机械零件的强度和设计准则

第2章机械零件的强度和设计准则•载荷及其产生的应力，是导致机械零件发生损伤甚至失效的最主要原因；•对机械零件进行载荷和应力分析是进行机械设计过程中首先面临和要解决的问题。•机械零件的载荷：一般是指它所受到的力（F）、弯矩（M）、扭矩（T）。•静载荷：不随时间变化、变化缓慢或者变化幅度相对很小的载荷。如零件所受到的重力、锅炉稳定工作时所受到的压力等。•变载荷：随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷。如汽车齿轮箱中的齿轮、轴、轴承等所受的载荷均为变载荷。在进行载荷计算过程中也常将载荷分为名义载荷（F、T、M）和计算载荷(Fc、Tc、Mc)，计算载荷等于名义载荷乘以载荷系数K载荷系数K的数值主要取决于动力机和工作机的性质，动力机和工作机的工作越平稳，则冲击载荷越小，载荷系数就越小，反之则应该取大值。KMMKTTKFFccc名义载荷：机器在平稳工作条件下作用在零件上的载荷；计算载荷：考虑载荷的时间不均匀性、分布的不均匀性以及其它影响因素对名义载荷进行修正得到的载荷名义载荷的计算一般运用公式来进行，比如十分常用的一种已知转动速度n和输入功率P计算旋转运动件所受到的扭矩：（Nmm）在进行载荷计算时往往要通过一些简化处理，这是因为实际载荷的作用往往都是作用在一定的范围面上。nPT61055.9在载荷作用下，机械零件将承受某种应力;按应力在零件上的分布情况可分成体应力和表面应力（接触应力）;通常所讲的拉伸或压缩应力σ、弯曲应力σb、扭转应力τ等都属于体应力;体应力又可以分为静应力和变应力;静应力是指不随时间变化或变化缓慢的应力，它只能由静载荷产生；变应力是指随时间变化的应力，变应力可由变载荷产生，也能由静载荷产生;变应力可以归纳为三种基本的类型:对称循环变应力、非对称循环变应力、脉动循环变应力;五个参数中任意取出两个就可以准确地描述一个应力的性质。。（1）横坐标以上为拉伸应力，数值为正，横坐标以下为压缩应力，数值为负。对于剪切应力，则可以自行规定一个方向为正值，另一个方向为负值。（2）根据绝对值大小判断和，绝对值大者为，小者为。（3）循环特性的变化范围为。maxminmaxmin11r在实际问题中碰到的变应力很多处于一种不稳定变化状态，甚至是随机变应力静载荷也能产生变应力：2.2机械零件计算的准则计算准则----针对某种失效形式、为满足某种工作能力而建立的设计准则强度准则•两种计算准则：一种是根据许用应力建立的计算准则，另一种是根据安全系数建立的计算准则；•在实际使用中根据所掌握的数据情况确定选择使用哪种强度准则。1．通过判断危险截面的最大许用应力（σ，τ）是否小于或等于许用应力[σ]，[τ]。2．通过判断危险截面上实际的安全系数（Sσ，Sτ）是否大于或等于许用安全系数（[Sσ]，[Sτ]）][][][][τlimτσlimσSSSS强度准则•安全系数：零件所能承受的极限应力与实际应力的比值,它反映的是零件的安全工作程度；•安全系数如果选择过大，则造成材料浪费、机器笨重、加工运输困难、成本提高等一系列问题。安全系数过小，则可能导致不安全；•许用安全系数的确定要考虑：（1）载荷和应力的性质和计算的准确程度；（2）运行条件的平稳程度（是否有冲击载荷）；（3）材料的性质和材质的均匀程度；（4）零件的重要程度；（5）工艺和探伤水平；（6）环境是否具有腐蚀性。•安全系数的选择原则：在保证安全、可靠的前提下，尽可能选用较小的安全系数。2.2.2刚度准则零件在载荷作用下产生的弹性变形分为挠度y、转角θ和扭角φ，刚度计算准则就是要求零件在实际工作中所产生的弹性变形量小于或等于许用的弹性变形量][][][yy2.2.3寿命准则•决定零件寿命的有腐蚀、疲劳和磨损三种最为主要的因素；•这三种因素的研究进程各不相同，关于磨损问题的研究目前还很不完善，还无法建立一个能够为广泛接受的计算准则；腐蚀问题的研究也存在同样的问题，至今还未出现能够具有通用性的计算准则，因而也无法建立明确的计算准则；•疲劳问题是目前发展比较成熟的一个研究方向，已经可以较为定性地进行疲劳寿命计算，但是在一定可靠度的前提下进行的计算。2.2.4可靠性准则所谓可靠性，就是产品在规定的条件下、规定的时间内，完成规定功能的可靠程度；比如：有N个同样零件在规定的时间t内有Nf个零件发生失效，剩下Nt个零件仍能继续工作，则可靠度为失效概率可靠性计算准则：保证零件在工作过程中能够满足规定的可靠性要求。NNNNNNNRfftt1tftRNNF11ttFR如果试验时间不断延长，则Nf将不断增加，可靠度逐渐减少，这说明零件的可靠度是随时间发生改变的，是时间的函数。累积失效概率NdtdNdtdFtfft)(dttfdFFtt)(ttFR12.3机械零件的失效方式及提高强度的一般方法•失效：机械零件在工作时出现丧失工作能力或达不到设计要求性能的现象；•失效并不意味着破坏；•常见的失效形式有：（1）整体断裂；（2）过大的弹性变形或残余变形；（3）零件表面的破坏（过度磨损、过度腐蚀、接触疲劳破坏、过热等）；（4）不能满足工作条件所导致的失效（联接的松动、压力容器和管道的泄漏、运动精度达不到要求、皮带传动出现打滑现象、滑动轴承的油膜压力太小、转动速度与固有频率重合而发生共振等）。•同一种零件发生失效的形式可能有很多种；•最常发生的失效形式主要是由于强度、刚度、耐磨性、耐温度性、振动稳定性、可靠性等方面的问题。提高机械零件强度的一般措施1．合理布置零件，减少零件所受到的最大载荷2.采用等强度结构3.减小载荷和应力集中4.选用合理截面比如梁的截面采用工字型、T字型；轴的截面采用圆形、空心圆形等。5.对零件表面进行强化处理比如，为提高零件表面疲劳强度，常采用的表面强化工艺有：喷丸处理及碾压处理、渗碳、碳氮共渗、渗氮、表面淬火。这些方法都可以在零件表面中形成残余压应力、提高表面硬度，对提高零件的表面疲劳强度是有利的。2.4机械零件的三种表面强度•表面挤压强度：是指零件表面抵抗表面挤压破坏的能力•表面接触强度：是指高副接触的表面抵抗接触破坏的能力222121max111124EEbFabFH][ppAF322221212max1116123EEFcFH在静载荷作用下，接触表面的失效形式为脆性材料的表面压碎和塑性材料的表面塑性变形。maxmax][HH表面磨损强度对于滑动速度低、载荷较大，可以通过限制工作表面的压强进行计算，以限制过度磨损：滑动速度较高时，要限制摩擦功耗（限制pv值），以免工作温度过高而使润滑失效：对高速情况，还要限制滑动速度，以免由于速度过高而加速磨损：][pp][pvpv][vv2.5机械零件的刚度和改进措施•刚度：零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力；•刚度：一般用产生单位弹性变形所需要的外力或力矩进行表示；•柔度：与刚度对应，用单位外力或力矩所产生的弹性变形表示。•刚度对机械零件的影响主要包括：（1）刚度不足将影响机器的正常工作，比如轴弯曲过大使得轴颈处发生干涉；（2）机械加工中，被加工零件和加工设备的刚度必须满足一定的要求，否则会造成过大的加工误差；（3）刚度的满足也是保证强度的重要因素之一。对于受压长杆、受外压的压力容器，变形稳定性是决定其强度的关键，要提高承载能力就必须首先提高刚度；（4）零件的自振频率也取决于刚度的大小。刚度大则固有频率高，刚度小则自振频率低，对于那些对频率有要求的零件，改变刚度是重要的措施之一；（5）对于弹簧等弹性元件，保证其具有一定的柔度是设计中要满足的条件。提高刚度的方法•材料的弹性模量越大，零件的刚度就会越大。一般来说，金属的弹性模量大于非金属弹性模量。同类金属的弹性模量相差不大，因此从提高刚度的角度来说，用贵重的高强度合金钢代替普通碳钢是没有太大的实际意义的。•通过改变支承方式可以大大提高刚度•通过预紧装配实现刚度提高Ma：Mb：Mc为4：2：1，最大变形挠度之比ya：yb：yc为16：4：1，2.6机械零件的振动稳定性和冲击强度•振动：就是机械零件发生周期性变形的现象。•引起振动的因素：由往复运动零件产生的惯性力和由摆动零件产生的惯性力矩；由转动零件的不平衡产生的离心力；周期性作用的外力等。•描述振动的参数：振幅和频率。•共振现象：当零件的自振频率和外来周期性刺激力变化频率相等或者接近的时候，将导致振幅急剧增大，出现失稳现象，即丧失振动稳定性。•振动零件计算的准则：使零件的自振频率与外来作用的频率既不相等也不接近。•减轻振动的一般措施：（1）尽量采用对称结构（如花键联接）、减少悬臂长度、缩短中心距等；（2）对转动零件进行平衡，尽量满足动、静平衡条件；（3）采用阻尼作用消耗引起振动的能量，比如设置滑动轴承的油膜阻尼器、液压缸端部的阻尼孔等；（4）设置隔振零件，比如加装弹簧、橡胶垫、隔振层等都具有减振作用。机械零件的冲击强度所谓冲击载荷是指以一定的速度作用在零件上的载荷。冲击载荷对机械零件的破坏性很大，在设计中应特别加以注意。2),(yFEyhFEpk2)(yFyhFyyFFFKFyhFI211减缓冲击所引起的破坏作用。比如：采用能增大零件弹性变形的结构；采用弹性模量低的材料以获得大的弹性变形；增加橡胶垫、弹簧等缓冲零件吸收冲击能；尽量消除或减小联接间的间隙，防止由于间隙过大引起的冲击载荷。复习思考题1、何谓零件的失效？常见形式有哪些？2、载荷、应力各如何分类？基本变应力有哪几种？用哪些参数描述变应力？3、如何判断零件受力类型？4、两种判断零件强度的方式是什么？5、安全系数如何选择？其大小会产生什么影响？6、提高零件强度有哪些措施？7、表面强度有哪几种？如何计算挤压和磨损强度？8、何谓刚度和柔度？刚度不足会产生什么影响？影响刚度的因素有哪些？9、根据冲击模型推导解释冲击载荷的危害及如何缓和冲击作用。10、何谓振动、共振及失稳？稳定性计算的准则是什么？减轻振动的措施有哪些？11、什么是可靠度？SEMINARTOPIC机械零件的工作能力应包括那些方面？计算准则和工作能力之间有什么关系？教材中关于工作能力的介绍是否有遗漏？本章作业：1-4，1-5，1-6，1-14，1-16，1-37