第二章 机械零件的工作能力和计算准则.doc

第二章 机械零件的工作能力和计算准则
㈠基本内容：
1. 载荷和应力的分类
2.机械零件强度
3.机械零件表面强度
4.机械零件刚度
5.其他：要点提示，布置学生自学.
㈡教学重点与难点：
1重点：零件失效和工作能力的概念；载荷与应力的分类及其相互关系；机械零件强度的概念；提高机械零件强度的措施.
2难点：载荷与应力的相互对应关系；零件的极限应力和许用应力；零件强度的表达方法；结构设计与工艺设计对零件强度的影响；零件结构设计方面的某些禁忌问题.
㈢基本要求：
1掌握零件失效和工作能力的概念；
2掌握载荷与应力的分类及其相互关系；
3掌握机械零件强度的概念及相关的影响因素；
4了解提高机械零件强度的措施.

失效——机械零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能。
工作能力——零件不发生失效时的安全工作限度。
§2.1载荷与应力的分类
载荷分类
相关的名词定义：
静载荷——不随时间变化或变化缓慢的载荷。
变载荷——随时间作周期性或非周期性变化的载荷。
名义载荷——由额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷。
计算载荷——用于机械零件的设计计算、校核计算的载荷值；数值上等于名义载荷乘以载荷系数。
载荷系数——用来估计实际载荷随时间作用的不均匀性和在零件上分布不均匀性及其它影响零件受力情况的系数。
应力分类
相关的名词定义：
静应力——不随时间变化或变化缓慢的应力；只能在静载荷下产生。
变应力——随时间变化的应力；不仅可由变载荷产生，也可由静载荷产生。
变应力的参数： 可由  中的任意两个来表示。
； ；
稳定变应力——平均应力、应力幅和周期不随时间变化。稳定变应力分三种，分别是
对称循环变应力r= -1;
非对称循环变应力-1的方法转变成规律性非稳定变应力，而规律性非稳定变应力又可以通过“疲劳损伤积累假说”的Miner定律转变成“等效的稳定变应力”。
因此，在稳定变应力状态下工作的零件，其疲劳强度的分析、计算成为本课程重点掌握的内容（详见第三章）。

§2.2机械零件强度
机械零件强度的两种表示方式
；
或者

以上不等式称为“强度条件”。
式中： ——零件危险剖面处的最大应力；
——零件材料的极限应力；
——零件危险剖面处的实际安全系数；
——许用安全系数。
静应力下的强度
静应力下工作的塑性材料零件，失效形式为断裂和塑性变形。
单向静应力下，强度条件为“不产生塑性变形”。
复合静应力下工作的塑性材料零件，根据第三、第四强度理论来确定强度条件。
允许少量变形的零件，根据允许达到一定塑性变形时的载荷进行强度计算，F ≤ Flim。
脆性、低塑性材料制成的零件，极限应力为材料的强度极限  
变应力下零件的强度：在变应力下工作的零件，失效形式为疲劳断裂。
当r一定，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力，成为“疲劳极限”。
影响零件的疲劳强度的因素，除了循环特征r、循环次数N外，还有应力集中、零件尺寸、零件表面状态。详见第三章。
许用安全系数
在零件的计算过程中引入安全系数，主要是出于以下几方面考虑：
材料的均匀性；计算的精确性；零件的重要性；工艺水平；运行条件；工作环境等。
在保证安全可靠的前提下，为减轻零件的重量和缩小零件的尺寸，应尽可能地
选用零件的许用安全系数可参考课本的第15页。应当指出的是，各行业可能有专用的许用应力和许用安全系数标准、规范。
§2.3机械零件的表面强度

机械零件的表面强度包括
表面接触强度：失效为压碎或塑性变形。
高副接触的零件在接触处形成弹性变形面，接触面上的尺寸及接触应力可按Hertz公式计算。参见课本第19页的表2.3。
表面接触疲劳强度：循环接触时， “表面疲劳磨损”，亦称“点蚀”。
表面接触强度、表面接触疲劳强度的强度条件均为  
σH ≤[σH]

提高表面接触强度的措施主要有：加大零件接触表面的综合曲率半径；变点接触为线接触；提高零件表面硬度；降低零件表面粗糙度；适当加大润滑油的黏度等。
表面挤压强度：由局部配合面来接触传递载荷，接触面上有挤压应力。
表面磨损强度：滑动摩擦（低副接触运动）零件，失效形式为“过度磨损”。
强度条件：
低速重载： 限制压强；     p≤[p]
高速重载： 限制摩擦功耗； pv≤[pv]
高速轻载： 限制运行速度。 v≤[v]
提高表面磨损强度的措施：选择合适的摩擦副材料；提高零件表面硬度；降低零件表面粗糙度值；改善润滑条件（润滑剂和润滑方法）；采用表面涂覆工艺；防尘；限温等。

§2.4机械零件的刚度
刚度——零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。单位“力（力矩）/单位变形”。
柔度——刚度之倒数。
刚度的影响
刚度不足将影响机器的正常工作，或影响加工精度；有时刚度是保证强度的重要条件；对弹性零件满足柔度要求是前提；刚度影响自振频率。
刚度计算概述
刚度计算是利用材料力学公式计算零件的弹性变形量。
    一般地，满足刚度要求的零件也同时满足强度要求。但对于（横向）尺寸较大的零件则不一定。
影响刚度的因素及改进措施
材料对刚度的影响：材料的弹性模量E大，则刚度大。选材应按工作要求、制造方法、成本等因素综合考虑。同类金属材料E值相差不大，单从E来改变刚度效果往往不明显，例如：以昂贵的高强度合金钢代替普通碳素钢对提高刚度几乎不起作用。
结构对刚度的影响主要有：剖面形状，中空剖面比实心剖面惯性矩大，故弯曲刚度，扭转刚度较大。支承方式和支承位置，例如：简支梁的跨度减小和外伸梁的长度缩短可减小弯曲挠度；采用固定支座比采用铰支座更能提高轴的弯曲刚度；采用多支撑能增加梁和轴的刚度。加强肋，可提高板和箱壁的刚度。
预紧装配对接触刚度的影响：接触刚度随载荷增加而增大（变刚度），故预紧可以提高接触刚度（如滚动轴承）。
§2.5机械零件冲击强度
冲击载荷：机械零件当F、有突变时，应考虑动载荷系数Kd或K 。
提高零件冲击强度的措施：采用增大零件弹性变形的结构；采用小E的材料以增大变形；增设缓冲零件吸收冲击能。
(§2.6温度对零件工作能力的影响,§2.7零件振动稳定性,§2.8零件工作可靠性等节内容学生自学.)  

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