機(jī)械零件的強(qiáng)度和設(shè)計準(zhǔn)則

機(jī)械零件的強(qiáng)度和設(shè)計準(zhǔn)則第1頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五在進(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)行修正得到的載荷第2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五名義載荷的計算一般運(yùn)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(yùn)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。

第3頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五在載荷作用下，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。第4頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五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：第5頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五2.2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(qiáng)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(qiáng)度準(zhǔn)則。第6頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五1．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(qiáng)度準(zhǔn)則第7頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五安全系數(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(yùn)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(yùn)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)。第8頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五2.2.2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第9頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五2.2.3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。第10頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五2.2.4可靠性準(zhǔn)則所謂可靠性，就是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的可靠程度；比如：有N個同樣零件在規(guī)定的時間t內(nèi)有Nf個零件發(fā)生失效，剩下Nt個零件仍能繼續(xù)工作，則可靠度為失效概率可靠性計算準(zhǔn)則：保證零件在工作過程中能夠滿足規(guī)定的可靠性要求。第11頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五如果試驗時間不斷延長，則Nf將不斷增加，可靠度逐漸減少，這說明零件的可靠度是隨時間發(fā)生改變的，是時間的函數(shù)。累積失效概率第12頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五2.3機(jī)械零件的失效方式及提高強(qiáng)度的一般方法

失效：機(jī)械零件在工作時出現(xiàn)喪失工作能力或達(dá)不到設(shè)計要求性能的現(xiàn)象；失效并不意味著破壞；常見的失效形式有：（1）整體斷裂；（2）過大的彈性變形或殘余變形；（3）零件表面的破壞（過度磨損、過度腐蝕、接觸疲勞破壞、過熱等）；（4）不能滿足工作條件所導(dǎo)致的失效（聯(lián)接的松動、壓力容器和管道的泄漏、運(yùn)動精度達(dá)不到要求、皮帶傳動出現(xiàn)打滑現(xiàn)象、滑動軸承的油膜壓力太小、轉(zhuǎn)動速度與固有頻率重合而發(fā)生共振等）。同一種零件發(fā)生失效的形式可能有很多種；最常發(fā)生的失效形式主要是由于強(qiáng)度、剛度、耐磨性、耐溫度性、振動穩(wěn)定性、可靠性等方面的問題。第13頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五提高機(jī)械零件強(qiáng)度的一般措施

1．合理布置零件，減少零件所受到的最大載荷第14頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五2.采用等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)

3.減小載荷和應(yīng)力集中第15頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五4.選用合理截面比如梁的截面采用工字型、T字型；軸的截面采用圓形、空心圓形等。5.對零件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理比如，為提高零件表面疲勞強(qiáng)度，常采用的表面強(qiáng)化工藝有：噴丸處理及碾壓處理、滲碳、碳氮共滲、滲氮、表面淬火。這些方法都可以在零件表面中形成殘余壓應(yīng)力、提高表面硬度，對提高零件的表面疲勞強(qiáng)度是有利的。第16頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五2.4機(jī)械零件的三種表面強(qiáng)度表面擠壓強(qiáng)度：是指零件表面抵抗表面擠壓破壞的能力表面接觸強(qiáng)度：是指高副接觸的表面抵抗接觸破壞的能力

第17頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五在靜載荷作用下，接觸表面的失效形式為脆性材料的表面壓碎和塑性材料的表面塑性變形。

第18頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五表面磨損強(qiáng)度

對于滑動速度低、載荷較大，可以通過限制工作表面的壓強(qiáng)進(jìn)行計算，以限制過度磨損：

滑動速度較高時，要限制摩擦功耗（限制pv值），以免工作溫度過高而使?jié)櫥В?/p>

對高速情況，還要限制滑動速度，以免由于速度過高而加速磨損：第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五2.5機(jī)械零件的剛度和改進(jìn)措施剛度：零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力；剛度：一般用產(chǎn)生單位彈性變形所需要的外力或力矩進(jìn)行表示；柔度：與剛度對應(yīng)，用單位外力或力矩所產(chǎn)生的彈性變形表示。剛度對機(jī)械零件的影響主要包括：

（1）剛度不足將影響機(jī)器的正常工作，比如軸彎曲過大使得軸頸處發(fā)生干涉；（2）機(jī)械加工中，被加工零件和加工設(shè)備的剛度必須滿足一定的要求，否則會造成過大的加工誤差；（3）剛度的滿足也是保證強(qiáng)度的重要因素之一。對于受壓長桿、受外壓的壓力容器，變形穩(wěn)定性是決定其強(qiáng)度的關(guān)鍵，要提高承載能力就必須首先提高剛度；（4）零件的自振頻率也取決于剛度的大小。剛度大則固有頻率高，剛度小則自振頻率低，對于那些對頻率有要求的零件，改變剛度是重要的措施之一；（5）對于彈簧等彈性元件，保證其具有一定的柔度是設(shè)計中要滿足的條件。第20頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五提高剛度的方法

材料的彈性模量越大，零件的剛度就會越大。一般來說，金屬的彈性模量大于非金屬彈性模量。同類金屬的彈性模量相差不大，因此從提高剛度的角度來說，用貴重的高強(qiáng)度合金鋼代替普通碳鋼是沒有太大的實際意義的。通過改變支承方式可以大大提高剛度

通過預(yù)緊裝配實現(xiàn)剛度提高

Ma：Mb：Mc為4：2：1，最大變形撓度之比ya：yb：yc為16：4：1，第21頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五2.6機(jī)械零件的振動穩(wěn)定性和沖擊強(qiáng)度振動：就是機(jī)械零件發(fā)生周期性變形的現(xiàn)象。引起振動的因素：由往復(fù)運(yùn)動零件產(chǎn)生的慣性力和由擺動零件產(chǎn)生的慣性力矩；由轉(zhuǎn)動零件的不平衡產(chǎn)生的離心力；周期性作用的外力等。描述振動的參數(shù)：振幅和頻率。共振現(xiàn)象：當(dāng)零件的自振頻率和外來周期性刺激力變化頻率相等或者接近的時候，將導(dǎo)致振幅急劇增大，出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，即喪失振動穩(wěn)定性。振動零件計算的準(zhǔn)則：使零件的自振頻率與外來作用的頻率既不相等也不接近。減輕振動的一般措施：（1）盡量采用對稱結(jié)構(gòu)（如花鍵聯(lián)接）、減少懸臂長度、縮短中心距等；（2）對轉(zhuǎn)動零件進(jìn)行平衡，盡量滿足動、靜平衡條件；（3）采用阻尼作用消耗引起振動的能量，比如設(shè)置滑動軸承的油膜阻尼器、液壓缸端部的阻尼孔等；（4）設(shè)置隔振零件，比如加裝彈簧、橡膠墊、隔振層等都具有減振作用。第22頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五機(jī)械零件的沖擊強(qiáng)度所謂沖擊載荷是指以一定的速度作用在零件上的載荷。沖擊載荷對機(jī)械零件的破壞性很大，在設(shè)計中應(yīng)特別加以注意。

第23頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五減緩沖擊所引起的破壞作用。比如：采用能增大零件彈性變形的結(jié)構(gòu)；采用彈性模量低的材料以獲得大的彈性變形；增加橡膠墊、彈簧等緩沖零件吸收沖擊能；盡量消除或減小聯(lián)接間的間隙，防止由于間隙過大引起的沖擊載荷。第24頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五復(fù)習(xí)思考題

1、何謂零件的失效？常見形式有哪些？

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

3、如何判斷零件受力類型？

4、兩種判斷零件強(qiáng)度的方式是什么？

5、安全系數(shù)如何選擇？其大小會產(chǎn)生什么影響？

6、提高零件強(qiáng)度有哪些措施？

7、表面強(qiáng)度有哪幾種？如何計算擠壓和磨損強(qiáng)度？

8、何謂剛度和柔度？剛度不足會產(chǎn)生什么影響？影響剛度的因素有哪些？

9、根據(jù)沖擊模型推導(dǎo)解釋沖擊載荷的危害及如何緩和