第02章节机械零部件设计中的强度与耐磨性幻灯片

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1、典型机器的分析：,1.内燃机,活塞的往复运动通过连杆变位曲轴的连续转动，,凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；,两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动作，,各部分协调动作的结果，就将燃料中化学能转化为曲轴旋转的机械能。,该组合体称为：曲柄滑块机构,称为：凸轮机构,称为：齿轮机构,内燃机,机器的种类繁多，结构、性能和用途等各不相同，但具有相同的基本特征。,第2章 机械零部件设计中的强度与耐磨性,2.1 概述,2.1 概述,载荷系数 K -考虑各种附加载荷因素的影响。,名义载荷-在理想的平稳工作条件下作用在零件上 的载荷。,2.2 机械设计中的强度问题,计算载荷-载荷系数与名义载荷的乘积。,

2、然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，工作载荷难以确定，通常用引入,2.2.1 载荷与力,1. 载荷,-力和力矩,静载荷,变载荷,大小、作用位置和方向不随时间变化或随时间缓慢变化的载荷,大小、作用位置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。,工作情况系数 KA -只考虑工作情况的影响。,FC=KF 或 TC=KT,式中，F 、 T为名义载荷，FC 、 TC为计算载荷,（N m ）,原动机的 额定功率为 P（KW ） 额定转速为 n (r/min),作用在传动零件上的 名义转矩 T 为,式中， i -从原动机到所计算零件之间的总传动比,-从原动机到所计算零件之间传动

3、链的总效率,2. 应力,静应力,变应力,不随时间变化或随时间缓慢变化的应力,随时间变化的应力,静应力: =常数,变应力: 随时间变化,平均应力:,应力幅:,最大应力:,最小应力:,max,min,脉动循环变应力,r =0,非对称循环循环变应力,对称循环变应力,min,静应力是变应力的特例,静应力,r =-1,r =+1,静应力,静应力: =常数 a=0 ,max= min= m= ,r =+1,对称循环变应力,对称循环变应力: m=0 ,max=a , min= -a,r =-1,r =-1,脉动循环变应力,r =0,min,脉动循环变应力: m=a ,max= 2a , min= 0,r =

4、0,变应力的循环特性:,-脉动循环变应力,-对称循环变应力,-静应力,2.2.2 静应力作用下的强度,一、静应力下的强度条件, 、- 许用正应力，许用剪切应力,lim、 lim - 极限正应力，极限剪切应力, 危险截面处的计算应力 不超过许用应力, 危险截面处的计算安全系数 不超过许用安全系数,lim、 lim - 极限正应力，极限剪切应力,二、静应力下的许用应力,静应力状态下，零件的失效形式：断裂或塑性变形 材料种类不同，所取极限应力也不同。,2.3 机械零件的疲劳强度,2.3.1 疲劳断裂特征,静应力状态下，零件的失效形式：断裂或塑性变形,变应力状态下，零件的失效形式：疲劳断裂,1、疲劳断

5、裂的过程,第一阶段、 零件表面上应力较大处的材料发生剪切滑移，产生初始裂纹 形成疲劳源（1个或数个）,第二阶段、 裂纹端部在切应力下发生反复塑性变形，裂纹扩展 直至发生疲劳断裂,2、疲劳断裂具有以下特征：,1) 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限 低，甚至比屈服极限低;,2) 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;,3) 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。 它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时，就突然断裂。疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，

6、才发生的突然断裂。所以疲劳断裂是与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂。,不管脆性材料或塑性材料，,3、疲劳断裂截面 由光滑的疲劳发展区 和粗糙的脆性断裂区组成,2.3.2 疲劳极限,一、两个概念,1）材料的疲劳极限 ：对任意给定的应力循环特性 ，当应 力循环 N 次后，材料不发生疲劳破坏、 时所能承受的最大应力 。 （变应力的大小可按其最大应力进行比较）,2）疲劳寿命 N： 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。,二、疲劳曲线（ - N 曲线）,是在循环特性 一定时，表示循环次数 N（lgN） 与疲劳极限 (lg )之间关系的曲线。,1. 第一类金属材料的疲劳曲线（如图所示：）,大多数黑

7、色金属及其合金，当 N N 0 时，疲劳曲线呈现为 水平直线。,可以看出： 随 N 的 增大而减小。但是当 N 超过 某一循环次数 N0 时，曲线 趋于水平。即 不再随 N 的增大而减小。,典型的疲劳曲线如图所示：,典型的疲劳曲线如图所示：,N0 - 应力循环基数。,以 N0 为界，曲线分为两个区：,1）无限寿命区： 当 N N0 时，曲线为水平直线，对应的疲劳极限是一个定值，用 表示。它是表征材料疲劳强度的重要指标，是疲劳设计的基本依据。,可以认为：当材料受到的应力不超过 时，则可以经受无限 次的应力循环而不疲劳破坏。寿命是无限的。,疲劳极限,与曲线的两个区相对应，疲劳设计分为：,设计中常用

8、的是疲劳曲线上的 AB 段，其方程为：,2）有限寿命区： 非水平段（NN0）的疲劳极限称为条件疲劳极限， 用 表示 。当材料受到的工作应力超过 时，在疲劳破坏之前，只能经受有限次的应力循环。寿命是有限的。,显然，B点的坐标满足AB的方程，即,，代入上式得：,则,注：1）计算 时，如 N ，则取 N 。,2）工程中常用的是对称循环变应力（ =-1）下的疲劳极限，计 算时，只须把 和 换成 和 即可。,3）对于受切应力的情况，则只需将各式中的 换成 即可。,4）当N （ ）时，因 N 较小，可按静强度计算。,2. 第二类金属材料的疲劳曲线（如图所示：）,有色金属及高硬度合金钢，无论 N 多大，疲劳

9、曲线也不存在水平直线。,公式与前面有限寿命段相同,2.3.3 疲劳极限应力图,极限应力图,是在疲劳寿命N 一定时，表示疲劳极限 与 之间关系的线图。,疲劳寿命为 （无限寿命）时的 极限应力图如右图所示。,材料相同，r 不同时， 也不同，可用疲劳极限应力图表示。,疲劳极限应力图也称为等寿命疲劳曲线，为二次曲线。,极限应力线上的点称为极限应力点。三个特殊点 A、B、C 分别 为对称循环、脉动循环、以及静应力下的极限应力点。,极限应力线上的每个点，都表示了某个r下的极限应力 。,-1r+1且r0（非对称循环变应力）可根据简化疲劳极限应力图直接求得,AE段，任一点的极限应力为：,ES段，任一点的极限应

10、力为：,2.3.4 影响零件疲劳强度的主要因素,前边提到的各疲劳极限 ，实际上是材料的力学性能指标，是用 试件通过试验测出的。,而实际中的各机械零件与标准试件，在形体、面质量以及绝 对尺寸等方面往往是有差异的。因此实际机械零件的疲劳强度与用 试件测出的疲劳强度必然有所不同。,影响零件疲劳强度的主要因素有以下三个：,一、应力集中的影响,应力集中 在零件剖面的几何形状突然变化之处，局部应力远大于名义应力， 这种现象称为应力集中。,机械零件上的应力集中会加快疲劳裂纹的形成和扩展。从而导 致零件的疲劳强度下降。,用应力集中系数 、 （也称疲劳缺口系数）计入应力集中的影响。,有效应力集中系数 表示零件疲

11、劳强度降低的程度。,式中：, 无应力集中试样的疲劳极限, 受到对称循环变应力的作用, 有应力集中试样的疲劳极限,-1,注： 当同一剖面上同时有几个应力集中源时，应采用其中最大的应力集中系数进行计算。,二、绝对尺寸的影响,零件的尺寸越大，在各种冷、热加工中出现缺陷，产生微观裂纹等疲劳源的可能性（机会）增大。从而使零件的疲劳强度降低。,用绝对尺寸系数 、 ，计入截面绝对尺寸对零件疲劳极 限的影响。,式中：, 直径为d 的试样的疲劳极限, 受到对称循环变应力的作用, 直径为d0 的试样的疲劳极限 d0 =610mm,-1,三、表面状态的影响,表面状态：是指表面粗糙度及其表面处理。,其他条件相同时，

12、表面越光滑（粗糙度值越小），疲劳强度越高。 表面强化（渗碳、表面淬火、表面滚压、喷丸等）可显著提高零件的疲劳强度。,用表面状态系数 计入表面状态的影响。,式中：, 某种表面状态下试样的疲劳极限, 受到对称循环变应力的作用, 精抛光（未强化处理）的试样的疲劳极限,-1,综合影响系数,在计算中，上述三个系数都只计在应力幅上，故可将三个系数 组成一个综合影响系数：,或,试验证明：应力集中、尺寸和表面状态都只对应力幅 有影响， 而对平均应力 没有明显的影响。（即对静应力没有影响）,计算时，只要用综合影响系数对零件的工作应力幅修正即可。,其余公式见课本P25,2.3.5 稳定变应力状态下零件疲劳强度的计

13、算,稳定变应力和非稳定变应力 1.稳定变应力- 循环中平均应力、应力幅和周期都不随时间 变化的变应力。 2.非稳定变应力-上述参数之一若随时间变化则称作非稳定变应力。,稳定变应力,规律性不稳定变应力,随机性不稳定变应力,1. 许用应力法,2.3.5 稳定变应力状态下零件疲劳强度的计算,零件受对称循环变应力作用：,零件受非对称循环变应力作用：,要用降低了的许用应力值,1. 许用应力法,2.3.5 稳定变应力状态下零件疲劳强度的计算,2. 安全系数法,零件危险点处的最大工作应力应小于或等于零件的许用应力,零件危险截面处的安全系数应大于或等于零件的许用安全系数,安全系数表示的强度约束条件见课本P26

14、,2.3.6 复合应力状态下安全系数的强度约束条件,零件在对称循环弯扭复合应力状态下：,零件在非对称循环弯扭复合应力状态下：,的计算公式不同，见课本P26,2.4 机械零件的表面接触强度,若两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后由于变形，其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。,如:齿轮、凸轮、滚动轴承等。,失效形式常表现为：,疲劳点蚀,后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。,属于变应力作用下的接触疲劳破坏,机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约

15、1520m处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤进裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑 ，这种现象称为渡劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力 。,由弹性力学可知，应力为：,“+”用于外接触， “-”用于内接触。,（MPa）,H -最大接触应力,接触疲劳强度的判定条件为：,2.5 机械设计中的摩擦、磨损与润滑,2.5.1 摩 擦,2.5.2 磨 损,2.5.3 润 滑,2.5.4 流体动力润滑的基本原理,引 言,引 言,引 言,摩擦现象是自然界中普遍存在的物理现象。对于机器来讲，摩 擦会使效率降低，温度升高，表面磨损。过大的磨损会使机器丧失 应有的精度，进而产生振动和噪音，缩短使用寿命。,世界上使用的能源大约有 1/31/2 消耗于摩擦。如果能够尽力 减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。,机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废。,润滑是减小摩擦、减小磨损、提高机械效率的最常用最有效方法。,关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学。,本章主要介绍有关摩擦、磨损和润滑的一些基础知识。,2.5.1 摩 擦,2.5.1 摩 擦,1、