机械零件的工作能力和计算准则.ppt

1 1 第二章第二章 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 第2章 机械零件的工作能力和 计算准则 机械零件的工作能力反映了零件的抗失效能力。 计算准则是设计机械零件的最基本准则。 设计人员的任务：设计出合格的零件，使它具有一 定的工作能力，抵抗失效。 2 2 第二章第二章 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 重点： 难点： 载荷与应力的分类；机械零件的强度。 机械零件的表面强度。 3 3 第二章第二章 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 1.失效：机械零件丧失工作能力或达不到设计要求 性能时。 了解几个概念 失效并不单纯意味着破坏。 常见的失效形式有： 因强度不足而断裂； 过大的弹性变形或塑性变形； 摩擦表面的过度磨损； 联接松动； 打滑或过热； 压力容器、管道等的泄漏； 运动精度达不到要求等。 同一零件发生失效的形式可能有数种：如齿轮的失效形式有： 齿面粘着磨损和胶合、磨粒磨损；齿面疲劳点蚀和剥落； 软齿疲劳折断和过载折断；齿面或齿体塑性变形；齿轮其 他部分的破坏等 。 4 4 第二章第二章 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.工作能力：零件不发生失效时的安全工作限度。 3.工作能力计算准则：为防止失效而制定的判断条件。 对应于不同的失效形式 不同的工作能力 不 同的计算准则。 总之：计算量许用量 对载荷而言的工作能力称为承载能力 了解几个概念 如：轴的失效形式： 可能是疲劳断裂 ，也可能是过大的弹性变形。 轴的工作能力：轴的疲劳强度轴的刚度 5 5 第二章第二章 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 2.1 载荷与应力的分类 2.应力的分类 按应力随时间变化的特性不同 静应力 变应力 静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力 变应力：随时间变化的应力 1.载荷的分类 载荷可分为静载荷和变载荷 静载荷：不随时间变化或变化缓慢的载荷 变载荷：随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷 名义载荷： 计算载荷： 计算载荷等于名义载荷乘以载荷系数K。 6 6 第二章第二章 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 规律性非稳定变应力 随机性非稳定变应力 汽车弹簧 ot =常数 max 脉动循环变应力 r =0 m 静应力: =常数变应力: 随时间变化 平均应力: 应力幅: T max min a a m 循环变应力 ot 变应力的循环特性: max min a a 对称循环变应力 r =-1 ot -脉动循环变应力 -对称循环变应力 -1 = 0 +1-静应力 ot a a min r =+1 8 8 第二章第二章 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 描述变应力特性的主要参数有： 应力循环特性。 变应力特性可用五个参数中的任意两个来描述 -脉动循环变应力 -对称循环变应力 -1 = 0 +1-静应力 r 9 9 第二章第二章 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 载荷与应力 应力 计算应力 名义应力 计算载荷 名义载荷 载荷 应力 变应力 静应力 变载荷 静载荷 载荷 10 10 第二章第二章 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 在静载荷下，随时间变化的变应力 a 0 t t 0 a 11 11 第二章第二章 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 2.2 机械零件的强度 2.2.1 判断零件强度的方法 （1）判断危险截面处的最大计算应力是否小于或 等于许用应力。 强度条件： （2.1） （2）判断危险截面处的实际安全系数是否大于或 等于许用安全系数。 （2.2） 强度条件： 12 12 第二章第二章 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 脆性材料和低塑性材料的零件 塑性材料零件 2.2.2 静应力强度 在静应力下工作的零件，其主要失效形式是: 塑性变形或断裂。 按照不发生塑性变形的条件进行强度计算。 强度条件公式为（2.1）或 （2.2） 1.单向应力时的塑性材料零件（弯或者是扭） 塑性材料零件 脆性材料和低塑性材料的零件 1313 第二章第二章 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 根据第三或第四强度理论来确定其强度条件。 （弯扭复合应力） 强度条件： (2.3) 复合安全系数： (2.4) 2.复合应力时的塑性材料零件 14 14 第二章第二章 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 3.允许少量塑性变形的零件 可根据允许达到一定塑性变形时的载荷进 行强度计算。 4.脆性材料和低塑性材料的零件 公式（2.1）和（2.2）中的极限应力为材料的强 度极限（ ）。 对组织不均匀的材料，在计算时不考虑应力集中。 组织均匀的低塑性材料应考虑应力集中。 15 15 第二章第二章 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 2.2.3 变应力强度(ch3) 在变应力下工作的零件，其主要失效形式 是疲劳断裂。 应用（2.1）-(2.4)计算疲劳强度时，其 极限应力为疲劳极限。 疲劳极限：循环特性r一定时，应力循环N次后， 材料不发生疲劳破坏时的最大应力。 16 16 第二章第二章 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 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 许用安全系数。 不同的机器制造部门，常有自己制定的许用应 力和许用安全系数的专用规范。没有规范的可遵循 一定原则选用许用安全系数：自学内容P15 。 2.2.4 许用安全系数 零件尺寸大，结构笨重。 S 可能不安全。 S 17 17 第二章第二章 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 2.2.5 提高机械零件强度的措施 提高零件强度可以从结构和制造工艺两方面着手。 18 18 第二章第二章 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 2.3 机械零件的表面强度 整体强度 表面强度 静强度 疲劳强度 静应力下的强度 变应力下的强度 表面磨损强度 表面挤压强度 表面接触强度 表面接触应力下的强度 在滑动摩擦下工作的零件 挤压应力下的强度 一些依靠表面接触工作的零件，它们 的工作能力决定于接触表面的强度。 19 19 第二章第二章 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 若两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后， 由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表 层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。 这时零件强度称为接触强度。如齿轮，滚动轴承等 2.3.1 表面接触强度 2020 第二章第二章 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 1 2 由弹性力学知，表面接触应力： 令 “+”用于外接触，“-”用于内接触。 1=2=0.3 21 21 第二章第二章 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 初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹裂纹的扩展与断裂 油 金属剥落出现小坑 后果：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。 接触表面的主要失效形式： 1）静应力下： 脆性材料表面压溃； 塑性材料表面塑性变形 2）变应力下： 表面疲劳磨损疲劳点蚀，简称点蚀。 不发生失效 的强度条件 ： 2222 第二章第二章 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 2.3.2 提高表面接触强度的主要措施 增大接触表面的综合曲率半径。 将外接触改为内接触。 将点接触改为线接触。 采用粘度较高的润滑油。 提高接触表面的加工质量。 提高零件表面硬度。 降低计 算应力 提高许用应力 2323 第二章第二章 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 例2.2 求图所示三种圆柱体接触的最大接触应力 之比，其他工作条件均相同，尺寸已知。 2424 第二章第二章 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 解： 最大接触应力以两圆柱体外接触的最高 2525 第二章第二章 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 挤压应力：通过局部配合面间的接触来传递载荷 的零件，在接触面上的压应力叫挤压应力。 2.3.3 表面挤压强度 主要失效形式： 脆性材料 表面塑性变形； 表面破碎。 挤压强度条件： 塑性材料 . . F F/2 F/2 2626 第二章第二章 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 2.3.4 表面磨损强度 在滑动摩擦下工作的零件，常因过度磨损而失 效。影响磨损的因素很多，而且比较复杂，通常采 用条件性计算。 1）滑动速度低、载荷大时，可只限制工作表面的 压强，即 2）滑动速度较高时，还要限制摩擦功耗，以免工作 温度过高而使润滑失效。 2727 第二章第二章 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 2.4 机械零件的刚度 2.5 机械零件的冲击强度 2.6 温度对机械零件工作能力的影响 2.7 机械零件的振动稳定性 2.8 机械零件的可靠性 3）高速时还要限制滑动速度，以免由于速度过高 而加速磨损，降低零件工作寿命，即 2828 第二章第二章 机械零件的工作能力和计算