Всегда, везде, при любых обстоятельствах конструктор обязан учитывать и обеспечивать такие условия работы, чтобы напряжения в материале деталей не превышали допускаемых.

В качестве допускаемых нельзя назначать предельные напряжения, при которых наступает разрушение материала.

Разница между допускаемыми и предельными напряжениями похожа на разницу между краем платформы метро и «белой линией», проведенной примерно в полуметре от края. Переход через «белую линию» грозит замечанием от дежурного, а стояние на краю – гибелью.

Допускаемые напряжения следует принимать меньше предельных, «с запасом»:  

    ,                                   (1.5)

где σ_lim и τ_lim – предельные напряжения; [ s ] – коэффициент запаса прочности (обычно 1,2 <[ s ]< 2,5). 

В качестве предельного напряжения принимают одну из сле­дующих механических характеристик материала:

предел текучести (физический или условный) – при статическом нагружении детали из пластичного или хрупкопластичного материала;

временное сопротивление – при статическом нагружении детали из хрупкого материала;

предел выносливости – при возникновении в детали напряжений, переменных во времени.

Для деталей машин широко распространены расчеты не по допускае­мым напряжениям, а по коэффициентам запаса прочности. Взамен усло­вия прочности используют тождественные ему условия:

                                (1.6)

где s – действительный (расчетный) коэффициент запаса прочности; σ, τ –расчетные нормальное и касательное напряжения.

В разных обстоятельствах коэффициент запаса прочности может быть либо задан заказчиком, либо выбран из справочных нормативов, либо вычислен с учетом точности определения нагрузок, однородности материала и специфических требований к надежности машин.

Для выбора допускаемых напряжений и коэффициентов запаса прочности в машиностроении принимают следующие два метода:

1. Табличный – допускаемые напряжения и коэффициенты запаса прочности выбирают по специальным таблицам (см., например, табл.1.1). Этот метод менее точен, так как не учитывается ответст­венность детали, точность определения нагрузок и другие важные факторы, но он удобен для практического пользования.

2. Дифференциальный – допускаемое напряжение или допускаемый коэффициент запаса прочности определяют по соответствующей формуле, которая учитывает различные факторы, влияющие на прочность рассчитываемой детали.

Так, например, допускаемый коэффициент запаса прочности определя­ют по формуле:

                                        (1.7)

где [ s ]₁ – коэффициент, отражающий влияние точности определения дей­ствующих на деталь нагрузок, достоверность найденных расчетом внутрен­них сил и моментов и т. д. (при применении достаточно точных методов расчета [ s ]₁ = 1,0–1,5; при менее точных расчетах [ s ]₁ = 2,0–3,0 и более); [ s ]₂ – коэффициент, отражающий однородность материала, чувстви­тельность его к недостаткам механической обработки, отклонения механи­ческих свойств материала от нормативных в результате нарушения техно­логии изготовления детали (для пластичного материала [ s ]₂ = 1,2–2,2; для хрупкопластичного [ s ]₂ = 1,6–2,5; для хрупкого [ s ]₂   = 2,0–6,0); [ s ]₃ – коэффициент, обеспечивающий повышенную надежность особо ответственных и дорогостоящих деталей ([ s ]₃ = 1,0–1,5).

Коэффициент запаса прочности зависит от механических свойств материала: для хрупких материалов коэффициент запаса прочности [ s ] по отношению к пределу прочности (σ _В)  выбирают довольно большим:     [ s ] ≥ 3. Это вызвано тем, что даже однократное превышение σ _В вызывает у хрупких материалов разрушение.

Таблица 1.1. Ориентировочные значения допускаемых коэффициентов запаса прочности [ s ]

Материал	Предел текучести σm	Временное сопротив­ление σв	Предел выносливости σ-1
Пластичные стали (углеродистые и легированные при высокой температуре отпуска)	1,2–1,8	–	1,3–1,5
Высокопрочные стали с пониженными пластическими свойствами (низкой температурой отпуска) и высоко­прочные чугуны	1,5–2,2	2,0–3,5	1,5–1,7
Стальные отливки	1,6–2,5	–	1,7–2,2
Чугуны (серые и модифицированные)	–	3,0–3,5	–
Цветные сплавы (медные, алюминиевые, магние­вые) – кованые и прокатные	1,5–2,0	–	1,5–2,0
Цветные сплавы (литье)	2,0–2,5	2,5–3,0	2,0–2,5
Особо хрупкие материалы (пористые хрупкие отливки, порошковые материалы)	–	3,0–6,0	–
Пластмассы	–	3,0–5,0	–

Примечани я:

1. Меньшие значения [ s ] относят к расчетам с весьма точными параметра­ми нагружения.

2. Для ответственных деталей, выход из строя которых связан с серьезны­ми авариями, табличные значения следует увеличить на 30–50 %.

      Для пластичных материалов коэффициент запаса прочности по отношению к пределу текучести (σ _Т) выбирается минимальным. Для точных расчетов с экспериментальной проверкой объекта [ s ] = 1,2–1,5.

 При расчете на выносливость коэффициент запаса прочности по отношению к пределу выносливости (σ _В), несмотря на опасный характер разрушения, выбирают относительно небольшим: [ s ] = 1,3–2,5. Это вызвано тем, что единичные перегрузки не приводят к разрушениям.

В некоторых случаях (при расчете ответственных деталей) расчеты по номинальным напряжениям могут дополняться или заменяться расчетами по предельным нагрузкам:

F_p ≤ F _разр или σ_p ≤ σ _разр,                                  (1.8)

где F_p и σ _Р – расчетные нагрузка и напряжение, определяемые по формулам

F_p = F _э ∙ f  или σ_p = σ _э ∙ f.                                  (1.9)

Здесь F _Э и σ _Э – эксплуатационные нагрузка и напряжение; f – коэффициент безопасности согласно нормам прочности (для летательных аппаратов f   = 1,3–2,0).

Величины разрушающей нагрузки F _разр обычно получают экспериментальным путем либо рассчитывают при минимальном запасе прочности:

F _разр = σ _В ∙ S _раб ∙ K,                                             (1.10)

где S _раб – площадь рабочего сечения; К – коэффициент ослабления сечения, для летательных аппаратов, например, К = 0,85–0,95.

На практике применяют как дифференциальный, так и табличный методы.

Выполнение всех видов прочностных расчетов для каждой детали займет очень много времени. Поэтому инженер должен сначала изучить опыт эксплуатации подобных изделий. Это особенно удобно для типовых деталей и машин. Следует обратить внимание на то, какой вид поломок встречается чаще всего. Именно по этому виду поломок (точнее, по вызывающим их напряжениям) следует выполнять предварительный проектировочный расчет. По его результатам строится форма детали, а проверочный расчет выполняется по напряжениям, вызывающим менее опасные дефекты.