第2章 机械零件的工作能力和计算准则

1、,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。,1.失效：,零件不发生失效时的安全工作限度。,为防止失效而制定的判断条件。,2.工作能力：,3.工作能力计算准则：,机械零件丧失工作能力或达不到设计者要求的性能。,一、术语,计算准则:计算量许用量,名义载荷：机器平稳工作条件下作用在零件上的载荷；计算载荷：考虑载荷的时间不均匀性、分布的不均匀性以及其它影响因素对名义载荷进行修正得到的载荷。,载荷及其产生的应力，是导致机械零件发生损伤甚至失效的最主要原因；对机械零件进行载荷和应力分析是进行机械设计过

2、程中首先面临和要解决的问题。,机械零件的载荷：一般是指它所受到的力（F）、弯矩（M）、扭矩（T）。,2.1载荷与应力的分类(二载荷与应力的分类),2.1载荷与应力的分类(二载荷与应力的分类),1.载荷的分类,2.应力的分类,静应力：r=1,按应力在零件上的分布情况可分成体应力和表面应力（接触应力）;通常所讲的拉伸或压缩应力、弯曲应力b、扭转应力等都属于体应力;体应力又可以分为静应力和变应力;,在载荷作用下，机械零件将承受某种应力;,描述变应力特性的主要参数有：,应力循环特性。,应力分类,零件尺寸取决于危险截面的最大计算应力（最大应力）,应力分类,零件工作,承受载荷,零件据自身结构、材料反抗失效

3、,反抗失效失效,三、设计准则,1、刚度准则,刚度：抵抗弹性变形的能力。,机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。,2、寿命准则,实际使用寿命大于或等于预期寿命，LL。,3、温升准则,tt,4、强度准则,强度：零件抵抗断裂、塑变、疲劳破坏的能力。,(2.2机械零件的强度),两种计算准则：一种是根据许用应力建立的计算准则，另一种是根据安全系数建立的计算准则；在实际使用中根据所掌握的数据情况确定选择使用哪种强度准则。,(1)方法,1通过判断危险截面的最大许用应力（，）是否小于或等于许用应力，。2通过判断危险截面上实际的安全系数（S，S）是否大于或等于许用安全系数（S，S）,(2.2.2静应力强度),在

4、静应力下工作的零件，主要失效形式：塑性变形或断裂。,(2)静应力强度,强度条件公式为（2.1）或（2.2）,2.复合应力时的塑性材料零件,根据第三或第四强度理论来确定其强度条件。,强度条件：,(2.3),1.单向应力时的塑性材料零件,(2.4),复合安全系数：,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。,2.2.2静应力强度,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。,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

5、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。,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。,安全系数过小，机器可能不够安全；安全系数过大，在材料、加工、运输等方面不符合经济原则，且机器笨重。,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,2.2.5提高机械零件强度的一般措施1合理布置零件，减少零件所受到的最大载荷,2.采用等强度结构,3.减小载荷和应力集中,4.选用合理截面比如梁的截面采用工字型、T字型；轴的截面采用圆形、空

6、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。这些方法都可以在零件表面中形成残余压应力、提高表面硬度，对提高零件的表面疲劳强度是有利的。,2.3机械零件的表面强度,静应力下的强度,变应力下的强度,在滑动摩擦下工作的零件,挤压应力下的强度,是指高副接触的表面抵抗接触破坏的能力,表面疲劳磨损疲劳点蚀，简称点蚀。,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：,2.3.1表面接触强度,强度条件,应力的分布规律：,1,2,2.3.1表面接触强度,表面接触应力：,局部小

7、面积上产生的接触应力,赫兹（1881）,b,F,F,表面疲劳磨损疲劳点蚀，简称点蚀。,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：,后果：,2.3.1表面接触强度,点蚀的形成和润滑油的关系：,不发生失效的强度条件：,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,例2.2求图2.10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。,解：,图2.10,挤压应力：通过局部配合面间的接触来

8、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。,塑性材料,挤压强度条件：,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。,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

9、，即,载荷与应力的分类；机械零件的强度。,机械零件的表面强度。,2.1载荷与应力的分类,2.2机械零件的强度,1,2,1,1,2,赫兹：(1857-1894)德国物理学家，生于汉堡。早在少年时代就被光学和力学实验所吸引。十九岁入德累斯顿工学院学工程，由于对自然科学的爱好，次年转入柏林大学，在物理学教授亥姆霍兹指导下学习。1885年任卡尔鲁厄大学物理学教授。1889年，接替克劳修斯担任波恩大学物理学教授，直到逝世。,赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对他寄以更大期望时，他却于1894年元旦因血中毒逝世，年仅36岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字来命名各种波动频率的单位，简称“赫”。,赫兹对

10、人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。1881年，赫兹解出了两弹性体局部接触时弹性体内的应力分布。,1何谓失效？失效就是破坏？2零件的计算准则与失效形式有什么关系？常用的有哪些准则？它们是针对什么失效形式而建立的？3解释以下术语：静载荷，变载荷，名义载荷，计算载荷，静应力，变应力，最大计算应力（最大应力）,思考题：,何谓变应力的循环特性r？对静应力、脉动循环变应力和对称循环变应力其r值各为多少，其各为多少？,5变应力只能由变载荷产生吗？静载荷只能产生静应力吗？6静应力强度计算时，塑性材料的零件，其极限应力应为，脆性材料的零件，其极限应力应为。疲劳强度计算时，极限应力应。,思考题：,、,7判断零件强度的方法有哪两种？8根据接触状态和工作条件不同，零件的表面强度分为哪三种？9依靠表面接触工作的零件，你知道的有哪些？10重型机械中，常见到内接触的零件，为什么？11疲劳点蚀是如何产生的？12提高零件表面接触强度的措施有哪些？,思考题：,九江大桥,2007年6月15日凌晨,一座百余人历经两年时间建造的桥，在竣工前夕轰然垮塌！123位正在劳作的建桥工人遭飞来横祸,63