第二章 機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則

1、第二章 機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則 基本內(nèi)容： 1. 載荷和應(yīng)力的分類(lèi) 2.機(jī)械零件強(qiáng)度 3.機(jī)械零件表面強(qiáng)度 4.機(jī)械零件剛度 5.其他：要點(diǎn)提示，布置學(xué)生自學(xué). 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)： 1重點(diǎn)：零件失效和工作能力的概念；載荷與應(yīng)力的分類(lèi)及其相互關(guān)系；機(jī)械零件強(qiáng)度的概念；提高機(jī)械零件強(qiáng)度的措施. 2難點(diǎn)：載荷與應(yīng)力的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系；零件的極限應(yīng)力和許用應(yīng)力；零件強(qiáng)度的表達(dá)方法；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)對(duì)零件強(qiáng)度的影響；零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的某些禁忌問(wèn)題. 基本要求： 1掌握零件失效和工作能力的概念； 2掌握載荷與應(yīng)力的分類(lèi)及其相互關(guān)系； 3掌握機(jī)械零件強(qiáng)度的概念及相關(guān)的影響因素； 4了解提高機(jī)械零件強(qiáng)度的措

2、施. 失效機(jī)械零件喪失工作能力或達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的性能。 工作能力零件不發(fā)生失效時(shí)的安全工作限度。 §2.1載荷與應(yīng)力的分類(lèi) 載荷分類(lèi) 相關(guān)的名詞定義： 靜載荷不隨時(shí)間變化或變化緩慢的載荷。 變載荷隨時(shí)間作周期性或非周期性變化的載荷。 名義載荷由額定功率用力學(xué)公式計(jì)算出作用在零件上的載荷。 計(jì)算載荷用于機(jī)械零件的設(shè)計(jì)計(jì)算、校核計(jì)算的載荷值；數(shù)值上等于名義載荷乘以載荷系數(shù)。 載荷系數(shù)用來(lái)估計(jì)實(shí)際載荷隨時(shí)間作用的不均勻性和在零件上分布不均勻性及其它影響零件受力情況的系數(shù)。 應(yīng)力分類(lèi) 相關(guān)的名詞定義： 靜應(yīng)力不隨時(shí)間變化或變化緩慢的應(yīng)力；只能在靜載荷下產(chǎn)生。 變應(yīng)力隨時(shí)間變化的應(yīng)力；不僅可由

3、變載荷產(chǎn)生，也可由靜載荷產(chǎn)生。 變應(yīng)力的參數(shù)： 可由  中的任意兩個(gè)來(lái)表示。； ； 穩(wěn)定變應(yīng)力平均應(yīng)力、應(yīng)力幅和周期不隨時(shí)間變化。穩(wěn)定變應(yīng)力分三種，分別是 對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力r= -1; 非對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力-1<r<+1,r0; 脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力r=0。 非穩(wěn)定變應(yīng)力平均應(yīng)力、應(yīng)力幅和周期之中至少有一個(gè)隨時(shí)間變化。非穩(wěn)定變應(yīng)力又可分為規(guī)律性非穩(wěn)定變應(yīng)力和隨機(jī)性非穩(wěn)定變應(yīng)力。 隨機(jī)性非穩(wěn)定變應(yīng)力可以通過(guò)“數(shù)理統(tǒng)計(jì)”的方法轉(zhuǎn)變成規(guī)律性非穩(wěn)定變應(yīng)力，而規(guī)律性非穩(wěn)定變應(yīng)力又可以通過(guò)“疲勞損傷積累假說(shuō)”的Miner定律轉(zhuǎn)變成“等效的穩(wěn)定變應(yīng)力”。 因此，在穩(wěn)定變應(yīng)力狀態(tài)下工作的零件，其疲勞

4、強(qiáng)度的分析、計(jì)算成為本課程重點(diǎn)掌握的內(nèi)容（詳見(jiàn)第三章）。   §2.2機(jī)械零件強(qiáng)度 機(jī)械零件強(qiáng)度的兩種表示方式 ； 或者 以上不等式稱(chēng)為“強(qiáng)度條件”。 式中： 零件危險(xiǎn)剖面處的最大應(yīng)力； 零件材料的極限應(yīng)力； 零件危險(xiǎn)剖面處的實(shí)際安全系數(shù)； 許用安全系數(shù)。 靜應(yīng)力下的強(qiáng)度 靜應(yīng)力下工作的塑性材料零件，失效形式為斷裂和塑性變形。 單向靜應(yīng)力下，強(qiáng)度條件為“不產(chǎn)生塑性變形”。復(fù)合靜應(yīng)力下工作的塑性材料零件，根據(jù)第三、第四強(qiáng)度理論來(lái)確定強(qiáng)度條件。 允許少量變形的零件，根據(jù)允許達(dá)到一定塑性變形時(shí)的載荷進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，F(xiàn) Flim。 脆性、低塑性材料制成的零件，極限應(yīng)力為材料的強(qiáng)度極限

5、   變應(yīng)力下零件的強(qiáng)度：在變應(yīng)力下工作的零件，失效形式為疲勞斷裂。 當(dāng)r一定，應(yīng)力循環(huán)N次后，材料不發(fā)生疲勞破壞時(shí)的最大應(yīng)力，成為“疲勞極限”。影響零件的疲勞強(qiáng)度的因素，除了循環(huán)特征r、循環(huán)次數(shù)N外，還有應(yīng)力集中、零件尺寸、零件表面狀態(tài)。詳見(jiàn)第三章。 許用安全系數(shù) 在零件的計(jì)算過(guò)程中引入安全系數(shù)，主要是出于以下幾方面考慮： 材料的均勻性；計(jì)算的精確性；零件的重要性；工藝水平；運(yùn)行條件；工作環(huán)境等。 在保證安全可靠的前提下，為減輕零件的重量和縮小零件的尺寸，應(yīng)盡可能地 選用零件的許用安全系數(shù)可參考課本的第15頁(yè)。應(yīng)當(dāng)指出的是，各行業(yè)可能有專(zhuān)用的許用應(yīng)力和許用安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。 &#

6、167;2.3機(jī)械零件的表面強(qiáng)度 機(jī)械零件的表面強(qiáng)度包括表面接觸強(qiáng)度：失效為壓碎或塑性變形。 高副接觸的零件在接觸處形成彈性變形面，接觸面上的尺寸及接觸應(yīng)力可按Hertz公式計(jì)算。參見(jiàn)課本第19頁(yè)的表2.3。 表面接觸疲勞強(qiáng)度：循環(huán)接觸時(shí)， “表面疲勞磨損”，亦稱(chēng)“點(diǎn)蝕”。 表面接觸強(qiáng)度、表面接觸疲勞強(qiáng)度的強(qiáng)度條件均為  H H 提高表面接觸強(qiáng)度的措施主要有：加大零件接觸表面的綜合曲率半徑；變點(diǎn)接觸為線(xiàn)接觸；提高零件表面硬度；降低零件表面粗糙度；適當(dāng)加大潤(rùn)滑油的黏度等。 表面擠壓強(qiáng)度：由局部配合面來(lái)接觸傳遞載荷，接觸面上有擠壓應(yīng)力。 表面磨損強(qiáng)度：滑動(dòng)摩擦（低副接觸運(yùn)動(dòng)）零件，失效形

7、式為“過(guò)度磨損”。 強(qiáng)度條件： 低速重載： 限制壓強(qiáng)；     pp 高速重載： 限制摩擦功耗； pvpv 高速輕載： 限制運(yùn)行速度。 vv 提高表面磨損強(qiáng)度的措施：選擇合適的摩擦副材料；提高零件表面硬度；降低零件表面粗糙度值；改善潤(rùn)滑條件（潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方法）；采用表面涂覆工藝；防塵；限溫等。   §2.4機(jī)械零件的剛度 剛度零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。單位“力（力矩）/單位變形”。 柔度剛度之倒數(shù)。 剛度的影響 剛度不足將影響機(jī)器的正常工作，或影響加工精度；有時(shí)剛度是保證強(qiáng)度的重要條件；對(duì)彈性零件滿(mǎn)足柔度要求是前提；剛度影響

8、自振頻率。 剛度計(jì)算概述 剛度計(jì)算是利用材料力學(xué)公式計(jì)算零件的彈性變形量。     一般地，滿(mǎn)足剛度要求的零件也同時(shí)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。但對(duì)于（橫向）尺寸較大的零件則不一定。 影響剛度的因素及改進(jìn)措施 材料對(duì)剛度的影響：材料的彈性模量E大，則剛度大。選材應(yīng)按工作要求、制造方法、成本等因素綜合考慮。同類(lèi)金屬材料E值相差不大，單從E來(lái)改變剛度效果往往不明顯，例如：以昂貴的高強(qiáng)度合金鋼代替普通碳素鋼對(duì)提高剛度幾乎不起作用。 結(jié)構(gòu)對(duì)剛度的影響主要有：剖面形狀，中空剖面比實(shí)心剖面慣性矩大，故彎曲剛度，扭轉(zhuǎn)剛度較大。支承方式和支承位置，例如：簡(jiǎn)支梁的跨度減小和外伸梁的長(zhǎng)度縮短可減小

9、彎曲撓度；采用固定支座比采用鉸支座更能提高軸的彎曲剛度；采用多支撐能增加梁和軸的剛度。加強(qiáng)肋，可提高板和箱壁的剛度。 預(yù)緊裝配對(duì)接觸剛度的影響：接觸剛度隨載荷增加而增大（變剛度），故預(yù)緊可以提高接觸剛度（如滾動(dòng)軸承）。 §2.5機(jī)械零件沖擊強(qiáng)度 沖擊載荷：機(jī)械零件當(dāng)F、有突變時(shí)，應(yīng)考慮動(dòng)載荷系數(shù)Kd或K 。 提高零件沖擊強(qiáng)度的措施：采用增大零件彈性變形的結(jié)構(gòu)；采用小E的材料以增大變形；增設(shè)緩沖零件吸收沖擊能。 (§2.6溫度對(duì)零件工作能力的影響,§2.7零件振動(dòng)穩(wěn)定性,§2.8零件工作可靠性等節(jié)內(nèi)容學(xué)生自學(xué).)