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1、第2章 机械零件的工作能力和计算准则,机械设计,2.1 载荷及应力的分类,2.1.1 载荷的分类,静载荷 变载荷,不随时间改变或变化缓慢,随时间作周期性或非周期性变化,名义载荷 计算载荷,理想工作条件下的载荷,作用于零件的实际载荷,计算载荷,名义载荷,=,K ,？,2.1.2 应力的分类,静应力 变应力,不随时间改变或变化缓慢,随时间作周期性或非周期性变化,变应力,稳定变应力周期性循环变应力,非稳定变应力非周期性循环变应力,注意：,变载荷 变应力,静载荷 静应力 ？,或变应力, a,稳定变应力,非对称循环变应力,对称循环变应力,脉动循环变应力,几个应力参数,循环特征：,表示应力变化的情况,对称
2、循环,r = 1；,脉动循环,r = 0；,非对称循环,r 0 且 | r | 1;,静应力,r = +1,用r 表示循环特征为 r 的变应力。如 -1、0等,平均应力：,应 力 幅：,对称循环:m= 0; a=max,脉动循环:m=a=max / 2,2.2 机械零件的强度,主要失效形式：断裂或塑性变形,强度条件： 、 或 S S ,塑性材料：,许用应力：,lim 、lim 极限应力 s 安全系数,lim = s ；lim = s,脆性材料：,lim = B ；lim = B,s、s 材料屈服极限 B、B 材料强度极限,2.2.1 两种判断零件强度的方法,2.2.2 静应力强度,2.2.3
3、变应力作用下的强度问题,主要失效形式：疲劳破坏,强度条件： ,lim = ？,疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关,N 应力循环次数,rN 疲劳极限（对应于N）,N0 循环基数,r 持久极限,由此得：,与应力状态有关的指数,通常 S 1,变应力时，取 lim = r（无限寿命） 或 lim = rN（有限寿命）,各种材料的r可从有关手册中查取,2.2.4 安全系数,安全系数小失效的可能小大 安全系数大机械零件的体积庞大,协调处理,影响安全系数因素如下：,与应力计算有关的因素：,应力计算所依据的载荷值的不精确性 应力计算用的力学模型与实际状况之间的差异,与材料的极限应力有关的因素,材料机械性能本身
4、的变化 零件尺寸效应的不确定性 不同毛坯制取方法及机械加工工艺对材料机械性能的影响,与零件的重要性有关（等级）：,一级：零件的破坏要引起人身事故 二级：零件的破坏要引起严重的设备事故，修 理费用昂贵 三级：零件的破坏要使机器停机修理 四级：零件的破坏不会使机器立即停止工作,选择原则： 保证安全可靠的前提下，仅可能选用较小的叙用安全系数,2.2.4 提高零件强度的措施,两个方面：结构设计 制造工艺,1）结构方面,合理布置零件减少载荷,降低载荷集中，均匀载荷分布,采用等强度结构,选用合理截面,如梁的截面采用工字形、T字形；轴的截面采用圆形。,减小应力集中,机械加工方法表面滚压，喷丸处理使表面产生很
5、小的塑性变形（残余压应力）,2）制造工艺主要提高疲劳强度,热处理方法化学热处理：渗碳、渗氮 普通热处理：表面淬火,2.3 机械零件的表面强度,2.3.1 表面接触强度,）表面接触应力,两圆柱体：,“+”号用于外接触，“-”号用于内接触,）强度条件：,）提高接触强度的措施,减小接触应力 提高表面硬度，以提高许用接触应力 提高润滑油黏度,）失效形式：,表面疲劳磨损（表面疲劳点蚀）,2.3.2 表面挤压强度（通过配合面的接触传递载荷）,）失效形式：,）强度条件（条件性计算）：,常用于静态联接或低速工作条件下,塑性材料塑性变形 脆性材料表面压碎,2.3.3 表面磨损强度,）磨损,）计算准则（条件性计算
6、）,）减轻磨损的措施,合适的材料匹配、 提高表面硬度 合适的表面状态、 表面镀层 防尘处理、 控制表面温度 提高表面加工质量，降低表面粗糙度值,2.4 机械零件的刚度,2.4.1 刚度对机械零件性能的影响,刚度：是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力,表示方法：刚度产生单位弹性变形所需要的力或力矩 柔度单位外力或外力矩产生的弹性变形量,）刚度不足会影响零件的使用性能,）对某些机器而言：为保证具有一定的精度，被加工零 (如机床) 件和机床都应具有一定的刚度,）刚度有时是强度的保证,）刚度影响零件的振动频率,）弹性零件应有确定的刚度要求,2.4.2 刚度条件,2.4.3 刚度的影响因素及提高刚度的
7、措施,材料力学中的简化方法 弹性力学有限元分析方法,计算方法：,材料：弹性模量,按刚度计算所得的零件截面尺寸一般要比按强度计算的大,结构：剖面形状、支承结构、位置、加强筋,预紧：提高接触刚度（滚动轴承的预紧）,同类金属E相差不大，用合金钢代替普通碳钢以达到提高零件的刚度是不行的。,2.5 机械零件的冲击强度,F冲击载荷,条件 能量守恒 Ek=Ep 载荷与变形成正比,B的变形能:,A物体给B的冲击能:,KI冲击系数,h=o时F=2F为理论值，实际值可能小于2F，冲击能损耗。,计算时用计算载荷 Fc=KF K工作情况系数，考虑冲击载荷的影响。,设计零件时应考虑冲击载荷的影响。,提高冲击强度的措施：
8、,）增大零件的弹性变形；）增加材料的弹性，即降低； ）采用缓冲零件吸收冲击能量；）减小间隙，增加预紧,2.6 温度对机械零件性能的影响,机器工作中有能耗 热能 工作温度 润滑油粘度 （主要由摩擦产生 ）（达到热平衡温度不再升高）,零件的工作状态变化（趋于恶化） 油膜承载能力 能耗温度恶性循环，零件咬死。,热平衡：单位时间内产生的热量 = 散发的热量,2.6.1 温度对摩擦磨损过程的影响,弊间隙量，过盈量的变化，热应力的产生 利进行热装配,2.6.2 温度对材料膨胀和收缩的影响,2.6.3 温度对材料力学性能的影响,温度对材料蠕变和松弛的影响,解决方法：,预先计入热变形量结构上采用浮动结构消除热
9、应力,2.7 机械零件的振动稳定性,振动：机械零件发生周期性的弹性变形。常用振幅和频率描述,当周期性外力的变化频率等于或接近机器或零件的固有频率时，发生共振现象,计算准则：避免外力作用频率等于或接近固有频率,减轻振动的措施：,采用结构对称，减小悬臂尺寸、减小中心距,利用阻尼消耗引起振动的能量,设置隔振装置,对转动件进行平衡,2.8 机械零件的可靠性,可靠性：零件在规定的条件和规定的时间内发挥规定功能的能力。,可靠度：零件在规定的条件和规定的时间内发挥规定功能的概率， 常用Rt表示。,累积失效概率：零件在规定条件和规定的时间内失效的概率， 常用Ft表示。,失效分布密度f（t）：累积失效概率对时间的导数,失效（寿命）分布曲线： f（t） - t 曲线，常见的有正态分布等,零件的可靠性是指工作应力和材料强度等参数受许多因素影响的随机变量。是对大批零件而言，用概率论、数理统计的方法得出的结果，对单个零件无法研究其可靠性。,例：,均为正态分布,阴影区不安全，零件工作不可靠。安全系数越大可靠性越大。,