機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則課件

第2章機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則機械設(shè)計第2章機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則機械設(shè)計12.1載荷及應(yīng)力的分類2.1.1載荷的分類靜載荷變載荷——不隨時間改變或變化緩慢——隨時間作周期性或非周期性變化名義載荷計算載荷——理想工作條件下的載荷——作用于零件的實際載荷計算載荷名義載荷=K×載荷系數(shù)？2.1載荷及應(yīng)力的分類2.1.1載荷的分類靜載荷——不隨22.1.2應(yīng)力的分類靜應(yīng)力變應(yīng)力——不隨時間改變或變化緩慢——隨時間作周期性或非周期性變化變應(yīng)力穩(wěn)定變應(yīng)力——周期性循環(huán)變應(yīng)力非穩(wěn)定變應(yīng)力——非周期性循環(huán)變應(yīng)力注意：變載荷→變應(yīng)力靜載荷→靜應(yīng)力？或變應(yīng)力nP●an2.1.2應(yīng)力的分類靜應(yīng)力——不隨時間改變或變化緩慢——3σmaxσminσtσaOσmσmaxσaσtOtσmσmaxσaσminσOσ=常數(shù)靜應(yīng)力σtO穩(wěn)定變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力σmaxσminσtσaOσmσmaxσaσtOtσmσma4幾個應(yīng)力參數(shù)循環(huán)特征：——表示應(yīng)力變化的情況對稱循環(huán)—r=

－1；脈動循環(huán)—r=

0；非對稱循環(huán)—r≠0且|r|≠1;靜應(yīng)力—r=

+1用σr表示循環(huán)特征為r的變應(yīng)力。如σ-1、σ0等平均應(yīng)力：應(yīng)力幅：對稱循環(huán):σm=0;σa=σmax脈動循環(huán):σm=σa=σmax/2幾個應(yīng)力參數(shù)循環(huán)特征：——表示應(yīng)力變化的情況對稱循環(huán)—52.2機械零件的強度主要失效形式：斷裂或塑性變形強度條件：σ≤[σ]、τ≤[τ]或S≥[S]塑性材料：許用應(yīng)力：σlim、τlim—極限應(yīng)力s—安全系數(shù)σlim=σs；τlim=τs脆性材料：σlim=σB；τlim=τBσs、τs—材料屈服極限σB、τB—材料強度極限2.2.1兩種判斷零件強度的方法①②2.2.2靜應(yīng)力強度2.2機械零件的強度主要失效形式：斷裂或塑性變形強度條件：62.2.3變應(yīng)力作用下的強度問題主要失效形式：疲勞破壞初始裂紋疲勞區(qū)(光滑)粗糙區(qū)強度條件：σ≤[σ]σlim=？疲勞破壞與零件的變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān)NσσrNσrNN0疲勞曲線N—應(yīng)力循環(huán)次數(shù)σrN—疲勞極限（對應(yīng)于N）N0—循環(huán)基數(shù)σr—持久極限軸有限壽命區(qū)無限由此得：與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)的指數(shù)2.2.3變應(yīng)力作用下的強度問題主要失效形式：疲勞破壞初始7通常S≥1變應(yīng)力時，取

σlim=σr（無限壽命） 或σlim=σrN（有限壽命）

各種材料的σr可從有關(guān)手冊中查取2.2.4安全系數(shù)安全系數(shù)小——失效的可能小大安全系數(shù)大——機械零件的體積龐大協(xié)調(diào)處理通常S≥1變應(yīng)力時，取σlim=σr（無限8影響安全系數(shù)因素如下：與應(yīng)力計算有關(guān)的因素：應(yīng)力計算所依據(jù)的載荷值的不精確性應(yīng)力計算用的力學(xué)模型與實際狀況之間的差異與材料的極限應(yīng)力有關(guān)的因素材料機械性能本身的變化零件尺寸效應(yīng)的不確定性不同毛坯制取方法及機械加工工藝對材料機械性能的影響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二級：零件的破壞要引起嚴重的設(shè)備事故，修理費用昂貴三級：零件的破壞要使機器停機修理四級：零件的破壞不會使機器立即停止工作選擇原則：保證安全可靠的前提下，僅可能選用較小的敘用安全系數(shù)影響安全系數(shù)因素如下：與應(yīng)力計算有關(guān)的因素：應(yīng)力計算所依據(jù)的92.2.4提高零件強度的措施兩個方面：結(jié)構(gòu)設(shè)計制造工藝1）結(jié)構(gòu)方面——合理布置零件減少載荷2.2.4提高零件強度的措施兩個方面：結(jié)構(gòu)設(shè)計1）結(jié)構(gòu)方面10——降低載荷集中，均勻載荷分布——降低載荷集中，均勻載荷分布11——采用等強度結(jié)構(gòu)——選用合理截面如梁的截面采用工字形、T字形；軸的截面采用圓形。——采用等強度結(jié)構(gòu)——選用合理截面如梁的截面采用工字形、T字12——減小應(yīng)力集中機械加工方法－－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）2）制造工藝－－主要提高疲勞強度熱處理方法－－化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮普通熱處理：表面淬火——減小應(yīng)力集中機械加工方法－－表面滾壓，噴丸處理使表面產(chǎn)生132.3機械零件的表面強度2.3.1表面接觸強度１）表面接觸應(yīng)力兩圓柱體：“+”號用于外接觸，“-”號用于內(nèi)接觸2.3機械零件的表面強度2.3.1表面接觸強度１）表面接14３）強度條件：４）提高接觸強度的措施－－－減小接觸應(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２）失效形式：表面疲勞磨損（表面疲勞點蝕）３）強度條件：４）提高接觸強度的措施－－－減小接觸應(yīng)力２）失152.3.2表面擠壓強度（通過配合面的接觸傳遞載荷）１）失效形式：２）強度條件（條件性計算）：常用于靜態(tài)聯(lián)接或低速工作條件下塑性材料－－－塑性變形脆性材料－－－表面壓碎2.3.2表面擠壓強度（通過配合面的接觸傳遞載荷）１）失效162.3.3表面磨損強度１）磨損２）計算準(zhǔn)則（條件性計算）３）減輕磨損的措施合適的材料匹配、提高表面硬度合適的表面狀態(tài)、表面鍍層防塵處理、控制表面溫度提高表面加工質(zhì)量，降低表面粗糙度值2.3.3表面磨損強度１）磨損２）計算準(zhǔn)則（條件性計算）３172.4機械零件的剛度2.4.1剛度對機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表示方法：剛度－產(chǎn)生單位彈性變形所需要的力或力矩柔度－單位外力或外力矩產(chǎn)生的彈性變形量１）剛度不足會影響零件的使用性能２）對某些機器而言：為保證具有一定的精度，被加工零(如機床)件和機床都應(yīng)具有一定的剛度３）剛度有時是強度的保證４）剛度影響零件的振動頻率５）彈性零件應(yīng)有確定的剛度要求2.4機械零件的剛度2.4.1剛度對機械零件性能的影響182.4.2剛度條件2.4.3剛度的影響因素及提高剛度的措施材料力學(xué)中的簡化方法彈性力學(xué)有限元分析方法計算方法：材料：彈性模量Ｅ按剛度計算所得的零件截面尺寸一般要比按強度計算的大結(jié)構(gòu)：剖面形狀、支承結(jié)構(gòu)、位置、加強筋預(yù)緊：提高接觸剛度（滾動軸承的預(yù)緊）同類金屬E相差不大，用合金鋼代替普通碳鋼以達到提高零件的剛度是不行的。2.4.2剛度條件2.4.3剛度的影響因素及提高剛度的措192.5機械零件的沖擊強度F’—沖擊載荷條件①能量守恒Ek=Ep②載荷與變形成正比B的變形能:A物體給B的沖擊能:KI—沖擊系數(shù)h=o時F’=2F為理論值，實際值可能小于2F，沖擊能損耗。計算時用計算載荷Fc=KFK—工作情況系數(shù)，考慮沖擊載荷的影響。設(shè)計零件時應(yīng)考慮沖擊載荷的影響。2.5機械零件的沖擊強度F’—沖擊載荷條件①能量守20提高沖擊強度的措施：１）增大零件的彈性變形；２）增加材料的彈性，即降低Ｅ；３）采用緩沖零件吸收沖擊能量；４）減小間隙，增加預(yù)緊2.6溫度對機械零件性能的影響機器工作中有能耗→熱能→工作溫度↑→潤滑油粘度↓（主要由摩擦產(chǎn)生）（達到熱平衡溫度不再升高）零件的工作狀態(tài)變化（趨于惡化）→油膜承載能力↓→能耗↑→溫度↑→惡性循環(huán)，零件咬死。熱平衡：單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量=散發(fā)的熱量2.6.1溫度對摩擦磨損過程的影響提高沖擊強度的措施：１）增大零件的彈性變形；２）增加材料的彈21弊－－間隙量，過盈量的變化，熱應(yīng)力的產(chǎn)生利－－進行熱裝配2.6.2溫度對材料膨脹和收縮的影響2.6.3溫度對材料力學(xué)性能的影響溫度對材料蠕變和松弛的影響解決方法：預(yù)先計入熱變形量結(jié)構(gòu)上采用浮動結(jié)構(gòu)消除熱應(yīng)力弊－－間隙量，過盈量的變化，熱應(yīng)力的產(chǎn)生2.6.2溫度對222.7機械零件的振動穩(wěn)定性振動：機械零件發(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器或零件的固有頻率時，發(fā)生共振現(xiàn)象計算準(zhǔn)則：避免外力作用頻率等于或接近固有頻率減輕振動的措施：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的能量設(shè)置隔振裝置對轉(zhuǎn)動件進行平衡2.7機械零件的振動穩(wěn)定性振動：機械零件發(fā)生周期性的彈性變232.8機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)定的時間內(nèi)發(fā)揮規(guī)定功能的概率，常用Rt表示。累積失效概率：零件在規(guī)定條件和規(guī)定的時間內(nèi)失效的概率，常用Ft表示。失效分布密度f（t）：累積失效概率對時間的導(dǎo)數(shù)失效（壽命）分布曲線：f（t）-t曲線，常見的有正態(tài)分布等2.8機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24零件的可靠性是指工作應(yīng)力和材料強度等參數(shù)受許多因素影響的隨機變量。是對大批零件而言，用概率論、數(shù)理統(tǒng)計的方法得出的結(jié)果，對單個零件無法研究其可靠性。

例：均為正態(tài)分布陰影區(qū)不安全，零件工作不可靠。安全系數(shù)越大可靠性越大。零件的可靠性是指工作應(yīng)力和材料強度等參數(shù)受許多因素影響的25第2章機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則機械設(shè)計第2章機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則機械設(shè)計262.1載荷及應(yīng)力的分類2.1.1載荷的分類靜載荷變載荷——不隨時間改變或變化緩慢——隨時間作周期性或非周期性變化名義載荷計算載荷——理想工作條件下的載荷——作用于零件的實際載荷計算載荷名義載荷=K×載荷系數(shù)？2.1載荷及應(yīng)力的分類2.1.1載荷的分類靜載荷——不隨272.1.2應(yīng)力的分類靜應(yīng)力變應(yīng)力——不隨時間改變或變化緩慢——隨時間作周期性或非周期性變化變應(yīng)力穩(wěn)定變應(yīng)力——周期性循環(huán)變應(yīng)力非穩(wěn)定變應(yīng)力——非周期性循環(huán)變應(yīng)力注意：變載荷→變應(yīng)力靜載荷→靜應(yīng)力？或變應(yīng)力nP●an2.1.2應(yīng)力的分類靜應(yīng)力——不隨時間改變或變化緩慢——28σmaxσminσtσaOσmσmaxσaσtOtσmσmaxσaσminσOσ=常數(shù)靜應(yīng)力σtO穩(wěn)定變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力σmaxσminσtσaOσmσmaxσaσtOtσmσma29幾個應(yīng)力參數(shù)循環(huán)特征：——表示應(yīng)力變化的情況對稱循環(huán)—r=

－1；脈動循環(huán)—r=

0；非對稱循環(huán)—r≠0且|r|≠1;靜應(yīng)力—r=

+1用σr表示循環(huán)特征為r的變應(yīng)力。如σ-1、σ0等平均應(yīng)力：應(yīng)力幅：對稱循環(huán):σm=0;σa=σmax脈動循環(huán):σm=σa=σmax/2幾個應(yīng)力參數(shù)循環(huán)特征：——表示應(yīng)力變化的情況對稱循環(huán)—302.2機械零件的強度主要失效形式：斷裂或塑性變形強度條件：σ≤[σ]、τ≤[τ]或S≥[S]塑性材料：許用應(yīng)力：σlim、τlim—極限應(yīng)力s—安全系數(shù)σlim=σs；τlim=τs脆性材料：σlim=σB；τlim=τBσs、τs—材料屈服極限σB、τB—材料強度極限2.2.1兩種判斷零件強度的方法①②2.2.2靜應(yīng)力強度2.2機械零件的強度主要失效形式：斷裂或塑性變形強度條件：312.2.3變應(yīng)力作用下的強度問題主要失效形式：疲勞破壞初始裂紋疲勞區(qū)(光滑)粗糙區(qū)強度條件：σ≤[σ]σlim=？疲勞破壞與零件的變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān)NσσrNσrNN0疲勞曲線N—應(yīng)力循環(huán)次數(shù)σrN—疲勞極限（對應(yīng)于N）N0—循環(huán)基數(shù)σr—持久極限軸有限壽命區(qū)無限由此得：與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)的指數(shù)2.2.3變應(yīng)力作用下的強度問題主要失效形式：疲勞破壞初始32通常S≥1變應(yīng)力時，取

σlim=σr（無限壽命） 或σlim=σrN（有限壽命）

各種材料的σr可從有關(guān)手冊中查取2.2.4安全系數(shù)安全系數(shù)小——失效的可能小大安全系數(shù)大——機械零件的體積龐大協(xié)調(diào)處理通常S≥1變應(yīng)力時，取σlim=σr（無限33影響安全系數(shù)因素如下：與應(yīng)力計算有關(guān)的因素：應(yīng)力計算所依據(jù)的載荷值的不精確性應(yīng)力計算用的力學(xué)模型與實際狀況之間的差異與材料的極限應(yīng)力有關(guān)的因素材料機械性能本身的變化零件尺寸效應(yīng)的不確定性不同毛坯制取方法及機械加工工藝對材料機械性能的影響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二級：零件的破壞要引起嚴重的設(shè)備事故，修理費用昂貴三級：零件的破壞要使機器停機修理四級：零件的破壞不會使機器立即停止工作選擇原則：保證安全可靠的前提下，僅可能選用較小的敘用安全系數(shù)影響安全系數(shù)因素如下：與應(yīng)力計算有關(guān)的因素：應(yīng)力計算所依據(jù)的342.2.4提高零件強度的措施兩個方面：結(jié)構(gòu)設(shè)計制造工藝1）結(jié)構(gòu)方面——合理布置零件減少載荷2.2.4提高零件強度的措施兩個方面：結(jié)構(gòu)設(shè)計1）結(jié)構(gòu)方面35——降低載荷集中，均勻載荷分布——降低載荷集中，均勻載荷分布36——采用等強度結(jié)構(gòu)——選用合理截面如梁的截面采用工字形、T字形；軸的截面采用圓形?！捎玫葟姸冉Y(jié)構(gòu)——選用合理截面如梁的截面采用工字形、T字37——減小應(yīng)力集中機械加工方法－－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）2）制造工藝－－主要提高疲勞強度熱處理方法－－化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮普通熱處理：表面淬火——減小應(yīng)力集中機械加工方法－－表面滾壓，噴丸處理使表面產(chǎn)生382.3機械零件的表面強度2.3.1表面接觸強度１）表面接觸應(yīng)力兩圓柱體：“+”號用于外接觸，“-”號用于內(nèi)接觸2.3機械零件的表面強度2.3.1表面接觸強度１）表面接39３）強度條件：４）提高接觸強度的措施－－－減小接觸應(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２）失效形式：表面疲勞磨損（表面疲勞點蝕）３）強度條件：４）提高接觸強度的措施－－－減小接觸應(yīng)力２）失402.3.2表面擠壓強度（通過配合面的接觸傳遞載荷）１）失效形式：２）強度條件（條件性計算）：常用于靜態(tài)聯(lián)接或低速工作條件下塑性材料－－－塑性變形脆性材料－－－表面壓碎2.3.2表面擠壓強度（通過配合面的接觸傳遞載荷）１）失效412.3.3表面磨損強度１）磨損２）計算準(zhǔn)則（條件性計算）３）減輕磨損的措施合適的材料匹配、提高表面硬度合適的表面狀態(tài)、表面鍍層防塵處理、控制表面溫度提高表面加工質(zhì)量，降低表面粗糙度值2.3.3表面磨損強度１）磨損２）計算準(zhǔn)則（條件性計算）３422.4機械零件的剛度2.4.1剛度對機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表示方法：剛度－產(chǎn)生單位彈性變形所需要的力或力矩柔度－單位外力或外力矩產(chǎn)生的彈性變形量１）剛度不足會影響零件的使用性能２）對某些機器而言：為保證具有一定的精度，被加工零(如機床)件和機床都應(yīng)具有一定的剛度３）剛度有時是強度的保證４）剛度影響零件的振動頻率５）彈性零件應(yīng)有確定的剛度要求2.4機械零件的剛度2.4.1剛度對機械零件性能的影響432.4.2剛度條件2.4.3剛度的影響因素及提高剛度的措施材料力學(xué)中的簡化方法彈性力學(xué)有限元分析方法計算方法：材料：彈性模量Ｅ按剛度計算所得的零件截面尺寸一般要比按強度計算的大結(jié)構(gòu)：剖面形狀、支承結(jié)構(gòu)、位置、加強筋預(yù)緊：提高接觸剛度（滾動軸承的預(yù)緊）同類金屬E相差不大，用合金鋼代替普通碳鋼以達到提高零件的剛度是不行的。2.4.2剛度條件2.4.3剛度的影響因素及提高剛度的措442.5機械零件的沖擊強度F’—沖擊載荷條件①能量守恒Ek=Ep②載荷與變形成正比B的變形能:A物體給B的沖擊能:KI—沖擊系數(shù)h=o時F’=2F為理論值，實際值可能小于2F，沖擊能損耗。計算時用計算載荷Fc=KFK—工作情況系數(shù)，考慮沖擊載荷的影響。設(shè)計零件時應(yīng)考慮沖擊載荷的影響。2.5機械零件的沖擊強度F’—沖擊載荷條件①能量守45提高沖擊強度的措施：１）增大零件的彈性變形；２）增加材料的彈性，即降低Ｅ；３）采用緩沖零件吸收沖擊能量；４）減小間隙，增加預(yù)緊2.6溫度對機械零件性能的影響機器工作中有能耗→熱能→工作溫度↑→潤滑油粘度↓（主要由摩擦產(chǎn)生）（達到熱平衡溫度不再升高）零件的工作狀態(tài)變化（趨于惡化）→油膜承載能力↓