chapter3-机械设计机械设计strength of mechanical element.pptx

机械设计Machine Design李海庆第三章 机械零件的强度载荷的种类静载荷：载荷的大小和方向不随时间变化或变化缓慢的载荷。变载荷：载荷的大小和方向随时间变化的载荷。工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷。名义载荷：按原动机的功率求出的载荷。计算载荷：用载荷系数对名义载荷进行修正得到的与工作载荷近似的载荷。强度：构件抵抗破坏的能力。 要求零件在规定的使用条件下不发生意外断裂 或显著塑性变形。根据零件承载的不同，分为静应力强度和变应力强度。脆性断裂塑性变形材料力学静应力强度问题疲劳强度理论疲劳破坏变应力强度问题主要内容1材料的疲劳特性2机械零件的疲劳强度计算机械零件的接触强度3第一节 材料的疲劳特性1变应力的产生2变应力的特性参数及类型疲劳破坏的特征34材料的疲劳曲线σσ=常数ot1. 变应力的产生应力的类型静应力——不随时间变化或变化缓慢交变应力——随时间变化静应力只能在静载荷作用下产生。变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生（转动轴例）yA1F1FA2z压A3a拉 Fa(+)1M-图1. 变应力的产生aL1-1横截面上的弯曲正应力分布图yARAwyAF1Fwtzwa Fa(+)1M-图1. 变应力的产生转轴外表面一点aLt为轴的工作时间yARAyA压wtwz拉1. 变应力的产生转轴外表面一点sot1. 变应力的产生齿廓上一点 齿廓进入啮合到脱离啮合的过程中，表面上任意一点的接触力是变应力。1. 变应力的产生载荷做周期性变化构件做周期性变化最大应力最小应力sa平均应力smax应力幅smsmin应力比2. 变应力的特性参数及类型s应力循环特性σotσotσot2. 变应力的特性参数及类型脉动循环 r = 0稳定变应力对称循环 r =－1非对称循环 －1 r 1σHFNiσHFNittoo无载荷有载荷承载区固定圈上确定点的应力变化 滚动体、动圈上确定点的应力变化 2. 变应力的特性参数及类型脉动循环变应力举例齿轮的齿面接触应力滚动轴承内圈、外圈和滚动体上一点2. 变应力的特性参数及类型对称循环变应力举例转动轴外表面一点的弯曲正应力图示惰轮的齿根弯曲应力。扭矩为对称循环载荷时，轴横截面上的扭转切应力2. 变应力的特性参数及类型非对称循环变应力举例气缸盖法兰盘螺纹连接的螺栓杆[例1] 发动机连杆大头螺钉工作最大拉力Pmax =58.3kN，最小拉力Pmin =55.8kN ，螺纹小径为 d=11.5mm，试求 ?a 、?m 和 r。解：σto周期σto变应力的类型有规律非稳定变应力：应力变化周期、应力幅和平均应力之一随时间变化无规律非稳定变应力：应力的变化不呈周期性。汽车后桥载荷谱3. 疲劳破坏的特征构件在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也会发生断裂，这种现象称为疲劳。疲劳断裂由疲劳裂纹产生—扩展—瞬时断裂三个阶段组成。材料内部的夹渣、微孔、晶界以及表面划伤、裂纹、腐蚀等都有可能产生初始裂纹，形成疲劳源，疲劳源可以有一个或数个；是裂纹尖端在切应力下发生反复塑性变形，使裂纹扩展直至发生疲劳断裂。光滑的疲劳发展区crack growthcrack initiation疲劳破坏断面粗糙的脆性断裂区3. 疲劳破坏的特征疲劳破坏的过程 3. 疲劳破坏的特征疲劳破坏的实物曲轴连杆体3. 疲劳破坏的特征循环应力多次反复作用下产生；经过一定的载荷循环次数才会发生；无宏观的、明显的塑性变形迹象；循环应力远小于材料的静强度极限；对材料的组成、零件的形状、尺寸、表面状态、使用条件非常敏感。4. 材料的疲劳曲线两种疲劳曲线疲劳寿命曲线又称为Wohler曲线，也称作s-N曲线。应力比为定值材料的极限应力图特定疲劳寿命条件下，描述材料在不同应力比下的不同的疲劳极限曲线4. 材料的疲劳曲线应力比一定(r = 0或r = -1)，描述最大工作应力与应力循环次数之间关系的曲线。采用标准试件，尺寸小，表面精度高。最大应力应力作用次数4. 材料的疲劳曲线 曲线的有限寿命阶段曲线AB段，N1103，使试件材料发生破坏的最大应力几乎不变 。将应力循环次数N≤103 的变应力强度看做是静强度计算。4. 材料的疲劳曲线 曲线的有限寿命阶段曲线BC段，使试件发生破坏的最大应力值不断下降，C点相应的循环次数N2≈104 。断口有塑性变形，这一阶段的疲劳破坏称为低周疲劳，用应变-疲劳曲线描述。曲线4. 材料的疲劳曲线 曲线CD段—应力寿命疲劳阶段，试件经过一定次数的变应力作用后总会发生疲劳破坏。CD段方程C和m为材料常数。可以根据实验结果确定。可以查阅机械设计手册。曲线为持久疲劳极限 则为与寿命N对应的有限寿命疲劳极限。4. 材料的疲劳曲线最大应力即应力比为r时，材料的疲劳极限。曲线循环基数（不同材料的ND差别很大。做疲劳试验时，人为规定N0）——寿命系数4.