機械設(shè)計第二章第 2 章

1、第二章機械零件的工作能力和計算準則失效：零件在工作時喪失工作能力或達不到設(shè)計要求性能時。注意：a) 失效并不單純指破壞，破壞只是失效的形式之一。 機械零件的可能失效形式很多，歸納起來主要有強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性以及溫度等方面的失效。 b) 同一種零件可能的失效形式往往有若干種。 例如：軸在工作中可能產(chǎn)生斷裂、過大彈性變形、共振等失效。工作能力：零件不發(fā)生失效時的安全工作限度。承載能力：對載荷而言的工作能力。同一種零件對應(yīng)于各種失效形式有不同的工作能力，而起決定作用的將是承載能力中的較小值。機械零件主要應(yīng)考慮的是強度、剛度、耐磨性、溫度影響、振動穩(wěn)定性及可靠性等。1 載荷和應(yīng)力分類載荷和

2、應(yīng)力載荷和應(yīng)力1 載荷按是否隨時間變化，載荷分為：靜載荷變載荷由于運動中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等引起的載荷稱為動載荷。 按是否考慮動載荷的影響，載荷分為：載荷和應(yīng)力2名義載荷： 在理想平穩(wěn)條件下所受的載荷。（不考慮動載荷的影響）計算載荷載荷系數(shù)K名義載荷 。 （代表機器或零件實際所受載荷） 載荷系數(shù)K：用于計入在實際工作中受到的各種動載荷的影響。額定載荷： 由原動機的額定功率推算出的載荷。2 應(yīng)力應(yīng)力分為靜應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力：2minmaxm2minmaxamax最大應(yīng)力； min最小應(yīng)力m平均應(yīng)力； a應(yīng)力幅值r 應(yīng)力比（循環(huán)特性）maxminr循環(huán)應(yīng)力載荷和應(yīng)力3對稱循環(huán)脈動循環(huán)常見的循環(huán)應(yīng)力有：對

3、稱循環(huán)應(yīng)力r = -1、 m0脈動循環(huán)應(yīng)力 r=0、 min0靜應(yīng)力 r=1靜應(yīng)力（可看作是循環(huán)應(yīng)力的一個特例）注：靜應(yīng)力只在靜載荷作用下產(chǎn)生，循環(huán)應(yīng)力可由變載荷產(chǎn)生，也可 由靜載荷產(chǎn)生。另外，應(yīng)力還分為名義應(yīng)力：根據(jù)名義載荷求得的應(yīng)力計算應(yīng)力：根據(jù)計算載荷求得的應(yīng)力a0tt0a2 機械零件的強度 （強度準則）一.判斷零件強度的方法：limlimSSlimlimSSSS強度：指機械零件工作時抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。 1.應(yīng)力校核法：2.安全系數(shù)法：二.靜應(yīng)力強度：失效為塑性變形或斷裂。單向應(yīng)力時的塑性材料零件：a.按不發(fā)生塑性變形的條件進行強度計算；b.極限應(yīng)力為材料的屈服極限S或S

4、；c.計算應(yīng)力時不考慮應(yīng)力集中。復(fù)合應(yīng)力時的塑性材料零件：a.利用第3、第4強度理論計算： 342222TbTb22222SSSSSSSSTSSbS 按第3、第4強度理論計算時的安全系數(shù)法： 允許少量塑性變形的零件 根據(jù)允許達到一定塑性變形時的載荷進行強度計算。脆性材料和低塑性材料零件：a.極限應(yīng)力應(yīng)為材料的強度極限B或B；b.對于組織不均勻的材料，在計算時不考慮應(yīng)力集中；而組織均勻的低塑性材料，則應(yīng)考慮應(yīng)力集中。 三.變應(yīng)力強度：a.在變應(yīng)力時工作的零件，其強度失效是疲勞斷裂。b.極限應(yīng)力取rN=lim。四.許用安全系數(shù)：在保證安全，可靠的前提下，盡可能選較小的安全系數(shù)。選用安全系數(shù)的原則：

5、 一般查行業(yè)標準。塑性材料：以S=lim，如載荷和應(yīng)力計算不準確時S應(yīng)加大20%50%。以b=lim的材料：組織不均勻的脆性材料，在靜應(yīng)力下S=34。a. 組織均勻的低塑性材料：S=23。如計算不準確，則應(yīng)加大50%100%。c.變應(yīng)力下： rN=lim如計算準確，載荷和數(shù)據(jù)可靠：S=1.31.5。如果準確性和可靠性不高：鋼件：S=1.52.1；灰鑄鐵S=22.4。3 機械零件的表面強度 （表面強度準則）v 靠表面接觸工作的零件，工作能力取決于接觸表面強度；v 表面強度分為：表面接觸強度、表面擠壓強度、表面磨損。一.表面接觸強度： 在載荷作用下，兩零件表面理論上為線接觸或點接觸，考慮變形，實際

6、為很小的面接觸。1.兩圓柱體接觸的接觸應(yīng)力：a.兩圓柱體接觸的接觸面為矩形；b. 兩圓柱體接觸的最大接觸應(yīng)力Hmax位于接觸面寬度中線處； 實際中的高副零件所受的接觸應(yīng)力都是循環(huán)變化的。例如齒輪的輪齒，接觸嚙合時受應(yīng)力作用，脫離嚙合時不受應(yīng)力作用。 c.接觸面半寬：1114222121EEbFa222121max11124EEbFabFHbFEH418. 0max21F31Fd.最大接觸應(yīng)力：e.當1=2=0.3，和E1=E2=E 時：f.可見圓柱體接觸：2.兩球體接觸：例1：1) 將齒廓在節(jié)點的嚙合看為兩圓柱體的接觸。1111222121maxAEEbFH073. 0111210598. 0

7、11121907. 0maxmaxHH2）標準齒輪傳動：3）正變位：4）應(yīng)力比：6）結(jié)論：采用正變位可增加節(jié)點處的綜合曲率半徑，降低接觸應(yīng)力，提高接觸強度。483. 0:783. 0:1:maxmaxmaxcHbHaH結(jié)論：最大接觸應(yīng)力以兩圓柱體外接觸最高，圓柱體-平面外接觸次之，內(nèi)外圓柱體內(nèi)接觸最低。因此，重載情況下，宜采用內(nèi)接觸。強度條件：a.失效形式：表面壓脆和表面塑變。b. 強度條件：HmaxHmax。表面磨損（表面點蝕）機理：觸應(yīng)力為變應(yīng)力；表面失效形式：表面疲勞磨損； 點蝕與潤滑的關(guān)系：點蝕將引起振動、沖擊噪音，是閉式傳動的主要失效形式；判斷表面接觸疲勞強度的指標：Hlim強度條件

8、：limmaxHHHHS表面未強化：SH=1.11.2； 強化時：SH=1.21.3。二.提高表面接觸強度的措施：提高表面的綜合曲率半徑；將外接觸改為內(nèi)接觸；在結(jié)構(gòu)設(shè)計上將點接觸改為線接觸；提高表面硬度；提高表面加工質(zhì)量；采用粘度較高的潤滑油。 三.表面磨損強度（耐磨損準則）：在滑動摩擦下工作的零件，常因過度磨損而失效；滑動速度低，載荷大時，需限制接觸表面壓強：pp；滑動速度較大時，還需限制摩擦功：pvpv；1) 高速時，還需限制滑動速度：vv。4 機械零件的剛度準則yy，。 剛度是指機械零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。如果零件的剛度不足，有些零件則會因為產(chǎn)生過大的彈性變形而失效。 例如：

9、機床主軸的彈性變性過大將會影響所加工工件的精度。注：1）零件材料的彈性模量E越大，則其剛度越大。 2）用合金鋼代替碳鋼能提高零件的強度，但不能提高零件的剛度。 5 其它準則 一.壽命準則：腐蝕計算準則：現(xiàn)還無該計算準則。磨損計算準則：還無準確的計算準則，用通用計算方法（如上）。疲勞壽命準則：見第3章。二.振動穩(wěn)定性準則：振動：零件發(fā)生周期性彈性變形的現(xiàn)象。1. 機器中存在很多作周期性變化的激振源，如齒輪傳動、帶傳動接頭等。為避免共振，應(yīng)使零件的固有頻率f與激振源頻率fp錯開。 條件：0.85ffp 1.15ffp 通過改變零件的結(jié)構(gòu)和重量、改變支承位置、增加或減少輔助支承等來改變零件或系統(tǒng)的剛性即改變 f，而 fp受轉(zhuǎn)速等限制，一般不變。三.可靠性準則： 可靠性：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。 可靠度Rt：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率； 設(shè)