機械設計基礎第一頁，共六十八頁。第3章機械零件的工作能力分析第二頁，共六十八頁。第3章機械零件的工作能力分析3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析

3.2零件剪切與擠壓變形時的工作能力分析

3.3零件扭轉變形時的工作能力分析

3.4零件彎曲變形時的工作能力分析

3.5零件組合變形時的工作能力分析

3.6基本技能訓練——材料軸向拉伸(壓縮)時的力學性能實驗第三頁，共六十八頁。3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析圖3-1軸向拉伸與壓縮第四頁，共六十八頁。3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析3.1.1軸向拉伸或壓縮的概念桿件受到外部沿軸線方向的拉力或壓力（稱軸向力）作用而使桿件沿軸向伸長或縮短，這種變形稱為軸向拉伸或壓縮，如圖3?1所示。產(chǎn)生拉伸或壓縮變形的桿件稱為拉壓桿。圖3-2旋臂式起重機第五頁，共六十八頁。3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析圖3-3緊固螺栓第六頁，共六十八頁。3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析圖3-4液壓缸活塞桿第七頁，共六十八頁。3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析圖3-5建筑物中的支柱第八頁，共六十八頁。3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析3.1.2內力分析與應力分析1.軸力和軸力圖

(1)軸力作用在桿件上的載荷和約束反力統(tǒng)稱為外力。圖3-6拉(壓)桿橫截面上的內力第九頁，共六十八頁。3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析3.1.3軸向拉伸或壓縮時的變形計算圖3-9拉桿的變形第十頁，共六十八頁。3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析表3-1幾種常用材料的E和μ值第十一頁，共六十八頁。3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析3.1.4材料在拉伸或壓縮時的力學性能材料在外力作用下其強度和變形方面所表現(xiàn)出的力學性能，是強度計算和選用材料的重要依據(jù)。在不同的溫度和加載速度下，材料的力學性能將發(fā)生變化。本節(jié)主要介紹常用材料在常溫（指室溫）、靜載（加載速度緩慢平穩(wěn)）情況下，拉伸和壓縮時的力學性能。圖3-11拉壓試件標準第十二頁，共六十八頁。3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析1.

(1)低碳鋼在拉伸時的力學性能低碳鋼是工程上應用最廣泛的材料，同時，低碳鋼試件在拉伸試驗中所表現(xiàn)出來的力學性能最為典型。圖3-12低碳鋼拉伸圖第十三頁，共六十八頁。3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析圖3-13Q235鋼拉伸的σ-ε曲線圖第十四頁，共六十八頁。3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析(2)材料的力學性能指標試件拉斷后，材料的彈性變形消失，塑性變形則保留下來，試件長度由原長L0變?yōu)長u。圖3-14鑄鐵在拉伸時

的σ-ε曲線圖第十五頁，共六十八頁。3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析(3)鑄鐵在拉伸時的力學性能對于脆性材料，例如灰鑄鐵，從圖3-14所示的σ-ε曲線可以看出，從開始受拉到斷裂，沒有明顯的直線部分(圖中實線)。

2.圖3-15低碳鋼壓縮時的σ-ε曲線圖第十六頁，共六十八頁。3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析圖3-16鑄鐵壓縮時的σ-ε曲線圖第十七頁，共六十八頁。3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析1)剛度指標：彈性模量E。2)強度指標：屈服極限σs和強度極限σb(σbc)。

3)塑性指標：斷后伸長率A和斷面收縮率Z。

3.1.5軸向拉伸或壓縮時的強度計算

1.許用應力和安全因數(shù)

2.軸向拉伸或壓縮時的強度計算

(1)強度校核若已知桿件尺寸A、載荷F和材料的許用應力［σ］，則可驗算桿件是否滿足強度要求(2)設計截面尺寸若已知桿件的工作載荷及材料的許用應力［σ］(3)確定許可載荷若已知桿件尺寸和材料的許用應力［σ］，可確定許可載荷第十八頁，共六十八頁。3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析3.1.6壓桿穩(wěn)定性的概念

由前所述，對于一般的受壓直桿，認為只要滿足壓縮強度條件，就能保證壓桿的正常工作。事實上這一結論僅適合于短粗壓桿，而細長壓桿并非如此。第十九頁，共六十八頁。3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析圖3-18壓桿的穩(wěn)定性第二十頁，共六十八頁。3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析圖3-19細長壓桿的應用實例第二十一頁，共六十八頁。3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析解決壓桿穩(wěn)定問題的關鍵是提高臨界壓力Fcr。工程上提高壓桿的穩(wěn)定性的主要措施有：加固端部約束；減小壓桿長度；采用合理的截面形狀如圖3-20所示。圖3-20合理的截面形狀理第二十二頁，共六十八頁。3.2零件剪切與擠壓變形時的工作能力分析3.2.1剪切與擠壓的概念

1.圖3-21剪板機剪切鋼板第二十三頁，共六十八頁。3.2零件剪切與擠壓變形時的工作能力分析圖3-22鉚釘連接第二十四頁，共六十八頁。3.2零件剪切與擠壓變形時的工作能力分析圖3-23螺栓聯(lián)接2.第二十五頁，共六十八頁。3.2零件剪切與擠壓變形時的工作能力分析圖3-24擠壓的概念3.2.2剪切與擠壓的內力分析與應力分析第二十六頁，共六十八頁。3.2零件剪切與擠壓變形時的工作能力分析用截面法來研究鉚釘在剪切面上的內力。用一截面假想地將鉚釘沿剪切面m-m截開，分為上下兩部分。任取一部分為研究對象，為了保持平衡，在剪切面內必然有與外力F大小相等，方向相反的內力存在，這個內力叫做剪力，用FQ表示，它是剪切面上分布內力的合力，如圖3?25所示。圖3-25剪切內力與應力分析第二十七頁，共六十八頁。3.2零件剪切與擠壓變形時的工作能力分析圖3-26擠壓應力分析3.2.3抗剪與擠壓強度計算

1.抗剪強度條件

2.擠壓強度條件第二十八頁，共六十八頁。3.3零件扭轉變形時的工作能力分析3.3.1扭轉的概念

駕駛汽車時，司機加在轉向盤上兩個大小相等、方向相反的切向力，它們在垂直于操縱桿軸線的平面內組成一力偶，如圖3?29所示。同時，操縱桿下端則受到一轉向相反的阻力偶的作用。在這兩個力偶作用下，操縱桿產(chǎn)生扭轉變形。圖3-29汽車轉向盤的操縱桿第二十九頁，共六十八頁。3.3零件扭轉變形時的工作能力分析圖3-30掘土機械中的螺旋鉆的空心圓軸第三十頁，共六十八頁。3.3零件扭轉變形時的工作能力分析圖3-31扭轉變形3.3.2內力分析與應力分析

1.外力偶矩的計算

2.轉矩與轉矩圖第三十一頁，共六十八頁。3.3零件扭轉變形時的工作能力分析圖3-32轉矩第三十二頁，共六十八頁。3.3零件扭轉變形時的工作能力分析3.3.3圓軸扭轉的強度計算

由前所述，等截面圓軸扭轉時，最大應力發(fā)生在最大轉矩截面的外周邊各點；變截面軸扭轉時最大應力則發(fā)生在轉矩與扭轉截面系數(shù)之比最大的那個截面上，所以對變截面軸而言，應根據(jù)轉矩與扭轉截面系數(shù)的比值來判斷其危險截面。圖3-40例3-10圖第三十三頁，共六十八頁。3.3零件扭轉變形時的工作能力分析3.3.4圓軸扭轉的變形和剛度計算

1.相對扭轉角圖3-41扭轉變形2.單位長度扭轉角

3.扭轉剛度計算第三十四頁，共六十八頁。3.4零件彎曲變形時的工作能力分析3.4.1平面彎曲的概念

1.基本概念圖3-42橋式起重機的大梁第三十五頁，共六十八頁。3.4零件彎曲變形時的工作能力分析圖3-43承受轉子重量的電動機軸第三十六頁，共六十八頁。3.4零件彎曲變形時的工作能力分析圖3-44火車輪軸第三十七頁，共六十八頁。3.4零件彎曲變形時的工作能力分析圖3-45梁的平面彎曲第三十八頁，共六十八頁。3.4零件彎曲變形時的工作能力分析2.梁的計算簡圖及其分類(1)梁的簡化不論梁的截面形狀如何復雜可將梁簡化為一根直桿，稱為直梁。圖3-46梁的簡化第三十九頁，共六十八頁。3.4零件彎曲變形時的工作能力分析(2)梁的支座的簡化

1)活動鉸鏈支座。

2)固定鉸鏈支座。

3)固定端支座。

(3)載荷的簡化

1)集中載荷。

2)分布載荷。

3)集中力偶。

(4)梁的基本形式根據(jù)梁的支承情況，一般可簡化為下列三種形式：

1)簡支梁。

2)外伸梁。第四十頁，共六十八頁。3.4零件彎曲變形時的工作能力分析3)懸臂梁。

3.4.2內力分析與應力分析

1.梁彎曲時的內力——剪力和彎矩圖3-47剪力和彎矩第四十一頁，共六十八頁。3.4零件彎曲變形時的工作能力分析圖3-48剪力和彎矩的符號規(guī)定第四十二頁，共六十八頁。3.4零件彎曲變形時的工作能力分析圖3-49例3-11圖2.彎矩圖第四十三頁，共六十八頁。3.4零件彎曲變形時的工作能力分析圖3-53純彎曲時正應力的分布規(guī)律第四十四頁，共六十八頁。3.4零件彎曲變形時的工作能力分析表3-2常用截面的、計算公式第四十五頁，共六十八頁。3.4零件彎曲變形時的工作能力分析3.4.3梁的抗彎強度分析對于等截面梁，最大正應力產(chǎn)生在最大彎矩作用的截面上，此截面即為危險截面。最大正應力發(fā)生在危險截面上離中性軸最遠處，即截面對應邊緣處，稱為危險截面上的危險點。

(1)塑性材料圖3-54T形截面第四十六頁，共六十八頁。3.4零件彎曲變形時的工作能力分析(2)脆性材料脆性材料的抗拉能力遠小于其抗壓能力，為使截面上的壓應力大于拉應力，常將梁的橫截面做成與中性軸不對稱的形狀，如T形截面，如圖3-54所示。第四十七頁，共六十八頁。3.4零件彎曲變形時的工作能力分析圖3-57撓曲線3.4.4彎曲剛度簡介第四十八頁，共六十八頁。3.4零件彎曲變形時的工作能力分析3.4.5提高梁抗彎強度和剛度的措施

由前所述，影響梁的抗彎強度的主要因素是彎曲正應力，而彎曲正應力的強度條件為

1.合理安排梁的受力情況

(1)合理布置支承位置承受均布載荷的簡支梁如圖3-58a所示，最大彎矩值為1/8ql2，最大撓度為5q/384EI，若將兩端支承各向內側移動2/9l，如圖3-58c所示，則最大彎矩降為如圖3-58d所示，前者約為后者的5倍，同時因縮短了梁的跨度，使梁的變形大大減小，最大撓度降為0．11q/384EI。第四十九頁，共六十八頁。3.4零件彎曲變形時的工作能力分析(2)合理配置載荷圖3-59a所示為受集中力作用的簡支梁。圖3-58受均布截荷的簡支梁第五十頁，共六十八頁。3.4零件彎曲變形時的工作能力分析圖3-59受集中力作用的簡支梁第五十一頁，共六十八頁。3.4零件彎曲變形時的工作能力分析圖3-60不同截面形狀2.合理選擇梁的截面形狀第五十二頁，共六十八頁。3.5零件組合變形時的工作能力分析3.5.1組合變形的概念

前面我們研究的是零件在外力作用下只產(chǎn)生一種基本變形，以及在各基本變形下的強度和剛度計算。但在實際工程中，有很多零件在外力作用下同時產(chǎn)生兩種或兩種以上基本變形，這種變形稱為組合變形。

3.5.2拉伸(壓縮)與彎曲的組合變形

拉伸（壓縮）與彎曲的組合變形在工程上是常見的，在這兩類載荷作用下，桿件將產(chǎn)生拉伸（壓縮）與彎曲的組合變形。圖3-61簡易起重機的橫梁AB的變形第五十三頁，共六十八頁。3.5零件組合變形時的工作能力分析圖3-62立柱的變形第五十四頁，共六十八頁。3.5零件組合變形時的工作能力分析圖3-63拉壓組合變形外力、內力、應力的分析第五十五頁，共六十八頁。3.5零件組合變形時的工作能力分析1.外力分析2.內力分析

3.應力分析

4.強度計算3.5.3扭轉和彎曲的組合變形

扭轉和彎曲的組合變形是機械工程中常見的情況，下面討論軸類零件在彎扭組合變形時的強度計算。以帶傳動軸為例：

第五十六頁，共六十八頁。3.5零件組合變形時的工作能力分析1.外力分析2.內力分析

3.應力分析

圖3-65彎扭組合變形外力、內力、應力分析第五十七頁，共六十八頁。3.6基本技能訓練——材料軸向拉伸(壓縮)時的力學性能實驗一、實驗任務

測定材料的力學性能：材料的力學性能是強度計算和評定材料的主要依據(jù)，通過實驗測定各項實驗數(shù)據(jù)。

二、實驗方法與要求

1.實驗前的準備

2.實驗的進行

3.實驗報告的書寫

三、材料力學萬能試驗機介紹和操作第五十八頁，共六十八頁。3.6基本技能訓練——材料軸向拉伸(壓縮)時的力學性能實驗在材料力學實驗中，總要對試樣加載荷，從而測量出試樣的承載能力和變形的數(shù)據(jù)。提供模擬、實驗，并給出穩(wěn)定參數(shù)的設備稱為試驗機，最常用的試驗機是萬能材料試驗機。它可以做拉伸、壓縮、剪切、彎曲等試驗。按機器結構和原理區(qū)別，試驗機有多種類型，一般有液壓式和機械式兩種。下面著重介紹液壓式萬能試驗機。

1.WE-60型液壓式萬能材料試驗機介紹

(1)加載系統(tǒng)在試驗機后機座上裝有兩根支柱，支柱支撐著大橫梁及工作液壓缸，當開機后，電動機帶動油泵，將油箱里的油經(jīng)送油閥送至工作液壓缸，推動大活塞使小橫梁活動立桿和平臺向上移動，試樣受到拉伸。第五十九頁，共六十八頁。3.6基本技能訓練——材料軸向拉伸(壓縮)時的力學性能實驗(2)測力、示值系統(tǒng)裝在試驗機上的試樣受力后，它受力大小可在測力度盤上直接讀出。

(3)載荷位移記錄系統(tǒng)實驗時，在測力系統(tǒng)的齒杠的筆架上裝上記錄筆，隨齒杠的移動而在記錄圖上描繪。

2.操作步驟和注意事項

(1)操作步驟

1)加載前，測力指針應指在度盤上的“零點”,否則必須加以調整。

2)合理選擇量程根據(jù)估計的最大載荷，裝上相應的錘重，使最大值在相應量程的40%～80%之間為宜。

3)安裝試樣裝夾拉伸試樣時，必須使試樣處于中心垂直狀態(tài)，然后調整下夾頭的距離，將試樣夾緊。第六十頁，共六十八頁。3.6基本技能訓練——材料軸向拉伸(壓縮)時的力學性能實驗4)調整好自動繪圖儀的傳動裝置和筆紙等。

5)檢查送、回油閥，一定要注意它們均應在關閉位置。

6)開動油泵電動機，操縱送油閥，緩緩打開，用慢速均勻加載。

7)實驗完畢，立即停車取下試樣，這時關閉送油閥，緩慢打開回油閥，使油液泄回油箱，于是活動平臺回到原始位置，最后將一切機構復原，并清理機器。

(2)注意事項

1)開車前和停車后送油閥、回油閥一定要置于關閉位置。

2)拉伸試樣夾住后，不得再調整下夾頭的位置，以免帶動下夾頭升降的電動機燒壞。

3)實驗時，不得觸動擺錘，以免影響實驗讀數(shù)。第六十一頁，共六十八頁。3.6基本技能訓練——材料軸向拉伸(壓縮)時的力學性能實驗4)在使用機器的過程中，如果聽到異聲或發(fā)生任何故障應立即停車，切斷電源進行檢查和復修。

四、軸向拉伸實驗

1.試驗目的

1)測定低碳鋼的屈服極限σs，強度極限σb，斷后伸長率A,斷面收縮率Z。

2)測定鑄鐵的強度極限σb。

3)觀察低碳鋼拉伸過程的幾個階段，現(xiàn)象及拉伸圖。

4)比較低碳鋼與鑄鐵二者力學性能的特點，并分析斷口形狀。

2.設備

3.實驗原理第六十二頁，共六十八頁。3.6基本技能訓練——材料軸向拉伸(壓縮)時的力學性能實驗4.試樣

5.實驗方法及步驟

6.預習要求

1)復習講課中有關材料拉伸時力學性能的內容：閱讀本次實驗內容和實驗設備介紹中的萬能試驗機的結構原理、操作方法、注意事項以及有關千分表和游標卡尺的使用方法。第六十三頁，共六十八頁。3.6基本技能訓練——材料軸向拉伸(壓縮)時的力學性能實驗2)預習、思考時要考慮到：本次實驗的內容和目的是什么；低碳鋼在拉伸過程中可分哪幾個階段，各階段有何特征；試驗前、中、后需要測量和記錄哪些數(shù)據(jù)；使用液壓式萬能試驗機有哪些注意事項。

五、軸向壓縮實驗

1.實驗目的

1)測定壓縮時低碳鋼的屈服極限σs，鑄鐵的強度極限σb。

2)觀察上述兩種材料的壓