第二章机械零件的工作能力和计算准则

1、机械零件的工作机械零件的工作能力和计算准则能力和计算准则2.12.1 载荷和应力的分类载荷和应力的分类2.22.2 机械零件的强度机械零件的强度2.32.3 机械零件的表面强度机械零件的表面强度机械零件的工作能力和计算准则机械零件的工作能力和计算准则几个名词：几个名词：1 1）失效：）失效：机械零件由于某种原因不能正常工作，称为失效。注意注意： a) 失效并不单纯指破坏，破坏只是失效的形式之一。机械零件的可能失效形式很多，归纳起来主要有强度、刚度、耐磨性、振动稳定性以及温度等方面的失效。 b) 同一种零件可能的失效形式往往有若干种。例如：轴在工作中可能产生疲劳断裂、过大弹性变形、共振等失效。机

2、械零件失效的主要形式：整体断裂、过大的残余变形、零件的表面破坏、破坏正常工作条件引起的失效（教材P11）机械零件的工作能力和计算准则机械零件的工作能力和计算准则机械零件失效实例：机械零件失效实例：潘存云教授研制轮齿塑性变形轮齿塑性变形潘存云教授研制齿轮轮齿折断齿轮轮齿折断 潘存云教授研制轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形潘存云教授研制齿面接触疲劳点蚀齿面接触疲劳点蚀潘存云教授研制轴瓦磨损轴瓦磨损潘存云教授研制轴承内圈破裂轴承内圈破裂 机械零件的工作能力和计算准则机械零件的工作能力和计算准则2 2）工作能力：）工作能力：即机械零件在一定条件下抵抗失效的能力 (即安全工作限度)。3 3）承载能力）承

3、载能力：对载荷而言的工作能力。（也就是用载荷表示的 工作能力） 4 4）工作能力计算准则：）工作能力计算准则：为防止机械零件发生某种失效而应满足的 条件。（也可以理解为是机械零件不发生 失效的“安全条件”，是设计零件时的 理论依据）。机械零件的工作能力和计算准则机械零件的工作能力和计算准则载荷和应力1 为了防止机械零件在工作中产生失效，设计时，需要以零件的工作能零件的工作能力计算准则力计算准则为依据进行必要的计算。机械零件的设计准则大体有： 强度准则强度准则 刚度准则刚度准则 寿命准则寿命准则 振动稳定性准则振动稳定性准则 可靠性准则可靠性准则 摩擦学准则摩擦学准则机械零件的工作能力和计算准则

4、机械零件的工作能力和计算准则1 1 载荷载荷由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。 静载荷静载荷变载荷变载荷按是否随时间变化，载荷分为：按是否考虑动载荷的影响，载荷分为：名义载荷：名义载荷：在理想平稳条件下所受的载荷（不考虑动载荷的影响）计算载荷计算载荷载荷系数K名义载荷（代表机器或零件实际所受载荷）载荷系数载荷系数K K：用于计入在实际工作中受到的各种动载荷的影响。额定载荷：额定载荷： 由原动机的额定功率推算出的载荷。载荷和应力22 2 应力应力静应力静应力 变应力变应力2minmaxm2minmaxamaxmax最大应力；最大应力； minmin最小应力最小应力m m平均应力

5、；平均应力； a a应力幅值应力幅值r r 应力比（循环特性）应力比（循环特性）maxminr变应力 应力应力与外载荷、零件的截面形状与外载荷、零件的截面形状有关有关 强度强度与材料本身的机械性能有关，而与外载荷、截面形状等与材料本身的机械性能有关，而与外载荷、截面形状等无关无关。强度：强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。 变应力的五个参数： o ot t应应力力静应力静应力变应力变应力稳定循环变应力稳定循环变应力非稳定循环变应力非稳定循环变应力规律性非稳定循环变应力规律性非稳定循环变应力随机性非稳定循环变应力随机性非稳定循

6、环变应力1r脉动循环应力脉动循环应力对称循环应力对称循环应力非对称循环应力非对称循环应力0r11r1r脉动循环变应力r =0非对称循环变应力对称循环变应力r =-1-1maxmTmaxminaamtmaxminaattaaminr =+1 规律性规律性 随机性随机性周期周期尖峰应力尖峰应力 o ot t应力应力静应力静应力变应力变应力稳定循环变应力稳定循环变应力非稳定循环变应力非稳定循环变应力脉动循环应力脉动循环应力对称循环应力对称循环应力非对称循环应力非对称循环应力规律性非稳定循环变应力规律性非稳定循环变应力随机性非稳定循环变应力随机性非稳定循环变应力静应力（静应力（可看作是循环应力的一个特

7、例可看作是循环应力的一个特例）注：静应力只在静载荷作用下产生，变应力可由变载荷注：静应力只在静载荷作用下产生，变应力可由变载荷产生，也可由静载荷产生。产生，也可由静载荷产生。（承受静载荷的回转运动或（承受静载荷的回转运动或周期运动的零件将产生变应力）周期运动的零件将产生变应力）另外，应力还分为另外，应力还分为名义应力：根据名义载荷求得的应力名义应力：根据名义载荷求得的应力计算应力：根据计算载荷求得的应力计算应力：根据计算载荷求得的应力tr =+1强度准则强度强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。 2.2.1 2.2.1 判断零

8、件强度的两种方法：判断零件强度的两种方法：1） 用应力表示： Slim2）用安全系数表示：SSlimS式中：计算最大应力lim极限应力计算安全系数SS许用应力许用安全系数注：对于切应力，只须将上述各公式中的 换成 即可。机械零件的强度机械零件的强度静应力下的强度2.2.2 2.2.2 静应力下的强度静应力下的强度 在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形或断裂。材料种类不同，所取极限应力也不同。塑性材料 单向应力状态： slimslim，复合应力状态： 按第三或第四强度理论计算当量应力。脆性材料 则有： ，BlimBlim注：1）对于脆性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁），在计算静强度

9、时，可不考虑应力集中的影响。 2）对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算静强度时，应考虑应力集中的影响。机械零件的强度机械零件的强度接触强度2.2.3 2.2.3 变应力强度变应力强度计算变应力下的强度时，应取 疲劳极限 （详见第三章）。 limrN2.2.4 2.2.4 许用安全系数许用安全系数S安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响 过大，则机器会过于笨重；过小，可能不安全。 因此，在保证安全的前提下，应尽可能选用较 小的许用安全系数。 的取值主要受下列因素的影响：SS 1）计算的准确性； 2）材料的均匀性； 3）零件的重要性。机械零件的强度机械零件的强度（1）静应力下，塑性材料的

10、零件 S =1.2.5 铸钢件 S =1.5（2）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁： S =34（3）变应力下， S =1.31.7 材料不均匀，或计算不准时取 S =1.72.5机械零件的强度机械零件的强度2.2.5 2.2.5 提高机械零件强度的措施提高机械零件强度的措施从结构方面1.合理布置零件,减少所受载荷2.降低应力集中,均匀载荷分布（自动调节载荷分布、限制接触宽度）机械零件的强度机械零件的强度3.采用等强度结构4.选用合理截面5.减少应力集中 用卸载槽减缓力流的集中 用卸载孔减少缺口处的应力集中 从工艺方面改善表面状态1.喷丸,碾压-形成残余压应力,提高表面疲劳强度2.渗碳,碳

11、氮共渗,渗氮,表面淬火机械零件的强度机械零件的强度表面强度分为三种:A.表面接触强度B.表面挤压强度C.表面磨损强度机械零件的表面强度机械零件的表面强度如齿轮、凸轮、滚动轴承等。B 机械零件中各零件之间的力的传递，总是通过两个零件的接触形式来实现的。常见两机械零件的接触形式为点接触或线接触。2.3.1 2.3.1 表面接触疲劳强度表面接触疲劳强度 机械零件的表面强度机械零件的表面强度b b由弹性力学可知，接触应力为：由弹性力学可知，接触应力为：2121令21212EEEEE上述公式称为上述公式称为赫兹赫兹(H(HHertz)Hertz)公式公式 注：注：“”用于外接触，用于外接触，“”用于内接

12、触。用于内接触。H HH H2 21 1Fn1 1F Fn nb b2 2H HH H222121211111EEbFH机械零件的表面强度机械零件的表面强度 两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。bEFnH418.0=H H 最大接触应力或最大接触应力或赫兹应力赫兹应力; ;212121212EEEEEb 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; ; 综合弹性模量综合弹性模量; ; E E1 1、 E

13、 E2 2 分别为两圆柱体的弹性模量。分别为两圆柱体的弹性模量。 接触疲劳强度的判定条件为接触疲劳强度的判定条件为HlimHHHH,S而b bFn机械零件的表面强度机械零件的表面强度对于钢或铸铁取泊松比对于钢或铸铁取泊松比1 1= =2 2= =0.3 ,=0.3 ,则有简化公式。则有简化公式。B接触失效形式常表现为疲劳点蚀。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 机械零件的接触应力通常随时间作周期性变化，使零件表层产生机械零件的接触应力通常随时间作周期性变化，使零件表层产生初始疲劳裂纹，裂纹扩展、润滑油被挤迸裂纹

14、中将产生高压，使裂纹初始疲劳裂纹，裂纹扩展、润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，使表层金属呈小片状剥落下来，在零件表面形成一些小加快扩展，使表层金属呈小片状剥落下来，在零件表面形成一些小坑坑 ，这种现象称为疲劳点蚀。，这种现象称为疲劳点蚀。机械零件的表面强度机械零件的表面强度实际中的高副零件所受的接实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的。如触应力都是循环变化的。如齿轮的轮齿，接触啮合时受齿轮的轮齿，接触啮合时受应力作用，脱离啮合时不受应力作用，脱离啮合时不受应力作用。应力作用。 点蚀的危害点蚀的危害： 1 1）破坏零件的光滑表面，）破坏零件的光滑表面，引起振动和噪音。引起振动和

15、噪音。 2 2）减小零件的有效工作）减小零件的有效工作面积面积提高表面接触强度的措施提高表面接触强度的措施1.增大接触表面的综合曲率半径，以降低接触应力。2.将外接触改成内接触。3.在结构设计上将点接触改为线接触。4.提高零件表面硬度。5.在一定范围内提高接触表面的加工质量，接触疲劳强度也随之提高。6.采用粘度较高的润滑油，除降低深入裂纹的能力外，还能在接触去形成较厚的油膜，增大接触面积，从而降低接触应力。机械零件的表面强度机械零件的表面强度2.3.2 2.3.2 表面挤压强度表面挤压强度 两零件之间为面接触时，在载荷作用下，接触表面两零件之间为面接触时，在载荷作用下，接触表面 上产生的应上产

16、生的应力称为挤压应力，用力称为挤压应力，用 表示。表示。 p 在挤压应力作用下的强度称为挤压强度，其强度条件为：在挤压应力作用下的强度称为挤压强度，其强度条件为： pp 挤压应力作用下，接触面的失效形式挤压应力作用下，接触面的失效形式 是是“压溃压溃” 。注：相互挤压表面上的挤压应力相等。注：相互挤压表面上的挤压应力相等。机械零件的表面强度机械零件的表面强度2.3.3 2.3.3 表面磨损强度表面磨损强度条件性计算条件性计算1、滑动速度低、载荷大时限制表面压强 pp (防止压碎及塑性变形）2、滑动速度高时防止润滑失效 pvpv 3、高速时防止速度过高加速磨损 vv 机械零件的表面强度机械零件的表面强度提高表面磨损强度的措施提高表面磨损强度的措施1.选用合适的摩擦副材料2.提高表面硬度3.降低表面粗糙度4.采用有效的润滑剂和润滑方法5.表面镀层,氧化处理6.防止灰尘进入摩擦面7.防止温度过高机械零件的表面强度机械零件的表面强度 刚度刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不足，有些零件则会因为