3-1 已知:1180MPa,N05106,m9,N17000,N225000,N3620000。求N1、N2、N3的有限寿命弯曲疲劳极限。 解:∵1N1mN0N,N1< NC=104 , S1N11mN0Nc
∴1N11m1N21mN050018091801.9947359.05MPa NC1N0500018091801.8016324.30MPa N2251N31mN050018091801.2610226.99MPa N3623-5 已知:圆轴轴肩尺寸为D54mm,d45mm,r3mm;该轴肩材料的力学性能为s260MPa,1170MPa,0.2,B420MPa;危险截面上的平均应力
m20MPa,a30MPa。按mC求该截面的计算安全系数
Sca。
解:(1)∵∴ 02100
212170340283.33MPa, 0141.67MPa 110.21.22∴A(0,180),D(141.67,141.67),C(360,0) (2)查附图3-1,材料的敏性系数qrd3450.067,Dd54451.2
0.78;
查附表3-2(弯曲,插值法),轴肩圆角处的理论应力集中系数轴肩的弯曲有效应力集中系数k1.88;
1q110.781.8811.686
查附图3-2,尺寸及截面形状系数0.75; 查附图3-4,表面质量系数
0.87;
1
查附表3-10,化学热处理的强化系数q2(有应力集中); 由公式(3-12),弯曲疲劳极限的综合影响系数系数
k11.686111K111.199
q0.750.872由公式(3-8),零件的对称循环弯曲疲劳极限为1e所以有A(0,142),D(141.67,118),C(360,0) (3)mC
在极限应力线图中标出点M和M的位置。
20MPa 所以m1K170142MPa。 1.199OC22.652.9137.54MPa a∴ Sca20137.54maxam3.15 maxma2030
3-20一零件由45钢制成,材料的力学性能为:S360MPa,1300MPa,材料常数0.2。已知零件上的最大工作应力为max190MPa,最小工作应力为
min110MPa,应力变化规律为rC,弯曲疲劳极限的综合影响系数K2.0,试
2
画出零件的极限应力线图,在图上找出零件的工作应力点M和极限应力点M,并用图解法确定该零件的计算安全系数Sca。 解:
1e1K300150MPa2,∵2100,∴0212300500MPa 110.2零件极限应力线图上的特殊点
00C,A(0,1e)、22K、C(S,0)为
A(0,
150)、D(250,125)、C(360,0),据此作出零件的极限应力线图
amaxmin2190110min19011040MPammax150MPa222,
在图上找出零件的工作应力点M和极限应力点M,
134.5MPa
由图中量得mem150MPa,aeS360Scamax1.895maxma15040
5-25 铰制孔用螺栓组连接的三种方案如图所示。已知L=300mm,a=60mm,试求螺栓连接的三个方案中,受力最大的螺栓所受的力各为多少?哪个方案最好?
3
解:三个方案中都是把工作载荷F移动至螺栓组连接的形心上,这样将工作载荷转变为过形心的横向载荷F和绕形心的转矩T。 在横向力F作用下,单个螺栓所受力为FFF/3。在转矩T作用下,单个螺
栓所受力大小与三个方案螺栓布置方式有关。因此单个螺栓所受总载荷与各自的布置方式有关,现分别讨论。
方案1:在转矩T作用下,1、3螺栓(2螺栓不受转矩影响)所受力大小:
TFL300FFT5F/4
2r2a21203螺栓受力最大,为
Fmax1FFFTF/35F/419F/12
方案2:在转矩T作用下,1、3螺栓(2螺栓不受转矩影响)所受力大小:
TFL300FFT5F/4
2r2a2120
4
1、3螺栓受力相同为
22Fmax2FFFT-2FFFTcos90241
F/925F/16F1222方案3:在转矩T作用下,单个螺栓所受力大小:
TFL300FFT5F/6
3r3a31202螺栓受力最大,为
22Fmax3FFFT-2FFFTcos150241603 F/925F/16-2F/35F/43/2F1222241191.31.583对3个方案进行比较,发现12,12,
241603137.080.98,很明显,方案12123较好。
考虑:如果换成普通螺栓,结果会怎样?
5-4 如题5-4所示的底板螺栓组连接受外力F的作用。外力F作用在包含x轴并垂直于底板接合面的
平面内。试分析底板螺栓组的受力情况,并判断哪个螺栓受力最大?保证连接安全工作的必要条件有哪
些?
5
题5-4
解:
1.联接的受力分析:
根据力的平移定理,将F平移至结合面中心,作用于接合面的载荷为: 轴向力(使接合面分离)FyFsin 横向力(使接合面滑移)FxFcos
倾覆力矩(使接合面绕OO轴旋转)MMxMyFcoshFsinl
2.螺栓的受力分析:
每个螺栓拧紧后都受有预紧力F0的作用。在载荷作用后,每个螺栓都受到轴向力Fy8的作用;同时横向力Fx则由接合面间产生的摩擦力8fF1来平衡,F1为残余预紧力。假设倾覆力矩M沿顺时针方向,在M的作用下,OO轴左侧螺栓被进一步拉伸,OO轴右侧螺栓被放松,并且距离OO轴越远影响越大,因此可以判断OO轴左侧11行的螺栓受力最大,应对它进行强度计算。 3.保证联接安全工作的必要条件有:
(1)接合面右端的最大挤压应力不超过许用值,以避免接合面压碎; (2)为避免接合面产生缝隙,接合面左端的最小挤压应力应大于零; (3)在横向载荷的作用下,接合面不能产生相对滑动; (4)螺栓所需的预紧力应小于屈服极限的限定值。 拓展知识:
若F10800N,30,h480mm,l620mm,l1300mm,l2180mm,支架及底板的材料为HT200,[p]80MPa,KS1.2,能等级为4.8级,试选择螺栓。
6
Cb0.2,f0.15,a650mm,b320mm,螺栓性
CbCm解:
1.螺栓组承受的轴向力FyFsin10800sin305400N
螺栓组承受的横向力FxFcos10800cos309353N 螺栓组承受的倾覆力矩
MMxMyFxhFyl935348054006201141440Nmm。
2.在轴向力Fy的作用下,各螺栓所受的工作拉力为
FaFy854008675N
在倾覆力矩M的作用下,左边两个螺栓受加载作用,而右边两个螺栓受减载作用,故左边两个螺栓受力较大,按式(5-31)确定其载荷
FmaxMLmaxL2ii1z1141440300699N 224300180故左边两个螺栓所受的轴向工作载荷为
FFaFmax6756991374N
在横向力Fx的作用下,底板接合面可能产生滑移。注意,底板接合面的摩擦力是由接合面的残余预紧力产生的。根据底板接合面不滑移的条件
CmCbCm fzF0FyKSFx 10.8
CmCbCmCbCmCb各螺栓所需的预紧力为
F011.29353Cm1KSFxF0.854009893N yzfCbCm80.15 左边每个螺栓所受的总拉力F2按式(5-18)求得为
F2F0CbF98930.2137410168N
CmCb3.螺栓材料的屈服极限为S320MPa,装配时不控制预紧力,安全系数S5,故螺栓材料的许用应力为[]SS32064MPa。 5根据式(5-20)求得螺栓小径为 d1
41.3F241.31016816.26mm
[]3.1416647
选用M20普通粗牙螺纹(CB196-81),其小径d117.294mm16.26mm。 4.校核螺栓组联接接合面的工作能力
1) 接合面右端的最大挤压应力不超过许用值,以避免接合面压碎
pmaxMCmCm11MzFFzFF00yy2ACbCmWabCCbmba pmax[p] 6161141440898930.854000.360.050.41MPa65032032065022)联接接合面左端应保持一定的预紧力,以避免接合面产生缝隙,即接合面左端的最小挤压应力
应不小于零,
pminMCm1zFF0.360.050.31MPa0 0yACbCmW3)校核螺栓所需的预紧力是否合适 应满足 F00.60.7SA
3.141617.294245164N 取预紧力的下限 0.6SA0.63204要求的预紧力F09893N小于上值。校核通过。
5-5 题5-5中是由两块边板和一块承重板焊成的龙门起重机导轨托架。两块边板各用4个螺栓与立柱相连接。托架所承受的最大载荷为20KN,载荷有较大的变动。试问:此螺栓连接采用普通螺栓连接还是铰制孔用螺栓连接为宜?为什么?
题5-5
解:
这是受横向载荷和转矩的螺栓组联接。如果采用普通螺栓联接,螺栓受到的总拉力较大,螺栓的直径较大。如果采用铰制孔用螺栓联接,螺栓受到的横向力(剪力)较小,螺栓的直径较小。因此,此螺栓组联接宜采用铰制孔用螺栓联接。
若螺栓性能等级4.8级,螺栓材料取45钢,S320MPa,则采用普通螺栓联接和采用铰制孔用
8
螺栓联接的计算结果如下。
1.分析受力最大的螺栓及其所受的力
将托架的载荷向每一边接合面的形心点O简化,则得
横向载荷 F20kN
转矩 T203006000kNmm
在横向载荷F的作用下,各螺栓受的横向载荷Fi大小相等,方向同F,即 F1F2F3F4F5000N 4在转矩T的作用下,因各螺栓的中心到形心点O的距离相等,各螺栓受的横向载荷Fi大小也相等,方向各垂直于螺栓中心与形心点O的连线。
螺栓中心到形心点O的距离r为
r752752106.1mm 故 F1F2F3F4T600000014137.6N 4r4106.1各螺栓受的横向载荷Fi和Fi的方向如图所示。由图中知,螺栓1、2所受两力夹角最小,故螺栓1、2受力最大。所受总的横向力为
FmaxF12F122FF11cos45500014137.62500014137.6cos4518023N2.按普通螺栓联接计算螺栓的小径d1
22
螺栓的屈服极限S320MPa,装配时控制预紧力,按式(5-39)和表5-10
[]SS320213.3MPa 1.5按式(5-39) F0KSFmax1.218023135172.5N f0.16按式(5-14) d141.3F05.2135172.532.4mm
[]3.14213.33.按铰制孔用螺栓联接计算螺栓受剪面的直径d0
因未知被联接件的厚度,只按剪切强度计算。按式(5-39)和表5-10
[]SS32064MPa 5 9
按式(5-22) d04Fmax41802318.94mm []3.1464
5-8 两块金属板用2个M12的普通螺栓连接,若接合面的摩擦系数f=0.3,螺栓预紧力控制在其屈服极限
的70%。螺栓用性能等级为4.8的中碳钢制造,求此连接所能传递的横向载荷。 解:
∵螺栓性能等级为4.8级
∴其屈服极限为S320MPa,螺栓材料取45钢。
M12普通粗牙螺纹的小径d110.106mm。
3.141610.1062F00.7SA0.732017968N
4由式(5-24) FfF0zi0.31796828293~9801N KS1.1~1.3
5-10 题5-10所示为一气缸盖螺栓组连接。已知气缸内的工作压力P=0~1MPa,缸盖与缸体均为钢制,直径D1=350mm,D2=250mm,上、下凸缘厚均为25mm,试设计此连接。取连接的许用应力幅[a]22MPa,螺栓相对刚度系数为0.85。
题5-10
解:
(1)确定单个螺栓的总拉力
取螺栓个数z10
pF4Fzz2D213.141625024908.8N
410∵压力容器 ∴F11.8F
10
F2F1F2.8F2.84908.813745N (2)根据静强度进行设计
螺栓性能等级4.8级,取螺栓材料45钢,S320MPa,装配时控制预紧力,按式(5-39)和表5-10
[]S320S1.5213.3MPa d41.3F25.21[]137453.14213.310.33mm
(3)根据许用应力幅进行设计
螺栓应力幅:
maxmina2142d2(F2F0)1
2d2(F0CbCFF2FCb0)1mCbd21CmCb由已知条件可知aa,所以又有
d2FC24908.81abCCmb220.8510.99mm
取两个d1中较大值,所以有螺栓直径d110.99mm。 用M16普通粗牙螺纹,其小径d113.835mm10.99mm 螺栓间距t110mm7d716112mm。 螺栓长度的确定
l252514.832.5~470.3~71.8mm
① ② ③ ④ ①凸缘厚度
②螺母厚度,GB617086 ③垫圈厚度,GB97.285 ④螺纹预留长度,JB/ZQ424786
因此选用螺栓型号为M1670GB578386。
11
作业: 8-1解:
F1Fefve0.514.963, 2F0720NF1F2 2∴F1599.3N,F2120.7N。 FeF1F2599.3120.7478.6N
Tdd1maxFe2478.6100223930Nmm PTmaxn95501032393014500.9595501033.45kW。 8-2解:
F1000Pv10007.5e10750N ∵FeF1F2750N,F12F2; ∴F11500N,F2750N
F012F1F21125N 8-4 解:
1.确定计算功率Pca
查表8-6,KA1.2, ∴PcaKAP1.278.4kW 2.选取V带带型 由图8-9,选取B型V带 3.确定带轮基准直径
in1n9603302.912;
查表8-3,取dd1140mm, ∴dd2idd12.91140407mm查表8-7,取dd2400mm
12
从动轮转速
n2nd1d1140d960336rmind2400
336330从动轮转速误差 330100%1.8%5%
dd1n1140960带速
v60000600007.07ms
4.确定V带基准长度和传动中心距 根据 0.7dd1dd2a2dd1dd2,初取a0700mm
L2ad02dd1dd2d2d2dd14a0
27001404004001402247002272mm由表8-2, V带基准长度取为 Ld2240mm 由式(8-21)计算传动中心距
aaL0dLd2700224022722684mm。
5.计算主动轮包角
d1180d2dd1a57.518040014068457.5158120。
6.计算V带根数
查表8-5a、b得,P02.13kW,P00.3kW; 查表8-8、表8-2得,K0.94,KL1; 由式(8-22)得
zPcaP8.4.130.30.9413.70P0KKL2,
∴V带根数z4。 7.计算预紧力
查表8-4,B型V带 q0.17kgm,由式(8-23)得
13
F0500Pcavz2.58.42.5221qv50010.177.04256NK7.0440.94。
8.计算压轴力
FP2zF0sin1224256sin1582010.4N2
10-1 解:
强度计算:
14
应力≤许用应力
1。
和越接近,强度越低,越远离,强度越高。
上课讲例题10-1、2:
今有两对标准直齿圆柱齿轮,传递功率相同,其齿轮材料热处理方法、精度等级和齿宽均对应相等,已知齿轮的模数和齿数分别为:第一对m=4mm,Z1=20,
Z2=40;第二对m=2mm,Z1=40,Z2=80。在同样工况条件下工作时,求两
对齿轮弯曲应力的比值σF/σF`和接触应力的比值σH/σH`,比较两对齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。
F提示:
KFYKFtYFaYsa2KT1u1u12KT1tFaYsaF,H2.5ZE2.5ZE 2ubd1bud12bmbm解:(1)弯曲应力比和弯曲疲劳强度 由表10-5查得:
Z=20,YFa=2.80,Ysa=1.55。 Z=40,YFa=2.40, Ysa=1.67。 Z=80,YFa=2.22, Ysa=1.77。
15
计算各齿轮的弯曲应力 第一对齿轮:F1F2KFYKFt2.81.55KFtFa1Ysa11.085t, bmb4bKFYKFt2.41.67KFttFa2Ysa21.002。
bmb4b1第二对齿轮:F2 FKFYKFt2.41.67KFttFa1Ysa12.004bmb2b
KFYKFt2.221.77KFtFa2Ysa21.965t, bmb2b两对齿轮的应力比
F11.0851.0020.54,F20.51。第二对齿轮比第一对齿轮的弯曲应力大,12.00421.965FF因为许用弯曲应力相等,则第二对齿轮的弯曲疲劳强度低。 (2)接触应力比和接触疲劳强度
H2.5ZE2KT1u1u12KT12.5Z Eubd12bud12uz240z'802,u'22,uz120z'140u'
Hd1'2m1'z1'2401 '2Hd1m1z1420 16
补充1:一对标准直齿圆柱齿轮传动参数见表,试问: 1)比较哪个齿轮容易疲劳点蚀,哪个齿轮易弯曲疲劳折断? 2)齿宽系数等于多少?
3)若载荷系数K=1.3,按齿根弯曲疲劳强度计算,齿轮允许传递的最大转矩等于多少? 齿轮 1 2 模数/mm 齿数 3 3 17 45 齿宽/mm 60 55 YFa YSa [F]/MPa [H]/MPa 2.97 2.35 1.52 1.68 390 370 500 470 解:1) H1H2,H1H2, 2齿轮容易疲劳点蚀。
F2KT1YFaYsaF2KT1F32F→32mZ1dYFaYsamZ1dYFaYsa。
F1YFa1Ysa1F239037086.39,93.72 2.971.52YFa2Ysa22.351.681齿轮易弯曲疲劳折断。
bb551.078
2)齿宽系数ddmz131713) 传递的最大转矩应由齿轮1的弯曲疲劳强度决定,
m3Z12d33172T11.07886.39279Nm F12KYFa1Ysa121.3 17
补充2:一对标准直齿圆柱齿轮,模数m=5mm,大小齿轮的齿数z2=60,z1=25,查得大小齿轮的应力校正系数YSa2=1.76,YSa1=1.58,大小齿轮的齿形系数YFa2=2.32,YFa2=2.72,而大小齿轮的许用弯曲应力
[F]2=300Mpa,
[F]1=320Mpa,并且算得大齿轮的齿根弯曲应力F2=280Mpa,试问:
1)哪个齿轮的弯曲疲劳强度高? 2)两个齿轮的弯曲疲劳强度是否足够?
解: 1)F2KT1YFaYsa m3Z21 F1dFF1320F2YFa1Ysa12.721.5874.46300,Y73.47 Fa2Ysa22.321.76小齿轮的弯曲疲劳强度高。
2)F2KT1YFaYsa1F1YFa1Ysa1。
Fm3Z21d, FF2YFa2Ysa2YFa1Ysa12.721.58F1YF2280295Mpa<F1
Fa2Ysa22.321.76两个齿轮的弯曲疲劳强度足够。
18
补充3:某闭式标准直齿圆柱齿轮传动,已知模数m=5mm,齿宽系数d=0.8,
[F]1[F]2齿宽b1=90mm,b2=80mm,YY=46,=51,K=1.5。试求:
YYFa1Sa1Fa2Sa21)该齿轮能传递的最大转矩T1(N·mm)
2)现有一对模数m=5.5mm的半成品齿轮,齿数、材料、硬度和载荷系数均与上
述条件一致,为保证与上述齿轮具有相同的弯曲疲劳强度,这对齿轮的齿宽b2应如何确定?
[F]12KT1YFaYsa[F]2解:1)Fm3Z2F,YY 轮的弯曲强度来计算该对齿轮所能传递的最大转矩。10.8dbd1mF1801005T146613.33Nm 2KYFa1Ysa121.5d1100mz15.520110mm 2) z1m520,m5.5,d1b[F]1已知齿数、材质不变,则YY46不变,载荷系数也不变,仍取1.5 Fa1Sa12KT1YFa1Ysa121.5613.331031b66.1Nm d1mF11105.546所以,取齿廓b66mm。 作业题 13-1答:N307/P4、6207、30207的内径为35mm,51301的内径为12mm。 19 N307/P4公差等级最高,6207允许的极限转速最高,N307/P4承受径向能力最强,51301不能承受径向载荷。 13-6 解:圆锥滚子轴承反装,查手册知30207的基本额定动载荷为54200N,e=0.37,Y=1.6。 (1)两轴承的径向载荷Fr1和Fr2 Fr1=875.65N,Fr2=1512.62N (2)两轴承的计算轴向力Fa1和Fa2 Fr1875.65Fd1274N 2Y21.6Fr21512.62Fd2473N 2Y21.6因为Fd2+Fae=473400873NFd1274N 所以1被压紧,2被放松。 Fa1Fd2+Fae=873N ,Fa2Fd2473N 20 (3)两轴承的当量动载荷 因为Fa1873F875.651e ,Fa2473r1Fer21512.620.32 所以X1=0.4,Y1=1.6; X2=1,Y2=0 即有 P1fp(X1Fr1Y1Fa1)1.5(0.4875.651.6873)2621NP2fp(X2Fr2Y2Fa2)1.511512.622269N (4)验算轴承的寿命 因为P1>P2,所以按轴承1的受力大小验算 66L1060n(CP)10(54200)10/3h777944h15000h1605202621 故所选轴承满足寿命要求。 21 补充:某转轴两端各用一个30204轴承支撑,轴上载荷Fre=1000N,Fae=300N,轴转速为1000r/min,载荷系数fp=1.2,常温下工作。求:1)两支点反力;2)两轴承的当量动载荷;3)危险轴承的寿命。已知:30204轴承基本额定动载荷C=28.2KN,且有Fd=Fr/(2Y),Y=1.7。有关数据如下: e Fa/Fr≤e Fa/Fr >e X Y X Y 0.35 1 0 0.4 1.7 解:正装,派生轴向力如图所示,左轴承为1轴承,右轴承为2轴承。 (1)两支点反力Fr1,Fr2,Fa1,Fa2 10005030040Fr1253N 10050300401000100Fr2747N10050 或Fr2FreFr11000253747N 22 Fr1253Fd174N 2Y21.7Fr2747Fd2220N 2Y21.7因为Fd1+Fae=74300374NFd2 所以2被压紧,1被放松。 Fa2Fd1+Fae=374N ,Fa1Fd174N (2)两轴承的当量动载荷 Fa2374Fa174因为F2530.29e ,Fr27470.5e r1所以X1=1,Y1=0; X2=0.4,Y2=1.7 即有 PN1fp(X1Fr1Y1Fa1)1.2253304P2fp(X2Fr2Y2Fa2)1.2(0.47471.7374)1122N 3)危险轴承的寿命 P1 60nftP26010001122补充习题1:一轴由两个角接触球轴承(Fd=0.68Fr),F1=10KN,F2=5KN,a=100mm,b=300mm,c=50mm,轴转速 23 n=100r/min,冲击载荷系数fa=1.2,预期使用寿命 [Lh]=5000h。求轴承额定动载荷为多少?(注:e=0.68。Fa/Fr≤e时,X =1且Y=0;Fa/Fr >e时,X =0.41且Y=0.87) 解: (1)求支点反力Fr1,Fr2,Fa1,Fa2 FF1bF2c10300550r1ab1003006.875kN FF1aF2c101005ab50r21003003.125kN或F r2F1Fr1106.8753.125kNFd10.68Fr10.686.8754.675kN Fd20.68Fr20.683.1252.125kN 因为Fd14.675kN<F2+Fd2=52.1257.125kN, 所以1轴承压紧,2轴承被放松。 所以Fa1F2+Fd2=7.125kN ,Fa2Fd22.125kN 24 (2)求额定动载荷 Fa22.125Fa17.1250.68e >e ,因为F6.8751.036Fr23.125r1所以X1=0.41,Y1=0.87; X2=1,Y2=0 即有 P)10.821kN1fa(X1Fr1Y1Fa1)1.2(0.416.8750.877.125P2fa(X2Fr2Y2Fa2)1.2(13.1250)3.75kN 按P1计算C 60nLh6010050003CP10.82133.623kN 1661010斜齿圆柱齿轮支承在一对反装的7307AC型滚动轴承上,轴转速n=200r/min,齿轮受力为圆周力Fte=1890N,径向力Fre=700N,轴向力Fae=360N,方向如图所示,齿轮分度圆直径d=188mm,轴承跨距l=200mm,轴承载荷系数fp=1,其他数据为:Fd=0.7Fr,Fa/Fre,X=0.41,Y=0.87;Fa/Fre,X=1,Y=0,e=0.7。 25 求:(1)两轴承受径向力的大小?(2)两轴承受轴向力的大小? (3)两轴承的当量动载荷(4)哪个轴承寿命高?两轴承寿命比是多少? Fre100Fae9470010036094519.2N 解:(1)Fr1V200200Fre100Fae9470010036094Fr2V180.8N 200200Fte1890Fr1HFr2H945N 22222Fr1Fr2F519.29451078.2N 1Vr1H222Fr2Fr2F180.8945962.1N 2Vr2H(2) Fd10.7Fr10.71078.2754.74N Fd20.7Fr20.7962.1673.47N Fd1+Fae=754.743601114.74NFd2673.47N 2轴承被压紧,1轴承被放松。 Fa2Fd1+Fae=1114.74N ,Fa1Fd1754.74N 26 (3)因为Fa1F0.7eFa21114.741.16er1 ,Fr2962.1 所以X1=1,Y1=0; X2=0.41,Y2=0.87 即有P1fpX1Fr1111078.21078.2N P2fp(X2Fr2Y2Fa2)1.5(0.41962.10.871114.74)1364.3N(4)验算轴承的寿命 因为P2>P1,轴承1的寿命高。 106CL(fth160P)1PLn6h210C(2)2.026P 60n(ftP)12 27 因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容