第2章機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則

1、2-1載荷和應(yīng)力的分類2-3機械零件的強度(整體強度)2-4機械零件的表面強度2-5機械零件的剛度 2-2 機械的工作能力 第第2章章 機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則 2-6機械現(xiàn)代設(shè)計方法簡介第2章 機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則2-1載荷和應(yīng)力的分類 二、應(yīng)力的種類二、應(yīng)力的種類 靜應(yīng)力靜應(yīng)力: = =常數(shù)常數(shù)變應(yīng)力變應(yīng)力: 隨時間變化隨時間變化一、載荷一、載荷: :靜靜/ /變變 名義計算名義計算 名計kfft= =常數(shù)常數(shù)脈動循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力r =02minmaxm平均應(yīng)力平均應(yīng)力:2minmaxa應(yīng)力幅應(yīng)力幅:循環(huán)變應(yīng)力循環(huán)變應(yīng)力maxminr對稱循環(huán)

2、變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力r =- -1脈動循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力 -1 -1= 0= 0 +1 +1 靜應(yīng)力靜應(yīng)力ttr =+1靜應(yīng)力是變應(yīng)力的特例maxminaamaxmaatmaxminmt一一 、 機械零件的失效機械零件的失效 機械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為機械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效。失效。工作能力工作能力在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是對載荷而言，所以習(xí)慣上工作的限度。通常此限度是對載荷而言，所以習(xí)慣上又稱為又稱為承載能力。承載能力。例如，發(fā)生強烈的振動，聯(lián)接的松弛，摩擦傳

3、動的打例如，發(fā)生強烈的振動，聯(lián)接的松弛，摩擦傳動的打滑等?；?。2-2機械零件的工作能力機械零件的工作能力整體斷裂整體斷裂過大的殘余變形過大的殘余變形 工作表面的過度磨損或損傷工作表面的過度磨損或損傷破壞正常的工作條件破壞正常的工作條件零件的失效形式零件的失效形式 如軸、齒輪、軸瓦、軸頸、螺栓、帶傳動等。機械零件雖然有多種可能的失效形式，歸納起來最主要的為機械零件失效實例：機械零件失效實例：潘存云教授研制輪齒塑性變形輪齒塑性變形潘存云教授研制齒輪輪齒折斷齒輪輪齒折斷 潘存云教授研制軸承內(nèi)圈破裂軸承內(nèi)圈破裂 潘存云教授研制軸承外圈塑性變形軸承外圈塑性變形失效原因失效原因: 強度、剛度、耐磨性、振

4、動穩(wěn)定性、溫度等強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、溫度等 原因。原因。統(tǒng)計結(jié)果顯示統(tǒng)計結(jié)果顯示： 斷裂僅占斷裂僅占4.79%; 腐蝕、磨損、疲勞破壞占腐蝕、磨損、疲勞破壞占73.88%。這是主要失效原因。這是主要失效原因。潘存云教授研制齒面接觸疲勞齒面接觸疲勞潘存云教授研制軸瓦磨損軸瓦磨損二二、 機械零件的計算準(zhǔn)則機械零件的計算準(zhǔn)則 強度準(zhǔn)則強度準(zhǔn)則 剛度準(zhǔn)則剛度準(zhǔn)則 設(shè)計零件時，首先應(yīng)根據(jù)零件的失效形式確定其設(shè)計零件時，首先應(yīng)根據(jù)零件的失效形式確定其設(shè)計準(zhǔn)則以及相應(yīng)的設(shè)計計算方法。一般來講，有以設(shè)計準(zhǔn)則以及相應(yīng)的設(shè)計計算方法。一般來講，有以下幾種準(zhǔn)則：下幾種準(zhǔn)則： 壽命準(zhǔn)則壽命準(zhǔn)則 振動穩(wěn)定性

5、準(zhǔn)則振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則 可靠性準(zhǔn)則可靠性準(zhǔn)則強度準(zhǔn)則是指零件中的應(yīng)力不得超過許用值。即：強度準(zhǔn)則是指零件中的應(yīng)力不得超過許用值。即： 1、強度準(zhǔn)則、強度準(zhǔn)則 lim 材料的極限應(yīng)力材料的極限應(yīng)力脆性材料脆性材料 lim = = b ( (強度極限強度極限) )塑性材料塑性材料 lim = = s ( (屈服極限屈服極限) )為了安全起見，引入安全系數(shù)為了安全起見，引入安全系數(shù)s s，得，得 lim/ /s s或或 s s為大于為大于1 1的數(shù)，的數(shù)，s s過大，雖安全但浪費材料；過大，雖安全但浪費材料；s s過小，雖節(jié)省材料，但趨于危險。過小，雖節(jié)省材料，但趨于危險。 許用應(yīng)力許用應(yīng)力2、剛度準(zhǔn)則

6、、剛度準(zhǔn)則 是指零件在力作用下的彈性變形量不得超過許用是指零件在力作用下的彈性變形量不得超過許用值。即值。即y y y 3、壽命準(zhǔn)則、壽命準(zhǔn)則 影響零件使用壽命的因素主要是腐蝕、磨損和疲影響零件使用壽命的因素主要是腐蝕、磨損和疲勞。前兩者還沒有成熟的計算方法，工程中通常是求勞。前兩者還沒有成熟的計算方法，工程中通常是求出使用壽命時的疲勞極限作為計算的依據(jù)。出使用壽命時的疲勞極限作為計算的依據(jù)。4、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則 保證機器中受激振零件的固有頻率與激振源的保證機器中受激振零件的固有頻率與激振源的頻率錯開，頻率錯開， 即要求：即要求：0.85 f fp或或 1.15 f fp如果不滿

7、足條件，可采取如下措施：如果不滿足條件，可采取如下措施： 改變零件及系統(tǒng)剛性改變零件及系統(tǒng)剛性 增減支承增減支承調(diào)整支承的位置調(diào)整支承的位置隔離激振源隔離激振源 采用阻尼元件以減小零件的振幅采用阻尼元件以減小零件的振幅5、可靠性準(zhǔn)則、可靠性準(zhǔn)則 可靠度的定義：可靠度的定義： 對件數(shù)為對件數(shù)為n0的一批零件進行試的一批零件進行試驗，經(jīng)過時間驗，經(jīng)過時間t之后有之后有n件仍能正常工作，則該零件件仍能正常工作，則該零件在該試驗環(huán)境條件下工作時間在該試驗環(huán)境條件下工作時間t的可靠度定義為的可靠度定義為r r = = n n / / n n0 0若若t t r r n nr r是時間的函數(shù)。是時間的函數(shù)

8、。 若在時間若在時間t t+d+dt t內(nèi)，又有內(nèi)，又有d dn n個零件失效，則個零件失效，則d dt t內(nèi)零內(nèi)零件的失效的比率定義為件的失效的比率定義為ndtdnt/)(失效率失效率“-”“-”表示表示d dn n的增大將使的增大將使n n減少。減少。分離變量并積分得分離變量并積分得 rnnnntnntlnlnd)(0002-3機械零件的強度(整體強度) 一、強度判別式一、強度判別式(計算準(zhǔn)則計算準(zhǔn)則)： 應(yīng)力：應(yīng)力： ； 安全系數(shù)安全系數(shù)： . sslim sslimlim極限應(yīng)力：極限應(yīng)力：a.塑性塑性； b.脆性脆性； c.少許塑性極限載荷少許塑性極限載荷；： 二、靜應(yīng)力下的強度計算

9、二、靜應(yīng)力下的強度計算:1.失效形式：斷裂或塑性變形；失效形式：斷裂或塑性變形；2.分析：分析：計算應(yīng)力：計算應(yīng)力：a.單向單向；b.復(fù)合復(fù)合：,223(4）或應(yīng)力集中：應(yīng)力集中：塑性或組織不均勻材料不考慮：塑性或組織不均勻材料不考慮： 因為塑性變形可彌因為塑性變形可彌補應(yīng)力變化補應(yīng)力變化limsb組織均勻的低塑性材料：考慮組織均勻的低塑性材料：考慮（第三、四強度理論）（第三、四強度理論）三、變應(yīng)力下的強度計算（第三章中詳講）三、變應(yīng)力下的強度計算（第三章中詳講）1失效：疲勞斷裂失效：疲勞斷裂2疲勞極限：零件在變應(yīng)力作用下到應(yīng)力循環(huán)疲勞極限：零件在變應(yīng)力作用下到應(yīng)力循環(huán)n次材次材料不發(fā)生疲勞破

10、壞的最大應(yīng)力，和料不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力，和r、n有關(guān)有關(guān).rn3判別式（分析）：判別式（分析）： rnrn四、許用安全系數(shù)四、許用安全系數(shù)s1目的：使零件工作更可靠，留有余量目的：使零件工作更可靠，留有余量.2取法總則：在保證安全可靠的前提下，取得越小越好取法總則：在保證安全可靠的前提下，取得越小越好.3取決于：取決于：的計算精確度的計算精確度 材料性能材料性能 零件的重要程度零件的重要程度（理想狀態(tài)，往往做不到）（理想狀態(tài)，往往做不到）lim321ssss4取值：取值：s=（1.24） 查查p15 表表2.2 五、提高零件強度的措施：五、提高零件強度的措施： （改進措施）（改進措施） 1

11、、改善零件結(jié)構(gòu)形狀、改善零件結(jié)構(gòu)形狀 機械：噴丸機械：噴丸2、改善零件表面的物理狀態(tài)改善零件表面的物理狀態(tài) 化學(xué)：熱處理（滲碳、滲氮）化學(xué)：熱處理（滲碳、滲氮） 物理：熱處理（調(diào)質(zhì)、正火）物理：熱處理（調(diào)質(zhì)、正火）或ss集中載荷：均布載荷集中載荷：均布載荷等強度：等強度：合理截面合理截面減少應(yīng)力集中減少應(yīng)力集中 （ ） （ ） 2-4 機械零件的表面強度靜止面接觸靜止面接觸 表面擠壓強度表面擠壓強度 動面接觸動面接觸 表面磨損強度表面磨損強度 動靜面動靜面(點點/線線)接觸接觸 表面接觸疲勞強度表面接觸疲勞強度 潘存云教授研制潘存云教授研制一、一、 機械零件的接觸強度機械零件的接觸強度如齒輪、

12、凸輪、滾動軸承等。如齒輪、凸輪、滾動軸承等。b 機械零件中各零件之間的力的傳遞，總是通過兩機械零件中各零件之間的力的傳遞，總是通過兩個零件的接觸形式來實現(xiàn)的。常見兩機械零件的接觸個零件的接觸形式來實現(xiàn)的。常見兩機械零件的接觸形式為點接觸或線接觸。形式為點接觸或線接觸。機械零件的接觸應(yīng)力通常是隨時間作周期性變化的，在載荷重復(fù)作用下，首先在表層內(nèi)約20m處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展(潤滑油被擠迸裂紋中將產(chǎn)生高壓，使裂紋加快擴展，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件表面形成一些小坑 ，這種現(xiàn)象稱為渡勞點蝕。潘存云教授研制潘存云教授研制兩個零件在受載前是兩個零件在受載前是點點接觸或接觸或線

13、線接觸。受載后，接觸。受載后，由于變形其接觸處為一由于變形其接觸處為一小面積小面積，通常此面積甚小而表，通常此面積甚小而表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力卻很大，這種應(yīng)力稱為層產(chǎn)生的局部應(yīng)力卻很大，這種應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。接觸應(yīng)力。這時零件強度稱為這時零件強度稱為接觸強度接觸強度。f f 2 o2 1 o1 2 2 o2 1 1 o1 f f 2 2b h1 變形量b接觸失效形式常表現(xiàn)為接觸失效形式常表現(xiàn)為 疲勞點蝕。疲勞點蝕。后果：后果：減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降低了承載能力、引起振動和噪音。低了承載能力、引起振動和噪音。初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋初始疲勞裂

14、紋初始疲勞裂紋裂紋的擴展與斷裂裂紋的擴展與斷裂 油油金屬剝落出現(xiàn)小坑金屬剝落出現(xiàn)小坑潘存云教授研制潘存云教授研制b b由彈性力學(xué)可知，應(yīng)力為：由彈性力學(xué)可知，應(yīng)力為：n12h2212121111fbee2121=令代入化簡得,+2=2121eeeeenh212(1)f ebbefn418.0對于鋼或鑄鐵取泊松比對于鋼或鑄鐵取泊松比 1=2=0.3 , 則有簡化公式。則有簡化公式。上述公式稱為上述公式稱為赫茲赫茲(hhertz)公式公式 “”用于外接觸用于外接觸，“”用于內(nèi)接觸用于內(nèi)接觸。h hh h21fn1fnb b2h hh h潘存云教授研制befnh418.0=h h 最大接觸應(yīng)力或最大

15、接觸應(yīng)力或赫茲應(yīng)力赫茲應(yīng)力;212121212eeeeeb b 接觸長度接觸長度;f fn n 作用在圓柱體上的載荷作用在圓柱體上的載荷; 綜合曲率半徑綜合曲率半徑; 綜合彈性模量綜合彈性模量; e1、 e2 分別為兩分別為兩 圓柱體的彈性模量。圓柱體的彈性模量。 接觸疲勞強度的判定條件為接觸疲勞強度的判定條件為hlimhhhh=,s而提高措施：提高措施： 增大綜合曲率半徑增大綜合曲率半徑點點 面；外接觸面；外接觸 內(nèi)接觸內(nèi)接觸提高零件的表面應(yīng)力提高零件的表面應(yīng)力 采用粘度均勻的潤滑油采用粘度均勻的潤滑油 二、表面擠壓強度二、表面擠壓強度分析：分析：擠壓應(yīng)力擠壓應(yīng)力 破壞形式破壞形式a.塑性變

16、形（塑材）塑性變形（塑材）b.壓塌（脆）壓塌（脆） 計算計算 說明：說明： 1）a 接觸面在力作用下垂直方向的投影接觸面在力作用下垂直方向的投影 2）p1、p2取小的一個取小的一個afpp 三、表面磨損強度（耐磨性）三、表面磨損強度（耐磨性） 失效形式：磨損失效形式：磨損 主參量：磨損量主參量：磨損量 因為磨損量不好算，因為磨損量不好算，但磨損和力、速度、溫度有關(guān)但磨損和力、速度、溫度有關(guān)p p pv pvv v 控制計算控制計算控制溫升，功率損耗控制溫升，功率損耗. 提高措施提高措施 （條件性計算）（條件性計算） 2-5 機械零件的剛度 y y機械現(xiàn)代設(shè)計方法通常是相對傳統(tǒng)的設(shè)計方法而言的。 現(xiàn)代設(shè)計方法從總體上概括為力求運用現(xiàn)代應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計方法從總體上概括為力求運用現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)、應(yīng)用力學(xué)、微電子學(xué)及信息科學(xué)等方面的最新數(shù)學(xué)、應(yīng)用力學(xué)、微電子學(xué)及信息科學(xué)等方面的最新成果與手段實現(xiàn)下列轉(zhuǎn)換：成果與手段實現(xiàn)下列轉(zhuǎn)換：2-6機械現(xiàn)代設(shè)