机械零件学习指导书

1、机械零件学习指导书第一章 机械零件设计和计算基础一、主要内容本章主要介绍了机械设计中的基本问题及其重要意义，如机械设计的基本要求，机械零件的主要失效形式和工作能力的计算准则，经济性、工艺性、标准化、通用化、系列化的重要意义，还着重讨论了机械零件的强度问题以及摩擦、磨损和润滑的基本问题和基本理论。1.机械设计的基本问题涉及机械零件的基本要求，概括起来讲就是：工作可可靠成本低廉。判定机械零件工作能力的基本准则是：强度、刚度、振动稳定性和工作可靠性等；实现机械零件成本低廉的经济准则是：正确选用材料，合理确定精度等级，具有良好的工艺性、实现标准化、通用化、系列化等。机械零件的主要失效形式有：突然断裂和

2、疲劳断裂，过大的残余变形，零件的各种表面失效，如表面磨损、疲劳点蚀、胶合、塑性变形、腐蚀，等还有靠摩擦力工作的零件的打滑，高温下工作零件的热变形和热应力，以及蠕变，高速旋转零件的共振等。据其不同的失效形式，可以得出机械零件工作能力的基本要求和计算准则，主要是：（1）强度应满足的条件为 或 式中：机械零件的静力强度或疲劳强度的基本需用应力；n、nmin安全系数、最小安全系数；需用应力。（）刚度应满足的条件为或作用下的抗磨损能力。应力； 式中：、机械零件的变形及许用变形量；、机械零件的变角及许用变形角。（）耐磨性主要指零件在载荷作用下的抗磨损能力。（）振动稳定性一般用振幅和频率两个参数来表示。早高

3、速运转的机械中，却动起震动稳定性问题显得十分重要。（）可靠性至机械或零件在规定的条件下，和预期的试用期内，完成其功能而不发生故障的概率。可靠性是指机械设计中应该考虑的重要问题。机械零件的强度这部分内容在材料力学中已经讲述过，本章只是结合机械零件的强度计算中的问题加以阐述。机械零件在在和作用下产生的应力可以分为体积应力和表面应力量大类。在静应力工作下的机械零件的体积应力主要运用材料力学的强度理论计算公式，而其表面应力主要以表面接触形式出现，运用弹性力学中的赫兹公式计算。在稳定变应力下工作的机械零件，起失效形式是疲劳破坏。本节主要介绍了材料力学中材料的疲劳极限和疲劳曲线，并着重介绍了变应力的极限应

4、力图。材料在不同的循环特性下有不同的疲劳极限，可以用极限应力图表示。常用的是以平均应力为横坐标，应力幅为纵坐标的极限应力图（图）曲线为极限应力曲线，为对称循环点（，），为循环点（），为静应力点（，），对塑性材料曲线可以简化为，。为使工作应力不超过材料屈服极限，电应在（，）上，过点作交线于点。在线上的任何一点极限应力为，由此可得式中：为等效系数，可以理解为通过将 折算为 ，其数值与材料有关。影响零件疲劳强度的主要因素是：1）应力集中；2)绝对尺寸；3）表面状态。它们分别可以用应力集中系数，尺寸系数，表面质量系数表示。(若为切向应力则以表示)。零件受单向稳定变应力作用时,变应力的应力幅 (或)必须

5、计入应力集中系数(或)、尺寸系数（或）和表面质量系数（或）的影响。变应力中的平均应力（或）是不变应力部分，应通过等效系数（或）将其折算为应力幅，由此可求得当量应力幅 ，就可以引用极限应力 计算安全系数 即当r>0,以屈服极限为极限应力时，还算验算静力强度，其安全系数计算式为对于脆性材料在双向稳定变应力（复合应力）情况下，其安全系数n的计算公式为在不稳定变应力作用下的机械零件强度，则可以运用现行累计损伤理论（Miner法则）来解决。3.摩擦、磨损和润滑概述本节主要了摩擦、磨损和润滑的基本知识和基本概念，重点论述了流体的内摩擦定律和流体动压润滑，也介绍了弹性流体动压润滑。摩擦 可以分为外摩擦

6、和内摩擦。相互接触的物体表面做相对运动时的摩擦称为外摩擦；物体本身一部分和另外一部分相对运动时的摩擦称为内摩擦。按摩擦表面之间润滑油量和有层厚度的差别，摩擦大致可以分为三种状态：流体摩擦、边界摩擦和干摩擦。流体摩擦数内摩擦，吸附膜和反应膜之间相互滑动的边界摩擦和干摩擦都属于外摩擦。润滑 可以分为流体润滑和边界润滑两大类。流体润滑油可以分为流体动压润滑，流体静压润滑和弹性流体动压润滑三种。流体动压润滑是靠摩擦表面的几何形状和相对运动，并借助于粘性流体的动力学作用产生压力，以平衡外载荷。弹性流体动压润滑是在经典润滑力学基础上，把摩擦提视为弹性体，并考虑润滑油的粘度压力效应，从而建立起来的理论。磨损

7、 按其破坏机理，可以分为粘着摩擦、腐蚀磨损、磨料磨损和解除疲劳磨损四种。一般情况下，机械零件正常运行的磨损过程可分为三个阶段：跑合阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段。表面形貌和表面结构对摩擦、磨损和润滑的研究有密切关系，所以本节对金属的表面形貌和表面结构做了简要介绍。（2）流体的内摩擦定律假定流体是不可压缩的并且作层状流动（图1-3）实验观察结果表明，大多数流体的剪切阻力与其速度梯度成正比，它们之间的相互关系式即称为流体内摩擦定律（即牛顿定律：）式中是比率常数，即流体的粘度。“”表示剪切阻力的方向与速度方向相反，流体粘度有动力粘度、运动粘度和条件粘度，运动粘度的量纲为，国际单位为n.s/m2或P

8、a.s,物理单位为Dyne.s/cm2记为P(泊，Poise);运动粘度为流体的动力粘度与同温度下流体密度的比值，其量纲为=L2/ s,国际单位为m2/s,物理单位为cm2/s,记为St(斯，Stoke)；条件粘度是用各种条件粘度计测得的粘度，我国常用恩氏粘度。粘度与温度的关系：一般润滑油的粘度随温度的升高而显著下降。粘度与压力的关系：润滑油的粘度随压力升高而增大，通常压力p在5Mp以下时，粘度随压力的变化很小，可以忽略不记。而当压力p在100Mp以上时，则粘度随压力增高而显著增大，不容忽视。（3）流体动压润滑（i）流体动压润滑的基本方程雷诺方程。这个方程是在作如下假设条件下推导求出的：a)流

9、体是粘性的，服从牛顿内摩擦定律、并作层流运动；b)流体是不可压缩的；c)忽略流体的重量及惯性影响；d)忽略流体的粘度压力效应；e)摩擦表面为理想光滑表面。对于一般参数普通流体动压润滑轴承计算，常用一维雷诺方程 （式166）式子：油压p沿x方向的变化率；流体粘度；U移动刚体表面速度；h0流体油膜中压力最大（=0）处两摩擦表面的最大间隙。若考虑流体沿z方向有漏泻，则考虑有限长雷诺方程，即 （式167）（ii）润滑油膜压力产生的机理由（式167）可见方程等式左边表示润滑油膜压力p的分布，方程右边表示润滑油膜压力组成的三部分，即油楔效应，表面伸缩效应和挤压效应，其影响最大的是油楔效应。摩擦副间流体层内

10、产生压力的必要条件是：1）摩擦表面必须形成相互倾斜的楔形间隙，且润滑流体是由大口走向小口；2）两表面间必须有足够的相对运动；3)流体有一定的粘度。1-1 机械零件常见的时效性是有那些?1-2 对机械零件的工作能力要求和相应的计算准则是什么?1-3机械零件厂用材料有哪些?这些材料各有何特点?1-4选用机械零件材料时要考虑哪些问题?1-5 什么样的机械零件称为具有良好的工艺性?1-6 设计机械零件时,要从哪些方面考虑及如何改善零件的工艺性?1-7 如何区别工作载荷、额定载荷和计算载荷?1-8 如何计算机械零件的表面应力?1-9 如何区别机械零件在变应力作用下所产生的”疲劳破坏”和”脆性破坏”?1-

11、10列式说明“寿命系数”的一般表达形式并说明相应的符号的意义。1-11如何绘制优质碳素钢的“简画极限应力图”？1-12影响机械零件疲劳强度的主要因素有哪些？1-13列式说明在复合应力作用下计算机械零件安全系数的普遍表达式并说明式中有关符号的意义。1-14试述“线性累积损伤理论”及其依据。1-15列式说明“应力这算系数”的涵义、表达式及相应符号的意义。1-16试说明牛顿内摩擦定律中、及的意义。1-17什么是流体的粘度、动力粘度、运动粘度及条件粘度?1-18 常用的动力粘度运动粘度的国际单位,工程单位和物力单位是什么?各单位之间的换算关系如何?1-19各种机械油在50 0C的运动粘度大小与其牌号顺

12、序有何关系？1-20蒸馏水在20.2 0C时的运动粘度与动力粘度是多少（物理单位）？1-21一般润滑油的粘度与温度及粘度与压力大至是什么关系？1-22表面粗糙度算术平均值Ra及均方值Hif如何列式表达？一般如何得出其参数值？1-23何谓“流体润滑”？1-24何为“流体动压润滑”？1-25何为“流体静压润滑”？1-26何为“弹性流体动压润滑”？1-27何为“流体动压润滑”？1-28流体动压润滑的基本方程（一维雷诺方程及有限长雷诺方程）是基于那些假设条件推导出来的？1-29润滑膜压力p是由那些“效应”产生的？1-30说明“油楔效应”为什么能使润滑膜产生压力。1-31现在对于线性接触运动的弹性流体动

13、压润滑一般引用什么公式计算？这个公式大致是如何求出来的？1-32詹森胡克润滑状态图如何应用？1-33在弹性流体动压润滑中通常采用什么参数来判定接触表面的润滑状态？1-34按磨损的破坏机理分类，磨损可以分为那几类？1-35“跑合”对摩擦副表面起什么作用？三 典型例题例11 已知以合金结构钢，试绘制此材料的极限应力图。解要绘制材料的极限应力图，必须知道外，还应该确定的值。如图1-4所示，取A点坐标为（0，=425），C点坐标为（/2=354，/2=354）和G点坐标（=850，0）并过G点作于横坐标成450夹角的直线，与AC的延长线交于D点，则ADG即为材料的极限应力图。例12 一个又40Cr制成的零件，已知=185MPa, =-75 MPa,表面抛光。 =1.3，=0.9，有关强度数值参见表1-1。计算此零件的安全系数n是多少？解：查表1-1可知合金结构钢