第2章 机械零件的工作能力和计算准则

●
——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
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
a
稳定变应力
对称循环变应力
脉动循环变应力
非对称循环变应力
静应力
几个应力参数 循环特征： r
min max ——表示应力变化的情况
r = －1；
对称循环—
脉动循环—
合适的材料匹配、 提高表面硬度
合适的表面状态、
防尘处理、
表面镀层
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
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
2.4.1 刚度对机械零件性能的影响
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 ——理想工作条件下的载荷 计算载荷 ——作用于零件的实际载荷 ？ 计算载荷 = K × 名义载荷 载荷系数
2.1.2 应力的分类
静应力 变应力 变应力 注意： 变载荷 → 变应力 静载荷 → 静应力 ？ 或变应力 n n P
１）刚度不足会影响零件的使用性能
２）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 ３）刚度有时是强度的保证 ４）刚度影响零件的振动频率 ５）弹性零件应有确定的刚度要求
2.4.2 刚度条件
y [ y] [ ] [ ]
计算方法：
材料力学中的简化方法 弹性力学有限元分析方法
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
1）结构方面 ——合理布置零件减少载荷
两个方面：结构设计
制造工艺
——降低载荷集中，均匀载荷分布
——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。 ——采用等强度结构
B的变形能:
Ep F ' y '
2
F’—冲击载荷
条件 ① 能量守恒 Ek=Ep
② 载荷与变形成正比
F y F ' y'
2h F' 1 1 F K F I y
1
1


1
1

1
2
“+”号用于外接触，“-”号用于内接触
２）失效形式：
表面疲劳磨损（表面疲劳点蚀）
３）强度条件：
H max [ H ]
４）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
2.3.2 表面挤压强度（通过配合面的接触传递载荷）
１）失效形式：
塑性材料－－－塑性变形 脆性材料－－－表面压碎
２）强度条件（条件性计算）：
F p [ p ] A
常用于静态联接或低速工作条件下
2.3.3 表面磨损强度
１）磨损
２）计算准则（条件性计算） p [ p]

v [v ] p v [ p v] ３）减轻磨损的措施
σlim = ？
疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关 N — 应力循环次数 与应力状态 σrN — 疲劳极限（对应于N） 有关的指数 N0 — 循环基数
粗糙区
σ
疲劳曲线
σr — 持久极限
rN N 常数 r N0
m m
σr N σr
N 有限寿命区 N0
N
无限
由此得：
rN r m N 0 / N
s s
塑性材料：σlim = σs ；τlim = τs 脆性材料：σlim = σB ；τlim = τB
s — 安全系数 σs、τs— 材料屈服极限 σB、τB— 材料强度极限
2.2.3 变应力作用下的强度问题
主要失效形式：疲劳破坏 lim 强度条件：σ≤ [σ]
s
轴
初始裂纹
疲劳区 (光滑)
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
2.4.3 刚度的影响因素及提高刚度的措施
材料：弹性模量Ｅ 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。 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）
2.5 机械零件的冲击强度 A物体给B的冲击能: Ek F (h y ')
2
2.2 机械零件的强度
2.2.1 两种判断零件强度的方法
①

②
S S
2.2.2 静应力强度
主要失效形式：断裂或塑性变形 强度条件：σ≤ [σ] 、τ≤ [τ] 或 S≥[ S ] lim lim σ 、τ — 极限应力 lim lim [ ] ; [ ] 许用应力：
变应力时，取 σlim = σr（无限寿命） σlim = σrN（有限寿命）
则 [ ]
或
r
s
或
rN
s
各种材料的σr可从有关手册中查取
2.2.4 安全系数
通常 S ≥ 1 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：
r = 0；
r = +1
非对称循环— r≠ 0 且 | r | ≠ 1;
静应力—
用σr 表示循环特征为 r 的变应力。如 σ-1、σ0等
平均应力： m 应 力 幅： a
max min
2
对称循环:σm= 0; σa=σmax 脉动循环:σm=σa=σmax / 2
max min
——减小应力集中
2）制造工艺－－主要提高疲劳强度
机械加工方法－－表面滚压，喷丸处理使表面产生很小的 塑性变形（残余压应力） 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
１）表面接触应力
两圆柱体：
H max
F ( ) 2 2 b 1 1 1 2 E1 E2
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