第3章汽车零部件载荷及强度计算方法讲解.ppt

汽车设计 第三章汽车零部件的载荷及其强度计算方法 3.1 概述 一、载荷 　　在汽车行驶过程中，作用于汽车零部件上的载荷值及其变化特性受到很多因素的影响，按其载荷作用的性质，分静载荷及动载荷。 (1)静载荷 　　当汽车发动机处于静止时，汽车零部件上承受的载荷为静载荷。 (2)动载荷 　　在汽车行驶过程中，零部件一般承受大小随时间 而变化的载荷称动载荷，亦称变幅载荷。 动载荷又可分为： 　　① 规律性载荷 　　规律性载荷即动载荷的变化是规律的，可用确定的时间函数来描述这种变化。在汽车上这样的载荷很多，如传动轴在转速一定时，因质量偏心产生的离心力而引起的动载荷就是规律性动载荷。 　　②随机载荷 　　随机载荷是没有规律性载荷，它不能用确定的时间函数来描述这种变化。如传动系和行驶系一些部件因受路面不平的随机激励而产生的动载荷。 二、强度及其破坏 １. 静强度失效 　　当汽车受到短期的数值较大的尖峰载荷，并在危险断面产生了超过屈服极限或强度极限的应力时，导致构件过大的残余变形或最终断裂而失效。 　　在设计中进行静强度校核时，首先要确定构件危险断面的最大载荷。 2.疲劳强度破坏 　　汽车零部件在动载荷长期作用下形成局部高应力区，较弱的晶粒在变应力作用下形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，并继续扩展，最终导致疲劳破坏。 　　在设计中进行疲劳强度校荷时，应以零部件所承受的动载荷或由动载荷资料按一定方法编制的载荷谱为基础。 三、振动 　　从力学的观点来看，汽车的整体或任何一个子系统，如传动系、行驶系等，都可认为是有一定自由度的弹性系统。它们在外界作用下或本身的弹性恢复力作用下，可产生各种形式的振动，如传动系的扭振、行驶系的垂直振动、弯曲振动等。 　　当外界激励力的振动频率和系统中某一固有频率相吻合时，就会产生共振，并导致构件上数值很大的动载荷，从而造成零部件的损坏。因此，在研究系统的动载荷时，必需研究振动。 3.２ 许用应力和安全系数 一、许用应力 　　通过材料力学的学习，零件许用应力的大小随所 用材料的性质、承受载荷的种类及使用情况的不同而异。 　　要决定许用应力的大小，需确定该零件在实际使用的状态 　　①载荷的种类、使用温度及其它因素 　　材料随承受载荷的种类和使用温度等不同而呈现出种种不同的性质，并能承受外力的强度也差异很大。 　　②材料具有的强度及其机械性能。 二、安全系数 　　由于材料的质量未必均匀，因此实际的许用应力要比材料的屈服极限低，因此需要考虑安全系数。决定材料许用应力大小的强度基准是： (1)轧制材料 　　对于轧制材料，为常温下受静载荷的屈服极限。 (2)脆性材料 　　对于脆性材料，如铸铁，为常温下受载荷时的极限强度。 (3)高温工况 　　在高温下承受在荷时，为蠕变极限。 (4)交变载荷 　　承受力交变载荷时，为疲劳极限。 　　以上载荷为强度基准，再把某一程度的安全系数考虑进去有： 　　许用应力=基准强度／安全系数（大于１） 对于一般汽车，安全系数的取值标准如下： 　　①断裂破坏，安全系数取1.8； 　　②疲劳破坏，安全系数取1.3； 　　③屈服失效，安全系数取1.3。 　　同其它机械相比，汽车设计特别强调减轻自重，所以一般安全系数取值较小，多数是极限设计。 　　但注意到，对安全密切相关的制动、操纵及车轴等零件，必需细致地计算其承受的应力，既要减轻重量；又要保证安全。另外，对容易腐蚀和磨损的零件，根据不同的情况，安全系数加大15%～30%。 3.3 传动系的扭振和由发动机激起的传动系载荷 本节主要介绍： 　　①扭振系统固有频率和振型的计算方法； 　　②分析来自发动机的激振转矩，确定发动机的共振转速； 　　③讨论在稳定工况下传动系由发动机激振转矩引起的载荷变化特征。 一、系统的固有频率 1. 力学模型 　　汽车传动系的首端与发动机相连，末端通过弹性轮胎与汽车平移质量相连，它是一个多质量的弹性扭转振动系统。 2. 假设 　　在模型中，假定代表系统各部分转动惯量（Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５）的圆盘是绝对刚性的，这些圆盘之间是由无质量的、扭矩刚度为ＣＴ１、ＣＴ２、ＣＴ３、ＣＴ４的弹性轴连接着，并把一些靠近的彼此之间相对变形较小的旋转质量加以合并简化，以减少系统的自由度。 其中： 　　Ｊ１为发动机（包括曲轴、飞轮及相连零件）和离合器回转部分的当量转动惯量； 　　Ｊ２为变速器、中央制动器和万向节转动惯量之半的当量转动惯量； 　　Ｊ３为主减速器、差速器和万向节转动惯量之半的当量转动惯量； 　　Ｊ４ 、Ｊ５分别为驱动轮和整车平移质量的当量转动惯量； 3．当量转动惯量 　　当量转动惯量是指传动系中与曲轴不同速旋转零部件的转动惯量，换算成与曲轴同速旋转条件下的转动惯量。 　　如中央制动器的转动惯量为ＪＣ，其当量转动惯量为Ｊ