- •Тема 1. Общие вопросы расчета и конструирования деталей машин
- •1.3. Основные понятия и определения
- •1.4. Общие требования к машинам, их деталям и узлам
- •1.5. Основные критерии работоспособности деталей.
- •1.6. Критерии прочности
- •1.6.1. Расчеты на прочность
- •1.6.2. Расчеты на усталостную прочность (выносливость)
- •1.7. Краткие сведения о материалах, применяемых в машиностроении
- •Примеры по темам модуля 2
1.6.1. Расчеты на прочность
В
случае статической
прочности
опасное напряжение
или
(см. условие (1.13)) для пластичных материалов
равно
пределу текучести
(
),
для хрупких материалов –пределу
прочности
1(
).
Напряжения
(
)
и
(
)
являются механическими характеристиками
материалов и имеются в справочной
литературе (см. далее табл. 1.1).
Напряжения
и
в условиях прочности (1.13) рассчитывают
по формулам, известным из курса
сопротивления материалов [6], в зависимости
от вида
нагружения.
1. Если деталь испытывает осевое растяжение (сжатие), нормальное напряжение рассчитывают по формуле:
(1.14)
где
– продольная сила в опасном (поперечном)
сечении;
–
площадь опасного сечения.
2. Если деталь работает на срез, касательное напряжение
(1.15)
где
– сила среза в опасном сечении;
–
площадь опасного сечения.
3. При плоском изгибе прямолинейных деталей нормальное напряжение
(1.16)
где
– изгибающий момент в опасном (поперечном)
сечении;
–
осевой момент сопротивления2плоского сечения.
4. При кручении цилиндрических деталей касательное напряжение
(1.18)
где
– крутящий момент в опасном (поперечном)
сечении;
–
полярный момент сопротивления3плоского сечения.
1.6.2. Расчеты на усталостную прочность (выносливость)
Разрушение
деталей вследствие потери
сопротивления усталости
происходит
в результате длительного действия
переменных
напряжений,
превышающих предел
выносливости
материала.
Сопротивление усталости значительно понижается из-за концентраторов напряжений, связанных с конструктивной формой детали, из-за дефектов, то есть низкого качества, поверхности детали (царапины, трещины). На рис. 1.29 примерами концентраторов напряжений являются канавки и буртики (заплечик – это выступ на валу или буртик, к которому устанавливают подшипник). Для уменьшения концентрации напряжений в месте изменения формы детали предусматривают галтель (см. рис. 1.29).

Рис. 1.29. Концентраторы напряжений на ступенчатом валу
Переменные напряжения изменяются циклически. Различают циклы напряжений: асимметричный (рис. 1.30) и симметричный (рис. 1.31). Частным случаем асимметричного является отнулевой цикл (рис. 1.32)

Рис. 1.30. Параметры асимметричного цикла напряжений
Параметрами цикла напряжений являются (см. рис. 1.30-1.32):
-
максимальное
и минимальное
значения напряжений,
-
амплитуда цикла
,
-
среднее напряжение цикла
,
-коэффициент
асимметрии цикла
.


Рис. 1.31. Симметричный цикл Рис. 1.32. Отнулевой цикл
Для
симметричного цикла (см. рис. 1.31) с
коэффициентом асимметрии
предел выносливости
имеет минимальное значение и является
нормативной механической характеристикой
материала (см. далее табл. 1.1), которую
определяют в ходе испытаний навыносливость.
Условие выносливости (усталостной прочности) имеет вид, аналогичный формулам (1.13):
или
(1.20)
где
или
зависит от предела выносливости материала
;
или
,
в общем случае
– коэффициент запаса усталостной
прочности.
Расчет
напряжений
и
из условия (1.20) проводится по эмпирическим
формулам, учитывающим, чтосопротивление
усталости зависит
от
параметров цикла напряжений, наличия
концентраторов, качества поверхности,
размеров
детали и, наконец, от длительности
работы
детали.
В инженерных расчетах реальные конструкции заменяют расчетными схемами, поэтому расчеты по условиям статической прочности и выносливости становятся приближенными.
Неточности
расчетов на прочность компенсируют в
основном за счет запасов прочности,
поэтому выбор коэффициентов запаса
прочности
и
является ответственным этапом расчета.
В дальнейшем будут рассмотрены особенности расчета на статическую прочность и выносливость конкретных деталей машин.
