1、第第2 2章章 機(jī)械零件的工作能力和機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則計(jì)算準(zhǔn)則 機(jī)械零件的工作能力反映了零件機(jī)械零件的工作能力反映了零件的抗失效能力。計(jì)算準(zhǔn)則是設(shè)計(jì)機(jī)械的抗失效能力。計(jì)算準(zhǔn)則是設(shè)計(jì)機(jī)械零件的最基本準(zhǔn)則。設(shè)計(jì)人員的任務(wù)：零件的最基本準(zhǔn)則。設(shè)計(jì)人員的任務(wù)：設(shè)計(jì)出合格的零件，使它具有一定的設(shè)計(jì)出合格的零件，使它具有一定的工作能力，抵抗失效。工作能力，抵抗失效。1.失效：失效：零件不發(fā)生失效時(shí)的安全工作限度。零件不發(fā)生失效時(shí)的安全工作限度。為防止失效而制定的判斷條件。為防止失效而制定的判斷條件。 2.2.工作能力：工作能力：3.3.工作能力計(jì)算準(zhǔn)則：工作能力計(jì)算準(zhǔn)則：機(jī)械零件喪失工作能力或達(dá)

2、不到設(shè)計(jì)機(jī)械零件喪失工作能力或達(dá)不到設(shè)計(jì)者要求的性能。者要求的性能。 一、術(shù)語(yǔ)一、術(shù)語(yǔ) 計(jì)算準(zhǔn)則計(jì)算準(zhǔn)則: 計(jì)算量計(jì)算量 許用量許用量 不同的失效形式不同的失效形式 不同的工作能力不同的工作能力 不同的計(jì)不同的計(jì)算準(zhǔn)則。算準(zhǔn)則。 斷裂或塑性變形；彈性變形過大；斷裂或塑性變形；彈性變形過大；表面磨損、膠合；打滑；聯(lián)接松動(dòng)等。表面磨損、膠合；打滑；聯(lián)接松動(dòng)等。3 3、常見失效形式、常見失效形式2.1 2.1 載荷與應(yīng)力的分類載荷與應(yīng)力的分類( (二二 載荷與應(yīng)力的分類載荷與應(yīng)力的分類 ) )1. 1. 載荷的分類載荷的分類 2. 應(yīng)力的分類應(yīng)力的分類 應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力計(jì)算載荷名義應(yīng)力名義載荷載荷應(yīng)力變

3、應(yīng)力變載荷靜應(yīng)力靜載荷載荷圖2.2靜應(yīng)力：r=1t非穩(wěn)定變應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力穩(wěn)定變應(yīng)力變應(yīng)力描述變應(yīng)力特性的主要參數(shù)有：應(yīng)力循環(huán)特性。 maxmin,minmaxam,maT不變不變穩(wěn)定變應(yīng)力穩(wěn)定變應(yīng)力-,maT其中之一變其中之一變非穩(wěn)定變應(yīng)力非穩(wěn)定變應(yīng)力-危險(xiǎn)截面的最大計(jì)算應(yīng)力（最大應(yīng)力）最大應(yīng)力）零件工作承受載荷載荷欲使零件失效零件據(jù)自身結(jié)構(gòu)、材料反抗失效反抗失效失效解決辦法：合理設(shè)計(jì)遵循設(shè)計(jì)準(zhǔn)則三、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則三、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1 1、剛度準(zhǔn)則、剛度準(zhǔn)則剛度：抵抗彈性變形的能力。，yy機(jī)床主軸等彈性變形過大將影響加工精度。2、壽命準(zhǔn)則實(shí)際使用壽命大于或等于預(yù)期壽命，L

4、L。3、溫升準(zhǔn)則tt4、強(qiáng)度準(zhǔn)則強(qiáng)度：零件抵抗斷裂、塑變、疲勞破壞的能力。(1)方法：1）或limSlimS2）limSSlimSS(2.2 (2.2 機(jī)械零件的強(qiáng)度機(jī)械零件的強(qiáng)度) )(2.2.2 (2.2.2 靜應(yīng)力強(qiáng)度靜應(yīng)力強(qiáng)度) ) 在靜應(yīng)力下工作的零件，在靜應(yīng)力下工作的零件，主要失效形式：主要失效形式： 塑性變形或斷裂。塑性變形或斷裂。(2) (2) 靜應(yīng)力強(qiáng)度靜應(yīng)力強(qiáng)度強(qiáng)度條件公式為（2.1）或 （2.2） 應(yīng)力集中。求計(jì)算應(yīng)力時(shí)可不考慮,lims2.復(fù)合應(yīng)力時(shí)的復(fù)合應(yīng)力時(shí)的塑性材料塑性材料零件零件根據(jù)第三或第四強(qiáng)度理論來確定其強(qiáng)度條件。根據(jù)第三或第四強(qiáng)度理論來確定其強(qiáng)度條件。強(qiáng)度

5、條件： (2.3) 222234TbTbslim1.1.單向應(yīng)力時(shí)的單向應(yīng)力時(shí)的塑性材料塑性材料零件零件 SSSSSSSSTssbs22222或 (2.4)復(fù)合安全系數(shù)：復(fù)合安全系數(shù)：3.3.允許少量塑性變形的零件允許少量塑性變形的零件 可根據(jù)允許達(dá)到一定塑性變形時(shí)的載荷進(jìn)可根據(jù)允許達(dá)到一定塑性變形時(shí)的載荷進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。行強(qiáng)度計(jì)算。 2.2.2 2.2.2 靜應(yīng)力強(qiáng)度靜應(yīng)力強(qiáng)度4.4.脆性材料和低塑性材料的零件脆性材料和低塑性材料的零件 公式（公式（2.12.1）和（）和（2.22.2）中的極限應(yīng)力為）中的極限應(yīng)力為材料的強(qiáng)材料的強(qiáng)度極限度極限。對(duì)組織不均勻的材料，在計(jì)算時(shí)不考慮應(yīng)。對(duì)組織不均

6、勻的材料，在計(jì)算時(shí)不考慮應(yīng)力集中。組織均勻的低塑性材料應(yīng)考慮應(yīng)力集中。力集中。組織均勻的低塑性材料應(yīng)考慮應(yīng)力集中。2.2.3 變應(yīng)力強(qiáng)度變應(yīng)力強(qiáng)度(ch3) 在變應(yīng)力下工作的零件，其主要失效形式在變應(yīng)力下工作的零件，其主要失效形式是是疲勞斷裂疲勞斷裂。應(yīng)用（應(yīng)用（2.12.1）-(2.4)-(2.4)計(jì)算疲勞計(jì)算疲勞強(qiáng)度時(shí)，其強(qiáng)度時(shí)，其極限應(yīng)力為疲勞極限。極限應(yīng)力為疲勞極限。rlim安全系數(shù)的選擇原則：安全系數(shù)的選擇原則： 在保證安全、可靠的前提下，盡可能選用較在保證安全、可靠的前提下，盡可能選用較小的許用安全系數(shù)小的許用安全系數(shù)。 安全系數(shù)過小，機(jī)器可能不夠安全；安全系安全系數(shù)過小，機(jī)器可能

7、不夠安全；安全系數(shù)過大，在材料、加工、運(yùn)輸?shù)确矫娌环辖?jīng)濟(jì)數(shù)過大，在材料、加工、運(yùn)輸?shù)确矫娌环辖?jīng)濟(jì)原則，且機(jī)器笨重。原則，且機(jī)器笨重。 不同的機(jī)器制造部門，常有自己制定的許用應(yīng)力和許用安不同的機(jī)器制造部門，常有自己制定的許用應(yīng)力和許用安全系數(shù)的專用規(guī)范。全系數(shù)的專用規(guī)范。 沒有規(guī)范的可遵循一定原則選用許用安全系數(shù)：自學(xué)內(nèi)容沒有規(guī)范的可遵循一定原則選用許用安全系數(shù)：自學(xué)內(nèi)容P15 P15 。2.2.4 2.2.4 許用安全系數(shù)許用安全系數(shù)2.3 2.3 機(jī)械零件的表面強(qiáng)度機(jī)械零件的表面強(qiáng)度整體強(qiáng)度整體強(qiáng)度表面強(qiáng)度表面強(qiáng)度靜強(qiáng)度靜強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度靜應(yīng)力下的強(qiáng)度靜應(yīng)力下的強(qiáng)度變應(yīng)力下的強(qiáng)度變應(yīng)

8、力下的強(qiáng)度表面磨損強(qiáng)度表面磨損強(qiáng)度表面擠壓強(qiáng)度表面擠壓強(qiáng)度表面接觸強(qiáng)度表面接觸強(qiáng)度表面接觸應(yīng)力下的強(qiáng)度表面接觸應(yīng)力下的強(qiáng)度在滑動(dòng)摩擦下工作的零件在滑動(dòng)摩擦下工作的零件擠壓應(yīng)力下的強(qiáng)度擠壓應(yīng)力下的強(qiáng)度 應(yīng)力的分布規(guī)律：應(yīng)力的分布規(guī)律：12max221212111HFbEE2.3.1 2.3.1 表面接觸強(qiáng)度表面接觸強(qiáng)度表面接觸應(yīng)力：表面接觸應(yīng)力： 局部小面積上產(chǎn)生的接觸應(yīng)力局部小面積上產(chǎn)生的接觸應(yīng)力赫茲（赫茲（1881）bFF表面疲勞磨損表面疲勞磨損疲勞點(diǎn)蝕，簡(jiǎn)稱點(diǎn)蝕。疲勞點(diǎn)蝕，簡(jiǎn)稱點(diǎn)蝕。 主要失效形式：主要失效形式：1 1）靜應(yīng)力下：）靜應(yīng)力下：脆性材料脆性材料表面壓潰；表面壓潰；塑性材料塑性

9、材料表面塑性變形表面塑性變形2 2）變應(yīng)力下：）變應(yīng)力下： 后果：后果：2.3.1 2.3.1 表面接觸強(qiáng)度表面接觸強(qiáng)度點(diǎn)蝕的形成和潤(rùn)滑油的關(guān)系：點(diǎn)蝕的形成和潤(rùn)滑油的關(guān)系：不發(fā)生失效的強(qiáng)度條件：不發(fā)生失效的強(qiáng)度條件： HHmax2.3.22.3.2提高表面接觸強(qiáng)度的主要措施提高表面接觸強(qiáng)度的主要措施增大接觸表面的綜合曲率半徑。增大接觸表面的綜合曲率半徑。將外接觸改為內(nèi)接觸。將外接觸改為內(nèi)接觸。將點(diǎn)接觸改為線接觸。將點(diǎn)接觸改為線接觸。采用粘度較高的潤(rùn)滑油。采用粘度較高的潤(rùn)滑油。提高接觸表面的加工質(zhì)量。提高接觸表面的加工質(zhì)量。提高零件表面硬度。提高零件表面硬度。降低計(jì)降低計(jì)算應(yīng)力算應(yīng)力提高許用應(yīng)力

10、提高許用應(yīng)力例2.2 求圖2.10所示三種圓柱體接觸的最大接觸應(yīng)力之比，其他工作條件均相同，尺寸已知。解： 212121maxmaxmax1111111111:1:1:cbacbacHbHaH483. 0:783. 0:1:maxmaxmaxcHbHaH圖2.10 擠壓應(yīng)力：擠壓應(yīng)力：通過局部配合面間的接觸來傳遞載荷的零件，在接觸面上的壓應(yīng)力叫擠壓應(yīng)力。2.3.32.3.3表面擠壓強(qiáng)度表面擠壓強(qiáng)度主要失效形式：主要失效形式：脆性材料表面塑性變形；表面破碎。塑性材料擠壓強(qiáng)度條件：擠壓強(qiáng)度條件：pp2.3.4 2.3.4 表面磨損強(qiáng)度表面磨損強(qiáng)度 在滑動(dòng)摩擦下工作的零件，常因過度磨損而失效。影響磨

11、損的因素很多，而且比較復(fù)雜，通常采用條件性計(jì)算。 1）滑動(dòng)速度低、載荷大時(shí)，可只限制工作表面的壓強(qiáng)，即 pp 2）滑動(dòng)速度較高時(shí)，還要限制摩擦功耗，以免工作溫度過高而使?jié)櫥А?pvpv 2.4機(jī)械零件的剛度機(jī)械零件的剛度2.5 機(jī)械零件的沖擊強(qiáng)度機(jī)械零件的沖擊強(qiáng)度2.6 溫度對(duì)機(jī)械零件工作能力的影響溫度對(duì)機(jī)械零件工作能力的影響2.7 機(jī)械零件的振動(dòng)穩(wěn)定性機(jī)械零件的振動(dòng)穩(wěn)定性2.8機(jī)械零件的可靠性機(jī)械零件的可靠性 3）高速時(shí)還要限制滑動(dòng)速度，以免由于速度過高而加速磨損，降低零件工作壽命，即 vv 重點(diǎn)：重點(diǎn)：載荷與應(yīng)力的分類；機(jī)械零件的強(qiáng)度。載荷與應(yīng)力的分類；機(jī)械零件的強(qiáng)度。機(jī)械零件的表面強(qiáng)

12、度。機(jī)械零件的表面強(qiáng)度。圖2.10 例題2.212112圖2.2在靜載荷下，隨時(shí)間變化的變應(yīng)力圖2 . 1 應(yīng)力類型靜應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力 赫赫 茲：茲：(1857-1894 ) 德國(guó)物理學(xué)家，生于漢堡。德國(guó)物理學(xué)家，生于漢堡。 早在少年時(shí)代就被光學(xué)和力學(xué)早在少年時(shí)代就被光學(xué)和力學(xué)實(shí)驗(yàn)所吸引。十九歲入德累斯頓實(shí)驗(yàn)所吸引。十九歲入德累斯頓工學(xué)院學(xué)工程，由于對(duì)自然科學(xué)工學(xué)院學(xué)工程，由于對(duì)自然科學(xué)的愛好，次年轉(zhuǎn)入柏林大學(xué)，在的愛好，次年轉(zhuǎn)入柏林大學(xué)，在物理學(xué)教授亥姆霍茲指導(dǎo)下學(xué)習(xí)。物理學(xué)教授亥姆霍茲指導(dǎo)下學(xué)習(xí)。1885年任卡爾魯厄大學(xué)物理學(xué)教年任卡爾魯厄大學(xué)物理學(xué)教授。授

13、。1889年，接替克勞修斯擔(dān)任年，接替克勞修斯擔(dān)任波恩大學(xué)物理學(xué)教授，直到逝世。波恩大學(xué)物理學(xué)教授，直到逝世。 赫茲對(duì)人類文明作出了很大貢獻(xiàn)，正當(dāng)人們對(duì)他寄赫茲對(duì)人類文明作出了很大貢獻(xiàn)，正當(dāng)人們對(duì)他寄以更大期望時(shí)，他卻于以更大期望時(shí)，他卻于1894年元旦因血中毒逝世，年年元旦因血中毒逝世，年僅僅36歲。為了紀(jì)念他的功績(jī)，人們用他的名字來命名歲。為了紀(jì)念他的功績(jī)，人們用他的名字來命名各種波動(dòng)頻率的單位，簡(jiǎn)稱各種波動(dòng)頻率的單位，簡(jiǎn)稱“赫赫”。 赫茲對(duì)人類最偉大的貢獻(xiàn)是用赫茲對(duì)人類最偉大的貢獻(xiàn)是用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在波的存在。 1881年，赫茲解出了兩彈性體局部接觸時(shí)彈性年，赫茲解出

14、了兩彈性體局部接觸時(shí)彈性體內(nèi)的應(yīng)力分布。體內(nèi)的應(yīng)力分布。 1 1 何謂失效？失效就是破壞？何謂失效？失效就是破壞？ 2 2 零件的計(jì)算準(zhǔn)則與失效形式有什么關(guān)系？常零件的計(jì)算準(zhǔn)則與失效形式有什么關(guān)系？常用的有哪些準(zhǔn)則？它們是針對(duì)什么失效形式而建用的有哪些準(zhǔn)則？它們是針對(duì)什么失效形式而建立的？立的？ 3 3 解釋以下術(shù)語(yǔ)：靜載荷，變載荷，名義解釋以下術(shù)語(yǔ)：靜載荷，變載荷，名義載荷，計(jì)算載荷，靜應(yīng)力，變應(yīng)力，最大計(jì)算應(yīng)載荷，計(jì)算載荷，靜應(yīng)力，變應(yīng)力，最大計(jì)算應(yīng)力（最大應(yīng)力）力（最大應(yīng)力） 思考題：思考題： 何謂變應(yīng)力的循環(huán)特性何謂變應(yīng)力的循環(huán)特性r r？對(duì)靜應(yīng)力、？對(duì)靜應(yīng)力、脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力和對(duì)稱循環(huán)

15、變應(yīng)力其脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力和對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力其r r值各值各為多少，其為多少，其 各為多少？各為多少？am5 5 變應(yīng)力只能由變載荷產(chǎn)生嗎？靜載荷只能產(chǎn)生變應(yīng)力只能由變載荷產(chǎn)生嗎？靜載荷只能產(chǎn)生 靜應(yīng)力嗎？靜應(yīng)力嗎？6 6 靜應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，塑性材料的零件，其極靜應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，塑性材料的零件，其極限應(yīng)力應(yīng)為限應(yīng)力應(yīng)為 ，脆性材料的零件，脆性材料的零件，其極限應(yīng)力應(yīng)為其極限應(yīng)力應(yīng)為 。疲勞強(qiáng)度計(jì)算。疲勞強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，極限應(yīng)力應(yīng)時(shí)，極限應(yīng)力應(yīng) 。思考題：思考題： 、 7 7 判斷零件強(qiáng)度的方法有哪兩種判斷零件強(qiáng)度的方法有哪兩種 ？ 8 8 根據(jù)接觸狀態(tài)和工作條件不同，零件的根據(jù)接觸狀態(tài)和工作條件不同，零

16、件的 表面強(qiáng)度分為哪三種表面強(qiáng)度分為哪三種 ？ 9 9 依靠表面接觸工作的零件，你知道的有哪些？依靠表面接觸工作的零件，你知道的有哪些？ 10 10 重型機(jī)械中，常見到內(nèi)接觸的零件，重型機(jī)械中，常見到內(nèi)接觸的零件， 為什么？為什么？ 11 11 疲勞點(diǎn)蝕是如何產(chǎn)生的？疲勞點(diǎn)蝕是如何產(chǎn)生的？ 12 12 提高零件表面接觸強(qiáng)度的措施有哪些？提高零件表面接觸強(qiáng)度的措施有哪些？思考題：思考題：九江大橋九江大橋 2007年月日凌晨約時(shí)分年月日凌晨約時(shí)分 一艘佛山籍運(yùn)沙船“南桂機(jī)”行航經(jīng)國(guó)道九江大橋時(shí)撞擊九江大橋橋墩，造成國(guó)道九江大橋約米橋面坍塌，初步分析事故導(dǎo)致橋面有輛汽車墜入江中，名司乘人員以及名橋面巡橋工人失蹤。 一座百余人歷經(jīng)兩年時(shí)間建造的橋，一座百余人歷經(jīng)兩年時(shí)間建造的橋，在竣工前夕在竣工前夕轟然垮塌！轟然垮塌！123位正在勞作的建橋工人遭飛來橫位正在勞作的建橋工人遭飛來橫禍禍,63人逃生，其中人逃生，其中22人受傷；已確證人受傷；已確證47人死于非命，人死于非命，另有十余人仍被