第2章 机械零件的工作能力和计算准则

第2章机械零件的工作能力和计算准则机械零件的工作能力反映了零件的抗失效能力。计算准则是设计机械零件的最基本准则。设计人员的任务：设计出合格的零件，使它具有一定的工作能力，抵抗失效。重点、难点主要内容1.失效：零件不发生失效时的安全工作限度。为防止失效而制定的判断条件。2.工作能力：3.工作能力计算准则：机械零件丧失工作能力或达不到设计者要求的性能。一、术语计算准则:计算量≤许用量不同的失效形式不同的工作能力不同的计算准则。名义载荷：机器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。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）。2.1载荷与应力的分类(二载荷与应力的分类)2.1载荷与应力的分类(二载荷与应力的分类)1.载荷的分类2.应力的分类应力计算应力计算载荷名义应力名义载荷载荷应力变应力变载荷静应力静载荷载荷图2.2静应力：r=1σt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;在载荷作用下，机械零件将承受某种应力;非稳定变应力对称循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力稳定变应力变应力描述变应力特性的主要参数有：－应力循环特性。maxmin,,,,minmaxam应力分类,,maT不变稳定变应力---,,maT其中之一变非稳定变应力---零件尺寸取决于危险截面的最大计算应力（最大应力）应力分类零件工作—→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三、设计准则1、刚度准则刚度：抵抗弹性变形的能力。][][，yy机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。2、寿命准则实际使用寿命大于或等于预期寿命，L≥[L]。3、温升准则Δt≤[Δt]4、强度准则强度：零件抵抗断裂、塑变、疲劳破坏的能力。(2.2机械零件的强度)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)方法][][τlimτσlimσSSSS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]）][][(2.2.2静应力强度)在静应力下工作的零件，主要失效形式：塑性变形或断裂。(2)静应力强度强度条件公式为（2.1）或（2.2）应力集中。求计算应力时可不考虑,lims2.复合应力时的塑性材料零件根据第三或第四强度理论来确定其强度条件。强度条件：(2.3)222234TbTbslim1.单向应力时的塑性材料零件SSSSSSSSTssbs22222或(2.4)复合安全系数：3.允许少量塑性变形的零件可根据允许达到一定塑性变形时的载荷进行强度计算。2.2.2静应力强度4.脆性材料和低塑性材料的零件公式（2.1）和（2.2）中的极限应力为材料的强度极限。对组织不均匀的材料，在计算时不考虑应力集中。组织均匀的低塑性材料应考虑应力集中。2.2.3变应力强度(ch3)在变应力下工作的零件，其主要失效形式是疲劳断裂。应用（2.1）--(2.4)计算疲劳强度时，其极限应力为疲劳极限。rlim安全系数的选择原则：在保证安全、可靠的前提下，尽可能选用较小的许用安全系数。安全系数过小，机器可能不够安全；安全系数过大，在材料、加工、运输等方面不符合经济原则，且机器笨重。不同的机器制造部门，常有自己制定的许用应力和许用安全系数的专用规范。没有规范的可遵循一定原则选用许用安全系数：自学内容P15。2.2.4许用安全系数2.2.5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。2.3机械零件的表面强度整体强度表面强度静强度疲劳强度静应力下的强度变应力下的强度表面磨损强度表面挤压强度表面接触强度在滑动摩擦下工作的零件挤压应力下的强度是指高副接触的表面抵抗接触破坏的能力表面疲劳磨损——疲劳点蚀，简称点蚀。主要失效形式：1）静应力下：脆性材料——表面压溃；塑性材料——表面塑性变形2）变应力下：2.3.1表面接触强度HHmax强度条件应力的分布规律：ρ1ρ2max221212111HFbEE2.3.1表面接触强度表面接触应力：局部小面积上产生的接触应力赫兹（1881）表面疲劳磨损——疲劳点蚀，简称点蚀。主要失效形式：1）静应力下：脆性材料——表面压溃；塑性材料——表面塑性变形2）变应力下：后果：2.3.1表面接触强度点蚀的形成和润滑油的关系：不发生失效的强度条件：HHmax2.3.2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。——将外接触改为内接触。——将点接触改为线接触。——采用粘度较高的润滑油。——提高接触表面的加工质量。——提高零件表面硬度。降低计算应力提高许用应力例2.2求图2.10所示三种圆柱体接触的最大接触应力之比，其他工作条件均相同，尺寸已知。解：212121maxmaxmax1111111111:1:1::cbacbacHbHaH483.0:783.0:1::maxmaxmaxcHbHaH图2.10挤压应力：通过局部配合面间的接触来传递载荷的零件，在接触面上的压应力叫挤压应力。2.3.3表面挤压强度主要失效形式：脆性材料——表面塑性变形；表面破碎。塑性材料——挤压强度条件：pp2.3.4表面磨损强度在滑动摩擦下工作的零件，常因过度磨损而失效。影响磨损的因素很多，而且比较复杂，通常采用条件性计算。1）滑动速度低、载荷大时，可只限制工作表面的压强，即pp2）滑动速度较高时，还要限制摩擦功耗，以免工作温度过高而使润滑失效。pvpv2.4机械零件的刚度2.5机械零件的冲击强度2.6温度对机械零件工作能力的影响2.7机械零件的振动稳定性2.8机械零件的可靠性3）高速时还要限制滑动速度，以免由于速度过高而加速磨损，降低零件工作寿命，即vv重点：载荷与应力的分类；机械零件的强度。机械零件的表面强度。2.1载荷与应力的分类2.2机械零件的强度图2.10例题2.2ρ1ρ2ρ1ρ1ρ2图2.2在静载荷下，随时间变化的变应力图2.1应力类型静应力对称循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力σσσσ赫兹：(1857-1894)德国物理学家，生于汉堡。早在少年时代就被光学和力学实验所吸引。十九岁入德累斯顿工学院学工程，由于对自然科学的爱好，次年转入柏林大学，在物理学教授亥姆霍兹指导下学习。1885年任卡尔鲁厄大学物理学教授。1889年，接替克劳修斯担任波恩大学物理学教授，直到逝世。赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对他寄以更大期望时，他却于1894年元旦因血中毒逝世，年仅36岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字来命名各种波动频率的单位，简称“赫”。赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。1881年，赫兹解出了两弹性体局部接触时弹性体内的应力分布。1何谓失效？失效就是破坏？2零件的计算准则与失效形式有什么关系？常用的有哪些准则？它们是针对什么失效形式而建立的？3解释以下术语：静载荷，变载荷，名义载荷，计算载荷，静应力，变应力，最大计算应力（最大应力）思考题：4何谓变应力的循环特性r？对静应力、脉动循环变应力和对称循环变应力其r值各为多少，其各为多少？am5变应力只能由变载荷产生吗？静载荷只能产生静应力吗？6静应力强度计算时，塑性材料的零件，其极限应力应为，脆性材料的零件，其极限应力应为。疲劳强度计算时，极限应力应。思考题：、7判断零件强度的方法有哪两种？8根据接触状态和工作条件不同，零件的表面强度分为哪三种？9依靠表面接触工作的零件，你知道的有哪些？10重型机械中，常见到内接触的零件，为什么？11疲劳点蚀是如何产生的？12提高零件表面接触强度的措施有哪些？思考题：九江大桥2007年6月15日凌晨一座百余人历经两年时间建造的桥，在竣工前夕轰然垮塌！123位正在劳作的建桥工人遭飞来横祸,63人逃生，其中22人受伤；已确证47人死于非命，另有十余人仍被压在碎石之下，生还无望。这是2007年8月13日下午4时50分左右，发生于湖南省湘西土家族苗族自治州凤凰县古城边的惨烈一幕。事故桥系湖南省重点工程——凤大公路路段中的一座公路桥梁。按照规划，这条“旅游黄金大道”应在今年8月底通车，并为湘西州50年州庆“献礼”。湘西凤凰桥坍塌