【机械设计】第2章机械设计的工作能力和计算准则

第2章 机械零件的工作能力本章提示:本章介绍了影响机械零件工作能力的各项因素，并提出了满足零件工作能力的计算准则。

强度准则是最重要的设计准则。

本章把各种零件强度计算的共性问题集中到一起，略去零件的具体内容，而突出阐述强度设计计算的基本理论和方法。

基本要求:1）了解机械零件强度的基本概念和强度条件表达式的一般形式。

2）熟悉变应力的类型和特征。

3）了解影响零件疲劳强度的因素及其考虑方法，并能查阅有关图表。

4）了解机械零件的表面强度概念 。

2.1 概述机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。

在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为工作能力。

通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为承载能力。

零件的失效可能由于：断裂或塑性变形；过大的弹性变形；工作表面的过度磨损或损伤；发生强烈的振动；联接的松弛；摩擦传动的打滑等。

例如，轴的失效可能由于疲劳断裂；也可能由于过大的弹性变形（即刚度不足），致使轴颈在轴承中倾斜，若轴上装有齿轮则轮齿受载便不均匀，以致影响正常工作。

在前一情况下，轴的承载能力决定于轴的疲劳强度；而在后一情况下则取决于轴的刚度。

显然，两者中的较小值决定了轴的承载能力。

又如，轴承的润滑、密封不良时，轴瓦或轴颈就可能由于过度磨损而失效。

此外，当周期性干扰力的频率与轴的自振频率相等或接近时，就会发生共振，这种现象称为失去振动稳定性，共振可能在短期内使零件损坏。

机械零件虽然有多种可能的失效形式，但归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等几个方面的问题。

对于各种不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件。

例如，当强度为主要问题时，按强度条件判定，即应力小于等于许用应力；当刚度为主要问题时，按刚度条件判定，即变形量小于等于许用变形量；等等。

判定条件可概括为计算量小于等于许用量。

这种为防止失效而制定的判定条件，通常称为工作能力计算准则。

设计机械零件时，常根据一个或几个可能发生的主要失效形式，运用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸。

一、填空题1．若一零件的应力循环特性，，N/mm 2，此时为（ ），=0.5r +a 70σ=m σ为（ ），为（ ）。

[中南大学2000研]max σmin σ【答案】210N/mm 2；280N/mm 2；140N/mm 2【解析】根据题意可得min max max min a =0.5702r σσσσσ⎧=⎪⎪⎨-⎪==⎪⎩解得：N/mm 2；N/mm 2max 280σ=min 140σ=则平均应力：。

2max min m 210/2N mm σσσ+==2．支承定轴线齿轮传动的转轴，轴横截面上某点的弯曲应力循环特性r ＝______；而其扭转应力的循环特性r ＝______。

[国防科技大学2001研]【答案】；1-0【解析】支承定轴线齿轮传动的转轴，受方向不变的径向载荷。

因此，轴横截面上既分布有拉应力，也有压应力。

随着轴的转动，拉压应力交变，所以轴所受的弯曲应力为对称循环变应力，其应力循环特性。

而转轴所受的切向力方向也是恒定不变的，但大1r =-小是周期性变化的。

因此，扭转应力是脉动变化的。

故扭转应力的循环特性。

0r =3．变应力可由______产生，变应力特性可用______等五个参数中的任意两个来描述。

[北京航空航天大学2001研]4．额定载荷是指______；计算载荷是指______。

[国防科技大学2002研]【答案】在工作平稳、载荷均匀等理想条件下，根据理论计算确定的载荷考虑实际工作中存在各种误差因素；将额定载荷修正后用于零件设计计算的载荷5．当单向转动的轴上作用力方向不变的径向载荷时，轴的弯曲应力为______循环变应力，扭转剪应力为______循环变应力（运转不平稳）。

[中南大学2002研]【答案】对称；脉动【解析】轴上作用径向载荷时，轴的弯曲应力部分为压应力，部分为拉应力。

又因为轴单向转动时，压应力区和拉应力区交变，所以轴的弯曲应力随时间正负交变，为对称循环应力。

但是轴所受的扭转剪应力方向是始终不变的，所以为脉动循环变应力。

机械设计第二章机械零件的计算准则机械设计是指为了解决特定的工程问题而设计和制造机械部件，其中机械零件是机械设计的重要组成部分。

机械零件的计算准则是指在机械设计中，对机械零件的尺寸、材料和性能等方面进行合理计算和选择的准则。

机械零件的计算准则包括零件的强度计算、刚度计算、精度计算和动态计算等方面，下面将对这些方面进行详细介绍。

首先是机械零件的强度计算。

机械零件在工作过程中承受力的作用，必须满足一定的强度要求，以保证零件不发生破坏。

强度计算主要包括静态强度计算和疲劳强度计算两个方面。

静态强度计算是指在零件处于静止状态时，根据应力和应变的关系，计算零件是否满足强度要求。

疲劳强度计算是指在零件处于循环载荷作用下，计算零件的疲劳寿命，以确定零件的可靠性。

其次是机械零件的刚度计算。

刚度计算是指根据机械零件在工作过程中所需要承受的载荷，计算零件的刚度，以保证零件在工作过程中不发生过大的变形。

刚度计算包括静刚度计算和动刚度计算两个方面。

静刚度计算是指在零件处于静止状态时，计算零件的刚度。

动刚度计算是指在零件处于运动状态时，根据零件的动力学参数，计算零件的刚度。

再次是机械零件的精度计算。

精度计算是指对机械零件的尺寸、形状和位置等进行计算和控制，以保证机械零件的工作精度。

精度计算主要包括尺寸精度计算和形位精度计算两个方面。

尺寸精度计算是指根据零件的功能、工艺要求和装配要求，计算零件的尺寸公差，以保证零件的尺寸精度。

形位精度计算是指对机械零件的形状和位置进行计算和控制，以保证零件的形位精度。

最后是机械零件的动态计算。

动态计算是指根据机械零件的工作条件和工作要求，计算零件的动态性能，以保证零件在工作过程中的稳定性和可靠性。

动态计算主要包括振动计算和运动学计算两个方面。

振动计算是指根据零件的固有频率和工作频率，计算零件的振动模态和振动幅度，以避免零件的共振和破坏。

运动学计算是指根据零件的运动要求和工作条件，计算零件的运动学性能，以满足工作的要求。

机械零件的工作能力和计算准则在机械设计和制造领域，机械零件的工作能力是非常重要的一个概念。

它通常指的是机械零件在承受负荷（载荷）时，能够承受的最大力或扭矩。

而机械零件的计算准则，就是根据不同的工作情况和零件特点，通过相应的计算公式和标准，来确定机械零件的工作能力。

机械零件的工作能力承受力的定义和计算机械零件承受力是指机械零件在静态或动态工作时，承受的最大载荷。

而承受力的计算则需要考虑多种因素，包括材料的强度和硬度、零件的尺寸和形状、载荷的作用方向和大小等。

机械零件承受力的计算公式通常由机械设计师和工程师制定，具体的计算方法也有不同的标准和规范。

例如，ISO和ASME等标准就制定了不同的机械零件承受力计算方法和公式，以满足不同应用场景和使用要求。

扭矩的定义和计算除了承受力外，对于一些需要扭转运动的机械零件，扭矩的计算也是非常重要的。

扭矩是指在一定长度的臂杆上，施加的作用力与臂长的乘积。

而对于圆形截面的零件，扭矩还可以用杆的直径、长度和材料的剪切强度等因素来计算。

同样，机械零件扭矩的计算也需要考虑多种因素，包括零件的形状和尺寸、材料的强度和硬度、扭矩作用的方向和大小等。

机械工程师必须根据具体的工作情况和使用要求，制定相应的扭矩计算公式和标准。

机械零件的计算准则机械零件的计算准则主要是针对零件的尺寸、材料、工艺和加工精度等各个方面制定的规范和标准。

根据不同的机械零件特点和工作要求，工程师们需要遵循相应的计算准则来设计和制造机械零件。

国际标准国际标准化组织（ISO）制定了众多机械零件的计算准则和标准，例如机械弹簧的计算、螺纹的计算、齿轮的计算等。

这些计算准则和标准对提高机械零件的质量和可靠性具有重要的意义，而且还可以提高机械零件的交换和共享能力，减少设计和制造成本。

ASME标准ASME（美国机械工程师学会）也制定了一系列机械零件的计算准则和标准，例如ASME B16.5钢制管法兰和配件的标准、ASME SA-106无缝钢管等。

第二章机械零件的工作能力和计算准则㈠基本内容：1. 载荷和应力的分类2.机械零件强度3.机械零件表面强度4.机械零件刚度5.其他：要点提示，布置学生自学.㈡教学重点与难点：1重点：零件失效和工作能力的概念；载荷与应力的分类及其相互关系；机械零件强度的概念；提高机械零件强度的措施.2难点：载荷与应力的相互对应关系；零件的极限应力和许用应力；零件强度的表达方法；结构设计与工艺设计对零件强度的影响；零件结构设计方面的某些禁忌问题.㈢基本要求：1掌握零件失效和工作能力的概念；2掌握载荷与应力的分类及其相互关系；3掌握机械零件强度的概念及相关的影响因素；4了解提高机械零件强度的措施.失效——机械零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能。

工作能力——零件不发生失效时的安全工作限度。

§2.1载荷与应力的分类载荷分类相关的名词定义：静载荷——不随时间变化或变化缓慢的载荷。

变载荷——随时间作周期性或非周期性变化的载荷。

名义载荷——由额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷。

计算载荷——用于机械零件的设计计算、校核计算的载荷值；数值上等于名义载荷乘以载荷系数。

载荷系数——用来估计实际载荷随时间作用的不均匀性和在零件上分布不均匀性及其它影响零件受力情况的系数。

应力分类相关的名词定义：静应力——不随时间变化或变化缓慢的应力；只能在静载荷下产生。

变应力——随时间变化的应力；不仅可由变载荷产生，也可由静载荷产生。

变应力的参数：可由中的任意两个来表示。

；；稳定变应力——平均应力、应力幅和周期不随时间变化。

稳定变应力分三种，分别是对称循环变应力r= -1;非对称循环变应力-1<r<+1,r≠0;脉动循环变应力r=0。

非稳定变应力——平均应力、应力幅和周期之中至少有一个随时间变化。

非稳定变应力又可分为规律性非稳定变应力和随机性非稳定变应力。

随机性非稳定变应力可以通过“数理统计”的方法转变成规律性非稳定变应力，而规律性非稳定变应力又可以通过“疲劳损伤积累假说”的Miner定律转变成“等效的稳定变应力”。