第2章机械设计的工作能力和计算准则

第2章机械零件的强度和计算准则2.1机械零件的载荷和应力2.2机械零件的计算准则2.3提高强度的一般方法2.4机械零件的三种表面强度2.5机械零件的刚度及改进措施2.6机械零件的稳定性和冲击强度2.1机械零件的载荷和应力2.1.1机械零件的载荷----静载荷和变载荷(1)静载荷----不随时间变化或变化很小(2)变载荷----随时间作周期性或非周期性变化设计计算中涉及----名义载荷F计算载荷Fc=kF载荷系数K----主要由动力机和工作机的工作性能决定变应力静应力：r=1σt脉动循环：r=0σt0对称循环：r=-1σt0非对称循环tσ02.1.2机械零件的应力maxmin稳定循环变应力的基本参数和种类a)基本参数应力循环特性ammaxammin2minmaxm2minmaxamaxmin最大应力最小应力平均应力应力幅11•变应力通常可用5个参数中任两个来描述:•变应力进行有关参数计算时应该注意几点问题：（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σmax和σmin，绝对值大者为σmax，小者为σmin。（3）循环特性的变化范围为。11r静应力只能由静载荷产生，变应力可能由变载荷或静载荷产生。aσ0tt0σa在变应力下，零件的主要失效形式为：疲劳破坏•4.名义应力----由名义载荷求出的应力•5.计算应力----由计算载荷求出的应力2.2机械零件的计算准则•机械零件的失效方式•失效----零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能。•常见失效形式•整体断裂；变形过大；零件表面破坏、不能满足工作条件包括：打滑；联接松动、泄露等。失效具有多样性,同一种零件会有多种失效形式，但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。零件工作—→承受载荷—→载荷欲使零件失效零件据自身结构、材料反抗失效—→反抗失效＞失效—→解决办法：合理设计遵循设计准则2.2.1强度准则强度：零件抵抗断裂、塑变、疲劳破坏的能力1.判断危险截面的最大应力(,)是否小于或等于许用应力([],[])][][],[][S][],[limlimS2.判断危险截面的实际安全系数是否大于或等于许用安全系数][][limlimSSSS采用何种方法计算，通常由可资利用的数据和计算惯例来诀定。S——安全系数，S＞1—→S↑：安全，浪费材料S↓：经济，不安全安全系数意义考虑实际情况及必要强度储备安全系数的决定因素（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。•刚度----零件在载荷作用下抵抗变形的能力(力,力矩/弹性变形量)•柔度----在外力作用下产生变形的能力(弹性变形量/力,力矩)2.2.2刚度准则刚度指标:伸长,压缩,挠度,扭角,转角计算准则:弹性变形量不大于许用值][][][yy实际的弹性变形量可以根据不同的零件，依据不同的理论或实验方法进行确定，而相应的许用值则需要根据不同的场合，根据理论和经验确定合理的数值。机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。2.2.3寿命准则寿命是机械零件能正常工作延续的时间决定零件寿命的主要的因素----腐蚀、疲劳和磨损；磨损问题和腐蚀----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；疲劳问题----目前发展比较成熟，具体的疲劳寿命计算方法，后续章节中有详细的介绍。1.可靠性----产品在规定的条件下和规定的时间内无故障完成规定功能的能力2.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)Rt=Nt/N=(N-Nf)/N=1-Nf/NN－总的零件Nt－继续工作的零件Nf－失效的零件3.累积失效概率----产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率(Ft或P)Ft=Nf/N=1-Rt,Ft+Rt=12.2.4可靠性准则•随试验时间不断延长，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。•对Ft进行微分得：•失效分布密度f(t)=dFt/dt=dNf/Ndt•与时间的关系曲线称为失效分布曲线,常见的分布曲线有正态分布,可根据分布函数求出可靠度。•可靠性计算准则,就是要保证零件在工作过程中能够满足规定的可靠性要求。2.3提高强度的一般方法2.3.2提高机械零件强度的一般措施1）合理布置零件,减少所受最大载荷图2.6改进零件布置提高弯曲强度2）采用等强度结构图2.7阶梯轴的等强度原理3）减少应力集中图2.8齿面载荷的均布措施•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。表面强度分为三种:1）表面挤压强度2）表面接触强度3）表面磨损强度2.4机械零件的表面强度1）表面挤压强度表面挤压强度：零件表面抵抗表面挤压破坏的能力1.挤压应力：在接触面上的压应力•2.挤压失效形式----压碎和塑性变形•3.挤压应力的分布•4.条件性简化计算挤压应力•5.计算公式][PPAF2）表面接触强度指高副接触的表面抵抗接触破坏的能力（线接触和点接触）静载荷作用时的失效形式:----脆性材料的表面压碎和塑性材料的表面塑性变形变载荷作用下的失效形式:----失效为疲劳破坏(表面疲劳磨损或点蚀)•对于圆柱接触的情形，接触应力为：222121max111124EEbFabFHE为两接触材料的弹性模量，为泊松比，为综合曲率半径（正号表示外接触，负号表示内接触）21111点接触的情形一般可以归结为两个球体的接触，接触应力为：322221212max1116123EEFcFH----两圆柱体接触，接触面为矩形，最大接触应力σHmax∝F1/2，两球体接触，接触面为圆形，最大接触应力σHmax∝F1/3----最大接触应力以两圆柱体外接触最高，圆柱体-平面接触次之，内、外圆柱体接触最低计算准则maxmax][HHσHmax----最大接触应力[σH]max----最大许用接触应力最大接触应力σHmax根据赫兹接触应力公式进行计算。3）表面磨损强度条件性计算1、滑动速度低、载荷大时限制表面压强p[p]2、滑动速度较高时防止润滑失效pv[pv]3、高速时防止速度过高加速磨损v[v]p----工作表面的压强v----滑动速度•提高刚度的方法：•1）材料对刚度的影响•弹性模量大则刚性就大,金属大于非金属,同类金属的弹性模量相差不大,以高强度合金钢代替普通碳钢来提高刚度的方法不可取2.5机械零件的刚度和改进措施2）结构对刚度的提高支承方式和位置悬臂支承、球轴承简支承和滚子轴承支承结构，它们的最大弯矩之比为Ma：Mb：Mc为4：2：1，最大变形挠度之比ya：yb：yc为16：4：1，3）通过预紧装配实现刚度的提高2.6机械零件的振动稳定性冲击强度•2.6.1零件的振动和振动稳定性振动----零件周期性的弹性变形现象失稳----零件或机器的自振频率和周期性外力的变化频率相等或相接近时，发生共振，振幅将急剧增大，此种现象称为失稳。振动稳定性计算准则----使零件的固有频率f与外力作用频率fp既不相等也不接近0.85ffp1.15ffp•一般采取的措施有：•（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。2.6.2机械零件的冲击强度1.冲击强度和冲击变形的计算由冲击能转变为变形能：F'=KIFσ'＝KIσy'=KIy－为冲击系数yhKI211y为静载荷F作用下的物体B弹性变形量冲击系数的确定方法为：轻度冲击1～1.1，中度冲击1.25～1.4，重度冲击1.6～2，极大冲击2～3。习题1-41-51-61-91-141-161-37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？