《机械设计》课件-上

2第一章机械设计概论第一节

机械设计概述第二节课程研究的对象、内容和学习方法第三节现代设计方法简介第四节

标准化、通用化和系列化第五节

机械零件常用材料和选择原则3第一节机械设计概述一、设计的目的

设计是人类改造自然的基本活动，是复杂的分析、规划、推理与决策过程，蕴涵着创新和发明。

目的：根据预定的目标，经过一系列规划与分析决策，获得系统的设计信息（文字、数据、图形等），形成设计方案及其实施文件，进而通过制造形成产品而造福人类。二、机械设计的分类1.开发性设计

没有参照的产品设计，仅仅根据抽象的设计原理和要求设计。过程最复杂，创新性强。2.适应性设计

在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构3.变型设计

指提取已存在的设计或设计计划、作特定的修改以产生一个和原设计相似的新产品。4第一节机械设计概述三、机械设计的基本要求设计机器应满足的基本要求功能性要求——机器应具有预定的使用功能。可靠性要求——机器可靠性的高低是用可靠度R来衡量的经济性要求——1）设计制造经济性：机器的成本低；2）使用经济性：高生产率、高效率、较少

地消耗能源、原材料和辅助材料，以

及低的管理和维护费用。5强度强度是衡量零件抵抗破坏的能力。零件强度不足，将导致过大的塑性变形甚至断裂破坏，使机器停止工作。

刚度刚度是衡量零件抵抗弹性变形的能力。分整体变形刚度和表面接触刚度两种。

寿命寿命是指零件正常工作的期限。

结构工艺性指在既定的生产条件下，能够方便而经济地生产出来，并便于装配成机器。可靠性机器的可靠度主要是由其组成零件的可靠度来保证的。经济性主要取决于零件的材料和加工成本。质量减轻质量可以节约材料，可以减小运动零件的惯性，从而改善机器的动力性能。设计机械零件的基本要求第一节机械设计概述6四、机械设计方法和一般步骤（一）机械设计方法常规、现代1.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。设计计算：指按照已知的运动要求，载荷情况及零、部件的材料特性等，运用一定的理论公式设计零、部件尺寸和形状的计算过程。校核计算：指先根据类比法、实验法等其他方法初步定出零、部件的尺寸和形状，再用理论公式进行精确校核计算过程。三种常规设计方法：第一节机械设计概述72.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工作经验用类比的办法所进行的设计。这对那些使用要求变动不大,而结构形状已典型化的零件是很有效的设计方法。

3.模型实验设计

对于尺寸巨大而结构复杂的重要零件，一些重型整体机械零件，为提高设计质量，可采用模型实验设计的方法。此方法费时、昂贵，只用于特别重要的设计中。第一节机械设计概述8（二）机械设计的一般步骤动向预测方案设计技术设计试生产施工设计信息反馈、修改第一节机械设计概述9第二节课程研究的对象、内容和学习方法

一、研究对象和内容

是通用机械零、部件，即涉及到一般工作条件和一般参数范围的通用机械零、部件的设计。

内容主要包括有机械零、部件的材料选择、受力分析、工作能力计算（如强度计算、刚度计算和寿命计算等）以及结构设计等，同时要考虑零件的工艺性、标准化、经济性、环境保护等要求。

二、课程的性质、任务和目的

机械设计课程是机械类专业的一门设计性的主要技术（学科）基础课或专业课。

主要培养如下的能力和技能：1）掌握通用机械零件的工作原理、结构特点和应用知识；掌握通用零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具有设计传动装置和简单机械的能力。2）树立正确的设计思想，了解国家当前的有关技术经济政策。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等。10第二节课程研究的对象、内容和学习方法三、学习方法

特点：涉及面广、实践性强、无重点又都是重点、设计问题无统一答案等。

按照本课程研究对象和性质上的特点，决定了内容本身的繁杂性，主要体现在“关系多、门类多、要求多、公式多、图形多、表格多”等。

应把主要的精力放在：

零件的选材

工况和失效形式分析

设计准则的确定

受力、强度计算和结构设计等

一般了解：

公式的推导、曲线的来历、经验数据的取得等11第三节现代设计方法简介现代设计方法是以研究产品设计为对象的科学，以电子计算机为工具，运用工程设计的新理论和新方法，使计算结果达到最优化，设计过程实现高效化和自动化。—、有限元分析方法（TheFiniteElementAnalysisMethod）有限元是一种以计算机为手段，通过离散化将研究对象变换成一个与原结构近似的数学模型，再经过一系列规范化的步骤以求解应力位移、应变等参数的数值计算方法。著名的商品化有限元程序有NASTRAN，ADFAN/ADINAT，ANSYS，COSMOS／MSAP等。这些程序的分析范围和功能存在差异，在使用时应根据分析范围不同来选择合理的程序。12二、优化设计（OptimalDesign）优化设计是使某项机械设计在规定的各种设计限制条件下，优选设计参数，使某项或几项设计指标获得最优值（最优值的概念是相对的）。三、机械可靠性设计（ReliabilityDesign）机械可靠性设计是将概率论、数理统计、失效物理和机械学相互结合而形成的一种设计方法。四、计算机辅助设计（ComputerAidedDesign-CAD）计算机辅助设计是指在设计活动中，利用计算机作为工具，帮助工程技术人员进行设计的一切适用技术的总和。第三节现代设计方法简介13五、模块化设计（ModelDesign）不必对每种产品施以单独设计，而是精心设计出多种模块，将其经过不同方式的组合来构成不同的产品，以解决产品品种、规格与设计制造周期、成本之间的矛盾，这就是模块化设计的含义。六、价值工程（ValueEngineering——VE）价值工程注重研究产品的功能，各种有关费用与现实价值之间的关系，试图以最小资源消耗或最低的寿命周期费用，可靠地实现必要的功能，从而获得最大价值。第三节现代设计方法简介14七、绿色设计（GreenDesign——GD）绿色设计在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性（可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等），并将其作为设计目标。八、动态设计（DynamicDesign）动态设计充分反映了机器的实际动态特性，系统地反映了振动与响应的全过程九、并行设计（ConcurrentDesign）并行设计又称为并行工程（ConcurrentEngineering）是综合工程设计、制造、管理经营的思想、方法和工作模式的设计。第三节现代设计方法简介15第四节标准化、通用化、系列化在不同类型、不同规格的各种机器中，有相当多的零部件是相同的，将这些零部件加以标准化，并按尺寸不同加以系列化，则设计者无须重复设计，可直接从有关手册的标准中选用。通用化是指系列化之内或跨系列的产品之间尽量采用同一结构和尺寸的零部件，以减少企业内部的零部件种数，从而简化生产管理和得到较高的经济效益。标准化、系列化、通用化通称“三化”，是长期生产和科研成果的可靠的技术总结。“三化”程度的高低通常是评定产品的指标之一。16第四节标准化、通用化、系列化标准化：指为了保证产品质量合格和稳定而进行的设计、加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。

通用化：将同一类或不同类型产品中用途结构相近似的零部件经过统一后实现通用互换，如螺栓、联轴器。系列化：将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，按一定规律优化组合成产品系列，以减少产品型号数目，是标准化的主要内容。

17第四节标准化、通用化、系列化我国现行标准分为国家标准（GB）、行业标准和企业标准等。国家标准(GB)行业标准(JB、YB等)地方标准企业标准强制性标准(GB)推荐性标准(GB/T)国际标准化组织（ISO)国际电工委员会（IEC)美国电气和电子工程师协会（IEEE）欧洲标准（GRC）简称欧标国家标准正逐步与国际标准接轨。18第五节机械零件常用材料和选择原则常用：黑色金属、有色金属、非金属材料和各种复合材料。黑色金属碳素结构钢、优质碳素结构钢、合金结构钢、弹簧钢、不锈钢、铸钢、合金铸钢、灰铸铁、球墨铸铁等。碳钢与合金钢

碳素结构钢；合金结构钢。是机械制造中

广泛应用的材料。其中碳钢产量大，价格低，常被优先采用。

优质碳素钢和合金结构钢均可通过热处理的方法来改善其力学性能，可以更好的满足各种零件对不同力学性能的要求。

常用的热处理方法有正火、调质、淬火、表面淬火、渗碳淬火、渗氮、液体碳氮共渗等。另外还可通过强化处理提高材料强度。一、机械零件的常用材料19第五节机械零件常用材料和选择原则铸钢

铸造性比铸铁差，但比锻钢和轧制钢好，用于重载零件和形状复杂的零件铸造。铸钢的力学性能大体相近，与灰铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。铸钢有碳素铸钢；低合金铸钢；中合金铸钢；高合金铸钢。灰铸铁

有良好的切削加工性和减震性，常用作机座和机架；有良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件；其具有较好的减震性、耐磨性、切削性，而成本低廉。但灰铸铁脆性大，不宜承受冲击载荷。球墨铸铁

强度高、耐磨性好，减震性，抗冲击，因此广泛用于制造抗冲击载荷的零件。可锻铸铁

是由白口铸铁经过退火而得，强度和塑性比较高。当零件尺寸小且结构复杂时不能用铸钢或锻钢制造，而灰铸铁又不能满足零件高强度和高伸长率的要求时，可采用可锻铸铁。20第五节机械零件常用材料和选择原则有色金属

有色金属的减摩性、抗腐蚀性、耐热性、电磁性等较好。在一般机械制造中，除铝合金用于制造承载零件外，其他有色金属主要用作耐磨材料、减摩材料、耐蚀材料和装饰材料等。铝合金

重量轻、导热导电性较好、塑性好、抗氧化性好。铝合金不耐磨，可用镀铬的方法提高其耐磨性。铝合金不产生电火花，故用作存储易燃易爆物料。高强度铝合金强度可与碳素钢相近，可作承载零件，在飞机、汽车及其他行走机械上有广泛应用。铜合金

铜具有良好的导电性、导热性、低温力学性、耐磨、耐腐蚀和自润滑性。常用的铜合金有黄铜、青铜等。钛合金

钛及钛合金的密度小，高低温性能好，并具有良好的耐蚀性，在航空、造船、化工等方面得到广泛应用。镁及镁合金、镍及镍合金、钨及钨合金等。21第五节机械零件常用材料和选择原则非金属材料橡胶

橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。塑料

塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。轻、易加工成形、减摩性好，强度低，可作为普通机械零件。陶瓷

绝热性好，硬度高。

其它非金属材料还有皮革、木材、纸板、棉、丝等。复合材料

由两种或两种以上性质不同的金属材料或非金属材料组合而得的新型材料。复合材料有纤维复合材料、层叠复合材料、颗粒复合材料、骨架复合材料等。在机械工业中，用的最多的是纤维复合材料，用于制造薄壁压力容器，各种容器和汽车外壳的制造。22第五节机械零件常用材料和选择原则二、机械零件材料的选择原则首先保证零件的使用性能要求，然后考虑工艺性要求和经济性要求。材料的使用性能

是保证零件完成规定功能的必要条件，是选材首先考虑的问题。使用性能主要指零件在使用状态下应具有的力学性能、物理性能和化学性能。力学性能要求是在分析零件工作条件和失效形式的基础上提出的。如轴类零件，应具有优良的综合力学性能，即要求有高的强度、韧性、疲劳极限和良好的耐磨性。除此之外，根据零件工作环境等其他要求，对材料可能还有物理、化学性能方面的要求，如密度、导热性、抗腐蚀性等。23第五节机械零件常用材料和选择原则材料的工艺性

零件在制造过程中，需要经过一系列的加工过程。材料加工成零件的难易程度，将直接影响零件的质量、生产效率和成本。选材时必须考虑加工工艺的影响。铸件应选用共晶或接近共晶成分的合金，以保证材料的液态流动性；

锻件、冲压件应选择呈固溶体组织的合金，以保证材料具有良好的塑性和较低的变形抗力；焊接零件应考虑材料的可焊性和产生裂纹的倾向性等；对于切削加工的零件要考虑材料的易切性等；

热处理零件要考虑材料的可淬性、淬透性及淬火变形的倾向等。材料的经济性

在满足使用性能的前提下，选用材料时应注意降低零件的总成本。零件的总成本包括材料本身的价格、加工费用及其他一切费用。24第二章机械零件的强度第一节概述第二节材料和零件的疲劳特性曲线第三节机械零件的疲劳强度计算第四节机械零件的接触强度25引言

具有足够的强度是机械零件正常工作必须满足的最基本要求，而强度准则是设计机械零件的最基本准则。机械零件在工作时，不允许出现体积断裂或塑性变形，也不允许发生表面破坏。强度就是指零件抵抗这类失效的能力。本章主要研究高周疲劳下的通用零件的强度计算问题。

静应力强度：运用材料力学中的知识对零件进行静应力强度计算。变应力强度：应力变化次数N≤103,按静应力强度计算

103＜N＜104低周疲劳

N≥104高周疲劳，绝大多数通用零件N——应力在机械零件整个工作寿命期间的变化次数26第一节概述一、载荷及其分类机械工作时机械零件所受的力或力矩统称为载荷。根据载荷随时间变化的特性不同，分为静载荷和变载荷两大类。在机械设计计算中分为名义载荷和计算载荷。名义载荷在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷计算载荷考虑受到各种附加载荷的作用，通常引入载荷系数K

载荷系数与名义载荷的乘积称为计算载荷。

静载荷：载荷的大小、作用位置或方向不随时间变化或变化缓慢变载荷：载荷的大小、作用位置或方向不断随时间变化27二、应力及其分类根据应力随时间变化的特性不同，将应力分为：静应力——不随时间变化或随时间变化缓慢的应力变应力——不断地随时间而变化的应力变应力按其变化特征可分为稳定变应力和不稳定变应力。

稳定变应力应力变化呈现周期性，且每一次循环中，平均应力、应力幅和周期都不随时间变化

不稳定变应力应力变化不呈周期性而带偶然性或虽然应力变化呈现周期性，但是应力变化周期、应力幅或平均应力之一随时间而变静应力稳定变应力第一节概述28稳定变应力的5个主要参数

max——最大应力

min——最小应力

m——平均应力

a——应力幅

r——循环特性

r的取值范围:第一节概述29图2-1静应力及变应力a)静应力b)稳定变应力c)规律性不稳定变应力d）非规律性不稳定（随机）变应力第一节概述3031三、机械零件的强度强度准则是设计机械零件的最基本准则。强度分为静应力强度和变应力强度。变应力强度准则与静应力强度准则的表达式是一致的。

准则：

或F——零件所受的载荷（N)A——零件危险截面面积（mm2)σ——零件的最大工作应力（MPa）[σ]——零件的工作许用应力（MPa）σlim——零件材料的极限应力（MPa）Sσ

——零件的计算安全系数[Sσ]——零件的许用安全系数式中第一节概述

32变应力强度准则与静应力强度准则的失效机理有着很大的不同。静应力下，失效（断裂或塑性变形）是瞬时出现的。在变应力下，失效（疲劳破坏）则是一个发展的过程。在静应力强度计算中，其极限应力通常只与材料的性能有关。塑性材料塑性变形取其屈服点σs作为极限应力脆性材料脆性破坏取其抗拉强度σb作为极限应力在变应力强度计算中，零件的极限应力不仅取决于材料的性能，还与应力的循环特征r，以及零件在预期使用期限内应力的循环次数N有关。此外，还受零件的尺寸、结构和表面状态的影响。计算时要综合考虑上述因素，确定具体工况下具体零件的极限应力，进行安全系数核算。单向正应力→单向切应力→公式中σ换成τ。双向复合应力→用强度合成理论转换成当量正应力σca第一节概述33第二节材料和零件的疲劳特性曲线一、材料的疲劳特性曲线（一）σ-N曲线机械零件材料的抗疲劳性能是通过试验来测定的。在材料的标准试件上加上给定循环特性为r的稳定变应力，并以循环的最大应力σmax

表征材料的疲劳极限σrN。记录在不同最大应力下引起试件疲劳破坏所经历的应力循环次数N

。通过试验，得到在一定的应力循环特性r下，疲劳极限σrN与应力循环次数N的关系曲线，通常称σ-N曲线。34曲线AB段——应力循环次数N≤103以前，属静应力强度问题。曲线BC段——随着N的增加，

max不断下降，该阶段的疲劳现象称为应变疲劳，由于N相对很少，也称为低周疲劳。曲线CD段——试件经过相应次数的变应力作用后总会发生疲劳破坏，为有限寿命疲劳阶段。线段上任一点所代表的材料的疲劳极限称为有限疲劳极限，用

rN表示。D点以后，如果作用的变应力的最大应力小于D点的应力，则无论应力变化多少次，材料都不会破坏，为无限寿命疲劳阶段。D点所代表的是材料的无限寿命疲劳极限，也称为持久疲劳极限，用

r∞表示。CD段和

D点以后的水平线统称为高周疲劳。第二节材料和零件的疲劳特性曲线35有限寿命疲劳阶段应力循环次数和其疲劳极限之间的关系：

σrNmN=C，NC≤N≤ND

无限寿命疲劳阶段应力循环次数和疲劳极限之间的关系：

σrN=σr∞，

N>ND

σrNmN=σrmN0=C

有限寿命区间任意循环次数N（NC<N<ND）时的疲劳极限σrN的表达式

式中KN——寿命系数，KN=1；

D点为有限寿命疲劳阶段和无限寿命疲劳阶段的公共点

当第二节材料和零件的疲劳特性曲线36（二）极限应力线图同一材料在相同的应力循环次数N（通常N=N0）下，将材料试件在不同循环特性r时疲劳试验所得各极限应力表示在

m-a坐标中，用极限平均应力

m与极限应力幅值

a的关系曲线来描述材料的等寿命疲劳特性，称该曲线为材料的极限应力线图（或等寿命曲线）。

工程上常将塑性材料疲劳极限应力图进行简化：A’G’C

塑性材料的疲劳极限应力线图：A’D’B——抛物线不发生破坏作图：用三个参数作出A’—D’—CA’D’延长与C、45º线相交得G’对称循环应力点脉动循环应力点静应力点

第二节材料和零件的疲劳特性曲线37直线A′G′上各点的最大应力直线G′C上各点的最大应力式中

——试件受循环弯曲正应力时的材料特性，又称为平均应力折合为应力幅的等效系数。

的大小表示材料对循环不对称性的敏感程度。根据试验，对碳钢，0.1~0.2；对合金钢，0.2~0.3。对于切应力，以τ代σ即可。第二节材料和零件的疲劳特性曲线

直线A′G′的方程

38二、零件的疲劳特性曲线（一）影响机械零件疲劳强度的因素（应力集中绝对尺寸表面质量）1．应力集中对零件疲劳强度的影响最大局部应力与名义应力的比值α称为理论应力集中系数。实用上，常用有效应力集中系数k（k

、k

，下标

、

分别表示在正应力、切应力条件下）来表示疲劳强度的真正降低程度。

各种材料对应力集中的感受程度可用敏感系数q表示。其值在0~1之间，q值越大，该材料越易感受应力集中。

当qσ和ασ为已知时，kσ即为：

对于结构钢，常取q=0.6～0.8，强度极限高者取大值，低者取小值；对于高强度合金钢，取q>>1；对于铸铁，取q=0，即kσ＝1。

第二节材料和零件的疲劳特性曲线392．绝对尺寸对零件疲劳强度的影响

零件截面绝对尺寸对零件疲劳强度的影响可用绝对尺寸系数ε（εσ、ετ）表示。

式中(σ－1)d

——直径为d的试件在受对称循环正应力作用时的疲劳极限；(σ–1)d0——直径为d0=6～10mm的试件在受对称循环正应力作用时的疲劳极限。3．表面质量对零件疲劳强度的影响表面质量对疲劳极限的影响可用表面质量系数β表示。

其他条件相同，零件截面的绝对尺寸越大，其疲劳强度越低。其他条件相同，零件表面越粗糙，其疲劳强度也越低。第二节材料和零件的疲劳特性曲线404．表面强化系数对零件疲劳强度的影响

强化处理对疲劳强度的影响用强化系数βq来表示

由试验得知，应力集中、绝对尺寸、表面质量和强化系数只对应力幅有影响。通常用综合影响系数（K

、K

）表示上述诸因素的综合影响，即

由于零件几何形状、尺寸大小及加工质量等因素的影响，使得零件的疲劳强度要小于材料试件的疲劳强度。对零件表面施行不同的强化处理，可不同程度地提高零件的疲劳强度。第二节材料和零件的疲劳特性曲线41（二）零件极限应力线图由于实际零件几何形状、尺寸大小、加工质量和表面强化等因素的影响，使得零件的疲劳极限小于材料试件的疲劳极限。

式中，

-1、-1e——材料与零件的对称循环弯曲疲劳强度Kσ只影响

a，不影响

m。则当已知Kσ和

-1时，就可以不经试验而估算出零件的对称循环弯曲疲劳极限为：

综合影响系数零件的材料的第二节材料和零件的疲劳特性曲线42零件的极限应力曲线，即由折线ADGC表示。直线AG的方程

直线CG的方程为

对于零件受切应力时，也可仿照上述各式，并以τ代换σ，即可得出相应的极限应力曲线方程。第二节材料和零件的疲劳特性曲线不会发生破坏43第三节机械零件的疲劳强度计算一、疲劳断裂特征绝大多数机械零件都是在变应力下工作的，在变应力作用下经过较长时间工作的零件，其失效形式将是疲劳断裂。疲劳断裂剖面由光滑的疲劳发展区和粗粒状的断裂区组成。疲劳过程可分为两个阶段：（1）表面通过各种滑移方式形成初始裂纹；（2）裂纹尖端在切应力作用下发生反复塑性变形，使裂纹扩展以致断裂。

44二、机械零件的疲劳强度计算（一）单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算在作机械零件的疲劳强度计算时1)求出零件危险截面上的最大应力

max及最小应力

min2)算出平均应力

m及应力幅

a

3)在极限应力线图上标示出相应于

m及

a的工作应力点M（或N）。用曲线上哪一个点来表示极限应力？要根据零件应力的变化规律来定。典型的应力变化规律：（1）变应力的循环特性保持不变，即r=C（常数）；（2）变应力的平均应力保持不变，即

m=C；（3）变应力的最小应力保持不变，即

min=C

第三节机械零件的疲劳强度计算45（1）r=C工作应力位于AOG区域内时，计算安全系数Sca及强度条件为：工作应力位于GOC区域内，此时首先可能发生的是屈服失效，故只需进行静强度计算。静强度计算式为：从坐标原点引射线通过工作应力点M（或N）与极限应力曲线交于

M1

（或

N1

），其应力值就是在计算中所要用的极限应力。

第三节机械零件的疲劳强度计算46（2）

m=C工作应力位于AOHG区域内，计算安全系数Sca及强度条件为：当工作应力位于CGH区域内时，进行静强度计算。过工作应力点M(或N)作纵坐标轴的平行线PMM

(或QNN

)与极限应力线AG交于M

点(或与线GC交于N

点)，其应力值就是此时零件的极限应力值。

第三节机械零件的疲劳强度计算极限应力即为屈服点σs47（3）

min=C当工作应力点位于AOJ区域内时，

min为负值，工程中罕见，故不作考虑。当工作应力点位于GIC区域内时，极限应力为屈服极限，按静强度计算；当工作应力点位于OJGI区域内时，极限应力才在疲劳极限应力曲线AG上。计算安全系数Sca及强度条件为：过工作应力点M(或N)作与横轴夹角为45°的直线SMM3

(或TNN3

)与极限应力线AGC交于M3

点(或N3

点)，其应力值就是此时零件的极限应力值。

第三节机械零件的疲劳强度计算48（二）双向稳定变应力时的疲劳强度计算双向应力是指零件同时受法向和切向应力作用。经过试验得出的极限应力关系

单位圆由于是对称循环变应力，故应力幅即为最大应力。圆弧AM

B上任何一个点都代表一对极限应力

a

和τa′的状态。

第三节机械零件的疲劳强度计算49当零件上所承受的两个变应力均为不对称循环变应力时

然后按式（2-19a）求出零件的计算安全系数Sca，并使Sca≥[S]，以满足疲劳强度要求。从强度计算的观点来看，

τ-1e/τa=Sτ是零件上只承受切应力τa时的计算安全系数；σ-1e/σa=Sa是零件上只承受法向应力σa时的计算安全系数。故

即

第三节机械零件的疲劳强度计算(2-19a)

50

【例2-1】某轴受稳定交变应力作用，最大应力=250MPa，最小应力=-50MPa，已知轴的材料为合金调质钢，其对称循环疲劳极限=450MPa，脉动循环疲劳极限=700MPa，屈服极限=800MPa，危险截面的=1.40，=0.78，=0.9，试求：

(1)绘制材料的简化疲劳极限应力线图，并在图上标出工作应力点的位置。(2)材料疲劳极限的平均应力和极限应力副值

（按简单加载）。(3)若取[S]=1.3，校核此轴疲劳强度是否安全。解：1)材料的简化极限应力线图如图2-13所示。第三节机械零件的疲劳强度计算51MPaMPa标出工作应力点M(100，150)如图所示。

2)求材料的和第三节机械零件的疲劳强度计算52（三）规律性单向不稳定循环变应力下机械零件的疲劳强度计算不稳定变应力可分为非规律性的和规律性的两大类。非规律性不稳定变应力——其变应力的参数变化是随机的。规律性不稳定变应力——其变应力参数的变化有一个简单的规律。对这类问题，根据疲劳损伤积累假说进行计算。规律性不稳定变应力示意图不稳定变应力在σr-N坐标上第三节机械零件的疲劳强度计算53疲劳损伤线性累积假说（Miner法则）

不稳定变应力时的极限条件为

寿命损伤率

当零件达到疲劳极限状况时，各寿命损伤率之和达到100％，即

写成一般式第三节机械零件的疲劳强度计算计算安全系数Sca及强度条件则为：

令——不稳定变应力的计算应力

则54第四节机械零件的接触强度当具有一定曲面的两物体在压力下相互接触时，便在接触处产生接触应力。初始线接触初始点接触55失效形式：疲劳点蚀后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹裂纹的扩展与断裂油金属剥落出现小坑接触应力绝大多数都是随时间变化的。在交变接触应力的作用下，经过若干循环次数后，零件表面材料就可能产生甲壳状的小片剥落，而在表面上遗留下一个小坑。第四节机械零件的接触强度56

根据弹性力学赫兹（Hertz）公式，接触应力计算为：

1、

2——零件1和2初始接触线处的曲率半径；

1、

2——零件1和2材料的泊松比；E1、E2——零件1和2材料的弹性模量；b——初始接触线长度；F——作用于接触面上的总压力。σHσHρ2bρ1ρ1Fnbρ2σHσHF接触疲劳强度条件

第四节机械零件的接触强度57第三章摩擦、磨损及润滑第一节摩擦与磨损第二节润滑第三节密封第四节流体动力润滑原理简介58摩擦广泛地存在于人们的生活中59合理地选择润滑装置和润滑系统，科学地使用润滑剂，才能做到减少机器的磨损，降低动力消耗和油品消耗，延长机器的寿命，确保机器的安全运行。摩擦、磨损、润滑和密封也广泛地存在于生产活动中各类机器在工作时，其各零件相对运动的接触部分都存在着摩擦，摩擦是机器运转过程中不可避免的物理现象。摩擦不仅消耗能量，而且使零件发生磨损，甚至导致零件的失效。磨损是摩擦的结果。为了减少机械零件的摩擦和磨损，通常有效的方法是在发生摩擦的零件表面之间添加润滑剂。60第一节摩擦与磨损根据摩擦副表面间的润滑状态将摩擦状态分为四种：干摩擦、流体摩擦、边界摩擦、混合摩擦。一、摩擦

摩擦力

在外力作用下，一个物体相对于另一物体有相对运动或运动趋势时，两物体接触面间产生的阻碍物体运动的切向阻力称为摩擦力。

摩擦

这种在物体接触区产生阻碍运动并消耗能量的现象，称为摩擦。611.干摩擦定义：两物体的滑动表面为无任何润滑剂或保护膜的纯金属，这两个物体表面直接接触时的摩擦称为干摩擦。库仑公式（摩擦定律）:（流体摩擦不适用）式中:

摩擦力F、法向力FN、摩擦因数f

干摩擦状态产生较大的摩擦功耗及严重的磨损，因此应避免出现这种摩擦。第一节摩擦与磨损F=f·FN

只适用于粗糙表面。表面愈粗糙，摩擦力愈大。不能解释光滑表面间的摩擦现象。滑动速度大时还与速度有关。摩擦定律

古典的库伦定律有一定的局限性。目前比较通用的有黏着理论、分子-机械理论等。62第一节摩擦与磨损2.流体摩擦

两摩擦表面被一流体层(液体或气体)隔开，不发生直接摩擦接触，摩擦性质取决于流体内部分子问的黏性阻力，称为流体摩擦。

液体动压滑动轴承和液体静压滑动轴承的摩擦状态就属于流体摩擦。3.边界摩擦

两摩擦表面间存在着一层极薄(有的只有一两层分子厚)的起润滑作用的膜(称为边界膜)的状态称为边界摩擦。

摩擦性质不取决于流体黏度，而与边界膜和表面的吸附性质有关。63第一节摩擦与磨损4.混合摩擦

在实际使用中，有较多的摩擦副处于干摩擦、流体摩擦、边界摩擦的混合状态，称为混合摩擦。

由于液体摩擦、边界摩擦、混合摩擦都必须在一定的润滑条件下才能实现，因此这三种摩擦又分别称为液体润滑、边界润滑和混合润滑。

各种摩擦状态下的摩擦系数见表3-1。指出三种摩擦在哪

其摩擦系数比边界摩擦的小得多，但由于仍有微凸体的直接接触，所以磨损是不可避免的。64二、磨损

运动副之间的摩擦导致零件表面材料不断损失的现象称为磨损。单位时间内材料的磨损量称为磨损率。磨损量可以用体积、质量或厚度来衡量。

机械零件严重磨损后，将降低机械工作的可靠性，会使机器提早报废。

磨损并非都是有害的。如机械的磨合以及利用磨损原理进行加工，如磨削、研磨、抛光等。第一节摩擦与磨损对机械的磨合（跑合、走合）举出一个具体实例651.磨损过程

磨损过程大致可分为以下三个阶段（1)磨合磨损阶段

磨损速度由快变慢，逐渐减小到一稳定值（2)稳定磨损阶段

磨损缓慢，磨损率稳定（3)剧烈磨损阶段

磨损速度及磨损率都急剧增大第一节摩擦与磨损应力求缩短磨合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损期662.磨损分类

按照磨损的机理以及零件磨损状态的不同，磨损可分为四种基本类型：黏着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损及腐蚀磨损。（1）磨粒磨损

由于摩擦表面上的硬质突出物或从外部进入摩擦表面的硬质颗粒，对摩擦表面起到切削或刮擦作用，从而引起表层材料脱落的现象。

为了减轻磨粒磨损，除注意满足润滑条件外，还应合理地选择摩擦副的材料、降低表面粗糙度以及加装防护密封装置等。第一节摩擦与磨损67（2）黏着磨损

当摩擦副受到较大正压力作用时，由于表面不平，其顶峰接触点受到高压力作用而产生弹、塑性变形，附在摩擦表面的吸附膜破裂，温升后使金属的顶峰塑性面牢固地黏着并熔焊在一起，形成冷焊结点。

黏着磨损按程度不同可分为五级：轻微磨损、涂抹、擦伤、撕脱、咬死。涂抹、擦伤、撕脱又称为胶合。

为了减轻黏着磨损，可以采取的措施：

合理选择摩擦副材料，如选择异种金属

采用表面处理，如电镀、化学热处理、表面热处理、喷镀等

采用含有油性和极压添加剂的润滑剂

限制摩擦表面的温度

控制压强第一节摩擦与磨损68在其表面上形成裂纹而逐步扩展与相互连接，表层金属脱落，形成许多月牙形浅坑(又称麻坑)，这种现象称为表面接触疲劳磨损，又称为点蚀。第一节摩擦与磨损为了提高摩擦副的接触疲劳寿命

应合理选择

摩擦副材料

摩擦表面的粗糙度

润滑油的黏度

表面硬度初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹裂纹的扩展与断裂油金属剥落出现小坑（3）疲劳磨损(点蚀)受交变接触应力的摩擦副会发生什么现象？69

在摩擦过程中，摩擦面与周围介质发生化学或电化学反应而产生物质损失的现象，称为腐蚀磨损。

腐蚀磨损分为：

氧化磨损、特殊介质腐蚀磨损、气蚀磨损。

氧化磨损是最常见的腐蚀磨损，磨损速度比较缓慢，但在高温、潮湿环境中，有时也很严重。

腐蚀也可以在没有摩擦的条件下形成，这种情况常发生在钢铁类零件，如化工管道、泵类零件、柴油机缸套等。

？

具有保护摩擦表面的作用但应注意油脂与氧反应生成的酸性化合物对表面有腐蚀作用4）腐蚀磨损第一节摩擦与磨损润滑油(脂)70第二节润滑在摩擦面间加入润滑剂，可以降低摩擦、减轻磨损、保护零件不遭锈蚀，还能起散热降温的作用。润滑剂还具有传递动力、缓冲吸震、密封和清除污物等作用。一、润滑剂的性能与选择

常用的润滑剂：

润滑油

润滑脂

固体润滑剂

如石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等

气体润滑剂

如空气、氢气、水蒸气等71第二节润滑1.润滑油

润滑油是目前使用最多的润滑剂，主要包括动植物油、矿物油和化学合成油三类。

动植物油的油性好，但易变质且价贵，常作添加剂使用

矿物油来源充足、成本低、品种多、稳定性好，应用最广泛

合成油多是针对某种特定需要而研制的，其适用面窄且价格高，故应用甚少

润滑油最重要的一项物理性能指标是黏度，是选择润滑油的主要依据。

黏度——液体流动时其内摩擦阻力的大小

黏度——内摩擦阻力——液体的流动性

72牛顿液体黏性定律（流体层流流动的内摩擦定律）

牛顿提出，液体作层流运动时，(如图3-3所示)，两层液体之间的剪切应力τ的大小与其速度梯度du/dy成正比，即

式中η为比例常数，称为黏度，也称为动力黏度。因油层速度u随距离y的增加而减小，故上式带负号。η的大小表示液体的稀稠程度第二节润滑73（1）动力黏度η

对于lm3的液体，其上表面发生相对速度为lm/s的相对运动时所需的切向力F为1N，则称该液体的黏度为lPa·s（1N·s/m2）。（2）运动黏度ν

液体的动力黏度η与液体在相同温度下密度ρ的比值称为该液体的运动黏度ν，即

ν=η/ρ

式中η—动力黏度(Pa·s)；ρ—密度(kg/m3)；ν—运动黏度(m2/s)（3）条件黏度(恩氏黏度)在规定的温度下从恩氏黏度计流出200ml样品所需的时间与同体积蒸馏水在20oC时流出所需的时间之比值称为该液体的条件黏度，以oEt表示，其角标t表示测定时的温度。润滑油的黏度指标第二节润滑74关于黏度的几点说明：润滑油的黏度并不是固定不变的，而是随着温度和压强而变化。黏度随温度的升高而降低，且变化很大，因此在注明某种润滑油的黏度时，必须同时标明它的测试温度。黏度指数表示一切流体黏度随温度变化的程度。黏度变化越小的油，摩擦力变化也越小，黏度指数就越大。黏度随压强的升高而增大，但当压强小于2.0MPa时，其影响甚小，可不必考虑。在高压下油的黏度将显著地增加，甚至成为蜡状固体，此时就必须考虑压强的影响。

常用润滑油的性能和用途见表3-2。润滑油的主要物理性能指标还有:凝点、闪点、燃点和油性等第二节润滑752.润滑脂

润滑脂是指在润滑油中加入稠化剂(如钙、钠、锂等金属皂)混合稠化而成。有的还可加入一些添加剂以增加抗氧化性和油膜强度。

润滑脂稠度大，不易流失，密封简单，承载能力大

润滑脂的理化性能不如润滑油稳定，摩擦功耗较大，因此常用于低速、多冲击载荷或间歇工作机械中。

润滑脂的主要性能指标为滴点、针入度和耐水性等。第二节润滑76（1）滴点

指润滑脂受热后从标准测量杯的孔口滴下第一滴油时的温度。滴点标志着润滑脂的耐高温能力，润滑脂的工作温度应比滴点低20oC～30oC。（2）针入度

即润滑脂的稠度。将重量为1.5N的标准锥体在25oC恒温下，由润滑脂表面自由沉下，经5s后该锥体可沉入的深度值（以0.1mm为单位）即为润滑脂的针入度。针入度表明润滑脂内阻力的大小和流动性的强弱。针入度越小——润滑脂越稠——承载能力越强——密封性越好，但摩擦阻力也越大，流动性越差，因而不易填充较小的摩擦间隙。第二节润滑77（3）耐水性

目前使用最多的是钙基润滑脂，其耐水性强，但耐热性差，常用于60oC以下的工作场合之中。钠基润滑脂的耐热性好，可用在115oC～145oC以下的工作场合之中，但其耐水性差。锂基润滑脂的性能优良，耐水耐热性均好，可以在-20oC～150oC的范围内广泛使用。

常用润滑脂的性能和用途见表3-3。第二节润滑78

为了改善润滑油和润滑脂的性能，或适应某些特殊的需要，常在普通的润滑油和润滑脂中加入一定的添加剂，使用添加剂是现代改善润滑性能的主要手段。

加入抗氧化添加剂（如二烷基二硫代磷酸盐等）可抑制润滑油氧化变质

加入降凝添加剂（如烷基萘等）可降低油的凝点

加入极压添加剂（又称EP添加剂，如二苯化二硫、二锌二硫化磷酸锌等）可以在金属表面上形成一层保护膜，以减轻磨损等。3.润滑油和润滑脂中的添加剂第二节润滑794.润滑剂的选用

多选用润滑油润滑

橡胶、塑料制成的零件可用水润滑

润滑脂常用于不易加油或重载低速场合

气体润滑剂多用于高速轻载场合，如磨床高速磨头的空气轴承

固体润滑剂一般用于不宜使用润滑油或润滑脂的特殊条件下，如高温、高压、极低温、真空、强辐射、不允许污染及无法给油等场合第二节润滑80润滑剂牌号的选用

（1）工作载荷

润滑油的粘度愈大，其油膜承载能力愈大，故工作载荷大时，应选用黏度大且油性和极压性好的润滑油。对受冲击载荷或往复运动的零件，因不易形成液体油膜，故应采用粘度大的润滑油或针入度小的润滑脂，或用固体润滑剂。（2）运动速度

低速不易形成动压油膜，宜选用黏度大的润滑油或针入度小的润滑脂；高速时，为了减少功耗，宜选用黏度小的润滑油或针入度大的润滑脂。第二节润滑81（3）工作温度

低温下工作应选用黏度小、凝点低的润滑油；高温下工作应选用黏度大、闪点高及抗氧化性好的润滑油；工作温度变化大时，宜选用黏温特性好、黏度指数高的润滑油。在极低温下工作，当采用抗凝剂也不能满足要求时，应选用固体润滑剂。（4）工作表面粗糙度和间隙

表面粗糙度大，要求使用黏度大的润滑油或针入度小的润滑脂：间隙小的要求使用黏度小的润滑油或针入度大的润滑脂。第二节润滑82二、润滑方式及润滑装置集中润滑或分散润滑

集中润滑需要一个多出口的润滑装置供油

分散润滑中各摩擦副的润滑装置则是各自独立的连续润滑或间歇润滑、压力润滑或无压力润滑

连续压力润滑需采用油泵、喷嘴装置，高速时还可采用油雾发生器实现油雾润滑

连续无压力润滑，用油绳、油垫、针阀式油杯、油环、油轮等润滑装置

间歇无压力润滑或间歇压力润滑，用油壶、油枪将油注入油杯进行润滑

循环式润滑或非循环式润滑第二节润滑83油杯油环系列第二节润滑84第三节密封

为了使润滑持续、可靠、不漏油，同时为了防止外界脏物进入机体，必须采用相应的密封装置。密封装置是一种能保证密封性的零件组合。组成：密封表面（如轴和轴承座的圆柱表面）

密封件（如O形密封圈、毡圈等）

辅助件（如副密封件、受力件、加固件等）85第三节密封密封件是防止机件泄漏的主要部件。此外，还常常采用将接合部位焊合、铆合、压合、折边等永久性防止流体泄漏的方法以消除泄漏。86第三节密封1.对密封件的基本要求1）在一定的压力和温度范围内具有良好的密封性能2）摩擦阻力小，摩擦系数稳定3）磨损小，磨损后在一定程度上能自动补偿，工作寿命长4）结构简单，装拆方便，价格低廉2.常用密封件

各种密封件都为标准件，可查阅有关手册选取，如：

毡圈油封及槽可查阅JB/ZQ4606—86O形橡胶密封圈可查阅GB3452.1-9287第三节密封工况寿命、温度、载荷、滑动速度、储藏和运输条件、结构有无振动、工作参数是否变动等被密封介质的性能

如冰点和沸点、热物理性能、化学活性、粘度及粘温和粘压关系、狭隙中的特性等配合零件及其涂层的材料性能

如强度性能，特别是疲劳强度性能及松弛性能、热物理性能等3.设计密封装置应注意的问题88第三节密封机器中安装密封装置部位的结构，包括零件的结构形状和质量、零件的热物理性能、冷却条件和润滑条件、不同轴度、径向跳动、表面几何特性等密封装置的制造和装配工艺性

如表面加工方法和特性、制造精度、工艺规范是否符合最佳、正确的装配顺序等机器的运转正确性

如运转参数是否符合计算值、检查周期和润滑剂的更换等89第四节流体动力润滑原理简介

根据摩擦面间油膜形成的原理，可把流体润滑分为：流体动力润滑

利用摩擦面间的相对运动而自动形成承载油膜的润滑流体静力润滑

从外部将加压的油送入摩擦面间，强迫形成承载油膜的润滑弹性流体动力润滑

接触处的弹性变形和油膜厚度彼此影响，互为因果的润滑称为弹性流体动力润滑，简称弹流润滑（当两个曲面体作相对滚动或滚——滑运动时，（如滚动轴承中的滚动体与套圈相接触；一对齿轮的两个轮齿相啮合时）若条件合适，就能在接触处形成承载油膜）90第四节流体动力润滑原理简介一、流体动力润滑两个作相对运动物体的摩擦表面，用借助于相对速度而产生的黏性流体膜将两摩擦表面完全隔开，由流体膜产生的压力来平衡外载荷，称为流体动力润滑。所用的黏性流体可以是液体，如润滑油，也可以是气体，如空气等，相应地称为液体动力润滑和气体动力润滑。流体动力润滑的主要优点是：摩擦力小，磨损小，并可以缓和振动与冲击。91第四节流体动力润滑原理简介流体动力润滑中的楔效应承载机理简介如图所示形成剪切流。如图所示A，B两板平行，板间充满有一定黏度的润滑油，若板B静止不动，板A以速度v沿x方向运动。由于润滑油的黏性及它与平板间的吸附作用，与板A紧贴的油层的流速为v，等于板速。

润滑油的流动属于层流流动，则其它各流层的流速，则按直线规律分布。这种流动是由于油层受到剪切作用而产生的，称为剪切流。

这时通过两平行平板间的任何垂直截面处的流量皆相等，润滑油虽能维持连续流动，但油膜对外载荷并无承载能力。这里忽略了流体由于受到挤压作用而产生压力的效应。92第四节流体动力润滑原理简介剪切流和压力流叠加

当两平板相互倾斜，其间形成楔形收敛间隙，且移动件的运动方向从间隙较大的一方移向间隙较小的一方时，各油层的分布规律如图中虚线所示，则进入间隙的油量必大于流出间隙的油量。由于液体是不可压缩的，则进入楔形间隙的过剩油量，必由进口a及出口c两处截面被挤出，即产生一种因压力而引起的流体的流动，称为压力流。

楔形收敛间隙中油层流动速度将由剪切流和压力流二者叠加，因而进口处油的速度曲线呈内凹形，出口处呈外凸形。只要连续充分地提供润滑油，并且A、B两板相对速度的值足够大，流入楔形收敛间隙流体产生的动压力是能够稳定存在的。

这种具有一定黏性的流体流入楔形收敛间隙而产生压力的效应称流体动力润滑的楔效应。93二、弹性流体动力润滑

弹性流体动力润滑理论

研究在相互滚动或伴有滑动的滚动条件下，两弹性物体间的流体动力润滑膜的力学性质，把计算在油膜压力下摩擦表面的变形的弹性方程、表述润滑剂黏度与压力间关系的黏压方程与流体动力润滑的主要方程结合起来，以求解油膜压力分布、润滑膜厚度分布等问题。如图所示为典型弹性流体动力润滑油膜厚度及油膜压力分布示意图。两圆柱体相互滚动时将润滑剂带入间隙。第四节流体动力润滑原理简介94三、流体静力润滑

流体静力润滑是靠液压泵或其它压力流体源，将加压后的流体送入两摩擦表面之间，利用流体静压力来平衡外载荷。

第四节流体动力润滑原理简介典型流体静力润滑系统示意图953.1一台减速器装配成功后，需进行一段时间的试运转，然后将此润滑油倒掉，清洗各组成零件，这是为什么?3.2冬天在液体系统中加入L—AN22润滑油是合适的，不会漏油；而夏天加入后会产生漏油现象，这是为什么?如何设法改变?3.3夏天时发现液压系统中的油变稀了，有人将润滑脂加入，调均后使油变稠些，这样行吗?为什么？思考-讨论答题便利贴96总结摩擦与磨损摩擦干摩擦流体摩擦边界摩擦混合摩擦磨损磨损过程磨损分类润滑润滑油性能指标黏度（动力、运动、条件）润滑脂滴点、针入度添加剂润滑剂选用润滑方式润滑装置97密封密封件要求密封应注意问题润滑原理流体动力润滑楔效应承载机理弹性流体动力润滑流体静力润滑总结98第四章带传动第一节概述第二节带传动工作情况分析第三节

V带传动的设计计算第四节带传动结构设计第五节其他带传动简介99拖拉机发动机带传动带传动在哪？带的形状长什么样呢？V型带100生产线上的带传动带传动在哪？带的形状长什么样呢？平带101早期工业机器人关节处的带传动带传动在哪？带的形状长什么样呢？齿型带102学习目标1.能解释带传动的类型、特点和应用2.能说明带传动的工作原理，界定带传动的几何关系，会分析带传动的受力和应力，能证明和解释带的弹性滑动和打滑现象3.会分析带传动的最大有效圆周力，能说明带传动的失效情况和设计准则，会判断单根带所能传递的功率4.能按照设计步骤，设计计算V带传动各项参数5.能叙述其他带传动的原理和结构103现代的机器由四个部分组成

动力部分（原动机，如电动机等）

传动部分（如齿轮传动、带传动等）

工作部分(执行机构，如车轮、走刀架等）

控制部分

（如数控系统等）现代的机器由几部分组成？104一、带传动的组成及工作原理由主动带轮1、从动带轮3和传动带2以及机架组成。按传动原理分：摩擦带传动和同步带传动第一节概述摩擦带传动：由于传动带紧套在带轮上，带与带轮之间产生的摩擦力传递运动和动力。

同步带传动：依靠带内周的等距横向齿与带轮相应齿槽间的啮合传递运动和动力。105二、带传动的类型、特点和应用（一）带传动的类型

根据带的截面形状：平带V带圆带多楔带传动第一节概述106107平带传动：结构简单、制造容易、传动效率较高、带的寿命较长，适用于较大中心距的远距离传动。V带传动：横截面为梯形，其两侧面为工作面。V带传动的工作能力较平带传动大。在一般机械中，V带传动已取代了平带传动而成为应用最广的带传动装置，故本章主要介绍V带传动。多楔带传动：兼有平带和V带传动的优点，适于结构紧凑、传递功率较大的场合。圆带：结构简单，多用于小功率传动，如仪器和家用器械中。第一节概述108（二）带传动的特点（三）应用范围优点：

1）运行平稳，噪声小；

2）能缓冲冲击载荷；

3）构造简单，精度低，特别是在中心距大的地方；

4）不用润滑，维护成本低；

5）过载时打滑，可以保护传动系统中的其他零件。缺点：

1）存在弹性滑动，效率低，传动比不准确（同步带除外）；

2）带的寿命较短，且不宜于高温、易燃、易爆等场合；

3）轴上的压轴力和轮廓尺寸大；带传动的应用范围很广，特别是在传动中心距大的场合，如农业机械、食品机械、汽车、自动化设备等。第一节概述109指出带传动的类型？V带传动平带传动（输送带）1分钟便利贴三、V带的类型、特点和结构V带有普通V带(a)、窄V带(b)、联组V带(c)、齿形V带(d)、大楔角V带(e)、宽V带(f)等多种类型。其中普通V带和窄V带已标准化。普通V带有Y、Z、A、B、C、D、E七种型号。窄V带分为基准宽度制的窄V带和有效宽度制的窄V带，基准宽度制窄V带有SPZ、SPA、SPB、SPC四种型号。第一节概述111V带由包布、顶胶、抗拉体及底胶等部分构成。抗拉体用来承受基本拉力。按抗拉体的结构可分为帘布芯V带和绳芯V带两种类型。绳芯V带挠性好，抗弯强度高，适用于转速较高，带轮直径较小，要求结构紧凑场合。帘布芯V带制造方便，抗拉强度较高，但易伸长、发热和脱层。节线——V带弯曲时，在带中保持原长度不变的一条周线。节宽bp——由全部节线构成的面称为节面，节面的宽度称为节宽。基准直径dd——与所配用V带的节宽bp相对应的带轮直径。基准长度Ld——在规定的张紧力下，位于带轮基准直径上的周线长度，基准长度系列见表4-3。节面第一节概述112第二节带传动工作情况的分析一、带传动中的受力分析安装时，带必须以一定的预紧力F0紧套在带轮上Ffn2FfF1带工作前：带工作时：F0F0此时，带只受预紧力F0作用n1F2F2松边－退出主动轮的一边紧边－进入主动轮的一边由于摩擦力的作用：紧边拉力--由F0

增加到F1；松边拉力--由F0

减小到F2

。Ff

－带轮作用于带的摩擦力F1113Fe

－

有效拉力带是弹性体，工作后可认为其总长度不变紧边拉力增量＝松边拉力减量即F1

-F0

＝

F0-F2

F1

＝F0

＋Fe/2F2

＝F0

－Fe/2再由Fe=F1

–F2，得：带所传递的功率为：P增大时，所需的Fe

加大。但Ff

不可能无限增大，有一极限值，即最大摩擦力(临界值，最大有限圆周力）

Ffmax。

Ffmax≥Fe时，带传动才能正常运转。若有效拉力超出此值时，传动带将在带轮上打滑。F1F2FfFe=

Ff

=F1

–F2

带速v(m/s)Fe(N)P=Fev(W)第二节带传动工作情况的分析114二、带传动的最大有效拉力及其影响因素带传动中，当带有打滑趋势时，摩擦力即达到极限值，也即带传动的有效拉力达到最大值。柔韧体摩擦的欧拉公式式中，f——摩擦因数（对V型带用fv代）；

——带在带轮上的包角（rad），一般为主动轮。小轮包角：大轮包角：第二节带传动工作情况的分析115最大有效拉力Fec

最大有效拉力Fec与下列因素有关：（1）预紧力F0

：Fec与

F0成正比。（2）包角

：Fec与

成正比。由于小带轮上的包角

1较小，因此Fec取决于

1的大小。（3）摩擦因数f：Fec与

f成正比。f与带及带轮的材料和表面状况、工作环境等有关。

此外带的单位质量q和带速v对Fec也有影响，带的q，v越大，Fec越小，故高速传动时带的质量要尽可能轻。

Fe=F1–F2F1

＝F0

＋Fe/2F2

＝F0

－Fe/2第二节带传动工作情况的分析116三、带的应力分析工作时，带横截面上的应力由三部分组成：（一）拉应力

A

－带的横截面积第二节带传动工作情况的分析117（二）弯曲应力

b式中E——带材料的弹性模量（MPa）；

dd——带轮基准直径（mm）；

h——带的高度（mm）。

h越大、dd越小时，弯曲应力就越大。故带绕在小带轮上时的弯曲应力大于大带轮上的弯曲应力。

为了避免弯曲应力过大，带轮的基准直径就不能过小。V带轮的最小基准直径见表4-5

。

第二节带传动工作情况的分析118（三）离心拉应力带在绕过带轮时作圆周运动，从而产生离心力，并在带中引起离心拉力FC，从而在带中引起离心拉应力，作用在整个带长上。式中q——V带的单位长度质量（kg/m），见表4-6

v——带的线速度（m/s）

A–––带的截面积（mm2）

第二节带传动工作情况的分析表4-6V带的单位长度质量（摘自GB/T13575.1-2008）带型YZSPZASPABSPBCSPCDEddmin/mm0.040.060.070.100.120.170.200.300.370.600.87119带传动在传递动力时，带中产生拉应力σ1、弯曲应力σb和离心拉应力σc，其应力分布如图所示。在紧边进入主动轮处带的应力最大（减速传动时），其值为带是在变应力下工作的，当应力循环次数达到一定数值后，带将产生疲劳破坏。第二节带传动工作情况的分析120四、弹性滑动和打滑（一）弹性滑动带传动在工作时，带受到拉力后要产生弹性变形。由于带所受的拉力是变化的，因此带弹性变形也是变化的。当带在b点绕上主动轮时，带的速度v和主动轮的圆周速度v1是相等的。但在带自b点转到c点的过程中，所受拉力由F1逐渐降到F2，弹性伸长量也要相应减小。这样带一面随带轮前进，一面向后收缩，因此带的速度低于主动轮的圆周速度，造成两者之间发生相对滑动。

在从动轮上，情况正好相反，即带的速度v大于从动轮的圆周速度v2，两者之间也发生相对滑动。

第二节带传动工作情况的分析121

由于带传动中存在着带的弹性变形的变化，导致了带与带轮之间有一定的相对速度，因此存在带与带轮间的相对滑动。这种因弹性变形而引起的相对滑动称之为带传动的弹性滑动。

弹性滑动是带传动中无法避免的一种正常的物理现象。由于弹性滑动的存在，使带温度升高，降低了传动效率；从动轮的圆周速度v2低于主动轮的圆周速度v1，即产生了速度损失。这就使得带传动不能保证准确的传动比。其降低量可用滑动率ε来表示。在考虑弹性滑动的情况下，带传动的传动比为：式中n1、n2——分别为主、从动轮的转速（r/min）；

dd1、dd2——分别为主、从动轮的基准直径(mm)。1%~2%,粗略计算可忽略不计第二节带传动工作情况的分析122

打滑是由过载引起的带在带轮上的全面滑动。打滑是可以避免的。弹性滑动不能避免。

接触弧可分成有相对滑动（滑动弧）和无相对滑动（静弧）两部分，两段弧所对应的中心角，分别称为滑动角（

）和静角（

）。实践证明，静弧总是出现在带进入带轮的这一边上，动弧总是发生在离开带轮的一侧。带不传递载荷时，滑动角为零，随着载荷增加，滑动角逐渐加大而静角则在减小，当滑动角增大到包角时，达到极限状态，带传动的有效拉力达最大值，带就开始打滑。（二）打滑第二节带传动工作情况的分析如何避免打滑？123第三节V带传动的设计计算

根据带传动的工作情况分析可知，带传动的失效形式有带的疲劳断裂、打滑和磨损。

带的打滑和疲劳断裂是最常见的失效形式，因此，带传动的设计准则是：既要在工作中充分发挥其工作能力而又不打滑，同时还要求传动带有足够的疲劳强度，以保证一定的使用寿命。一、带传动的失效形式、设计准则及单根V带的基本额定功率（一）带传动的失效形式、设计准则124（二）单根V带的基本额定功率1）由疲劳强度条件得：

2）由带传动不打滑条件：传递的临界功率为：单根V带所能传递的