提高疲勞強度的結(jié)構(gòu)設(shè)計準則-刪減螺栓部分

第三節(jié)

提高疲勞強度的結(jié)構(gòu)設(shè)計準則機械零件失效調(diào)查發(fā)現(xiàn),80%屬于疲勞破壞。因此,在設(shè)計中應(yīng)重視提高疲勞強度的措施。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),進而逐漸擴展而發(fā)生零件的整體破壞。第1頁，共42頁。從疲勞斷裂的斷面可以分析出引起破壞的原因。第2頁，共42頁。第3頁，共42頁。

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。第4頁，共42頁。應(yīng)力集中、螺紋連接中連接件與被連接件的相對剛度、零件表面的粗糙度、形狀及尺寸均影響零件的疲勞強度。對零件的表層進行某些處理可以提高疲勞強度。下面分別介紹:一、降低應(yīng)力集中的準則二、連接件與被連接件的剛度合理匹配準則三、改善表面狀況準則第5頁，共42頁。一、降低應(yīng)力集中的準則

受載荷的零件,在鉆孔、切槽、過渡倒角以及斷面驟然變化的過渡部分都存在應(yīng)力集中。在應(yīng)力集中的部位,零件的疲勞強度將顯著降低。該處的最大應(yīng)力比這個斷面上的平均應(yīng)力可以大2~5倍。降低應(yīng)力集中程度可以提高零件的疲勞強度。第6頁，共42頁。例: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槽,其應(yīng)力集中程度有明顯差別。第7頁，共42頁。例:五種段面變化形式應(yīng)力集中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,則應(yīng)力集中嚴重;斷面變化平緩,應(yīng)力集中輕微。第8頁，共42頁。例: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)力又不多費材料,可參考上圖的結(jié)構(gòu)。第9頁，共42頁。為了進一步了解應(yīng)力集中問題,以板上鉆孔為例作些介紹。通常以應(yīng)力集中系數(shù)表示應(yīng)力集中的程度。若認為材料是理想、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)

用實驗得出的是有效應(yīng)力集中系數(shù)第10頁，共42頁。例: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,受拉的kT、kE值以及

值。第11頁，共42頁。

受拉、壓、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。以受拉時的kE為1,其他情況時的kE值見表。彎曲扭轉(zhuǎn)壓縮第12頁，共42頁。圓角過渡部分的應(yīng)力集中

不同直徑相鄰軸段過渡部分的結(jié)構(gòu),對應(yīng)力集中有直接影響。當(dāng)采用圓弧過渡時,軸受彎曲,其應(yīng)力分布如圖a所示;受扭時,如圖b所示。第13頁，共42頁。有效應(yīng)力集中系數(shù)當(dāng)r=(D-d)/2時,不同D/d值時的彎曲有效應(yīng)力集中系數(shù)kσ及受扭應(yīng)力集中系數(shù)kτ,見圖a和圖b。受彎曲比受扭對應(yīng)力集中更敏感。第14頁，共42頁。不同的圓角過渡形式上圖列舉了七種圓弧過渡形式。

第15頁，共42頁。不同的圓角過渡形式

當(dāng)過渡部分的軸向長度不受限制時,可用如圖a的直線或大圓弧形式。當(dāng)過渡部分的長度l≥1.6d時,就不存在應(yīng)力集中了。

但是,這種形式常因長度l過大而在使用上受限制。第16頁，共42頁。不同的圓角過渡形式

圖b所示橢圓圓角過渡部分長度較圖a的l小,也有較好地降低應(yīng)力集中的效果。第17頁，共42頁。不同的圓角過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渡形式,且r1>r2(圖c、d)。這樣可獲得與橢圓圓弧近似的效果。第18頁，共42頁。不同的圓角過渡形式

當(dāng)既要有較大的圓弧半徑又不減小較小的軸頸時,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)。第19頁，共42頁。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渡部分也須認真設(shè)計。普通結(jié)構(gòu)的螺栓與被連接件結(jié)合后,存在嚴重的應(yīng)力集中,如圖所示。第20頁，共42頁。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)力集中嚴重。如果將過渡部位設(shè)計成半徑為r’圓角(圖b),可提高壽命3~5倍。第21頁，共42頁。螺栓的應(yīng)力集中

但是這種僅有過渡圓角的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中仍很嚴重。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。在交變載荷作用下,對于車、銑和磨制的螺紋,要使螺栓等強,過渡圓角半徑應(yīng)取r′=(0.1～0.125)d0。對于滾軋螺紋或在車、銑、磨之后經(jīng)滾軋而提高了螺紋強度的螺栓，則取r′=(0.2～0.3)d0。第22頁，共42頁。二、連接件與被連接件的剛度合理匹配準則以一個合理配置螺栓連接剛度以提高其疲勞強度的例子，說明連接件與被連接件的剛度合理匹配準則。第23頁，共42頁。合理配置螺栓連接剛度以提高其疲勞強度(見機械設(shè)計)

在具有預(yù)緊力的螺栓連接中,如果工作載荷是脈動的,則螺栓和被連接件(以下簡稱凸緣)所受的拉力和壓力都是非對稱循環(huán)變化的。螺栓與凸緣的剛度(實為二者的相對剛度)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程度。第24頁，共42頁。合理配置螺栓連接剛度以提高其疲勞強度降低相對剛度λ1/λ2:減小螺栓直徑、加大螺栓距離和加大凸緣截面積第25頁，共42頁。三、改善表面狀況準則1、降低表面粗糙程度準則表面加工粗糙留有刀痕,零件受力后會產(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度得到改善。右圖是根據(jù)實驗結(jié)果得出的疲勞強度折減因子b(鋼材)與材料的抗拉強度σb及表面粗糙度Ra之間的關(guān)系曲線。強度越高，鋼材塑性越低對應(yīng)力集中越敏感對疲勞強度的影響越顯著第26頁，共42頁。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(非交變)下淬火-回火鋼的b-Ra曲線。圖2-46是鑄鐵材料毛坯面時的b-σb曲線。第27頁，共42頁。表面處理:采用滾壓、噴丸、碳化和氮化等方法強化表面層,以提高疲勞強度。2、表面處理提高疲勞強度準則表面經(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,因有殘余應(yīng)力,拉應(yīng)力被部分地抵消?？偟男Ч翘岣吡似趶姸取５?8頁，共42頁。

表面硬化層不得間斷,否則,在間斷的軟硬表面交界處,疲勞強度會顯著降低。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:Ⅰ是錯誤的;Ⅱ是正確的。第29頁，共42頁。

為了提高疲勞強度,對于不同的表面硬化方法,最佳的硬化層厚度是:

滲碳:0.4~0.8mm

碳氮共滲和氮化:0.3~0.5mm

高頻淬火及火焰淬火:2~4mm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%。第30頁，共42頁。例:游戲機鋼繩彎曲疲勞失效大型游戲飛機的傳動裝置，由電動機-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。立柱由鋼繩拉起3m高,立柱頂端的電動機2使飛機繞立柱轉(zhuǎn)動,3~5min后電動機1反轉(zhuǎn),飛機下落至地面,完成一個游戲循環(huán)。提升立柱所須鋼繩拉力F=15kN。第31頁，共42頁。例:游戲機鋼繩彎曲疲勞失效傳動裝置采用了6×19+1的鋼繩(6股,每股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備。實際上工作18743次以后,鋼絲繩被拉斷,游藝飛機落下。第32頁，共42頁。游戲機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)生嚴重磨損。4)鋼絲繩所受彎曲應(yīng)力過大。5)鋼絲繩導(dǎo)向的導(dǎo)向輪與軸之間沒有潤滑油孔,導(dǎo)致表面嚴重磨損。第33頁，共42頁。游戲機鋼繩彎曲疲勞失效6)鋼絲斷口有明顯的疲勞條帶,確定為疲勞斷裂。7)

圖為游藝飛機在最低(圖a)和最高(圖b)位置時的鋼絲繩工作情況。卷筒卷起鋼絲繩共12m,其中4~5m、10.5~15.5m處兩段的斷絲特別多,說明彎曲應(yīng)力對鋼絲繩斷絲起主要作用。辦法：增大傳動輪的直徑，減小鋼絲繩經(jīng)過傳動輪時產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。第34頁，共42頁。游戲機活塞桿彎曲疲勞失效圖為大型游戲機——探空飛梭的座椅及其鎖緊機構(gòu)。3s內(nèi)座椅可以上升30~50m,然后靠彈性繩索牽引及重力作用,上下運動,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,抬起時游戲者可以進入或離開座椅,坐定后放下安全杠。第35頁，共42頁。游戲機活塞桿彎曲疲勞失效在安全杠起落時其外端B處推動活塞桿在液壓缸中上下運動。用電磁閥控制聯(lián)系液壓缸兩端油路的開閉。油路開通時,活塞在液壓缸中可以上下自由移動,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,安全杠不能抬起,可以保證游戲者的安全?；钊麠U若斷裂則安全杠失去約束,會發(fā)生事故。第36頁，共42頁。游戲機活塞桿彎曲疲勞失效下面對活塞桿強度進行計算:由計算得到安全杠桿受水平推力F1=600N,向上推力F2=700N。據(jù)此,計算得到B點受力F3=8600NF3作用方向沿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。第37頁，共42頁。游戲機活塞桿彎曲疲勞失效活塞桿危險斷面D處直徑d=11mm,距B端l=70mm。壓力F3a產(chǎn)生壓縮應(yīng)力:F3b對斷面D處產(chǎn)生彎曲應(yīng)力:斷面D所受的總應(yīng)力第38頁，共42頁。游戲機活塞桿彎曲疲勞失效

活塞桿屈服強度σs=355MPa

彎曲疲勞極限σ-1=275MPa

抗拉強度σb=640MPa按靜載荷校核,安全系數(shù)按疲勞強度校核安全系數(shù),因活塞桿所受拉力較大,所受應(yīng)力按脈動變應(yīng)力計算第39頁，共42頁。游戲機活塞桿彎曲疲勞失效

計算活塞桿斷面D處的應(yīng)力集中:D=16.5mm,d=11mm,r=1mm,由手冊或資料查得有效應(yīng)力集中系數(shù)kσ=1.46,尺寸系數(shù)εσ=0.91,表面質(zhì)量系數(shù)β=0.82,材料常數(shù)φσ=0.34由疲勞強度計算公式可得第40頁，共42頁。游戲機活塞桿彎曲疲勞失效結(jié)論:此桿靜載強度安全系數(shù)為1.09,不夠大,而疲勞強度不夠,有斷裂的危險,應(yīng)修改設(shè)計。由計算可知,由于支點C偏離活塞桿中心線23mm,引起的彎曲應(yīng)力是壓縮應(yīng)力的2.6倍,是活塞桿強度不足的主要原因。由此例可以看出,彎曲應(yīng)力對機械零件的強度影響很大。第41頁，共42頁。內(nèi)容梗概第三節(jié)提高疲勞強度的結(jié)構(gòu)設(shè)計準則。受拉、壓、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。為便于與小直徑軸段銜接,還有采用三圓弧或二圓弧的過渡形式,且r1>r2(圖c、d)。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。以一個合理配置螺栓連接剛度以提高其疲勞強度的例子，說明連接件與被連接件的剛度合理匹配準