机械零件的工作能力和计算准则2课件.ppt

第第2章章 机械零件的工作能机械零件的工作能力和计算准则力和计算准则机械设计机械设计2.1 载荷及应力的分类载荷及应力的分类2.1.1 载荷的分类载荷的分类静载荷静载荷变载荷变载荷——不随时间改变或变化缓慢不随时间改变或变化缓慢——随时间作周期性或非周期性变化随时间作周期性或非周期性变化名义载荷名义载荷计算载荷计算载荷——理想工作条件下的载荷理想工作条件下的载荷——作用于零件的实际载荷作用于零件的实际载荷计算载荷计算载荷名义载荷名义载荷=K ×载荷系数载荷系数？？2.1.2 应力的分类应力的分类静应力静应力变应力变应力——不随时间改变或变化缓慢不随时间改变或变化缓慢——随时间作周期性或非周期性变化随时间作周期性或非周期性变化变应力变应力稳定变应力稳定变应力——周期性循环变应力周期性循环变应力非稳定变应力非稳定变应力——非周期性循环变应力非周期性循环变应力注意：注意：变载荷变载荷 → 变应力变应力静载荷静载荷 → 静应力静应力 ？？或变应力或变应力nP● anσmaxσminσtσaOσmσmaxσaσtOtσmσmaxσaσminσO σ=常数常数静应力静应力σtO稳定变应力稳定变应力非对称循环变应力非对称循环变应力对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力脉动循环变应力几个应力参数几个应力参数循环特征：循环特征： ——表示应力变化的情况表示应力变化的情况对称循环对称循环— r = －－1；；脉动循环脉动循环— r = 0；；非对称循环非对称循环— r≠ 0 且且 | r | ≠ 1; 静应力静应力— r = +1用用σr 表示循环特征为表示循环特征为 r 的变应力。

如的变应力如 σ-1、、σ0等等平均应力：平均应力：应应 力力 幅：幅：对称循环对称循环:σm= 0; σa=σmax脉动循环脉动循环:σm=σa=σmax / 22.2 机械零件的强度机械零件的强度主要失效形式：断裂或塑性变形主要失效形式：断裂或塑性变形强度条件：强度条件：σ≤ [σ] 、、τ≤ [τ] 或或 S≥[ S ]塑性材料：塑性材料：许用应力：许用应力：σlim 、、τlim — 极限应力极限应力 s — 安全系数安全系数σlim = σs ；；τlim = τs脆性材料：脆性材料：σlim = σB ；；τlim = τBσs、、τs— 材料屈服极限材料屈服极限σB、、τB— 材料强度极限材料强度极限2.2.1 两种判断零件强度的方法两种判断零件强度的方法①①②②2.2.2 静应力强度静应力强度2.2.3 变应力作用下的强度问题变应力作用下的强度问题主要失效形式：疲劳破坏主要失效形式：疲劳破坏初始裂纹初始裂纹疲劳区疲劳区(光滑光滑)粗糙区粗糙区强度条件：强度条件：σ≤ [σ]σlim = ？？疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关NσσrNσrNN0疲劳曲线疲劳曲线N — 应力循环次数应力循环次数σrN — 疲劳极限（对应于疲劳极限（对应于N））N0 — 循环基数循环基数σr — 持久极限持久极限轴轴有限寿命区有限寿命区无限无限由此得：由此得：与应力状态与应力状态有关的指数有关的指数通常通常 S ≥ 1 变应力时，取变应力时，取 σlim = σr（无限寿命）（无限寿命） 或或 σlim = σrN（有限寿命）（有限寿命） 各种材料的各种材料的σr可从有关手册中查取可从有关手册中查取2.2.4 安全系数安全系数安全系数小安全系数小安全系数小安全系数小————失效的可能小大失效的可能小大失效的可能小大失效的可能小大安全系数大安全系数大安全系数大安全系数大————机械零件的体积庞大机械零件的体积庞大机械零件的体积庞大机械零件的体积庞大协调处理协调处理协调处理协调处理影响安全系数因素如下：影响安全系数因素如下：影响安全系数因素如下：影响安全系数因素如下：与应力计算有关的因素：与应力计算有关的因素：应力计算所依据的载荷值的不精确性应力计算所依据的载荷值的不精确性应力计算用的力学模型与实际状况之间的差异应力计算用的力学模型与实际状况之间的差异与材料的极限应力有关的因素与材料的极限应力有关的因素材料机械性能本身的变化材料机械性能本身的变化零件尺寸效应的不确定性零件尺寸效应的不确定性不同毛坯制取方法及机械加工工艺对材料机械不同毛坯制取方法及机械加工工艺对材料机械性能的影响性能的影响与零件的重要性有关与零件的重要性有关与零件的重要性有关与零件的重要性有关（等级）：（等级）：（等级）：（等级）：一级：零件的破坏要引起人身事故一级：零件的破坏要引起人身事故二级：零件的破坏要引起严重的设备事故，修二级：零件的破坏要引起严重的设备事故，修 理费用昂贵理费用昂贵三级：零件的破坏要使机器停机修理三级：零件的破坏要使机器停机修理四级：零件的破坏不会使机器立即停止工作四级：零件的破坏不会使机器立即停止工作选择原则：选择原则： 保证安全可靠的前提下，仅可能选用较小的叙用安全系数保证安全可靠的前提下，仅可能选用较小的叙用安全系数2.2.4 提高零件强度的措施提高零件强度的措施两个方面：结构设计两个方面：结构设计 制造工艺制造工艺1）结构方面）结构方面——合理布置零件减少载荷合理布置零件减少载荷——降低载荷集中，均匀载荷分布降低载荷集中，均匀载荷分布——采用等强度结构采用等强度结构——选用合理截面选用合理截面如梁的截面采用工字形、如梁的截面采用工字形、T字形；轴的截面采用圆形。

字形；轴的截面采用圆形——减小应力集中减小应力集中机械加工方法－－表面滚压，喷丸处理使表面产生很小的机械加工方法－－表面滚压，喷丸处理使表面产生很小的塑性变形（残余压应力）塑性变形（残余压应力）2）制造工艺－－主要提高疲劳强度）制造工艺－－主要提高疲劳强度热处理方法－－化学热处理：渗碳、渗氮热处理方法－－化学热处理：渗碳、渗氮　　　　　　　　　　　　　普通热处理：表面淬火　　　　　　　　　　　　　普通热处理：表面淬火2.3 机械零件的表面强度机械零件的表面强度2.3.1 表面接触强度表面接触强度１）表面接触应力１）表面接触应力两圆柱体：两圆柱体：“+”号用于外接触，号用于外接触，“-”号用于内接触号用于内接触３）强度条件：３）强度条件：４）提高接触强度的措施４）提高接触强度的措施－－－减小接触应力－－－减小接触应力－－－提高表面硬度，以提高许用接触应力－－－提高表面硬度，以提高许用接触应力－－－提高润滑油黏度－－－提高润滑油黏度２）失效形式：２）失效形式：表面疲劳磨损（表面疲劳点蚀）表面疲劳磨损（表面疲劳点蚀）2.3.2 表面挤压强度（通过配合面的接触传递载荷）表面挤压强度（通过配合面的接触传递载荷）１）失效形式：１）失效形式：２）强度条件（条件性计算）：２）强度条件（条件性计算）：常用于静态联接或低速工作条件下常用于静态联接或低速工作条件下塑性材料－－－塑性变形塑性材料－－－塑性变形脆性材料－－－表面压碎脆性材料－－－表面压碎2.3.3 表面磨损强度表面磨损强度１）磨损１）磨损２）计算准则（条件性计算）２）计算准则（条件性计算）３）减轻磨损的措施３）减轻磨损的措施合适的材料匹配、　　　提高表面硬度合适的材料匹配、　　　提高表面硬度合适的表面状态、　　　表面镀层合适的表面状态、　　　表面镀层防尘处理、　　　　　　控制表面温度防尘处理、　　　　　　控制表面温度提高表面加工质量，降低表面粗糙度值提高表面加工质量，降低表面粗糙度值2.4 机械零件的刚度机械零件的刚度2.4.1 刚度对机械零件性能的影响刚度对机械零件性能的影响刚度：是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力刚度：是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力表示方法：刚度－产生单位弹性变形所需要的力或力矩表示方法：刚度－产生单位弹性变形所需要的力或力矩　　　　　柔度－单位外力或外力矩产生的弹性变形量　　　　　柔度－单位外力或外力矩产生的弹性变形量１）刚度不足会影响零件的使用性能１）刚度不足会影响零件的使用性能２）对某些机器而言：为保证具有一定的精度，被加工零２）对某些机器而言：为保证具有一定的精度，被加工零　　 (如机床如机床)　　　　 件和机床都应具有一定的刚度件和机床都应具有一定的刚度３）刚度有时是强度的保证３）刚度有时是强度的保证４）刚度影响零件的振动频率４）刚度影响零件的振动频率５）弹性零件应有确定的刚度要求５）弹性零件应有确定的刚度要求2.4.2 刚度条件刚度条件2.4.3 刚度的影响因素及提高刚度的措施刚度的影响因素及提高刚度的措施材料力学中的简化方法材料力学中的简化方法弹性力学有限元分析方法弹性力学有限元分析方法计算方法：计算方法：材料：弹性模量Ｅ材料：弹性模量Ｅ按刚度计算所得的零件截面尺寸一般要比按强度计算的大按刚度计算所得的零件截面尺寸一般要比按强度计算的大结构：剖面形状、支承结构、位置、加强筋结构：剖面形状、支承结构、位置、加强筋预紧：提高接触刚度（滚动轴承的预紧）预紧：提高接触刚度（滚动轴承的预紧）同类金属同类金属E相差不大，用合金钢代替普通相差不大，用合金钢代替普通碳钢以达到提高零件的刚度是不行的。

碳钢以达到提高零件的刚度是不行的2.5 机械零件的冲击强度机械零件的冲击强度 F’—冲击载荷冲击载荷条件条件 ①① 能量守恒能量守恒 Ek=Ep ②② 载荷与变形成正比载荷与变形成正比B的变形能的变形能:A物体给物体给B的冲击能的冲击能:KI—冲击系数冲击系数h=o时时F’=2F为理论值，实际值可能小于为理论值，实际值可能小于2F，冲击能损耗冲击能损耗 计算时用计算载荷计算时用计算载荷 Fc=KF K—工作情况系数，考虑工作情况系数，考虑冲击载荷的影响冲击载荷的影响设计零件时应考虑冲击载荷的影响设计零件时应考虑冲击载荷的影响提高冲击强度的措施：提高冲击强度的措施：１）增大零件的弹性变形；２）增加材料的弹性，即降低Ｅ；１）增大零件的弹性变形；２）增加材料的弹性，即降低Ｅ；３）采用缓冲零件吸收冲击能量；４）减小间隙，增加预紧３）采用缓冲零件吸收冲击能量；４）减小间隙，增加预紧2.6 温度对机械零件性能的影响温度对机械零件性能的影响机器工作中有能耗机器工作中有能耗 → 热能热能 → 工作温度工作温度↑ → 润滑油粘度润滑油粘度↓ （主要由摩擦产生（主要由摩擦产生 ）（达到热平衡温度不再升高））（达到热平衡温度不再升高） 零件的工作状态变化（趋于恶化）零件的工作状态变化（趋于恶化） → 油膜承载能力油膜承载能力↓ →能耗能耗↑→温度温度↑→恶性循环，零件咬死。

恶性循环，零件咬死热平衡：单位时间内产生的热量热平衡：单位时间内产生的热量 = 散发的热量散发的热量2.6.1 温度对摩擦磨损过程的影响温度对摩擦磨损过程的影响　弊－－间隙量，过盈量的变化，热应力的产生　弊－－间隙量，过盈量的变化，热应力的产生　利－－进行热装配　利－－进行热装配 2.6.2 温度对材料膨胀和收缩的影响温度对材料膨胀和收缩的影响2.6.3 温度对材料力学性能的影响　　　　温度对材料力学性能的影响　　　　温度对材料蠕变和松弛的影响温度对材料蠕变和松弛的影响解决方法：解决方法：预先计入热变形量结构上采用浮动结构消除热应力预先计入热变形量结构上采用浮动结构消除热应力2.7 机械零件的振动稳定性机械零件的振动稳定性振动：机械零件发生周期性的弹性变形常用振幅和频率描述振动：机械零件发生周期性的弹性变形常用振幅和频率描述 当周期性外力的变化频率等于或接近机器或零件的固有当周期性外力的变化频率等于或接近机器或零件的固有频率时，发生共振现象频率时，发生共振现象计算准则：避免外力作用频率等于或接近固有频率计算准则：避免外力作用频率等于或接近固有频率减轻振动的措施：减轻振动的措施：采用结构对称，减小悬臂尺寸、减小中心距采用结构对称，减小悬臂尺寸、减小中心距利用阻尼消耗引起振动的能量利用阻尼消耗引起振动的能量设置隔振装置设置隔振装置对转动件进行平衡对转动件进行平衡2.8 机械零件的可靠性机械零件的可靠性可靠性：零件在规定的条件和规定的时间内发挥规定功能的能力。

可靠性：零件在规定的条件和规定的时间内发挥规定功能的能力可靠度：零件在规定的条件和规定的时间内发挥规定功能的概率，可靠度：零件在规定的条件和规定的时间内发挥规定功能的概率， 常用常用Rt表示累积失效概率：零件在规定条件和规定的时间内失效的概率，累积失效概率：零件在规定条件和规定的时间内失效的概率， 常用常用Ft表示失效分布密度失效分布密度f（（t）：累积失效概率对时间的导数）：累积失效概率对时间的导数失效（寿命）分布曲线：失效（寿命）分布曲线： f（（t）） - t 曲线，常见的有正态分布等曲线，常见的有正态分布等　　零件的可靠性是指工作应力和材料强度等参数受许多因素　　零件的可靠性是指工作应力和材料强度等参数受许多因素影响的随机变量是对大批零件而言，用概率论、数理统计的影响的随机变量是对大批零件而言，用概率论、数理统计的方法得出的结果，对单个零件无法研究其可靠性方法得出的结果，对单个零件无法研究其可靠性 例：例：均为正态分布均为正态分布　　阴影区不安全，零　　阴影区不安全，零件工作不可靠。

安全系件工作不可靠安全系数越大可靠性越大数越大可靠性越大。