机械零件疲劳强度和轴设计计算.ppt

第二篇  机械零件的工作能力设计 教学目标： 了解机械零件设计有关的强度理论，通过典型零部件工作能力设计的举例，掌握零部件工作能力设计的一般方法。 第二章机械零件的疲劳强度和轴的设计计算 §2-1概述 §2-2疲劳强度的基本理论 §2-3影响疲劳强度的主要因素 §2-4稳定变应力机械零件的疲劳强度计算 §2-5非稳定变应力机械零件的疲劳强度计算(自学） §2-6提高疲劳强度的措施 §2-7轴的设计计算 §2-1概述 一.疲劳失效概念 二.疲劳失效的特点 1.σmax≤ σB或σ max ≤ σS 2.疲劳失效的过程：裂纹萌生、裂纹扩展、断裂——发展的过程 3.断口形状：光滑的疲劳发展区+粗糙的脆性断裂区 三.应力的分类 四.变应力的基本参数 §2-2疲劳强度的基本理论 一.疲劳曲线--规定的应力循环特征r（一般为0或-1） 1.疲劳曲线的绘制 2.疲劳曲线方程 3.疲劳曲线的意义 有限寿命区 无限寿命区 §2-2疲劳强度的基本理论 二.疲劳极限应力图及其应用—（-1?r ? 1) 1.绘制疲劳极限应力图的目的及其绘制方法 目的：表示非对称循环变应力对疲劳极限的影响。 曲线绘制的关键点： A(0,σ-1)、B（ σ0/2， σ0/2）、C（ σB,0） 2.简化的疲劳应力极限图 AE段—疲劳失效极限 ES段—塑性失效极限 §2-3影响疲劳强度的主要因素 一.应力集中的影响 1.应力集中产生的主要原因：零件截面形状发生的突然变化 2.名义应力σ和实际最大应力σmax 3.理论应力集中系数与有效应力系数 §2-3影响疲劳强度的主要因素 二.尺寸效应 1.零件尺寸越大，疲劳强度越低 2.尺寸系数εα 、ετ 三.表面状态的影响 1.零件的表面粗糙度和表面处理的影响 2.表面状态系数β 四.综合影响系数 §2-4稳定变应力机械零件的疲劳强度计算 一.许用应力法 1.零件受对称循环变应力 2.零件受非对称循环变应力 §2-4稳定变应力机械零件的疲劳强度计算 二.安全系数法 §2-5非稳定变应力机械零件的疲劳强度计算 一.疲劳损伤累积理论 1.基本思想：损伤逐渐累积和线性叠加 2.达到疲劳极限时，线性疲劳损伤累积的寿命损伤率 §2-6提高疲劳强度的主要措施 一.减少应力集中 p37 表2-4 二.提高零件的表面加工质量 三.采用提高材料疲劳强度的热处理及强化工艺 详见p36-37 §2.6 §2-7轴的设计计算 一. 轴的用途 支撑回转零部件、 传递运动和动力 二.轴上的载荷 弯矩、扭矩 三.轴的分类 四. 轴设计的主要问题 1、结构设计（需要先进行估算） 轴零件本身形状、尺寸及加工、安装工艺性等的设计 2、工作能力的设计 选择轴的材料主要是碳钢、合金钢详见表2-5。 强度 刚度、振动 2.轴的工作能力设计 轴的强度计算 按照许用切应力计算 按照许用弯曲应力计算 安全系数校核 轴的刚度计算 轴的弯曲刚度计算 轴的扭转刚度计算 * * 应力与强度的概念： 应力与外载荷、零件的截面形状有关 强度与材料本身的机械性能有关，而与外载荷、截面形状等无关。 应力的分类： 应力 静应力 变应力 ? o t 稳定循环变应力 非稳定循环变应力 脉动循环应力 对称循环应力 非对称循环应力 规律性非稳定循环变应力 随机性非稳定循环变应力 三.应力的分类 稳定性循环变应力应力图 非稳定性循环变应力应力图 规律性 随机性 周期 尖峰应力 四.变应力的主要描述参数 最大应力： 最小应力： 应力幅： 平均应力： 循环特征系数： 脉动循环应力： 对称循环应力： 静应力： 非对称循环应力： 低周循环疲劳 高周循环疲劳 P22 取值范围 2.疲劳曲线方程 指数m的确定：与零件的材料和应力状态有关。 例如：钢材，受弯曲应力时m=9，受表面接触应力时，m=6。 青铜，受弯曲应力时m=9，受表面接触应力时，m=8。 寿命系数 式（2-6） 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σrN。 持久疲劳极限 疲劳极限应力 循环基数 3.疲劳极限应力图的应用 1） 建立了非对称循环变应力与对称循环变应力之间的关系。 应力幅的等效系数： 式（2-9） 2）用于判断曲线上任意点D的失效形式：当D在AE线段上，则为疲劳失效，若在ES线段上，则为塑性变形。 注：1.对切应力的情况，可以同样处理。 2.对于低塑性或脆性材料的疲劳极限应力可以用同样方法处理。 详见书p24-25 3）校核不同应力增长规律下的危险截面安全系数。 理论应力集中系数： 有效应力集中系数： 式（2-13） 材料