第2章机械零件常用材料和机械设计基础知识

1、第三章 机械零件常用材料和机械设计基 础 知 识,第一节 机械零件常用材料、热处理方法及其选择,本章主要内容,第五节 机械零部件的结构设计,第二节 机械零件的工作能力和计算准则,第三节 机械零件的疲劳强度计算,第四节 摩擦、磨损和润滑简介,本章学习要求,1、了解机械零件常用材料、热处理方法及其选择； 2、了解机械零件的工作能力和计算准则； 3、掌握稳定变应力下机械零件的疲劳强度分析及计算； 4、了解摩擦、磨损和润滑的相关知识； 5、初步了解机械零件的接触强度计算； 6、掌握机械结构设计的一般原则和方法。,本章重点,1、机械零件的主要失效形式、设计准则； 2、机械零件的疲劳强度分析及计算； 3、

2、机械结构设计的原则和方法.,第一节 机械零件常用材料、热处理方法及其选择,二、钢的热处理方法简介 （一）退火和正火 （二）淬火、回火和调质 （三）表面淬火和化学处理,一、机械零件常用材料： （一）钢 （二）铸铁 （三）有色金属,第一节 机械零件常用材料、热处理方法及其选择（续）,三、机械零件材料的选择原则 1、满足机械零件的使用要求： 载荷、几何条件、尺寸及重量、特殊要求,3、满足经济性要求： 材料价格、加工和热处理的成本等,2、满足工艺性要求 (便于加工制造): 零件结构的复杂程度、尺寸大小、毛坯制造,第二节 机械零件的工作能力和计算准则 一、机械零件的工作能力,机械零件的工作能力: 在一定

3、工作条件下不发生失效的安全工作限度。,（一）强度准则 （二）刚度准则 （三）耐磨性准则 （四）振动稳定性准则,第二节 机械零件的工作能力和计算准则 二、机械零件的计算准则,或,目前尚无定量可靠的计算方法，常采用一些条件性计算。,第三节 机械零件的疲劳强度计算 一、载荷和应力的分类,（二）应力的分类 静应力 变应力: 1.稳定循环变应力 2.不稳定循环变应力,（一）载荷的分类 静载荷:不随时间变化或变化缓慢的应力。 变载荷：随时间变化的应力。 名义载荷F ：按额定功率计算的载荷。 计算载荷Fca ：Fca=K.F,稳定循环变应力的类型,平均应力,应力幅,设计计算： 1、名义应力 : 由名义载荷求

4、得的应力 2、计算应力：由计算载荷求得的应力,第三节 机械零件的疲劳强度计算,第三节 机械零件的疲劳强度计算 二、疲劳曲线和疲劳极限应力线图 （一）疲劳曲线,疲劳极限,对称循环疲劳极限,脉动循环疲劳极限,循环次数 N,材料常数 m,循环基数 无限寿命区的起始点,寿命系数,材料的疲劳曲线,有限寿命疲劳极限,（二）疲劳极限应力线图 1、材料的疲劳极限应力线图,AG 段：,CG 段:,第三节 机械零件的疲劳强度计算,材料常数,2、零件的疲劳极限应力线图,AG 段:,CG 段:,第三节 机械零件的疲劳强度计算,弯曲疲劳极限的综合影响系数,绝对尺寸影响系数,表面质量系数,三、稳定变应力下机械零件的疲劳强

5、度计算 （单向稳定变应力的机械零件疲劳强度计算 ）,第三节 机械零件的疲劳强度计算,机械零件疲劳强度的计算时： 先求出零件危险截面的最大工作应力和最小工作应力； 求出平均工作应力和工作应力幅，由此在极限应力线图上标出工作应力点。 根据应力变化规律确定极限应力曲线上的极限应力（计算时所用极限应力）。,三种典型应力变化规律：,（1）变应力的循环特性保持不变 ，如转轴的应力状态。,（2）变应力的平均应力保持不变 , 振动受载弹簧的应力状态,（3）变应力的最小应力保持不变 , 如受轴向变载荷螺栓的应力状态,三、稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算 （单向稳定变应力的机械零件疲劳强度计算1 ）,时为例:,

6、对应于M点的零件的极限应力:,安全系数及强度条件为：,对应于N点的极限应力为屈服应力，只需进行静强度计算，安全系数为,第三节 机械零件的疲劳强度计算,例,某零件材料的力学性能为： ， ， 。 已知零件上的最大工作应力 最小工作应力 应力变化规律为 常数，弯曲疲劳极限的综合影响系数 。试确定该零件在单向稳定变应力情况下的计算安全系数。,解：1）计算零件的,由式（39）,由式（3-8）,3）寻找零件工作应力点M。 由 可以求得,2）作出极限应力线图 A点坐标为 D点的坐标为 C点坐标为,则可作出如右图的极限应力线图。,第三节 机械零件的疲劳强度计算,在极限应力线图上标出零件工作应力点M(150,4

7、0)。,4) 按照应力变化规律 常数，过M点作垂直于横幅的直线MM，在直线MM上所有的点均满足 常数的规律，而直线MM于直线AG的交线M所代表的应力就是计算时所用的极限应力。直线MM的方程为,5)求解M点的坐标。联立直线AG的方程 ，直线 MM的方程 ，解出M点的坐标为,6）计算极限应力,例(续）,7）计算零件的计算安全系数,第三节 机械零件的疲劳强度计算,四、机械零件的接触强度,物体的曲面接触,赫兹公式计算接触应力：,第三节 机械零件的疲劳强度计算,第四节 摩擦、磨损、润滑简介 一、摩擦,摩擦分类,干摩擦 边界摩擦 流体摩擦 混合摩擦 摩擦状态,膜厚比：,两滑动表面间的最小油膜厚度与两表面轮

8、廓均方根偏差之比为膜厚比.,当膜厚比 1时，为边界摩擦（润滑）状态； 当 1 3时，为混合摩擦（润滑)状态； 当3时，为流体摩擦（润滑）状态。,第四节 摩擦、磨损、润滑简介,两滑动表面所处的摩擦（润滑）状态一般可用膜厚比来大致判断。,二、磨损,零件的磨损过程分为三阶段： 磨合阶段 稳定磨损阶段 剧烈磨损阶段,磨损分类,粘着磨损 疲劳磨损 腐蚀磨损 微动磨损,第四节 摩擦、磨损、润滑简介,三、润滑剂和润滑方法 （一）润滑剂,常用工业润滑油的粘度分类及相应的运动粘度值 见表31,1、润滑油,粘度的近似换算 见表32,第四节 摩擦、磨损、润滑简介,几种润滑油的粘温曲线,润滑脂的性能指标： 针入度 滴

9、 点,3、添加剂 可改善润滑剂的使用特性。,4、固体润滑剂 适用于有特殊要求场合的机械零件的润滑。,第四节 摩擦、磨损、润滑简介,2、润滑脂,（二）润滑方法(1),压配式油杯,第四节 摩擦、磨损、润滑简介,旋转式油杯,针阀油杯,油芯油杯,（二）润滑方法(2),油环润滑,第四节 摩擦、磨损、润滑简介,油脂杯,浸油润滑,（三）流体润滑原理简介,根据摩擦面间油膜形成的原理流体润滑分为： 流体动压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。 流体静压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。,第四节 摩擦、磨损、润滑简介,（三） 流体润滑原理简介 1、 流体润滑承载机理（楔

10、效应）,第四节 摩擦、磨损、润滑简介,静板,动板,2、流体动压润滑的基本方程,假设条件： 1)液体为牛顿液体； 2)液体膜中液体的流动是层流； 3)忽略压力对液体粘度的影响； 4)略去惯性力及重力的影响； 5)认为液体不可压缩； 6)液体膜中的压力沿膜厚方向是不变的。,从层流运动的油膜中，取一微单元体进行分析。可推出x方向的流速,一维雷诺方程,第四节 摩擦、磨损、润滑简介,一维雷诺方程：,由式可见： 油膜压力的变化与润滑油的粘度、表面滑动速度和油膜厚度及其变化有关。,形成流体动力润滑(即形成动压油膜)的必要条件: 1) 相对滑动的两表面间必须形成收敛楔形间隙; 2) 两表面必须有一定相对滑动速

11、度, 运动方向必须使润滑油由大口流进, 小口流出; 3)润滑油必须有一定的粘度,且供油要充分.,第四节 摩擦、磨损、润滑简介,3、弹性流体动压润滑（弹流润滑）,弹性流体动压润滑理论用于高副接触零件的润滑问题。,第四节 摩擦、磨损、润滑简介,线接触弹流润滑的示意图,4、流体静压润滑,将外部供给的压力油送入两摩擦表面间，利用流体静压力来平衡外载荷。,第四节 摩擦、磨损、润滑简介,流体静压润滑系统的示意图,第五节 机械零部件的结构设计,一、机械结构设计的基本原则和方法,明确：功能、工作原理明确 简单：零件数目尽量少、形状简单、联接关系简单 安全：保证在预期工作时间内正常工作，不危害人和环境。,定位轴肩不起作用 轴、孔间出现较大空隙 改进后的结构 锥形轴毂联接存在的功能不明确的问题及其改进,结构设计的基本原则：,2、结构设计的内容和方法：,结构设计的内容： 结构方案设计 确定最优方案,结构设计的方法： 多种,不安全 安全 螺钉联接结构的安全性,第五节 机械零部件的结构设计,第五节 机械零部件的结构设计 举例,摇杆和推杆的球面位置变化,螺钉头作用面数目变化引起的形态变化,二、结构设计中考虑的若