机械设计_第一篇_总论.ppt

机械设计 主编濮良贵 参考书 1 机械设计 邱宣怀主编 高教出版社2 机械设计 吴宗泽主编 高教出版社 机械设计课程成绩评定 序号考察项目成绩比例1期末考试80 2平时作业加实验20 第一篇总论 第一章绪论第二章机械设计总论第三章机械零件的强度第四章摩擦 磨损及润滑概述 第一章总论 1 1机械工业在现代化建设中的作用 1 2本课程的内容 性质与任务 1 1机械工业在现代化建设中的作用 机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志 机器是代替人们体力和部分脑力劳动的工具 机器既能承担人力所不能或不便进行的工作 又能较人工生产改进产品质量 特别是能够大大提高劳动生产率和改善劳动条件 只有使用机器 才能便于实现产品的标准化 系列化和通用化 尤其是便于实现高度的机械化 电气化和自动化 机械工业肩负着为国民经济各个部门提供装备和促进技术改造的重任 大量地设计制造和广泛采用各种先进的机器 可大大加强促进国民经济发展的力度加速我国的现代化建设 一 机器的基本组成要素 1 2本课程内容 性质与任务 机器 执行机械运动的装置 用来变换或传递能量 物料或信息 机构 能实现预期的机械运动的各构件 包括机架 的基本组合体 机械 机器和机构的总称 零件 构件 机构 机器等关系 零件 刚性组合 构件 机架原动件从动件 运动副组合 机构 机器 原动机工作机信息机 机器的基本组成要素是机械零件 机械零件 组成机器的不可拆的基本单元 部件 为完成同一使命在结构上组合在一起并协同工作的零件 机械零件 通用件 各种机器中普通使用的零件 如 齿轮 链传动 带传动 蜗杆传动 螺旋传动 轴 联轴器 离合器 滚动轴承 滑动轴承 螺栓 键 花键 销 铆 焊 胶结构件 弹簧 机架 箱体等 专用件 只在一定类型的机器中使用的零件 如 叶片 犁铧 枪栓等 本课程只研究通用零件 标准件 经过优选 简化 统一 并给以标准代号的零件和部件 易损件 在正常运转过程中容易损坏 并在规定期限内必须更换的零件或部件 二 本课程的具体内容 2 连接部分 螺纹联接 键联接 过盈联接 铆接 焊接 3 传动部分 螺旋传动 带传动 链传动 齿轮传动 蜗杆传动以及摩擦轮传动等 4 轴系部分 轴 滑动轴承 滚动轴承 联轴器 离合器 5 其他部分 弹簧 减速器 机架 1 总论部分 机器及零件设计的基本原则 设计计算理论 材料选择 结构要求 以及摩擦 磨损 润滑等方面的基本知识 课程性质 一门设计性质的技术基础课 起承上启下的作用 承上 本课程与前面所学的课程 高数 制图 力学 机械原理 公差等均有联系启下 本课程是学习后续专业课程的基础 机制工艺学 机电一体化 机床 刀具 汽车等课程目的 任务 综合运用各种机械零件 各种机构的知识以及其他先修课程的知识 掌握设计机械传动装置和一般机械的能力 三 本课程的性质 本课程所涉及的先修课程有 工程制图 设计的图形表达 工程材料 非金属材料 金属材料及热处理 机械制造基础 冷加工工艺 热加工工艺 公差配合与技术测量 解决精度设计问题 理论力学 解决力分析与动力计算 材料力学 解决强度分析问题 机械原理 解决机械的方案设计 四 本课程的任务 1 有正确的设计思想并勇于创新探索 2 掌握通用机械零部件的设计原理 方法和一般规律 进而具有综合运用所学知识 研究改进或开发新的基础件及设计简单的机械的能力 3 具有运用标准 规范 手册 图册和查阅有关技术资料的能力 4 掌握典型机械零件的试验方法 获得基本的试验技能的基本训练 5 了解机械设计的最新动态 第二章机械设计总论 2 1机器的组成 2 2设计机器的一般程序 2 3对机器的主要要求 2 4机械零件的主要失效形式 2 5设计机械零件时应满足的基本要求 2 6机械零件的设计准则 2 7机械零件的设计方法 2 8机械零件设计的一般步骤 2 9机械零件的材料及其选用 2 10机械零件设计中的标准化 2 11机械现代设计方法简介 2 1机器的组成 人们为了满足生产和生活的需要 设计和制造了类型繁多 功能各异的机器 一台完整的机器的组成大致可包括 简单的机器只由原动机部分 传动部分和执行部分这三部分组成 随着机器功能越来越复杂 对机器的精确度要求也越来越高 辅助系统 控制系统就应运而生 机器的组成 本节将以汽车为例讲述机器的组成 1 动力部分 原动机提供动力 蒸汽机 电动机 内燃机等 2 执行部分 完成预定的功能 车轮 悬挂系统及底盘 车身 3 传动部分 转换运动形式 运动及动力参数 离合器 变速箱 传动轴 差速器等 4 控制部分 控制运行状态 方向盘及转向系统 排挡杆及其它各种操作手柄及刹车 油门 离合器踏板 5 辅助系统 反馈运行状态并发出信号 润滑 照明 显示 信号等 2 2设计机器的一般程序 机器的先进性取决于设计者的设计的先进水平 机械设计经过上百年的发展形成了自己较为固定的程序 本节以农用车为例结合框图来阐述设计机器的一般程序 设计的各个阶段是相互联系 相互影响 相互制约的 在设计中不可避免的会出现反反复复 在设计中要注意运用先进的设计方法 设计手段来进行设计 如采用优化设计 可靠性设计 计算机辅助设计等来提高设计质量 加快设计速度 缩短开发周期 使产品尽快地进入市场 占领市场 获得最大的经济效益和社会效益 设计说明书 工艺文件 标准件 自制件 外协件明细表 使用说明书等 样机试制 检测 验收 改进原型的设计 市场调研 比较分析并拟定设计任务书如 开发的吨位 市场的占有率 社会效益 经济效益 性能的先进性等 计划阶段 提出问题 技术设计阶段 解决问题 技术文件编制阶段 方案设计阶段 分析问题 试制鉴定阶段 验证问题 对机器进行功能分析 组合出设计方案以供选择 评价决策 选择最终方案 如 四轮 三轮 柴油机 汽油机 有无驾驶室 传动方案 皮带 链 传动轴 等 机器运动学设计 原动机参数 各运动构件的运动参数机器动力学计算 由运动参数计算零件所受载荷的大小零件工作能力设计 由载荷进行零件的初步设计部件装配草图及总装配草图设计 绘图 总装图 部件图 零件图主要零件的校核初步计算及设计 产品设计定型批量生产阶段 从小批到中批再到大批 注重售后服务 不断反馈信息 不断改进 不断提高 一 使用功能要求机器应具有预定的使用功能如起动 转弯半径 吨位 速度 制动等 二 经济性要求 如设计 制造 使用成本 采用标准化 系列化 通用化的零部件 底盘 车桥等 三 劳动保护和环境保护要求安全装置 气囊 安全带 噪声 环境保护 尾气 噪声 以汽车为例 六 其它专用要求 特殊要求 防弹 越野等 2 3对机器的主要要求 四 寿命与可靠性的要求在规定的使用条件及使用期限内不出故障 五 人机工程与造型 操作习惯 外型美观 符合美学原则 机械设计中的 三化 1 标准化 对零件的尺寸 结构要素 材料特性 检验方法 设计方法 制图要求等制定出统一的共同遵守的标准 如 螺纹联接件 滚动轴承等用途最广的零件进行大量的 集中制造 用户根据要求选用 2 系列化 对同一产品 为了适应不同的使用条件 在同一基本结构或基本尺寸的条件下 规定出若干个辅助尺寸不同的产品 称为不同的系列 如 滚动轴承的直径系列 宽度系列 工程机械的系列化 3 通用化 不同的产品间 零部件要能相互通用 如 汽车与农用车之间零部件的通用 2 4机械零件的主要失效形式 失效 机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时 称为失效 同一种零件发生失效的形式可能有多种 不同的工作条件 失效形式不同 工作能力 零件不发生失效时的安全工作限度称为工作能力 机械零件常见的失效形式有 整体断裂 过大的残余变形 零件的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效等 一 整体断裂 整体断裂是指零件在载荷作用下 其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂 或在变应力作用下 危险截面发生的疲劳断裂 齿轮轮齿断裂 轴承内圈断裂 二 过大的残余变形 当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限 零件将产生残余变形 齿轮齿面塑形变形 轴承外圈塑性变形 三 零件的表面破坏 零件的表面破坏主要是腐蚀 磨损和接触疲劳 点蚀 齿面接触疲劳 轴瓦磨损 四 破坏正常工作条件引起的失效 有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作 如 液体摩擦的滑动轴承 只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作 带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作 高速转动的零件 只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔才能正常工作 零件在工作时会发生哪一种失效 这与零件的工作环境 载荷性质等很多因素有关 有统计结果表明 一般机械零件的失效主要是由于疲劳 磨损 腐蚀等因素引起 一 避免在预定寿命期内失效的要求 1 强度 强度不足会引起断裂 较大的残余变形 塑性变形 2 刚度 刚度不足会造成弹性变形超过允许的限度3 寿命 零件正常工作延续的时间 影响寿命的主要因素有材料的疲劳 材料的腐蚀 磨损 2 5设计机械零件时应满足的基本要求 二 结构工艺性的要求结构简单便于制造加工与装配 三 经济性零件应有合理的生产加工和使用维护的成本 价廉物美 遵循三化原则 四 质量小的要求质量小则可节约材料 质量小则灵活 轻便 五 可靠性要求应降低零件发生故障的可能性 概率 零件的可靠性决定了机器的可靠性 2 6机械零件的设计准则 一 强度准则 设计零件时 首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法 一般来讲 有以下几种准则 零件中的应力不得超过允许的限度 即 确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形 是最基本的设计准则 两种判断零件强度的方法 1 强度条件 2 实际安全系数 静应力时零件的主要失效形式 塑性变形 断裂 塑性材料脆性材料 塑性材料极限应力 脆性材料极限应力 变应力时零件的主要失效形式 疲劳破坏 二 刚度准则确保零件不发生过大的弹性变形 三 寿命准则通常与零件的疲劳 磨损 腐蚀相关 四 振动稳定性准则高速运转机械的设计应注重此项准则 五 可靠性准则可靠性表示系统 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 当计及随机因素影响时 仍应确保上述各项准则 2 7机械零件的设计方法 机械零件的设计方法通常分为常规设计方法和现代设计方法两大类 现代设计方法是指在近二 三十年发展起来的更为完善 科学 计算精度高 设计与计算速度更快的机械设计方法 如机械优化设计 机械可靠性设计 计算机辅助设计等等 常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算 结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法 公式 图表等进行设计的方法 它又可分为 理论设计 经验设计 模型实验设计 一 理论设计根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计 1 设计计算先分析零件的可能失效形式 根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸 2 校核计算先确定零件的结构尺寸 然后再验算零件是否满足计算准则 如不满足 则应修改零件的尺寸 二 经验设计根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式 或根据设计者本人的经验用类比的办法所进行的设计 如 箱体 机架 传动零件的各结构要素等 一般用在不重要的场合 三 模型实验设计对一些尺寸巨大而结构又很复杂的重要零件尤其是一些重型整体机械零件 为提高设计质量 可采用此方法 即根据相似理论的方法做模型 从对模型的模拟工作状态中取得数据后再作为设计的依据 对设计进行逐步的修改 直至完善 如 飞机的风洞试验 桥梁 水坝 大型的发电机组 从小到大逐步开发 2 8机械零件设计的一般步骤 选择零件类型 结构 机械零件的设计一般要经过以下几个步骤 2 9机械零件的材料及其选用 铝 ly12 铜 zcusn10p1 一 机械零件常用材料 塑料 橡胶 合成纤维 低碳钢 中碳钢 高碳钢 合金钢 如 08f45601cr18 灰铸铁 球墨铸铁 如 th300qt500 5 强如钢 轻如铝 硬如金刚石 强度高 弹性模量大 质量轻 1 载荷 应力的大小和性质2 零件的工作情况3 零件的尺寸及重量4 零件的结构及加工性5 材料的经济性1 材料价格 2 加工批量和加工费用 3 材料的利用率 4 局部品质原则 5 节约稀有材料 尽量用廉价材料来代替价格相对昂贵的稀有材料 6 材料的供应状况 二 机械零件材料的选用原则 2 10机械零件设计中的标准化 标准化 对零件的尺寸 结构要素 材料特性 检验方法 设计方法 制图要求等制定出统一的共同遵守的标准 如 螺纹联接件 滚动轴承等用途最广的零件进行大量的 集中制造 用户根据要求选用 系列化 对同一产品 为了适应不同的使用条件 在同一基本结构或基本尺寸的条件下 规定出若干个辅助尺寸不同的产品 称为不同的系列 如 滚动轴承的直径系列 宽度系列 工程机械的系列化 优越性 1 提高质量 降低成本 2 统一了材料和零件的性能指标 提高了零件性能的可靠性 3 简化设计工作 提高设计质量 简化机器的维修 与设计有关的标准 国际标准国家标准行业标准企业标准等如 isogbjb hbqb 国标分为 强制标准和推荐标准 强制性国家标准 代号为gb 为标准序号 为批准年代 强制性国标必须严格遵照执行 否则就是违法 推荐性国家标准 代号为gb t 这类标准占整个国标中的绝大多数 如无特殊理由和特殊需要 必须遵守这些国标 以期取得事半功倍的效果 2 11机械现代设计方法简介 机械现代设计方法通常是相对传统的设计方法而言的 现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用数学 应用力学 微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下列转换 1 以动态的取代静态的 如机器结构动力学计算 2 以定量的取代定性的 如有限元计算 3 以变量取代常量 如可靠性设计 4 以优化设计取代可行性设计 如优化设计 5 并行设计取代串行设计 如并行设计 6 微观的取代宏观的 如微 纳米摩擦学设计 7 以系统工程法取代分部处理法 如系统工程 8 自动化设计取代人工设计的转化 如计算机辅助设计 第三章机械零件的强度 3 1材料的疲劳特性 3 2机械零件的疲劳强度计算 3 3机械零件的抗断裂强度 3 4机械零件的接触强度 3 5机械零件可靠性设计简介 机械零件的强度分为 静应力强度和变应力强度 3 1材料的疲劳特性 载荷分类 静载荷 载荷的大小与方向不随时间变化或随时间变化缓慢变载荷 1 循环变载荷 载荷循环变化 2 随机 变 载荷 载荷的频率和幅值均随机变化 名义载荷 在理想平稳条件下所受的载荷 不考虑动载荷的影响 计算载荷 载荷系数k 名义载荷 代表机器或零件实际所受载荷 循环变应力 对称循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力 应力分类静应力 不随时间变化或变化缓慢的应力 变应力 不稳定变应力 应力变化的周期t 平均应力和应力幅三者之一不为常数稳定循环变应力 t 平均应力 应力幅均不变 名义应力 由名义载荷产生的应力计算应力 由计算载荷产生的应力 计算应力中计入了应力集中等影响 机械零件的尺寸常取决于危险截面处的最大计算应力 五个参数 描述规律性的交变应力可有5个参数 但其中只有两个参数是独立的 t 应力分类 1 静应力 2 变应力 a 稳定变应力 b 不稳定变应力 特点 max min m a 0 r 1 循环变应力分类 1 对称循环变应力 2 脉动循环变应力 3 非对称循环变应力 特点 1 r 1且r 0中的任意值 例 图示轴受载荷f作用a 轴不转b 轴转动试分析其应力情况 a点 ab n104高周疲劳区 按疲劳强度理论设计1 cd段 有限寿命疲劳区nd n 1042 cd段以后 无限寿命疲劳区n nd 疲劳曲线 标准试件 材料 在一定的应力比r下 疲劳极限与应力循环次数n的关系曲线 疲劳极限 rn r一定时 应力循环n次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为材料的疲劳极限 rn n次循环应力作用下不发生疲劳破坏的最大应力 即疲劳极限 r 1记为 1n r 0记为 0n r 无限寿命疲劳极限 当n nd 106 25 107时 r n0时的疲劳极限 r即 rn0n0 循环基数 当nd不大时 n0 nd 当nd很大时 n0 nd 设定n0的原因是有时nd非常大 做实验时工作量太大 说明 一 n疲劳曲线 任意循环特性下 kn为寿命系数 若已知循环基数n0和疲劳极限 r r 则n次循环时的疲劳极限为 有关疲劳曲线方程的说明 循环基数n0材料不同 n0不同 指数m 与应力和材料的种类有关 钢m 9 拉 弯应力 剪应力m 6 接触应力青铜m 9 弯曲应力m 8 接触应力3 不同循环特性r时的疲劳曲线 二 等寿命疲劳曲线 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 用表示 塑性材料疲劳极限应力图 三个特殊点a d c分别为对称循环 脉动循环 以及静应力下的极限应力点 极限应力线上的点称为极限应力点 极限应力线上的每个点 都表示了某个应力比下的极限应力 塑性材料的疲劳极限应力图简化方法 考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限 故由屈服极限点c作135 与轴 斜线与a d 连线的延长线交于g 得折线a d g c 线上各点的横坐标为极限平均应力 线上各点的纵坐标为极限平均应力幅 a d g 段的方程为 g c段的方程为 本章附录 一 零件结构的理论应力集中系数零件受载时 在几何形状突变处 圆角 凹槽 孔等 要产生应力集中 对应力集中的敏感程度与零件的材料有关 一般材料强度越高 硬度越高 对应力集中越敏感 如合金钢材料比普通碳素钢对应力集中更敏感 玻璃材料对应力集中更敏感 理论应力集中系数 二 疲劳强度降低系数或有效应力集中系数 应力集中系数 三 绝对尺寸及截面形状影响系数 尺寸及截面形状系数 由于零件尺寸愈大时 材料的晶粒较粗 出现缺陷的概率大 而机械加工后表面冷作硬化层相对较薄 所以对零件疲劳强度的不良影响愈显著 尺寸系数 四 表面质量系数零件加工的表面质量 主要指表面粗糙度 对疲劳强度的影响 钢的强度极限越高 表面愈粗糙 表面状态系数愈低 所以用高强度合金钢制零件为使疲劳强度有所提高 其表面应有较高的表面质量 表面状态系数 五 强化系数可采取改善表面状态的措施来提高零件的疲劳强度 如淬火 渗氮 渗碳 热处理 抛光 喷丸 滚压等冷作工艺 强化系数 综合影响系数由于零件尺寸及几何形状变化 加工质量及强化因素等的影响 使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限 用疲劳极限的综合影响系数k 表示 3 2机械零件的疲劳强度计算 k 只对应力幅有影响 而对平均应力无影响 试验证明 零件的极限应力线图 adgc线 三个特征坐标值的变化 说明 1 k 为综合影响系数 只影响 a2 k 只影响ag线的位置 作图 已知 1 0 s k 根据公式计算出a d坐标值作图如下 1 找a d两点 a 0 1e d 0 2 0e 2 2 连接ad并延长与cg 交于g点 d 0 2 0 2 a 0 1 m c b 0 a g c s 0 45 45 0 2 0 2 0 g e a 0 1e d 0 2 0e 2 m m a m me ae 0e 2 零件的极限应力线图 一 单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算1 r 常数 绝大多数转轴中的应力状态 简单加载2 m 常数 振动着受载弹簧中的应力状态 复杂加载3 min 常数 紧螺栓联接中螺栓杆上先产生最小拉应力 复杂加载 1 r c时 a 作图 b 计算公式及其推导 分为两个区域 1 工作点落在ago区内时 极限应力点在ag线上 有可能发生疲劳失效 2 工作点落在cgo区内时 极限应力点在cg线上 有可能发生屈服失效 1 若m 1落在ag线上 疲劳失效 2 若m 1落在cg线上 屈服失效 2 m c时 分为两个区域 1 工作点落在agho区内时 极限应力点在ag线上 有可能发生疲劳失效 2 工作点落在cgh区内时 极限应力点在cg线上 有可能发生屈服失效 a 作图 过工作点m作横轴的垂直线交ag线或cg线于m 点 m 点即为极限应力点 b 计算公式及其推导 3 min c时 a 作图 b 计算公式及其推导 分为三个区域 1 工作点落在aho区内时的在机械设计中情况极为罕见 不做考虑 2 工作点落在hgio区内时 极限应力点在ag线上 有可能发生疲劳失效 3 工作点落在cgi区内时 极限应力点在cg线上 有可能发生屈服失效 b 掌握作图法 关键是找工作点m和极限应力点m c 应力变化规律难以确定时可按r c进行计算 总结 a 记住定义性公式 三种应力变化规律的比较 二 略 三 略 四 提高机械零件强度的措施 1 尽可能降低零件上的应力集中的影响 在不可避免时 可采用减载槽 2 选用疲劳强度高的材料和规定能提高材料疲劳强度的热处理方法及强化工艺 3 提高零件的表面质量 4 尽可能地减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸 减载槽 3 4机械零件的接触强度 当两零件以点 线相接处时 其接触的局部会引起较大的应力 这局部的应力称为接触应力 接触分为外接触和内接触 式中 1和 2分别为两零件初始接触线处的曲率半径 其中正号用于外接触 负号用于内接触 对于线接触的情况 其接触应力可用赫兹应力公式计算 更多图片 例1 在许用疲劳极限应力图中标出3种不同加载情况下的疲劳安全区和塑性安全区 例2 在图中为某零件的许用疲劳极限应力图 c为零件的工作应力点 下列3种情况下的极限应力点分别为 1 应力循环特性r 常数时 点 2 平均应力 m 常数时 点 3 最小 min 常数时 点 例3 如一零件的应力循环特性r 0 6 a 80mpa 则此时 m max min 320mpa 400mpa 240mpa 例4 如一零件 b 650mpa s 360mpa 工作应力 200mpa 许用应力 180mpa 则此零件的工作安全系数为 许用安全系数为 此零件安全否 1 8 2 0 不安全 因为 例5 某受稳定弯曲变应力作用的轴类零件 最大工作应力 max 400mpa 最小工作应力 min 100mpa 已知材料的对称循环疲劳极限 1 450mpa 脉动循环疲劳极限 0 700mpa 屈服极限 s 800mpa 1 试绘出材料的简化疲劳极限应力图 2 在简化疲劳极限应力图上标明工作应力点m 3 说明该零件可能的失效形式 简单加载 练习题1 机械设计主要研究 的工作原理 结构和设计方法 a 各类机械零部件b 通用机械零部件c 专用机械零部件d 标准化机械零部件2 下列中有 是通用零件而不是专用零件 a 汽车发动机的阀门弹簧b 起重机的抓斗c 汽轮机的轮叶d 车床变速箱中的齿轮e 纺织机的织梭f 飞机的螺旋浆g 柴油机的曲轴h 自行车的链条3 下列零件的失效形式中 不属于强度问题 a 齿轮齿面的疲劳点蚀b 蜗杆轴过大的弹性变形c 滚动轴承套圈压出的凹坑 4 计算载荷一般 名义载荷 a 大于b 等于c 小于5 在静强度计算中 塑性材料的极限应力 lim应取为 脆性材料的极限应力 lim应取为 a bb sc 16 同样形状及工作条件的零件 采用下列三种不同材料 其有效应力集中系数k 最大和最小为 a ht300b 45号钢c 40crni钢7 零件的剖面形状一定 当剖面尺寸增加时 疲劳强度为 a 增加b 减少c 不变 8 零件的形状 尺寸相同 磨削加工零件与精车相比 其疲劳强度 a 较高b 较低c 相同9 零件表面经淬火 喷丸 滚压处理后其疲劳强度 a 增加b 降低c 不变10 下列应力的循环特性r 1的是 a 静应力b 非对称循环变应力c 脉动循环变应力d 对称循环变应力11 影响机械零件疲劳强度的主要因素是 d 应力集中 尺寸 表面状态 12 材料40mnb钢 b 750mpa s 500mpa 1 338mpa 零件的k 1 41 许用安全系数s 1 6 则零件的许用应力 1e a 149 8b 211c 239 7d 109 13 已知零件的 r 180mpa 许用安全系数s 1 8 k 1 56 则零件的许用应力 re 14 某材料疲劳曲线寿命指数m 9 对称循环应力 1 400mpa作用于零件n1 105次 所造成的疲劳损伤相当于 2 作用于零件n2 104次后造成的疲劳损伤 15 分析下列齿轮传动中轮2的弯曲应力性质 a 轮1主动时b 轮2主动时 轮1主动时弯曲应力是对称循环变应力 轮2主动时弯曲应力是脉动循环变应力 16 已知某材料的疲劳曲线 求当循环次数分别为n1 n0 2和n2 2n0时的疲劳极限 1n1和 1n2 解 当n1 n0 2时 当n2 2n0时 kn 1 17 某轴受最大应力 max 200mpa s 800mpa 1e 300mpa e 0 10 试 作极限应力线agc 若轴受的应力为静应力时 在图上标出工作点a和极限位置m 并求sca 若轴受的应力为脉动循环变应力时 在图上标出工作点b和极限位置n 并求sca 若轴受的应力为对称循环变应力时 在图上标出工作点d和极限位置q 并求sca m a 0100200300400500600700800 100 200 300 400 d q a c m b n 17解 第四章摩擦 磨损及润滑概述 4 1摩擦 4 2磨损 4 3润滑剂 添加剂和润滑方法 4 4流体润滑原理简介 摩擦 即在正压力作用下 相互接触的物体表面间有相对运动 或其趋势 时 在接触表面上就会产生抵抗运动的阻力 这一自然现象被称为摩擦 阻力叫作摩擦力 摩擦的危害 能量损耗 效率降低 温度升高 表面磨损等 有摩擦现象存在 就会产生磨损 据统计 由摩擦而造成的能量损耗占世界工业能量消耗的1 3 有80 的零件失效是由磨损而引起的 摩擦 磨损既有利也有弊 本章的内容主要是讲述在机器中构成运动副的机械零件的接触表面上所发生的情况 了解摩擦 磨损的分类 机理 如何利用摩擦 磨损以及如何运用润滑的方法来减小摩擦 减轻磨损 摩擦学由此而诞生 4 1摩擦 内摩擦 发生在物质内部 阻碍分子间的相对运动 外摩擦 相互接触的两个物体发生相对滑动或有相对滑动的趋势时 在接触表面上产生的阻碍相对滑动的力 干摩擦 表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦 摩擦阻力大 磨损严重 应力求避免 边界摩擦 摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开 其摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦 流体摩擦 摩擦表面被流体膜隔开 摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦 流体摩擦时的摩擦系数最小 且不会有磨损产生 是理想的摩擦状态 混合摩擦 摩擦表面间处于干摩擦 边界摩擦和流体摩擦的混合状态 边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分 常统称为边界摩擦 要求低摩擦时 流体摩擦比较理想 边界摩擦 混合摩擦为最低要求 要求高摩擦时 大多处于干摩擦或边界摩擦 膜厚比 最小油膜厚度与表面粗糙度之比 是大致估计润滑状态的简单判据 1边界润滑状态13完全弹性流体动力润滑或流体润滑状态 一 干摩擦 最差状态 特点 f很大 磨损严重 应力求避免 机理 1 机械摩擦啮合理论 ff f fn 式中 ff 摩擦力 f 摩擦系数 fn 法向载荷 公式表明 1 ff与fn成正比 2 动摩擦系数的大小与相对滑动速度无关 3 摩擦力的大小与名义接触面积的大小无关 2 粘附理论 a 简单粘附理论 1945年由鲍登等人提出 认为接触面积并非公称接触面积a0 而是由一些表面轮廓峰相接触所形成的接触斑点的微面积的总和 真实接触面积ar 由于ar很小 轮廓峰接触区压力很高 产生塑性变形 发生粘附现象 形成冷焊结点 相对运动时 冷焊结点被割开 说明 计算公式 简单的黏附理论认为真实的接触面积ar决定于软金属的压缩屈服极限和法向载荷fn 由于大多数金属的 b sy的比值较接近 所以其摩擦系数相差很小 这在常规环境下 因为在界面上覆盖有一层氧化膜或污染膜 对于静态接触 大体是正确的 但对于处于真空中的洁净金属发生摩擦时不适用 真空中的f值比常规环境下的大得多 因此鲍登等人于1964年又提出了更切合实际的修正黏附理论 b 修正粘附理论 在fn产生的 y和ff产生的 的联合作用下 使结点产生塑性流动 ar增加 结点增长 摩擦系数f增大 计算公式 说明 式中 bj为界面的剪切强度极限 sy为较软基体材料的压缩屈服极限 二 边界摩擦 边界润滑 最低要求 特点 较小 磨损较小 寿命有所提高 机理 边界膜可分三种 见下页 物理吸附膜 润滑油中脂肪酸极性分子与金属表面相互吸引而引成的吸附膜 距表面愈远吸附能力愈弱 剪切强度愈低 温度对物理吸附膜影响较大 受热膜易脱附 乱向甚至破坏 适于常温 轻载 低速下工作 化学吸附膜 润滑油中的分子靠分子键与金属表面形成化学吸附膜 其强度 稳定性好于物理吸附膜 受热后熔化温度较高 适合于中等载荷 速度和温度下工作 化学反应膜 润滑油中加入硫 磷等元素的化合物 即添加剂 与金属表面进行化学反应而形成的膜 其膜较厚 熔点较高 剪切强度较低 稳定性较好 适合于重载 高速和高温 提高边界油膜强度的主要措施 1 合理选配材料 2 降低粗糙度 3 合理采用添加剂 三 混合摩擦 混合润滑 最常见的状态 定义 介于边界摩擦和液体摩擦之间 特点 f较小 介于边界摩擦和液体摩擦之间一般f 0 001 0 01 四 流体摩擦 流体润滑 最理想的状态 定义 两表面完全分开 形成液体与液体之间的摩擦 特点 很小 一般f 0 001 0 008 磨损过程 分三个阶段 4 磨损 磨损 使摩擦表面的物质不断损失的现象 磨损率 单位时间内材料的磨损量 磨合磨损过程 形成一个稳定的表面粗糙度 且在以后过程中 此粗糙度不会继续改变 所占时间比率较小 稳定磨损阶段 经磨合的摩擦表面加工硬化 形成了稳定的表面粗糙度 摩擦条件保持相对稳定 磨损较慢 该段时间长短反映零件的寿命 急剧磨损阶段 经稳定磨损后 零件表面破坏 运动副间隙增大 动载 振动 润滑状态改变 温升 使磨损速度急剧上升 直至零件失效 注意 实际机械零件在使用过程中 这三个过程无明显界限 设计或使用机器的原则 力求缩短磨合期 延长稳定磨损期 推迟剧烈磨损到来 说明 跑合磨损 磨合 阶段 若不经跑合 压力过大 v过高或润滑不良等 则经跑合直接进入剧烈磨损阶段 跑合时 应由轻至重 缓慢加载 并注意油的清洁 防止磨屑进入摩擦面而造成剧烈磨损和发热 磨损分类 根据磨损结果分为 点蚀磨损 胶合磨损 擦伤磨损等 根据磨损机理分为 粘着磨损 磨粒磨损 表面疲劳磨损 流体磨粒磨损 流体侵蚀磨损 机械化学磨损等 一 粘附磨损 原因 轮廓峰塑变成冷焊结点而粘着 在相对运动时 材料从一个表面迁移到另一个表面 现象 1 轻微磨损 较浅层 2 涂抹 剪切在软金属浅层 3 划伤 剪切在软金属浅层 硬表面划伤 4 撕脱 剪切在基本金属较深处 5 咬死粘着严重 减轻粘着磨损的措施 1 合理选择摩擦副材料 2 采用含有油性和极压添加剂的润滑剂 3 限制摩擦表面的温度 4 控制压强 5 提高表面质量 二 磨粒磨损 原因 灰尘 杂质等硬颗粒或摩擦表面上的硬质突出物 在摩擦过程中引起材料脱落的现象 现象 较软表面的沟纹措施 1 提高表面质量与硬度 2 提高润滑油的清洁度 轴瓦磨损 三 疲劳磨损 原因 受交变接触应力的摩擦副表面 有小块金属在重复变形时疲劳破坏而从摩擦副表面剥落下来 这种现象称表面疲劳磨损 点蚀 现象 金属表面产生麻点 麻坑 提高摩擦副的表面疲劳寿命的措施 1 合理选择摩擦副材料 2 合理选择表面粗糙度 提高表面质量 3 合理选择润滑油粘度 加入极压添加剂 4 合理选择表面硬度 齿面接触疲劳 四 流体摩粒磨损和流体侵蚀磨损 冲蚀磨损 流体摩粒磨损 由流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬质颗粒作用引起的机械磨损 流体侵蚀磨损 由流体或气体的冲蚀作用引起的机械磨损 五 机械化学磨损 腐蚀磨损 机械化学磨损 摩擦过程中 金属与周围介质发生化学反应或电化学反应而引起的磨损 六 微动磨损 微动损伤 微动磨损 一种隐蔽的 由粘附磨损 磨粒磨损 机械化学磨损和疲劳磨损共同形成的复合磨损形式 小结 磨损的类型随工作条件的改变而转化 实际上大多数的磨损是上述磨损型式的复合型式 一 润滑剂 润滑的作用 是减小摩擦和磨损 还起到冷却 降温 减缓锈蚀 缓冲吸振 清污和密封等作用 润滑剂种类 气体润滑剂 液体润滑剂 半固体润滑剂 固体润滑剂气体润滑剂 各种气体 空气 co2 液体润滑剂 各种润滑油 植物油 动物油 矿物油 合成油 半固体润滑剂 各种润滑脂固体润滑剂 石墨 二硫化钼 4 润滑剂 添加剂和润滑方法 1 润滑油 1 粘度 1 动力粘度 动力粘度 牛顿的粘性定律 式中 油层之间的剪应力 油层沿y方向的速度梯度u 油层速度 表示v随y增大而减小 动力粘度国际单位 pa s 帕 秒 物理单位 p 泊 cp 厘泊 1pa s 10p 1000cp 2 运动粘度 物理单位 st 斯 cst 厘斯 润滑油的牌号 旧标准 gb443 64规定 以50oc或100oc的运动粘度的中心值划分等级 确定牌号 新标准 gb3141 82规定 以40oc的运动粘度中心值分级 例 32号润滑油的含义如何 3 条件粘度 恩氏度oet 在一定条件下 利用某种规格的粘度计 通过测定润滑油穿过规定孔道的时间来进行计量的粘度 式中 粘度系数 pa 1 p 压强 pa o 大气压下油的粘度 pa s e 自然对数的底 e 2 718 p 压力p下的粘度 pa s 粘度的影响因素 主要有二个 温度的影响 随温度增加而减小 粘度指数vi越大 粘度随温度变化小 粘温效应 压力的影响 当p 20mpa时 随压力增加而增大压粘效应 2 润滑性 油性 润滑油的极性分子与金属表面吸附形成的边界油膜的吸附能力 吸附能力愈强 油性愈好 3 极压性润滑油中加入含s cl p的有机极性化合物后 油中极性分