第01章机械设计总论2

1、1-1 1-1 概概 述述 1-3 1-3 机械零件的强度计算机械零件的强度计算1-2 1-2 机械设计的基本要求、机械零件的机械设计的基本要求、机械零件的 工作能力和计算准则工作能力和计算准则 1-4 机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题机器机器(Machine)(Machine) 主要是指能代替人类劳动和主要是指能代替人类劳动和进行能量转化的机械装置。如电动机、内燃机、机进行能量转化的机械装置。如电动机、内燃机、机床、汽车、火车、飞机、轮船、起重运机械、冶金床、汽车、火车、飞机、轮船、起重运机械、冶金矿山机械、轻纺食品机械等等。矿山机械、轻纺食品机械等等。 机械

2、设计机械设计(Machine Design)(Machine Design) 为各种机械装置为各种机械装置的进行设计，机械设计是为了满足机器的某些特定的进行设计，机械设计是为了满足机器的某些特定功能而进行的创造性过程，设计是创造性的劳动，功能而进行的创造性过程，设计是创造性的劳动，设计的本质在于创新。本课程主要介绍机械设计中设计的本质在于创新。本课程主要介绍机械设计中的一些基础知识。的一些基础知识。机械（机械（Machinery)Machinery) 是机器和机构统称。是机器和机构统称。机构；在机械原理课程已经介绍机构；在机械原理课程已经介绍1-1 1-1 概概 述述 内燃机内燃机机械设计课程

3、的研究对象机械设计课程的研究对象机械。如：机械。如：带带 式式 运运 输输 机机 机械零件是组成机械的基本单元。任何一部机器都可以拆机械零件是组成机械的基本单元。任何一部机器都可以拆解为许多功能不同的机械零件。解为许多功能不同的机械零件。机械零件分为专用零件和通用零件机械零件分为专用零件和通用零件专用零件专用零件 是只能用于某类机械的零件如曲轴，燃气轮机的叶轮是只能用于某类机械的零件如曲轴，燃气轮机的叶轮机械的组成机械的组成通用零件通用零件 各类机械都要使用的零件各类机械都要使用的零件. .如轴、齿轮、链传动等。如轴、齿轮、链传动等。带带 传传 动动齿轮传动齿轮传动蜗杆传动蜗杆传动螺纹联接螺纹

4、联接轴轴键键 联联 接接轴承轴承联轴器联轴器通用机械零部件的工作原理、特点、选用及设计计算通用机械零部件的工作原理、特点、选用及设计计算机械设计课程的研究内容机械设计课程的研究内容：链链 传传 动动通用的零通用的零部件系指部件系指传动传动零件零件轴类轴类零件零件联接联接零件零件齿轮传动齿轮传动蜗杆传动蜗杆传动带带 传传 动动链链 传传 动动螺纹联接螺纹联接轴轴轴承轴承联轴器联轴器本课程还研究本课程还研究 部件部件： 为满足某一功能要求由多个零件组成的组件。如变为满足某一功能要求由多个零件组成的组件。如变速器、减速器等。该内容由课程设计完成。速器、减速器等。该内容由课程设计完成。汽车变速器汽车变

5、速器减速器减速器本课程性质和任务本课程性质和任务 性质性质： 技术基础课。其特点为技术基础课。其特点为 针对性强、内容丰富、公式多、涉及前期课程针对性强、内容丰富、公式多、涉及前期课程内容多、实用性强。内容多、实用性强。 任务任务： 树立正确的设计思想；树立正确的设计思想； 掌握一般机械设计的基本理论和方法、培养设计机掌握一般机械设计的基本理论和方法、培养设计机械的能力，为后续课程打基础；械的能力，为后续课程打基础； 培养查阅、应用资料的能力培养查阅、应用资料的能力 5 5其他要求：环保、噪音、外观等其他要求：环保、噪音、外观等一机械设计的基本要求（一机械设计的基本要求（价廉物美、安全可靠价廉

6、物美、安全可靠）1 1实现预定的功能，工作可靠；实现预定的功能，工作可靠；2 2经济性好：设计和制造周期短、成本低，产品生产经济性好：设计和制造周期短、成本低，产品生产 效率高、能耗低维护管理费用少效率高、能耗低维护管理费用少；3 3操作方便，运行安全；操作方便，运行安全；4 4标准化、系列化程度高：以便简化设计工作，提高标准化、系列化程度高：以便简化设计工作，提高 产品质量；产品质量；1-2 1-2 机械设计的基本要求机械设计的基本要求、机械零件、机械零件的工作能力和计算准则的工作能力和计算准则 二机械零件的工作能力及计算准则二机械零件的工作能力及计算准则 一）一）机械零件的工作能力机械零件

7、的工作能力零件的工作能力零件的工作能力 是指在一定的运动、载荷和环境情况下是指在一定的运动、载荷和环境情况下，在预定的使用期限内，不发生失效的安全工作限度。，在预定的使用期限内，不发生失效的安全工作限度。二）机械零件的主要失效形式：二）机械零件的主要失效形式：疲劳断裂疲劳断裂工作应力超过零件的疲劳极限工作应力超过零件的疲劳极限r r引起引起过载断裂过载断裂工作应力超过材料的强度极限工作应力超过材料的强度极限B B引起引起1 1断裂断裂失效失效机械零件由于某种原因不能正常工作（不等于破坏）机械零件由于某种原因不能正常工作（不等于破坏） 过大弹性变形过大弹性变形零件的刚度不够引起零件的刚度不够引起

8、2 2变形变形塑性变形塑性变形工作应力超过材料的屈服极限工作应力超过材料的屈服极限S S引起引起潘存云教授研制轮齿塑性变形轮齿塑性变形轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形压溃、过度磨损压溃、过度磨损零件接触表面上的压应力零件接触表面上的压应力p p过大过大胶胶 合合 零件工作温升零件工作温升t t过高引起过高引起表面疲劳损坏表面疲劳损坏零件表面接触应力零件表面接触应力H过大引起过大引起 3 3表面表面 失效失效潘存云教授研制轴瓦磨损轴瓦磨损潘存云教授研制齿面接触疲劳齿面接触疲劳齿面胶合齿面胶合 计算准则计算准则 用于计算并确定零件基本尺寸的主要依用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据。对于具体的零件

9、，应根据它们的主要失效形式，采用据。对于具体的零件，应根据它们的主要失效形式，采用相应的计算准则。常用的计算准则有：相应的计算准则。常用的计算准则有： 三）机械零件的计算准则三）机械零件的计算准则1 1强度准则性强度准则性 针对零件断裂、塑性变形或表面疲劳针对零件断裂、塑性变形或表面疲劳 损坏失效损坏失效强度强度 指零件在载荷作用下抵抗断裂或塑性变形的能力。强指零件在载荷作用下抵抗断裂或塑性变形的能力。强度是保证零件工作能力的最基本要求。若零件的强度不够，不度是保证零件工作能力的最基本要求。若零件的强度不够，不仅因为零件的失效使机械不能正常工作，还可能导致安全事故。仅因为零件的失效使机械不能正

10、常工作，还可能导致安全事故。强度的计算准则为：强度的计算准则为： MPa MPa 或或 针对断裂或塑性变形针对断裂或塑性变形 H H H H 针对表面疲劳损坏针对表面疲劳损坏2 2刚度准则刚度准则 针对过大弹性变形针对过大弹性变形刚度刚度 指零件在一定载荷作用下抵抗过大弹性变形的能力。指零件在一定载荷作用下抵抗过大弹性变形的能力。刚度是保证机正常工作，提高机床加工产品质量的基本要求。刚度是保证机正常工作，提高机床加工产品质量的基本要求。刚度的计算准则为刚度的计算准则为:y y :y y ； ； 式中，式中，y y、和和 分别为零件工作时的挠度、偏转角分别为零件工作时的挠度、偏转角 和扭转角；和

11、扭转角； 3 3耐磨性准则耐磨性准则 针对过度磨损、胶合破坏针对过度磨损、胶合破坏耐磨性耐磨性指零件在载荷作用下相对运动的两零件接触界的抗磨指零件在载荷作用下相对运动的两零件接触界的抗磨损面能力。耐磨性是保证有相对运动的零件正常工作的基本要损面能力。耐磨性是保证有相对运动的零件正常工作的基本要求。其验算式为：求。其验算式为：p p p p 防止过度磨损防止过度磨损 pv pvpv pv 防止胶合破坏防止胶合破坏 计算准则计算准则 4 4振动和噪声准则振动和噪声准则 针对高速机械的振动失稳针对高速机械的振动失稳（即共振）当零件的固有振动频率（即共振）当零件的固有振动频率f f等于或趋近于零件的等

12、于或趋近于零件的强迫振动频率强迫振动频率f f p p时，将产生共振。这不仅影响机械正常时，将产生共振。这不仅影响机械正常工作，甚至造成破坏性事故，而振动又是产生噪声的主要工作，甚至造成破坏性事故，而振动又是产生噪声的主要原因。原因。防止共振的条件为：防止共振的条件为：f f p p 0 087 f 87 f 或或 f f p p 1 118 f18 f式中，式中，f f 零件的固有振动频率，取决于零件的质量和零件的固有振动频率，取决于零件的质量和 刚度刚度 f f p p 零件受激振源作用引起的强迫振动频率零件受激振源作用引起的强迫振动频率计算准则计算准则一载荷和应力的类型一载荷和应力的类型

13、一）载荷一）载荷静载荷静载荷 大小和方向均不随时间变化的载荷大小和方向均不随时间变化的载荷变载荷变载荷 大小或方向随时间变化的载荷大小或方向随时间变化的载荷静应力静应力 大小和方向均不随时间变化（或变大小和方向均不随时间变化（或变 化极缓慢）的应力化极缓慢）的应力变应力变应力 大小和方向，或大小或方向随时大小和方向，或大小或方向随时 变化的应力变化的应力 二）应力二）应力1-3 1-3 机械零件的强度计算机械零件的强度计算 机械设计应满足的要求很多，但强度要求是所有机械设计应满足的要求很多，但强度要求是所有零件都必须满足的首要条件，而强度计算必需确定零件都必须满足的首要条件，而强度计算必需确定

14、作用于零件上的载荷和应力。作用于零件上的载荷和应力。 工作载荷工作载荷 机器正常工作时所承受的实际载荷（实测载荷谱）机器正常工作时所承受的实际载荷（实测载荷谱） FKFCTKTCTP kwn rpmNm955 103.考虑各种附加载荷的影响考虑各种附加载荷的影响K K载荷系数载荷系数计算载荷计算载荷名义载荷名义载荷 按原动机功率求得的载荷按原动机功率求得的载荷P P功率功率n n机器转速机器转速静应力静应力 应力不随时间而变化应力不随时间而变化 稳定循环稳定循环 不随时间变化不随时间变化 不稳定循环不稳定循环 变化有规律变化有规律变应力变应力 应力随时间而变化应力随时间而变化随机随机 变化无规

15、律变化无规律本课程仅讨论循环变应力本课程仅讨论循环变应力载荷载荷应力应力( (考虑内部和外部附加动载荷而引入的系数）考虑内部和外部附加动载荷而引入的系数）2 2变应力参数及典型变应力变应力参数及典型变应力1 1）变应力参数：）变应力参数：最大应力：最大应力：maxmax 最小最小应力：应力：minmin应力循环特征：用来表示应力的应力循环特征：用来表示应力的变化情况变化情况 =minmin/maxmax2 2）典型变应力及应力循环特征）典型变应力及应力循环特征平均平均应力：应力：2minmaxm2minmaxm应力幅：应力幅：maxmaxmminaat t一载荷和应力的类型一载荷和应力的类型应

16、力类型应力类型a）静应力：）静应力：= +1 变应力特例变应力特例b）非对称循环变应力）非对称循环变应力 在（在（+1-1）间变化）间变化maxmaxmminaat tt t =常数常数c）对称循环变应力）对称循环变应力= -1t tamaxmaxmind）脉动循环变应力）脉动循环变应力= 0t taamaxmaxm一载荷和应力的类型一载荷和应力的类型二机械零件的失效形式及强度条件式二机械零件的失效形式及强度条件式静应力作用下静应力作用下过载断裂、塑性变形过载断裂、塑性变形 二）二）零件强度条件式：零件强度条件式： = = limlim / / S S 材料的极限应力材料的极限应力安全系数安全

17、系数脆性材料制造的零件：脆性材料制造的零件：lim =b 塑性材料制造的零件：塑性材料制造的零件：lim =S 1 1静应力作用下静应力作用下 零件极限应力零件极限应力 2 2变应力作用下零件变应力作用下零件限应力限应力 limlim = = NN疲劳极限疲劳极限一）零件的失效形式一）零件的失效形式变应力作用下变应力作用下疲劳破坏约占零件损坏事故中疲劳破坏约占零件损坏事故中的的80% 80% 。 3. 3.安全系数安全系数S S的取值对零件的结构尺寸、工作可靠性均的取值对零件的结构尺寸、工作可靠性均有影响，设计时应根据零件的重要性、零件材料的质量、栽有影响，设计时应根据零件的重要性、零件材料的

18、质量、栽荷计算准确性等方面，合理选取，具体数值可参考设计资料。荷计算准确性等方面，合理选取，具体数值可参考设计资料。(1) 零件损坏机理零件损坏机理静应力作用下：静应力作用下：危险剖面塑性变形或断裂危险剖面塑性变形或断裂变应力作用下：变应力作用下： 疲劳断裂疲劳断裂零件表面应力超过极限值零件表面应力超过极限值微裂纹微裂纹扩展扩展断裂断裂(2) 极限应力极限应力静应力极限应力：静应力极限应力： 与材料性能有关与材料性能有关变应力疲劳极限：变应力疲劳极限： 与材料有关外，还与与材料有关外，还与循环特征循环特征r r 应力循环次数应力循环次数N N 有关有关 应力集中、绝对尺寸、表面状态应力集中、绝

19、对尺寸、表面状态三）零件损坏机理和极限应力三）零件损坏机理和极限应力三三机械零件机械零件材料材料的的疲劳极限疲劳极限描述描述应力循环次数应力循环次数N N和疲劳极限和疲劳极限NN间关系的曲线，其横坐标为间关系的曲线，其横坐标为应力循环次应力循环次数数N N，纵坐标为纵坐标为疲劳极限疲劳极限NN疲劳曲线疲劳曲线无限寿命区无限寿命区有限寿命区有限寿命区N0N1N1N2N2NN NN0 一一） N N 疲劳曲线疲劳曲线（等等应力循环特征应力循环特征的不等寿命的不等寿命N N曲线）曲线）)NN(CNDmrNDD点以后的疲劳曲线呈一水点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区，平线，代表着无限寿命区，

20、其方程为：其方程为： )DrrNNN （ 由于由于N ND D很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数循环次数N N0 0( (称为循环基数称为循环基数) )，用，用N N0 0及其相对应的疲及其相对应的疲劳极限劳极限r r来近似代表来近似代表N ND D和和 rr，于是有：，于是有：机械零件的疲劳大多发生在N曲线D D点以前点以前，可用下式描述：CNN0mrmrN有限寿命区间内循环次数有限寿命区间内循环次数N N与疲劳极限与疲劳极限rN的关系为：的关系为：式中，式中， r r、N0及及m的值由材料试验确定。的值由材料试验确定。m0rrNNN0mrNrN

21、NN应力循环次数应力循环次数N = 60 n th 每转受载次数每转受载次数使用寿命（使用寿命（h）转速（转速（r/min）用用疲劳曲线求取疲劳曲线求取疲劳极限疲劳极限NN的方法的方法无限寿命区无限寿命区（NNNN0 0） 疲劳极限：疲劳极限：NN = = ， k kN N = 1 = 1rNmrrNKNN0k kN N 寿命系数寿命系数有限寿命区（有限寿命区（N NN N0 0) )疲劳极限疲劳极限: :二）极限应力线图（等寿命疲劳曲线）二）极限应力线图（等寿命疲劳曲线） 机械零件材料的疲劳特性除用机械零件材料的疲劳特性除用 N N曲线表示外曲线表示外，还可用等寿命曲还可用等寿命曲线来描述。

22、该曲线表达了不同应力比时疲劳极限的特性。线来描述。该曲线表达了不同应力比时疲劳极限的特性。在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。用用A A C C折线表示零件材料的极限应力线图是其中一种近似方法。折线表示零件材料的极限应力线图是其中一种近似方法。A A 直线的方程为：直线的方程为：ma1smaC C 直线的方程为：直线的方程为：0012为试件受循环弯曲应力时的材为试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定：料常数，其值由试验及下式决定：对于碳钢，对于碳钢， 0.10.10.20.2，对于合金钢，对于合金钢， 0.20.20.30.

23、3。极限应力线图极限应力线图材料的疲劳特性不同应力循环特征不同应力循环特征 r 时的疲劳极限时的疲劳极限材料的极限应力材料的极限应力简图简图r已知材料的机械性能已知材料的机械性能)(01bSr可作可作简图简图对于对于n n 点点 ( (工作应力为工作应力为和和am)tgtgrmamaamam11/1/1应力循环特征：应力循环特征：对应的疲劳极限：对应的疲劳极限：)()(1mamaamr等效系数等效系数0012折线折线ADGADG上任一点上任一点 代表不同代表不同 r r 时材料的疲劳极限时材料的疲劳极限(,)ma塑性材料的极限应力图塑性材料的极限应力图零件的极限应力图还应考虑应力集中、绝对尺寸

24、、表面状态的影响零件的极限应力图还应考虑应力集中、绝对尺寸、表面状态的影响应力集中：零件剖面几何形状突变处疲劳极限降低应力集中：零件剖面几何形状突变处疲劳极限降低)(KK用应力集中系数用应力集中系数来考虑来考虑绝对尺寸：剖面绝对尺寸大、出现缺陷概率大、疲劳极限降低绝对尺寸：剖面绝对尺寸大、出现缺陷概率大、疲劳极限降低用绝对尺寸系数用绝对尺寸系数来考虑来考虑)(表面状态表面状态：表面光滑或强化处理、能提高疲劳极限：表面光滑或强化处理、能提高疲劳极限用用表面状态表面状态系数系数来考虑来考虑KKD)(综合影响系数综合影响系数或或考虑各因素影响考虑各因素影响KKD)(机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲

25、劳强度计算1 1四.机械零件的疲劳强度计算一）零件的极限应力线图一）零件的极限应力线图 由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因素等的由于零件几何形状的变化、尺寸大小、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。影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。 以弯曲疲劳极限的综合影响系数以弯曲疲劳极限的综合影响系数表示材料对称循环弯曲疲劳极限表示材料对称循环弯曲疲劳极限-1-1与零件对称循环弯曲疲劳极限与零件对称循环弯曲疲劳极限-1e-1e的比值，即的比值，即e11K在不对称循环时，在不对称循环时，是试件与零件极限应力幅的比值。是试件与零件极限应力幅的

26、比值。 将零件材料的极限应力线图将零件材料的极限应力线图中的直线中的直线ADG 按比例向下移，按比例向下移，成为右图所示的直线成为右图所示的直线ADG，而极，而极限应力曲线的限应力曲线的 CG 部分，由于是部分，由于是按照静应力的要求来考虑的，故按照静应力的要求来考虑的，故不须进行修正。这样就得到了零不须进行修正。这样就得到了零件的极限应力线图。件的极限应力线图。 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算2 2机械零件的疲劳强度计算二）单向稳定变应力时的疲劳强度计算二）单向稳定变应力时的疲劳强度计算进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面

27、上的 max max 及及 minmin确确定平均应力定平均应力m m 与应力幅与应力幅a a 然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点应力点M M或或N N。连接。连接OMOM，ONON得到得到M MN N为为 根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律，从而决根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律，从而决定以哪一个点来表示极限应力。定以哪一个点来表示极限应力。机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种： 应力比为常数：应力比为常数：r=Cr=C 平均应力为常数平均应

28、力为常数m m=C=C 最小应力为常数最小应力为常数minmin=C=C相应的疲劳极限应力。相应的疲劳极限应力。 是极限是极限应力曲线上的某一个点所代表的应力。应力曲线上的某一个点所代表的应力。),(am计算安全系数及疲劳强度条件为：计算安全系数及疲劳强度条件为：SSamammaxmaxca在（在（K K），（）修正修正极限应力图上极限应力图上OGOG线将图形分线将图形分为两个区域为两个区域当工作应力点落在当工作应力点落在OAGOAG内内 线线OGOG对应的应力对应的应力循环特性循环特性r r为为)()(1001SSr当工作应力点落在当工作应力点落在OAGOAG内内零件产生零件产生疲劳破坏疲劳

29、破坏零件产生零件产生塑性变形塑性变形当零件由中低碳钢制造（当零件由中低碳钢制造（塑性材料塑性材料）ramDamK1()()rs注意疲劳区的界定注意疲劳区的界定单向应力状态下的安全系数（当常数时）单向应力状态下的安全系数（当常数时）安全系数定义：安全系数定义：caSlim对于塑性材料对于塑性材料)(1SKSmaD)()(1001SSr即即时时)()(1001SSr即即时时)(SSmaS以上正应力公式，用以上正应力公式，用替代替代则对剪应力同样适用则对剪应力同样适用当应力在疲劳破坏区当应力在疲劳破坏区当应力在静强度区当应力在静强度区例有一热轧合金钢零件，其材料的抗弯疲劳极限：658MPa，400M

30、Pa，屈服极限189Mpa，应力幅为129Mpa ，零件的应力集中系数1.26，尺寸系数，核验此零件是否安全。 658MPa，780MPa，所承受的弯曲变应力0.78，表面状态系数1。应力的循环特性系数为常数,如取安全系数Smin1.5 解：(1)(2)因(3)(4)故得因此，该零件安全。零件产生疲劳破坏零件产生疲劳破坏4 4机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算四）双向稳定变应力时的疲劳强度计算四）双向稳定变应力时的疲劳强度计算当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力a a 和和a a时，可得出的极时，可得出的极限应力关系式为：限应力关系

31、式为：12e1a2e1a式中式中 a a及及a a为同时作用的切向及法向应为同时作用的切向及法向应力幅的极限值力幅的极限值。若作用于零件上的应力幅若作用于零件上的应力幅a a及及a a如图中如图中M M点表示，则由于此工作应力点在点表示，则由于此工作应力点在极限以内，未达到极限条件，因而是安全的。极限以内，未达到极限条件，因而是安全的。 由于是对称循环变应力，故应力幅即由于是对称循环变应力，故应力幅即为最大应力。弧线为最大应力。弧线 AMB AMB 上任何一个点即代上任何一个点即代表一对极限应力表一对极限应力a a及及a a。计算安全系数：计算安全系数：22caSSSSOMOMSmaDKS)(

32、1其中其中maDKS )(1计算安全系数：计算安全系数：22caSSSSS四、不稳定变应力状态下机械零件的疲劳强度计算四、不稳定变应力状态下机械零件的疲劳强度计算1 1不稳定变应力的种类不稳定变应力的种类图图c-c-非规律性的随机变应力。非规律性的随机变应力。不稳定变应力谱如图示不稳定变应力谱如图示 由多个循环相同的应力组成，由多个循环相同的应力组成，每一循环有若干不同的应力组，每一循环有若干不同的应力组，各组的变应力完全相同。各组的变应力完全相同。图图a-a-规律性的不稳定变应力规律性的不稳定变应力图图b b与图与图a a相似，但每相似，但每循环循环内内的变应力不等的变应力不等 本教材主要介

33、绍零件在规本教材主要介绍零件在规律性不稳定变应力作用下的零律性不稳定变应力作用下的零件的疲劳强度计算件的疲劳强度计算规律性不稳定变应力规律性不稳定变应力、疲劳损伤累积假说疲劳损伤累积假说曼耐尔曼耐尔(Miner)(Miner)定理定理 若应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用，若应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用，则应力则应力 1 每循环一次对材料的损伤率即为每循环一次对材料的损伤率即为1/N1，而循，而循环了环了n1次的次的1对材料的损伤率即为对材料的损伤率即为n1/N1。如此类推，循。如此类推，循环了环了n2次的次的2对材料的损伤率即为对材料的损伤率即为n2/N2，。不稳定不稳定变

34、应力变应力规律性规律性非规律性非规律性用统计方法进行疲劳强度计算用统计方法进行疲劳强度计算按损伤累按损伤累积积假说进行疲劳强度计算假说进行疲劳强度计算如汽车钢板弹簧的载荷与应力受载重量、行车速度、轮胎充气成都、路面状况、驾驶员水平等因素有关。2n23n34n4maxnOmaxNO1n1N12 n2N23 n3 N3-1 -1 ND而低于而低于-1的应力可以认为不构成破坏作用。的应力可以认为不构成破坏作用。 n11 当损伤率达到当损伤率达到100%时，材料即发生疲劳破坏，故对时，材料即发生疲劳破坏，故对应于极限状况有：应于极限状况有：1.3322111NnNnNnNnziii实验表明：实验表明：

35、 1）当应力作用顺序是先大）当应力作用顺序是先大 后小时，等号右边值后小时，等号右边值 1； 11ziiiNn11ziiiNn一般情况有：一般情况有： 2 . 27 . 01ziiiNnmiiNN10其中：mzimiiNn101mzimiicanN101SScaca1若材料在这些应力作用下，未达到破坏，则有：若材料在这些应力作用下，未达到破坏，则有：令不稳定变应力的计算应力为令不稳定变应力的计算应力为：则：则： ca -1 ，其强度条件为：，其强度条件为：1).(1101221110mzimiimzzmmmNnnnnN极限情况极限情况： 、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算、单向不稳定变应力时的

36、疲劳强度计算以上介绍的是当量应力计算法如要了解当量循环次数法请看教材以上介绍的是当量应力计算法如要了解当量循环次数法请看教材1-4 1-4 机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题一、机械中的摩擦一、机械中的摩擦 、干摩擦：表面间无任何润滑剂或、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，摩擦保护膜的纯金属接触时的摩擦，摩擦系数一般大于系数一般大于0.1 0.1 、边界摩擦：表面间被极薄的润、边界摩擦：表面间被极薄的润滑膜所隔开，且摩擦性质与润滑剂滑膜所隔开，且摩擦性质与润滑剂的粘度无关而取决于两表面的特性的粘度无关而取决于两表面的特性和润滑油油性的摩擦，摩

37、擦系数约和润滑油油性的摩擦，摩擦系数约在在0.010.010.1 0.1 、流体摩擦：表面间的润滑膜把、流体摩擦：表面间的润滑膜把摩擦副完全隔开，摩擦力的大小取摩擦副完全隔开，摩擦力的大小取决于流体分子内部摩擦力的摩擦，决于流体分子内部摩擦力的摩擦，摩擦系数可达摩擦系数可达0.0010.0010.008 0.008 边界摩擦和混合摩擦在边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统工程实际中很难区分，常统称为不完全液体摩擦。摩擦称为不完全液体摩擦。摩擦状态可以随工作状况的改变状态可以随工作状况的改变而变化，如滑动轴承而变化，如滑动轴承、混合摩擦：摩擦副处于干摩擦、混合摩擦：摩擦副处于干摩擦、边界

38、摩擦和流体摩擦混合状态时的摩边界摩擦和流体摩擦混合状态时的摩擦擦 f n/p o边界摩擦边界摩擦混合摩擦混合摩擦液体摩擦液体摩擦摩擦特性曲线摩擦特性曲线称无量纲参数称无量纲参数n/p-轴承特轴承特性数为横坐标。其摩擦特性性数为横坐标。其摩擦特性曲线如图示曲线如图示 -动力粘度，p-压强 ，n-每秒转数 二、机械中的磨损二、机械中的磨损、磨损的定义：、磨损的定义：由于摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧由于摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移失或迁移2 2、磨损过程、磨损过程机器的寿命机器的寿命磨损曲线磨损曲线 磨合阶段磨合阶段 磨损量磨损量时间时间剧烈磨剧烈磨损阶段损阶段 稳定磨损阶段稳定磨损阶段

39、 磨损过程大致如图所示：磨损过程大致如图所示： 磨合阶段磨合阶段-包括摩擦表包括摩擦表面轮廓峰的形状变化和表面面轮廓峰的形状变化和表面材料被加工硬化两个过程材料被加工硬化两个过程。稳定磨损阶段稳定磨损阶段-零件在零件在平稳而缓慢的速度下磨损。平稳而缓慢的速度下磨损。它标志着磨擦条件相对稳定。剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段-在经过稳定磨损阶段后，零件表面遭在经过稳定磨损阶段后，零件表面遭到破坏，运动副间隙增大引起而外的动载荷和振动。零到破坏，运动副间隙增大引起而外的动载荷和振动。零件即将进入报废阶段。件即将进入报废阶段。 设计机器时，要求缩短磨合期、延长稳定期、推迟剧烈设计机器时，要求缩短磨合期、延长

40、稳定期、推迟剧烈磨损期的到来。磨损期的到来。它是磨损的不稳定阶段，在整个寿命周期内时间很短。粘着磨损：粘着磨损：磨损类型磨损类型磨粒磨损：磨粒磨损：摩擦表面的微凸体在相互作用的各摩擦表面的微凸体在相互作用的各点发生粘着作用，使材料由一表面点发生粘着作用，使材料由一表面转移到另一表面的磨损转移到另一表面的磨损摩擦表面间的游离硬颗粒或硬的微凸体峰间在较摩擦表面间的游离硬颗粒或硬的微凸体峰间在较软的材料表面上犁刨出很多沟纹的微切削过程软的材料表面上犁刨出很多沟纹的微切削过程表面疲劳磨损表面疲劳磨损 ：摩擦表面受循环接触应力作用到达一定程度时，摩擦表面受循环接触应力作用到达一定程度时，就会在零件工作表

41、面形成疲劳裂纹，随着裂纹的就会在零件工作表面形成疲劳裂纹，随着裂纹的扩展与相互连接，会造成许多微粒从零件表面上扩展与相互连接，会造成许多微粒从零件表面上脱落下来，致使表面上出现许多浅坑，这种磨损脱落下来，致使表面上出现许多浅坑，这种磨损过程即为疲劳磨损；过程即为疲劳磨损；腐蚀磨损：腐蚀磨损：在摩擦过程中金属与周围介质发生化学在摩擦过程中金属与周围介质发生化学反应而引起的磨损反应而引起的磨损 三、机械中的润滑三、机械中的润滑 功用：功用：；减少或防止磨损；降低摩擦功耗，减少或防止磨损；降低摩擦功耗，降低温升；降低温升；防锈；防锈； 缓冲和吸振缓冲和吸振流体润滑弹性流体动力润滑 流体静力润滑是指借

42、助外部供入的压力油形成的流体膜来承受外载荷的 润滑方式。流体静力润滑 边界润滑 降低摩擦降低摩擦一）、一）、 润滑剂润滑剂 作用：降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等。作用：降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等。分类分类液体液体润滑剂润滑剂-润滑油润滑油半固体半固体润滑剂润滑剂-润滑脂润滑脂固体固体润滑剂润滑剂1. 润滑油润滑油 矿物油来源充足、成本低廉、稳定性好、因而应用最广。矿物油来源充足、成本低廉、稳定性好、因而应用最广。种类：种类：气体气体润滑剂润滑剂-空气空气有机油有机油-动、植物油动、植物油矿物油矿物油-石油产品，石油产品， 化学合成油化学合成油 A在轴承中，润滑油最重

43、要的物理参数是粘度，它是选择润滑油的主要依据。粘度表征液体流动的内摩擦特性。A、B两板之间充满了液体，B板静止，A板水平移动速度为v。由于液体与金属表面的吸附作用，A板表面的液体速度为v，而B板表面的液体速度为0。两板之间的速度呈线性分布。液体层与层之间摩擦切应力：液体层与层之间摩擦切应力：=dudy-流体中任意点处的切应力与该处的速度梯度成正比。流体中任意点处的切应力与该处的速度梯度成正比。-液体的动力粘度，简称粘度液体的动力粘度，简称粘度量纲：力量纲：力时间时间/ /长度长度2单位：单位： N s /m/m2 (Pa s s) 称为泊称为泊 。或厘泊：或厘泊：1P=1 dyn s /cm/

44、cm2 实验结果：实验结果： oxyydydu分析位置y处薄层的受力 B粘度粘度-重要指标，重要指标，粘度值越高，油越稠，反之越稀；粘度值越高，油越稠，反之越稀； 粘度的种类粘度的种类动力粘度动力粘度运动粘度运动粘度条件粘度条件粘度1) 动力粘度动力粘度- 牛顿液体流动定律牛顿液体流动定律 1泊泊=100厘泊厘泊工程中常用工程中常用运动粘度：运动粘度： = 单位：单位： m m2 / / s 称为斯称为斯St：cmcm2 / /s 或厘斯或厘斯cSt：1St=100 cSt1St=100 cSt2) 运动粘度运动粘度 表表10-1 常用常用润滑油的主要性质常用常用润滑油的主要性质名名 称称全损

45、耗全损耗系统用油系统用油GB443-89汽轮机油汽轮机油GB11120-89代代 号号40 的粘度的粘度mm2/sL- -AN7 6.127.48 - -10 110凝点凝点 C闪点闪点(开式开式) C用于高速底负荷机械、用于高速底负荷机械、精密机床、纺织纱锭的精密机床、纺织纱锭的润滑和冷却。润滑和冷却。普通机床的液压油。普通机床的液压油。用于一般滑动轴承、用于一般滑动轴承、齿轮、蜗轮的润滑齿轮、蜗轮的润滑用于重型机床导轨、用于重型机床导轨、矿山机械的润滑。矿山机械的润滑。用于汽轮机、发电机等用于汽轮机、发电机等高速高负荷轴承和各种高速高负荷轴承和各种小型液体润滑轴承小型液体润滑轴承L-AN1

46、00 90110 0 210L- -AN10 9.011.0 - -10 125L- -AN15 13.516.5 - -10 165L- -AN32 28.832.2 - -10 170L- -AN46 41.450.6 - -10 180L- -AN68 61.274.8 - -10 190L-TSA32 28.835.2- -7 180L-TSA46 41.450.6主要用途主要用途润滑油的特性：润滑油的特性： 1）粘）粘-温相关性温相关性 温度温度 t 压力压力p 但但p 10 Mpa时可忽略。时可忽略。变化很小 粘粘-温温图图 0.080.080.070.070.060.060.05

47、0.050.040.040.030.030.020.020.010.013030 4040 50506060 7070 8080 9090L-TSA32L-TSA32L-TSA32L-TSA32选用原则：选用原则：1) 载荷大、温度高的轴承，宜选用粘度大的油；载荷大、温度高的轴承，宜选用粘度大的油；2) 载荷小、转速高的轴承，宜选用粘度小的油；载荷小、转速高的轴承，宜选用粘度小的油； 粘度值的大小不仅影响粘度值的大小不仅影响摩擦副的运动阻力，而且摩擦副的运动阻力，而且对润滑油膜的形成及承载对润滑油膜的形成及承载能力具有决定性的作用。能力具有决定性的作用。2）润滑性（油性）润滑性（油性） 润滑性是指润滑油中的分子与金属表面吸附形成润滑性是指润滑油中的分子与金属表面吸附形成一边界油膜，以减小摩擦和磨损。润滑性愈好，吸附一边界油膜，以减小摩擦和磨损。润滑性愈好，吸附能力愈强。对于那些低速重载或润滑不充分的场合，能力愈强。对于那些低速重载或润滑不充分的场合，润滑性具有特别重要的意义。润滑性具有特别重要的意义。3）极压性）极压性 润滑性能是润滑油中加入含硫、氯、磷的有机极润滑性能是润滑油中加入含硫、氯、磷的有机极性化合物之后，油中的极性分子在金属表面生成抗磨、性化合物之后，油中的极性分子在金属表面生成抗