1、第2章：機械零件設(shè)計中的強度和耐磨性，2.1:概述，2.2:機械設(shè)計中的強度，2.3:機械零件的疲勞強度，2.4:機械零件的表面接觸強度，2.5:機械設(shè)計中的摩擦、磨損和潤滑，教學(xué)目標和教學(xué)重點，1:掌握載荷和應(yīng)力的分類；2.熟悉機械零件強度的基本概念；3.掌握材料的疲勞特性；4.了解機械零件的強度計算和提高零件疲勞強度的措施。教學(xué)目標：教學(xué)重點：1，穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力類型和參數(shù)；2.材料的疲勞曲線和極限應(yīng)力曲線。2.2機械設(shè)計中的強度問題，1。載荷和應(yīng)力、強度工作應(yīng)力容許應(yīng)力載荷(應(yīng)力)材料、靜態(tài)載荷：不隨時間變化或變化緩慢的載荷?？勺冐撦d：在任何時候周期性或非周期性變化的負載。注意，在設(shè)計計算中

2、，載荷可分為名義載荷和計算載荷，計算載荷等于載荷系數(shù)乘以名義載荷。1.零件設(shè)計中的載荷及其分類。應(yīng)力分類，靜態(tài)應(yīng)力：不隨時間變化或變化緩慢的應(yīng)力?？勺儜?yīng)力：是隨時間變化的應(yīng)力。描述穩(wěn)定循環(huán)變量應(yīng)力的參數(shù)有五個，即應(yīng)力幅a、平均應(yīng)力m、最小應(yīng)力min、最大應(yīng)力max和循環(huán)特征系數(shù)R.但是只有兩個參數(shù)是獨立的。注意：應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n .非對稱循環(huán)變量應(yīng)力，2應(yīng)力分類，對稱循環(huán)變量應(yīng)力，2應(yīng)力分類，脈動循環(huán)變量應(yīng)力，2應(yīng)力分類，靜態(tài)應(yīng)力，2應(yīng)力分類，2.3機械零件疲勞強度。疲勞斷裂過程：疲勞斷裂斷面、初始裂紋、光滑疲勞區(qū)、粗糙脆性斷裂區(qū)。零件在變應(yīng)力下的失效模式為疲勞斷裂。疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠低于材料

3、在靜態(tài)應(yīng)力下的強度極限，甚至低于屈服極限；疲勞斷裂表現(xiàn)為脆性突然斷裂，無明顯塑性變形；疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結(jié)果。無論是脆性材料還是塑性材料，零件表面都會產(chǎn)生微小的裂紋；疲勞斷裂過程：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，微裂紋逐漸擴展；當剩余的材料不足以承受載荷時，它會突然變脆。疲勞斷裂是與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(即使用壽命)相關(guān)的斷裂。疲勞斷裂具有以下特征：斷裂面上累積損傷的表面是光滑的，而斷裂區(qū)的表面是粗糙的。光滑疲勞區(qū)，粗糙脆性斷裂區(qū)，2.3機械零件的疲勞強度，1。材料的疲勞特性，兩個概念：1)疲勞壽命n:材料疲勞失效前的應(yīng)力循環(huán)時間?；蛘弋攏不同時，疲勞極限也不同。在疲勞強度計算中，取。2)材料的疲

4、勞極限：材料在經(jīng)受應(yīng)力比為n倍的循環(huán)應(yīng)力后，在不發(fā)生疲勞破壞的情況下所能承受的最大應(yīng)力。(可變應(yīng)力可根據(jù)其最大應(yīng)力進行比較)，2.3機械零件的疲勞強度，1。sN疲勞曲線、sN疲勞曲線和材料的疲勞極限可以用參數(shù)max來表征。通過實驗，可以得到如圖所示的疲勞曲線。它們被稱為：sN疲勞曲線，2.3機械零件的疲勞強度，1.sn疲勞曲線，1 .材料的疲勞特性，1.sn疲勞曲線，在原點，相應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為N=1/4。在AB段，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為103次，最大值變化很小，可以近似視為靜態(tài)應(yīng)力強度。因為n很小，所以被稱為低周疲勞。在原點，相應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)數(shù)為N=1/4。BC段，N=103104，以N最大，疲勞現(xiàn)象

5、明顯。因為n很小，所以被稱為低周疲勞。1.材料的疲勞特性，最大值為N的臨界截面代表一個有限的壽命區(qū)域，機械零件的疲勞主要發(fā)生在臨界截面。d點后的疲勞曲線是一條水平線，代表無限壽命區(qū)。N104，高周疲勞，2.3機械零件的疲勞強度，2。疲勞極限應(yīng)力圖(等壽命疲勞曲線)，1。材料的疲勞特性，注：1)疲勞曲線的目的是確定一定循環(huán)次數(shù)n下的條件疲勞極限。2)極限應(yīng)力圖的目的是通過確定非對稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞極限來計算安全系數(shù)。2.3機械零件的疲勞強度，2 .機械零件疲勞強度的計算，1 .影響零件疲勞強度的主要因素如下：1)應(yīng)力集中的影響，這將加速機械零件疲勞裂紋的形成和擴展。從而導(dǎo)致零件的疲勞強度降低。隨

6、著應(yīng)力集中系數(shù)的增大，應(yīng)力集中的影響也增大。有效應(yīng)力集中系數(shù)：理論應(yīng)力集中系數(shù)：注：當同一截面上有多個應(yīng)力集中源時，應(yīng)采用最大應(yīng)力集中系數(shù)進行計算。有效應(yīng)力集中系數(shù)k、2)零件尺寸越大，在各種冷熱加工中產(chǎn)生缺陷和疲勞源如微裂紋的可能性(機會)越大。從而降低零件的疲勞強度。用尺寸系數(shù)，并計入尺寸的影響。3)表面質(zhì)量的影響，表面質(zhì)量：指表面粗糙度和表面強化的工藝效果。表面越光滑，疲勞強度越高。強化工藝(滲碳、表面淬火、表面軋制、噴丸強化等)可以顯著提高零件的疲勞強度。具有表面狀態(tài)系數(shù)，包括表面質(zhì)量的影響。試驗表明，應(yīng)力集中、尺寸和表面質(zhì)量只影響應(yīng)力幅值，對平均應(yīng)力沒有明顯影響。(也就是說，它對靜態(tài)

7、應(yīng)力沒有影響)。在計算中，以上三個系數(shù)只計算應(yīng)力幅值，所以這三個系數(shù)可以組合成一個綜合影響系數(shù)：2.3機械零件的疲勞強度，2 .機械零件的疲勞強度計算，2 .零件的極限應(yīng)力圖，虛線為零件的極限應(yīng)力線。注：EC段屬于靜強度，靜強度不受影響，不需要修正。3。單向穩(wěn)定和可變應(yīng)力下疲勞強度的計算計算零件疲勞強度時，首先根據(jù)零件危險截面上的最大值和最小值確定平均應(yīng)力m和應(yīng)力幅a，然后在極限應(yīng)力圖的坐標上標出相應(yīng)的工作應(yīng)力點m或n。這兩種情況分別討論，相應(yīng)的疲勞極限應(yīng)力應(yīng)為極限應(yīng)力曲線AEC上某一點m或n所代表的應(yīng)力(m，a)。m或n的位置與循環(huán)應(yīng)力的變化規(guī)律有關(guān)。應(yīng)力比為常數(shù)：r=C(如大多數(shù)轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力

8、狀態(tài))，可能的應(yīng)力變化規(guī)律為：平均應(yīng)力為常數(shù)m=C(如振動加載彈簧的應(yīng)力狀態(tài))，最小應(yīng)力為常數(shù)min=C(如緊螺栓連接中螺栓在軸向變載荷下的應(yīng)力狀態(tài))，計算的安全系數(shù)和疲勞強度條件為：-1，e，通過直線OM和AE聯(lián)立方程，M1點的坐標可以解為射線OM，其上任意點所代表的應(yīng)力循環(huán)具有相同的應(yīng)力比。M1是極限應(yīng)力點，其坐標值me和ae之和是對應(yīng)于m點的極限應(yīng)力最大值。s也是常數(shù)。計算安全系數(shù)和疲勞強度的條件如下：N點的極限應(yīng)力點N1位于直線CE、上，這表明當工作應(yīng)力在N點時首先發(fā)生的是屈服破壞。因此，只需要靜態(tài)強度計算。強度計算公式為：當工作應(yīng)力點落在OEC地區(qū)時，在循環(huán)特性r=常數(shù)的條件下，極限

9、應(yīng)力均為屈服極限，只需進行靜強度計算。2) m=Const，此時，需要在AE上確定M2，因此m=m，很明顯，M2位于穿過m的縱軸的平行線上，并且該線上任意點所代表的應(yīng)力循環(huán)具有相同的平均應(yīng)力值。M2點坐標可由M2和聲發(fā)射聯(lián)立直線方程求解，計算安全系數(shù)和疲勞強度的條件為：同樣，N點的極限應(yīng)力是N2點。因為它落在一條直線上，所以只要進行靜強度計算，計算公式是：3) min=Const，此時，M3需要在AG上確定，所以min=min，因為min=m-a=C，一條45線穿過m，它上面任何一點所代表的應(yīng)力循環(huán)都有t，通過o點和e點做45條直線，得到OAD、ODEI和ECI。在ECI區(qū)域，極限應(yīng)力是屈服極

10、限。根據(jù)靜強度，極限應(yīng)力僅在ODEI地區(qū)的疲勞極限應(yīng)力曲線上。M2點的坐標值用聯(lián)立直線M M2方程和聲發(fā)射方程求解后，計算安全系數(shù)和疲勞強度條件可得如下：3 .提高機械零件疲勞強度的措施，在綜合考慮零件的性能要求和經(jīng)濟性后，采用高疲勞強度的材料，并采用適當?shù)臒崽幚砗透鞣N表面強化處理。適當提高零件的表面質(zhì)量，特別是提高應(yīng)力集中零件的表面加工質(zhì)量，必要時適當保護表面。盡可能減小應(yīng)力集中對零件的影響是提高零件疲勞強度的首要措施。盡可能減小或消除零件表面可能出現(xiàn)的初始裂紋尺寸，與改善材料性能相比，對延長零件的疲勞壽命具有更顯著的效果。減載槽，在那里不可避免地會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，減載槽可以用來降低低應(yīng)

11、力集中的影響。1。對于圖示的齒輪傳動，試著確定齒輪B上輪齒彎曲應(yīng)力的循環(huán)狀態(tài)。假設(shè)：(1)齒輪B是“惰輪”(中間輪)，A是主動輪，C是從動輪。(2)齒輪乙是主動輪，齒輪甲和齒輪丙都是從動輪。2.4齒輪、凸輪、滾動軸承等機械零件的接觸強度。機械零件中零件之間的力傳遞總是通過兩個零件的接觸形式來實現(xiàn)的。兩個機械零件的常見接觸形式是點接觸或線接觸。如果兩個零件在裝載前點接觸或線接觸。加載后，由于變形，接觸面積很小，通常這個面積很小，但是表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力很大，這就叫做接觸應(yīng)力。這時，零件的強度稱為接觸強度。接觸失效的形式通常表現(xiàn)為：疲勞點蝕，其后果是：減少接觸面積，損壞零件的光滑表面，降低承載能力，

12、引起振動和噪音。機械零件的接觸應(yīng)力通常隨時發(fā)生周期性變化。在反復(fù)載荷作用下，初始疲勞裂紋首先出現(xiàn)在表層約20m處，然后裂紋逐漸擴展(潤滑油被擠壓開裂時會產(chǎn)生高壓，加速裂紋擴展，最終使表面金屬剝落，在零件表面形成一些小凹坑。這種現(xiàn)象稱為疲勞點蝕。Fn，根據(jù)彈性力學(xué)，應(yīng)力為：對于鋼或鑄鐵，如果泊松比是1=2=0.3，有一個簡化公式。上述公式稱為HHertz公式，“用于外部接觸，”“-”用于內(nèi)部接觸。最大接觸應(yīng)力或赫茲應(yīng)力；b-接觸長度；fn-作用在氣缸上的載荷；-綜合曲率半徑；-綜合彈性模量；E1和E2分別是兩個圓柱體的彈性模量。接觸疲勞強度的判斷條件如下：2.5機械設(shè)計中的摩擦、磨損和潤滑；1.機械設(shè)計中的摩擦，定義：當兩個表面相對運動或有