集中考慮應(yīng)力集中,尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng),表面狀態(tài)的影響表面狀態(tài)的影響,強度計算時要用降強度計算時要用降低了的許用應(yīng)力。低了的許用應(yīng)力。2.3.5 許用應(yīng)力許用應(yīng)力 在變應(yīng)力，應(yīng)取材料的疲勞極限作為極限應(yīng)力。同在變應(yīng)力，應(yīng)取材料的疲勞極限作為極限應(yīng)力。同時還應(yīng)考慮零件的切口和溝槽等截面突時還應(yīng)考慮零件的切口和溝槽等截面突變、絕對尺寸變、絕對尺寸和表面狀態(tài)等影晌，為此引人應(yīng)力集中系數(shù)和表面狀態(tài)等影晌，為此引人應(yīng)力集中系數(shù)k、尺寸尺寸系數(shù)系數(shù)和表面狀態(tài)系數(shù)和表

7、面狀態(tài)系數(shù)等。等。Sk11當(dāng)應(yīng)力是對稱循環(huán)變化時，許用應(yīng)力為當(dāng)應(yīng)力是對稱循環(huán)變化時，許用應(yīng)力為： 當(dāng)應(yīng)力是脈動循環(huán)變化時，許用應(yīng)力為：當(dāng)應(yīng)力是脈動循環(huán)變化時，許用應(yīng)力為： Sk000 0 為材料的脈動循環(huán)疲勞極限，為材料的脈動循環(huán)疲勞極限，S S為安全系數(shù)。以上為安全系數(shù)。以上各系數(shù)均可機械設(shè)計手冊中查得。各系數(shù)均可機械設(shè)計手冊中查得。以上所述為“無限壽命” ，mNNSk011有限壽命時，用有限壽命時，用-1N-1N代入得：代入得：2.3.6 安全系數(shù)安全系數(shù) 安全系數(shù)定得正確與否對零件尺寸有很大影響1 1）靜應(yīng)力下，塑性材料）靜應(yīng)力下，塑性材料的零件：的零件：S =1.2S =1.2.5.5

8、 鑄鋼件：鑄鋼件：S =1.S =1.5.5S S典型機械的典型機械的 S S 可通過查表求得?？赏ㄟ^查表求得。 無表可查時，按無表可查時，按以下原則?。阂韵略瓌t?。?零件尺寸大，結(jié)構(gòu)笨重。零件尺寸大，結(jié)構(gòu)笨重。S S 可能不安全?？赡懿话踩? 2）靜應(yīng)力下，）靜應(yīng)力下，脆脆性材料，性材料，如高強度鋼或鑄鐵：如高強度鋼或鑄鐵： S =3S =34 43 3）變變應(yīng)力下，應(yīng)力下， S =1.3S =1.31.71.7材料不均勻，或計算不準時?。翰牧喜痪鶆?，或計算不準時取： S =1.7S =1.72.52.5初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋2.3 機械零件的接觸強度機械零件的接

9、觸強度高副接觸處局部應(yīng)力為接觸應(yīng)力。這時零件強度稱高副接觸處局部應(yīng)力為接觸應(yīng)力。這時零件強度稱為接觸強度為接觸強度。如齒輪、凸輪、滾動軸承等。如齒輪、凸輪、滾動軸承等。裂紋的擴展與斷裂裂紋的擴展與斷裂 油油失效形式常表現(xiàn)為：失效形式常表現(xiàn)為： 疲勞點蝕疲勞點蝕金屬剝落出現(xiàn)小坑金屬剝落出現(xiàn)小坑后果：減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降后果：減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降低了承載能力、引起振動和噪音。低了承載能力、引起振動和噪音。由彈性力學(xué)可知，應(yīng)力為：由彈性力學(xué)可知，應(yīng)力為：222121211111EEbFnH2121:令:22121代入化簡得EEEEEbEFnH)1 (212bE

10、Fn418.0對于鋼或鑄鐵取泊松比：對于鋼或鑄鐵取泊松比： 1=2=0.3 , 則有簡化公式。則有簡化公式。上述公式稱為赫茲上述公式稱為赫茲(HHertz)公式公式 “+”用于外接觸用于外接觸，“-”用于內(nèi)接觸用于內(nèi)接觸。H HH H2b b11Fnb b2H HH HFn222121211111EEbFnHbEFnH)1 (212bEFn418.0bEFnH418.0H H -最大接觸應(yīng)力或赫茲應(yīng)力最大接觸應(yīng)力或赫茲應(yīng)力;212121212EEEEEb b -接觸長度接觸長度;F Fn n -作用在圓柱體上的載荷作用在圓柱體上的載荷; -綜合曲率半徑綜合曲率半徑; -綜合彈性模量綜合彈性模量

11、; E1、 E2 分別為兩分別為兩 圓柱體的彈性模量。圓柱體的彈性模量。 接觸疲勞強度的判定條件為：接觸疲勞強度的判定條件為：HHHHHSlim,而b bFn2.5 機械零件的耐磨性機械零件的耐磨性 運動副中，摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。運動副中，摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。磨損會逐漸改變零件尺寸和摩擦表面形狀。零件抗磨磨損會逐漸改變零件尺寸和摩擦表面形狀。零件抗磨損的能力稱為耐磨性。損的能力稱為耐磨性。 磨損磨損 間隙間隙、精度精度、 效率效率、 振動振動、沖擊沖擊、 噪音噪音據(jù)統(tǒng)計，約有據(jù)統(tǒng)計，約有80%的損壞零件是因磨損而報廢的。的損壞零件是因磨損而報廢的。 磨損的主要類型磨損的主要類型 ：1）磨粒磨損）磨粒磨損2）粘著磨損）粘著磨損(膠合磨損膠合磨損)3）疲勞磨損）疲勞磨損(疲勞點蝕疲勞點蝕)4） 腐蝕磨損腐蝕磨損實用耐磨計算是限制運動副的壓強實用耐