【正文】 第二章 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則及強(qiáng)度計(jì)算 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院 機(jī)械設(shè)計(jì)教研室 張祖立 基本要求 掌握載荷和應(yīng)力的分類、含義及其確定方法 掌握靜應(yīng)力下零件的強(qiáng)度計(jì)算判據(jù)，計(jì)算應(yīng)力，許用應(yīng)力和安全系數(shù)的確定方法 了解疲勞現(xiàn)象和疲勞曲線的來(lái)源、意義和用途 了解疲勞損傷積累的概念、意義及其應(yīng)用 了解疲勞極限線圖的來(lái)源、意義和用途，能根據(jù)材料的極限應(yīng)力繪制簡(jiǎn)化疲勞極限線圖 掌握變應(yīng)力下機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核計(jì)算方法 了解接觸疲勞強(qiáng)度的概念和接觸應(yīng)力的計(jì)算方法 重點(diǎn)內(nèi)容 機(jī)械零件的失效分析 靜應(yīng)力下機(jī)械零件強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則、計(jì)算應(yīng)力、材料極限應(yīng)力和安全系數(shù)的確定 疲勞現(xiàn)象及其斷口特征、疲勞曲線及其表達(dá)式 線性疲勞損傷積累理論及其表達(dá)式 材料極限線圖的功用、常用的簡(jiǎn)化疲勞極限線圖的繪制及其數(shù)學(xué)表達(dá)式 變應(yīng)力下機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算 第一節(jié) 機(jī)械零件的 主要失效形式及計(jì)算準(zhǔn)則 一、機(jī)械零件的主要失效形式 ? 失效的概念 機(jī)械零件在規(guī)定的使用期間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，不能完成規(guī)定的功能而喪失工作能力時(shí) ? 機(jī)械零件常見(jiàn)的失效形式 : 1．整體斷裂 靜強(qiáng)度斷裂 —— 靜應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生的 疲勞斷裂 —— 變應(yīng)力的反復(fù)作用下產(chǎn)生的 機(jī)械零件整體斷裂中， 80%屬于疲勞斷裂 2．表面破壞 表面磨粒磨損、膠合、疲勞點(diǎn)蝕、腐蝕磨損、表面壓潰、表面塑性流動(dòng)等 3．變形量過(guò)大 彈性變形 塑性變形 4．破壞正常工作條件引起的失效 有些零件只有在一定的工作條件下才能正常地工作。 如帶傳動(dòng)和摩擦輪傳動(dòng)，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的零件 ? 同一種零件發(fā)生失效的形式可能有數(shù)種 齒輪的失效形式有：輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合、齒面磨損、齒面或齒體塑性變形、齒輪其他部分的破壞 ? 主要失效形式將由零件的材料、具體的結(jié)構(gòu)及工作條件等決定 ? 工作能力 零件不發(fā)生失效時(shí)的安全工作的限度 ? 同一種零件可能有數(shù)種不同的失效形式，顯然， 起決定作用的將是承載能力中的較小值 二、機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則 ? 計(jì)算準(zhǔn)則 —— 用于計(jì)算并確定零件基本尺寸的主要依據(jù) ? 常用的計(jì)算準(zhǔn)則有： 1．強(qiáng)度準(zhǔn)則 強(qiáng)度是零件在載荷作用下抵抗整體斷裂、表面接觸疲勞及塑性變形的能力 2．剛度準(zhǔn)則 剛度是指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力 3．壽命準(zhǔn)則 影響零件壽命的 主要失效形式：腐蝕、磨損、疲勞 腐蝕壽命、磨損壽命 沒(méi)有提出實(shí)用有效的或通行的定量計(jì)算的方法 疲勞壽命計(jì)算 通常是求出 使用壽命時(shí)的疲勞極限 來(lái)作為計(jì)算的依據(jù) ?????][][???? ][yy ? 4． 耐磨性準(zhǔn)則 耐磨性是指磨損過(guò)程中材料抵抗脫落的能力 —— 采用條件性計(jì)算 ? 滑動(dòng)速度低，載荷大時(shí) 可只限制工作表面的壓強(qiáng) p —— 防止過(guò)快磨損 ? 滑動(dòng)速度 ? 較高時(shí) 還要限制摩擦功耗 —— 防止加劇磨損或膠合 ? 高速時(shí) 還要限制滑動(dòng)速度 ? —— 防止加速磨損 ][ pp ? ][ ?? pp ? ][?? ? 5．振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則 ? 失穩(wěn) ? 零件的自振頻率 f 與激振源的激振頻率 fp 相等或相接近時(shí)，零件發(fā)生共振的現(xiàn)象，即喪失振動(dòng)穩(wěn)定性 ? 振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則 使機(jī)器中各零件的自振頻率與激振源的激振頻率錯(cuò)開(kāi) 6．可靠性準(zhǔn)則 ? 設(shè)一批相同零件的件數(shù)為 N0， 如在 t 時(shí)間后仍有 N件在正常地工作 ，則此零件在工作時(shí)間 t 的可靠度 R ? 零件的可靠度是時(shí)間的函數(shù) ?????ppffff0NNR ?? 如果時(shí)間 t到 t+dt的間隔中，又有 dN件零件發(fā)生失效，則在此時(shí)間間隔內(nèi)失效的比率 式中： l（ t）稱為 失效率 ， 負(fù)號(hào) 表示 dN的增大將使 N減小 ? 分離變量并積分，得 ? 即 NtNt d/d)( ??lRNNNNtt NNt lnlndd)(00 0???? ?? l?? ? t tteR 0 d)(l? 浴盆曲線 零件或部件的失效率 l（ t）與時(shí)間 t的關(guān)系，一般是用試驗(yàn)的方法求得 ? 該曲線分為三段： ? 第 Ⅰ 段：早期失效階段 失效率由開(kāi)始的很高的數(shù)值急劇地下降到某一穩(wěn)定的數(shù)值 原因是零、部件中所存在的 初始缺陷 ? 第 Ⅱ 段：正常使用階段 失效的發(fā)生是隨機(jī)性的，失效率則表現(xiàn)為一常數(shù) ? 第 Ⅲ 段：損壞階段 由于長(zhǎng)時(shí)間的使用而使零件發(fā)生磨損、疲勞等原因，使失效率急劇增加 第二節(jié) 靜應(yīng)力下機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算 一、載荷及應(yīng)力的分類 1．載荷的分類 ? 靜載荷 大小和方向不隨時(shí)間變化或變化緩慢的載荷 ? 變載荷 隨時(shí)間作周期性變化或非周期性變化的載荷 ? 名義載荷 根據(jù)機(jī)器原動(dòng)機(jī)的額定功率或穩(wěn)定和理想工作條件下的工作阻力，用力學(xué)公式計(jì)算出作用在零件上的載荷 ? 計(jì)算載荷 載荷系數(shù) K與名義載荷的乘積。 如 FC=KF， PC=KP， TC=KT ? 載荷系數(shù) K（或工作情況系數(shù)） 概略估計(jì)實(shí)際載荷隨時(shí)間作用的不均勻性、載荷在零件上分布的不均勻性及其他因素的綜合影響 2．應(yīng)力的分類 ? 靜應(yīng)力 不隨時(shí)間變化或變化緩慢的應(yīng)力，它只能在靜載荷下產(chǎn)生 ? 變應(yīng)力 隨時(shí)間變化的應(yīng)力，它可由變載荷產(chǎn)生，也可由靜載荷產(chǎn)生 變應(yīng)力 穩(wěn)定變應(yīng)力 非穩(wěn)定變應(yīng)力 非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力 脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力 對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力 規(guī)律性非穩(wěn)定變應(yīng)力 無(wú)規(guī)律性非穩(wěn)定 變應(yīng)力 （隨機(jī)變應(yīng)力） 1）變應(yīng)力參數(shù) ?最大應(yīng)力： σ max ?最小應(yīng)力： σ min ?應(yīng)力循環(huán)特性 用來(lái)表示應(yīng)力的變化情況 ?平均應(yīng)力： 2mm inm a x ??? ??2am inm a x ??? ???應(yīng)力幅： σ max σm σmin σa σa t σ m axm inσσr ?2） 典型變應(yīng)力及應(yīng)力循環(huán)特性 r a）靜應(yīng)力： r= +1 變應(yīng)力特例 b）非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力 r 在（ +1～ 1）間變化 σ max σm σmin σa σa t σ σ t σ =常數(shù) c）對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力 r = 1 σ t σa σ