第2章___机械零件的工作能力和计算准则

1、第第2章章 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机械设计机械设计2.1 载荷及应力的分类载荷及应力的分类2.1.1 载荷的分类载荷的分类静载荷静载荷变载荷变载荷不随时间改变或变化缓慢不随时间改变或变化缓慢随时间作周期性或非周期性变化随时间作周期性或非周期性变化名义载荷名义载荷计算载荷计算载荷理想工作条件下的载荷理想工作条件下的载荷作用于零件的实际载荷作用于零件的实际载荷计算载荷计算载荷名义载荷名义载荷=K 载荷系数载荷系数？2.1.2 应力的分类应力的分类静应力静应力变应力变应力不随时间改变或变化缓慢不随时间改变或变化缓慢随时间作周期性或非周期性变化随时间作周期性或非周期性

2、变化变应力变应力稳定变应力稳定变应力周期性循环变应力周期性循环变应力非稳定变应力非稳定变应力非周期性循环变应力非周期性循环变应力注意：注意：变载荷变载荷 变应力变应力静载荷静载荷 静应力静应力 ？或变应力或变应力nP anmaxmintaOmmaxatOtmmaxaminO =常数常数静应力静应力tO稳定变应力稳定变应力非对称循环变应力非对称循环变应力对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力脉动循环变应力表达变应力的几个参数表达变应力的几个参数循环特征：循环特征：maxminr 表示应力变化的情况表示应力变化的情况对称循环对称循环 r = 1；脉动循环脉动循环 r = 0；非对称循环非对称循

3、环 r 0 且且 | r | 1; 静应力静应力 r = +1用用r 表示循环特征为表示循环特征为 r 的变应力。如的变应力。如 -1、0等等平均应力：平均应力：2minmaxm应应 力力 幅：幅：2minmaxa对称循环对称循环:m= 0; a=max脉动循环脉动循环:m=a=max / 22.2 机械零件的强度机械零件的强度主要失效形式：断裂或塑性变形主要失效形式：断裂或塑性变形强度条件：强度条件： 、 或或 S S 塑性材料：塑性材料：sslimlim;许用应力：许用应力：lim = s ；lim = s脆性材料：脆性材料：lim = B ；lim = B2.2.1 两种判断零件强度的方

4、法两种判断零件强度的方法 SS2.2.2 静应力强度静应力强度2.2.3 变应力作用下的强度问题变应力作用下的强度问题主要失效形式：疲劳破坏主要失效形式：疲劳破坏初始裂纹初始裂纹疲劳区疲劳区(光滑光滑)粗糙区粗糙区强度条件：强度条件： slimlim = ？轴轴变应力时，取变应力时，取 lim = rN（疲劳极限）（疲劳极限） ssrNr或则疲劳破坏与零件的变应力循环次数疲劳破坏与零件的变应力循环次数N有关有关NrNrNN0疲劳曲线疲劳曲线N 应力循环次数应力循环次数rN 疲劳极限（对应于疲劳极限（对应于N）N0 循环基数循环基数r 持久极限持久极限有限寿命区有限寿命区无限无限常数NmrN0N

5、mr由此得：由此得：mrrNNN/0m与应力状态有关与应力状态有关 的指数的指数各种材料的各种材料的r可从有关手册中查取可从有关手册中查取通常通常 S 1 2.2.4 安全系数安全系数安全系数小安全系数小失效的可能性大失效的可能性大安全系数大安全系数大机械零件的体积庞大机械零件的体积庞大协调处理协调处理影响安全系数因素如下：影响安全系数因素如下：1. 与应力计算有关的因素与应力计算有关的因素应力计算所依据的载荷值的不精确性应力计算所依据的载荷值的不精确性应力计算用的力学模型与实际状况之间的差异应力计算用的力学模型与实际状况之间的差异2. 与材料的极限应力有关的因素与材料的极限应力有关的因素材料

6、机械性能本身的变化材料机械性能本身的变化零件尺寸效应的不确定性零件尺寸效应的不确定性不同毛坯制取方法及机械加工工艺对材料机械性能的影响不同毛坯制取方法及机械加工工艺对材料机械性能的影响3. 与零件的重要性有关（等级）：与零件的重要性有关（等级）：一级：零件的破坏要引起人身事故一级：零件的破坏要引起人身事故二级：零件的破坏要引起严重的设备事故，修理费用昂贵二级：零件的破坏要引起严重的设备事故，修理费用昂贵三级：零件的破坏要使机器停机修理三级：零件的破坏要使机器停机修理四级：零件的破坏不会使机器立即停止工作四级：零件的破坏不会使机器立即停止工作选择原则：选择原则： 保证安全可靠的前提下，尽可能选用

7、较小的许用安全系数保证安全可靠的前提下，尽可能选用较小的许用安全系数2.2.4 提高零件强度的措施提高零件强度的措施两个方面：结构设计；两个方面：结构设计； 制造工艺制造工艺1）结构方面）结构方面合理布置零件减少载荷合理布置零件减少载荷降低载荷集中，均匀载荷分布降低载荷集中，均匀载荷分布采用等强度结构采用等强度结构选用合理截面选用合理截面如梁的截面采用工字形、如梁的截面采用工字形、T字形；轴的截面采用圆形。字形；轴的截面采用圆形。减小应力集中减小应力集中机械加工方法机械加工方法表面滚压，喷丸处理使表面产生很小的表面滚压，喷丸处理使表面产生很小的 塑性变形（残余压应力）塑性变形（残余压应力）2）

8、制造工艺主要提高疲劳强度）制造工艺主要提高疲劳强度热处理方法化学热处理：渗碳、渗氮热处理方法化学热处理：渗碳、渗氮普通热处理：表面淬火普通热处理：表面淬火2.3 机械零件的表面强度机械零件的表面强度2.3.1 表面接触强度表面接触强度1. 表面接触应力表面接触应力)111(22212max1EEbFH两圆柱体：两圆柱体：12111“+”号用于外接触，号用于外接触，“-”号用于内接触号用于内接触2. 失效形式失效形式表面疲劳磨损（表面疲劳点蚀）表面疲劳磨损（表面疲劳点蚀）3. 强度条件强度条件maxHH4. 提高接触强度的措施提高接触强度的措施减小接触应力减小接触应力提高表面硬度，以提高许用接触

9、应力提高表面硬度，以提高许用接触应力提高润滑油黏度提高润滑油黏度2.3.2 表面挤压强度表面挤压强度1. 失效形式失效形式2. 强度条件（条件性计算）强度条件（条件性计算）ppAF常用于静态联接或低速工作条件下常用于静态联接或低速工作条件下塑性材料塑性材料塑性变形塑性变形脆性材料脆性材料表面压碎表面压碎2.3.3 表面磨损强度表面磨损强度1. 磨损磨损2. 计算准则（条件性计算）计算准则（条件性计算）3. 减轻磨损的措施减轻磨损的措施vpvpvvpp合适的材料匹配；提高表面硬度；合适的材料匹配；提高表面硬度；合适的表面状态；表面镀层；合适的表面状态；表面镀层；防尘处理；控制表面温度；防尘处理；

10、控制表面温度；提高表面加工质量；降低表面粗糙度值。提高表面加工质量；降低表面粗糙度值。2.4 机械零件的刚度机械零件的刚度2.4.1 刚度对机械零件性能的影响刚度对机械零件性能的影响刚度：是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力刚度：是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力表示方法：表示方法：刚度刚度产生单位弹性变形所需要的力或力矩产生单位弹性变形所需要的力或力矩柔度柔度单位外力或外力矩产生的弹性变形量单位外力或外力矩产生的弹性变形量）刚度不足会影响零件的使用性能）刚度不足会影响零件的使用性能）对某些机器而言：为保证具有一定的精度，被加工零）对某些机器而言：为保证具有一定的精度，被加工零 件和机床

11、都应具有一定的刚度件和机床都应具有一定的刚度）刚度有时是强度的保证）刚度有时是强度的保证）刚度影响零件的振动频率）刚度影响零件的振动频率）弹性零件应有确定的刚度要求）弹性零件应有确定的刚度要求2.4.2 刚度条件刚度条件2.4.3 刚度的影响因素及提高刚度的措施刚度的影响因素及提高刚度的措施 yy材料力学中的简化方法材料力学中的简化方法弹性力学有限元分析方法弹性力学有限元分析方法计算方法：计算方法：材料：弹性模量材料：弹性模量按刚度计算所得的零件截面尺寸一般要比按强度计算的大按刚度计算所得的零件截面尺寸一般要比按强度计算的大结构：剖面形状、支承结构、位置、加强筋结构：剖面形状、支承结构、位置、

12、加强筋预紧：提高接触刚度（滚动轴承的预紧）预紧：提高接触刚度（滚动轴承的预紧）同类金属同类金属E相差不大，用合金钢代替普通相差不大，用合金钢代替普通碳钢以达到提高零件的刚度是不行的。碳钢以达到提高零件的刚度是不行的。2.5 机械零件的冲击强度机械零件的冲击强度()kEF hy 2pF yE FyFy211IhFFK Fy F冲击载荷冲击载荷条件条件 能量守恒能量守恒 Ek=Ep 载荷与变形成正比载荷与变形成正比B的变形能的变形能:A物体给物体给B的冲击能的冲击能:KI冲击系数冲击系数211hFFy h = o 时时F= 2F为理论值，实际值可能为理论值，实际值可能小于小于2F，冲击能损耗。，冲

13、击能损耗。 计算时用计算载荷计算时用计算载荷 Fc=KF K工作情况系工作情况系数，考虑冲击载荷的影响。数，考虑冲击载荷的影响。设计零件时应考虑冲击载荷的影响。设计零件时应考虑冲击载荷的影响。提高冲击强度的措施：提高冲击强度的措施：1）增大零件的弹性变形；）增大零件的弹性变形；2）增加材料的弹性，即降低）增加材料的弹性，即降低E；3）采用缓冲零件吸收冲击能量；）采用缓冲零件吸收冲击能量；4）减小间隙，增加预紧。）减小间隙，增加预紧。2.6 温度对零件性能的影响温度对零件性能的影响热平衡：单位时间内产生的热量热平衡：单位时间内产生的热量 = 散发的热量散发的热量2.6.1 温度对摩擦磨损过程的影

14、响温度对摩擦磨损过程的影响功功 耗耗热能增加热能增加工作温度上升工作温度上升润滑油粘度下降润滑油粘度下降工作状态恶化工作状态恶化效率下降效率下降恶性恶性循环循环弊间隙量，过盈量的变化，热应力的产生弊间隙量，过盈量的变化，热应力的产生利利用变形进行装配，如热装配、冷装配等利利用变形进行装配，如热装配、冷装配等 2.6.2 温度对材料胀缩的影响温度对材料胀缩的影响2.6.3 温度对材料力学性能的影响温度对材料力学性能的影响温度对材料蠕变和松弛的影响温度对材料蠕变和松弛的影响解决方法：解决方法：预先计入热变形量结构上采用浮动结构消除热应力预先计入热变形量结构上采用浮动结构消除热应力2.7 机械零件的

15、振动稳定性机械零件的振动稳定性振动：机械零件发生周期性的弹性变形。常用振幅和频率描述振动：机械零件发生周期性的弹性变形。常用振幅和频率描述 当周期性外力的变化频率等于或接近机器或零件的固有当周期性外力的变化频率等于或接近机器或零件的固有频率时，发生共振现象。频率时，发生共振现象。计算准则：避免外力作用频率等于或接近固有频率计算准则：避免外力作用频率等于或接近固有频率减轻振动的措施：减轻振动的措施：采用结构对称，减小悬臂尺寸、减小中心距采用结构对称，减小悬臂尺寸、减小中心距利用阻尼消耗引起振动的能量利用阻尼消耗引起振动的能量设置隔振装置设置隔振装置对转动件进行平衡对转动件进行平衡2.8 机械零件

16、的可靠性机械零件的可靠性可靠性：零件在规定的条件和规定的时间内发挥规定功能的能力。可靠性：零件在规定的条件和规定的时间内发挥规定功能的能力。可靠度：零件在规定的条件和规定的时间内发挥规定功能的概率，可靠度：零件在规定的条件和规定的时间内发挥规定功能的概率， 常用常用 Rt 表示。表示。累积失效概率：零件在规定条件和规定的时间内失效的概率，累积失效概率：零件在规定条件和规定的时间内失效的概率， 常用常用 Ft 表示。表示。1ttRF失效分布密度失效分布密度 f(t)：累积失效概率对时间的导数：累积失效概率对时间的导数失效（寿命）分布曲线：失效（寿命）分布曲线： f(t) - t 曲线，常见的有正态分布等曲线，常见的有正态分布