华东理工大学机械设计重点（808考研）-2VIP

第二章 机械零件的强度和设计准则 2件失效：机械零件在工作时出现丧失工作能力或达不到设计要求性能的现象 失效形式： 1、整体断裂 2、过大的弹性变形或残余变形 3、零件表面的破坏 4、不能满足工作条件所导致的失效 2作能力：机械零件不发生失效时的安全工作限度 承载能力：通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称承载能力。 2载荷：不随时间变化、变化缓慢或者变化幅度相对很小的载荷 变载荷：随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷 名义载荷：直接根据额定功率进行计算出来的载荷 计算载荷：引入载荷系数而计算出来的载荷 静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力，它只能由静载荷产生 变应力：随时间变化的应力，变应力可由变载荷产生，也能由静载荷产生 2 静应力： r=1 脉动循环变应力： r=0 对称循环变应力： r=件表面磨损强度的条件性计算： 1、 滑动速度低、载荷较大： 通过限制工作表面的压强限制过度磨损 2、 中速时： V 限制摩擦功耗以免工作温度过高而使润滑失效 3、 高速时： ， 还要限制滑动速度，以免速度过高而加速磨损 提高表面磨损强度措施： 1、 采用合适的摩擦副材料 2、 提高表面硬度，降低表面粗糙度 3、 采用有效地润滑剂和润滑方法 4、 防尘、防高温 2 许用应力：极限应力除以安全系数 极限应力：使材料的应力 应变曲线的应力最高点对应到应力大小 计算应力：根据力学相关知识计算得到的应力 工作应力：零件在工作状态所承受的应力大小 2性材料：断裂，强度极限作为应力极限 塑形材料：塑性变形，屈服极限作为应力极限 2度：零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能 力 2素：弯矩大小、跨度长短、支座条件、梁截面的惯性矩 I、材料的弹性模量 E 措施： 1、通过结构设计提高刚度 2、通过预紧装配提高刚度 不能，因为同类金属的弹性模量相差不大 第三章 机械零件的疲劳设计 3过程： 1、疲劳源的产生 2、裂纹扩展直至断裂 3B：静应力区间， 03 值大约为 104，这时 试件断口发生塑性变形，此种破坏成为应变疲劳，或低周疲劳。 段称为有限寿命阶段，也称 为高周疲劳， 明随 下降，即到无限寿命阶段 有限寿命区和无限寿命区的划分以循环基数 为分界 3力循环基数：在疲劳实验曲线上对应于接触强度极限的应力循环次数。 碳钢： 106107 高硬度合金钢： 10*10725*107 3用条件： 104 N 2）带速加大，离心力增大，使带的疲劳强度下降，同时降低了带和带轮间的正压力，使摩擦下降，导致传动能力下降。一般 v=5s。 3）中心距过小，带的长度过短，在一定速度下，带绕过带轮的次数增加，应力循环次数增加，使带易疲劳破坏；同时，当传动比较大时，中心距过小，会使小轮包角过小，影响传动能力。但中心距过大，使传动尺寸加大，当带速较高时，还易引起颤动。设计时一般要求 2（ 2） a 2 1 120。 4）张紧力不足，则摩擦力小，带传动可能出现打滑；但张紧力过大，则带的寿 命短，轴和轴承受力大。 5）带的根数过多，各带受载荷往往不均匀，通常要限制带的根数不得超过 0 6）当中心距 1一定时，若 使小轮包角显著减小；若使小轮包角不至于过小，势必会使 传动尺寸加大，而且当带速较高时，易引起颤动。故 i ，常用 2 第九章 齿轮传动设计 9齿轮传动的基本要求： 1、 传动准确平稳 2、 承载能力强 9效形式： 1、 齿轮折断： 1 当齿根弯曲应力过大 2 突然过载、冲击载荷等易产生折断。 措施： 1、增大齿根过渡曲线半径 2、降低表面粗糙度值，减轻加工损伤，采用表面强化处理 3、增大轴及轴承的刚度，使接触表面受力均匀 2、 齿面点蚀：在闭式传动中，若接触应力过大 措施： 1、提高齿面硬度和降低表面粗糙值 2、在许用范围内采用大的变位系数和，以增大综合曲率半径 3、采用粘度较高的润滑油 4、减小动载荷 3、 齿面磨粒磨损： 1 表面粗糙的硬齿与较软的轮齿想啮合时，由于相对滑动，软齿 表面易 被划伤而产生齿面磨粒磨损； 2 外界硬屑落入轮齿间 措施： 1、提高齿面硬度 2、降低表面粗糙度值 3、降低滑动系数 4、注意润滑油的清洁和定期更换等 5、采用闭式传动 6、对于开式传动，应特别注意清洁，减小磨粒侵入 4、 齿面胶合：在高速、正在传动中，高温、高压使两接触面熔黏在一起而产生的。 措施： 1、采用角度变位齿轮传动 2、减小模数和齿高以降低滑动速度 3、采用极压润滑油 4、选用抗胶合性能好的齿轮副材料 5、材料相同时，使大、小齿轮保持适当硬度差 6、提高齿面硬度和降低表面粗糙度值等 5、 齿面塑性变形：齿面较软的轮齿在重载情况下产生。 措施：适当齿面硬度，采用粘度较大的润滑油 9算准则： 齿面接触疲劳强度计算，针对齿面点蚀 齿根弯曲疲劳强度计算，针对齿根弯曲疲劳折断 1、 闭式硬齿面：按弯曲疲劳强度和接触疲劳强度设计 2、 闭式软齿面：按接触疲劳强度设计，校核弯曲疲劳强度 3、 开式齿轮：按弯曲疲劳强度设计 （以下为课本阐述：） 1、闭式传动齿轮 主要失效：接触疲劳磨损、弯曲疲劳折断、胶合 设计准则：接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算， 对于高速大功率齿轮传动，还应进行抗胶合计算 有点时过载时，还应进行静强度计算 2、开式齿轮 主要失效：疲劳弯曲折断、磨粒磨损 设计准则：按弯曲疲劳强度设计 有点时过载时，还应进行静强度计算 9轮折断一般起始于轮齿受拉一侧的齿根部分 1、全齿折断：齿宽较小的直齿圆柱齿轮 2、局部折断：齿宽较大的直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮和人字齿轮 疲劳折断： 断口一般分为疲劳扩展区和瞬时折断区。疲劳扩展区的表 面通常较光滑，常可观察到由疲劳源开始的“贝壳纹”状的疲劳扩展迹线。疲劳源及其附近区域，在外观上常呈“眼”状，但有的“眼”在宏观上不明显。瞬时折断区的表面粗糙，参差不齐。 过载折断： 其断口一般较粗糙，没有疲劳折断断口的典型特征。 9蚀原因： 接触应力多次作用后，靠近界限的齿根面处表面层会出现若干微小的裂纹，润滑油被挤进裂纹中产生高压，使裂纹进一步扩展，在载荷作用下最终导致表层金属呈小片状脱落，在零件表面留下微小的凹坑。 润滑油粘度越低，越易渗入裂纹，点蚀扩展越快。 9蚀一般发生于靠近界限附近 的齿根一侧，原因： 在靠近节线附近啮合时，由于相对滑动速度低，难以形成油膜润滑，摩擦力较大，特别对于直齿轮传动，在节线附近只有一对齿啮合，轮齿受力最大，因此点蚀往往从节点处发生，然后向其他区域蔓延。 9面磨损 成因： 1 表面粗糙的硬齿与较软的轮齿想啮合时，由于相对滑动，软齿表面易被划伤而产生齿面磨粒磨损； 2 外界硬屑落入轮齿间 后果：磨损后，正确齿形遭到破坏，齿厚减薄，最后导致轮齿因强度不足而折断。 措施： 1、 提高齿面硬度 2、 减低表面粗糙度值 3、 减低滑动系数 4、 注意润滑油的清洁和定期更换 5、 采用闭式传动 6、 对于开始传动，应特别注意环境清洁，减少磨粒侵入 9性变形 特征：主动轮齿面节线附近出现凹槽；从动轮齿面节线附近出现凸脊 原因：齿面较软的轮齿，重载时可能在摩擦力作用下产生齿面塑性流动，从而破坏正确的齿面啮合。由于在主动轮齿面的节线两侧，齿顶和齿根的摩擦力方向相背，形成凹槽；从动轮相反，出现凸脊 措施：适当提高齿面硬度，采用粘度较大的润滑 9齿面：齿坯 加工外圆和端面 调质或常化 切齿 成品 速度、载荷不大的场合 硬齿面：齿坯 加工外圆和端面 调质或常化 切齿 表面强化热处理 齿面精加工 成品 多用于高速重载，且要求重量轻、结构紧凑的场合 发展趋势：以前传统的看法认为，硬齿面因工艺过程复杂，成本较高，价格较贵。随着制造水平的提高，硬齿面齿轮的制造成本大大减低，所以采用硬齿面齿轮是发展的趋势。 9齿轮的应力循环次数多，工作情况恶劣，齿面宜硬些，这样可使两齿轮的齿面接触疲劳强 度较为接近。 9响齿轮传动效率因素： 1、 啮合中的摩擦损失 2、 润滑油被搅动的油阻损失 3、 轴承中的摩擦损失 措施： 9、在实际传动中，由于原动机及工作机性能的影响，以及齿轮的制造误差，会使法向载荷增大； 2、在同时啮合的齿对间，载荷的分配并不是均匀的； 3、即使在一对齿上，载荷也不可能沿接触线均匀分布。 因此实际载荷比名义载荷大，用载荷系数 9性系数 来反映弹性模量和泊松比对接触应力的影响 9点区域系数 以考虑节点处齿廓曲率对接触应力的影响 9形系数 取决于轮齿的形状，而与模数大小无关。 9对齿轮传动，其大小齿轮的接触应力相等，接触强度不等。 当许用接触应力相等时，接触强度相等。 补： 齿面接触强度：指齿面承受接触应力、抵抗接触表面破坏的一种能力。 齿面接触强度计算：主要是验证齿面实际的接触应力是否小于许用的接触应力，若小于就满足接触强度要求；若大于就可能引起齿面的破坏，如点蚀。 齿面的接触应力：指实际工况下计算出来的、单位面积的接触力。 接触许用应力：指根据不同的齿轮工况的应用经验，为保证不发生齿面接触破坏而机械行业规定的、单位面积的接触力，该应力值大于引起齿面破坏的极限接触应力。 9对齿轮传动，其大小齿轮的抗弯应力不等 当抗弯强度相等，许用抗弯应力相等时，抗弯强度相等。 9齿面闭式传动：传动尺寸主要取决于解除疲劳强度，在传动尺寸不变并满足弯曲疲劳强度要求的前提下，齿数宜取多些（模数相应减小） 硬齿面闭式传动：传动尺寸取决于轮齿弯曲疲劳强度，故齿数不宜过多 开式传动：尺寸取决于轮齿弯曲疲劳强度，齿数不宜多 9保持齿轮传动中心距不变，齿数多，必然造成模数小。 接触应力取决于直径（或中心距）。因此，只要中心距不变，模数和齿数的改变不影响接触 应力的大小； 在保持齿宽一定的前提下，弯曲强度只与模数有关，故选择模数主要考虑的是保持足够的弯 曲强度。 一般在保证弯曲强度的条件下，尽可能选择小的模数。模数小，齿数多，则重合度大，传动 平稳性好，还可降低齿高，减小齿面相对滑动速度，不易产生齿面胶合。但模数小的齿轮加 工精度要求相对高些。 模数小不耐磨损，对于开式传动，模数要取大些。 为什么轮齿的弯曲疲劳裂纹首先发生在齿根受拉伸一侧？ （ 1）齿根弯曲疲劳强度计算时，将轮齿视为悬臂梁，受载荷后齿根处产生的弯曲应力最大。 （ 2）齿根过渡圆角处尺寸发生急剧变化，又由于沿齿宽方向留下加工刀痕产生应力集中。 （ 3）在反复变应力的作用下，由于齿轮材料对拉应力敏感，故疲劳裂纹首先发生在齿根受 拉伸一侧。 一对标准直齿圆柱齿轮传动，当传动比 i=2时，试问： （ 1）哪一个齿轮所受的弯曲应力大？为什么？ （ 2）若大、小齿轮的材料、热处理硬度均相同，小齿轮的应力循环次数061 10 ，则它们的许用弯曲应力是否相等？为什么？ （ 1）因 一般2211 ，故 21 ，即小齿轮的齿根弯曲应力大。 （ 2）两齿轮硬度相同，即试验齿轮的弯曲疲劳极限 2F 。但由于工作循环次数 2及齿轮的寿命系数 承：疲劳点蚀，应进行疲劳寿命计算 2、 极慢转速（ n10r/低速摆动：表面塑性变形，应按静强度计算 3、 高速轴承：由发热引起的磨损、烧伤，故疲劳寿命计算和极限转速校验 14定寿命：指一组在相同条件下运转的滚动轴承， 10%的轴承发生点蚀破坏而 90%的轴承未发生点蚀破坏前的转数或在一定转速下的工作小时数，以 位为 106r）或位为 h）表示 基本额定动载荷：滚动轴承在基本额定寿命等于 106当量载荷：是由轴承实际所受载荷转换得到的与基本额定动载荷 它的作用下，滚动轴承具有与实际载荷作用时相同的寿命 当量载荷计算： 、 分别为轴承承受的径向载荷和轴向载荷； X 、 Y 分别为轴承的径向与轴向动载荷系数 f p 载荷系数 14转套圈应选较紧配合，不回转套圈宜选择较松配合 14紧原因： 1、 消除轴向游隙 2、 提高轴承的旋转精度和支承刚度 预紧方法： 1、 在两轴承的内圈或外圈之间放置垫片或者磨薄一对轴承的内圈或外圈 2、 在一对轴承的内、外圈 间装入长度不等的套筒 14择相同型号的轴承，则支承同一根轴上两个轴承的轴承座孔孔径相同，以便加工时一次将其镗出，保证两孔的同轴度。 如果一根轴上装有不同尺寸的轴承，可用组合镗刀一次镗出两个尺寸不同的座孔，用钢制套杯结构来安装外径较小的轴承。 14、 两端固定：工作温度较低和支承跨度较小的刚性轴的支承 2、 一端固定，一端游动：支承宽度较长，工作温度高 3、两端游动：常用于人字齿轮传动中 课本 )p r aP f X F Y F=+1、滚子轴承比球轴承承载能力大，适用于载荷较大或有冲击的场合；球轴承适用于载荷较小、振动和冲击较小的场合 2、球轴承比棍子轴承具有较高的极限转速和旋转精度，高速时应优先选用球轴承 3、圆柱滚子轴承在偏斜状态下的承载能力可能低于球轴承 4、球轴承比滚子轴承价格低 一般而言，球轴承：高速，平稳低载；棍子轴承：载荷较大或有冲击 额定寿命期内，一个轴承会发生失效，因为这是一个概率问题 触角：滚动体与外圈接触处的发线与轴承径向平面的夹角 接触角的大小反映了轴承承受轴向载荷能力的大小 14接触球轴承和圆锥滚子轴承会产生派生轴向力 对于实际工作的相信推力轴承，为保证它可靠地工作，至少应使下半圈的滚动体受载，所以规定约有半数滚动体接触的条件下计算派生轴向力 14当加以轴向力后，相当于轴承的预紧，消除轴承的轴向间隙，并在滚动体与内、外圈滚道接触处产生弹性预变形，以提高轴承的旋转精度和支承刚度，见笑了磨损和塑性变形，提高了轴承的寿命。 14承选择考虑因素： 1、 载荷的大小、方向和性质 2、 轴承的转速 3、 调心性能要求 4、 轴承的安装和拆卸 5、 经济性 14本额定静载荷：使受载最大滚动体与滚动