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1、第2章 机械零件的强度和计算准则,2.1机械零件的载荷和应力 2.2 机械零件的计算准则 2.3提高强度的一般方法 2.4机械零件的三种表面强度 2.5机械零件的刚度及改进措施 2.6机械零件的稳定性和冲击强度,2.1 机械零件的载荷和应力,2.1.1机械零件的载荷-静载荷和变载荷 (1)静载荷 -不随时间变化或变化很小 (2)变载荷-随时间作周期性或非周期性变化 设计计算中涉及-名义载荷F计算载荷Fc=kF 载荷系数K -主要由动力机和工作机的工作性能决定,2.1.2机械零件的应力,稳定循环变应力的基本参数和种类,a) 基本参数,应力循环特性,最大应力,最小应力,平均应力,应力幅,变应力通常
2、可用5个参数中任两个来描述:,变应力进行有关参数计算时应该注意几点问题： （1）横坐标以上为拉伸应力，数值为正，横坐标以下为压缩应力，数值为负。对于剪切应力，则可以自行规定一个方向为正值，另一个方向为负值。 （2）根据绝对值大小判断max和min，绝对值大者为max，小者为min。 （3）循环特性的变化范围为 。,静应力只能由静载荷产生， 变应力可能由变载荷或静载荷产生。,在变应力下，零件的主要失效形式为：疲劳破坏,4.名义应力-由名义载荷求出的应 力 5.计算应力-由计算载荷求出的应力,2.2 机械零件的计算准则,机械零件的失效方式 失效-零件丧失工作能力或达不到设计要求的 性能。 常见失效
3、形式 整体断裂；变形过大；零件表面破坏、不能满足工作条件包括：打滑；联接松动、泄露等。,失效具有多样性,同一种零件会有多种失效形式，但最常发生的失效形式主要是由于强度、刚度、耐磨性、耐温度性、振动稳定性、可靠性等方面的问题。,零件工作,承受载荷,零件据自身结构、 材料反抗失效,反抗失效失效,解决办法：合理设计,2.2.1 强度准则,强度：零件抵抗断裂、塑变、疲劳破坏的能力 1.判断危险截面的最大应力(,)是否小于或等于许用应力(,),2.判断危险截面的实际安全系数是否大于或等 于许用安全系数,采用何种方法计算，通常由可资利用的 数据和计算惯例来诀定。,S安全系数，S1,S：安全，浪费材料,S：
4、经济，不安全,安全系数意义 考虑实际情况及必要强度储备 安全系数的决定因素 （1）载荷和应力的性质和计算的准确程度； （2）运行条件的平稳程度（是否有冲击载荷）； （3）材料的性质和材质的均匀程度； （4）零件的重要程度； （5）工艺和探伤水平； （6）环境是否具有腐蚀性。 安全系数的选择原则： 在保证安全、可靠的前提下，尽可能选用较小的安全系数。,刚度-零件在载荷作用下抵抗变形的能力 (力,力矩/弹性变形量) 柔度-在外力作用下产生变形的能力(弹性变形量/力,力矩),2.2.2刚度准则,刚度指标: 伸长,压缩,挠度,扭角,转角 计算准则: 弹性变形量不大于许用值,实际的弹性变形量可以根据不同
5、的零件，依据不同的理 论或实验方法进行确定，而相应的许用值则需要根据不 同的场合，根据理论和经验确定合理的数值。,机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。,2.2.3 寿命准则 寿命是机械零件能正常工作延续的时间决定零件寿命的主要的因素-腐蚀、疲劳和磨损；磨损问题和腐蚀-研究目前还很不完善，还无法建立一个能够为广泛接受的计算准则；疲劳问题-目前发展比较成熟，具体的疲劳寿命计算方法，后续章节中有详细的介绍。,1.可靠性-产品在规定的条件下和规定的时间内无故障完成规定功能的能力 2.可靠度-产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率(Rt) Rt=Nt/N=(N-Nf)/N=1-Nf/N N
6、总的零件 Nt继续工作的零件 Nf失效的零件 3.累积失效概率-产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率(Ft或P) Ft=Nf/N=1-Rt , Ft+Rt=1,2.2.4 可靠性准则,1.可靠性-产品在规定的条件下和规定的时间内无故障完成规定功能的能力 2.可靠度-产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率(Rt) Rt=Nt/N=(N-Nf)/N=1-Nf/N N总的零件 Nt继续工作的零件 Nf失效的零件 3.累积失效概率-产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率(Ft或P) Ft=Nf/N=1-Rt , Ft+Rt=1,2.2.4 可靠性准则,随试验时间不断延长，则Nf将
7、不断增加，可靠度逐渐减少，这说明零件的可靠度是随时间发生改变的，是时间的函数。 对Ft进行微分得： 失效分布密度f(t)=dFt/dt=dNf/Ndt 与时间的关系曲线称为失效分布曲线,常见的分布曲线有正态分布,可根据分布函数求出可靠度。,可靠性计算准则,就是要保证零件在工作过程中能够满足规定的可靠性要求。,2.3 提高强度的一般方法,2.3.2 提高机械零件强度的一般措施,1）合理布置零件,减少所受最大载荷,图2.6 改进零件布置提高弯曲强度,2）采用等强度结构,图2.7 阶梯轴的等强度原理,3）减少应力集中,图2.8 齿面载荷的均布措施,4）选用合理截面 比如梁的截面采用工字型、T字型；轴
8、的截面采用圆形、空心圆形等。 5）对零件表面进行强化处理 比如，为提高零件表面疲劳强度，常采用的表面强化工艺有：喷丸处理及碾压处理、渗碳、碳氮共渗、渗氮、表面淬火。,表面强度分为三种: 1）表面挤压强度 2）表面接触强度 3）表面磨损强度,2.4 机械零件的表面强度,1）表面挤压强度,表面挤压强度：零件表面抵抗表面挤压破坏的能力 1.挤压应力：在接触面上的压应力,2.挤压失效形式-压碎和塑性变形 3.挤压应力的分布 4.条件性简化计算挤压应力 5.计算公式,2）表面接触强度,指高副接触的表面抵抗接触破坏的能力（线接触和点接触） 静载荷作用时的失效形式: -脆性材料的表面压碎和塑性材料的表面塑性
9、变形,变载荷作用下的失效形式:,-失效为疲劳破坏(表面疲劳磨损或点蚀),对于圆柱接触的情形，接触应力为：,E为两接触材料的弹性模量，为泊松比， 为综合曲率半径 （正号表示外接触，负号表示内接触）,点接触的情形一般可以归结为两个球体的接触， 接触应力为：,-两圆柱体接触，接触面为矩形， 最大接触应力HmaxF1/2，两球体接触，接触面为圆形， 最大接触应力HmaxF1/3 - 最大接触应力以两圆柱体外接触最高，圆柱体-平面接触次之，内、外圆柱体接触最低,计算准则,Hmax -最大接触应力 Hmax -最大许用接触应力,最大接触应力Hmax根据赫兹接触应力公式进行计算。,3） 表面磨损强度,条件性
10、计算 1、滑动速度低、载荷大时限制表面压强pp 2、滑动速度较高时防止润滑失效pvpv 3、高速时防止速度过高加速磨损vv,p-工作表面的压强 v-滑动速度,提高刚度的方法： 1）材料对刚度的影响弹性模量大则刚性就大,金属大于非金属,同类金属的弹性模量相差不大,以高强度合金钢代替普通碳钢来提高刚度的方法不可取,2.5 机械零件的刚度和改进措施,2）结构对刚度的提高 支承方式和位置 悬臂支承、球轴承简支承和滚子轴承支承结构，它们的最大弯矩之比为Ma：Mb：Mc为4：2：1，最大变形挠度之比ya：yb：yc为16：4：1， 3）通过预紧装配实现刚度的提高,2.6 机械零件的振动稳定性冲击强度,2.
11、6.1 零件的振动和振动稳定性 振动- 零件周期性的弹性变形现象 失稳-零件或机器的自振频率和周期性外力的变化频率相等或相接近时，发生共振，振幅将急剧增大，此种现象称为失稳。 振动稳定性计算准则-使零件的固有频率f与外力作用频率fp既不相等也不接近 0.85ffp 1.15ffp,一般采取的措施有： （1）尽量采用对称结构（如花键联接）、减少悬臂长度、缩短中心距等； （2）对转动零件进行平衡，尽量满足动、静平衡条件； （3）采用阻尼作用消耗引起振动的能量，比如设置滑动轴承的油膜阻尼器、液压缸端部的阻尼孔等； （4）设置隔振零件，比如加装弹簧、橡胶垫、隔振层等都具有减振作用。,2.6.2 机械零
12、件的冲击强度 1.冲击强度和冲击变形的计算 由冲击能转变为变形能： F=KIF KI y=KIy为冲击系数,y为静载荷F作用下的物体B弹性变形量,冲击系数的确定方法为：轻度冲击11.1， 中度冲击1.251.4， 重度冲击1.62， 极大冲击23。,习题 1-4 1-5 1-6 1-9 1-14 1-16 1-37,复习思考题 1、何谓零件的失效？常见形式有哪些？ 2、载荷、应力各如何分类？基本变应力有哪几种？用哪些参数描述变应力？ 3、如何判断零件受力类型？ 4、两种判断零件强度的方式是什么？ 5、安全系数如何选择？其大小会产生什么影响？ 6、提高零件强度有哪些措施？,7、表面强度有哪几种？如何计算挤压和磨损强度？ 8、何谓刚度和柔度？刚度不足会产生什么影响？影响刚度的因素有哪些？ 9、根据冲击模型推导解释冲击载荷的危害及如何缓和冲击作用。 10、何谓振动、共振及失稳？稳定性计算的准则是什么？减轻振动的措施有哪些？ 11、什么是可靠度？,SEMINAR TOPIC,机械零件的工作能力应包括那些方面？计算准则和工作能力之间有什么关系？,
