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1、机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式第第二二章机械零件的章机械零件的工作能力工作能力和计算准则和计算准则失效：失效：零部件不能满足工作要求称为失效零部件不能满足工作要求称为失效破坏正常工作条件引起的失效：打滑、胶合、共振破坏正常工作条件引起的失效：打滑、胶合、共振 整体断裂：拉，压，弯，扭整体断裂：拉，压，弯，扭过大的残余应力：加工，热处理过大的残余应力：加工，热处理零件表面的破坏：点蚀、磨损，热处理零件表面的破坏：点蚀、磨损，热处理 工作能力：不发生失效时的工作限度工作能力：不发生失效时的工作限度 计算（设计）准则：（要满足的条件）计算（设计）准则：（要满足的条件） 强度准则：强度准
2、则：或或；或或min/min/s s 刚度准则：刚度准则：或或 耐磨性准则：验算压强：，单位接触面上耐磨性准则：验算压强：，单位接触面上单位时间产生摩擦功不太大，控制单位时间产生摩擦功不太大，控制 可靠性准则：按传统强度设计方法设计零件，由于可靠性准则：按传统强度设计方法设计零件，由于材料强度，外载荷和加工尺寸等存在离散性，有可能材料强度，外载荷和加工尺寸等存在离散性，有可能出现达不到预定工作时间而失效的情况。希望将出现出现达不到预定工作时间而失效的情况。希望将出现这种失效情况的概率控制在一定程度之内，这就对零这种失效情况的概率控制在一定程度之内，这就对零件提出可靠性要求。件提出可靠性要求。
3、可靠度：机器或零件在一定工作环境下，在规定的可靠度：机器或零件在一定工作环境下，在规定的使用期限内连续工作的概率。使用期限内连续工作的概率。2.1 载荷和应力的分类载荷和应力的分类 载荷是机械设计中的重要参数，是重要的设计目标之一，也是造成失效的重载荷是机械设计中的重要参数，是重要的设计目标之一，也是造成失效的重要原因要原因2.1.1 载荷分类载荷分类 静载荷：不随时间变化的载荷静载荷：不随时间变化的载荷 动载荷：随时间变化（周期或非周期、大小、方向、位置）的载荷动载荷：随时间变化（周期或非周期、大小、方向、位置）的载荷 名义载荷：根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷（名义载荷：根据
4、额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷（F、P、T） 计算载荷：考虑原动机、工作机、零件受力不均匀等因素影响而设计出的载计算载荷：考虑原动机、工作机、零件受力不均匀等因素影响而设计出的载荷荷 Fc=KF ,Pc=KP, Tc=KT(K参见参见P12)2.1.2 应力分类应力分类（载荷无法衡量工作极限，需要用应力,见 P12） 静应力：只能由静载荷产生静应力：只能由静载荷产生 变应力变应力 对称循环对称循环 脉动循环脉动循环 可以变载荷产生也可以由静载荷产生可以变载荷产生也可以由静载荷产生(P13) 非对称循环非对称循环 应力循环特性应力循环特性r:最小与最大应力之比最小与最大应力之比 变应
5、力的描述：用变应力的描述：用max ， min ， m ， a ，r r五个参数中的任意两五个参数中的任意两个来描述个来描述2.2 机械零件的强度2.2.1 两种判断零件强度的方法两种判断零件强度的方法 应力法应力法 = = limlim /S /S, , = = limlim /S /S, , 安全系数法安全系数法 S S= = limlim / / SS, S, S = = limlim / / SS,2.2.2 静应力强度静应力强度 失效形式：塑性变形或断裂失效形式：塑性变形或断裂 单向应力时极限应力采用屈服极限单向应力时极限应力采用屈服极限s, s, s s 复合应力时的塑性材料（复合
6、应力时的塑性材料（ maxmax是破坏主因按第三、强度理论，是破坏主因按第三、强度理论，单位体积塑性变形是破坏主因用第四强度理论，公式见单位体积塑性变形是破坏主因用第四强度理论，公式见P P） 脆性材料极限应力采用强度极限脆性材料极限应力采用强度极限B B, , B B 2.2.3 变应力强度（变应力强度（主要破坏形式是疲劳，见下章）2.2.4 许用安全系数许用安全系数 根据工作情况选择，在保证安全可靠的情况下，尽可能小根据工作情况选择，在保证安全可靠的情况下，尽可能小（具体（具体P15） 2.2.5 提高机械零件强度的措施提高机械零件强度的措施 （材料、截面积及结构等方法，结构见P16） 2
7、.3 机械零件的表面强度机械零件的表面强度在零件整体没出现断裂、塑性变形等情况下，零件表面也可能出现破坏失效，这种失效由表面强度确定表面强度分：表面接触强度；表面挤压强度；表面磨损强度；2.3.1 表面接触强度表面接触强度产生原因：力作用点、接触面接触不均匀及塑性变形造成接触面局部应力较大（P19图）计算：赫兹公式（P19，理解，并理解课本上的两个例题）失效形式：静载荷：脆性材料的表面压碎和塑性材料的表面塑性变形循环接触：表面疲劳磨损（疲劳点蚀），产生原因及过程见P20强度指标（极限应力）静载荷：最大许用接触应力Hmax Hmax循环接触：接触疲劳极限（在规定的应力循环次数下材料 不发生点蚀现
8、象的极限应力） Hmax H2.3.2 提高表面接触强度的主要措施提高表面接触强度的主要措施增大接触表面的综合曲率半径，以降低接触应力（赫兹公式）将外接触改为内接触，将点接触改为线接触，降低接触应力（课本上例子）提高表面质量，使接触面更均匀，降低接触应力，同时减少缺陷，避免发生应力集中提高表面硬度，延缓点蚀采用黏度高的润滑油，减轻油挤入裂纹，形成油压 2.3.3 表面挤压强度表面挤压强度 产生原因：局部应力过大产生原因：局部应力过大 失效形式：压溃（表面塑性变形）和表面破碎失效形式：压溃（表面塑性变形）和表面破碎 计算公式：计算公式： p = F/A p, A为曲面接触时的投影面积（见为曲面接
9、触时的投影面积（见P22）2.3.4 表面磨损强度表面磨损强度 计算准则：计算准则： 滑动速度低，载荷大时滑动速度低，载荷大时p p 中速时：中速时：pv pv 高速时：高速时： pv pv；v v2.3.5 提高表面磨损强度的主要措施提高表面磨损强度的主要措施 采用合适的摩擦副材料，如：钢青铜采用合适的摩擦副材料，如：钢青铜 提高表面硬度，降低表面粗糙度提高表面硬度，降低表面粗糙度 采用有效的润滑剂和润滑方法采用有效的润滑剂和润滑方法 防尘、防高温防尘、防高温2.4 机械零件的刚度机械零件的刚度 刚度：在载荷作用下抵抗弹性变形的能力刚度：在载荷作用下抵抗弹性变形的能力2.4.1 刚度的影响刚
10、度的影响 刚度不足影响机器的正常工作，加速零件失效（弹性零件则需要较小的刚度）刚度不足影响机器的正常工作，加速零件失效（弹性零件则需要较小的刚度）刚度计算刚度计算 或影响刚度的因素及其改进措施影响刚度的因素及其改进措施 材料对刚度的影响材料对刚度的影响 弹性模量大则刚度大，但同类金属材料的弹性模量相差不大，故没必要用合弹性模量大则刚度大，但同类金属材料的弹性模量相差不大，故没必要用合金钢代替普通钢来提高刚度金钢代替普通钢来提高刚度 结构对刚度的影响结构对刚度的影响 截面形状：增大截面面积，采用中空、工字钢、槽钢、截面形状：增大截面面积，采用中空、工字钢、槽钢、T形截面等惯性矩大的形截面等惯性矩
11、大的截面截面 支撑方式：采用合适的支撑方式，减少最大弯矩（见支撑方式：采用合适的支撑方式，减少最大弯矩（见p24图）图） 采用加强筋采用加强筋 在装配中适当增加予紧力有助于刚度的提高（具体原因见章）在装配中适当增加予紧力有助于刚度的提高（具体原因见章） 2.5 机械零件的冲击强度机械零件的冲击强度2.5.1 冲击强度和冲击变形计算冲击强度和冲击变形计算（P25） 讨论计算公式，并定性地了解结论2.5.2 提高冲击强度和缓冲能能力的措施提高冲击强度和缓冲能能力的措施 增加柔性（柔性结构设计、低弹性模量材料、增加橡胶、弹簧垫等） 避免冲击（予紧防止出现间隙）2.6 温度对机械零件工作能力的影响温度
12、对机械零件工作能力的影响2.6.1 对摩擦磨损的影响对摩擦磨损的影响 温度过高造成润滑油黏度下降，导致吸附油膜破裂，太低会使油黏度过大，温度过高造成润滑油黏度下降，导致吸附油膜破裂，太低会使油黏度过大，甚至凝固甚至凝固2.6.2 温度对材料膨胀和收缩的影响温度对材料膨胀和收缩的影响 热胀冷缩，设计时要采取补偿措施（见热胀冷缩，设计时要采取补偿措施（见P29表表2.5 )2.6.3 温度对材料力学性能的影响温度对材料力学性能的影响 高温下金属强度一般会急剧下降，低温时钢强度提高，但变脆；有色金属高温下金属强度一般会急剧下降，低温时钢强度提高，但变脆；有色金属在低温下一般无冷脆性，且强度及塑性均有
13、提高，所以低温设备常用有色在低温下一般无冷脆性，且强度及塑性均有提高，所以低温设备常用有色金属制造金属制造 蠕变：在一定工作温度和应力下，零件塑性变形缓慢而连续增长的现象，蠕变：在一定工作温度和应力下，零件塑性变形缓慢而连续增长的现象，如高温高压的管道管壁逐渐变薄如高温高压的管道管壁逐渐变薄 改善蠕变的措施：采用耐热钢、冷却和隔热改善蠕变的措施：采用耐热钢、冷却和隔热 松弛：由于塑性变形而引起的，原予紧零件应力逐渐减小的现象松弛：由于塑性变形而引起的，原予紧零件应力逐渐减小的现象 改善松弛的措施：采用耐温材料、采用加工良好的接触面、定期检查改善松弛的措施：采用耐温材料、采用加工良好的接触面、定
14、期检查 2.7机械零件的振动稳定性机械零件的振动稳定性2.7.1 振动稳定性振动稳定性 失稳：机器或零件发生共振时，振幅会急剧增大，从而丧失振动稳定性，这种现象称为失稳2.7.2减轻振动的措施减轻振动的措施 采用对称结构，减少悬臂长度、缩短中心距等 对转动零件进行平衡 利用阻尼消耗振动 设置隔振零件2.8 机械零件的可靠性机械零件的可靠性2.8.1 可靠性概念可靠性概念 可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力 可靠度：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率， Rt=Nt/N=1-Nf/N 累计失效概率：产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率 Ft=Nf/N=1- Rt Rt+Ft=1 例题：铆钉联接，两块钢板材料均为Q215， F=500000N， 求：各部分尺寸。 MPapMPaMPa400180200解：分析失效方式及计算公式1。钉剪切2 板挤压3 板拉断4 板边剪切 sdeFdesFsdbFdbsFpdsFpsdFpdFdF)2( 24)2(2)(3)(242142 F1= F2= F3= F4= F5 = F 由1： d=18.8 取d为18 由2： S=6.6 取S为7 由3： b=54.7 取b为55 由4：e= 29.3 取e为30end