机械设计-第三章机械零件的强度

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1、机械设计（3）机械零件的抗断裂强度机械零件的疲劳强度计算第三章机械零件的强度机械零件的接触疲劳强度机械的疲劳特性§3.1材料的疲劳特性§3.1.1载荷与应力：随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷。如汽车齿轮箱中的齿轮、轴、轴承等所受的载荷均为变载荷。：考虑载荷的时间不均匀性、分布的不均匀性以及其它影响因素对名义载荷进行修正得到的载荷。一、载荷二、名义载荷与计算载荷静载荷：不随时间变化、变化缓慢或者变化幅度相对很小的载荷。如零件所受到的重力、锅炉稳定工作时所受到的压力等。变载荷名义载荷Fn：根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷。计算载荷FcaK——载荷系数§

2、3.1材料的疲劳特性三、应力静应力变应力：指不随时间变化或变化缓慢的应力。：指随时间变化的应力。注意：静应力只能由静载荷产生。静载荷和变载荷均可能产生变应力。绝大多数机械零件都是处于变应力状态下工作的。§3.1材料的疲劳特性四、变应力的描述应力比(循环特性)：r=-1对称循环应力r=0脉动循环应力r=1静应力平均应力：应力幅值：-1，对称循环应力=0，脉冲循环应力1，静应力描述规律性的变应力有5个参数，但其中只有两个参数是独立的。疲劳曲线一、s－N疲劳曲线s－N疲劳曲线§3.1.2材料的疲劳曲线§3.1材料的疲劳特性应力循环特性r一定的条件下，记录出在不同最大应力σm

3、ax下引起试件疲劳破坏所经历的应力循环次数N，即可得到σ-N疲劳曲线。静应力强度（AB段）：N≤103，σmax几乎不随N变化，可近似看作是静应力强度。低周疲劳（BC段）：N↑→σmax↓。C点对应的循环次数约为104。有限寿命疲劳阶段（CD段）：实践证明大多数机械零件的疲劳发生在CD段，可用下式描述：无限寿命阶段（D点以后的水平线）：D点代表材料的无限寿命疲劳极限，用符号σr∞表示，只要σmax<σr∞，无论N为多大,材料都不会破坏。可用下式描述：σrN—有限寿命疲劳极限；C—试验常数；m—材料常数。s－N疲劳曲线§3.1材料的疲劳特性由于ND很大，所以在作疲劳试验

4、时，常规定一个循环次数N0(称为循环基数)σr、N0及m的值由材料试验确定。材料的寿命系数循环基数N0—————ND对应的疲劳极限σr——σr∞§3.1材料的疲劳特性二、等寿命疲劳曲线（极限应力曲线）不同的应力比时，疲劳极限的应力幅与平均应力之间的关系曲线。在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。极限应力线图§3.1材料的疲劳特性已知A点坐标：（0，σ-1）D点坐标：（σ0/2，σ0/2）AＧ直线的方程：ψσ——试件受循环弯曲应力时的材料常数。碳钢：ψσ≈0.1~0.2；合金钢：ψσ≈0.2~0.3。已知C点坐标：（σS，0）CG直线的斜率：k=tan135°=

5、-1CＧ直线的方程：AＧ直线上任意点代表了一定循环特性时的疲劳极限。CＧ直线上任意点的最大应力达到了屈服极限应力。§3.1材料的疲劳特性正好落在A’G’C折线上时，表示应力刚好达到疲劳破坏的极限值。当应力点落在OAGC以外时，一定会发生疲劳破坏。当循环应力参数（σm，σa）落在OAGC以内时，表示不会发生疲劳破坏。疲劳破坏的判据：§3.2机械零件的疲劳强度计算一、影响零件疲劳强度的主要因素应力集中零件尺寸表面状态kσ----应力集中系数；εσ----尺寸系数；βσ----表面质量系数；βq----表面强化系数。综合影响系数:由于实际零件的几何形状、尺寸大小、加工质量及

6、强化因素等与材料标准试件有区别，使得零件的疲劳极限要小于材料标准试件的疲劳极限。由于零件形状突然变化而引起的局部应力增大现象。应力集中的存在会降低零件的疲劳极限。其他条件相同的情况下，零件的绝对尺寸越大，其疲劳强度越低。零件的表面状态包括表面粗糙度和表面处理。零件表面的强化处理、提高零件表面的光滑程度，可以提高零件的疲劳强度。机械零件的疲劳强度计算1二、零件的极限应力线图Ｋσ还可表示材料对称循环疲劳极限σ-1与零件对称循环疲劳极限σ-1e的比值，即将材料标准试件的极限应力线图中的直线ADG按比例向下移，成为右图所示的直线A’D’G’，而极限应力曲线的CG部分，由于是按

7、照静应力的要求来考虑的，故不须进行修正。这样就得到了零件的极限应力线图。§3.2机械零件的疲劳强度计算直线A’Ｇ’的方程：直线CＧ’的方程：σ’ae---零件所受极限应力幅；σ’me---零件所受极限平均应力；ψσe---零件受弯曲的材料特性。三、单向稳定变应力时的疲劳强度计算§3.2机械零件的疲劳强度计算机械零件疲劳强度计算的步骤：根据零件危险截面上的σmax及σmin，确定平均应力σm与应力幅σa；计算安全系数及疲劳强度条件为：在极限应力线图中标出相应工作应力点M或N（σm,σa）；M’或N’的位置与循环应力的变化规律有关。应力比为常数：r=C可