1、機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)第3章機(jī)械零件的工作能力分析第3章機(jī)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(zhuǎn)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(xùn)練材料軸向拉伸(壓縮)時的力學(xué)性能實驗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

2、為拉壓桿。圖3-2旋臂式起重機(jī)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3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析3.1.2內(nèi)力分析與應(yīng)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(nèi)力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和值3.1零件軸向拉伸(壓縮)

3、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(xué)性能材料在外力作用下其強(qiáng)度和變形方面所表現(xiàn)出的力學(xué)性能，是強(qiáng)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(xué)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(xué)性能。圖3-11拉壓試件標(biāo)準(zhǔn)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(xué)性能低碳鋼是工程上應(yīng)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(xué)性能最為典型。圖3-12低碳鋼拉伸圖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-曲線圖3.1零件軸向

4、拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析(2) 材料的力學(xué)性能指標(biāo)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-曲線圖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(xué)性能對于脆性材料，例如灰鑄鐵，從圖3-14所示的-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-曲線圖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-曲線圖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(biāo)：彈性模量E。2)強(qiáng)度指標(biāo)：屈服極限s和強(qiáng)度極限b(bc)。3)塑性指標(biāo)

5、：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(qiáng)度計算1.許用應(yīng)力和安全因數(shù)2. 軸向拉伸或壓縮時的強(qiáng)度計算(1) 強(qiáng)度校核若已知桿件尺寸A、載荷F和材料的許用應(yīng)力，則可驗算桿件是否滿足強(qiáng)度要求(2) 設(shè)計截面尺寸若已知桿件的工作載荷及材料的許用應(yīng)力(3) 確定許可載荷若已知桿件尺寸和材料的許用應(yīng)力，可確定許可載荷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(rèn)為只要滿足壓縮強(qiáng)度條件，就能保證壓桿的正常工作。事實上這一結(jié)論僅適合于短粗壓桿，而細(xì)長壓桿并非如此。 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)

6、定性3.1零件軸向拉伸(壓縮)變形時的工作能力分析圖3-19細(xì)長壓桿的應(yīng)用實例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(guān)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(jī)剪切鋼板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. 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(nèi)力分

7、析與應(yīng)力分析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(nèi)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(nèi)必然有與外力F大小相等，方向相反的內(nèi)力存在，這個內(nèi)力叫做剪力，用FQ表示，它是剪切面上分布內(nèi)力的合力，如圖3 25所示。圖3-25剪切內(nèi)力與應(yīng)力分析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(yīng)力分析3.2.3抗剪與擠壓強(qiáng)度計算1.抗剪強(qiáng)度條件2.擠壓強(qiáng)度條件3.3零件扭轉(zhuǎn)變形時的工作能力分析3.3.1扭轉(zhuǎn)的概念駕駛汽車時，司機(jī)加在轉(zhuǎn)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

8、平面內(nèi)組成一力偶，如圖3 29所示。同時，操縱桿下端則受到一轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變形。圖3-29汽車轉(zhuǎn)向盤的操縱桿3.3零件扭轉(zhuǎn)變形時的工作能力分析圖3-30掘土機(jī)械中的螺旋鉆的空心圓軸3.3零件扭轉(zhuǎn)變形時的工作能力分析圖3-31扭轉(zhuǎn)變形3.3.2內(nèi)力分析與應(yīng)力分析1.外力偶矩的計算2.轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩圖3.3零件扭轉(zhuǎn)變形時的工作能力分析圖3-32轉(zhuǎn)矩3.3零件扭轉(zhuǎn)變形時的工作能力分析3.3.3圓軸扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度計算由前所述，等截面圓軸扭轉(zhuǎn)時，最大應(yīng)力發(fā)生在最大轉(zhuǎn)矩截面的外周邊各點；變截面軸扭轉(zhuǎn)時最大應(yīng)力則發(fā)生在轉(zhuǎn)矩與扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)之比最大的那個截面上，所以對變截面軸

9、而言，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)矩與扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)的比值來判斷其危險截面。圖3-40例3-10圖3.3零件扭轉(zhuǎn)變形時的工作能力分析3.3.4圓軸扭轉(zhuǎn)的變形和剛度計算1.相對扭轉(zhuǎn)角圖3-41扭轉(zhuǎn)變形2.單位長度扭轉(zhuǎn)角3.扭轉(zhuǎn)剛度計算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(jī)的大梁3.4零件彎曲變形時的工作能力分析圖3-43承受轉(zhuǎn)子重量的電動機(jī)軸3.4零件彎曲變形時的工作能力分析圖3-44火車輪軸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(fù)雜可將梁簡化為一根直桿，

10、稱為直梁。圖3-46梁的簡化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。3.4零件彎曲變形時的工作能力分析3) 懸臂梁。3.4.2內(nèi)力分析與應(yīng)力分析1.梁彎曲時的內(nèi)力剪力和彎矩圖3-47剪力和彎矩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3.4零件彎曲變形時的工作能力分析圖3-53純

11、彎曲時正應(yīng)力的分布規(guī)律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3.4零件彎曲變形時的工作能力分析3.4.3梁的抗彎強(qiáng)度分析對于等截面梁，最大正應(yīng)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(yīng)力發(fā)生在危險截面上離中性軸最遠(yuǎn)處，即截面對應(yīng)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(yuǎn)小于其抗壓能力，為使截面上的壓應(yīng)力大于拉應(yīng)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。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3.4零件彎

12、曲變形時的工作能力分析3.4.5提高梁抗彎強(qiáng)度和剛度的措施由前所述，影響梁的抗彎強(qiáng)度的主要因素是彎曲正應(yīng)力，而彎曲正應(yīng)力的強(qiáng)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(nèi)側(cè)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011q/384EI。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3.4零件彎曲變形時

13、的工作能力分析圖3-59受集中力作用的簡支梁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(qiáng)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(jī)的橫梁AB的變形3.5零件組合變形時的工作能力分析圖3-62立柱的變形3.

14、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(nèi)力、應(yīng)力的分析3.5零件組合變形時的工作能力分析1.外力分析2.內(nèi)力分析3.應(yīng)力分析4.強(qiáng)度計算3.5.3扭轉(zhuǎn)和彎曲的組合變形扭轉(zhuǎn)和彎曲的組合變形是機(jī)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(qiáng)度計算。以帶傳動軸為例：3.5零件組合變形時的工作能力分析1.外力分析2.內(nèi)力分析3.應(yīng)力分析圖3-65彎扭組合變形外力、內(nèi)力、應(yīng)力分析3.6基本技能訓(xùn)練材料軸向拉伸(壓縮)時的力學(xué)性能實驗一、實驗任務(wù)測定材料的力學(xué)性能：材料的力學(xué)性能是強(qiáng)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(zhǔn)備2.實

15、驗的進(jìn)行3.實驗報告的書寫三、材料力學(xué)萬能試驗機(jī)介紹和操作3.6基本技能訓(xùn)練材料軸向拉伸(壓縮)時的力學(xué)性能實驗在材料力學(xué)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(shè)備稱為試驗機(jī)，最常用的試驗機(jī)是萬能材料試驗機(jī)。它可以做拉伸、壓縮、剪切、彎曲等試驗。按機(jī)器結(jié)構(gòu)和原理區(qū)別，試驗機(jī)有多種類型，一般有液壓式和機(jī)械式兩種。下面著重介紹液壓式萬能試驗機(jī)。1.WE-60型液壓式萬能材料試驗機(jī)介紹(1)加載系統(tǒng)在試驗機(jī)后機(jī)座上裝有兩根支柱，支柱支撐著大橫梁及工作液壓缸，當(dāng)開機(jī)后，電動機(jī)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

16、桿和平臺向上移動，試樣受到拉伸。3.6基本技能訓(xùn)練材料軸向拉伸(壓縮)時的力學(xué)性能實驗(2)測力、示值系統(tǒng)裝在試驗機(jī)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(yīng)指在度盤上的“零點”,否則必須加以調(diào)整。2) 合理選擇量程根據(jù)估計的最大載荷，裝上相應(yīng)的錘重，使最大值在相應(yīng)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(diào)整下夾頭的距離，將試樣夾緊。3.6基本技能訓(xùn)練材料軸向拉伸(壓縮)時的力學(xué)性能

17、實驗4) 調(diào)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(yīng)在關(guān)閉位置。6) 開動油泵電動機(jī)，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(guān)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(jī)構(gòu)復(fù)原，并清理機(jī)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(guān)閉位置。2) 拉伸試樣夾住后，不得再調(diào)整下夾頭的位置，以免帶動下夾頭升降的電動機(jī)燒壞。3) 實驗時，不得觸動擺錘，以免影響實驗讀數(shù)。3.6基本技能訓(xùn)練材料軸向拉伸(壓縮)時的力學(xué)性能實驗4) 在使用機(jī)器的過程中，如果聽到異聲或發(fā)生任何故障應(yīng)立

18、即停車，切斷電源進(jìn)行檢查和復(fù)修。四、軸向拉伸實驗1.試驗?zāi)康?)測定低碳鋼的屈服極限s，強(qiáng)度極限b，斷后伸長率A,斷面收縮率Z。2)測定鑄鐵的強(qiáng)度極限b。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(xué)性能的特點，并分析斷口形狀。2.設(shè)備3.實驗原理3.6基本技能訓(xùn)練材料軸向拉伸(壓縮)時的力學(xué)性能實驗4.試樣5.實驗方法及步驟6.預(yù)習(xí)要求1)復(fù)習(xí)講課中有關(guān)材料拉伸時力學(xué)性能的內(nèi)容：閱讀本次實驗內(nèi)容和實驗設(shè)備介紹中的萬能試驗機(jī)的結(jié)構(gòu)原理、操作方法、注意事項以及有關(guān)千分表和游標(biāo)卡尺的使用方法。NoImage3.6基本技能訓(xùn)練材料軸向拉伸(壓縮)時的力學(xué)性能實驗2)預(yù)習(xí)、思考時要考慮到：本次實驗的內(nèi)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(jī)有哪些注意事項。五、軸向壓縮實驗1.實驗?zāi)康?)測定壓縮時低碳鋼的屈服極限s，鑄鐵的強(qiáng)度極限b。2)觀察上述兩種材料的壓縮變形和破壞形式，分析破壞原因。2.設(shè)備及量具3.實驗原理3.6基本技能訓(xùn)練材料軸向拉伸(壓縮)時的力學(xué)性能實驗4.實驗方法與步驟1) 測量試件直徑。2