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1、第第2 2章章 机械零部件设计中的强度机械零部件设计中的强度 问题与耐磨性问题与耐磨性2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 机械设计中的强度问题机械设计中的强度问题2.3 2.3 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度 2.4 2.4 机械零件的表面接触强度机械零件的表面接触强度 2.5 2.5 机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题 教学目标和教学重点教学目标和教学重点1、掌握载荷和应力的分类；、掌握载荷和应力的分类；2、熟悉机械零件强度的基本概念；、熟悉机械零件强度的基本概念；3、掌握材料的疲劳特性；、掌握材料的疲劳特性；4、了解机械零件的强度计算和提高零件疲劳强
2、度的措施。、了解机械零件的强度计算和提高零件疲劳强度的措施。教学目标教学目标:教学重点教学重点:1、稳定循环应力类型及参量；、稳定循环应力类型及参量；2、材料的疲劳曲线及极限应力曲线。、材料的疲劳曲线及极限应力曲线。2.2 2.2 机械设计中的强度问题机械设计中的强度问题一一.载荷与应力载荷与应力 强度强度工作应力工作应力 许用应力许用应力 载荷（应力）载荷（应力）材料材料静载荷静载荷：不随时间变化或变化缓慢的载荷：不随时间变化或变化缓慢的载荷.变载荷变载荷：随时间作周期性或非周期性变化的载荷：随时间作周期性或非周期性变化的载荷.注注意意:在在设设计计计计算算中中，载载荷荷又又可可分分为为名名
3、义义载载荷荷和和计计算载荷，计算载荷等于载荷系数乘以名义载荷。算载荷，计算载荷等于载荷系数乘以名义载荷。1.1.零件设计中的载荷及其分类零件设计中的载荷及其分类 2应力的分类应力的分类 静应力静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力。：不随时间变化或变化缓慢的应力。变应力变应力:随时间变化的应力。随时间变化的应力。描述稳定循环变应力有5个参量，应力幅a、平均应力m、最小应力min、最大应力max和循环特性系数r。但其中只有两个参数是独立的。注意注意:应力循环次数应力循环次数N N。非对称循环变应力非对称循环变应力2应力的分类应力的分类 对称循环变应力对称循环变应力2应力的分类应力的分类 脉动循环变
4、应力脉动循环变应力2应力的分类应力的分类 静应力静应力2应力的分类应力的分类 2.3 2.3 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度变应力变应力下，零件的损坏形式是下，零件的损坏形式是疲劳断裂疲劳断裂。疲劳断裂过程：疲劳断裂过程：疲劳断裂截面疲劳断裂截面初始裂纹初始裂纹光滑疲劳区光滑疲劳区粗糙的脆性粗糙的脆性断裂区断裂区变应力变应力下，零件的损坏形式是下，零件的损坏形式是疲劳断裂疲劳断裂。疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限 低，甚至比屈服极限低低，甚至比屈服极限低;疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆
5、性突然断裂;疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。不管脆性材料或塑性材料，零件表层产生微小裂纹；零件表层产生微小裂纹；疲劳断裂过程：疲劳断裂过程：随着循环次数增加，微裂随着循环次数增加，微裂 纹逐渐扩展；纹逐渐扩展；当当剩余材料不足以承受载剩余材料不足以承受载 荷时，突然脆性断裂。荷时，突然脆性断裂。疲劳断裂是与应力循环次数疲劳断裂是与应力循环次数(即使用寿命即使用寿命)有关的断裂。有关的断裂。疲劳断裂具有以下特征：疲劳断裂具有以下特征：断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。光滑疲劳区光滑疲劳区粗糙的脆性
6、粗糙的脆性断裂区断裂区2.3 2.3 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度一一.材料的疲劳特性材料的疲劳特性两个概念：两个概念：1）疲劳寿命N：材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。不同或 N 不同时，疲劳极限 则不同。在疲劳强度计算中，取 。2）材料的疲劳极限 ：在应力比为 的循环应力作用下，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）2.3 2.3 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度1 1、N疲劳曲线疲劳曲线 sN疲劳曲线maxN 用参数用参数maxmax表征材料的疲劳极限，通过实验，可表征材料的疲劳极限，通过实验，可得出如图所示的
7、疲劳曲线。称为：得出如图所示的疲劳曲线。称为：sN疲劳曲线2.3 2.3 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度1 1、N疲劳曲线疲劳曲线 一一.材料的疲劳特性材料的疲劳特性1 1、N疲劳曲线疲劳曲线 maxN104CB103BAN=1/4 在原点处，对应的在原点处，对应的应力循环应力循环次数为次数为N=1/4N=1/4。在在ABAB段，段，应力循环次数应力循环次数10103 3 ，maxmax变化很小，可以近似看变化很小，可以近似看作为静应力强度。作为静应力强度。因因N N较小，特称为：较小，特称为：低周疲劳。低周疲劳。在原点处，对应的在原点处，对应的应力循环应力循环次数为次数为N=1/4N=
8、1/4。BCBC段，段，N=N=10103 310104 4，随着，随着 N N maxmax ,疲劳疲劳 现象明显。现象明显。因因N N较小，特称为：较小，特称为：低周疲劳。低周疲劳。一一.材料的疲劳特性材料的疲劳特性rCD段，随着段，随着N N maxmax ，代表，代表有限寿命区，有限寿命区，机机械零件的疲劳大多发生在械零件的疲劳大多发生在CD段。段。maxN104CB103BAN=1/4 DN0107 D点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区。无限寿命区。N N10104 4，高周疲劳高周疲劳rNNN0 r2.3 2.3 机械零件的疲劳强度机械零
9、件的疲劳强度2、疲劳极限应力图（疲劳极限应力图（等寿命疲劳曲线）等寿命疲劳曲线）一一.材料的疲劳特性材料的疲劳特性注：1）疲劳曲线的用途：在于根据 确定某个 循环次数 N 下的条件疲劳极限 。2）极限应力图的用途：在于根据 确定非 对称循环应力下的疲劳极限以计算安全系数。3）对于切应力，只需将各式中的 换成 即可。2.3 2.3 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度二二.机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算1.影响零件疲劳强度的主要因素 影响零件疲劳强度的主要因素有以下三个：1 1）应力集中的影响）应力集中的影响 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
10、降。用应力集中系数 计入应力集中的影响。有效应力集中系数 ：、。理论应力集中系数 ：、。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。有效应力集中系数有效应力集中系数k 2）尺寸的影响尺寸的影响 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。用尺寸系数 、，计入尺寸的影响。3）表面质量的影响表面质量的影响 表面质量：是指表面粗糙度及其表面强化的工艺效果。表面越光滑，疲劳强度可以提高。强化工艺（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 、计入表面质量的影响。1.00
11、.80.60.40.2400 600 800 1000 1200 1400 B/Mpa精车精车粗车粗车未加工未加工磨削磨削抛光抛光钢材的表面质量系数钢材的表面质量系数 表面高频淬火的强化系数表面高频淬火的强化系数q 720 1.31.63040 1.21.5720 1.62.83040 1.55试件种类试件种类 试件直径试件直径/mm 无应力集中无应力集中 有应力集中有应力集中 综合影响系数综合影响系数 试验证明：应力集中、尺寸和表面质量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）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：零件的疲劳极
12、限为：1111eDeDKKstsstt-=2.3 2.3 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度二二.机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算2.零件的极限应力线图 折线 即为零件的极限应力线。注：由于EC段属于静强度，而静强度不受 的影响，故不需修正。DDNM3.单向稳定变应力时的疲劳强度计算单向稳定变应力时的疲劳强度计算 进行零件疲劳强度计算时，首先根据进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的零件危险截面上的 max max 及及 minmin确定平均确定平均应力应力 mm与应力幅与应力幅 a a，然后，在极限应力然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点线图的坐标中标示出
13、相应工作应力点MM或或N N。两种情况分别讨论amoS -1CAE-1eD 相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线AECAEC上的某一个点上的某一个点MM或或N N所代表的应所代表的应力力(m m，a a)。MM或或N N的位置确定与循环应力变化规律有关。的位置确定与循环应力变化规律有关。am 应力比为常数：应力比为常数：r=C r=C(如大多数转轴中的应力状态)可能发生的应力变可能发生的应力变化规律：化规律：平均应力为常数平均应力为常数 mm=C=C(如震动着的受载弹簧中的应力状态)最小应力为常数最小应力为常数 minmin=C=C（如紧螺栓联接中螺栓受轴向变载
14、荷时的应力状态）计算安全系数及疲劳强度条件为：计算安全系数及疲劳强度条件为：amO-1CAE-1e D1)r=Const 通过联立直线通过联立直线OM和和AE的方程可求解的方程可求解M1点的坐标为：点的坐标为：作射线作射线OM，其上任意一点其上任意一点所代表的应力循环都具有相同所代表的应力循环都具有相同的应力比。的应力比。M1为极限应力点，为极限应力点，其坐标值其坐标值me，ae之和就是对之和就是对应于应于M点的极限应力点的极限应力max。S amMmeae也是一个常数。也是一个常数。M1ae计算安全系数及疲劳强度条件为：计算安全系数及疲劳强度条件为：-1-1eamOCADS EN点的极限应力
15、点点的极限应力点N N1位于直位于直线线CE上，上，meaeamN N1有：有：这这说明工作应力为说明工作应力为N点时，首点时，首先可能发生的是屈服失效。故先可能发生的是屈服失效。故只需要进行静强度计算即可。只需要进行静强度计算即可。强度计算公式为：强度计算公式为：凡是工作应力点落在凡是工作应力点落在OEC区域内，在循环特性区域内，在循环特性 r=常常数的条件下，极限应力统统为屈服极限，只需要进行数的条件下，极限应力统统为屈服极限，只需要进行静强度计算。静强度计算。am-1-1eamOCADS E2)m=Const 此时需要在此时需要在 AE上确定上确定M2，使得：使得：m=m M显然显然M2
16、在过在过M点且纵轴点且纵轴平行线平行线上上，该线上任意一点所代表的应该线上任意一点所代表的应力循环都具有相同的平均应力值。力循环都具有相同的平均应力值。M2通过联立直线通过联立直线M M2和和AE的方程可求解的方程可求解M2点的坐标为：点的坐标为：计算安全系数及疲劳计算安全系数及疲劳强度条件为：强度条件为：-1-1eamOCA DS E45 am-1-1eamOCADS E同理，对于同理，对于N点的极限应力为点的极限应力为N N2点。点。N N2由于落在了直线由于落在了直线CE上，故只要进行上，故只要进行静强度计算：静强度计算：计算公式为：计算公式为：3)min=Const MM3此时需要在此
17、时需要在 AG上上确定确定M3，使得：使得：min=min 因为：因为：min=m-a=C过过M点作点作45 直线，其上任意一点所直线，其上任意一点所代表的应力循环都具有相同的最小应代表的应力循环都具有相同的最小应力。力。M3位置如图。位置如图。minML在在OAD区域内，最小应力均区域内，最小应力均为负值，在实际机器中极少为负值，在实际机器中极少出现，故不予讨论。出现，故不予讨论。通过通过O、E两点分别作两点分别作45直线，直线，I得得OAD、ODEI、ECI三个区域。三个区域。PLQminQ0 0 D而在而在ECI区域内，极限应力统区域内，极限应力统为屈服极限。按静强度处理：为屈服极限。按
18、静强度处理：只有在只有在ODEI区域内，极限应力才在疲劳极限应力曲线上。区域内，极限应力才在疲劳极限应力曲线上。通过联立直线通过联立直线M M2和和AE的方程可求解的方程可求解M2点的坐标点的坐标值后，可得到值后，可得到计算安全系数及疲劳强度条件为：计算安全系数及疲劳强度条件为：minM-1e-1amOCAS EMM3三.提高机械零件疲劳强度的措施 在综合考虑零件的性能要求和经 济性后，采用具有高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和各种 表面强化处理。适当提高零件的表面质量，特别是提高有应力集中部位的表面加工 质量，必要时表面作适当的防护处理。尽可能降低零件上的应力集中的影响，是提高零件疲劳强
19、度的首要 措施。尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，对于延 长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。减载槽 在不可避免地要产生较大应力集 中的结构处，可采用减载槽来降 低应力集中的作用。1、图示的齿轮传动，试确定齿轮、图示的齿轮传动，试确定齿轮B上轮齿的弯曲应力循环状态。上轮齿的弯曲应力循环状态。假定：假定：（1）齿轮）齿轮B为为“惰轮惰轮”（中间轮），（中间轮），A为主动轮，为主动轮，c为从动轮。为从动轮。（2）齿轮齿轮B为主动，为主动，A和和C均为从均为从动轮。动轮。课堂练习2.42.4 机械零件的接触强度机械零件的接触强度如齿轮、凸轮、滚动轴承等。如齿轮、凸轮、
20、滚动轴承等。B 机机械械零零件件中中各各零零件件之之间间的的力力的的传传递递，总总是是通通过过两两个个零零件件的的接接触触形形式式来来实实现现的的。常常见见两两机机械械零零件件的的接接触触形式为点接触或线接触。形式为点接触或线接触。若若两两个个零零件件在在受受载载前前是是点点接接触触或或线线接接触触。受受载载后后，由由于于变变形形其其接接触触处处为为一一小小面面积积，通通常常此此面面积积甚甚小小而而表表层层产产生生的的局局部部应应力力却却很很大大，这这种种应应力力称称为为接接触触应应力力。这时零件强度称为这时零件强度称为接触强度接触强度。接触失效形式常表现为：接触失效形式常表现为：疲劳点蚀疲劳
21、点蚀后后果果：减减少少了了接接触触面面积积、损损坏坏了了零零件件的的光光滑滑表表面面、降降低了承载能力、引起振动和噪音。低了承载能力、引起振动和噪音。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20m处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，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。初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹裂纹的扩展与断裂裂纹的扩展与断裂 油油金属剥落出现小坑金属剥落出现小坑FnFnFnFn1 12 22 2a a H maxH max H maxH max
22、FnFnFnFnb b2FnFn由弹性力学可知，应力为：由弹性力学可知，应力为：对于钢或铸铁取泊松比：对于钢或铸铁取泊松比：1=2=0.3,则则有简化公式。有简化公式。上上述述公公式式称称为为赫赫兹兹(HHertz)公公式式“+”用于外接触用于外接触，“-”用于内接触用于内接触。H H-最大接触应力或赫兹应力最大接触应力或赫兹应力;b b-接触长度接触长度;F Fn n -作用在圆柱体上的载荷作用在圆柱体上的载荷;-综合曲率半径综合曲率半径;-综综合合弹弹性性模模量量;E1、E2 分分别别为为两两 圆柱体的弹性模量。圆柱体的弹性模量。接触疲劳强度的判定条件为：接触疲劳强度的判定条件为：b bFn2.5 机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题一、机械设计中的摩擦定义：两个表面作相对运动或有相对运动趋势时，将会有阻止其产生相对运动的现象，称为摩擦。性质：利用摩擦工作有害，带来能量损耗二、机械设计中的摩损定义：由于两个工作表面作相对运动产生摩擦，导致表面材料的不断消失或损失的现象，称为摩损。磨损过程：跑和磨损稳定磨损剧烈磨损常见的磨损过程三、机械设计中的润滑定义：向承载的两个摩擦表面之间注入润滑剂，以改善摩擦、减小磨损，同时还能起到减振、散热防锈等作用。