第二章機械零件的工作能力和計算準則

第二章機械零件的工作能力和計算準則§2.1

載荷和應力的分類§2.2

機械零件的強度§2.3

機械零件的表面強度第二章機械零件的工作能力和計算準則幾個名詞：1）失效：機械零件由于某種原因不能正常工作，稱為失效。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：軸在工作中可能產生疲勞斷裂、過大彈性變形、共振等失效。機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）第二章機械零件的工作能力和計算準則機械零件失效實例：潘存云教授研制輪齒塑性變形潘存云教授研制齒輪輪齒折斷

潘存云教授研制軸承外圈塑性變形潘存云教授研制齒面接觸疲勞點蝕潘存云教授研制軸瓦磨損潘存云教授研制軸承內圈破裂第二章機械零件的工作能力和計算準則2）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）承載能力：對載荷而言的工作能力。（也就是用載荷表示的工作能力）

4）工作能力計算準則：為防止機械零件發(fā)生某種失效而應滿足的條件。（也可以理解為是機械零件不發(fā)生

失效的“安全條件”，是設計零件時的

理論依據）。第二章機械零件的工作能力和計算準則載荷和應力1

為了防止機械零件在工作中產生失效，設計時，需要以零件的工作能力計算準則為依據進行必要的計算。機械零件的設計準則大體有：

強度準則剛度準則壽命準則振動穩(wěn)定性準則可靠性準則摩擦學準則第二章機械零件的工作能力和計算準則1載荷由于運動中產生的慣性力和沖擊等引起的載荷稱為動載荷。靜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：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＝載荷系數K×名義載荷（代表機器或零件實際所受載荷）載荷系數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：由原動機的額定功率推算出的載荷。第一節(jié)載荷和應力的分類載荷和應力22應力靜應力

變應力σmax─最大應力；σmin─最小應力σm─平均應力；

σa─應力幅值r

─應力比（循環(huán)特性）變應力

應力與外載荷、零件的截面形狀有關

強度與材料本身的機械性能有關，而與外載荷、截面形狀等無關。強度：指機械零件工作時抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。變應力的五個參數：第一節(jié)載荷和應力的分類ot應力靜應力變應力穩(wěn)定循環(huán)變應力非穩(wěn)定循環(huán)變應力規(guī)律性非穩(wěn)定循環(huán)變應力隨機性非穩(wěn)定循環(huán)變應力脈動循環(huán)應力對稱循環(huán)應力非對稱循環(huán)應力第一節(jié)載荷和應力的分類脈動循環(huán)變應力r=0非對稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力r=-1σmaxσmTσmaxσminσaσaσmＯtσσmaxσminσaσaＯtσＯtσσaσaσminr=+1

規(guī)律性

隨機性周期尖峰應力ot應力靜應力變應力穩(wěn)定循環(huán)變應力非穩(wěn)定循環(huán)變應力脈動循環(huán)應力對稱循環(huán)應力非對稱循環(huán)應力規(guī)律性非穩(wěn)定循環(huán)變應力隨機性非穩(wěn)定循環(huán)變應力第一節(jié)載荷和應力的分類靜應力（可看作是循環(huán)應力的一個特例）注：靜應力只在靜載荷作用下產生，變應力可由變載荷產生，也可由靜載荷產生。（承受靜載荷的回轉運動或周期運動的零件將產生變應力）另外，應力還分為名義應力：根據名義載荷求得的應力計算應力：根據計算載荷求得的應力Ｏtσr=+1第一節(jié)載荷和應力的分類強度準則強度：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判斷零件強度的兩種方法：1）用應力表示：≤＝2）用安全系數表示：≥＝式中：—計算最大應力—極限應力—計算安全系數—許用應力—許用安全系數注：對于切應力，只須將上述各公式中的換成即可。第二節(jié)機械零件的強度靜應力下的強度2.2.2靜應力下的強度

在靜應力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性變形或斷裂。材料種類不同，所取極限應力也不同。塑性材料單向應力狀態(tài)：，復合應力狀態(tài)：按第三或第四強度理論計算當量應力。脆性材料則有：，注：1）對于脆性材料和組織不均勻的材料（如灰鑄鐵），在計算靜強度時，可不考慮應力集中的影響。

2）對于組織均勻的低塑性材料（如淬火鋼），在計算靜強度時，應考慮應力集中的影響。第二節(jié)機械零件的強度接觸強度2.2.3變應力強度計算變應力下的強度時，應取疲勞極限（詳見第三章）。2.2.4許用安全系數[S]安全系數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，應盡可能選用較小的許用安全系數。的取值主要受下列因素的影響：1）計算的準確性；

2）材料的均勻性；

3）零件的重要性。第二節(jié)機械零件的強度（1）靜應力下，塑性材料的零件

S=1.2～１.5

鑄鋼件

S=1.５～２.5（2）靜應力下，脆性材料，如高強度鋼或鑄鐵：

S=3～4（3）變應力下，

S=1.3～1.7材料不均勻，或計算不準時取

S=1.7～2.5第二節(jié)機械零件的強度2.2.5提高機械零件強度的措施從結構方面1.合理布置零件,減少所受載荷2.降低應力集中,均勻載荷分布（自動調節(jié)載荷分布、限制接觸寬度）第二節(jié)機械零件的強度3.采用等強度結構4.選用合理截面5.減少應力集中

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----形成殘余壓應力,提高表面疲勞強度2.滲碳,碳氮共滲,滲氮,表面淬火第二節(jié)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.表面磨損強度第三節(jié)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的。常見兩機械零件的接觸形式為點接觸或線接觸。2.3.1表面接觸疲勞強度第三節(jié)機械零件的表面強度b由彈性力學可知，接觸應力為：上述公式稱為赫茲(H·Hertz)公式注：“＋”用于外接觸，“－”用于內接觸。σHσHρ2ρ1Fnρ1Fnbρ2σHσH第三節(jié)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生的局部應力卻很大，這種應力稱為接觸應力。這時零件強度稱為接觸強度。σH——最大接觸應力或赫茲應力;b——接觸長度;Fn

——作用在圓柱體上的載荷;——綜合曲率半徑;——綜合彈性模量;E1、

E2

分別為兩圓柱體的彈性模量。

接觸疲勞強度的判定條件為bFn第三節(jié)機械零件的表面強度對于鋼或鑄鐵取泊松比μ1=μ2=μ=0.3,則有簡化公式。B接觸失效形式常表現為疲勞點蝕。初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋裂紋的擴展與斷裂油金屬剝落出現小坑

機械零件的接觸應力通常隨時間作周期性變化，使零件表層產生初始疲勞裂紋，裂紋擴展、潤滑油被擠迸裂紋中將產生高壓，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坑，這種現象稱為疲勞點蝕。第三節(jié)機械零件的表面強度實際中的高副零件所受的接觸應力都是循環(huán)變化的。如齒輪的輪齒，接觸嚙合時受應力作用，脫離嚙合時不受應力作用。點蝕的危害：

1）破壞零件的光滑表面，引起振動和噪音。

2）減小零件的有效工作面積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，以降低接觸應力。2.將外接觸改成內接觸。3.在結構設計上將點接觸改為線接觸。4.提高零件表面硬度。5.在一定范圍內提高接觸表面的加工質量，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，從而降低接觸應力。第三節(jié)機械零件的表面強度2.3.2表面擠壓強度

兩零件之間為面接觸時，在載荷作用下，接觸表面上產生的應力稱為擠壓應力，用表示。

在擠壓應力作用下的強度稱為擠壓強度，其強度條件為：≤［］

擠壓應力作用下，接觸面的失效形式

是－“壓潰”。注：相互擠壓表面上的擠壓應力相等。第三節(jié)機械零件的表面強度2.3.3表面磨損強度條件性計算1、滑動速度低、載荷大時限制表面壓強

p[p](防止壓碎及塑性變形）2、滑動速度高時防止?jié)櫥v[pv]3、高速時防止速度過高加速磨損v[v]

第三節(jié)機械零件的表面強度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.防止溫度過高第三節(jié)機械零件的表面強度

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，有些零件則會因為產生過大的彈性變形而失效。

如：機床主軸的彈性變形過大將會影響所加工工件的精度。剛度條件：實際變形量y≤許