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　　Sjf047Sjf047Sjf047Sjf047学时数学时数：：6464（讲课：（讲课：5858实验：实验：66））教材教材：邱宣怀主编：邱宣怀主编《《机械设计机械设计》》（第四版），（第四版），19971997年年77月第4版，高等教育出版社。版，高等教育出版社。讲课内容讲课内容：第：第11～～1818章章实验内容实验内容：：带传动带传动齿轮传动齿轮传动滑动轴承等滑动轴承等成绩成绩：考试（：考试（70%70%）：试题库）：试题库平时（平时（30%30%）：作业、考勤、实验。）：作业、考勤、实验。Sjf047Sjf047《《机械设计机械设计》》各章节主要是从工作原理、承各章节主要是从工作原理、承载能力、构造和维护等方面论述通用机械零件载能力、构造和维护等方面论述通用机械零件的设计问题。其中包括如何合理确定零件的形的设计问题。其中包括如何合理确定零件的形状和尺寸，如何适当选择零件的材料，以及如状和尺寸，如何适当选择零件的材料，以及如何使零件具有良好的工艺性等。何使零件具有良好的工艺性等。本篇本篇扼要阐明扼要阐明机械零件设计计算的机械零件设计计算的共同性共同性问题。问题。包括包括：：零件的失效形式、设计准则、设计方法和步骤零件的失效形式、设计准则、设计方法和步骤零件的各种强度计算零件的各种强度计算零件的常用材料和工艺性零件的常用材料和工艺性摩擦、摩损和润滑摩擦、摩损和润滑公差与配合等公差与配合等Sjf047Sjf047Sjf047Sjf0471111课程性质和任务课程性质和任务一、本课程的研究对象一、本课程的研究对象机器机器（（机械机械）机械系统机械系统、、液压气动系统液压气动系统、、控制监测系统控制监测系统、、电气系统电气系统机械零件：标准零件机械零件：标准零件非标准件非标准件专用零件专用零件标准标准件件易损件易损件本课程的研究对象：一般参数的通用零件的本课程的研究对象：一般参数的通用零件的设计理论与方法设计理论与方法本课程的设计性本课程的设计性、、综合性和实践性都较强综合性和实践性都较强。。Sjf047Sjf047二、本课程的任务二、本课程的任务11树立正确的设计思想树立正确的设计思想22掌握通用机械零部件的设计原理掌握通用机械零部件的设计原理、、方法和一般规律方法和一般规律33掌握一定的设计技能掌握一定的设计技能查阅资料查阅资料，，运用标准运用标准、、规范规范44掌握典型机械零件的实验方法掌握典型机械零件的实验方法,,获得基本的实验技能获得基本的实验技能55了解机械设计的最新动态了解机械设计的最新动态。。三、学习本课程的注意事项三、学习本课程的注意事项11注意理论联系实际注意理论联系实际，，将机械零件的设计放到整个机将机械零件的设计放到整个机械系统中加以考虑械系统中加以考虑。。22注意掌握零部件的共性注意掌握零部件的共性掌握机械零部件设计的一般思路掌握机械零部件设计的一般思路Sjf047Sjf0471212设计机器的基本原则和设计程序设计机器的基本原则和设计程序一、机械设计的基本要求一、机械设计的基本要求11、、对机械设计的要求对机械设计的要求对机器使用功能方面的要求对机器使用功能方面的要求对机器经济性的要求对机器经济性的要求22、、对机械零件设计的基本要求对机械零件设计的基本要求在预定工作期限内正常在预定工作期限内正常、、可靠地工作可靠地工作，，保证机器的各种功能保证机器的各种功能要尽量降低零件的生产、制造成本要尽量降低零件的生产、制造成本Sjf047Sjf047二、设计方法二、设计方法内插式（如类比设计、相似设计）内插式（如类比设计、相似设计）外推式（技改型）外推式（技改型）开发式（创新设计）开发式（创新设计）三、设计程序三、设计程序调调研研试制试制投产投产四、技术经济评价四、技术经济评价技术技术经济经济分数法分数法模糊评价模糊评价技术经济法等技术经济法等Sjf047Sjf047市场调市场调可行性可行性市场调市场调可行性可行性研究研究原理原理方案方案设计设计原理原理方案方案设计设计设设计计试制试制试验试验试制试制试验试验小批生小批生产试销产试销小批生小批生产试销产试销定定出出最最佳佳方方装配图、装配图、零件图、零件图、技术文技术文改改进进考核考核工艺工艺Sjf047Sjf0471313机械零件设计概述机械零件设计概述一、设计机械零件时应满足的要求一、设计机械零件时应满足的要求机械零件的设计，同样要求工作可靠，成本低廉。机械零件的设计，同样要求工作可靠，成本低廉。二、机械零件设计类型和步骤机械零件设计类型和步骤三、标准化、系列化、通用化三、标准化、系列化、通用化标准化是指以制订标准和贯彻标准为主要内容的标准化是指以制订标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过程。其原则是统一、简化、协调、优化。全部活动过程。其原则是统一、简化、协调、优化。标准化有利于实行专业化大生产，提高产品质量，标准化有利于实行专业化大生产，提高产品质量，降低成本；减少设计工作量；减少库存量和便于维护降低成本；减少设计工作量；减少库存量和便于维护维修。我国的标准分为维修。我国的标准分为国家标准国家标准、、行业标准行业标准、、地方标地方标准准和和企业标准企业标准四级。四级。Sjf047Sjf047二、机械零件设计类型和步骤二、机械零件设计类型和步骤拟定零件的计算简图拟定零件的计算简图确定作用在零件上的载荷确定作用在零件上的载荷选择合适的材料选择合适的材料确定零件形状和主要尺寸确定零件形状和主要尺寸绘制工作图，标注技术条件绘制工作图，标注技术条件选用相应判定条件选用相应判定条件设计计算法设计计算法校核计算法校核计算法参照实物参照实物图纸图纸和经验数据和经验数据拟定零件的结构和尺寸拟定零件的结构和尺寸验算零件结构和尺寸验算零件结构和尺寸验算，修改零件验算，修改零件选用相应判定条件选用相应判定条件Sjf047Sjf047结构设计：工艺造型特色风俗设计的检查：在线;事前的设计人员素质：责任心法律道德观念创新进取机械设计的新发展1、设计理论的不断完善与发展2、设计手段和方法的不断更新3、机械设计的综合程度越来越高，与其它学科交叉越来越广泛和深入——机电一体化4、机械设计的实验研究技术有了很大的发展和提高，实验与理论相互促进Sjf047Sjf047 现代设计方法学 计算机辅助设计技术 优良性能设计 并行设计 有限元法 可靠性设计 系统设计 优化设计 安全设计 功能设计 快速原型 动态分析与设计 模块化设计 计算机辅助设计 CADCAECAMCAPP 防断裂设计 价值工程 疲劳设计 质量功能配置 系统建模与仿真 减摩耐磨设计 绿色设计 虚拟设计 健壮设计 模糊设计 智能CAD和概念设计 耐环境设计 创新设计 工程数据库 维修性设计和维修保障设计 面向对象设计 异地设计 测试性设计 工业造型设计 快速响应设计 人机工程设计 附：现代设计技术的类型 附：现代设计技术的类型 Sjf 047 Sjf 047 22 基本概念 基本概念 失效 失效: 机械零件由于某种原因不能正常工作的状机械零件由于某种原因不能正常工作的状 零件的零件的失效形式 失效形式有：断裂或塑性变形；过大的 有：断裂或塑性变形；过大的 弹性变形；工作表面的过度磨损或损伤 弹性变形；工作表面的过度磨损或损伤; 共振共振; 联接松弛联接松弛; 摩擦传动的打滑等。失效形式可归纳摩擦传动的打滑等。失效形式可归纳 为：强度、刚度、耐磨性、稳定性强度、刚度、耐磨性、稳定性和和温度 温度的影 响等问题。响等问题。 Sjf 047 Sjf 047 工作能力 工作能力: 在不发生失效的条件下在不发生失效的条件下, 零件所能零件所能 安全工作的限度。 安全工作的限度。 承载能力 承载能力: 机械零件在不发生失效时能承受的机械零件在不发生失效时能承受的 最大载荷。 最大载荷。 工作能力计算准则：防止失效而制定的判定条 工作能力计算准则：防止失效而制定的判定条 强度条件：应力强度条件：应力许用应力 许用应力 刚度条件：变形量 刚度条件：变形量许用变形量 许用变形量 计算量 计算量许用量 许用量 Sjf 047 Sjf 047 21 21 载荷和应力分类 载荷和应力分类 名义载荷 名义载荷 名义应力 名义应力：在理想的平稳工作条件下 ：在理想的平稳工作条件下 作用在零件上的载荷 作用在零件上的载荷 当载荷为名义载荷时计算 当载荷为名义载荷时计算 出的应力 出的应力。。 计算载荷 计算载荷 计算应力 计算应力：实际载荷 ：实际载荷 按计算载荷求 按计算载荷求 得的应力 得的应力。。 载荷系数 载荷系数 应力系数 应力系数 ：实际计算载荷：实际计算载荷 应力 应力与名 义载荷义载荷 应力 应力的比值。它考虑的是机械工作时， 的比值。它考虑的是机械工作时， 零件受到的各种附加载荷 零件受到的各种附加载荷 应力 应力 计算载荷计算载荷＝＝名义载荷 名义载荷载荷系数 载荷系数 计算应力＝名义应力应力系数 Sjf 047 Sjf 047 载荷分类 静载荷 变载荷 周期性变载荷 非周期性变载荷 应力分类 静应力 变应力 对称循环变应力 -1脉动循环变应力 静载荷静应力 变载荷 变应力 Sjf 047 Sjf 047 按随时间变化情况分 按随时间变化情况分 静应力：不随时间变化的应力 静应力：不随时间变化的应力 变应力：随时间变化的应力。当应力是周期性 变应力：随时间变化的应力。当应力是周期性 变化时，称为 变化时，称为循环变应力 循环变应力。。 应力 应力 应力的参数（ 应力的参数（σσ maxmax minmin 平均应力：平均应力： 应力幅： 应力幅： 循环特性： 循环特性： maxmax minmin 22 maxmax minmin 22 minmin maxmax 表示应变力中应呼变化的情况 表示应变力中应呼变化的情况 maxmax minmin 静应力静应力r 一般循环一般循环 变应力 变应力 对称循环变应力 对称循环变应力 maxmax minmin maxmax minmin 脉动循环变脉动循环变 应力 应力r Sjf047 Sjf 047 一对齿轮作单向传动时，轮齿的弯曲应力一对齿轮作单向传动时，轮齿的弯曲应力 是是脉功循环变应力 脉功循环变应力。。 单侧受载时轮齿弯曲应力的循环特性 单侧受载时轮齿弯曲应力的循环特性 Sjf 047 Sjf 047 22 机械零件的强度 强度判定条件 强度判定条件 limlim SS limlim SS [[σσ]]和和[τ][τ]为许用正应力和许用剪应力，取决于 为许用正应力和许用剪应力，取决于 应力的种类、零件材料的极限应力和安全系数 应力的种类、零件材料的极限应力和安全系数 limlim 和和ττ lim lim 为极限正应力和极限剪应力。在简 为极限正应力和极限剪应力。在简 单应力状态下用实验测得；复杂应力下的情况 单应力状态下用实验测得；复杂应力下的情况 在后面讨论。 在后面讨论。 SS: 安全系数安全系数 Sjf 047 Sjf 047 limlim 二、静应力强度强度强度塑性变形或断裂 塑性变形或断裂 1、单向应力时的塑性材料零件 2、复合应力时的塑性材料零件 3、允许少量塑性变形的零件 4、脆性材料和低塑性材料的零件 三、变应力强度失效形式 失效形式::疲劳断裂 疲劳断裂极限应力 极限应力::疲劳极限 疲劳极限 一、两种判断零件强度的方法1、许用应力法 2、安全系数法 危险截面处 limlim limlim rNSjf 047 Sjf 047 四、许用安全系数 四、许用安全系数 应力状况 应力状况 材料性质 材料性质 发全系数 发全系数 静应力 静应力 塑性材料 塑性材料 SS=12~25 =12~25 脆性材料 脆性材料 SS=3~4 变应力变应力 材料均匀 材料均匀 SS=13~17 =13~17 材料不均匀 材料不均匀 SS=17~25 =17~25 部分系数法 部分系数法：：SS= SS11 SS22 SS33 SS 11 ：考虑载荷及应力计算的 ：考虑载荷及应力计算的准确性 准确性 SS ：考虑材料的力学性能的：考虑材料的力学性能的均匀性 均匀性 SS ：考虑零件的：考虑零件的重要性 重要性 P15 P15表表22--22列举了一些最小许用安全系数。 列举了一些最小许用安全系数。 Sjf 047 Sjf 047 五、提高机械零件强度的措施 五、提高机械零件强度的措施 1、合理布置零件，减少所受载荷； 2、降低载荷集中，均匀载荷分布； Sjf 047 Sjf 047 3、采用等强度结构 4、选用合理截面 5、减小应力集中； Sjf 047 Sjf 047 23 机械零件的表面强度 表面接触强度 表面挤压强度 表面磨损强度 一、表面接触 强度 接触应力： 两点、线接触 两点、线接触 在接触处产生在接触处产生 的局部应力。 的局部应力。 P18例2-1 例2-2 Sjf 047 Sjf 047 二、提高表面接触强度的主要措施 1、增加接触表面的综合曲率半径，降低接触应力 2、将外接触改为内接触 3、将点接触改为线、提高接触表面的加工质量 6、采用粘度较高的润滑油 三、表面挤压强度 挤压应力：通过局部配合面间的接触来传递载 荷的零件，在接触面上的压应力。 const const Sjf047 Sjf 047 四、表面磨损强度 低速、重载时 高速、重载时 五五、、提高表面磨损强度的主要措施 提高表面磨损强度的主要措施 选用摩擦副材料； 提高表面硬度； 降低表面粗糙度； 采用有效的润滑剂和润滑方法； 表面镀层、氧化处理； 改善工作条件；防尘、降温； pvpv Sjf047 Sjf 047 26~8 26~8 振动、温度和可靠性 振动、温度和可靠性 一、振动和噪声准则 一、振动和噪声准则 二、热平衡准则 二、热平衡准则 三、可靠性准则 三、可靠性准则：系统、机器或零件在规定的条件下 ：系统、机器或零件在规定的条件下 和规定的时间内完成规定功能的能力。 和规定的时间内完成规定功能的能力。 RR tt ：可靠度 ：可靠度—— ——表示零件在规定的条件下和规定的时 表示零件在规定的条件下和规定的时 间内完成规定功能的概率 间内完成规定功能的概率 NN个相同零件在同样条件下同时工作，在规定的时间 个相同零件在同样条件下同时工作，在规定的时间 内有 内有N 个失效，剩下个失效，剩下NN tt 个仍继续工作，则 个仍继续工作，则 不可靠度 不可靠度失效概率 失效概率：： nn个零件组成的 个零件组成的串联系统 串联系统，单个零件的可靠度 ，单个零件的可靠度::RR 11 RR22 、、……RR nn ，则系统的可靠度为 ，则系统的可靠度为RR ff ==RR 11 RR 22 RRnn Sjf047 Sjf 047 33 变应力下 变应力下,, 零件的失效形式是 零件的失效形式是疲劳断裂 疲劳断裂。。作周期性变化 作周期性变化 的接触应力使零件产生 的接触应力使零件产生疲劳点蚀 疲劳点蚀。。它是齿轮 它是齿轮、、滚动轴承等 滚动轴承等 零件的主要失效形式 零件的主要失效形式。。 疲劳强度计算类型： 疲劳强度计算类型： 安全 安全--寿命设计 寿命设计准则：在规定的工作期间内， 则：在规定的工作期间内，不允许零 不允许零 件出现疲劳裂纹 件出现疲劳裂纹。一般按σσ--NN曲线进行有限寿命和无限寿命 疲劳计算，或按 --NN曲线进行低周循环疲劳计算。破损 破损--安全设计 安全设计准则：允许零件存在裂纹并缓慢扩展， ：允许零件存在裂纹并缓慢扩展， 但须保证在规定的工作周期内，仍能安全可靠地工作。通 但须保证在规定的工作周期内，仍能安全可靠地工作。通 常常dddN dN--KK按曲线进行疲劳裂纹寿命计算。 按曲线进行疲劳裂纹寿命计算。 Sjf 047 Sjf 047 31 疲劳断裂特征 疲劳断裂是损伤的积累 疲劳断裂是损伤的积累，，是裂纹扩展到一定程度 是裂纹扩展到一定程度 后的突然断裂 后的突然断裂，，通常由表面光滑的疲劳发展区和粗糙 的脆性断裂区组成。它与应力循环次数 它与应力循环次数即使用期限或 即使用期限或 寿命 寿命 密切相关 密切相关。。疲劳源裂纹扩展断裂 一一、表面无缺陷的金属材料 表面无缺陷的金属材料 第一阶段 第一阶段 零件表面应力较大处的材料发生剪切 滑移，产生初始裂纹，形成疲劳源； ，产生初始裂纹，形成疲劳源； 第二阶段 第二阶段 裂纹尖端在切应力下发生反复塑性变 形，使裂纹扩展直至发生疲劳断裂。 二二、表面有缺陷的金属材料 表面有缺陷的金属材料 只有第二阶段，裂纹尖端在切应力下发生反复 塑性变形，使裂纹扩展直至发生疲劳断裂。 Sjf 047 Sjf 047 32 32 疲劳曲线和疲劳极限应力图 疲劳曲线和疲劳极限应力图 一、疲劳曲线 一、疲劳曲线;--NN或或--NN曲线;: 应力循环次数 应力循环次数N 横坐标横坐标 与疲劳极限 与疲劳极限σσ或或 纵坐标纵坐标之间的关系曲线;浴盆曲线;。。 循环基数 循环基数NN 00 疲劳曲线趋于水平时的循环次数。通疲劳曲线趋于水平时的循环次数。通 常认为此基数为：在“无限次”循环时试件不会断裂。 常认为此基数为：在“无限次”循环时试件不会断裂。 疲劳极限 疲劳极限 rN rN rNrN ：在循环特性 ：在循环特性rr下的变应力，经 下的变应力，经 过过NN次循环后，材料不发生破坏的应力最大值 次循环后，材料不发生破坏的应力最大值。。NN 00 点点 的极限应力用 的极限应力用σσ rr rr表示。如 表示。如σσ --11 表示材料在 表示材料在对称循环 对称循环 变应力 变应力下的 下的弯曲疲劳极限 弯曲疲劳极限。。 Sjf 047 Sjf 047 二、区域划分（ 二、区域划分（以以双对数坐标的疲劳曲线为例） 有限寿命区 有限寿命区NN 低周循环疲劳低周循环疲劳: 1010 1010 44 ，疲劳 ，疲劳 极限较高，接近屈服 极限较高，接近屈服 极限，疲劳极限基本 极限，疲劳极限基本 与循环次数无关。 与循环次数无关。 高周循环疲劳 高周循环疲劳:: 10 10 33 10 10 44 NNNN 00 时时,, 疲劳极限随循环次数 疲劳极限随循环次数 的的增加 增加而而降低 降低。 无限寿命区无限寿命区NNNN 00 疲劳曲线为水平疲劳曲线为水平 线。有色金属和高强 线。有色金属和高强 度合金钢无此区域。 度合金钢无此区域。 Sjf047 Sjf 047 三、应力强度计算 三、应力强度计算 当当NN 10 10 33 10 10 44 次次低周循环疲劳状态 低周循环疲劳状态时时，一般可按静 ，一般可按静 应力强度计算，只在重要场合按低周循环疲劳设计； 应力强度计算，只在重要场合按低周循环疲劳设计； 有限寿命区 有限寿命区10 10 33 10 10 44 NNNN 00 高周循环疲劳状态 高周循环疲劳状态时时, 疲劳疲劳 曲线可表示为 曲线可表示为: rNrN mm rrmm NN 00 rNrN mm rrmm NN 00 故对应于循环次数故对应于循环次数NN的疲劳极限为： 的疲劳极限为： rNrN rNrN rr循环基数 循环基数NN 00 材料性质不同，材料性质不同，NN 00 不同。钢的硬度 不同。钢的硬度强强 度度愈高， 愈高，NN 00 愈大。通常金属材料的疲劳极限是在 愈大。通常金属材料的疲劳极限是在10 10 66 百万 百万 转或1010 77 循环次数下试验得来的。 循环次数下试验得来的。 mm mm mm CC、、C’: 试验常数。试验常数。mm: 随随材料和材料和应力 应力 状态而定的幂指数，弯曲应力时 状态而定的幂指数，弯曲应力时mm=9 接触应力时接触应力时mm=6 8青铜青铜 寿命系数寿命系数kk NN Sjf047 Sjf 047 P39 P39例例31 31 已知 已知45 45钢的 --11==300 300MPa NN00 ==10 10 77 用双对数坐标绘出该材料的疲劳曲线图。用双对数坐标绘出该材料的疲劳曲线图。 解解：：在双对数坐标上取一点 在双对数坐标上取一点BB，其坐标为 ，其坐标为 lgN lgN 00 ==lg lg10 10 77 lg lgσσ --11 ==lg lg300 300 过BB作斜率等于作斜率等于--19 19的直线，即为所求的疲劳曲线。 的直线，即为所求的疲劳曲线 二二、疲劳极限应力图 疲劳极限应力图 材料在相同循环次数和不同循环特性下有不同的疲 劳极限，其变化用疲劳极限应力图σσ mm aa坐标表示。 呈直线;近似呈抛物线; rr的经验值 的经验值 见见P41 P41表表32 32 Sjf 047 Sjf 047 对称循环 对称循环应力的许用值： 应力的许用值：[[σσ --11 SS脉动循环 脉动循环应力的许用值： 应力的许用值：[[σσ 00 SS通常设计时 通常设计时, 用“有限寿命”代替“无限寿命”下用“有限寿命”代替“无限寿命”下 零件的许用应力，以便使用较大的许用应力 零件的许用应力，以便使用较大的许用应力[[σσ --1N 1N 而减小零件的体积和重量。而减小零件的体积和重量。[[σσ --1N 1N SS33 33 影响机械零件疲劳强度的主要因数 影响机械零件疲劳强度的主要因数 变应力下，许用应力取材料的疲劳极限作为极限应力， 变应力下，许用应力取材料的疲劳极限作为极限应力， 同时还应考虑零件的截面突变 同时还应考虑零件的截面突变应力集中系数 应力集中系数kk 、绝对尺、绝对尺 寸寸尺寸系数 尺寸系数εε 和表面状态和表面状态 表面状态系数 表面状态系数ββ 、环境介质、、环境介质、 加载顺序和频率等影响。影响因素中最重要的是 加载顺序和频率等影响。影响因素中最重要的是:: mm 一、应力集中的影响 一、应力集中的影响kk 二、尺寸的影响二、尺寸的影响εε 三、表面状态的影响三、表面状态的影响ββ 四、综合影响系数四、综合影响系数kk Sjf047 Sjf 047 一、应力集中的影响 一、应力集中的影响应力集中系数 应力集中系数kk 考虑零件几何形状的理论应力集中系数考虑零件几何形状的理论应力集中系数 qq::考虑材料对应力集中感受程度的敏感系数 考虑材料对应力集中感受程度的敏感系数 减缓尺寸突变、增大过渡圆角、增加卸载结构等可 减缓尺寸突变、增大过渡圆角、增加卸载结构等可 降低 降低 ，从而降低应力集中，提高零件疲劳强度。，从而降低应力集中，提高零件疲劳强度。 强度极限愈高，钢敏感系数 强度极限愈高，钢敏感系数qq愈大，应力集中愈大。 愈大，应力集中愈大。 铸铁零件外形引起的应力集中运低于内部组织的应 铸铁零件外形引起的应力集中运低于内部组织的应 力集中，故取 力集中，故取qq=1 =1；；kk 二、尺寸的影响二、尺寸的影响尺寸系数 尺寸系数εε 尺寸愈大，对零件疲劳强度的不良影响愈显著。尺寸愈大，对零件疲劳强度的不良影响愈显著。 Sjf 047 Sjf 047 三、表面状态的影响 三、表面状态的影响表面状态系数 表面状态系数ββ =06=06 +04+04 铸铁加工后表面状态系数可取 铸铁加工后表面状态系数可取ββ 钢的强度极限愈高，表面愈粗糙，表面状态系数愈钢的强度极限愈高，表面愈粗糙，表面状态系数愈 低。故高强度合金钢材料要求有较高的表面加工质量 低。故高强度合金钢材料要求有较高的表面加工质量 以便更好地提高其疲劳强度 以便更好地提高其疲劳强度。。 用热处理工艺 用热处理工艺如淬火、渗氮、渗碳等 如淬火、渗氮、渗碳等和冷作工艺 和冷作工艺抛光、 抛光、 喷丸、滚压 喷丸、滚压提高表面强度和产生残余 提高表面强度和产生残余压压应力 应力残余 残余拉拉应力 应力 或腐蚀将 或腐蚀将降低 降低疲劳强度 疲劳强度，改善表面状态。 ，改善表面状态。 四、综合影响系数 四、综合影响系数kk 试验证明：综合影响系数试验证明：综合影响系数kk DD只对 只对σσ aa 有影响，对 有影响，对σσ mm 无明显影响。在计算时，零件的工作应力幅要乘以 无明显影响。在计算时，零件的工作应力幅要乘以 kk DD，或材料的权限应力幅要除以 ，或材料的权限应力幅要除以kk Sjf047 Sjf 047 34 许用疲劳极限应力图 许用疲劳极限应力图 一、稳定变应力和非稳定变应力 一、稳定变应力和非稳定变应力 稳定变应力 稳定变应力：在每次循环中，平均应力 ：在每次循环中，平均应力 mm 应力幅 应力幅 aa 和周期都不随时间 和周期都不随时间tt变化的变应力。 变化的变应力。 非稳定变应力 非稳定变应力： aa和和TT中至少有一个随时间变 中至少有一个随时间变 化的变应力。它可分为 化的变应力。它可分为周期性 周期性和和随机性 随机性非稳定变应力 非稳定变应力 两类。 两类。 Sjf 047 Sjf 047 二、许用疲劳极限应力图 二、许用疲劳极限应力图 综合影响系数 综合影响系数kk DD只对极限应力幅有影响，寿命 只对极限应力幅有影响，寿命 系数 系数k NN对极限平均应力和权限应力幅均有影响。工作 对极限平均应力和权限应力幅均有影响。工作 应力点 应力点C aa必须落在 必须落在OA’B’E’SO OA’B’E’SO区域 区域称为安全 称为安全 区区内。 Sjf047 Sjf 047 三、工作应力增长规律 三、工作应力增长规律 工作应力增长规律主要有以下三种： 工作应力增长规律主要有以下三种： rr==min min maxmax ==const const, 如转抽的弯曲应力。属简单加载。如转抽的弯曲应力。属简单加载。 mm==const const, 如车辆减振弹簧。为复杂加载。如车辆减振弹簧。为复杂加载。 minmin ==const const 如气缸盖的螺栓联接。为复杂加载。如气缸盖的螺栓联接。为复杂加载。 minmin ==const const mm==const const rr==const const Sjf 047 Sjf 047 35 35 稳定变应力时安全系数的计算 稳定变应力时安全系数的计算 安全系数法 安全系数法: 判断零件危险截面处的判断零件危险截面处的疲劳强度。 疲劳强度。 校核条件 校核条件：：SS[[SS]]。本节主要介绍简单加载情况， 。本节主要介绍简单加载情况， ==常数时在单向应力状态和复合应力状态时的安全常数时在单向应力状态和复合应力状态时的安全 系数计算。其计算简图如下： 系数计算。其计算简图如下： 一、单向应力状态时的安全系数 当工作应力增长过程符合 当工作应力增长过程符合rr==const const的规律，则 的规律，则 ==constconst时时安全系数 安全系数计算简图 计算简图 常数 maxmin 此时 应按同一比例增长 Sjf 047 Sjf 047 安全系数的计算方法 安全系数的计算方法：图解法 ：图解法和和解析法。 解析法。 11、图解法 、图解法 当工作应力点在 当工作应力点在OA’E’O OA’E’O区内，则 区内，则 当工作应力点在当工作应力点在OE’SO OE’SO 区内，则 区内，则 OC OC HC OH GC OG HCGC OCOC MC LC OM OL MC OM LC OL OCOC MC LC OM OL MC OM LC OL ==constconst时时安全系数 安全系数计算简图 计算简图 Sjf 047 Sjf 047 、解析法按应力幅求安全系数在疲劳安全区： 在塑性安全区： 验算 验算疲劳 疲劳强度 强度安全系数 安全系数 验算屈服强度安全系数 验算屈服强度安全系数 可理解可理解 ae ae 和和 ae ae 是由非对称循环变应力折算成的当量对称循环 是由非对称循环变应力折算成的当量对称循环 变应力。 变应力。 平均应力折合为应力幅的等效系数平均应力折合为应力幅的等效系数。。 塑性和低塑性材料 塑性和低塑性材料: 验算疲劳强度和屈服强度安全系数验算疲劳强度和屈服强度安全系数 脆性材料 脆性材料：只验算疲劳强度安全系数 ：只验算疲劳强度安全系数 P49 P49表表33 33给出用解析法求 给出用解析法求 mm ==const const 和和 min min ==const const时的 安全系数计算式。安全系数计算式。 P49 P49例例32 32 等效应力幅等效应力幅 Sjf 047 Sjf 047 二、复合应力状态时的安全系数 11、塑性材料： 、塑性材料： 按第三或第四强度理论计算 按第三或第四强度理论计算疲劳强度和屈服强度安 疲劳强度和屈服强度安 全系数。 全系数。 在疲劳安全区： 在疲劳安全区： 在塑性安全区： 在塑性安全区： 2、低塑性和脆性材料、低塑性和脆性材料: 计算弯扭复合应力疲劳强度安全系数计算弯扭复合应力疲劳强度安全系数 maxmax maxmax Sjf047 Sjf 047 36 36 规律性非稳定变应力时机械零件的疲劳强度 规律性非稳定变应力时机械零件的疲劳强度 一、疲劳损伤积累假说 一、疲劳损伤积累假说 在每一次应力作用下，零件寿命就要受到微量的疲 在每一次应力作用下，零件寿命就要受到微量的疲 劳损伤，当疲劳损伤积累到一定程度达到疲劳寿命极 劳损伤，当疲劳损伤积累到一定程度达到疲劳寿命极 限时便发生疲劳断裂。其总寿命损伤率为： 限时便发生疲劳断裂。其总寿命损伤率为： 常取11达到达到 疲劳寿命极限 疲劳寿命极限 11，，NN 22 NNnn 为应力 为应力 11 nn对应的积累循环次数 对应的积累循环次数；； NN 11 ，，NN22 NNnn 为应力为应力 11 nn对应的材料发生疲劳破坏的极 对应的材料发生疲劳破坏的极 限循环次数 限循环次数。。 可以认为：小于疲劳极限 可以认为：小于疲劳极限 rr 的应力对疲劳寿命无影响 的应力对疲劳寿命无影响 Sjf 047 Sjf 047 二、等效稳定变应力和寿命系数 二、等效稳定变应力和寿命系数 非稳定变应力下零件的疲劳强度计算是先将非稳 非稳定变应力下零件的疲劳强度计算是先将非稳 定变应力折算成单一的与总寿命损伤率相等的稳定 定变应力折算成单一的与总寿命损伤率相等的稳定 变应力 变应力 vv ，然后按稳定变应力进行疲劳强度计算。 ，然后按稳定变应力进行疲劳强度计算。 等效循环次数 等效循环次数为： 等效循环应力对应的疲劳极限等效循环应力对应的疲劳极限为： Sjf047 Sjf 047 三、规律性非稳定变应力时安全系数的计算步骤 三、规律性非稳定变应力时安全系数的计算步骤 取等效应力 取等效应力 vv 非稳定变应力中作用时间最长的非稳定变应力中作用时间最长的 和和或或起主要作用的应力 起主要作用的应力 avav aiai 和和 mv mv mimi 求等效循环次数 求等效循环次数NN vv 求等效循环次数时的寿命系数 求等效循环次数时的寿命系数kk 和疲劳极限和疲劳极限 rv rv 按等效应力计算疲劳强度安全系数 按等效应力计算疲劳强度安全系数 按最大非稳定变应力计算塑性材料屈服强度安 按最大非稳定变应力计算塑性材料屈服强度安 全系数 全系数 P53 P53例例33 P54 33 P54例例34 34 Sjf 047 Sjf 047 37 37 低周循环疲劳概述 低周循环疲劳概述 低周循环疲劳是零件在变应力达到屈服极限和循 低周循环疲劳是零件在变应力达到屈服极限和循 环次数低于 环次数低于10 10 33 10 10 44 时发生的疲劳损坏。 时发生的疲劳损坏。与高周循环 与高周循环 疲劳一样，低周循环疲劳也是由于反复塑性变形造成 疲劳一样，低周循环疲劳也是由于反复塑性变形造成 的。其应变疲劳 的。其应变疲劳 PP --NN曲线及方程如下： 曲线及方程如下： PPNN bb ==CC 低周循环次数；低周循环次数； 循环次数为循环次数为N 塑性应变量；塑性应变量； bb: 与材料有关的常数与材料有关的常数 035~08 035~08 CC: 常数，近似等于静常数，近似等于静 拉伸断裂时的应变量。 拉伸断裂时的应变量。 Sjf 047 Sjf 047 44 利用摩擦 利用摩擦可传递动力 可传递动力如带传动、摩擦无级变速 如带传动、摩擦无级变速 器、摩擦离台器 器、摩擦离台器、制动 、制动如摩控制动器 如摩控制动器或吸收能量 或吸收能量 起缓冲阻尼作用 起缓冲阻尼作用如环形弹簧、多板弹簧 如环形弹簧、多板弹簧。但通常： 。但通常： 机器零件中的摩擦将造成能量损耗、效率降低、温 机器零件中的摩擦将造成能量损耗、效率降低、温 度升高、表面磨损。过度磨损会使机器丧失应有的 度升高、表面磨损。过度磨损会使机器丧失应有的 精度，产生振动和噪声，缩短使用寿命。 精度，产生振动和噪声，缩短使用寿命。润滑 润滑是工 程中降低摩擦降低摩擦和功耗、提高机器效率、减轻磨损的 和功耗、提高机器效率、减轻磨损的 最经济、最有效、最常用的方法。 最经济、最有效、最常用的方法。 Sjf 047 Sjf 047 一、摩擦的种类及其基本性质 一、摩擦的种类及其基本性质 按表面润滑情况，摩擦分为 按表面润滑情况，摩擦分为四种 四种状态： 状态： 干摩擦 干摩擦：：表面无润滑剂，固体表面直接接触产生的 表面无润滑剂，固体表面直接接触产生的 摩擦。此种摩擦中磨损严重。表面有强烈温升，甚至 摩擦。此种摩擦中磨损严重。表面有强烈温升，甚至 会烧毁零件。 会烧毁零件。 边界摩擦 边界摩擦：：在摩擦表面间有厚度小于 在摩擦表面间有厚度小于11mm mm极薄的边 界油膜界油膜, 不足以分开两金属表面不足以分开两金属表面, 故物体相互运动时，故物体相互运动时， 两金属表面微观的高峰部分仍互相磨削。边界油膜可 两金属表面微观的高峰部分仍互相磨削。边界油膜可 减轻磨损。摩擦系数 减轻磨损。摩擦系数f =01~03=01~03。 Sjf047 Sjf 047 液体摩擦 液体摩擦或液体润滑 或液体润滑：两摩擦表面间有充足润 ：两摩擦表面间有充足润 滑油可形成几十微米的压力油膜，将金属表面分开 滑油可形成几十微米的压力油膜，将金属表面分开 ，此时只有液体间的摩擦 ，此时只有液体间的摩擦,,称为液体摩擦。液体摩擦 称为液体摩擦。液体摩擦 摩擦系数很小 摩擦系数很小f =01~03,=01~03,可显著减少摩擦和磨损。 可显著减少摩擦和磨损。 是最理想的状态。 是最理想的状态。 混合摩擦 混合摩擦或或非液休摩擦 非液休摩擦：一般机器中摩擦表面 ：一般机器中摩擦表面 处于干摩擦、边界摩擦和液体摩擦的混合状态下的 处于干摩擦、边界摩擦和液体摩擦的混合状态下的 一种摩擦状况。 一种摩擦状况。 Sjf 047 Sjf 047 摩擦副的摩擦特性曲线 摩擦副的摩擦特性曲线：表示摩擦系数随轴承 ：表示摩擦系数随轴承 特性数的关系曲线。 特性数的关系曲线。 ：：无量纲参数。无量纲参数。 其中： 其中： ：润滑油液体粘度；：润滑油液体粘度； nn：转数； ：转数； pp ：压强 ：压强 Sjf 047 Sjf 047 二二、磨损 、磨损 磨损 磨损：磨擦表面物质不断损失的现象。 ：磨擦表面物质不断损失的现象。 耐磨性 耐磨性：零件抗磨损的能力。 ：零件抗磨损的能力。 在预定使用期限内，零件的磨损量不超过允许值时， 在预定使用期限内，零件的磨损量不超过允许值时， 认为是正常磨损。出现剧烈磨损时．运动副的间隙增 认为是正常磨损。出现剧烈磨损时．运动副的间隙增 大，机械精度丧失，效率下降；振动、冲击和噪声增 大，机械精度丧失，效率下降；振动、冲击和噪声增 大；应立即停车检修、换零件。 大；应立即停车检修、换零件。 机械磨损的主要类型： 机械磨损的主要类型： 磨粒磨损 磨粒磨损粘着磨损 粘着磨损疲劳磨损 疲劳磨损 腐蚀磨损 腐蚀磨损 耐磨计算： 耐磨计算： 限制强度准则： 限制强度准则： pp pp]]当相对速度大时，应校核接触面的发热： 当相对速度大时，应校核接触面的发热：pv pv[ [pv pv]] Sjf 047 Sjf 047 三、润滑剂 三、润滑剂 润滑剂的主要作用 润滑剂的主要作用: 降低摩擦功耗，减少磨降低摩擦功耗，减少磨 损，同时起到冷却、吸振、防锈、传力、除污 损，同时起到冷却、吸振、防锈、传力、除污 和密封等作用。 和密封等作用。 润滑剂的类型有： 润滑剂的类型有： 液体润滑剂：润滑油液体润滑剂：润滑油最常用 最常用 半固体润滑剂：润滑脂半固体润滑剂：润滑脂不易流失 不易流失；； 固体润滑剂等固体润滑剂等 通常在特殊场合下使用 通常在特殊场合下使用。。 Sjf 047 Sjf 047 润滑油 润滑油 性能：性能：粘度 粘度选择润滑油的主要依据，表征了 选择润滑油的主要依据，表征了 液体流动的内摩擦性能 液体流动的内摩擦性能 平行平板 平行平板AB AB间： 间：vv BB vvAA ==vv 液体内部的摩擦切应力： 液体内部的摩擦切应力： 动力动力 粘度 粘度,,ν 运动运动…… dduud dyy: 任一点的速度梯度任一点的速度梯度 温度 温度，，ηη 压力 压力，，η （（当压力当压力10 10MPa MPa时，可忽略影响） 时，可忽略影响） 粘温曲线 润滑油的选用原则：综合考虑速度、载荷和工作润滑油的选用原则：综合考虑速度、载荷和工作 情况。 情况。高温重载选大粘度油 高温重载选大粘度油；；高速小载荷选小粘度油 高速小载荷选小粘度油。。 润滑脂 润滑脂= =润滑油 润滑油++稠化剂 特点特点：密封简单，不易流失，可用于垂直表面。润 ：密封简单，不易流失，可用于垂直表面。润 滑脂摩擦损耗大，机械效率低，受温度等影响不大， 滑脂摩擦损耗大，机械效率低，受温度等影响不大， 不宜用于高速，且润滑脂易变质。 不宜用于高速，且润滑脂易变质。 常用润滑脂 常用润滑脂：钙基润滑脂 ：钙基润滑脂耐水 耐水, 使用温度使用温度60 60 滑脂不耐水不耐水, 使用温度使用温度115 115~145 ~145 。锂基润滑脂 。锂基润滑脂性能优良 性能优良, 耐水，使用温度耐水，使用温度--20 20~150 ~150, 可以代替钙基、钠基润滑脂可以代替钙基、钠基润滑脂。。 固体润滑剂 固体润滑剂 固体润滑剂有：石墨、二硫化钼 固体润滑剂有：石墨、二硫化钼MoS MoS 22 、聚氟乙烯 、聚氟乙烯 树脂等。用于超出润滑油使用范围时。如高温介质中 树脂等。用于超出润滑油使用范围时。如高温介质中 或低速重载条件下。 或低速重载条件下。 Sjf 047 Sjf 047 55 一、机械常用材料机械常用材料 11、黑色金属 、黑色金属 铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁 铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁 铸钢：铸造性比铸铁差，但比锻钢和轧制钢好。 铸钢：铸造性比铸铁差，但比锻钢和轧制钢好。 强度性比铸铁好，但比锻钢和轧制钢差 强度性比铸铁好，但比锻钢和轧制钢差 碳钢与合金钢：应用最广泛 碳钢与合金钢：应用最广泛 22、有色金属 、有色金属 铝合金：重量轻、导热导电性较好、塑性好、抗铝合金：重量轻、导热导电性较好、塑性好、抗 氧化性好，高强度铝合金强度可与碳素钢相近 氧化性好，高强度铝合金强度可与碳素钢相近 铜合金：黄铜：铜合金：黄铜：Cu Cu与与Zn Zn合金 合金 青铜： 青铜：Cu Cu与与Sn Sn的合金 的合金 无锡青铜： 无锡青铜：Cu Cu与铝、硅、锰、镍的合金 Sjf047 Sjf 047 3、、非金属材料非金属材料 塑料：轻 塑料：轻、、易加工成形 易加工成形、、减摩性好 强度低，，可可作为普通机械零件 作为普通机械零件、、绝缘体 绝缘体 陶瓷：电热性好 陶瓷：电热性好，，硬度高 硬度高 橡胶：弹性 橡胶：弹性、 、绝缘性好 绝缘性好，，常用作弹性元件和密封 常用作弹性元件和密封 元件 元件、、减震元件 减震元件 44、、复合材料 复合材料 二二、、机械零件材料选用的原则 机械零件材料选用的原则 11、、使用要求 使用要求 22、、工艺要求： 工艺要求：11 毛坯选择合理 毛坯选择合理 22 结构简单合理 结构简单合理IM ESPORTS IM电竞IM ESPORTS IM电竞