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零件的強度是設計的基礎

發布日期: 2023-09-12

在設計設備和零件時,必須考慮零件的強度。提到強度會不自覺地想到“強大”,而在設計中它有明確的定義。這次針對設計中的“強度”進行一下說明。

 

強度設計所需要的力的種類

強度是表示對施加在設備或零件上的力具有多大程度的承受能力。
誠然設備或零件因使用方法不同會受到各種力。在設計時,為了保證不在使用中損壞,具有足夠的強度,必須要了解這些力的種類,并考慮要能夠承受它們。
施加在設備或零件上的力,可分為如下3種。

? 拉伸力
? 壓縮力
? 剪切力

在機械設計時考慮強度設計所需要的力的種類

“拉伸力”作用在懸掛升降機的鋼絲繩上或沖壓機中連接工作臺和沖頭的軸上等。
“壓縮力”是作用在齒輪的齒面或結構物的支柱上的力。
“拉伸力”和“壓縮力”容易想象,但“剪切力”這個詞稍微有些難懂。
“剪切力”是使向相反方向錯動的力。例如將尺子放置在桌子上并使之突出到桌子邊緣外,當試圖向下按壓尺子突出的部分時,尺子會受到來自桌子的向上推力和來自桌子外部的向下按壓力。這種情況就是剪切力作用。它是作用在連接兩個零件的螺栓或結構物的梁等上的力。
在設計設備和零件時,必須考慮各部位會受到怎樣的力,必須使形狀能夠承受這些力。即使是在試制或量產所設計的設備或零件前舉行的設計評審中,作用于各部位的力的種類和大小、安全系數等內容也都是重點議論的話題。

 

什么是應力、剛度?

在機械設計中考慮強度時最重要的是“應力”

在考慮強度時最重要的是“應力”。在進行強度計算時,應根據外部作用的力來求得各部位的應力。
應力是在構件內部每1mm2受到的力。例如當結構物的柱不能承受荷載時,不難想象如果將柱子加粗則不易損壞。這是由于通過增加柱子的截面積,每1mm2受到的力減小的緣故。
因此,在設計設備或零件時,應以各部位應力在各自材料的容許應力(可承受的應力)以下的方式確定形狀和尺寸。
與“強度”相近的詞有“剛性”。剛性是表示“變形難易度”的性質。例如雖然鋼絲繩具有懸掛物品的強度,但在通過滑輪之間時或卷到輥筒上等情況下,就會輕易變形。也就是說剛性不強。
另一方面,陶瓷等材料即使受力也幾乎不變形。但與鋼絲繩等相比,卻是一種脆弱、易損壞的材料。也就是說,是剛性強但強度不大的材料。

 

什么是安全系數?

在機械設計中要考慮到安全系數

在設計設備和零件時,設計為“剛好能夠承受”的程度是危險的。例如在使用中會因被從旁邊推擠等一點意外的原因就造成損壞。因此設計時要考慮到安全系數。
安全系數是表示能夠承受到容許力的幾倍的值。例如在最大荷載100kg下使用的臺架,如果按安全系數3考慮,則設計上要能夠承受到300kg。
JIS等根據設備和零件的使用方式和材質對安全系數的大致標準做了規定。例如橋式起重機的鋼絲繩為3.35~5,而必須反復承受激烈荷載的設備的安全系數大致為12。
如果因為想制造堅固的設備或零件而將安全系數提高過大,會造成成本增加。需要參考標準以合理的安全系數進行設計。

 

總結

作用于設備或零件上的力有拉伸力、壓縮力、剪切力三種,作用的力根據構件單位面積(1mm2)上受到的應力來計算、設計。而強度的富余度以安全系數為標準。

 

 

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