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《提高疲劳强度的结构设计准则-删减螺栓部分》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第三节提高疲劳强度的结构设计准则机械零件失效调查发现,80%属于疲劳破坏。因此,在设计中应重视提高疲劳强度的措施。疲劳破坏:在材料有不一致性的情况下,零件内部分布不均的弹性和塑性变形多次快速反复交替作用的结果。最先的破坏发生在存在相对于作用载荷的方向不利的残余应力和受局部削弱部分的微观体积内,进而逐渐扩展而发生零件的整体破坏。从疲劳断裂的断面可以分析出引起破坏的原因。上图是典型花键轴疲劳断裂的断面情况。从中可以清楚地看到,从根部应力集中处产生并发展成的裂纹。应力集中、螺纹连接中连接件与被连接件的相对刚度、零件表面的粗糙度、形状及尺寸均影响零件的疲劳强度。对零件的表层进行某些处理可
2、以提高疲劳强度。下面分别介绍:一、降低应力集中的准则二、连接件与被连接件的刚度合理匹配准则三、改善表面状况准则一、降低应力集中的准则受载荷的零件,在钻孔、切槽、过渡倒角以及断面骤然变化的过渡部分都存在应力集中。在应力集中的部位,零件的疲劳强度将显著降低。该处的最大应力比这个断面上的平均应力可以大2~5倍。降低应力集中程度可以提高零件的疲劳强度。例:三种槽型的应力集中图中所示的板或轴受拉,上面切出不同的三个槽,其应力集中程度有明显差别。例:五种段面变化形式应力集中的比较上图所示的五种不同的局部变化形式,其应力集中程度也有明显差别。规律是:断面变化急剧,则应力集中严重;断面变化平缓,
3、应力集中轻微。例:降低应力集中的最大应力板上有孔,若既要降低应力集中的最大应力又不多费材料,可参考上图的结构。为了进一步了解应力集中问题,以板上钻孔为例作些介绍。通常以应力集中系数表示应力集中的程度。若认为材料是理想、均质的弹性物质,用弹性力学方法可以得出理论的应力集中系数用实验得出的是有效应力集中系数例:横向孔受拉矩形断面杆件的应力集中上图给出了三种不同材料在不同的d/B值时,受拉的kT、kE值以及值。受拉、压、弯、扭不同形式的载荷和引起零件应力集中的不同结构形式,其应力集中程度也各不相同。以受拉时的kE为1,其他情况时的kE值见表。弯曲扭转压缩圆角过渡部分的应力集中不同直径相
4、邻轴段过渡部分的结构,对应力集中有直接影响。当采用圆弧过渡时,轴受弯曲,其应力分布如图a所示;受扭时,如图b所示。有效应力集中系数当r=(D-d)/2时,不同D/d值时的弯曲有效应力集中系数kσ及受扭应力集中系数kτ,见图a和图b。受弯曲比受扭对应力集中更敏感。不同的圆角过渡形式上图列举了七种圆弧过渡形式。不同的圆角过渡形式当过渡部分的轴向长度不受限制时,可用如图a的直线或大圆弧形式。当过渡部分的长度l≥1.6d时,就不存在应力集中了。但是,这种形式常因长度l过大而在使用上受限制。不同的圆角过渡形式图b所示椭圆圆角过渡部分长度较图a的l小,也有较好地降低应力集中的效果。不同的圆角
5、过渡形式为便于与小直径轴段衔接,还有采用三圆弧或二圆弧的过渡形式,且r1>r2(图c、d)。这样可获得与椭圆圆弧近似的效果。不同的圆角过渡形式当既要有较大的圆弧半径又不减小较小的轴颈时,可采用图e、f的形式。图g是具有卸荷槽的结构。它可以更有效地降低有效应力集中系数。螺栓的应力集中重要的、受重载或变载的螺栓,螺栓头部和杆部的过渡部分也须认真设计。普通结构的螺栓与被连接件结合后,存在严重的应力集中,如图所示。螺栓的应力集中螺母与螺杆螺纹的结合部位的应力集中可采用改进螺母结构的方法解决,本章前面已有阐述。螺栓头与杆的截面突变处也有严重的应力集中。如图a所示之尖角结构,从螺栓头到杆部,
6、其刚度突然减小很多,力线的方向发生急剧变化,所以,应力集中严重。如果将过渡部位设计成半径为r’圆角(图b),可提高寿命3~5倍。螺栓的应力集中但是这种仅有过渡圆角的结构应力集中仍很严重。为了有效地降低应力集中,可采用图b、c、d的结构,d最佳。在交变载荷作用下,对于车、铣和磨制的螺纹,要使螺栓等强,过渡圆角半径应取r′=(0.1～0.125)d0。对于滚轧螺纹或在车、铣、磨之后经滚轧而提高了螺纹强度的螺栓，则取r′=(0.2～0.3)d0。二、连接件与被连接件的刚度合理匹配准则以一个合理配置螺栓连接刚度以提高其疲劳强度的例子，说明连接件与被连接件的刚度合理匹配准则。合理配置螺栓连
7、接刚度以提高其疲劳强度(见机械设计)在具有预紧力的螺栓连接中,如果工作载荷是脉动的,则螺栓和被连接件(以下简称凸缘)所受的拉力和压力都是非对称循环变化的。螺栓与凸缘的刚度(实为二者的相对刚度)和连接的预紧力与工作载荷的比值,决定了螺栓和凸缘所受载荷的波动程度。合理配置螺栓连接刚度以提高其疲劳强度降低相对刚度λ1/λ2:减小螺栓直径、加大螺栓距离和加大凸缘截面积三、改善表面状况准则1、降低表面粗糙程度准则表面加工粗糙留有刀痕,零件受力后会产生应力集中。所以,提高表面光洁程度可使零件
