第2章 機械零件的工作能力和計算準則

1、2.1 載荷及應(yīng)力的分類載荷及應(yīng)力的分類2.1.1、載荷的分類、載荷的分類靜載荷靜載荷變載荷變載荷不隨時間改變或變化緩慢不隨時間改變或變化緩慢隨時間作周期性或非周期性變化隨時間作周期性或非周期性變化名義載荷名義載荷計算載荷計算載荷理想工作條件下的載荷理想工作條件下的載荷作用于零件的實際載荷作用于零件的實際載荷計算載荷計算載荷名義載荷名義載荷=K 載荷系數(shù)載荷系數(shù)？2.1.2 、應(yīng)力的分類、應(yīng)力的分類靜應(yīng)力靜應(yīng)力變應(yīng)力變應(yīng)力不隨時間改變或變化緩慢不隨時間改變或變化緩慢隨時間作周期性或非周期性變化隨時間作周期性或非周期性變化變應(yīng)力變應(yīng)力穩(wěn)定變應(yīng)力穩(wěn)定變應(yīng)力周期性循環(huán)變應(yīng)力周期性循環(huán)變應(yīng)力非穩(wěn)定變應(yīng)

2、力非穩(wěn)定變應(yīng)力非周期性循環(huán)變應(yīng)力非周期性循環(huán)變應(yīng)力穩(wěn)定變應(yīng)力穩(wěn)定變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力 =常數(shù)常數(shù)ttmaxminammaxammaxamin對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力靜應(yīng)力靜應(yīng)力OtOOtO幾個應(yīng)力參數(shù)幾個應(yīng)力參數(shù)循環(huán)特征：循環(huán)特征：maxminr 表示應(yīng)力變化的情況表示應(yīng)力變化的情況對稱循環(huán)對稱循環(huán) r = 1；脈動循環(huán)脈動循環(huán) r = 0；非對稱循環(huán)非對稱循環(huán) r 0 且且 | r | 1; 靜應(yīng)力靜應(yīng)力 r = +1用用r 表示循環(huán)特征為表示循環(huán)特征為

3、r 的變應(yīng)力。如的變應(yīng)力。如 -1、0等等平均應(yīng)力：平均應(yīng)力：2minmaxm應(yīng)應(yīng) 力力 幅：幅：2minmaxa對稱循環(huán)對稱循環(huán):m= 0; a=max脈動循環(huán)脈動循環(huán):m=a=max / 2注意：注意：變載荷變載荷 變應(yīng)力變應(yīng)力靜載荷靜載荷 靜應(yīng)力靜應(yīng)力 ？或變應(yīng)力或變應(yīng)力nP an2.2、機械零件的強度、機械零件的強度主要失效形式：斷裂或塑性變形主要失效形式：斷裂或塑性變形強度條件：強度條件： 或或 塑性材料：塑性材料：sslimlim;許用應(yīng)力：許用應(yīng)力：lim 、lim 極限應(yīng)力極限應(yīng)力 s 安全系數(shù)安全系數(shù)lim = s ；lim = s脆性材料：脆性材料：lim = B ；lim

4、 = Bs、s 材料屈服極限材料屈服極限B、B 材料強度極限材料強度極限2.2.1、兩種判斷零件強度的方法、兩種判斷零件強度的方法2.2.2、變應(yīng)力作用下的強度問題、變應(yīng)力作用下的強度問題主要失效形式：疲勞破壞主要失效形式：疲勞破壞初始裂紋初始裂紋疲勞區(qū)疲勞區(qū)(光滑光滑)粗糙區(qū)粗糙區(qū)強度條件：強度條件： slimlim = ？疲勞破壞與零件的變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān)疲勞破壞與零件的變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān)NrNrNN0疲勞曲線疲勞曲線N 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)rN 疲勞極限（對應(yīng)于疲勞極限（對應(yīng)于N）N0 循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù)r 持久極限持久極限軸軸有限壽命區(qū)有限壽命區(qū)無限無限常數(shù)NmrN0Nmr由此得：由

5、此得：mrrNNN/0與應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)的指數(shù)有關(guān)的指數(shù)通常通常 S 1 變應(yīng)力時，取變應(yīng)力時，取 lim = r（無限壽命）（無限壽命） 或或 lim = rN（有限壽命）（有限壽命） 各種材料的各種材料的r可從有關(guān)手冊中查取可從有關(guān)手冊中查取ssrNr或則2.2.3、安全系數(shù)、安全系數(shù)2.2.4、提高零件強度的措施、提高零件強度的措施兩個方面：結(jié)構(gòu)設(shè)計兩個方面：結(jié)構(gòu)設(shè)計 制造工藝制造工藝1）結(jié)構(gòu)方面）結(jié)構(gòu)方面 合理布置零件減少載荷合理布置零件減少載荷降低載荷集中，均勻載荷分布降低載荷集中，均勻載荷分布采用等強度結(jié)構(gòu)采用等強度結(jié)構(gòu)選用合理剖面選用合理剖面減小應(yīng)力集中減小應(yīng)力集中）制造工

6、藝主要提高疲勞強度）制造工藝主要提高疲勞強度機械加工方法表面滾壓，噴丸處理使機械加工方法表面滾壓，噴丸處理使表面產(chǎn)生很小的塑性變表面產(chǎn)生很小的塑性變形（殘余壓應(yīng)力）形（殘余壓應(yīng)力）熱處理方法化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮熱處理方法化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮普通熱處理：表面淬火普通熱處理：表面淬火2.、機械零件的表面強度、機械零件的表面強度2.1、表面接觸強度（非整合接觸）、表面接觸強度（非整合接觸）表面接觸應(yīng)力）表面接觸應(yīng)力兩圓柱體：兩圓柱體：)111(22212max1EEbFH）失效形式：）失效形式：表面疲勞磨損（表面疲勞點蝕）表面疲勞磨損（表面疲勞點蝕）強度條件：）強度條件：maxHH）提高接觸強度

7、的措施）提高接觸強度的措施減小接觸應(yīng)力減小接觸應(yīng)力提高表面硬度，以提高許用接觸應(yīng)力提高表面硬度，以提高許用接觸應(yīng)力提高潤滑油黏度提高潤滑油黏度2.、表面擠壓強度（通過整合面的接觸傳遞載荷）、表面擠壓強度（通過整合面的接觸傳遞載荷）失效形式：）失效形式：塑性材料塑性變形塑性材料塑性變形脆性材料表面壓碎脆性材料表面壓碎）強度條件（條件性計算）：）強度條件（條件性計算）：ppAF常用于靜態(tài)聯(lián)接或低速工作條件下常用于靜態(tài)聯(lián)接或低速工作條件下2.、表面磨損強度、表面磨損強度）磨損）磨損）計算準則（條件性計算）計算準則（條件性計算）減輕磨損的措施）減輕磨損的措施vpvpvvpp合適的材料匹配、提高表面硬度

8、合適的材料匹配、提高表面硬度合適的表面狀態(tài)、表面鍍層合適的表面狀態(tài)、表面鍍層防塵處理、控制表面溫度防塵處理、控制表面溫度提高表面加工質(zhì)量，降低表面粗糙度值提高表面加工質(zhì)量，降低表面粗糙度值2.、機械零件的剛度、機械零件的剛度2.1、剛度對機械零件性能的影響、剛度對機械零件性能的影響剛度：是指該零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力剛度：是指該零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力表示方法：剛度產(chǎn)生單位彈性變形所需要的力或力矩表示方法：剛度產(chǎn)生單位彈性變形所需要的力或力矩柔度單位外力或外力矩產(chǎn)生的彈性變形量柔度單位外力或外力矩產(chǎn)生的彈性變形量）剛度不足會影響零件的使用性能）剛度不足會影響零件的使用性能）

9、對機床而言：為保證具有一定的精度，被加工零）對機床而言：為保證具有一定的精度，被加工零件和機床都應(yīng)具有一定的剛度件和機床都應(yīng)具有一定的剛度）剛度有時是強度的保證）剛度有時是強度的保證）剛度影響零件的振動頻率）剛度影響零件的振動頻率）彈性零件應(yīng)有確定的剛度要求）彈性零件應(yīng)有確定的剛度要求2.、剛度條件、剛度條件2.、剛度的影響因素及提高剛度的措施、剛度的影響因素及提高剛度的措施材料：彈性模量材料：彈性模量結(jié)構(gòu)：剖面形狀、支承結(jié)構(gòu)、位置、加強筋結(jié)構(gòu)：剖面形狀、支承結(jié)構(gòu)、位置、加強筋預(yù)緊：提高接觸剛度（滾動軸承的預(yù)緊）預(yù)緊：提高接觸剛度（滾動軸承的預(yù)緊） yy計算方法：材料力學(xué)中的簡化方法計算方法：

10、材料力學(xué)中的簡化方法彈性力學(xué)有限元分析方法彈性力學(xué)有限元分析方法2.、機械零件的沖擊強度、機械零件的沖擊強度)(vyhFW2vvyFU vvyyFFFKFyhFdv211 Fv動載荷動載荷條件條件 能量守恒能量守恒 W=U 載荷與變形成正比載荷與變形成正比B的變形能的變形能:A物體給物體給B的沖擊能的沖擊能:Kd動載荷系數(shù)動載荷系數(shù)h=o時時Fv=2F為理論值，實際值可能小于為理論值，實際值可能小于2F，沖擊能損耗。，沖擊能損耗。 設(shè)計零件時應(yīng)考慮動載荷的影響。設(shè)計零件時應(yīng)考慮動載荷的影響。 計算時用計算載荷計算時用計算載荷 Pc=KP K工作情況系數(shù)，考慮動工作情況系數(shù)，考慮動載荷的影響。載

11、荷的影響。提高沖擊強度的措施：提高沖擊強度的措施：）增大零件的彈性變形）增大零件的彈性變形）增加材料的彈性，即降低）增加材料的彈性，即降低）采用緩沖零件吸收沖擊能量）采用緩沖零件吸收沖擊能量）減小間歇，增加預(yù)緊）減小間歇，增加預(yù)緊2.、溫度對機械零件性能的影響、溫度對機械零件性能的影響機器工作中有能耗機器工作中有能耗 熱能熱能 工作溫度工作溫度 潤滑油粘度潤滑油粘度 （主要由摩擦產(chǎn)生（主要由摩擦產(chǎn)生 ）（達到熱平衡溫度不再升高）（達到熱平衡溫度不再升高） 2.、溫度對熱脹冷縮的影響、溫度對熱脹冷縮的影響弊間歇量，過盈量的變化，熱應(yīng)力的產(chǎn)生弊間歇量，過盈量的變化，熱應(yīng)力的產(chǎn)生利進行熱裝配利進行熱

12、裝配 零件的工作狀態(tài)變化（趨于惡化）零件的工作狀態(tài)變化（趨于惡化） 油膜承載能力油膜承載能力 能耗能耗溫度溫度惡性循環(huán)，零件咬死。惡性循環(huán)，零件咬死。熱平衡：單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量熱平衡：單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量 = 散發(fā)的熱量散發(fā)的熱量2.1、溫度對潤滑過程的影響、溫度對潤滑過程的影響2.、溫度對材料機械性能的影響、溫度對材料機械性能的影響溫度對材料蠕變和松弛的影響溫度對材料蠕變和松弛的影響解決方法：預(yù)先計入熱變形量解決方法：預(yù)先計入熱變形量結(jié)構(gòu)上采用浮動結(jié)構(gòu)消除熱應(yīng)力結(jié)構(gòu)上采用浮動結(jié)構(gòu)消除熱應(yīng)力2.、機械零件的振動穩(wěn)定性、機械零件的振動穩(wěn)定性振動：機械零件發(fā)生周期性的彈性變形。常用振幅和頻率描述振動：機械零件發(fā)生周期性的彈性變形。常用振幅和頻率描述共振現(xiàn)象：共振現(xiàn)象：計算準則：計算準則：自振頻率的相關(guān)因素：自振頻率的相關(guān)因素：周期性的外力：周期性的外力：解決振動穩(wěn)定性的措施：解決振動穩(wěn)定性的措施：結(jié)構(gòu)對稱，平衡，減小懸臂尺寸、減小中心距結(jié)構(gòu)對稱，平衡，減小懸臂尺寸、減小中心距阻尼阻尼隔振隔振2.、機械零件的可靠性、機械零件的可靠性可靠性：零件在規(guī)定的工作環(huán)境下，在規(guī)定的工作壽命內(nèi)可靠性：零件在規(guī)定的工作環(huán)境下，在規(guī)定的工作壽命內(nèi)發(fā)揮規(guī)定功能的概率。發(fā)揮規(guī)定功能的概率。零件的可靠性是指工作應(yīng)力和材料強度等參