第2章 机械零件的工作能力和计算准则

§2-1载荷和应力的分类§2-2机械零件的强度(整体强度)§2-3机械零件的表面强度§2-4机械零件的刚度§2-5、6、7、8（简介）和机械失效示例第2章机械零件的工作能力和计算准则§2-9机械现代设计方法简介第2章机械零件的工作能力和计算准则§2-1载荷和应力的分类二、应力的种类静应力:σ=常数变应力:σ随时间变化一、载荷:静/变名义计算名计KFFＯtσσ=常数脉动循环变应力r=02minmaxm平均应力:2minmaxa应力幅:循环变应力maxminr对称循环变应力r=-1——脉动循环变应力——对称循环变应力-1=0+1——静应力ＯtσＯtσ静应力是变应力的特例σmaxσminσaσaσmaxσmσaσaTσmaxσminσmＯtσ§2-2机械零件的强度(整体强度)一、强度判别式(计算准则)：应力：；：安全系数：.SSlimSSlimlim二、静应力下的强度计算：1.失效形式：断裂或塑性变形；2.分析：①极限应力：a.塑性；b.脆性；c.少许塑性极荷载荷；②计算应力：a.单向；b.复合：,223(4）或③应力集中：塑性或组织不均匀材料不考虑：因为塑性变形可弥补应力变化．limsB组织均匀的低塑性材料：考虑三、变应力下的强度计算（第三章中详讲）1．失效：疲劳断裂2．疲劳极限：零件在变应力作用下到应力循环N次材料不发生疲劳破坏的最大应力，和r、N有关.rN3．判别式（分析）：．rNrN四、许用安全系数[S]1．目的：使零件工作更可靠，留有余量.2．取法总则：在保证安全可靠的前提下，取得越小越好.3．取决于：①的计算精确度②材料性能③零件的重要程度（理想状态，往往做不到）lim321ssss4．取值：[S]=（1.2~4）查P15表2.2工作中：a.习惯b.手册五、提高零件强度的措施：（改进措施）1、改善零件结构形状①机械：喷丸2、改善零件表面的物理状态②化学：热处理（渗碳、渗氮）③物理：热处理（调质、正火）①集中载荷：均布载荷②等强度：③合理截面④减少应力集中σ[σ]§2-3机械零件的表面强度静止面接触表面挤压强度动面接触表面磨损强度动静面接触表面接触疲劳强度潘存云教授研制潘存云教授研制一、机械零件的接触强度如齿轮、凸轮、滚动轴承等。B机械零件中各零件之间的力的传递，总是通过两个零件的接触形式来实现的。常见两机械零件的接触形式为点接触或线接触。机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约20μm处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑，这种现象称为渡劳点蚀。潘存云教授研制潘存云教授研制两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。FFρ2O2ρ1O1ρ2O2ρ1O1FFω22bHω1变形量B接触失效形式常表现为疲劳点蚀。后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹裂纹的扩展与断裂油金属剥落出现小坑潘存云教授研制潘存云教授研制b由弹性力学可知，应力为：22212121nH1+11±1π=EEbF2121±=令代入化简得,+2=2121EEEEEbEFn2H)1(π21=bEFn418.0对于钢或铸铁取泊松比μ1=μ2=μ=0.3,则有简化公式。上述公式称为赫兹(H·Hertz)公式“＋”用于外接触，“－”用于内接触。σHσHρ2ρ1Fnρ1Fnbρ2σHσH22212121nH1111πEEbFbEFn2H)1(π21bEFn418.0潘存云教授研制bEFnH418.0=σH——最大接触应力或赫兹应力;212121212EEEEEb——接触长度;Fn——作用在圆柱体上的载荷;——综合曲率半径;——综合弹性模量;E1、E2分别为两圆柱体的弹性模量。接触疲劳强度的判定条件为HlimHHHH=][],[≤S而提高措施：增大综合曲率半径ρ点面；外接触内接触提高零件的表面应力采用粘度均匀的润滑油二、表面挤压强度分析：①挤压应力②破坏形式a.塑性变形（塑材）b.压塌（脆）③计算④说明：1）A接触面在力作用下垂直方向的投影2）[σp]1、[σp]2取小的一个AFp][p≤三、表面磨损强度（耐磨性）①失效形式：磨损主参量：磨损量因为磨损量不好算，但磨损和力、速度、温度有关①P[P]②PV[PV]③V[V]②控制计算控制温升，功率损耗.③提高措施（条件性计算）≤≤≤§2-4机械零件的刚度η[η]①概念和计算②人结构上按经验来保证§2-5.6.7.8（简介）作业2-1.2.3≤机械零件失效实例：潘存云教授研制轮齿塑性变形潘存云教授研制齿轮轮齿折断潘存云教授研制轴承内圈破裂潘存云教授研制轴承外圈塑性变形失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因。统计结果显示：断裂仅占4.79%;腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%。这是主要失效原因。潘存云教授研制齿面接触疲劳潘存云教授研制轴瓦磨损机械现代设计方法通常是相对传统的设计方法而言的。现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下列转换：§2-9机械现代设计方法简介▲静态的动态的——如机器结构动力学计算▲分部处理法系统工程法——如系统工程▲定性的定量的——如有限元计算▲宏观的微观的——如微－纳米摩擦学设计▲串行设计并行设计——如并行设计▲可行性设计优化设计——如优化设计▲确定量随机量——如可靠性设计▲人工设计自动化设计——如计算机辅助设计