零件的强度是设计的基础

在设计设备和零件时，必须考虑零件的强度。提到强度会不自觉地想到“强大”，而在设计中它有明确的定义。这次针对设计中的“强度”进行一下说明。

 

强度设计所需要的力的种类

强度是表示对施加在设备或零件上的力具有多大程度的承受能力。
诚然设备或零件因使用方法不同会受到各种力。在设计时，为了保证不在使用中损坏，具有足够的强度，必须要了解这些力的种类，并考虑要能够承受它们。
施加在设备或零件上的力，可分为如下3种。

• 拉伸力
• 压缩力
• 剪切力

“拉伸力”作用在悬挂升降机的钢丝绳上或冲压机中连接工作台和冲头的轴上等。
“压缩力”是作用在齿轮的齿面或结构物的支柱上的力。
“拉伸力”和“压缩力”容易想象，但“剪切力”这个词稍微有些难懂。
“剪切力”是使向相反方向错动的力。例如将尺子放置在桌子上并使之突出到桌子边缘外，当试图向下按压尺子突出的部分时，尺子会受到来自桌子的向上推力和来自桌子外部的向下按压力。这种情况就是剪切力作用。它是作用在连接两个零件的螺栓或结构物的梁等上的力。
在设计设备和零件时，必须考虑各部位会受到怎样的力，必须使形状能够承受这些力。即使是在试制或量产所设计的设备或零件前举行的设计评审中，作用于各部位的力的种类和大小、安全系数等内容也都是重点议论的话题。

 

什么是应力、刚度？

在考虑强度时最重要的是“应力”。在进行强度计算时，应根据外部作用的力来求得各部位的应力。
应力是在构件内部每1mm²受到的力。例如当结构物的柱不能承受荷载时，不难想象如果将柱子加粗则不易损坏。这是由于通过增加柱子的截面积，每1mm²受到的力减小的缘故。
因此，在设计设备或零件时，应以各部位应力在各自材料的容许应力（可承受的应力）以下的方式确定形状和尺寸。
与“强度”相近的词有“刚性”。刚性是表示“变形难易度”的性质。例如虽然钢丝绳具有悬挂物品的强度，但在通过滑轮之间时或卷到辊筒上等情况下，就会轻易变形。也就是说刚性不强。
另一方面，陶瓷等材料即使受力也几乎不变形。但与钢丝绳等相比，却是一种脆弱、易损坏的材料。也就是说，是刚性强但强度不大的材料。

 

什么是安全系数？

在设计设备和零件时，设计为“刚好能够承受”的程度是危险的。例如在使用中会因被从旁边推挤等一点意外的原因就造成损坏。因此设计时要考虑到安全系数。
安全系数是表示能够承受到容许力的几倍的值。例如在最大荷载100kg下使用的台架，如果按安全系数3考虑，则设计上要能够承受到300kg。
JIS等根据设备和零件的使用方式和材质对安全系数的大致标准做了规定。例如桥式起重机的钢丝绳为3.35～5，而必须反复承受激烈荷载的设备的安全系数大致为12。
如果因为想制造坚固的设备或零件而将安全系数提高过大，会造成成本增加。需要参考标准以合理的安全系数进行设计。

 

总结

作用于设备或零件上的力有拉伸力、压缩力、剪切力三种，作用的力根据构件单位面积（1mm²）上受到的应力来计算、设计。而强度的富余度以安全系数为标准。