第3章机械零件的工作能力分析

机械设计基础第3章机械零件的工作能力分析第3章机械零件的工作能力分析3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析3.2零件剪切与挤压变形时的工作能力分析3.3零件扭转变形时的工作能力分析3.4零件弯曲变形时的工作能力分析3.5零件组合变形时的工作能力分析3.6基本技能训练——材料轴向拉伸(压缩)时的力学性能实验3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析图3-1轴向拉伸与压缩3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析3.1.1轴向拉伸或压缩的概念杆件受到外部沿轴线方向的拉力或压力（称轴向力）作用而使杆件沿轴向伸长或缩短，这种变形称为轴向拉伸或压缩，如图3⁃1所示。产生拉伸或压缩变形的杆件称为拉压杆。图3-2旋臂式起重机3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析图3-3紧固螺栓3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析图3-4液压缸活塞杆3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析图3-5建筑物中的支柱3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析3.1.2内力分析与应力分析1.轴力和轴力图(1)轴力作用在杆件上的载荷和约束反力统称为外力。图3-6拉(压)杆横截面上的内力3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析3.1.3轴向拉伸或压缩时的变形计算图3-9拉杆的变形3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析表3-1几种常用材料的E和μ值3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析3.1.4材料在拉伸或压缩时的力学性能材料在外力作用下其强度和变形方面所表现出的力学性能，是强度计算和选用材料的重要依据。在不同的温度和加载速度下，材料的力学性能将发生变化。本节主要介绍常用材料在常温（指室温）、静载（加载速度缓慢平稳）情况下，拉伸和压缩时的力学性能。图3-11拉压试件标准3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析1.(1)低碳钢在拉伸时的力学性能低碳钢是工程上应用最广泛的材料，同时，低碳钢试件在拉伸试验中所表现出来的力学性能最为典型。图3-12低碳钢拉伸图3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析图3-13Q235钢拉伸的σ-ε曲线图3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析(2)材料的力学性能指标试件拉断后，材料的弹性变形消失，塑性变形则保留下来，试件长度由原长L0变为Lu。图3-14铸铁在拉伸时的σ-ε曲线图3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析(3)铸铁在拉伸时的力学性能对于脆性材料，例如灰铸铁，从图3-14所示的σ-ε曲线可以看出，从开始受拉到断裂，没有明显的直线部分(图中实线)。2.图3-15低碳钢压缩时的σ-ε曲线图3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析图3-16铸铁压缩时的σ-ε曲线图3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析1)刚度指标：弹性模量E。2)强度指标：屈服极限σs和强度极限σb(σbc)。3)塑性指标：断后伸长率A和断面收缩率Z。3.1.5轴向拉伸或压缩时的强度计算1.许用应力和安全因数2.轴向拉伸或压缩时的强度计算(1)强度校核若已知杆件尺寸A、载荷F和材料的许用应力［σ］，则可验算杆件是否满足强度要求(2)设计截面尺寸若已知杆件的工作载荷及材料的许用应力［σ］(3)确定许可载荷若已知杆件尺寸和材料的许用应力［σ］，可确定许可载荷3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析3.1.6压杆稳定性的概念由前所述，对于一般的受压直杆，认为只要满足压缩强度条件，就能保证压杆的正常工作。事实上这一结论仅适合于短粗压杆，而细长压杆并非如此。3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析图3-18压杆的稳定性3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析图3-19细长压杆的应用实例3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析解决压杆稳定问题的关键是提高临界压力Fcr。工程上提高压杆的稳定性的主要措施有：加固端部约束；减小压杆长度；采用合理的截面形状如图3-20所示。图3-20合理的截面形状理3.2零件剪切与挤压变形时的工作能力分析3.2.1剪切与挤压的概念1.图3-21剪板机剪切钢板3.2零件剪切与挤压变形时的工作能力分析图3-22铆钉连接3.2零件剪切与挤压变形时的工作能力分析图3-23螺栓联接2.3.2零件剪切与挤压变形时的工作能力分析图3-24挤压的概念3.2.2剪切与挤压的内力分析与应力分析3.2零件剪切与挤压变形时的工作能力分析用截面法来研究铆钉在剪切面上的内力。用一截面假想地将铆钉沿剪切面m-m截开，分为上下两部分。任取一部分为研究对象，为了保持平衡，在剪切面内必然有与外力F大小相等，方向相反的内力存在，这个内力叫做剪力，用FQ表示，它是剪切面上分布内力的合力，如图3⁃25所示。图3-25剪切内力与应力分析3.2零件剪切与挤压变形时的工作能力分析图3-26挤压应力分析3.2.3抗剪与挤压强度计算1.抗剪强度条件2.挤压强度条件3.3零件扭转变形时的工作能力分析3.3.1扭转的概念驾驶汽车时，司机加在转向盘上两个大小相等、方向相反的切向力，它们在垂直于操纵杆轴线的平面内组成一力偶，如图3⁃29所示。同时，操纵杆下端则受到一转向相反的阻力偶的作用。在这两个力偶作用下，操纵杆产生扭转变形。图3-29汽车转向盘的操纵杆3.3零件扭转变形时的工作能力分析图3-30掘土机械中的螺旋钻的空心圆轴3.3零件扭转变形时的工作能力分析图3-31扭转变形3.3.2内力分析与应力分析1.外力偶矩的计算2.转矩与转矩图3.3零件扭转变形时的工作能力分析图3-32转矩3.3零件扭转变形时的工作能力分析3.3.3圆轴扭转的强度计算由前所述，等截面圆轴扭转时，最大应力发生在最大转矩截面的外周边各点；变截面轴扭转时最大应力则发生在转矩与扭转截面系数之比最大的那个截面上，所以对变截面轴而言，应根据转矩与扭转截面系数的比值来判断其危险截面。图3-40例3-10图3.3零件扭转变形时的工作能力分析3.3.4圆轴扭转的变形和刚度计算1.相对扭转角图3-41扭转变形2.单位长度扭转角3.扭转刚度计算3.4零件弯曲变形时的工作能力分析3.4.1平面弯曲的概念1.基本概念图3-42桥式起重机的大梁3.4零件弯曲变形时的工作能力分析图3-43承受转子重量的电动机轴3.4零件弯曲变形时的工作能力分析图3-44火车轮轴3.4零件弯曲变形时的工作能力分析图3-45梁的平面弯曲3.4零件弯曲变形时的工作能力分析2.梁的计算简图及其分类(1)梁的简化不论梁的截面形状如何复杂可将梁简化为一根直杆，称为直梁。图3-46梁的简化3.4零件弯曲变形时的工作能力分析(2)梁的支座的简化1)活动铰链支座。2)固定铰链支座。3)固定端支座。(3)载荷的简化1)集中载荷。2)分布载荷。3)集中力偶。(4)梁的基本形式根据梁的支承情况，一般可简化为下列三种形式：1)简支梁。2)外伸梁。3.4零件弯曲变形时的工作能力分析3)悬臂梁。3.4.2内力分析与应力分析1.梁弯曲时的内力——剪力和弯矩图3-47剪力和弯矩3.4零件弯曲变形时的工作能力分析图3-48剪力和弯矩的符号规定3.4零件弯曲变形时的工作能力分析图3-49例3-11图2.弯矩图3.4零件弯曲变形时的工作能力分析图3-53纯弯曲时正应力的分布规律3.4零件弯曲变形时的工作能力分析表3-23.4零件弯曲变形时的工作能力分析3.4.3梁的抗弯强度分析对于等截面梁，最大正应力产生在最大弯矩作用的截面上，此截面即为危险截面。最大正应力发生在危险截面上离中性轴最远处，即截面对应边缘处，称为危险截面上的危险点。(1)塑性材料图3-54T形截面3.4零件弯曲变形时的工作能力分析(2)脆性材料脆性材料的抗拉能力远小于其抗压能力，为使截面上的压应力大于拉应力，常将梁的横截面做成与中性轴不对称的形状，如T形截面，如图3-54所示。3.4零件弯曲变形时的工作能力分析图3-57挠曲线3.4.4弯曲刚度简介3.4零件弯曲变形时的工作能力分析3.4.5提高梁抗弯强度和刚度的措施由前所述，影响梁的抗弯强度的主要因素是弯曲正应力，而弯曲正应力的强度条件为1.合理安排梁的受力情况(1)合理布置支承位置承受均布载荷的简支梁如图3-58a所示，最大弯矩值为1/8ql2，最大挠度为5q/384EI，若将两端支承各向内侧移动2/9l，如图3-58c所示，则最大弯矩降为如图3-58d所示，前者约为后者的5倍，同时因缩短了梁的跨度，使梁的变形大大减小，最大挠度降为0．11q/384EI。3.4零件弯曲变形时的工作能力分析(2)合理配置载荷图3-59a所示为受集中力作用的简支梁。图3-58受均布截荷的简支梁3.4零件弯曲变形时的工作能力分析图3-59受集中力作用的简支梁3.4零件弯曲变形时的工作能力分析图3-60不同截面形状2.合理选择梁的截面形状3.5零件组合变形时的工作能力分析3.5.1组合变形的概念前面我们研究的是零件在外力作用下只产生一种基本变形，以及在各基本变形下的强度和刚度计算。但在实际工程中，有很多零件在外力作用下同时产生两种或两种以上基本变形，这种变形称为组合变形。3.5.2拉伸(压缩)与弯曲的组合变形拉伸（压缩）与弯曲的组合变形在工程上是常见的，在这两类载荷作用下，杆件将产生拉伸（压缩）与弯曲的组合变形。图3-61简易起重机的横梁AB的变形3.5零件组合变形时的工作能力分析图3-62立柱的变形3.5零件组合变形时的工作能力分析图3-63拉压组合变形外力、内力、应力的分析3.5零件组合变形时的工作能力分析1.外力分析2.内力分析3.应力分析4.强度计算3.5.3扭转和弯曲的组合变形扭转和弯曲的组合变形是机械工程中常见的情况，下面讨论轴类零件在弯扭组合变形时的强度计算。以带传动轴为例：3.5零件组合变形时的工作能力分析1.外力分析2.内力分析3.应力分析图3-65弯扭组合变形外力、内力、应力分析3.6基本技能训练——材料轴向拉伸(压缩)时的力学性能实验一、实验任务测定材料的力学性能：材料的力学性能是强度计算和评定材料的主要依据，通过实验测定各项实验数据。二、实验方法与要求1.实验前的准备2.实验的进行3.实验报告的书写三、材料力学万能试验机介绍和操作3.6基本技能训练——材料轴向拉伸(压缩)时的力学性能实验在材料力学实验中，总要对试样加载荷，从而测量出试样的承载能力和变形的数据。提供模拟、实验，并给出稳定参数的设备称为试验机，最常用的试验机是万能材料试验机。它可以做拉伸、压缩、剪切、弯曲等试验。按机器结构和原理区别，试验机有多种类型，一般有液压式和机械式两种。下面着重介绍液压式万能试验机。1.WE-60型液压式万能材料试验机介绍(1)加载系统在试验机后机座上装有两根支柱，支柱支撑着大横梁及工作液压缸，当开机后，电动机带动油泵，将油箱里的油经送油阀送至工作液压缸，推动大活塞使小横梁活动立杆和平台向上移动，试样受到拉伸。3.6基本技能训练——材料轴向拉伸(压缩)时的力学性能实验(2)测力、示值系统装在试验机上的试样受力后，它受力大小可在测力度盘上直接读出。(3)载荷位移记录系统实验时，在测力系统的齿杠的笔架上装上记录笔，随齿杠的移动而在记录图上描绘。2.操作步骤和注意事项(1)操作步骤1)加载前，测力指针应指在度盘上的“零点”,否则必须加以调整。2)合理选择量程根据估计的最大载荷，装上相应的锤重，使最大值在相应量程的40%～80%之间为宜。3)安装试样装夹拉伸试样时，必须使试样处于中心垂直状态，然后调整下夹头的距离，将试样夹紧。3.6基本技能训练——材料轴向拉伸(压缩)时的力学性能实验4)调整好自动绘图仪的传动装置和笔纸等。5)检查送、回油阀，一定要注意它们均应在关闭位置。6)开动油泵电动机，操纵送油阀，缓缓打开，用慢速均匀加载。7)实验完毕，立即停车取下试样，这时关闭送油阀，缓慢打开回油阀，使油液泄回油箱，于是活动平台回到原始位置，最后将一切机构复原，并清理机器。(2)注意事项1)开车前和停车后送油阀、回油阀一定要置于关闭位置。2)拉伸试样夹住后，不得再调整下夹头的位置，以免带动下夹