第二章机械零件工作能力

第二章机械零件的工作能力和计算准则 基本概念 1 失效 机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时 失效具有多样性 失效并不单纯意味着破坏 不同的零件失效形式不同 同一种零件会有多种失效形式 2 工作能力 零件不发生失效时的安全工作限度 工作能力也具有多样性 承载 耐压 耐温 耐变形 耐蠕变等 承载能力 相对于载荷而言的工作能力 由于零件的失效形式多种多样 同一种零件也有多种不同的工作能力 4 失效形式的归纳 强度 刚度 耐磨性 温度 振动稳定性 可靠性 计算准则 针对某种失效形式 为满足某种工作能力而建立的设计准则 本章任务 介绍常见计算准则 主要涉及强度 刚度 耐磨性 耐温性 提出相应提高零件工作能力的主要措施 2 1载荷和应力的分类 一 载荷分类 静载荷和变载荷1 静载荷 大小方向不随时间变化或变化很小的载荷2 变载荷 随时间作周期性或非周期性变化的载荷3 设计计算中涉及 名义载荷和计算载荷4 载荷系数主要由动力机和工作机的工作性能决定 二 应力分类 静应力 不随时间变化 103变应力 不断随时间变化 当 max min均维持常数 稳定交变应力当 max和 min的数值随时间而改变 不稳定的变应力 2 交变应力的特征及典型的交变应力交变应力 随时间作周期性变化的应力 稳定变应力不稳定变应力 1 应力 名义应力 由名义载荷求出的应力计算应力 由计算载荷求出的应力 三 几种稳定循环变应力 1 变应力五个主要参数变应力特性通常可用5个参数来描述 最大应力 max最小应力 min 平均应力 m max min 2 应力幅 a max min 2 是影响零件疲劳强度主要因素 应力循环特性 r 1 对称循环变应力 当 m 0 max min 2 几种稳定循环变应力 当 min 0 或 max 0 r 0 脉动循环变应力 应力幅 a max min 2 平均应力 m max min 2 应力循环特性r min max 3 r 1 1 非对称循环变应力 4 当 max min r 1 静应力 注意 静应力只有在静载荷的条件下才能产生 变应力既可以在变载荷的条件下产生 也可以在静载荷的条件下产生 2 2机械零件的强度 两种判断零件强度的方法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 静应力强度 静应力作用下的零件强度失效形式 塑性变形或断裂1 单向应力时的塑性材料零件 按不发生塑性变形的条件进行强度计算 取屈服极限为极限应力 不考虑应力集中2 复合应力时的塑性材料零件用第三或第四强度理论进行强度计算 先求出复合应力的当量值 然后应用强度理论 3 允许少量塑性变形的零件 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则应考虑应力集中 4 脆性材料和低塑性材料零件 变应力强度变应力工作的零件失效形式将是疲劳断裂 疲劳极限 循环特性一定的应力作用N次而不发生疲劳破坏的最大应力 rN影响疲劳极限的因素 循环特性 循环次数 应力集中 零件尺寸 表面状态 许用安全系数 1 安全系数的决定因素 A 载荷和应力的性质和计算的准确性B 材料的性质和材质的不均匀性C 零件的重要性D 工艺质量和探伤水平E 运行条件 是否平稳 冲击 F 环境状况 腐蚀 温度条件 2 安全系数的制定原则 在保证安全可靠的前提下 尽可能选用较小的数值 提高机械零件强度的措施 从结构方面1 合理布置零件 减少所受载荷2 降低应力集中 均匀载荷分布3 采用等强度结构4 选用合理截面5 减少应力集中从工艺方面改善表面状态1 喷丸 碾压2 渗碳 碳氮共渗 渗氮 表面淬火基本原理 形成残余压应力 提高表面疲劳强度 2 3机械零件的表面强度 1 表面强度的重要性2 表面强度分为三种 A 表面接触强度B 表面挤压强度C 表面磨损强度 表面接触强度 1 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变形计算条件 变载荷作用下的表面强度 失效为疲劳破坏 表面疲劳磨损 计算准则 提高表面强度的主要措施 1 增大接触表面的综合曲率半径2 将外接触改为内接触3 将点接触改为线接触4 提高表面硬度5 改善加工质量6 采用粘度较高的润滑油 表面挤压强度 1 挤压应力 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5 计算公式 表面磨损强度 条件性计算1 滑动速度低 载荷大时限制表面压强p p 防止压碎及塑性变形 2 滑动速度高时防止润滑失效pv pv 3 高速时防止速度过高加速磨损v v 提高表面磨损强度的措施 1 选用合适的摩擦副材料2 提高表面硬度3 降低表面粗糙度4 采用有效的润滑剂和润滑方法5 表面镀层 氧化处理6 防止灰尘进入摩擦面7 防止温度过高 2 4机械零件的刚度 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 刚度不足的影响1 影响机器的正常工作2 刚度是保证强度的重要因素3 加工设备及加工件的刚度影响4 刚度会影响零件的自振频率5 弹性元件则要求有一定的柔度 刚度的计算 刚度指标 伸长量 压缩量 挠度 扭角 转角计算方法 模型简化计算准则 计算值不大于许用值按刚度计算所得的零件截面尺寸一般要比按强度计算尺寸大 故满足刚度要求时往往能满足强度要求 但对于尺寸较大的零件 当满足刚度要求时不一定满足强度要求 影响刚度的因素及改进措施 1 材料对刚度的影响弹性模量大则刚性就