第二章機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則

第二章機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則§2.1

載荷和應(yīng)力的分類§2.2

機(jī)械零件的強(qiáng)度§2.3

機(jī)械零件的表面強(qiáng)度第二章機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則幾個(gè)名詞：1）失效：機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作，稱為失效。注意：

a)失效并不單純指破壞，破壞只是失效的形式之一。機(jī)械零件的可能失效形式很多，歸納起來(lái)主要有強(qiáng)度、剛度、耐磨性、振動(dòng)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)生疲勞斷裂、過(guò)大彈性變形、共振等失效。機(jī)械零件失效的主要形式：整體斷裂、過(guò)大的殘余變形、零件的表面破壞、破壞正常工作條件引起的失效（教材P11）第二章機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則機(jī)械零件失效實(shí)例：潘存云教授研制輪齒塑性變形潘存云教授研制齒輪輪齒折斷

潘存云教授研制軸承外圈塑性變形潘存云教授研制齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕潘存云教授研制軸瓦磨損潘存云教授研制軸承內(nèi)圈破裂第二章機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則2）工作能力：即機(jī)械零件在一定條件下抵抗失效的能力

(即安全工作限度)。3）承載能力：對(duì)載荷而言的工作能力。（也就是用載荷表示的工作能力）

4）工作能力計(jì)算準(zhǔn)則：為防止機(jī)械零件發(fā)生某種失效而應(yīng)滿足的條件。（也可以理解為是機(jī)械零件不發(fā)生

失效的“安全條件”，是設(shè)計(jì)零件時(shí)的

理論依據(jù)）。第二章機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則載荷和應(yīng)力1

為了防止機(jī)械零件在工作中產(chǎn)生失效，設(shè)計(jì)時(shí)，需要以零件的工作能力計(jì)算準(zhǔn)則為依據(jù)進(jìn)行必要的計(jì)算。機(jī)械零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則大體有：

強(qiáng)度準(zhǔn)則剛度準(zhǔn)則壽命準(zhǔn)則振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則可靠性準(zhǔn)則摩擦學(xué)準(zhǔn)則第二章機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則1載荷由于運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等引起的載荷稱為動(dòng)載荷。靜載荷變載荷按是否隨時(shí)間變化，載荷分為：按是否考慮動(dòng)載荷的影響，載荷分為：名義載荷：在理想平穩(wěn)條件下所受的載荷（不考慮動(dòng)載荷的影響）計(jì)算載荷＝載荷系數(shù)K×名義載荷（代表機(jī)器或零件實(shí)際所受載荷）載荷系數(shù)K：用于計(jì)入在實(shí)際工作中受到的各種動(dòng)載荷的影響。額定載荷：由原動(dòng)機(jī)的額定功率推算出的載荷。第一節(jié)載荷和應(yīng)力的分類載荷和應(yīng)力22應(yīng)力靜應(yīng)力

變應(yīng)力σmax─最大應(yīng)力；σmin─最小應(yīng)力σm─平均應(yīng)力；

σa─應(yīng)力幅值r

─應(yīng)力比（循環(huán)特性）變應(yīng)力

應(yīng)力與外載荷、零件的截面形狀有關(guān)

強(qiáng)度與材料本身的機(jī)械性能有關(guān)，而與外載荷、截面形狀等無(wú)關(guān)。強(qiáng)度：指機(jī)械零件工作時(shí)抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。變應(yīng)力的五個(gè)參數(shù)：第一節(jié)載荷和應(yīng)力的分類ot應(yīng)力靜應(yīng)力變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力規(guī)律性非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力隨機(jī)性非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力第一節(jié)載荷和應(yīng)力的分類脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力r=0非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力r=-1σmaxσmTσmaxσminσaσaσmＯtσσmaxσminσaσaＯtσＯtσσaσaσminr=+1

規(guī)律性

隨機(jī)性周期尖峰應(yīng)力ot應(yīng)力靜應(yīng)力變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力規(guī)律性非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力隨機(jī)性非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力第一節(jié)載荷和應(yīng)力的分類靜應(yīng)力（可看作是循環(huán)應(yīng)力的一個(gè)特例）注：靜應(yīng)力只在靜載荷作用下產(chǎn)生，變應(yīng)力可由變載荷產(chǎn)生，也可由靜載荷產(chǎn)生。（承受靜載荷的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或周期運(yùn)動(dòng)的零件將產(chǎn)生變應(yīng)力）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(jì)算應(yīng)力：根據(jù)計(jì)算載荷求得的應(yīng)力Ｏtσr=+1第一節(jié)載荷和應(yīng)力的分類強(qiáng)度準(zhǔn)則強(qiáng)度：指機(jī)械零件工作時(shí)抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。2.2.1判斷零件強(qiáng)度的兩種方法：1）用應(yīng)力表示：≤＝2）用安全系數(shù)表示：≥＝式中：—計(jì)算最大應(yīng)力—極限應(yīng)力—計(jì)算安全系數(shù)—許用應(yīng)力—許用安全系數(shù)注：對(duì)于切應(yīng)力，只須將上述各公式中的換成即可。第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度靜應(yīng)力下的強(qiáng)度2.2.2靜應(yīng)力下的強(qiáng)度

在靜應(yīng)力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性變形或斷裂。材料種類不同，所取極限應(yīng)力也不同。塑性材料單向應(yīng)力狀態(tài)：，復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)：按第三或第四強(qiáng)度理論計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力。脆性材料則有：，注：1）對(duì)于脆性材料和組織不均勻的材料（如灰鑄鐵），在計(jì)算靜強(qiáng)度時(shí)，可不考慮應(yīng)力集中的影響。

2）對(duì)于組織均勻的低塑性材料（如淬火鋼），在計(jì)算靜強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)考慮應(yīng)力集中的影響。第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度接觸強(qiáng)度2.2.3變應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算變應(yīng)力下的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)取疲勞極限（詳見(jiàn)第三章）。2.2.4許用安全系數(shù)[S]安全系數(shù)定得正確與否對(duì)零件尺寸有很大影響

過(guò)大，則機(jī)器會(huì)過(guò)于笨重；過(guò)小，可能不安全。因此，在保證安全的前提下，應(yīng)盡可能選用較小的許用安全系數(shù)。的取值主要受下列因素的影響：1）計(jì)算的準(zhǔn)確性；

2）材料的均勻性；

3）零件的重要性。第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度（1）靜應(yīng)力下，塑性材料的零件

S=1.2～１.5

鑄鋼件

S=1.５～２.5（2）靜應(yīng)力下，脆性材料，如高強(qiáng)度鋼或鑄鐵：

S=3～4（3）變應(yīng)力下，

S=1.3～1.7材料不均勻，或計(jì)算不準(zhǔn)時(shí)取

S=1.7～2.5第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度2.2.5提高機(jī)械零件強(qiáng)度的措施從結(jié)構(gòu)方面1.合理布置零件,減少所受載荷2.降低應(yīng)力集中,均勻載荷分布（自動(dòng)調(diào)節(jié)載荷分布、限制接觸寬度）第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度3.采用等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)4.選用合理截面5.減少應(yīng)力集中

用卸載槽減緩力流的集中用卸載孔減少缺口處的應(yīng)力集中

從工藝方面改善表面狀態(tài)1.噴丸,碾壓----形成殘余壓應(yīng)力,提高表面疲勞強(qiáng)度2.滲碳,碳氮共滲,滲氮,表面淬火第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度表面強(qiáng)度分為三種:A.表面接觸強(qiáng)度B.表面擠壓強(qiáng)度C.表面磨損強(qiáng)度第三節(jié)機(jī)械零件的表面強(qiáng)度如齒輪、凸輪、滾動(dòng)軸承等。B機(jī)械零件中各零件之間的力的傳遞，總是通過(guò)兩個(gè)零件的接觸形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常見(jiàn)兩機(jī)械零件的接觸形式為點(diǎn)接觸或線接觸。2.3.1表面接觸疲勞強(qiáng)度第三節(jié)機(jī)械零件的表面強(qiáng)度b由彈性力學(xué)可知，接觸應(yīng)力為：上述公式稱為赫茲(H·Hertz)公式注：“＋”用于外接觸，“－”用于內(nèi)接觸。σHσHρ2ρ1Fnρ1Fnbρ2σHσH第三節(jié)機(jī)械零件的表面強(qiáng)度兩個(gè)零件在受載前是點(diǎn)接觸或線接觸。受載后，由于變形其接觸處為一小面積，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)力稱為接觸應(yīng)力。這時(shí)零件強(qiáng)度稱為接觸強(qiáng)度。σH——最大接觸應(yīng)力或赫茲應(yīng)力;b——接觸長(zhǎng)度;Fn

——作用在圓柱體上的載荷;——綜合曲率半徑;——綜合彈性模量;E1、

E2

分別為兩圓柱體的彈性模量。

接觸疲勞強(qiáng)度的判定條件為bFn第三節(jié)機(jī)械零件的表面強(qiáng)度對(duì)于鋼或鑄鐵取泊松比μ1=μ2=μ=0.3,則有簡(jiǎn)化公式。B接觸失效形式常表現(xiàn)為疲勞點(diǎn)蝕。初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋裂紋的擴(kuò)展與斷裂油金屬剝落出現(xiàn)小坑

機(jī)械零件的接觸應(yīng)力通常隨時(shí)間作周期性變化，使零件表層產(chǎn)生初始疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展、潤(rùn)滑油被擠迸裂紋中將產(chǎn)生高壓，使裂紋加快擴(kuò)展，使表層金屬呈小片狀剝落下來(lái)，在零件表面形成一些小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞點(diǎn)蝕。第三節(jié)機(jī)械零件的表面強(qiáng)度實(shí)際中的高副零件所受的接觸應(yīng)力都是循環(huán)變化的。如齒輪的輪齒，接觸嚙合時(shí)受應(yīng)力作用，脫離嚙合時(shí)不受應(yīng)力作用。點(diǎn)蝕的危害：

1）破壞零件的光滑表面，引起振動(dòng)和噪音。

2）減小零件的有效工作面積提高表面接觸強(qiáng)度的措施1.增大接觸表面的綜合曲率半徑，以降低接觸應(yīng)力。2.將外接觸改成內(nèi)接觸。3.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上將點(diǎn)接觸改為線接觸。4.提高零件表面硬度。5.在一定范圍內(nèi)提高接觸表面的加工質(zhì)量，接觸疲勞強(qiáng)度也隨之提高。6.采用粘度較高的潤(rùn)滑油，除降低深入裂紋的能力外，還能在接觸去形成較厚的油膜，增大接觸面積，從而降低接觸應(yīng)力。第三節(jié)機(jī)械零件的表面強(qiáng)度2.3.2表面擠壓強(qiáng)度

兩零件之間為面接觸時(shí)，在載荷作用下，接觸表面上產(chǎn)生的應(yīng)力稱為擠壓應(yīng)力，用表示。

在擠壓應(yīng)力作用下的強(qiáng)度稱為擠壓強(qiáng)度，其強(qiáng)度條件為：≤［］

擠壓應(yīng)力作用下，接觸面的失效形式

是－“壓潰”。注：相互擠壓表面上的擠壓應(yīng)力相等。第三節(jié)機(jī)械零件的表面強(qiáng)度2.3.3表面磨損強(qiáng)度條件性計(jì)算1、滑動(dòng)速度低、載荷大時(shí)限制表面壓強(qiáng)

p[p](防止壓碎及塑性變形）2、滑動(dòng)速度高時(shí)防止?jié)櫥v[pv]3、高速時(shí)防止速度過(guò)高加速磨損v[v]

第三節(jié)機(jī)械零件的表面強(qiáng)度提高表面磨損強(qiáng)度的措施1.選用合適的摩擦副材料2.提高表面硬度3.降低表面粗糙度4.采用有效的潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方法5.表面鍍層,氧化處理6.防止灰塵進(jìn)入摩擦面7.防止溫度過(guò)高第三節(jié)機(jī)械零件的表面強(qiáng)度

剛度是指機(jī)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(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生過(guò)大的彈性變形而失效。

如：機(jī)床主軸的彈性變形過(guò)大將會(huì)影響所加工工件的精度。剛度條件：實(shí)際變形量y≤許