2.5. Основы прочностного расчета

2.5.1. Виды нагрузок, действующих на механизм и его элементы

Нагрузка, которая воспринимается в процессе эксплуатации машины, называется рабочей. При этом характерную для рассматриваемого режима нагрузку называют номинальной и принимают в качестве исходной для определения расчетной нагрузки.

Под расчетной понимают нагрузку, определяющую геометрические размеры и формы детали, соответственно рассматриваемому критерию работоспособности с учетом условий ее нагружения и работы.

При оценке прочности используют эквивалентную нагрузку, которой можно заменить фактически действующую переменную рабочую нагрузку, полагая, что в отношении данного критерия работоспособности они эквивалентны.

Нагрузки могут быть постоянными или переменными по величине. Нагрузка считается постоянной, когда деталь не меняет своего положения относительно вектора нагружения и вызывает внутреннее усилие постоянного характера.

Переменная нагрузка имеет величины непостоянные во времени.

Переменные нагрузки, которые повторяются с определенной последователь- ностью, называются циклической.

Циклическая нагрузка вызывает внутренние напряжения в детали также циклического характера со следующими характеристиками:

• коэффициент асимметрии по нормальным напряжениям

R_=_min/_max; (2.82)

• коэффициент асимметрии по касательным напряжениям

R_=_min/_max; (2.83)

• среднее напряжение цикла по нормальным напряжениям

_m =0,5(_min+_max)=0,5(1+ R_)_max, (2.84)

- среднее напряжение цикла по касательным напряжениям

_m =0,5(_min+_max)=0,5(1+ R_)_max; (2.85)

- амплитуда цикла по нормальным напряжениям

_а =0,5(_max -_min)=0,5(1- R_)_max, (2.86)

- амплитуда цикла по касательным напряжениям

_m =0,5(_max - _min)=0,5(1- R_)_max. (2.87)

Под действием циклических нагрузок детали выходят из строя быстрее, чем при статических, т.к. при циклическом нагружении изменения структуры материала накапливаются и вызывают отказ в работе объекта более ранний, чем при статическом нагружении. Происходит усталостное разрушение детали.

Кривая выносливости (кривая Веллера) представляет собой зависимость предельного числа циклов нагружения, при которых произошло разрушение на фиксированных уровнях напряжений. Кривая выносливости строится для каждого конкретного материала на основе экспериментальных данных.

Наибольшее напряжение цикла, которое деталь может выдержать не разрушаясь с заданной вероятнстью при практически неограниченном цикле нагружений, называют пределом выносливости и обозначают _R (нормальное напряжение) и _R (касательное напряжение).

Уравнение кривой выносливости имеет вид

^qN_c=const, (2.88)

где  - заданный уровень напряжения, мПа; N_c – предельное число циклов нагружения; q – показатель степени кривой выносливости (зависит от напряженного состояния, формы детали, механических характеристик, термообработки и т.п. и колеблется в пределах, q=6…9).

На уровне предела выносливости кривая выносливости становится практически горизонтальной линией.

Если число циклов нагружения ограничено базовой величиной, то наибольшее напряжение цикла называют пределом ограниченной выносливости (_{lim b}).

Предел контактной выносливости (_{Нlim b}) и предел выносливости на изгиб (_{Flim b}), соответствующие базовым числам циклов перемены напряжений устанавливают по полуэмпирическим зависимостям для конкретных случаев.

Коэффициент долговечности K_L устанавливает соответствие между базовым N₀ и эквивалентным числом циклов N_E при заданном режиме нагружения, конкретном типе цикла напряжений для определенного вида прочностного расчета и вычисляется по формуле

K_L =(N₀/N_E)^1/q. (2.89)

В механизмах передачи движения зацеплением:

• коэффициент долговечности Z_N при расчете на контактную прочность для предельного N_Нlim и эквивалентного N_НE чисел циклов нагружения при показателе кривой выносливости q_Н вычисляется по следующей зависимости

Z_N =(N_Нlim/N_НE)^1/qН; (2.90)

• коэффициент долговечности Y_N при расчете на изгиб для предельного N_Flim и эквивалентного N_FE чисел циклов нагружения при показателе кривой выносливости q_F вычисляется по следующей зависимости

Y_N =(N_Flim/N_FЕ)^1/qF. (2.91)

Работоспособность и надежность механизма и его деталей характеризуется определенными критериями. Важнейшими из них являются прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, виброустойчивость.

Расчеты на прочность ведут по номинальным допускаемым напряжениям, по коэффициентам запаса прочности или по вероятности безотказной работы.

Фактическая величина воздействий нагружающих факторов на элементы механизма в зависимости от режима нагружения и устанавливается по одному из нижеприведенных методов (ГОСТ 21354 – 87).