Transcript 2.2 机械零件的强度
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 §2.3 机械零件的表面强度 几个名词： 1）失效：机械零件由于某种原因不能正常工作，称为失效。 机械零件失效的主要形式：整体断裂、过大的残余变形、 零件的表面破坏、破坏正常工作条件引起的失效（教材P10） 注意： a) 失效并不单纯指破坏，破坏只是失效的形式之一。机械零件的可能 失效形式很多，归纳起来主要有强度、刚度、耐磨性、振动稳定性以及温度 等方面的失效。 b) 同一种零件可能的失效形式往往有若干种。 例如：轴在工作中可能产生断裂、过大弹性变形、共振等失效。 机械零件失效实例： 潘存云教授研制 潘存云教授研制 潘存云教授研制 齿轮轮齿折断 齿面接触疲劳点蚀 潘存云教授研制 轮齿塑性变形 潘存云教授研制 潘存云教 授研制 轴瓦磨损 轴承内圈破裂 轴承外圈塑性变形 2）工作能力：即机械零件在一定条件下抵抗失效的能力。 3）承载能力：对载荷而言的工作能力。（也就是用载荷表示的工作能力） 4）工作能力计算准则：为防止机械零件发生某种失效而应满足的条件。 （也可以理解为是机械零件不发生失效的“安全件”， 是设计零件时的理论依据）。 载荷和应力1 为了防止机械零件在工作中产生失效，设计时，需要以零件的工作能力计算 准则为依据进行必要的计算。机械零件的设计准则大体有： • 强度准则 • 刚度准则 • 寿命准则 • 振动稳定性准则 • 可靠性准则 • 摩擦学准则 §2.1 1 载荷和应力的分类 载荷 静载荷 按是否随时间变化，载荷分为： 变载荷 由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。 按是否考虑动载荷的影响，载荷分为： 名义载荷：在理想平稳条件下所受的载荷（不考虑动载荷的影响） 计算载荷＝载荷系数K×名义载荷（代表机器或零件实际所受载荷） 载荷系数K：用于计入在实际工作中受到的各种动载荷的影响。 额定载荷： 由原动机的额定功率推算出的载荷。 2 应力 静应力 载荷和应力2 变应力 变应力的五个参数： σmax─最大应力； σmin─最小应力 σm─平均应力； σa─应力幅值 min r r ─应力比（循环特性） max max min max min a m 2 2 变应力 • 应力与外载荷、零件的截面形状有关 • 强度与材料本身的机械性能有关，而与外载荷、截面形状等无关。 强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。 应 力 r 1 静应力 o 变应力 t 稳定循环变应力 非稳定循环变应力 r0 对称循环应力 r 1 非对称循环应力 1 r 1 脉动循环应力 规律性非稳定循环变应力 随机性非稳定循环变应力 静应力 应力 o 变应力 t 脉动循环应力 稳定循环变应力 对称循环应力 非对称循环应力 规律性非稳定循环变应力 非稳定循环变应力 随机性非稳定循环变应力 尖峰应力 周期 规律性 随机性 静应力（可看作是循环应力的一个特例） T σ σ r =+1 σ σ a r =0 σa σmax σa r =-1 σmaxσ σm σ σ σ max a a min σmin σa σ m σ t Ｏ tＯ tＯ min 循环变应力 对称循环变应力 脉动循环变应力 注：静应力只在静载荷作用下产生，变应力可由变载荷产生，也可由静载荷产生。 （承受静载荷的回转运动或周期运动的零件将产生变应力） 名义应力：根据名义载荷求得的应力 另外，应力还分为 计算应力：根据计算载荷求得的应力 §2.2 机械零件的强度 强度准则 强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。 2.2.1 判断零件强度的两种方法： 1） 用应力表示： σ ≤〔σ〕 2）用安全系数表示： S ≥〔S〕 式中： σ —计算最大应力 σ lim S 〔σ〕＝ σ lim S＝ σ 〔σ〕—许用应力 σ lim —极限应力 S —计算安全系数 〔S〕—许用安全系数 注：对于切应力，只须将上述各公式中的 σ换成 τ 即可。 2.2.2 静应力下的强度 静应力下的强 度 在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形或断裂。 材料种类不同，所取极限应力也不同。 单向应力状态： 塑性材料 复合应力状态： 单向应力状态： 脆性材料 lim s ， lim s 按第三或第四强度理论计算当量应力。 lim B ， lim B 复合应力状态： 按第一强度理论计算当量应力。 注：1）对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁），在计算静强度时，可不 考虑应力集中的影响。 2）对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算静强度时，应考虑应力 集中的影响。 2.2.3 变应力强度 接触强度 计算变应力下的强度时，应取 lim 疲劳极限 rN （详见第三章）。 2.2.4 许用安全系数[S]安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响 〔S〕过大，则机器会过于笨重；过小，可能不安全。 因此，在保证安全的前提下，应尽可能选用较 小的许用安全系数。 〔S〕的取值主要受下列因素的影响： 1）计算的准确性； 2）材料的均匀性； 3）零件的重要性。 （1）静应力下，塑性材料的零件 铸钢件 S =1.2～１.5 S =1.５～２.5 （2）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁： S =3～4 （3）变应力下， 材料不均匀，或计算不准时取 S =1.3～1.7 S =1.7～2.5 2.2.5 提高机械零件强度的措施 从结构方面 1.合理布置零件,减少所受载荷 2.降低应力集中,均匀载荷分布 3.采用等强度结构 4.选用合理截面 5.减少应力集中 从工艺方面改善表面状态 1.喷丸,碾压----形成残余压应力,提高表面疲劳强度 2.渗碳,碳氮共渗,渗氮,表面淬火 §2.3 机械零件的表面强度 表面强度分为三种: A.表面接触强度 B.表面挤压强度 C.表面磨损强度 2.3.1 表面接触疲劳强度 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。 B 如齿轮、凸轮、滚动轴承等。 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。 机械零件的接触应力通常随时间作周期性变化，使零件表层产生初 始疲劳裂纹，裂纹扩展、润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快 扩展，使表层金属呈小片状剥落下来，在零件表面形成一些小坑 ，这 种现象称为渡劳点蚀。 油 ρ1 FO1 ρ1 B 初始疲劳裂纹 初始疲劳裂纹 裂纹的扩展与断裂 金属剥落出现小坑 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。 O1 ρ2 ρ2 ω2 弹性位移 ω1 sH 2b O2 O2 F F 由弹性力学可知，接触应力为： 1 H Fn 1 F 1 2 b 1 12 1 22 E2 E1 ρ1 σH σH 上述公式称为赫兹(H·Hertz)公式 b ρ2 注：“＋”用于外接触，“－”用于内接触。 Fn 1 2 令 1 2 2 E1E2 E E1 E2 对于钢或铸铁取泊松比 μ1=μ2=μ=0.3 , 则有简化公式。 ρ1 b ρ2 σH σH Fn E H = 0.418 b Fn σH ——最大接触应力或赫兹应力; b ——接触长度; b Fn ——作用在圆柱体上的载荷; 1 2 1 2 E ——综合曲率半径; 2 E1 E2 ——综合弹性模量; E1 E2 接触疲劳强度的判定条件为 E1、 E2 分别为两圆柱体的弹性模量。 H [ H ], H lim 而[ H ] SH 接触强度2 实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的。如齿轮的轮齿，接触啮 合时受应力作用，脱离啮合时不受应力作用。 •在接触循环应力作用下的强度称为表面接触疲劳强度。强度条件 为： ≤ H H •接触循环应力作用下的失效形式是：疲劳点蚀（简称点蚀）。 •点蚀的危害： 1）破坏零件的光滑表面，引起振动和噪音。 2）减小零件的有效工作面积。 2.3.2 表面挤压强度 两零件之间为面接触时，在载荷作用下，接触表面 力称为挤压应力，用 p 表示。 上产生的应 在挤压应力作用下的强度称为挤压强度，其强度条件为： p ≤［ p ］ 挤压应力作用下，接触面的失效形式 是－“压溃” 。 注：相互挤压表面上的挤压应力相等。 2.3.3 表面磨损强度 条件性计算 1、滑动速度低、载荷大时限制表面压强 p[p] (防止压碎及塑性变形） 2、滑动速度高时防止润滑失效 3、高速时防止速度过高加速磨损 pv[pv] v[v] 提高表面磨损强度的措施 1.选用合适的摩擦副材料 2.提高表面硬度 3.降低表面粗糙度 4.采用有效的润滑剂和润滑方法 5.表面镀层,氧化处理 6.防止灰尘进入摩擦面 7.防止温度过高 §2.4 机械零件的刚度 挤压强度及刚度准则 刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果 零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。 如：机床主轴的弹性变形过大将会影响所加工工件的精度。 刚度条件：实际变形量 y ≤许用变形量 ［y］ 式中：实际变形量可用相关理论计算或由实验方法确定。 许用变形量［y］－－是保证正常工作所允许的变形量。 注：1）零件材料的弹性模量E越大，则其刚度越大。 2）用合金钢代替碳钢能提高零件的强度，但不能提高零件的刚度。 3）结构对刚度的影响 ----截面形状 ----支承方式和位置 ----是否有加强肋 加强肋三原则：延至力作用点，高度不宜过低，在受压下工作