机械零件的工作能力和计算准则

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1、2-1载荷和应力的分类2-3机械零件的强度(整体强度)2-4机械零件的表面强度2-5机械零件的刚度 2-2 机械的工作能力 第第2章章 机械零件的工作能力和计算准则机械零件的工作能力和计算准则 2-6机械现代设计方法简介第2章 机械零件的工作能力和计算准则2-1载荷和应力的分类 二、应力的种类二、应力的种类 静应力静应力:=常数常数变应力变应力:随时间变化随时间变化一、载荷一、载荷:静静/变变 名义计算名义计算 名计KFFt=常数常数脉动循环变应力脉动循环变应力r=02minmaxm平均应力平均应力:2minmaxa应力幅应力幅:循环变应力循环变应力maxminr对称循环变应力对称循环变应力r

2、=-1脉动循环变应力脉动循环变应力对称循环变应力对称循环变应力 -1 -1=0=0 +1 +1 静应力静应力ttr=+1静应力是变应力的特例maxminaamaxmaaTmaxminmt一一 、机械零件的失效机械零件的失效 机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。失效。工作能力工作能力在不发生失效的条件下，零件所能安全在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为又称为承载能力。承载能力。例如，发生强烈的振动，联接的松弛，摩擦传动的打例如，发生强烈的振动，联接的松

3、弛，摩擦传动的打滑等。滑等。2-2机械零件的工作能力机械零件的工作能力整体断裂整体断裂过大的残余变形过大的残余变形 工作表面的过度磨损或损伤工作表面的过度磨损或损伤破坏正常的工作条件破坏正常的工作条件零件的失效形式零件的失效形式 如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为机械零件失效实例：机械零件失效实例：潘存云教授研制轮齿塑性变形轮齿塑性变形潘存云教授研制齿轮轮齿折断齿轮轮齿折断 潘存云教授研制轴承内圈破裂轴承内圈破裂 潘存云教授研制轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形失效原因失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等强度、刚度、耐磨性、振

4、动稳定性、温度等 原因。原因。统计结果显示：统计结果显示：断裂仅占断裂仅占4.79%;腐蚀、磨损、疲劳破坏占腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%。这是主要失效原因。这是主要失效原因。潘存云教授研制齿面接触疲劳齿面接触疲劳潘存云教授研制轴瓦磨损轴瓦磨损二二、机械零件的计算准则机械零件的计算准则 强度准则强度准则 刚度准则刚度准则 设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：下几种准则：寿命准则寿命准则 振动稳定性准则振动稳定性准则 可靠性准则可靠性准则强度

5、准则是指零件中的应力不得超过许用值。即：强度准则是指零件中的应力不得超过许用值。即：1、强度准则、强度准则 lim 材料的极限应力材料的极限应力脆性材料脆性材料 lim=B(强度极限强度极限)塑性材料塑性材料 lim=S(屈服极限屈服极限)为了安全起见，引入安全系数为了安全起见，引入安全系数S S，得，得 lim/S S或或 S S为大于为大于1 1的数，的数，S S过大，虽安全但浪费材料；过大，虽安全但浪费材料；S S过小，虽节省材料，但趋于危险。过小，虽节省材料，但趋于危险。许用应力许用应力2、刚度准则、刚度准则 是指零件在力作用下的弹性变形量不得超过许用是指零件在力作用下的弹性变形量不得

6、超过许用值。即值。即y y y 3、寿命准则、寿命准则 影响零件使用寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲影响零件使用寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲劳。前两者还没有成熟的计算方法，工程中通常是求劳。前两者还没有成熟的计算方法，工程中通常是求出使用寿命时的疲劳极限作为计算的依据。出使用寿命时的疲劳极限作为计算的依据。4、振动稳定性准则、振动稳定性准则 保证机器中受激振零件的固有频率与激振源的保证机器中受激振零件的固有频率与激振源的频率错开，频率错开，即要求：即要求：0.85 f fp或或 1.15 f fp如果不满足条件，可采取如下措施：如果不满足条件，可采取如下措施：改变零件及系统刚性改变零件及系统刚

7、性 增减支承增减支承调整支承的位置调整支承的位置隔离激振源隔离激振源 采用阻尼元件以减小零件的振幅采用阻尼元件以减小零件的振幅5、可靠性准则、可靠性准则 可靠度的定义：可靠度的定义：对件数为对件数为N0的一批零件进行试的一批零件进行试验，经过时间验，经过时间t之后有之后有N件仍能正常工作，则该零件件仍能正常工作，则该零件在该试验环境条件下工作时间在该试验环境条件下工作时间t的可靠度定义为的可靠度定义为R R=N N /N N0 0若若t t R R N NR R是时间的函数。是时间的函数。若在时间若在时间t t+d+dt t内，又有内，又有d dN N个零件失效，则个零件失效，则d dt t内

8、零内零件的失效的比率定义为件的失效的比率定义为NdtdNt/)(失效率失效率“-”“-”表示表示d dN N的增大将使的增大将使N N减少。减少。分离变量并积分得分离变量并积分得 RNNNNtNNtlnlnd)(0002-3机械零件的强度(整体强度)一、强度判别式一、强度判别式(计算准则计算准则)：应力：应力：；安全系数安全系数：.SSlim SSlimlim极限应力：极限应力：a.塑性塑性；b.脆性脆性；c.少许塑性极限载荷少许塑性极限载荷；：二、静应力下的强度计算二、静应力下的强度计算:1.失效形式：断裂或塑性变形；失效形式：断裂或塑性变形；2.分析：分析：计算应力：计算应力：a.单向单向

9、；b.复合复合：,223(4）或应力集中：应力集中：塑性或组织不均匀材料不考虑：塑性或组织不均匀材料不考虑：因为塑性变形可弥因为塑性变形可弥补应力变化补应力变化limsB组织均匀的低塑性材料：考虑组织均匀的低塑性材料：考虑（第三、四强度理论）（第三、四强度理论）三、变应力下的强度计算（第三章中详讲）三、变应力下的强度计算（第三章中详讲）1失效：疲劳断裂失效：疲劳断裂2疲劳极限：零件在变应力作用下到应力循环疲劳极限：零件在变应力作用下到应力循环N次材次材料不发生疲劳破坏的最大应力，和料不发生疲劳破坏的最大应力，和r、N有关有关.rN3判别式（分析）：判别式（分析）：rNrN四、许用安全系数四、许

10、用安全系数S1目的：使零件工作更可靠，留有余量目的：使零件工作更可靠，留有余量.2取法总则：在保证安全可靠的前提下，取得越小越好取法总则：在保证安全可靠的前提下，取得越小越好.3取决于：取决于：的计算精确度的计算精确度 材料性能材料性能 零件的重要程度零件的重要程度（理想状态，往往做不到）（理想状态，往往做不到）lim321ssss4取值：取值：S=（1.24）查查P15 表表2.2 五、提高零件强度的措施：五、提高零件强度的措施：（改进措施）（改进措施）1、改善零件结构形状、改善零件结构形状 机械：喷丸机械：喷丸2、改善零件表面的物理状态改善零件表面的物理状态 化学：热处理（渗碳、渗氮）化学

11、：热处理（渗碳、渗氮）物理：热处理（调质、正火）物理：热处理（调质、正火）或SS集中载荷：均布载荷集中载荷：均布载荷等强度：等强度：合理截面合理截面减少应力集中减少应力集中（）（）2-4 机械零件的表面强度静止面接触静止面接触 表面挤压强度表面挤压强度 动面接触动面接触 表面磨损强度表面磨损强度 动静面动静面(点点/线线)接触接触 表面接触疲劳强度表面接触疲劳强度 潘存云教授研制潘存云教授研制一、一、机械零件的接触强度机械零件的接触强度如齿轮、凸轮、滚动轴承等。如齿轮、凸轮、滚动轴承等。B 机械零件中各零件之间的力的传递，总是通过两机械零件中各零件之间的力的传递，总是通过两个零件的接触形式来实

12、现的。常见两机械零件的接触个零件的接触形式来实现的。常见两机械零件的接触形式为点接触或线接触。形式为点接触或线接触。机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约20m处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑，这种现象称为渡劳点蚀。潘存云教授研制潘存云教授研制两个零件在受载前是两个零件在受载前是点点接触或接触或线线接触。受载后，接触。受载后，由于变形其接触处为一由于变形其接触处为一小面积小面积，通常此面积甚小而表，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力

13、称为层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。接触应力。这时零件强度称为这时零件强度称为接触强度接触强度。F F 2 O2 1 O1 2 2 O2 1 1 O1 F F 2 2b H1 变形量B接触失效形式常表现为接触失效形式常表现为 疲劳点蚀。疲劳点蚀。后果：后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。低了承载能力、引起振动和噪音。初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹裂纹的扩展与断裂裂纹的扩展与断裂 油油金属剥落出现小坑金属剥落出现小坑潘存云教授研制潘存云教授研制b b由弹性力学可知，应力为：由弹性力学可

14、知，应力为：n12H2212121111FbEE2121=令代入化简得,+2=2121EEEEEnH212(1)F EbbEFn418.0对于钢或铸铁取泊松比对于钢或铸铁取泊松比 1=2=0.3,则有简化公式。则有简化公式。上述公式称为上述公式称为赫兹赫兹(HHertz)公式公式“”用于外接触，用于外接触，“”用于内接触。用于内接触。H HH H21Fn1Fnb b2H HH H潘存云教授研制bEFnH418.0=H H 最大接触应力或最大接触应力或赫兹应力赫兹应力;212121212EEEEEb b 接触长度接触长度;F Fn n 作用在圆柱体上的载荷作用在圆柱体上的载荷;综合曲率半径综合曲

15、率半径;综合弹性模量综合弹性模量;E1、E2 分别为两分别为两 圆柱体的弹性模量。圆柱体的弹性模量。接触疲劳强度的判定条件为接触疲劳强度的判定条件为HlimHHHH=,S而提高措施：提高措施：增大综合曲率半径增大综合曲率半径点点 面；外接触面；外接触 内接触内接触提高零件的表面应力提高零件的表面应力 采用粘度均匀的润滑油采用粘度均匀的润滑油 二、表面挤压强度二、表面挤压强度分析：分析：挤压应力挤压应力 破坏形式破坏形式a.塑性变形（塑材）塑性变形（塑材）b.压塌（脆）压塌（脆）计算计算 说明：说明：1）A 接触面在力作用下垂直方向的投影接触面在力作用下垂直方向的投影 2）p1、p2取小的一个取

16、小的一个AFpp 三、表面磨损强度（耐磨性）三、表面磨损强度（耐磨性）失效形式：磨损失效形式：磨损 主参量：磨损量主参量：磨损量 因为磨损量不好算，因为磨损量不好算，但磨损和力、速度、温度有关但磨损和力、速度、温度有关P P PV PVV V 控制计算控制计算控制温升，功率损耗控制温升，功率损耗.提高措施提高措施（条件性计算）（条件性计算）2-5 机械零件的刚度 y y机械现代设计方法通常是相对传统的设计方法而言的。现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下列转换：成果与手段实现下列转换：2-6机械现代设计方法简介机械现代设计方法简介静态的静态的 动态的动态的 如机器结构动力学计算如机器结构动力学计算分部处理法分部处理法 系统工程法系统工程法 如系统工程如系统工程定性的定性的 定量的定量的 如有限元计算如有限元计算宏观的宏观的 微观的微观的 如微纳米摩擦学设计如微纳米摩擦学设计串行设计串行设计 并行设计并行设计 如并行设计如并行设计可行性设计可行性设计 优化设计优化设计 如优化设计如优化设计确定量确定量 随机量随机量 如可靠性设计如可靠性设计人工设计人工设计 自动化设计自动化设计 如计算机辅助设计如计算机辅助设计