第2章机械零件的工作能力和计算准则PPT推荐.ppt

1、4）表面失效（工作表面的过度磨损或损伤等）表面失效（工作表面的过度磨损或损伤等）；5）其他形式（联接的松弛、摩擦传动的打滑）其他形式（联接的松弛、摩擦传动的打滑等）。等）。机械零件的主要失效形式1（一）断裂（强度问题，后果严重）（一）断裂（强度问题，后果严重）断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。齿轮轮齿断裂齿轮轮齿断裂 轴承内圈断裂轴承内圈断裂机械零件的主要失效形式2机械零件的主要失效形式（二）过大的

2、塑性变形（强度问题）（二）过大的塑性变形（强度问题）当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。破坏零件之间的相互位置和配合关系，破坏精度。变形。齿轮齿面塑形变形齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形 在允许范围之内的是可以的，但过量后，会在允许范围之内的是可以的，但过量后，会使零件不能正常工作。有时还会引起震动。使零件不能正常工作。（三）过量的弹性变形（刚度问题）（三）过量的弹性变形（刚度问题）机械零件的主要失效形式3机械零件的主要失效形式（四）零件的表面失效（四）零件的表面失效 零件的表面破坏主要是腐蚀、磨

3、损和接触疲劳（点蚀）、胶合、零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）、胶合、表面塑性流动、压溃等。会改变相对位置关系和配合关系，降低表面塑性流动、压溃等。会改变相对位置关系和配合关系，降低精度，产生振动噪声。精度，产生振动噪声。齿面接触疲劳齿面接触疲劳轴瓦磨损轴瓦磨损 机械零件的主要失效形式4机械零件的主要失效形式（五）其他形式（五）其他形式 如联接松动、压力容器泄漏等等。如联接松动、压力容器泄漏等等。零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境、载荷性零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很多因素有关。质等很多因素有关。例如：开式齿轮传动例如：开式齿轮传动磨

4、粒磨损磨粒磨损 润滑良好的闭式齿轮润滑良好的闭式齿轮疲劳点蚀疲劳点蚀 高速大功率下高速大功率下胶合失效胶合失效又如：带传动又如：带传动 低速重载低速重载打滑打滑 高速高速带的疲劳破坏带的疲劳破坏3.同一种零件有多种失效形式，不同条件下有不同失效形式同一种零件有多种失效形式，不同条件下有不同失效形式4.工作能力工作能力在不发生失效的条件下，零件所能安全工作在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为的限度，称为工作能力工作能力。通常此限度是对。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为载荷而言，所以习惯上又称为承载能力承载能力。对应于不同的失效形式，零件的承载能力对应于不同的失效形式，零件的

5、承载能力也不同。也不同。例如，轴的失效可能由于疲劳断裂例如，轴的失效可能由于疲劳断裂对应对应承载能力承载能力T1；也可能由于过大的弹性变形；也可能由于过大的弹性变形（即刚度不足）（即刚度不足）对应承载能力对应承载能力T2。显然，。显然，两者中的较小值决定了轴的承载能力。两者中的较小值决定了轴的承载能力。机械零件的计算准则1机械零件的设计准则 强度准则强度准则 刚度准则刚度准则 设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：应的设计计算方法。寿命准则寿命准则 振动稳定性准则振动稳定性准则

6、 可靠性准则可靠性准则：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基最基本的设计准则。本的设计准则。：确保零件不发生过大的弹性变形。通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。高速运转机械的设计应注重此项准则。当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。2.1载荷和应力的分类2.1.1 2.1.1 载荷的分类载荷的分类 1.1.作用在机械零件上的载荷通常分为作用在机械零件上的载荷通常分为静载荷静载荷和和变载荷变载荷两大类。两大类。静载荷静载荷是指大小、作用位置和方向不随时间变化或变是指大小、作用位置和方向不随时间变化或变化缓慢的载荷，如楼房梁的受载。化缓慢的

7、载荷，如楼房梁的受载。变载荷变载荷是指大小、作用位置或方向随时间变化的载荷，是指大小、作用位置或方向随时间变化的载荷，如曲柄压力机的曲轴和汽车悬架弹簧等所受的载荷。如曲柄压力机的曲轴和汽车悬架弹簧等所受的载荷。2.2.在设计计算中，通常把载荷分为在设计计算中，通常把载荷分为名义载荷名义载荷和和计算计算载荷载荷。名义载荷名义载荷是在理想的正常平稳工作条件下按照是在理想的正常平稳工作条件下按照额定功率用力学公式计算出来的作用在零件上的额定功率用力学公式计算出来的作用在零件上的载荷。载荷。然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常引入荷，通常引入载荷系数

8、载荷系数K K（有时只考虑工作情况（有时只考虑工作情况的影响，则用的影响，则用工作情况系数工作情况系数K KA A）的办法来估计这）的办法来估计这些因素的影响。载荷系数与名义载荷的乘积，称些因素的影响。载荷系数与名义载荷的乘积，称为为计算载荷计算载荷。载荷系数K的影响因素：动力机和工作机的性质是因素之一（教材表2.1）。2 2.1.2.1.2 应力的分类应力的分类 按应力随时间变化的特性不同，应力分为按应力随时间变化的特性不同，应力分为静应力静应力和和变应力变应力两大类两大类。静应力静应力是不随时间变化或变化缓慢的应力（图是不随时间变化或变化缓慢的应力（图a a）。变应力变应力是随时间是随时间

9、变化的应力（图变化的应力（图b b、c c、d d）。变应力是多种多样的，但可归纳为：非非对称循环变应力、脉动循环变应力对称循环变应力、脉动循环变应力和和对称循环变应力对称循环变应力三种基本类型。三种基本类型。静应力静应力非对称循环变应力非对称循环变应力脉动循环变应力脉动循环变应力对称循环变应力对称循环变应力交变应力的描述（交变应力的描述（5 5个参数）个参数）描述规律性的交变应力可有描述规律性的交变应力可有5个参数个参数，但，但其中只有两个参数是独立的其中只有两个参数是独立的。s sm平均应力；平均应力；s sa应力幅值应力幅值s smax最大应力；最大应力；s smin最小应力最小应力r

10、应力比（循环特性）应力比（循环特性）r=-1对称循环应力对称循环应力r=0脉动循环应力脉动循环应力r=1静应力静应力说明说明:静应力只能在静载荷作用下产生。变应力可能由变载荷产生，也静应力只能在静载荷作用下产生。变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生可能由静载荷产生。实例实例：在静载荷作用下产生变应力的例子见下图。图示为转动心轴和滚在静载荷作用下产生变应力的例子见下图。图示为转动心轴和滚动轴承外圈表面上动轴承外圈表面上a a点的应力变化情况。点的应力变化情况。2.2 2.2 机械零件的强度机械零件的强度（材料力学的内容，复习）（材料力学的内容，复习）2.2.12.2.1两种判断零件强度的方

11、法两种判断零件强度的方法 相应的强度条件可表示为相应的强度条件可表示为:式中式中 :1 1.、零件的最大工作应力。其中零件的最大工作应力。其中 为为正应力，可由拉伸、压缩、弯曲等产生；正应力，可由拉伸、压缩、弯曲等产生；为切应力，可由扭转、剪切等产生；2 2.、许用正应力、许用切应力；许用正应力、许用切应力；3 3.limlim、limlim材料的极限正应力、极限材料的极限正应力、极限切应力；切应力；4 4.S.S,S,S 对应于正应力、切应力的许对应于正应力、切应力的许用安全系数。用安全系数。上述强度条件也可用上述强度条件也可用安全系数安全系数来表示来表示:式中式中S S,S,S 对应于正应

12、力和对应于正应力和切应力的计算安全系数。切应力的计算安全系数。如果零件所受的应力状态为如果零件所受的应力状态为双向、三向应力状态时，需按材双向、三向应力状态时，需按材料力学的强度理论来计算零件的料力学的强度理论来计算零件的最大工作应力。最大工作应力。2.2.2静应力强度零件在静应力作用下的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照不发生塑性变形的条件进行强度计算：强度条件：或：（失效形式：塑性变形）（失效形式：塑性变形）2 复合应力时的塑性材料零件复合应力时的塑性材料零件（失效形式：塑性变形）l按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强

13、度计算 l由第三强度理论：由第三强度理论：（最大剪应力理论）（最大剪应力理论）由第四强度理论：由第四强度理论：（最大变形能理论）（最大变形能理论）复合应力计算安全系数为：复合应力计算安全系数为：3.允许少量塑性变形的零件（可按 作为极限应力）这类零件可按允许一定塑性变形时的载荷进行强度计算。看课本图2.3，受弯矩M的简支梁，用塑性材料制成时，随着弯矩M的增大，由（a）到（c）变化，到（c）图时材料全部屈服。此时梁承受的弯矩计为 ，因此，可以按 进行强度计算。4.脆性材料和低塑性材料的零件（失效形式：断裂）（失效形式：断裂）脆性材料极限应力：脆性材料极限应力：强度极限强度极限 强度条件：2.2.

14、32.2.3机械零件的变应力强度机械零件的变应力强度 在变应力时工作的零件，其强度失效将是在变应力时工作的零件，其强度失效将是疲劳断裂疲劳断裂。循环特性循环特性 r r 一定时，应力循环一定时，应力循环N N次后，材料不发生疲劳破坏的最大应次后，材料不发生疲劳破坏的最大应力，称为力，称为疲劳极限疲劳极限，用，用 rNrN 、rNrN表示。表示。在应用刚才讲过的强度条件进行计算疲劳强度时，在应用刚才讲过的强度条件进行计算疲劳强度时，其极限应力应为疲劳极限，即其极限应力应为疲劳极限，即 limlim=rNrN、limlim=rNrN 。影响零件疲劳极限影响零件疲劳极限 rNrN的因素除了循环特性的

15、因素除了循环特性r r和循环和循环次数次数N N外，还有应力集中、零件尺寸、表面状态等，当这外，还有应力集中、零件尺寸、表面状态等，当这些因素不能详细考虑时，可用降低许用应力或提高许用安些因素不能详细考虑时，可用降低许用应力或提高许用安全系数的办法进行近似计算。考虑各因素的疲劳强度计算全系数的办法进行近似计算。考虑各因素的疲劳强度计算见后。第三章再学习。见后。2.2.4许用安全系数前修课程已学过，强调两点：1.许用安全系数选取要考虑的三个最主要因素：u计算的准确性u材料的均匀性u零件的重要性2.选取原则：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。2.2.5提高零件强度的措施（前提：不改变零件材料和尺寸）看教材。2.3机械零件的表面强度 一些依靠表面工作的零件如销钉、齿轮