第2章___機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則

1、第第2章章 機(jī)械零件的工作機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則能力和計(jì)算準(zhǔn)則機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)2.1 載荷及應(yīng)力的分類載荷及應(yīng)力的分類2.1.1 載荷的分類載荷的分類靜載荷靜載荷變載荷變載荷不隨時(shí)間改變或變化緩慢不隨時(shí)間改變或變化緩慢隨時(shí)間作周期性或非周期性變化隨時(shí)間作周期性或非周期性變化名義載荷名義載荷計(jì)算載荷計(jì)算載荷理想工作條件下的載荷理想工作條件下的載荷作用于零件的實(shí)際載荷作用于零件的實(shí)際載荷計(jì)算載荷計(jì)算載荷名義載荷名義載荷=K 載荷系數(shù)載荷系數(shù)？2.1.2 應(yīng)力的分類應(yīng)力的分類靜應(yīng)力靜應(yīng)力變應(yīng)力變應(yīng)力不隨時(shí)間改變或變化緩慢不隨時(shí)間改變或變化緩慢隨時(shí)間作周期性或非周期性變化隨時(shí)間作周期性或非周期性

2、變化變應(yīng)力變應(yīng)力穩(wěn)定變應(yīng)力穩(wěn)定變應(yīng)力周期性循環(huán)變應(yīng)力周期性循環(huán)變應(yīng)力非穩(wěn)定變應(yīng)力非穩(wěn)定變應(yīng)力非周期性循環(huán)變應(yīng)力非周期性循環(huán)變應(yīng)力注意：注意：變載荷變載荷 變應(yīng)力變應(yīng)力靜載荷靜載荷 靜應(yīng)力靜應(yīng)力 ？或變應(yīng)力或變應(yīng)力nP anmaxmintaOmmaxatOtmmaxaminO =常數(shù)常數(shù)靜應(yīng)力靜應(yīng)力tO穩(wěn)定變應(yīng)力穩(wěn)定變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力表達(dá)變應(yīng)力的幾個(gè)參數(shù)表達(dá)變應(yīng)力的幾個(gè)參數(shù)循環(huán)特征：循環(huán)特征：maxminr 表示應(yīng)力變化的情況表示應(yīng)力變化的情況對稱循環(huán)對稱循環(huán) r = 1；脈動(dòng)循環(huán)脈動(dòng)循環(huán) r = 0；非對稱循環(huán)非對稱循

3、環(huán) r 0 且且 | r | 1; 靜應(yīng)力靜應(yīng)力 r = +1用用r 表示循環(huán)特征為表示循環(huán)特征為 r 的變應(yīng)力。如的變應(yīng)力。如 -1、0等等平均應(yīng)力：平均應(yīng)力：2minmaxm應(yīng)應(yīng) 力力 幅：幅：2minmaxa對稱循環(huán)對稱循環(huán):m= 0; a=max脈動(dòng)循環(huán)脈動(dòng)循環(huán):m=a=max / 22.2 機(jī)械零件的強(qiáng)度機(jī)械零件的強(qiáng)度主要失效形式：斷裂或塑性變形主要失效形式：斷裂或塑性變形強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件： 、 或或 S S 塑性材料：塑性材料：sslimlim;許用應(yīng)力：許用應(yīng)力：lim = s ；lim = s脆性材料：脆性材料：lim = B ；lim = B2.2.1 兩種判斷零件強(qiáng)度的方

4、法兩種判斷零件強(qiáng)度的方法 SS2.2.2 靜應(yīng)力強(qiáng)度靜應(yīng)力強(qiáng)度2.2.3 變應(yīng)力作用下的強(qiáng)度問題變應(yīng)力作用下的強(qiáng)度問題主要失效形式：疲勞破壞主要失效形式：疲勞破壞初始裂紋初始裂紋疲勞區(qū)疲勞區(qū)(光滑光滑)粗糙區(qū)粗糙區(qū)強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件： slimlim = ？軸軸變應(yīng)力時(shí)，取變應(yīng)力時(shí)，取 lim = rN（疲勞極限）（疲勞極限） ssrNr或則疲勞破壞與零件的變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)疲勞破壞與零件的變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N有關(guān)有關(guān)NrNrNN0疲勞曲線疲勞曲線N 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)rN 疲勞極限（對應(yīng)于疲勞極限（對應(yīng)于N）N0 循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù)r 持久極限持久極限有限壽命區(qū)有限壽命區(qū)無限無限常數(shù)NmrN0N

5、mr由此得：由此得：mrrNNN/0m與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān) 的指數(shù)的指數(shù)各種材料的各種材料的r可從有關(guān)手冊中查取可從有關(guān)手冊中查取通常通常 S 1 2.2.4 安全系數(shù)安全系數(shù)安全系數(shù)小安全系數(shù)小失效的可能性大失效的可能性大安全系數(shù)大安全系數(shù)大機(jī)械零件的體積龐大機(jī)械零件的體積龐大協(xié)調(diào)處理協(xié)調(diào)處理影響安全系數(shù)因素如下：影響安全系數(shù)因素如下：1. 與應(yīng)力計(jì)算有關(guān)的因素與應(yīng)力計(jì)算有關(guān)的因素應(yīng)力計(jì)算所依據(jù)的載荷值的不精確性應(yīng)力計(jì)算所依據(jù)的載荷值的不精確性應(yīng)力計(jì)算用的力學(xué)模型與實(shí)際狀況之間的差異應(yīng)力計(jì)算用的力學(xué)模型與實(shí)際狀況之間的差異2. 與材料的極限應(yīng)力有關(guān)的因素與材料的極限應(yīng)力有關(guān)的因素材料

6、機(jī)械性能本身的變化材料機(jī)械性能本身的變化零件尺寸效應(yīng)的不確定性零件尺寸效應(yīng)的不確定性不同毛坯制取方法及機(jī)械加工工藝對材料機(jī)械性能的影響不同毛坯制取方法及機(jī)械加工工藝對材料機(jī)械性能的影響3. 與零件的重要性有關(guān)（等級）：與零件的重要性有關(guān)（等級）：一級：零件的破壞要引起人身事故一級：零件的破壞要引起人身事故二級：零件的破壞要引起嚴(yán)重的設(shè)備事故，修理費(fèi)用昂貴二級：零件的破壞要引起嚴(yán)重的設(shè)備事故，修理費(fèi)用昂貴三級：零件的破壞要使機(jī)器停機(jī)修理三級：零件的破壞要使機(jī)器停機(jī)修理四級：零件的破壞不會(huì)使機(jī)器立即停止工作四級：零件的破壞不會(huì)使機(jī)器立即停止工作選擇原則：選擇原則： 保證安全可靠的前提下，盡可能選用

7、較小的許用安全系數(shù)保證安全可靠的前提下，盡可能選用較小的許用安全系數(shù)2.2.4 提高零件強(qiáng)度的措施提高零件強(qiáng)度的措施兩個(gè)方面：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；兩個(gè)方面：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 制造工藝制造工藝1）結(jié)構(gòu)方面）結(jié)構(gòu)方面合理布置零件減少載荷合理布置零件減少載荷降低載荷集中，均勻載荷分布降低載荷集中，均勻載荷分布采用等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)采用等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)選用合理截面選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；軸的截面采用圓形。字形；軸的截面采用圓形。減小應(yīng)力集中減小應(yīng)力集中機(jī)械加工方法機(jī)械加工方法表面滾壓，噴丸處理使表面產(chǎn)生很小的表面滾壓，噴丸處理使表面產(chǎn)生很小的 塑性變形（殘余壓應(yīng)力）塑性變形（殘余壓應(yīng)力）2）

8、制造工藝主要提高疲勞強(qiáng)度）制造工藝主要提高疲勞強(qiáng)度熱處理方法化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮熱處理方法化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮普通熱處理：表面淬火普通熱處理：表面淬火2.3 機(jī)械零件的表面強(qiáng)度機(jī)械零件的表面強(qiáng)度2.3.1 表面接觸強(qiáng)度表面接觸強(qiáng)度1. 表面接觸應(yīng)力表面接觸應(yīng)力)111(22212max1EEbFH兩圓柱體：兩圓柱體：12111“+”號用于外接觸，號用于外接觸，“-”號用于內(nèi)接觸號用于內(nèi)接觸2. 失效形式失效形式表面疲勞磨損（表面疲勞點(diǎn)蝕）表面疲勞磨損（表面疲勞點(diǎn)蝕）3. 強(qiáng)度條件強(qiáng)度條件maxHH4. 提高接觸強(qiáng)度的措施提高接觸強(qiáng)度的措施減小接觸應(yīng)力減小接觸應(yīng)力提高表面硬度，以提高許用接觸

9、應(yīng)力提高表面硬度，以提高許用接觸應(yīng)力提高潤滑油黏度提高潤滑油黏度2.3.2 表面擠壓強(qiáng)度表面擠壓強(qiáng)度1. 失效形式失效形式2. 強(qiáng)度條件（條件性計(jì)算）強(qiáng)度條件（條件性計(jì)算）ppAF常用于靜態(tài)聯(lián)接或低速工作條件下常用于靜態(tài)聯(lián)接或低速工作條件下塑性材料塑性材料塑性變形塑性變形脆性材料脆性材料表面壓碎表面壓碎2.3.3 表面磨損強(qiáng)度表面磨損強(qiáng)度1. 磨損磨損2. 計(jì)算準(zhǔn)則（條件性計(jì)算）計(jì)算準(zhǔn)則（條件性計(jì)算）3. 減輕磨損的措施減輕磨損的措施vpvpvvpp合適的材料匹配；提高表面硬度；合適的材料匹配；提高表面硬度；合適的表面狀態(tài)；表面鍍層；合適的表面狀態(tài)；表面鍍層；防塵處理；控制表面溫度；防塵處理；

10、控制表面溫度；提高表面加工質(zhì)量；降低表面粗糙度值。提高表面加工質(zhì)量；降低表面粗糙度值。2.4 機(jī)械零件的剛度機(jī)械零件的剛度2.4.1 剛度對機(jī)械零件性能的影響剛度對機(jī)械零件性能的影響剛度：是指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力剛度：是指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力表示方法：表示方法：剛度剛度產(chǎn)生單位彈性變形所需要的力或力矩產(chǎn)生單位彈性變形所需要的力或力矩柔度柔度單位外力或外力矩產(chǎn)生的彈性變形量單位外力或外力矩產(chǎn)生的彈性變形量）剛度不足會(huì)影響零件的使用性能）剛度不足會(huì)影響零件的使用性能）對某些機(jī)器而言：為保證具有一定的精度，被加工零）對某些機(jī)器而言：為保證具有一定的精度，被加工零 件和機(jī)床

11、都應(yīng)具有一定的剛度件和機(jī)床都應(yīng)具有一定的剛度）剛度有時(shí)是強(qiáng)度的保證）剛度有時(shí)是強(qiáng)度的保證）剛度影響零件的振動(dòng)頻率）剛度影響零件的振動(dòng)頻率）彈性零件應(yīng)有確定的剛度要求）彈性零件應(yīng)有確定的剛度要求2.4.2 剛度條件剛度條件2.4.3 剛度的影響因素及提高剛度的措施剛度的影響因素及提高剛度的措施 yy材料力學(xué)中的簡化方法材料力學(xué)中的簡化方法彈性力學(xué)有限元分析方法彈性力學(xué)有限元分析方法計(jì)算方法：計(jì)算方法：材料：彈性模量材料：彈性模量按剛度計(jì)算所得的零件截面尺寸一般要比按強(qiáng)度計(jì)算的大按剛度計(jì)算所得的零件截面尺寸一般要比按強(qiáng)度計(jì)算的大結(jié)構(gòu)：剖面形狀、支承結(jié)構(gòu)、位置、加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)：剖面形狀、支承結(jié)構(gòu)、位置、

12、加強(qiáng)筋預(yù)緊：提高接觸剛度（滾動(dòng)軸承的預(yù)緊）預(yù)緊：提高接觸剛度（滾動(dòng)軸承的預(yù)緊）同類金屬同類金屬E相差不大，用合金鋼代替普通相差不大，用合金鋼代替普通碳鋼以達(dá)到提高零件的剛度是不行的。碳鋼以達(dá)到提高零件的剛度是不行的。2.5 機(jī)械零件的沖擊強(qiáng)度機(jī)械零件的沖擊強(qiáng)度()kEF hy 2pF yE FyFy211IhFFK Fy F沖擊載荷沖擊載荷條件條件 能量守恒能量守恒 Ek=Ep 載荷與變形成正比載荷與變形成正比B的變形能的變形能:A物體給物體給B的沖擊能的沖擊能:KI沖擊系數(shù)沖擊系數(shù)211hFFy h = o 時(shí)時(shí)F= 2F為理論值，實(shí)際值可能為理論值，實(shí)際值可能小于小于2F，沖擊能損耗。，沖

13、擊能損耗。 計(jì)算時(shí)用計(jì)算載荷計(jì)算時(shí)用計(jì)算載荷 Fc=KF K工作情況系工作情況系數(shù)，考慮沖擊載荷的影響。數(shù)，考慮沖擊載荷的影響。設(shè)計(jì)零件時(shí)應(yīng)考慮沖擊載荷的影響。設(shè)計(jì)零件時(shí)應(yīng)考慮沖擊載荷的影響。提高沖擊強(qiáng)度的措施：提高沖擊強(qiáng)度的措施：1）增大零件的彈性變形；）增大零件的彈性變形；2）增加材料的彈性，即降低）增加材料的彈性，即降低E；3）采用緩沖零件吸收沖擊能量；）采用緩沖零件吸收沖擊能量；4）減小間隙，增加預(yù)緊。）減小間隙，增加預(yù)緊。2.6 溫度對零件性能的影響溫度對零件性能的影響熱平衡：單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量熱平衡：單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量 = 散發(fā)的熱量散發(fā)的熱量2.6.1 溫度對摩擦磨損過程的影

14、響溫度對摩擦磨損過程的影響功功 耗耗熱能增加熱能增加工作溫度上升工作溫度上升潤滑油粘度下降潤滑油粘度下降工作狀態(tài)惡化工作狀態(tài)惡化效率下降效率下降惡性惡性循環(huán)循環(huán)弊間隙量，過盈量的變化，熱應(yīng)力的產(chǎn)生弊間隙量，過盈量的變化，熱應(yīng)力的產(chǎn)生利利用變形進(jìn)行裝配，如熱裝配、冷裝配等利利用變形進(jìn)行裝配，如熱裝配、冷裝配等 2.6.2 溫度對材料脹縮的影響溫度對材料脹縮的影響2.6.3 溫度對材料力學(xué)性能的影響溫度對材料力學(xué)性能的影響溫度對材料蠕變和松弛的影響溫度對材料蠕變和松弛的影響解決方法：解決方法：預(yù)先計(jì)入熱變形量結(jié)構(gòu)上采用浮動(dòng)結(jié)構(gòu)消除熱應(yīng)力預(yù)先計(jì)入熱變形量結(jié)構(gòu)上采用浮動(dòng)結(jié)構(gòu)消除熱應(yīng)力2.7 機(jī)械零件的

15、振動(dòng)穩(wěn)定性機(jī)械零件的振動(dòng)穩(wěn)定性振動(dòng)：機(jī)械零件發(fā)生周期性的彈性變形。常用振幅和頻率描述振動(dòng)：機(jī)械零件發(fā)生周期性的彈性變形。常用振幅和頻率描述 當(dāng)周期性外力的變化頻率等于或接近機(jī)器或零件的固有當(dāng)周期性外力的變化頻率等于或接近機(jī)器或零件的固有頻率時(shí)，發(fā)生共振現(xiàn)象。頻率時(shí)，發(fā)生共振現(xiàn)象。計(jì)算準(zhǔn)則：避免外力作用頻率等于或接近固有頻率計(jì)算準(zhǔn)則：避免外力作用頻率等于或接近固有頻率減輕振動(dòng)的措施：減輕振動(dòng)的措施：采用結(jié)構(gòu)對稱，減小懸臂尺寸、減小中心距采用結(jié)構(gòu)對稱，減小懸臂尺寸、減小中心距利用阻尼消耗引起振動(dòng)的能量利用阻尼消耗引起振動(dòng)的能量設(shè)置隔振裝置設(shè)置隔振裝置對轉(zhuǎn)動(dòng)件進(jìn)行平衡對轉(zhuǎn)動(dòng)件進(jìn)行平衡2.8 機(jī)械零件

16、的可靠性機(jī)械零件的可靠性可靠性：零件在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)揮規(guī)定功能的能力?？煽啃裕毫慵谝?guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)揮規(guī)定功能的能力?？煽慷龋毫慵谝?guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)揮規(guī)定功能的概率，可靠度：零件在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)揮規(guī)定功能的概率， 常用常用 Rt 表示。表示。累積失效概率：零件在規(guī)定條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)失效的概率，累積失效概率：零件在規(guī)定條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)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)：累積失效概率對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)：累積失效概率對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)失效（壽命）分布曲線：失效（壽命）分布曲線： f(t) - t 曲線，常見的有正態(tài)分布等曲線，常見的有正態(tài)分布