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1、第一篇 机 械 设 计 总 论 篇,第二章 机械零件的强度,本章主要介绍机械零件在静应力和变应力时的强度计算，极限应力图绘制及应用。 重点内容： 变应力时机械零件的强度计算 难点内容： 变应力时机械零件的强度计算,2-1 载荷与应力的分类,2-2 静应力时机械零件的强度计算, 2-3 机械零件的疲劳强度计算,2-4 机械零件的接触强度,3,2-1 载荷与应力的分类,一、载荷的分类,随机变载荷,变载荷：,静载荷:,如锅炉的压力、匀速转动的离心力、自重等。,循环变载荷,稳定循环变载荷：,不稳定循环变载荷：,如往复式动力机械的曲轴。,如汽车、农业机械等。,4,随机变应力,静应力: 不随时间变化或变化
2、缓慢的应力。,规律性不稳定变应力,二、应力的分类,1、应力种类,变应力：随时间变化 的应力。,不稳定变应力,5,稳定循环变应力,T、m、a均不变,对称循环变应力,脉动循环变应力,非对称循环变应力,6,2、稳定循环变应力的基本参数和种类,a) 基本参数:,应力循环特性:,平均应力:,应力幅:,最大应力:,最小应力:,5个参数中，知道两者，其余即可求出。 一般常用如下参数组合描述应力的特性： m和a; max和min; max和m,7,b) 稳定循环变应力种类：, = 1 对称循环变应力,8, = 0 脉动循环变应力,9,-1 +1 不对称循环变应力, = +1 静应力,10,对称循环变应力,脉动
3、循环变应力,非对称循环变应力,其中，最不利的是对称循环变应力。,11,注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生！,名义应力由名义载荷产生的应力 计算应力由计算载荷产生的应力,3、名义应力和计算应力,12,一、单向应力下的塑性零件, 2-2 静应力时机械零件的强度计算,强度条件：,或：,（失效形式：塑性变形）,s、s材料的屈服极限,S、S计算安全系数,s、s许用安全系数,13,二、复合应力时的塑性材料零件,（失效形式：塑性变形）,设单向正应力和切应力分别为和,由第三强度理论：（最大剪应力理论）,由第四强度理论：（最大变形能理论）,第三强度理论取:,第四强度理论取
4、:,14,复合应力计算安全系数为：,三、脆性材料与低塑性材料,脆性材料极限应力： 强度极限,（失效形式：断裂）,或：,1、单向应力状态,强度条件：,或：,15,按第一强度条件：（最大主应力理论）,2、复合应力下工作的零件,注意： (1) 低塑性材料强度计算应计入应力集中的影响。 (2) 脆性材料强度计算不考虑应力集中。 (3) 一般工作期内应力变化次数103（104）， 按静应力强度计算。,16, 2-3 机械零件的疲劳强度计算,一、变应力作用下机械零件的失效特征,1、失效形式：疲劳断裂 2、疲劳破坏特征： 1）断裂过程：产生初始裂纹 （应力较大处） 裂纹尖端在切应力作用下反复 扩展，直至产生
5、疲劳裂纹。 2）断裂面：光滑区（疲劳发展区） 粗糙区（脆性断裂区） 3）无明显塑性变形的脆性突然断裂 4）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的 屈服极限max B或 max S,17,18,塑性材料拉伸断口形貌,脆性材料拉伸断口形貌,材料疲劳破坏断口形貌,光滑的疲劳发展区,粗糙的脆性断裂区,19,3、疲劳破坏的机理：损伤的累积。 4、影响因素：不仅与材料抗疲劳性能有关，变应力的 循环特性，应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有 很大影响。,5、当m、一定时， a越小，N越少，疲劳强度 越高。,20,二、材料的疲劳曲线和极限应力图, 疲劳极限，应力循环特性下应力循环N次后材料不发生疲劳破坏时的最大应
6、力。,疲劳寿命（N） 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N。,1、疲劳曲线：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线。,N0 循环基数 持久极限,21,1）有限寿命区,当N103(104) 低周循环，疲劳极限接近于屈服极限，按静强度计算。,低周循环疲劳,高周循环疲劳,当 时随循环次数疲劳极限,22,注意：有色金属和高强度合金钢没有无限寿命区!,2）无限寿命区, 持久极限,对称循环：,脉动循环：,3）疲劳曲线方程,随循环次数疲劳极限。,23,寿命系数,寿命系数的意义：采用寿命系数，通过疲劳曲线方程， 可以计算出任意循环次数N下的疲劳 极限应力rN。,24,几点说明：, N0
7、 与材料性质有关。 钢: 硬度350HBS， N0=107 硬度350HBS， N0=(1025)x107 有色金属: 疲劳曲线无水平部分，规定 当N025x107时,近似为无限寿命区。, m 与应力与材料的种类有关。,m =9 拉、弯曲应力、剪应力。 m =6 接触应力。,m =9 弯曲应力。 m =8 接触应力。,钢：,青铜：, 应力循环特性越大，材料的疲劳极限越大，对零件强度越有利。对称循环（应力循环特性=1）最不利！,25,2、材料的疲劳极限应力图 同一种材料在不同的应力循环特性下的疲劳极限图。,以 为横坐标、 为纵坐标，即可得材料在不同应力循环特性下的 曲线，即为材料的疲劳极限应力图
8、。,每种应力循环特性下都对应着该材料的最大应力：,再由应力循环特性可求出：,26,强度极限点,如图 AB曲线上的点对应着不同应力循环特性 下的材料疲劳极限,对称疲劳极限点,脉动疲劳极限点,屈服极限点,27,A对称疲劳极限点,A（0,1）,28,B 强度极限点,B（B，0）,29,D脉动疲劳极限点,D（0/2, 0/2 ）,30,C 屈服极限点,塑性材料：,C (s,0),31,材料简化极限应力线图：简化极限应力图 作法：考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限，由C点作 135斜线与AD的延长线交于G，得到,32,上各点： 如果 不会疲劳破坏 上各点： 如果 不会屈服破坏,零件的工作应力点（m，a
9、）位于ADGC折线以内 时，其最大应力既不超过疲劳极限，又不超过屈服极限。,33,材料的简化极限应力线图，可根据材料的三个 试验数据 而作出。,折线以内为疲劳和塑性安全区，折线以外为疲劳和塑性失效区，工作应力点离折线越远，安全程度愈高。,34,由于实际机械零件与标准试件之间在绝对尺寸、表面状态、应力集中、环境介质等方面往往有差异，这些因素的综合影响使零件的疲劳极限不同于材料的疲劳极限， 其中尤以应力集中、零件尺寸和表面状态三项因素对机械零件的疲劳强度影响最大。,三、影响机械零件疲劳强度的主要因素和零件极限应力图,35,1、应力集中的影响有效应力集中系数,零件受载时，在几何形状突变处（圆角、凹槽
10、、孔等）要产生应力集中，对应力集中的敏感程度与零件的材料有关，一般材料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感。,理论应力集中系数：,名义应力,实际最大应力,有效应力集中系数：,材料的敏感系数,36,为考虑零件几何形状的理论应力集中系数,应力集中源处名义应力,材料对应力集中的敏感系数,应力集中源处最大应力,37,2、零件尺寸的影响尺寸系数,由于零件尺寸愈大时，材料的晶粒较粗，出现缺陷的概率大，而机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，所以对零件疲劳强度的不良影响愈显著 。,见表2-8（螺纹联接）， 图2-9（钢）， 图2-10（铸铁）。,38,3、表面状态的影响,1）表面质量系数,零件加工的表面质量（主
11、要指表面粗糙度）对疲劳强度的影响。,图2-11：钢的 越高，表面愈粗糙， 愈低。,强化处理淬火、渗氮、渗碳、热处理、 抛光、喷丸、滚压等。,2）表面强化系数,考虑对零件进行不同的强化处理，对零件疲劳强度的影响。,表2-10表2-12。,39,应力集中，零件尺寸和表面状态只对应力幅有影响，而对平均应力无影响。,4、综合影响系数 和零件的极限应力图,综合影响系数表示了材料极限应力幅与零件极限应力幅的比值。,1）综合影响系数,40,41,2)、零件的极限应力图,零件脉动循环疲劳点,零件对称循环疲劳点,由于 只对 有影响，而对 无影响，所以在材料的极限应力图 ADGC上几个特殊点以坐标计入 影响 零件
12、的简化极限应力图。,GC是静强度极限，不受k的影响，所以，该段不必修正。,42, 零件的材料特性, 标准试件的材料特性,直线AG方程 :,直线GC方程：,GC :零件屈服极限曲线,AG :零件疲劳极限曲线, 零件的极限应力幅和极限平均应力。,43,四、单向稳定变应力时的疲劳强度计算,1、,过原点与工作应力点M或N作连线交ADGC于M1或N1点。 此直线上任一点的应力循环特性均相同。 M1或N1点即为所求的极限应力点。,大多数转轴中的应力状态,44,a)当工作应力点位于OAG内,极限应力为疲劳极限，按疲劳强度计算。,零件极限应力（疲劳极限）：,强度条件：,45,b)当工作应力点位于OGC内,极限
13、应力为屈服极限，按静强度计算。,强度条件：,46,2、 振动中的受载弹簧的应力状态,过工作应力点M（N）作与纵轴平行的轴线交AG(GC)于M2（N2 ）点。 此直线上任一点的都具有相同的平均应力值。 M2或N2点即为所求的极限应力点。,47,a) 当工作应力点位于OAGH区域内,强度条件：,极限应力为疲劳极限，按疲劳强度计算。,MM2 ：,48,b）工作应力点位于GHC区域内,强度条件为：,极限应力为屈服极限，按静强度计算。,49,3、 受轴向变载荷的紧螺栓联接中的螺栓应力状态, 过工作应力点M（N）作与横坐标成45的直线， 则这直线任一点的最小应力 均相同。 直线与极限应力线图交点 即为所求
14、极限应力点。,50,a)工作应力点位于OJGI内,求AG与MM3的交点:,强度条件:,极限应力为疲劳极限，按疲劳强度计算。,M,M3,51,c）工作应力点位于OAJ区域内, 极限应力点为,强度条件：,为负值，工程中罕见，故不作考虑。,极限应力为屈服极限， 按静强度计算。,b)工作应力点位于IGC区域内,52,5）等效应力幅：,注意：,1）若零件所受应力变化规律不能肯定，一般采用 =C的情况计算。,2）上述计算均为按无限寿命进行零件设计，若按有限寿命要求设计零件时，即应力循环次数103(104)NNo时，这时上述公式中的极限应力应为有限寿命的疲劳极限： ，即应以-1N 代-1 ，以oN代o 。,
15、3）当未知工作应力点所在区域时，应同时考虑可能出现的两种情况。,4）对切应力上述公式同样适用，只需将改为即可。,53,五、双向稳定变应力时的疲劳强度计算(自学),1、对称循环稳定变应力,当零件剖面上同时作用着相位相同的纵向和切向对称循环，稳定变应力a和a时，经试验后极限应力关系为：,a, a 同时作用双向应力时正应力和切应力的应力幅极限值（ , 同时作用 ） -1e , -1e 零件受对称循环正应力和切应力时疲劳极限（ , 单独作用）,在以 的坐标系中为一个单位圆,54,圆弧AMB任何一点即代表一对极限应力 a 和a ，如果工作应力点M（ ）在极限圆以内，则是安全的。M点所对应的极限应力点M 确定时，一般认为 比值不变（多数情况如此）， M 点在OM直线的延长线上，如图所示M,强度条件为：,零件只受对称循环切应力时的安全系数,零件只受对称循环正应力时的安全系数,55,2-4 机械零件的接触强度,高副零件工作时，理论上是点接触或线接触实际上由于接触部分的局部弹性变形而形成面接触由于接触面积很小，使表层产生的局部应力却很大。该应力称为接触应力。 在表面接触应力作用下的零件强度称为接触强度。 计算依据：弹性力学的赫兹公式。,1、接触应力,a) 两圆柱体接触,56,b)两球接触,综合曲率半径,1）圆柱体： ，球：
