计算准则
H max [ H ] max
σHmax ----最大接触应力 [σH]max ----最大许用接触应力
最大接触应力σHmax根据赫兹接触应力公式进行计算。
3） 表面磨损强度
条件性计算 1、滑动速度低、载荷大时限制表面压强 p[p] 2、滑动速度较高时防止润滑失效 pv[pv] 3、高速时防止速度过高加速磨损 v[v]
第2章 机械零件的强度和计算准则
2.1机械零件的载荷和应力 2.2 机械零件的计算准则 2.3提高强度的一般方法 2.4机械零件的三种表面强度 2.5机械零件的刚度及改进措施 2.6机械零件的稳定性和冲击强度
• • • • • •
零件设计的步骤： 1.确定零件的载荷 2.选择零件的材料 3.确定零件的主要尺寸 根据工作能力准则确定 4.绘制零件图
F P [ P ] A
2）表面接触强度 指高副接触的表面抵抗接触破坏的能力（线接触 和点接触） 静载荷作用时的失效形式: ----脆性材料的表面压碎和塑性材料的表面塑性 变形 变载荷作用下的失效形式: ----失效为疲劳破坏(表面疲劳磨损或点蚀)

• 对于圆柱接触的情形，接触应力为：
机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。
2.2.3 寿命准则 寿命是机械零件能正常工作延续的时间 决定零件寿命的主要的因素----腐蚀、疲 劳和磨损； 磨损问题和腐蚀----研究目前还很不完善， 还无法建立一个能够为广泛接受的计算准 则； 疲劳问题----目前发展比较成熟，具体的 疲劳寿命计算方法，后续章节中有详细的 介绍。
2.3 提高强度的一般方法
2.3.2 提高机械零件强度的一般措施 1）合理布置零件,减少所受最大载荷
图2.6 改进零件布置提高弯曲强度
2）采用等强度结构
图2.7 阶梯轴的等强度原理
3）减少应力集中
图2.8 齿面载荷的均布措施
• 4）选用合理截面 • 比如梁的截面采用工字型、T字型；轴的 截面采用圆形、空心圆形等。 • 5）对零件表面进行强化处理 • 比如，为提高零件表面疲劳强度，常采 用的表面强化工艺有：喷丸处理及碾压 处理、渗碳、碳氮共渗、渗氮、表面淬 火。
3）通过预紧装配实现刚度的提高
2.6 机械零件的振动稳定性冲击强度 • 2.6.1 零件的振动和振动稳定性 振动---- 零件周期性的弹性变形现象 失稳----零件或机器的自振频率和周期性外力 的变化频率相等或相接近时，发生共振，振 幅将急剧增大，此种现象称为失稳。 振动稳定性计算准则----使零件的固有频率f与 外力作用频率fp既不相等也不接近 0.85f>fp 1.15f<fp
a max min
2
应力循环特性
min max
1 1
•变应力通常可用5个参数中任两个来描述:
• 变应力进行有关参数计算时应该注意几 点问题： （1）横坐标以上为拉伸应力，数值为正， 横坐标以下为压缩应力，数值为负。对 于剪切应力，则可以自行规定一个方向 为正值，另一个方向为负值。 （2）根据绝对值大小判断σmax和σmin，绝 对值大者为σmax，小者为σmin。 （3）循环特性的变化范围为 1 r 1 。
习题 简答题：2-7 选择题：2-2，2-3，2-11，2-12
复习思考题 1、何谓零件的失效？常见形式有哪些？ 2、载荷、应力各如何分类？基本变应力有哪几 种？用哪些参数描述变应力？ 3、何为机械零件的计算准则？有哪几种计算准 则？ 4、零件的强度和刚度准则分别对应哪两种失效 形式？ 5、安全系数如何选择？其大小会产生什么影响？ 6、提高零件强度有哪些措施？
2.2.2刚度准则
• 刚度----零件在载荷作用下抵抗变形的能 力 (力,力矩/弹性变形量) • 柔度----在外力作用下产生变形的能力 (弹性变形量/力,力矩)
刚度指标: 伸长,压缩,挠度,扭角,转角 计算准则: 弹性变形量不大于许用值
y [ y] [ ]
[ ]
实际的弹性变形量可以根据不同的零件，依据不同的理 论或实验方法进行确定，而相应的许用值则需要根据不 同的场合，根据理论和经验确定合理的数值。
静应力只能由静载荷产生， 变应力可能由变载荷或静载荷产生。
σ
0
a
σ t 0
a
t
在变应力下，零件的主要失效形式为：疲劳破坏
• 4.名义应力----由名义载荷求出的应 力 • 5.计算应力----由计算载荷求出的应力
2.2 机械零件的计算准则
• 机械零件的失效方式 • 失效----零件丧失工作能力或达不到设计 要求的 性能。 • 常见失效形式 • 整体断裂；变形过大；零件表面破坏、不 能满足工作条件包括：打滑；联接松动、 泄露等。
2.1 机械零件的载荷和应力 2.1.1机械零件的载荷----静载荷和变载荷 (1)静载荷 ----不随时间变化或变化很小 (2)变载荷 ----随时间作周期性或非周期性变化
a
t
σ
0
• 设计计算中涉及----名义载荷F • 计算载荷Fc=kF • 载荷系数K ----主要由动力机和工作机的 工作性能决定
• 随试验时间不断延长，则Nf将不断增加，可靠 度逐渐减少，这说明零件的可靠度是随时间发 生改变的，是时间的函数。 • 对Ft进行微分得： • 失效分布密度f(t)=dFt/dt=dNf/Ndt • 与时间的关系曲线称为失效分布曲线,常见的分 布曲线有正态分布,可根据分布函数求出可靠度。
• 累积失效概率： F t d F t f (t )dt • 可靠度： Rt 1 F t • 可靠性计算准则,就是要保证零件在工作 过程中能够满足规定的可靠性要求。
7、表面强度有哪几种？如何计算挤压和磨 损强度？ 8、何谓刚度和柔度？刚度不足会产生什么 影响？影响刚度的因素有哪些？ 9、何谓振动、共振及失稳？稳定性计算的 准则是什么？ 10、什么是可靠度？
SEMINAR TOPIC
机械零件的工作能力应包括 那些方面？计算准则和工作 能力之间有什么关系？
1 4 F 1 F 2 2ab b 1 12 1 2 E2 E1
H max
E为两接触材料的弹性模量， 为泊松比， 1 1 1 为综合曲率半径 （正号表示外接触，负号表示内接触）
1 2
点接触的情形一般可以归结为两个球体的接触， 接触应力为：
• 一般采取的措施有： • （1）尽量采用对称结构（如花键联接）、 减少悬臂长度、缩短中心距等； • （2）对转动零件进行平衡，尽量满足动、 静平衡条件； • （3）采用阻尼作用消耗引起振动的能量， 比如设置滑动轴承的油膜阻尼器、液压 缸端部的阻尼孔等； • （4）设置隔振零件，比如加装弹簧、橡 胶垫、隔振层等都具有减振作用。
2.4 机械零件的表面强度
表面强度分为三种: 1）表面挤压强度 2）表面接触强度 3）表面磨损强度
1）表面挤压强度
表面挤压强度：零件表面抵抗表面挤压破坏的能力 1.挤压应力：通过局部配合面间的接触，在接触面 上的压应力
• • • •
2.挤压失效形式----压碎和塑性变形 3.挤压应力的分布 4.条件性简化计算挤压应力 5.计算公式
1 3 F 1 6 F 3 2 2 1 12 1 2 2 c E2 E1
2
H max
----两圆柱体接触，接触面为矩形， 最大接 触应力σHmax∝F1/2，两球体接触，接触面为 圆形， 最大接触应力σHmax∝F1/3 ---- 最大接触应力以两圆柱体外接触最高， 圆柱体-平面接触次之，内、外圆柱体接触 最低
2.6.2 机械零件的冲击强度 1.冲击强度和冲击变形的计算 由冲击能转变为变形能： F'=KIF σ'＝KIσ y'=KIy 2h KI 1 1 －为冲击系数
y
y为静载荷F作用下的物体B弹性变形量
冲击系数的确定方法为：轻度冲击1～1.1， 中度冲击1.25～1.4， 重度冲击1.6～2， 极大冲击2～3。
p----工作表面的压强 v----滑动速度
2.5 机械零件的刚度和改进措施 • 提高刚度的方法： • 1）材料对刚度的影响 • 弹性模量大则刚性就大,金属大于非金 属,同类金属的弹性模量相差不大,以高强 度合金钢代替普通碳钢来提高刚度的方 法不可取
2）结构对刚度的提高 支承方式和位置 悬臂支承、球轴承简支承和滚子轴承支承结构，它们的最大弯矩 之比为Ma：Mb：Mc为4：2：1，最大变形挠度之比ya：yb： yc为16：4：1，
失效具有多样性,同一种零件会有多种失效 形式，但最常发生的失效形式主要是由于强度 、刚度、耐磨性、耐温度性、振动稳定性、可 靠性等方面的问题。
零件工作 —→承受载荷 —→
ห้องสมุดไป่ตู้载荷欲使零件失效
零件据自身结构、 材料反抗失效
—→反抗失效＞失效 —→解决办法：合理设计 遵循设计准则
2.2.1 强度准则
强度：零件抵抗断裂、疲劳破坏的能力 1.判断危险截面的最大应力(,)是否小于或等 于许用应力([],[])
[ ],[ ] [ ],[ ]
lim
[S ]
lim
[ S ]
2.判断危险截面的实际安全系数是否大于或等 于许用安全系数
lim S [ S ] lim S [ S ]
2.2.4 可靠性准则
1.可靠性----产品在规定的条件下和规定的时间内无 故障完成规定功能的能力 2.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) Rt=Nt/N=(N-Nf)/N=1-Nf/N N－总的零件 Nt－继续工作的零件 Nf－失效的零件 3.累积失效概率----产品在规定的条件下和规定的时 间内失效的概率(Ft或P) Ft=Nf/N=1-Rt , Ft+Rt=1