机械行业及零件知识管理分析强度

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1、 机械零件的强度机械零件的强度-1 材料的疲劳特性材料的疲劳特性 -2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算-3 机械零件的抗断裂强度机械零件的抗断裂强度-4 机械零件的接触强度机械零件的接触强度 机械零件的强度机械零件的强度强度强度 静应力强度静应力强度变应力强度变应力强度 在整个工作寿命期间应力变化次数小于在整个工作寿命期间应力变化次数小于103的通用零件的通用零件-均按静应力强度进行设计均按静应力强度进行设计 本章主要讨论零件在变应力下的疲劳强度和接触本章主要讨论零件在变应力下的疲劳强度和接触强度等问题强度等问题零件在变应力作用下产生的破坏零件在变应力作用下产生的破坏-疲劳破坏疲

2、劳破坏 绝大多数机械零件都是处在变应力的状态下绝大多数机械零件都是处在变应力的状态下工作的。工作的。P（变）（变）汽油发动机汽油发动机 机械零件的强度机械零件的强度 一般来讲，静应力只能在静载荷的作用下产生。一般来讲，静应力只能在静载荷的作用下产生。而变应力由变载荷产生，也可能由静载荷产生。而变应力由变载荷产生，也可能由静载荷产生。pa对称循环变应力对称循环变应力r=-1maxmin例如：转轴上例如：转轴上 a 点的应力变化点的应力变化受拉受拉ot受压受压 机械零件的强度机械零件的强度ot=常数常数2minmaxm平均应力平均应力:循环变应力循环变应力变应力的循环特性变应力的循环特性:maxm

3、inrmaxminaamot静应力静应力:=常数常数变应力变应力:随时间变化随时间变化 变应力参数变应力参数最大应力：最大应力：max=m+a最小应力：最小应力：min=m a2minmaxa应力幅应力幅:-脉动循环变应力脉动循环变应力-对称循环变应力对称循环变应力 -1-1=0=0 +1 +1-静应力静应力-对称循环变应力对称循环变应力max=min，a=0，m=max maxminr当当=+1 时，时，-静应力（变应力的特例）静应力（变应力的特例）max=minm=0，a=max=-minmaxminr当当=-1 时，时，min max a-脉动循环变应力脉动循环变应力maxminr当当=

4、0 0 时，时，min=0、m=a=max2 max a m可见：变应力可由五个参数中的两个参数来描述,通常是:max和 rr 表示应力的变化情况。max表示变应力的大小，ot当当 r为任意值为任意值(r 0，1，-1)时，时，-非对称循环变应力非对称循环变应力-1 材料的疲劳特性材料的疲劳特性材料的疲劳特性可用材料的疲劳特性可用最大应力最大应力 max 应力循环次数应力循环次数 N循环特性循环特性 r来描述。来描述。maxNNDCDACBNB=103NC=104 用参数用参数max 表征材料的疲劳表征材料的疲劳极限，通过实验，记录出在不同极限，通过实验，记录出在不同最大应力下引起试件疲劳破坏

5、所最大应力下引起试件疲劳破坏所经历的应力循环次数经历的应力循环次数N。材料的疲劳材料的疲劳特性曲线特性曲线 AB段段，N1001.00.80.60.40.2400 600 800 1000 1200 1400 B/Mpa精车精车粗车粗车未加工未加工磨削磨削抛光抛光钢材的表面质量系数钢材的表面质量系数 表面高频淬火的强化系数表面高频淬火的强化系数q 720 1.31.63040 1.21.5720 1.62.83040 1.55试件种类试件种类 试件直径试件直径/mm 无应力集中无应力集中 有应力集中有应力集中 化学热处理的强化系数化学热处理的强化系数q 515 1.151.253040 1.1

6、01.15515 1.93.03040 1.32.0化学热处理方法化学热处理方法 试件种类试件种类 试件直径试件直径/mm q 无应力集中无应力集中 有应力集中有应力集中 815 1.22.13040 1.11.5815 1.52.53040 1.22.0无应力集中无应力集中 有应力集中有应力集中 氮化，膜厚氮化，膜厚0.10.4mm 硬度硬度HRC64 渗炭，膜厚渗炭，膜厚0.20.6mm氰化，膜厚氰化，膜厚 0.2mm 无无应力集中应力集中 10 1.8表面硬化加工的强化系数表面硬化加工的强化系数q 720 1.21.43040 1.11.25720 1.52.23040 1.31.8 加

7、工方法加工方法 试件种类试件种类 试件直径试件直径/mm q 无应力集中无应力集中 有应力集中有应力集中 720 1.11.33040 1.11.2720 1.42.53040 1.11.5无应力集中无应力集中 有应力集中有应力集中 滚子碾压滚子碾压 喷喷 丸丸-2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 （二）单向稳定变应力时零件的疲劳强度计算（二）单向稳定变应力时零件的疲劳强度计算 进行零件疲劳强度计算时进行零件疲劳强度计算时NMam求出危险截面上的求出危险截面上的max 及及minmin确定确定m与与a a（一）零件的极限应力线图（一）零件的极限应力线图在线图中标出相应的在线图中标

8、出相应的工作应力点工作应力点 M 或或 N2minmaxm平均应力平均应力:2minmaxa应力幅应力幅:amoS CAG-1eM 或或 N 的位置确定与循环应力变化规律有关。的位置确定与循环应力变化规律有关。可能发生的应可能发生的应力变化规律：力变化规律：循环特性为常数：循环特性为常数：r=C 平均应力为常数平均应力为常数:m=C 最小应力为常数最小应力为常数:min=CNMamoS CAG-1eam 在强度计算中所采用的极在强度计算中所采用的极限应力应是限应力应是零件的极限应力曲零件的极限应力曲线线AGC上的某一个上的某一个点点M或或 N所代表的应力所代表的应力(m m,a a)M1-2

9、机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 M2三种情况分别讨论1.r=Const -2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 工程实例工程实例:绝大多数转轴在工作时的应力状态绝大多数转轴在工作时的应力状态寻找极限应力值的寻找极限应力值的原则原则:极限应力的极限应力的 r 与与零件工作应力的零件工作应力的 r 相同。相同。maxminmaxmin11minmaxminmaxma)(11常数Crr比值：比值：mOCAG-1eS a M1为极限应力点为极限应力点，其坐标值，其坐标值me,ae 之和就是对应之和就是对应于于M点的极限应力点的极限应力max。)(常数比值：CmaamMmeae

10、-2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 M 1 作射线作射线OM，其上任意，其上任意一点所代表的应力循环都一点所代表的应力循环都具有相同的循环特性。具有相同的循环特性。设设:M1(me,ae),M(m,a)对对M点点:联解联解OM和和AG两直线的方程，可求出两直线的方程，可求出 M1点的坐标值：点的坐标值：mOCAG-1eS aamMmeaeM 1由相似三角形得由相似三角形得:mmeaae根据根据AG线方程线方程:meae11eeK-2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 maaaeK1mammeK1将两者相加将两者相加meaemaxmaamK)(1maKmax1联解联解

11、OM和和AG两直线的方程，可求出两直线的方程，可求出 M1点的坐标值：点的坐标值：maaaeK1mammeK1将两者相加将两者相加计算安全系数及疲劳强度条件为：计算安全系数及疲劳强度条件为：SKSma1-maxmaxlimca可求出对应于可求出对应于M点的零件的极限应力点的零件的极限应力(疲劳极限疲劳极限)max-2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 -（3-17）ae-1eamOCADS G 对应于对应于N点的极限应力点点的极限应力点N N 1 位于直线位于直线CG上，上，meaeamN N1maxsmeae有：有：这说明工作应力为这说明工作应力为N点时，点时，首先可能发生的是屈

12、服失效。首先可能发生的是屈服失效。故只需要进行静强度计算。故只需要进行静强度计算。强度计算公式为：强度计算公式为：maSmaxlimcaSSS 凡工作应力点落在凡工作应力点落在OGC区域区域内，在内，在 r=常数常数的条件的条件下，极限应力统为屈服极限，都下，极限应力统为屈服极限，都只需要进行静强度计算。只需要进行静强度计算。对对N点点:mOCAGS a疲劳强度校核区域疲劳强度校核区域静强度计算区域静强度计算区域OGC区域：区域：lim=s属于静强度计算区域属于静强度计算区域-2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 OAG区域：区域：属于疲劳强度校核区域属于疲劳强度校核区域按式（按式

13、（3-18）计算）计算按式（按式（3-17）计算）计算2.m=Const-2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 工程实例工程实例:弹簧在载荷作用下的振荡弹簧在载荷作用下的振荡寻找极限应力值的寻找极限应力值的原则原则:极限应力的极限应力的 m 与与零件工作应力的零件工作应力的 m 相同。相同。PamOCAS GMM M 2 2 此时需要在此时需要在 AG上确定上确定M2，使得：使得：m=m 显然，该纵轴平行线的上显然，该纵轴平行线的上任意一点所代表的应力循环都任意一点所代表的应力循环都具有相同的平均应力值。具有相同的平均应力值。对对M点点:求出求出M2点的坐标（点的坐标（me，m）m

14、eaemax计算安全系数及计算安全系数及疲劳强度条件为：疲劳强度条件为：SKKSm)()(ma1-maxmaxlimcaamOCAS GMM M 2 2MM2线方程：线方程：me=m AG线方程：线方程：mae11KKeKm1ae将两者加起来将两者加起来对应对应M点的零点的零件的极限应力件的极限应力-（3-21）amamOCADS G 同理，对于同理，对于N点的极限应力为点的极限应力为N N 2点。点。N N2 由于由于N N 2点位于直线点位于直线CG上，上，lim=s，故只要进行静故只要进行静强度计算：强度计算：计算公式为：计算公式为：SSSmaSmaxlimca对对N点点:amOCADS

15、 GH静强度计算区域静强度计算区域疲劳强度校核区域疲劳强度校核区域式（式（3-213-21）式（式（-18-18）式（式（-18-18）-2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 amOCAS G45 MM3 此时需要在此时需要在 AG上确定上确定M3，使得：，使得：min=min 因为：因为：min=m-aminML3.min=Const-2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 寻找极限应力值的寻找极限应力值的原则原则:极限应力的极限应力的 minmin 与与零件工作应力的零件工作应力的 minmin 相同。相同。过过M点作点作45 直线，其上任意一点所代表的应力循环都具有

16、相直线，其上任意一点所代表的应力循环都具有相同的最小应力。同的最小应力。amOCAS G45 MM3因为：因为：min=m-aL3.min=Const-2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 amaminMmaaIPLQminQ0 0minMamOCAS GMM3 D 在在GCI区域区域内，内，lim=s，只需按式（只需按式（3-18）做静强度计算。）做静强度计算。只有在只有在ODGI区区域域内，极限应力才内，极限应力才在疲劳极限应力曲在疲劳极限应力曲线上。线上。在在OAD区域区域内，最小应力均为负值，故不予讨论。内，最小应力均为负值，故不予讨论。过过O、G两点分别作两点分别作45直

17、线，得直线，得OAD、ODGI、GCI三个区域。三个区域。按式（按式（3-183-18）做静强度计算做静强度计算 按式（按式（3-243-24）做疲劳强度计算做疲劳强度计算-2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 注：注：具体设计零件时，如果难于确定应力变化的具体设计零件时，如果难于确定应力变化的规律，在实践中往往按规律，在实践中往往按 r=C 时的公式计算。时的公式计算。-2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 F F 2 O2 1 O1 2 2 O2 1 1 O1 F F 2 2b H1 变形量4 机械零件的接触强度机械零件的接触强度(一一)接触应力产生的条件接触应力产

18、生的条件B4 机械零件的接触强度机械零件的接触强度如齿轮、凸轮、滚动轴承等。如齿轮、凸轮、滚动轴承等。接触应力的特点：接触应力的特点：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。仅在局部很小的区域内产生很大的应力。接触应力不同于以往所学过的挤压应力。挤压应力是面接触引起的应力。初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹裂纹的扩展与断裂裂纹的扩展与断裂 油油金属剥落出现小坑金属剥落出现小坑(二二)接触应力引起的失效形式接触应力引起的失效形式-接触疲劳点蚀接触疲劳点蚀4 机械零件的接触强度机械零件的接触强度(一一)接触应力产生的条件接触应力产生的条件零件的接触应力通常随时间作周期性变化零件的接触应力

19、通常随时间作周期性变化疲劳点蚀通常是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式。疲劳点蚀通常是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式。B B其中：“+”+”用于外接触，“-”-”用于内接触。H HH H21F22212121H1111EEBF式中：1和2 分别为两零件初始接触线处的曲率半径,(三三)接触应力的计算接触应力的计算 11121令：-综合曲率综合曲率1221-综合曲率半径综合曲率半径 接触应力：接触应力：（赫兹应力）（赫兹应力）-赫兹赫兹(HHertz)公式公式4 机械零件的接触强度机械零件的接触强度b bH HH H21Fn1Fnb b2H HH H(四四)提问：提问：相互接触的两个零件，接触

20、应相互接触的两个零件，接触应力的大小是否相同？力的大小是否相同？齿面上接触应力的变化规律如何？齿面上接触应力的变化规律如何？4 机械零件的接触强度机械零件的接触强度相同相同脉动循环变应力脉动循环变应力(二二)接触应力引起的失效形式接触应力引起的失效形式(一一)接触应力产生的条件接触应力产生的条件(三三)接触应力的计算接触应力的计算-赫兹赫兹(HHertz)公式公式-疲劳点蚀疲劳点蚀(六六)提高机械零件疲劳强度的措施提高机械零件疲劳强度的措施（自学）（自学）采用具有高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和各种表采用具有高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和各种表面强化处理。面强化处理。适当提高零件

21、的表面质量，特别是提高有应力集中部位的表适当提高零件的表面质量，特别是提高有应力集中部位的表面加工质量，必要时表面作适当的防护处理。面加工质量，必要时表面作适当的防护处理。尽可能降低零件上的应力集中的影响，尽可能降低零件上的应力集中的影响，是提高零件疲劳强度的首要措施。是提高零件疲劳强度的首要措施。尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。减载槽减载槽 在不可避免地要产生较大应力集中的结构处，可采用减载槽在不可避免地要产生较大应力集中的结构处，可采用减载槽来降低应力集中的作用。来降低应力集中的作用。-2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算