機(jī)械零件的強度和設(shè)計準(zhǔn)則

第2章機(jī)械零件的強度和設(shè)計準(zhǔn)則

載荷及其產(chǎn)生的應(yīng)力，是導(dǎo)致機(jī)械零件發(fā)生損傷甚至失效的最主要原因；對機(jī)械零件進(jìn)行載荷和應(yīng)力分析是進(jìn)行機(jī)械設(shè)計過程中首先面臨和要解決的問題。機(jī)械零件的載荷：一般是指它所受到的力（F）、彎矩（M）、扭矩（T）。靜載荷：不隨時間變化、變化緩慢或者變化幅度相對很小的載荷。如零件所受到的重力、鍋爐穩(wěn)定工作時所受到的壓力等。變載荷：隨時間作周期性變化或非周期性變化的載荷。如汽車齒輪箱中的齒輪、軸、軸承等所受的載荷均為變載荷。在進(jìn)行載荷計算過程中也常將載荷分為名義載荷（F、T、M）和計算載荷(Fc、Tc、Mc)，計算載荷等于名義載荷乘以載荷系數(shù)K載荷系數(shù)K的數(shù)值主要取決于動力機(jī)和工作機(jī)的性質(zhì)，動力機(jī)和工作機(jī)的工作越平穩(wěn)，則沖擊載荷越小，載荷系數(shù)就越小，反之則應(yīng)該取大值。名義載荷：機(jī)器在平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷；計算載荷：考慮載荷的時間不均勻性、分布的不均勻性以及其它影響因素對名義載荷進(jìn)行修正得到的載荷名義載荷的計算一般運用公式來進(jìn)行，比如十分常用的一種已知轉(zhuǎn)動速度n和輸入功率P計算旋轉(zhuǎn)運動件所受到的扭矩：

（Nmm）在進(jìn)行載荷計算時往往要通過一些簡化處理，這是因為實際載荷的作用往往都是作用在一定的范圍面上。

在載荷作用下，機(jī)械零件將承受某種應(yīng)力;按應(yīng)力在零件上的分布情況可分成體應(yīng)力和表面應(yīng)力（接觸應(yīng)力）;通常所講的拉伸或壓縮應(yīng)力σ、彎曲應(yīng)力σb、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τ等都屬于體應(yīng)力;體應(yīng)力又可以分為靜應(yīng)力和變應(yīng)力;靜應(yīng)力是指不隨時間變化或變化緩慢的應(yīng)力，它只能由靜載荷產(chǎn)生；變應(yīng)力是指隨時間變化的應(yīng)力，變應(yīng)力可由變載荷產(chǎn)生，也能由靜載荷產(chǎn)生;變應(yīng)力可以歸納為三種基本的類型:對稱循環(huán)變應(yīng)力、非對稱循環(huán)變應(yīng)力、脈動循環(huán)變應(yīng)力;五個參數(shù)中任意取出兩個就可以準(zhǔn)確地描述一個應(yīng)力的性質(zhì)。。（1）橫坐標(biāo)以上為拉伸應(yīng)力，數(shù)值為正，橫坐標(biāo)以下為壓縮應(yīng)力，數(shù)值為負(fù)。對于剪切應(yīng)力，則可以自行規(guī)定一個方向為正值，另一個方向為負(fù)值。（2）根據(jù)絕對值大小判斷和，絕對值大者為，小者為。（3）循環(huán)特性的變化范圍為。在實際問題中碰到的變應(yīng)力很多處于一種不穩(wěn)定變化狀態(tài)，甚至是隨機(jī)變應(yīng)力

靜載荷也能產(chǎn)生變應(yīng)力：2.2機(jī)械零件計算的準(zhǔn)則計算準(zhǔn)則----針對某種失效形式、為滿足某種工

作能力而建立的設(shè)計準(zhǔn)則強度準(zhǔn)則

兩種計算準(zhǔn)則：一種是根據(jù)許用應(yīng)力建立的計算準(zhǔn)則，另一種是根據(jù)安全系數(shù)建立的計算準(zhǔn)則；在實際使用中根據(jù)所掌握的數(shù)據(jù)情況確定選擇使用哪種強度準(zhǔn)則。1．通過判斷危險截面的最大許用應(yīng)力（σ，τ）是否小于或等于許用應(yīng)力[σ]，[τ]。2．通過判斷危險截面上實際的安全系數(shù)（Sσ，Sτ）是否大于或等于許用安全系數(shù)（[Sσ]，[Sτ]）強度準(zhǔn)則安全系數(shù)：零件所能承受的極限應(yīng)力與實際應(yīng)力的比值,它反映的是零件的安全工作程度；安全系數(shù)如果選擇過大，則造成材料浪費、機(jī)器笨重、加工運輸困難、成本提高等一系列問題。安全系數(shù)過小，則可能導(dǎo)致不安全；許用安全系數(shù)的確定要考慮：（1）載荷和應(yīng)力的性質(zhì)和計算的準(zhǔn)確程度；（2）運行條件的平穩(wěn)程度（是否有沖擊載荷）；（3）材料的性質(zhì)和材質(zhì)的均勻程度；（4）零件的重要程度；（5）工藝和探傷水平；（6）環(huán)境是否具有腐蝕性。安全系數(shù)的選擇原則：在保證安全、可靠的前提下，盡可能選用較小的安全系數(shù)。2.2.2剛度準(zhǔn)則零件在載荷作用下產(chǎn)生的彈性變形分為撓度y、轉(zhuǎn)角θ和扭角φ，剛度計算準(zhǔn)則就是要求零件在實際工作中所產(chǎn)生的彈性變形量小于或等于許用的彈性變形量2.2.3壽命準(zhǔn)則決定零件壽命的有腐蝕、疲勞和磨損三種最為主要的因素；這三種因素的研究進(jìn)程各不相同，關(guān)于磨損問題的研究目前還很不完善，還無法建立一個能夠為廣泛接受的計算準(zhǔn)則；腐蝕問題的研究也存在同樣的問題，至今還未出現(xiàn)能夠具有通用性的計算準(zhǔn)則，因而也無法建立明確的計算準(zhǔn)則；疲勞問題是目前發(fā)展比較成熟的一個研究方向，已經(jīng)可以較為定性地進(jìn)行疲勞壽命計算，但是在一定可靠度的前提下進(jìn)行的計算。2.2.4可靠性性準(zhǔn)則所謂可靠性性，就是產(chǎn)產(chǎn)品在規(guī)定定的條件下下、規(guī)定的的時間內(nèi)，，完成規(guī)定定功能的可可靠程度；；比如：有N個同樣零件件在規(guī)定的的時間t內(nèi)有Nf個零件發(fā)生生失效，剩剩下Nt個零件仍能能繼續(xù)工作作，則可靠靠度為失效概率可靠性計算算準(zhǔn)則：保證零件在在工作過程程中能夠滿滿足規(guī)定的的可靠性要要求。如果試驗時時間不斷延延長，則Nf將不斷增加加，可靠度度逐漸減少少，這說明明零件的可可靠度是隨隨時間發(fā)生生改變的，，是時間的的函數(shù)。累積失效概概率2.3機(jī)機(jī)械零件的的失效方式式及提高強強度的一般般方法失效：機(jī)械械零件在工工作時出現(xiàn)現(xiàn)喪失工作作能力或達(dá)達(dá)不到設(shè)計計要求性能能的現(xiàn)象；；失效并不意意味著破壞壞；常見的失效效形式有：：（1）整體體斷裂；（（2）過大大的彈性變變形或殘余余變形；（（3）零件件表面的破破壞（過度度磨損、過過度腐蝕、、接觸疲勞勞破壞、過過熱等）；；（4）不不能滿足工工作條件所所導(dǎo)致的失失效（聯(lián)接接的松動、、壓力容器器和管道的的泄漏、運運動精度達(dá)達(dá)不到要求求、皮帶傳傳動出現(xiàn)打打滑現(xiàn)象、、滑動軸承承的油膜壓壓力太小、、轉(zhuǎn)動速度度與固有頻頻率重合而而發(fā)生共振振等）。同一種零件件發(fā)生失效效的形式可可能有很多多種；最常發(fā)生的的失效形式式主要是由由于強度、、剛度、耐耐磨性、耐耐溫度性、、振動穩(wěn)定定性、可靠靠性等方面面的問題。。提高機(jī)械零零件強度的的一般措施施1．合理布布置零件，，減少零件件所受到的的最大載荷荷2.采用用等強度結(jié)結(jié)構(gòu)3.減小載載荷和應(yīng)力力集中4.選用合合理截面比如梁的截截面采用工工字型、T字型；軸軸的截面采采用圓形、、空心圓形形等。5.對零件件表面進(jìn)行行強化處理理比如，為提提高零件表表面疲勞強強度，常采采用的表面面強化工藝藝有：噴丸丸處理及碾碾壓處理、、滲碳、碳碳氮共滲、、滲氮、表表面淬火。。這些方法都都可以在零零件表面中中形成殘余余壓應(yīng)力、、提高表面面硬度，對對提高零件件的表面疲疲勞強度是是有利的。。2.4機(jī)機(jī)械零件的的三種表面面強度表面擠壓強強度：是指零件表表面抵抗表表面擠壓破破壞的能力力表面接觸強強度：是指高副接接觸的表面面抵抗接觸觸破壞的能能力在靜載荷作作用下，接接觸表面的的失效形式式為脆性材材料的表面面壓碎和塑塑性材料的的表面塑性性變形。表面磨損強強度對于滑動速速度低、載載荷較大，，可以通過過限制工作作表面的壓壓強進(jìn)行計計算，以限限制過度磨磨損：滑動速度較較高時，要要限制摩擦擦功耗（限限制pv值），以免免工作溫度度過高而使使?jié)櫥В簩Ω咚偾闆r況，還要限限制滑動速速度，以免免由于速度度過高而加加速磨損：：2.5機(jī)機(jī)械零件的的剛度和改改進(jìn)措施剛度：零件件在載荷作作用下抵抗抗彈性變形形的能力；；剛度：一般般用產(chǎn)生單單位彈性變變形所需要要的外力或或力矩進(jìn)行行表示；柔度：與剛剛度對應(yīng)，，用單位外外力或力矩矩所產(chǎn)生的的彈性變形形表示。剛度對機(jī)械械零件的影影響主要包包括：（1）剛度度不足將影影響機(jī)器的的正常工作作，比如軸軸彎曲過大大使得軸頸頸處發(fā)生干干涉；（2）機(jī)械加加工中，被被加工零件件和加工設(shè)設(shè)備的剛度度必須滿足足一定的要要求，否則則會造成過過大的加工工誤差；（（3）剛度度的滿足也也是保證強強度的重要要因素之一一。對于受受壓長桿、、受外壓的的壓力容器器，變形穩(wěn)穩(wěn)定性是決決定其強度度的關(guān)鍵，，要提高承承載能力就就必須首先先提高剛度度；（4））零件的自自振頻率也也取決于剛剛度的大小小。剛度大大則固有頻頻率高，剛剛度小則自自振頻率低低，對于那那些對頻率率有要求的的零件，改改變剛度是是重要的措措施之一；；（5）對對于彈簧等等彈性元件件，保證其其具有一定定的柔度是是設(shè)計中要要滿足的條條件。提高剛度的的方法材料的彈性性模量越大大，零件的的剛度就會會越大。一一般來說，，金屬的彈彈性模量大大于非金屬屬彈性模量量。同類金金屬的彈性性模量相差差不大，因此從提高高剛度的角角度來說，，用貴重的的高強度合合金鋼代替替普通碳鋼鋼是沒有太太大的實際際意義的。。通過改變支支承方式可可以大大提提高剛度通過預(yù)緊裝裝配實現(xiàn)剛剛度提高M(jìn)a：Mb：Mc為4：2：：1，最大大變形撓度度之比ya：yb：yc為16：4：1，2.6機(jī)機(jī)械零件的的振動穩(wěn)定定性和沖擊擊強度振動：就是是機(jī)械零件件發(fā)生周期期性變形的的現(xiàn)象。引起振動的的因素：由由往復(fù)運動動零件產(chǎn)生生的慣性力力和由擺動動零件產(chǎn)生生的慣性力力矩；由轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動零件的的不平衡產(chǎn)產(chǎn)生的離心心力；周期期性作用的的外力等。。描述振動的的參數(shù)：振振幅和頻率率。共振現(xiàn)象：：當(dāng)零件的的自振頻率率和外來周周期性刺激激力變化頻頻率相等或或者接近的的時候，將將導(dǎo)致振幅幅急劇增大大，出現(xiàn)失失穩(wěn)現(xiàn)象，，即喪失振振動穩(wěn)定性性。振動零件計計算的準(zhǔn)則則：使零件的自自振頻率與與外來作用用的頻率既既不相等也也不接近。。減輕振動的的一般措施施：（1）盡量量采用對稱稱結(jié)構(gòu)（如如花鍵聯(lián)接接）、減少少懸臂長度度、縮短中中心距等；；（2）對對轉(zhuǎn)動零件件進(jìn)行平衡衡，盡量滿滿足動、靜靜平衡條件件；（3））采用阻尼尼作用消耗耗引起振動動的能量，，比如設(shè)置置滑動軸承承的油膜阻阻尼器、液液壓缸端部部的阻尼孔孔等；（4）設(shè)置隔隔振零件，，比如加裝裝彈簧、橡橡膠墊、隔隔振層等都都具有減振振作用。機(jī)械零件的的沖擊強度度所謂沖擊載載荷是指以以一定的速速度作用在在零件上的的載荷。沖沖擊載荷對對機(jī)械零件件的破壞性性很大，在在設(shè)計中應(yīng)應(yīng)特別加以以注意。減緩沖擊所所引起的破破壞作用。。比如：采采用能增大大零件彈性性變形的結(jié)結(jié)構(gòu)；采用用彈性模量量低的材料料以獲得大大的彈性變變形；增加加橡膠墊、、彈簧等緩緩沖零件吸吸收沖擊能能；盡量消消除或減小小聯(lián)接間的的間隙，防防止由于間間隙過大引引起的沖擊擊載荷。復(fù)習(xí)思考題題1、何謂零零件的失效效？常見形形式有哪些些？

2、、載荷、應(yīng)應(yīng)力各如何何分類？基基本變應(yīng)力力有哪幾種種？用哪些些參數(shù)描述述變應(yīng)力？？

3、如如何判斷零零件受力類類型？4、兩種判判斷零件強強度的方式式是什么？？

5、安安全系數(shù)如如何選擇？？其大小會會產(chǎn)生什么么影響？6、提高高零件強度度有哪些措措施？7、表面強強度有哪幾幾種？如何何計算擠壓壓和磨損強強度？8、何謂剛剛度和柔度度？剛度不不足會產(chǎn)生生什么影響響？影響剛剛度的因素素有哪些？？

9、根根據(jù)沖擊模模型推導(dǎo)解解釋沖擊載載荷的危害害及如何緩緩和沖擊作作用。10、何謂謂振動、共共振及失穩(wěn)穩(wěn)？穩(wěn)定性性計算的準(zhǔn)準(zhǔn)則是什么么？減輕振振動的措施施有哪些？？

11、、什么是可可