机械零件的工作能力和计算准则

机械零件的主要失效形式第二章机械零件的工作能力和计算准则•失效：零部件不能满足工作要求称为失效破坏正常工作条件引起的失效：打滑、胶合、共振整体断裂：拉，压，弯，扭过大的残余应力：加工，热处理零件表面的破坏：点蚀、磨损，热处理•工作能力：不发生失效时的工作限度•计算（设计）准则：（要满足的条件）–○强度准则：σ≤［σ］或τ≤［τ］；［σ］＝或［τ］＝τmin/s–○刚度准则：ｙ≤［ｙ］或θ≤［θ］φ≤［φ］–○耐磨性准则：验算压强：ｐ［ｐ］，单位接触面上单位时间产生摩擦功不太大，控制ｐｖ≤［ｐｖ］–○可靠性准则：按传统强度设计方法设计零件，由于材料强度，外载荷和加工尺寸等存在离散性，有可能出现达不到预定工作时间而失效的情况。希望将出现这种失效情况的概率控制在一定程度之内，这就对零件提出可靠性要求。–○可靠度：机器或零件在一定工作环境下，在规定的使用期限内连续工作的概率。•2.1载荷和应力的分类–载荷是机械设计中的重要参数，是重要的设计目标之一，也是造成失效的重要原因•2.1.1载荷分类–静载荷：不随时间变化的载荷–动载荷：随时间变化（周期或非周期、大小、方向、位置）的载荷–名义载荷：根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷（F、P、T）–计算载荷：考虑原动机、工作机、零件受力不均匀等因素影响而设计出的载荷–Fc=KF,Pc=KP,Tc=KT(K参见P12)•2.1.2应力分类（载荷无法衡量工作极限，需要用应力,见P12）–静应力：只能由静载荷产生–变应力对称循环脉动循环可以变载荷产生也可以由静载荷产生(P13)非对称循环–应力循环特性r:最小与最大应力之比–变应力的描述：用σmax，σmin，σm，σa，r五个参数中的任意两个来描述2.2机械零件的强度•2.2.1两种判断零件强度的方法–应力法•σ≤[σ]=σlim/[Sσ],τ≤[τ]=τlim/[Sτ],–安全系数法–Sσ=σlim/σ≥[Sσ],Sτ=τlim/τ≥[Sτ],•2.2.2静应力强度–失效形式：塑性变形或断裂–单向应力时极限应力采用屈服极限σs,τs–复合应力时的塑性材料（τmax是破坏主因按第三、强度理论，单位体积塑性变形是破坏主因用第四强度理论，公式见P１４）–脆性材料极限应力采用强度极限σB,τB•2.2.3变应力强度（主要破坏形式是疲劳，见下章）•2.2.4许用安全系数–根据工作情况选择，在保证安全可靠的情况下，尽可能小（具体P15）•2.2.5提高机械零件强度的措施•（材料、截面积及结构等方法，结构见P16）•2.3机械零件的表面强度–在零件整体没出现断裂、塑性变形等情况下，零件表面也可能出现破坏失效，这种失效由表面强度确定–表面强度分：①表面接触强度；②表面挤压强度；③表面磨损强度；•2.3.1表面接触强度–产生原因：力作用点、接触面接触不均匀及塑性变形造成接触面局部应力较大（P19图）–计算：赫兹公式（P19，理解，并理解课本上的两个例题）–失效形式：•静载荷：脆性材料的表面压碎和塑性材料的表面塑性变形•循环接触：表面疲劳磨损（疲劳点蚀），产生原因及过程见P20–强度指标（极限应力）•静载荷：最大许用接触应力σHmax≤[σH]max•循环接触：接触疲劳极限（在规定的应力循环次数下材料不发生点蚀现象的极限应力）σHmax≤[σH]•2.3.2提高表面接触强度的主要措施–增大接触表面的综合曲率半径，以降低接触应力（赫兹公式）–将外接触改为内接触，将点接触改为线接触，降低接触应力（课本上例子）–提高表面质量，使接触面更均匀，降低接触应力，同时减少缺陷，避免发生应力集中–提高表面硬度，延缓点蚀–采用黏度高的润滑油，减轻油挤入裂纹，形成油压••2.3.3表面挤压强度–产生原因：局部应力过大–失效形式：压溃（表面塑性变形）和表面破碎–计算公式：σp=F/A≤[σp],A为曲面接触时的投影面积（见P22）•2.3.4表面磨损强度–计算准则：–滑动速度低，载荷大时p≤[p]–中速时：pv≤[pv]–高速时：pv≤[pv]；v≤[v]•2.3.5提高表面磨损强度的主要措施–采用合适的摩擦副材料，如：钢－青铜–提高表面硬度，降低表面粗糙度–采用有效的润滑剂和润滑方法–防尘、防高温•2.4机械零件的刚度–刚度：在载荷作用下抵抗弹性变形的能力•2.4.1刚度的影响–刚度不足影响机器的正常工作，加速零件失效（弹性零件则需要较小的刚度）•刚度计算–ｙ≤［ｙ］或θ≤［θ］φ≤［φ］•影响刚度的因素及其改进措施–材料对刚度的影响•弹性模量大则刚度大，但同类金属材料的弹性模量相差不大，故没必要用合金钢代替普通钢来提高刚度–结构对刚度的影响•截面形状：增大截面面积，采用中空、工字钢、槽钢、T形截面等惯性矩大的截面•支撑方式：采用合适的支撑方式，减少最大弯矩（见p24图）•采用加强筋–在装配中适当增加予紧力有助于刚度的提高（具体原因见１８章）•2.5机械零件的冲击强度•2.5.1冲击强度和冲击变形计算（P25）–讨论计算公式，并定性地了解结论•2.5.2提高冲击强度和缓冲能能力的措施–增加柔性（柔性结构设计、低弹性模量材料、增加橡胶、弹簧垫等）–避免冲击（予紧防止出现间隙）•2.6温度对机械零件工作能力的影响•2.6.1对摩擦磨损的影响–温度过高造成润滑油黏度下降，导致吸附油膜破裂，太低会使油黏度过大，甚至凝固•2.6.2温度对材料膨胀和收缩的影响–热胀冷缩，设计时要采取补偿措施（见P29表2.5)•2.6.3温度对材料力学性能的影响–高温下金属强度一般会急剧下降，低温时钢强度提高，但变脆；有色金属在低温下一般无冷脆性，且强度及塑性均有提高，所以低温设备常用有色金属制造．–蠕变：在一定工作温度和应力下，零件塑性变形缓慢而连续增长的现象，如高温高压的管道管壁逐渐变薄–改善蠕变的措施：采用耐热钢、冷却和隔热–松弛：由于塑性变形而引起的，原予紧零件应力逐渐减小的现象–改善松弛的措施：采用耐温材料、采用加工良好的接触面、定期检查•2.7机械零件的振动稳定性•2.7.1振动稳定性–失稳：机器或零件发生共振时，振幅会急剧增大，从而丧失振动稳定性，这种现象称为失稳•2.7.2减轻振动的措施–采用对称结构，减少悬臂长度、缩短中心距等–对转动零件进行平衡–利用阻尼消耗振动–设置隔振零件•2.8机械零件的可靠性•2.8.1可靠性概念–可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力–可靠度：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率，–Rt=Nt/N=1-Nf/N–累计失效概率：产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率–Ft=Nf/N=1-Rt–Rt+Ft=1•例题：铆钉联接，两块钢板材料均为Q215，F=500000N，•求：各部分尺寸。MPapMPaMPa400180200•解：分析失效方式及计算公式1。钉剪切2板挤压3板拉断4板边剪切sdeFdesFsdbFdbsFpdsFpsdFpdFdF)2(24)2(2)(3)(242142•F1=F2=F3=F4=F5=F由1：d=18.8取d为18由2：S=6.6取S为7由3：b=54.7取b为55由4：e=29.3取e为30end