第2章 机械零件的工作能力和计算准则

1、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

2、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 =常数常数ttmaxminammaxammaxamin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非对称循环变应力非对称循环变应力静应力静应力OtOOtO几个应力参数几个应力参数循环特征：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

3、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 / 2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 an2.2、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 塑性材料：塑性材料：sslimlim;许用应力：许用应力：lim 、lim 极限应力极限应力 s 安全系数安全系数lim = s ；lim = s脆性材料：脆性材料：lim = B ；lim

4、 = Bs、s 材料屈服极限材料屈服极限B、B 材料强度极限材料强度极限2.2.1、两种判断零件强度的方法、两种判断零件强度的方法2.2.2、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 = ？疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关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 持久极限持久极限轴轴有限寿命区有限寿命区无限无限常数NmrN0Nmr由此得：由

5、此得：mrrNNN/0与应力状态与应力状态有关的指数有关的指数通常通常 S 1 变应力时，取变应力时，取 lim = r（无限寿命）（无限寿命） 或或 lim = rN（有限寿命）（有限寿命） 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ssrNr或则2.2.3、安全系数、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剖面选用合理剖面减小应力集中减小应力集中）制造工

6、艺主要提高疲劳强度）制造工艺主要提高疲劳强度机械加工方法表面滚压，喷丸处理使机械加工方法表面滚压，喷丸处理使表面产生很小的塑性变表面产生很小的塑性变形（残余压应力）形（残余压应力）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.、机械零件的表面强度、机械零件的表面强度2.1、表面接触强度（非整合接触）、表面接触强度（非整合接触）表面接触应力）表面接触应力两圆柱体：两圆柱体：)111(22212max1EEbFH）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）强度条件：）强度条件：maxHH）提高接触强度

7、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.、表面挤压强度（通过整合面的接触传递载荷）、表面挤压强度（通过整合面的接触传递载荷）失效形式：）失效形式：塑性材料塑性变形塑性材料塑性变形脆性材料表面压碎脆性材料表面压碎）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2.、表面磨损强度、表面磨损强度）磨损）磨损）计算准则（条件性计算）计算准则（条件性计算）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

8、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、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.、机械零件的刚度、机械零件的刚度2.1、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：是指该零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力刚度：是指该零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力表示方法：刚度产生单位弹性变形所需要的力或力矩表示方法：刚度产生单位弹性变形所需要的力或力矩柔度单位外力或外力矩产生的弹性变形量柔度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）

9、对机床而言：为保证具有一定的精度，被加工零）对机床而言：为保证具有一定的精度，被加工零件和机床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.、刚度条件、刚度条件2.、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材料：弹性模量材料：弹性模量结构：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、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） yy计算方法：材料力学中的简化方法计算方法：

10、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2.、机械零件的冲击强度、机械零件的冲击强度)(vyhFW2vvyFU vvyyFFFKFyhFdv211 Fv动载荷动载荷条件条件 能量守恒能量守恒 W=U 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:Kd动载荷系数动载荷系数h=o时时Fv=2F为理论值，实际值可能小于为理论值，实际值可能小于2F，冲击能损耗。，冲击能损耗。 设计零件时应考虑动载荷的影响。设计零件时应考虑动载荷的影响。 计算时用计算载荷计算时用计算载荷 Pc=KP K工作情况系数，考虑动工作情况系数，考虑动载荷的影响。载

11、荷的影响。提高冲击强度的措施：提高冲击强度的措施：）增大零件的弹性变形）增大零件的弹性变形）增加材料的弹性，即降低）增加材料的弹性，即降低）采用缓冲零件吸收冲击能量）采用缓冲零件吸收冲击能量）减小间歇，增加预紧）减小间歇，增加预紧2.、温度对机械零件性能的影响、温度对机械零件性能的影响机器工作中有能耗机器工作中有能耗 热能热能 工作温度工作温度 润滑油粘度润滑油粘度 （主要由摩擦产生（主要由摩擦产生 ）（达到热平衡温度不再升高）（达到热平衡温度不再升高） 2.、温度对热胀冷缩的影响、温度对热胀冷缩的影响弊间歇量，过盈量的变化，热应力的产生弊间歇量，过盈量的变化，热应力的产生利进行热装配利进行热

12、装配 零件的工作状态变化（趋于恶化）零件的工作状态变化（趋于恶化） 油膜承载能力油膜承载能力 能耗能耗温度温度恶性循环，零件咬死。恶性循环，零件咬死。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2.1、温度对润滑过程的影响、温度对润滑过程的影响2.、温度对材料机械性能的影响、温度对材料机械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：预先计入热变形量解决方法：预先计入热变形量结构上采用浮动结构消除热应力结构上采用浮动结构消除热应力2.、机械零件的振动稳定性、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共振现象：共振现象：计算准则：计算准则：自振频率的相关因素：自振频率的相关因素：周期性的外力：周期性的外力：解决振动稳定性的措施：解决振动稳定性的措施：结构对称，平衡，减小悬臂尺寸、减小中心距结构对称，平衡，减小悬臂尺寸、减小中心距阻尼阻尼隔振隔振2.、机械零件的可靠性、机械零件的可靠性可靠性：零件在规定的工作环境下，在规定的工作寿命内可靠性：零件在规定的工作环境下，在规定的工作寿命内发挥规定功能的概率。发挥规定功能的概率。零件的可靠性是指工作应力和材料强度等参