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1、2-1载荷和应力的分类2-2机械零件的强度(整体强度)2-3机械零件的表面强度2-4机械零件的刚度 2-5、6、7 、8 （简介）和机械失效示例 第第2章章 机械零件的工作能力和计算准则机械零件的工作能力和计算准则 2-9机械现代设计方法简介第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 二、应力的种类二、应力的种类 静应力静应力: = =常数常数变应力变应力: 随时间变化随时间变化一、载荷一、载荷: :静静/ /变变 名义计算名义计算 名计KFFt= =常数常数脉动循环变应力脉动循环变应力r =02minmaxm平均应力平均应力:2minmaxa应力幅应力幅:循环变应力循环变应力
2、maxminr对称循环变应力对称循环变应力r =- -1脉动循环变应力脉动循环变应力对称循环变应力对称循环变应力 -1 -1= 0= 0 +1 +1 静应力静应力tt静应力是变应力的特例maxminaamaxmaaTmaxminmt2-2机械零件的强度(整体强度) 一、强度判别式一、强度判别式(计算准则计算准则)： 应力：应力： ； ： 安全系数安全系数： . SSlim SSlimlim二、静应力下的强度计算：二、静应力下的强度计算：1.失效形式：断裂或塑性变形；失效形式：断裂或塑性变形；2.分析：分析：极限应力：极限应力：a.塑性塑性； b.脆性脆性； c.少许塑性极荷载荷少许塑性极荷载荷
3、；计算应力：计算应力：a.单向单向；b.复合复合：,223(4）或应力集中：应力集中：塑性或组织不均匀材料不考虑：塑性或组织不均匀材料不考虑： 因为塑性变形可弥因为塑性变形可弥补应力变化补应力变化limsB组织均匀的低塑性材料：考虑组织均匀的低塑性材料：考虑三、变应力下的强度计算（第三章中详讲）三、变应力下的强度计算（第三章中详讲）1失效：疲劳断裂失效：疲劳断裂2疲劳极限：零件在变应力作用下到应力循环疲劳极限：零件在变应力作用下到应力循环N次材次材料不发生疲劳破坏的最大应力，和料不发生疲劳破坏的最大应力，和r、N有有关关.rN3判别式（分析）：判别式（分析）： rNrN四、许用安全系数四、许用
4、安全系数S1目的：使零件工作更可靠，留有余量目的：使零件工作更可靠，留有余量.2取法总则：在保证安全可靠的前提下，取得越小越好取法总则：在保证安全可靠的前提下，取得越小越好.3取决于：的计算精确度取决于：的计算精确度 材料性能材料性能 零件的重要程度零件的重要程度（理想状态，往往做不到）（理想状态，往往做不到）lim321ssss4取值：取值：S=（1.24） 查查P15 表表2.2 工作中：工作中：a.习惯习惯 b.手册手册五、提高零件强度的措施：（改进措施）五、提高零件强度的措施：（改进措施） 1、改善零件结构形状、改善零件结构形状 机械：喷丸机械：喷丸2、改善零件表面的物理状态改善零件表
5、面的物理状态 化学：热处理（渗碳、渗氮）化学：热处理（渗碳、渗氮） 物理：热处理（调质、正火）物理：热处理（调质、正火）集中载荷：均布载荷集中载荷：均布载荷等强度：等强度：合理截面合理截面减少应力集中减少应力集中 2-3 机械零件的表面强度静止面接触静止面接触 表面挤压强度表面挤压强度 动面接触动面接触 表面磨损强度表面磨损强度 动静面接触动静面接触 表面接触疲劳强度表面接触疲劳强度 潘存云教授研制潘存云教授研制一、一、 机械零件的接触强度机械零件的接触强度如齿轮、凸轮、滚动轴承等。如齿轮、凸轮、滚动轴承等。B 机械零件中各零件之间的力的传递，总是通过两机械零件中各零件之间的力的传递，总是通过
6、两个零件的接触形式来实现的。常见两机械零件的接触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。形式为点接触或线接触。机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约20m处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑 ，这种现象称为渡劳点蚀。潘存云教授研制潘存云教授研制两个零件在受载前是两个零件在受载前是点点接触或接触或线线接触。受载后，接触。受载后，由于变形其接触处为一由于变形其接触处为一小面积小面积，通常此面积甚小而表，通常此面积甚小而表层产生的
7、局部应力却很大，这种应力称为层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。接触应力。这时零件强度称为这时零件强度称为接触强度接触强度。F F 2 O2 1 O1 2 2 O2 1 1 O1 F F 2 2b H1 变形量B接触失效形式常表现为接触失效形式常表现为 疲劳点蚀。疲劳点蚀。后果：后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。低了承载能力、引起振动和噪音。初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹裂纹的扩展与断裂裂纹的扩展与断裂 油油金属剥落出现小坑金属剥落出现小坑潘存云教授研制潘存云教授研制b b由弹性力学可
8、知，应力为：由弹性力学可知，应力为：22212121nH1+111=EEbF2121=令代入化简得,+2=2121EEEEEbEFn2H)1 (21=bEFn418.0对于钢或铸铁取泊松比对于钢或铸铁取泊松比 1=2=0.3 , 则有简化公式。则有简化公式。上述公式称为上述公式称为赫兹赫兹(HHertz)公式公式 “”用于外接触，用于外接触，“”用于内接触。用于内接触。H HH H21Fn1Fnb b2H HH H22212121nH1111EEbFbEFn2H)1 (21bEFn418.0潘存云教授研制bEFnH418.0=H H 最大接触应力或最大接触应力或赫兹应力赫兹应力;2121212
9、12EEEEEb b 接触长度接触长度;F Fn n 作用在圆柱体上的载荷作用在圆柱体上的载荷; 综合曲率半径综合曲率半径; 综合弹性模量综合弹性模量; E1、 E2 分别为两分别为两 圆柱体的弹性模量。圆柱体的弹性模量。 接触疲劳强度的判定条件为接触疲劳强度的判定条件为HlimHHHH=,S而提高措施：提高措施： 增大综合曲率半径增大综合曲率半径点点 面；外接触面；外接触 内接触内接触提高零件的表面应力提高零件的表面应力 采用粘度均匀的润滑油采用粘度均匀的润滑油 二、表面挤压强度二、表面挤压强度分析：挤压应力分析：挤压应力 破坏形式破坏形式a.塑性变形（塑材）塑性变形（塑材）b.压塌（脆）压
10、塌（脆） 计算计算 说明：说明： 1）A 接触面在力作用下垂直方向的投影接触面在力作用下垂直方向的投影 2）p 1、p 2取小的一个取小的一个AFpp 三、表面磨损强度（耐磨性）三、表面磨损强度（耐磨性） 失效形式：磨损失效形式：磨损 主参量：磨损量主参量：磨损量 因为磨损量不好算，因为磨损量不好算，但磨损和力、速度、温度有关但磨损和力、速度、温度有关P P PV PVV V 控制计算控制计算控制温升，功率损耗控制温升，功率损耗. 提高措施提高措施 （条件性计算）（条件性计算） 2-4 机械零件的刚度 概念和计算概念和计算 人结构上按经验来保证人结构上按经验来保证2-5.6.7.8（简介）（简
11、介） 作业作业2-1.2.3 机械零件失效实例：机械零件失效实例：潘存云教授研制轮齿塑性变形轮齿塑性变形潘存云教授研制齿轮轮齿折断齿轮轮齿折断 潘存云教授研制轴承内圈破裂轴承内圈破裂 潘存云教授研制轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形失效原因失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 原因。原因。统计结果显示：统计结果显示： 断裂仅占断裂仅占4.79%; 腐蚀、磨损、疲劳破坏占腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%。这是主要失效原因。这是主要失效原因。潘存云教授研制齿面接触疲劳齿面接触疲劳潘存云教授研制轴瓦磨损轴瓦磨损机械现代设计方法通常是相对传统的设计方
12、法而言的。 现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下列转换：成果与手段实现下列转换：2-9机械现代设计方法简介机械现代设计方法简介静态的静态的 动态的动态的 如机器结构动力学计算如机器结构动力学计算分部处理法分部处理法 系统工程法系统工程法 如系统工程如系统工程定性的定性的 定量的定量的 如有限元计算如有限元计算宏观的宏观的 微观的微观的 如微纳米摩擦学设计如微纳米摩擦学设计串行设计串行设计 并行设计并行设计 如并行设计如并行设计可行性设计可行性设计 优化设计优化设计 如优化设计如优化设计确定量确定量 随机量随机量 如可靠性设计如可靠性设计人工设计人工设计 自动化设计自动化设计 如计算机辅助设计如计算机辅助设计