第二章機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則

1、機械零件的工作機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則能力和計算準(zhǔn)則2.12.1 載荷和應(yīng)力的分類載荷和應(yīng)力的分類2.22.2 機械零件的強度機械零件的強度2.32.3 機械零件的表面強度機械零件的表面強度機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則幾個名詞：幾個名詞：1 1）失效：）失效：機械零件由于某種原因不能正常工作，稱為失效。注意注意： a) 失效并不單純指破壞，破壞只是失效的形式之一。機械零件的可能失效形式很多，歸納起來主要有強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性以及溫度等方面的失效。 b) 同一種零件可能的失效形式往往有若干種。例如：軸在工作中可能產(chǎn)生疲勞斷裂、過大彈性變形、共振等失效。機

2、械零件失效的主要形式：整體斷裂、過大的殘余變形、零件的表面破壞、破壞正常工作條件引起的失效（教材P11）機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則機械零件失效實例：機械零件失效實例：潘存云教授研制輪齒塑性變形輪齒塑性變形潘存云教授研制齒輪輪齒折斷齒輪輪齒折斷 潘存云教授研制軸承外圈塑性變形軸承外圈塑性變形潘存云教授研制齒面接觸疲勞點蝕齒面接觸疲勞點蝕潘存云教授研制軸瓦磨損軸瓦磨損潘存云教授研制軸承內(nèi)圈破裂軸承內(nèi)圈破裂 機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則2 2）工作能力：）工作能力：即機械零件在一定條件下抵抗失效的能力 (即安全工作限度)。3 3）承載能力）承

3、載能力：對載荷而言的工作能力。（也就是用載荷表示的 工作能力） 4 4）工作能力計算準(zhǔn)則：）工作能力計算準(zhǔn)則：為防止機械零件發(fā)生某種失效而應(yīng)滿足的 條件。（也可以理解為是機械零件不發(fā)生 失效的“安全條件”，是設(shè)計零件時的 理論依據(jù)）。機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則載荷和應(yīng)力1 為了防止機械零件在工作中產(chǎn)生失效，設(shè)計時，需要以零件的工作能零件的工作能力計算準(zhǔn)則力計算準(zhǔn)則為依據(jù)進行必要的計算。機械零件的設(shè)計準(zhǔn)則大體有： 強度準(zhǔn)則強度準(zhǔn)則 剛度準(zhǔn)則剛度準(zhǔn)則 壽命準(zhǔn)則壽命準(zhǔn)則 振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則 可靠性準(zhǔn)則可靠性準(zhǔn)則 摩擦學(xué)準(zhǔn)則摩擦學(xué)準(zhǔn)則機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則

4、機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則1 1 載荷載荷由于運動中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等引起的載荷稱為動載荷。 靜載荷靜載荷變載荷變載荷按是否隨時間變化，載荷分為：按是否考慮動載荷的影響，載荷分為：名義載荷：名義載荷：在理想平穩(wěn)條件下所受的載荷（不考慮動載荷的影響）計算載荷計算載荷載荷系數(shù)K名義載荷（代表機器或零件實際所受載荷）載荷系數(shù)載荷系數(shù)K K：用于計入在實際工作中受到的各種動載荷的影響。額定載荷：額定載荷： 由原動機的額定功率推算出的載荷。載荷和應(yīng)力22 2 應(yīng)力應(yīng)力靜應(yīng)力靜應(yīng)力 變應(yīng)力變應(yīng)力2minmaxm2minmaxamaxmax最大應(yīng)力；最大應(yīng)力； minmin最小應(yīng)力最小應(yīng)力m m平均應(yīng)力

5、；平均應(yīng)力； a a應(yīng)力幅值應(yīng)力幅值r r 應(yīng)力比（循環(huán)特性）應(yīng)力比（循環(huán)特性）maxminr變應(yīng)力 應(yīng)力應(yīng)力與外載荷、零件的截面形狀與外載荷、零件的截面形狀有關(guān)有關(guān) 強度強度與材料本身的機械性能有關(guān)，而與外載荷、截面形狀等與材料本身的機械性能有關(guān)，而與外載荷、截面形狀等無關(guān)無關(guān)。強度：強度：指機械零件工作時抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。指機械零件工作時抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。 變應(yīng)力的五個參數(shù)： o ot t應(yīng)應(yīng)力力靜應(yīng)力靜應(yīng)力變應(yīng)力變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力規(guī)律性非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力規(guī)律性非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力隨機性非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力隨機性非穩(wěn)定循

6、環(huán)變應(yīng)力1r脈動循環(huán)應(yīng)力脈動循環(huán)應(yīng)力對稱循環(huán)應(yīng)力對稱循環(huán)應(yīng)力非對稱循環(huán)應(yīng)力非對稱循環(huán)應(yīng)力0r11r1r脈動循環(huán)變應(yīng)力r =0非對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力r =-1-1maxmTmaxminaamtmaxminaattaaminr =+1 規(guī)律性規(guī)律性 隨機性隨機性周期周期尖峰應(yīng)力尖峰應(yīng)力 o ot t應(yīng)力應(yīng)力靜應(yīng)力靜應(yīng)力變應(yīng)力變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)應(yīng)力脈動循環(huán)應(yīng)力對稱循環(huán)應(yīng)力對稱循環(huán)應(yīng)力非對稱循環(huán)應(yīng)力非對稱循環(huán)應(yīng)力規(guī)律性非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力規(guī)律性非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力隨機性非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力隨機性非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力靜應(yīng)力（靜應(yīng)力（可看作是循環(huán)應(yīng)力的一個特

7、例可看作是循環(huán)應(yīng)力的一個特例）注：靜應(yīng)力只在靜載荷作用下產(chǎn)生，變應(yīng)力可由變載荷注：靜應(yīng)力只在靜載荷作用下產(chǎn)生，變應(yīng)力可由變載荷產(chǎn)生，也可由靜載荷產(chǎn)生。產(chǎn)生，也可由靜載荷產(chǎn)生。（承受靜載荷的回轉(zhuǎn)運動或（承受靜載荷的回轉(zhuǎn)運動或周期運動的零件將產(chǎn)生變應(yīng)力）周期運動的零件將產(chǎn)生變應(yīng)力）另外，應(yīng)力還分為另外，應(yīng)力還分為名義應(yīng)力：根據(jù)名義載荷求得的應(yīng)力名義應(yīng)力：根據(jù)名義載荷求得的應(yīng)力計算應(yīng)力：根據(jù)計算載荷求得的應(yīng)力計算應(yīng)力：根據(jù)計算載荷求得的應(yīng)力tr =+1強度準(zhǔn)則強度強度：指機械零件工作時抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。指機械零件工作時抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。 2.2.1 2.2.1 判斷零

8、件強度的兩種方法：判斷零件強度的兩種方法：1） 用應(yīng)力表示： Slim2）用安全系數(shù)表示：SSlimS式中：計算最大應(yīng)力lim極限應(yīng)力計算安全系數(shù)SS許用應(yīng)力許用安全系數(shù)注：對于切應(yīng)力，只須將上述各公式中的 換成 即可。機械零件的強度機械零件的強度靜應(yīng)力下的強度2.2.2 2.2.2 靜應(yīng)力下的強度靜應(yīng)力下的強度 在靜應(yīng)力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性變形或斷裂。材料種類不同，所取極限應(yīng)力也不同。塑性材料 單向應(yīng)力狀態(tài)： slimslim，復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)： 按第三或第四強度理論計算當(dāng)量應(yīng)力。脆性材料 則有： ，BlimBlim注：1）對于脆性材料和組織不均勻的材料（如灰鑄鐵），在計算靜強度

9、時，可不考慮應(yīng)力集中的影響。 2）對于組織均勻的低塑性材料（如淬火鋼），在計算靜強度時，應(yīng)考慮應(yīng)力集中的影響。機械零件的強度機械零件的強度接觸強度2.2.3 2.2.3 變應(yīng)力強度變應(yīng)力強度計算變應(yīng)力下的強度時，應(yīng)取 疲勞極限 （詳見第三章）。 limrN2.2.4 2.2.4 許用安全系數(shù)許用安全系數(shù)S安全系數(shù)定得正確與否對零件尺寸有很大影響 過大，則機器會過于笨重；過小，可能不安全。 因此，在保證安全的前提下，應(yīng)盡可能選用較 小的許用安全系數(shù)。 的取值主要受下列因素的影響：SS 1）計算的準(zhǔn)確性； 2）材料的均勻性； 3）零件的重要性。機械零件的強度機械零件的強度（1）靜應(yīng)力下，塑性材料的

10、零件 S =1.2.5 鑄鋼件 S =1.5（2）靜應(yīng)力下，脆性材料，如高強度鋼或鑄鐵： S =34（3）變應(yīng)力下， S =1.31.7 材料不均勻，或計算不準(zhǔn)時取 S =1.72.5機械零件的強度機械零件的強度2.2.5 2.2.5 提高機械零件強度的措施提高機械零件強度的措施從結(jié)構(gòu)方面1.合理布置零件,減少所受載荷2.降低應(yīng)力集中,均勻載荷分布（自動調(diào)節(jié)載荷分布、限制接觸寬度）機械零件的強度機械零件的強度3.采用等強度結(jié)構(gòu)4.選用合理截面5.減少應(yīng)力集中 用卸載槽減緩力流的集中 用卸載孔減少缺口處的應(yīng)力集中 從工藝方面改善表面狀態(tài)1.噴丸,碾壓-形成殘余壓應(yīng)力,提高表面疲勞強度2.滲碳,碳

11、氮共滲,滲氮,表面淬火機械零件的強度機械零件的強度表面強度分為三種:A.表面接觸強度B.表面擠壓強度C.表面磨損強度機械零件的表面強度機械零件的表面強度如齒輪、凸輪、滾動軸承等。B 機械零件中各零件之間的力的傳遞，總是通過兩個零件的接觸形式來實現(xiàn)的。常見兩機械零件的接觸形式為點接觸或線接觸。2.3.1 2.3.1 表面接觸疲勞強度表面接觸疲勞強度 機械零件的表面強度機械零件的表面強度b b由彈性力學(xué)可知，接觸應(yīng)力為：由彈性力學(xué)可知，接觸應(yīng)力為：2121令21212EEEEE上述公式稱為上述公式稱為赫茲赫茲(H(HHertz)Hertz)公式公式 注：注：“”用于外接觸，用于外接觸，“”用于內(nèi)接

12、觸。用于內(nèi)接觸。H HH H2 21 1Fn1 1F Fn nb b2 2H HH H222121211111EEbFH機械零件的表面強度機械零件的表面強度 兩個零件在受載前是點接觸或線接觸。受載后，由于變形其接觸處為一小面積，通常此面積甚小而表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力卻很大，這種應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。這時零件強度稱為接觸強度。bEFnH418.0=H H 最大接觸應(yīng)力或最大接觸應(yīng)力或赫茲應(yīng)力赫茲應(yīng)力; ;212121212EEEEEb b 接觸長度接觸長度; ;F Fn n 作用在圓柱體上的載荷作用在圓柱體上的載荷; ; 綜合曲率半徑綜合曲率半徑; ; 綜合彈性模量綜合彈性模量; ; E E1 1、 E

13、 E2 2 分別為兩圓柱體的彈性模量。分別為兩圓柱體的彈性模量。 接觸疲勞強度的判定條件為接觸疲勞強度的判定條件為HlimHHHH,S而b bFn機械零件的表面強度機械零件的表面強度對于鋼或鑄鐵取泊松比對于鋼或鑄鐵取泊松比1 1= =2 2= =0.3 ,=0.3 ,則有簡化公式。則有簡化公式。B接觸失效形式常表現(xiàn)為疲勞點蝕。初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋裂紋的擴展與斷裂裂紋的擴展與斷裂 油油金屬剝落出現(xiàn)小坑金屬剝落出現(xiàn)小坑 機械零件的接觸應(yīng)力通常隨時間作周期性變化，使零件表層產(chǎn)生機械零件的接觸應(yīng)力通常隨時間作周期性變化，使零件表層產(chǎn)生初始疲勞裂紋，裂紋擴展、潤滑油被擠迸裂紋

14、中將產(chǎn)生高壓，使裂紋初始疲勞裂紋，裂紋擴展、潤滑油被擠迸裂紋中將產(chǎn)生高壓，使裂紋加快擴展，使表層金屬呈小片狀剝落下來，在零件表面形成一些小加快擴展，使表層金屬呈小片狀剝落下來，在零件表面形成一些小坑坑 ，這種現(xiàn)象稱為疲勞點蝕。，這種現(xiàn)象稱為疲勞點蝕。機械零件的表面強度機械零件的表面強度實際中的高副零件所受的接實際中的高副零件所受的接觸應(yīng)力都是循環(huán)變化的。如觸應(yīng)力都是循環(huán)變化的。如齒輪的輪齒，接觸嚙合時受齒輪的輪齒，接觸嚙合時受應(yīng)力作用，脫離嚙合時不受應(yīng)力作用，脫離嚙合時不受應(yīng)力作用。應(yīng)力作用。 點蝕的危害點蝕的危害： 1 1）破壞零件的光滑表面，）破壞零件的光滑表面，引起振動和噪音。引起振動和

15、噪音。 2 2）減小零件的有效工作）減小零件的有效工作面積面積提高表面接觸強度的措施提高表面接觸強度的措施1.增大接觸表面的綜合曲率半徑，以降低接觸應(yīng)力。2.將外接觸改成內(nèi)接觸。3.在結(jié)構(gòu)設(shè)計上將點接觸改為線接觸。4.提高零件表面硬度。5.在一定范圍內(nèi)提高接觸表面的加工質(zhì)量，接觸疲勞強度也隨之提高。6.采用粘度較高的潤滑油，除降低深入裂紋的能力外，還能在接觸去形成較厚的油膜，增大接觸面積，從而降低接觸應(yīng)力。機械零件的表面強度機械零件的表面強度2.3.2 2.3.2 表面擠壓強度表面擠壓強度 兩零件之間為面接觸時，在載荷作用下，接觸表面兩零件之間為面接觸時，在載荷作用下，接觸表面 上產(chǎn)生的應(yīng)上產(chǎn)

16、生的應(yīng)力稱為擠壓應(yīng)力，用力稱為擠壓應(yīng)力，用 表示。表示。 p 在擠壓應(yīng)力作用下的強度稱為擠壓強度，其強度條件為：在擠壓應(yīng)力作用下的強度稱為擠壓強度，其強度條件為： pp 擠壓應(yīng)力作用下，接觸面的失效形式擠壓應(yīng)力作用下，接觸面的失效形式 是是“壓潰壓潰” 。注：相互擠壓表面上的擠壓應(yīng)力相等。注：相互擠壓表面上的擠壓應(yīng)力相等。機械零件的表面強度機械零件的表面強度2.3.3 2.3.3 表面磨損強度表面磨損強度條件性計算條件性計算1、滑動速度低、載荷大時限制表面壓強 pp (防止壓碎及塑性變形）2、滑動速度高時防止?jié)櫥?pvpv 3、高速時防止速度過高加速磨損 vv 機械零件的表面強度機械零件的表面強度提高表面磨損強度的措施提高表面磨損強度的措施1.選用合適的摩擦副材料2.提高表面硬度3.降低表面粗糙度4.采用有效的潤滑劑和潤滑方法5.表面鍍層,氧化處理6.防止灰塵進入摩擦面7.防止溫度過高機械零件的表面強度機械零件的表面強度 剛度剛度是指機械零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。如果零件的剛度不足，有些零件則會因為