第2章機械零件常用材料和機械設計基礎知識

1、第三章第三章 機械零件常用材料和機械設計機械零件常用材料和機械設計基基 礎礎 知知 識識 第一節(jié)第一節(jié) 機械零件常用材料、熱處理方法及其選擇機械零件常用材料、熱處理方法及其選擇本章主要內容本章主要內容 第五節(jié)第五節(jié) 機械零部件的結構設計機械零部件的結構設計 第二節(jié)第二節(jié) 機械零件的工作能力和計算準則機械零件的工作能力和計算準則 第三節(jié)第三節(jié) 機械零件的疲勞強度計算機械零件的疲勞強度計算 第四節(jié)第四節(jié) 摩擦、磨損和潤滑簡介摩擦、磨損和潤滑簡介本章學習要求本章學習要求 1 1、了解機械零件常用材料、熱處理方法及其選擇；、了解機械零件常用材料、熱處理方法及其選擇； 2 2、了解機械零件的工作能力和計

2、算準則；、了解機械零件的工作能力和計算準則； 3 3、掌握穩(wěn)定變應力下機械零件的疲勞強度分析及計算；、掌握穩(wěn)定變應力下機械零件的疲勞強度分析及計算； 4 4、了解摩擦、磨損和潤滑的相關知識；、了解摩擦、磨損和潤滑的相關知識； 5 5、初步了解機械零件的接觸強度計算；、初步了解機械零件的接觸強度計算； 6 6、掌握機械結構設計的一般原則和方法。、掌握機械結構設計的一般原則和方法。本章重點本章重點 1 1、機械零件的主要失效形式、設計準則；、機械零件的主要失效形式、設計準則； 2 2、機械零件的疲勞強度分析及計算；、機械零件的疲勞強度分析及計算； 3 3、機械結構設計的原則和方法、機械結構設計的原

3、則和方法. .第一節(jié)第一節(jié) 機械零件常用材料、熱處理方法及其選擇機械零件常用材料、熱處理方法及其選擇二、鋼的二、鋼的 （一）退火和正火（一）退火和正火 （二）淬火、回火和調質（二）淬火、回火和調質 （三）表面淬火和化學處理（三）表面淬火和化學處理一、機械零件常用材料：一、機械零件常用材料： （一）鋼（一）鋼 （二）鑄鐵（二）鑄鐵 （三）有色金屬（三）有色金屬第一節(jié)第一節(jié) 機械零件常用材料、熱處理方法及其選擇（機械零件常用材料、熱處理方法及其選擇（續(xù)）續(xù)） 三、機械零件材料的選擇原則三、機械零件材料的選擇原則 1 1、滿足機械零件的使用要求：、滿足機械零件的使用要求： 載荷、幾何條件、尺寸及重量

4、、特殊要求載荷、幾何條件、尺寸及重量、特殊要求 3、滿足經濟性要求：、滿足經濟性要求： 材料價格、加工和熱處理的成本等材料價格、加工和熱處理的成本等2 2、滿足工藝性要求、滿足工藝性要求 ( (便于加工制造便于加工制造):): 零件結構的復雜程度、尺寸大小、毛坯制造零件結構的復雜程度、尺寸大小、毛坯制造 第二節(jié)第二節(jié) 機械零件的工作能力和計算準則機械零件的工作能力和計算準則一、機械零件的工作能力一、機械零件的工作能力機械零件的機械零件的主要失效形式主要失效形式斷斷 裂裂塑性變形、塑性變形、過大彈性變形過大彈性變形正常工作條件遭破壞正常工作條件遭破壞引起的失效引起的失效表面磨損表面磨損機械零件的

5、工作能力機械零件的工作能力: :在一定工作條件下不發(fā)生失效的安全工作限度。在一定工作條件下不發(fā)生失效的安全工作限度。（一）強度準則（一）強度準則（二）剛度準則（二）剛度準則（三）耐磨性準則（三）耐磨性準則（四）振動穩(wěn)定性準則（四）振動穩(wěn)定性準則 Slim yy 第二節(jié)第二節(jié) 機械零件的工作能力和計算準則機械零件的工作能力和計算準則二、機械零件的計算準則二、機械零件的計算準則pff 85. 0或或pff 15. 1目前尚無定量可靠的計算方法，常采用一些條件性計算。目前尚無定量可靠的計算方法，常采用一些條件性計算。 第三節(jié)第三節(jié) 機械零件的疲勞強度計算機械零件的疲勞強度計算一、載荷和應力的分類一、

6、載荷和應力的分類 （二）應力的分類（二）應力的分類 靜應力靜應力 變應力變應力: : 1. 1.穩(wěn)定循環(huán)變應力穩(wěn)定循環(huán)變應力 2.2.不穩(wěn)定循環(huán)變應力不穩(wěn)定循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力非對稱循環(huán)變應力非對稱循環(huán)變應力（一）載荷的分類（一）載荷的分類 靜載荷靜載荷: :不隨時間變化或變化緩慢的應力。不隨時間變化或變化緩慢的應力。 變載荷：隨時間變化的應力。變載荷：隨時間變化的應力。 名義載荷名義載荷F F ：按額定功率計算的載荷。：按額定功率計算的載荷。 計算載荷計算載荷Fca Fca ：Fca=K.FFca=K.F穩(wěn)定循環(huán)變應力的類型穩(wěn)定循環(huán)變應力的類型2

7、minmaxm平均應力平均應力2minmaxa應力幅應力幅設計計算：設計計算：1 1、名義應力、名義應力 : : 由名義載荷求得的應力由名義載荷求得的應力 2 2、計算應力：由計算載荷求得的應力、計算應力：由計算載荷求得的應力第三節(jié)第三節(jié) 機械零件的疲勞強度計算機械零件的疲勞強度計算maxmin/ 循環(huán)特性循環(huán)特性對稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力 脈動循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力 非對稱循環(huán)變應力非對稱循環(huán)變應力 第三節(jié)第三節(jié) 機械零件的疲勞強度計算機械零件的疲勞強度計算二、疲勞曲線和疲勞極限應力線圖二、疲勞曲線和疲勞極限應力線圖 （一）疲勞曲線（一）疲勞曲線CNNmmN0NmNKNN0r疲勞極限疲勞

8、極限1對稱循環(huán)疲勞極限對稱循環(huán)疲勞極限0脈動循環(huán)疲勞極限脈動循環(huán)疲勞極限循環(huán)次數循環(huán)次數 N N材料常數材料常數 m m循環(huán)基數循環(huán)基數無限壽命區(qū)的起始點無限壽命區(qū)的起始點壽命系數壽命系數材料的疲勞曲線材料的疲勞曲線有限壽命疲有限壽命疲勞極限勞極限4545（二）疲勞極限應力線圖（二）疲勞極限應力線圖 1 1、材料的疲勞極限應力線圖、材料的疲勞極限應力線圖AG AG 段：段：rmra1CG CG 段段: :srmra0012第三節(jié)第三節(jié) 機械零件的疲勞強度計算機械零件的疲勞強度計算材料常數材料常數20DG201OamsCA 2 2、零件的疲勞極限應力線圖、零件的疲勞極限應力線圖Ke11kK rm

9、eeraeeK11AG AG 段段: :rmeraeK1CG CG 段段: :srmerae0012KKe第三節(jié)第三節(jié) 機械零件的疲勞強度計算機械零件的疲勞強度計算彎曲疲勞極限的彎曲疲勞極限的綜合影響系數綜合影響系數絕對尺寸絕對尺寸影響系數影響系數表面質量表面質量系數系數三、穩(wěn)定變應力下機械零件的疲勞強度計算三、穩(wěn)定變應力下機械零件的疲勞強度計算（單向穩(wěn)定變應力的機械零件疲勞強度計算（單向穩(wěn)定變應力的機械零件疲勞強度計算 ）第三節(jié)第三節(jié) 機械零件的疲勞強度計算機械零件的疲勞強度計算機械零件疲勞強度的計算時：機械零件疲勞強度的計算時：先求出零件危險截面的最大工作應力和最小工作應力；先求出零件危險

10、截面的最大工作應力和最小工作應力；求出平均工作應力和工作應力幅，由此在極限應力線圖上標出工作應力點。求出平均工作應力和工作應力幅，由此在極限應力線圖上標出工作應力點。根據應力變化規(guī)律確定極限應力曲線上的極限應力（計算時所用極限應力）。根據應力變化規(guī)律確定極限應力曲線上的極限應力（計算時所用極限應力）。三種典型應力變化規(guī)律：三種典型應力變化規(guī)律：C（1）變應力的循環(huán)特性保持不變）變應力的循環(huán)特性保持不變 ，如轉軸的應力狀態(tài)。，如轉軸的應力狀態(tài)。Cme（2）變應力的平均應力保持不變）變應力的平均應力保持不變 , 振動受載彈簧的應力狀態(tài)振動受載彈簧的應力狀態(tài)Cemin（3）變應力的最小應力保持不變）

11、變應力的最小應力保持不變 , 如受軸向變載荷螺栓的應力狀態(tài)如受軸向變載荷螺栓的應力狀態(tài)三、穩(wěn)定變應力下機械零件的疲勞強度計算三、穩(wěn)定變應力下機械零件的疲勞強度計算（單向穩(wěn)定變應力的機械零件疲勞強度計算（單向穩(wěn)定變應力的機械零件疲勞強度計算1 1 ） 時為例時為例: :CmeaeeeKmax1max對應于對應于M點的零件的極限應力點的零件的極限應力:SKSmeaeca1安全系數及強度條件為：安全系數及強度條件為：SSmeaesca對應于對應于N點的極限應力為屈服應力，只需進行靜強度計算，安全系數為點的極限應力為屈服應力，只需進行靜強度計算，安全系數為第三節(jié)第三節(jié) 機械零件的疲勞強度計算機械零件的

12、疲勞強度計算aemeOamDAGCMaemeNMN例例 某零件材料的力學性能為：某零件材料的力學性能為： ， ， 。 已知零件上的最大工作應力已知零件上的最大工作應力 最小工作應力最小工作應力 應力變化規(guī)律為應力變化規(guī)律為 常數，彎曲疲勞極限的綜合影響系數常數，彎曲疲勞極限的綜合影響系數 。試確。試確定該零件在單向穩(wěn)定變應力情況下的計算安全系數。定該零件在單向穩(wěn)定變應力情況下的計算安全系數。max190,eMPamin110,eMPa2.0KMPa400sMPa30012 . 0m e解：解：1 1）計算零件的）計算零件的 10e、11/300/ 2150eKMPaMPa由式（由式（3 39

13、9）MPa5000.21MPa30021210由式（由式（3-83-8）3 3）尋找零件工作應力點）尋找零件工作應力點M M。由由 可以求得可以求得maxmin190,110eeMPaMPamaxminm190 110()15022eeeMPaMPa2 2）作出極限應力線圖）作出極限應力線圖A點坐標為點坐標為DD點的坐標為點的坐標為CC點坐標為點坐標為1(0,)(0,150)e00(/2,/2 )(250,125)K(,0)(400,0)s則可作出如右圖的極限應力線圖。則可作出如右圖的極限應力線圖。第三節(jié)第三節(jié) 機械零件的疲勞強度計算機械零件的疲勞強度計算2001501005005010015

14、0200250300350400amMP/aaMP/ADGCMmaxmin190 110()4022eeaeMPaMPa在極限應力線圖上標出零件工作應力在極限應力線圖上標出零件工作應力點點M(150,40)M(150,40)。m 4) 4) 按照應力變化規(guī)律按照應力變化規(guī)律 常數，過常數，過M M點作垂直于橫幅的直線點作垂直于橫幅的直線MMMM，在直線在直線MMMM上所有的點均滿足上所有的點均滿足 常數的規(guī)律，而直線常數的規(guī)律，而直線MMMM于直線于直線AGAG的交線的交線MM所代表的應力就是計算時所用的極限應力。直線所代表的應力就是計算時所用的極限應力。直線MMMM的的方程為方程為m150m

15、emeMPa150meMPa 5) 5)求解求解MM點的坐標。聯立直線點的坐標。聯立直線AGAG的方程的方程 ，直線直線 MMMM的方程的方程 ，解出，解出MM點的坐標為點的坐標為 150meMPa1meaeK6 6）計算極限應力）計算極限應力max(150 135)285emeaeMPaMPa例例( (續(xù)）續(xù)）7 7）計算零件的計算安全系數）計算零件的計算安全系數maxmax285MPa/190MPa1.5ecaeS第三節(jié)第三節(jié) 機械零件的疲勞強度計算機械零件的疲勞強度計算20015010050050100150200250300350400amMP/aaMP/ADGCMM2/)1502 .

16、 0300(1MPaKmeaeMPa135四、機械零件的接觸強度四、機械零件的接觸強度物體的曲面接觸物體的曲面接觸赫茲公式計算接觸應力：赫茲公式計算接觸應力：)11()11(22212121EELFH第三節(jié)第三節(jié) 機械零件的疲勞強度計算機械零件的疲勞強度計算 第四節(jié)第四節(jié) 摩擦、磨損、潤滑簡介摩擦、磨損、潤滑簡介一、摩擦一、摩擦靜摩擦靜摩擦動摩擦動摩擦滑動摩擦滑動摩擦滾動摩擦滾動摩擦干摩擦干摩擦邊界摩擦邊界摩擦流體摩擦流體摩擦混合摩擦混合摩擦摩擦分類摩擦分類 內摩擦內摩擦 外摩擦外摩擦 干摩擦干摩擦 邊界摩擦邊界摩擦 流體摩擦流體摩擦 混合摩擦混合摩擦 摩擦狀態(tài)摩擦狀態(tài) 膜厚比：膜厚比：222

17、1minqqRRh兩滑動表面間的最小油膜厚度與兩表面輪廓均方根偏差之比兩滑動表面間的最小油膜厚度與兩表面輪廓均方根偏差之比為膜厚比為膜厚比. .當膜厚比當膜厚比 11時，為邊界摩擦（潤滑）狀態(tài)；時，為邊界摩擦（潤滑）狀態(tài)；當當 1 31 3時，為混合摩擦（潤滑時，為混合摩擦（潤滑) )狀態(tài)；狀態(tài)；當當33時，為流體摩擦（潤滑）狀態(tài)。時，為流體摩擦（潤滑）狀態(tài)。第四節(jié)第四節(jié) 摩擦、磨損、潤滑簡介摩擦、磨損、潤滑簡介兩滑動表面所處的摩擦（潤滑）狀態(tài)一般可用膜厚比來大致判斷。兩滑動表面所處的摩擦（潤滑）狀態(tài)一般可用膜厚比來大致判斷。二、磨損二、磨損零件的磨損過程分為零件的磨損過程分為三階段：三階段：

18、 磨合階段磨合階段 穩(wěn)定磨損階段穩(wěn)定磨損階段 劇烈磨損階段劇烈磨損階段磨損分類磨損分類粘著磨損粘著磨損疲勞磨損疲勞磨損腐蝕磨損腐蝕磨損微動磨損微動磨損第四節(jié)第四節(jié) 摩擦、磨損、潤滑簡介摩擦、磨損、潤滑簡介三、潤滑劑和潤滑方法三、潤滑劑和潤滑方法 （一）潤滑劑（一）潤滑劑常用工業(yè)潤滑油的粘度分類及相應的運動粘度值常用工業(yè)潤滑油的粘度分類及相應的運動粘度值 見表見表3 31 11 1、潤滑油、潤滑油潤滑油的粘度：潤滑油的粘度：動力粘度動力粘度運動粘度運動粘度相對粘度相對粘度粘度的近似換算粘度的近似換算見表見表3 32 2第四節(jié)第四節(jié) 摩擦、磨損、潤滑簡介摩擦、磨損、潤滑簡介幾種潤滑油的粘溫曲線幾種

19、潤滑油的粘溫曲線潤滑脂的性能指標：潤滑脂的性能指標：針入度針入度滴滴 點點3 3、添加劑、添加劑 可改善潤滑劑的使用特性?？筛纳茲櫥瑒┑氖褂锰匦?。4 4、固體潤滑劑、固體潤滑劑 適用于有特殊要求場合的機械零件的潤滑。適用于有特殊要求場合的機械零件的潤滑。第四節(jié)第四節(jié) 摩擦、磨損、潤滑簡介摩擦、磨損、潤滑簡介2 2、潤滑脂、潤滑脂（二）潤滑方法（二）潤滑方法(1)(1)壓配式油杯壓配式油杯第四節(jié)第四節(jié) 摩擦、磨損、潤滑簡介摩擦、磨損、潤滑簡介旋轉式油杯旋轉式油杯針閥油杯針閥油杯油芯油杯油芯油杯（二）潤滑方法（二）潤滑方法(2)(2)油環(huán)潤滑油環(huán)潤滑第四節(jié)第四節(jié) 摩擦、磨損、潤滑簡介摩擦、磨損、潤

20、滑簡介油脂杯油脂杯浸油潤滑浸油潤滑（三）流體潤滑原理簡介（三）流體潤滑原理簡介 根據摩擦面間油膜形成的原理流體潤滑分為：根據摩擦面間油膜形成的原理流體潤滑分為：流體動壓潤滑流體動壓潤滑利用摩擦面間的相對運動而自動形成承載油利用摩擦面間的相對運動而自動形成承載油 膜的潤滑。膜的潤滑。流體靜壓潤滑流體靜壓潤滑從外部將加壓的油送入摩擦面間，強迫形成從外部將加壓的油送入摩擦面間，強迫形成 承載油膜的潤滑。承載油膜的潤滑。第四節(jié)第四節(jié) 摩擦、磨損、潤滑簡介摩擦、磨損、潤滑簡介（三）（三） 流體潤滑原理簡介流體潤滑原理簡介 1 1、 流體潤滑承載機理（楔效應）流體潤滑承載機理（楔效應）第四節(jié)第四節(jié) 摩擦、

21、磨損、潤滑簡介摩擦、磨損、潤滑簡介022yuB分布曲線油壓 p靜板靜板動板動板bxyOv0hminhacA022yu022yuF2 2、流體動壓潤滑的基本方程、流體動壓潤滑的基本方程假設條件：假設條件： 1)1)液體為牛頓液體；液體為牛頓液體； 2)2)液體膜中液體的流動是層流；液體膜中液體的流動是層流； 3)3)忽略壓力對液體粘度的影響；忽略壓力對液體粘度的影響； 4)4)略去慣性力及重力的影響；略去慣性力及重力的影響； 5)5)認為液體不可壓縮；認為液體不可壓縮； 6)6)液體膜中的壓力沿膜厚方向是不變的。液體膜中的壓力沿膜厚方向是不變的。從層流運動的油膜中，取一微單元體進行從層流運動的油

22、膜中，取一微單元體進行分析?？赏瞥龇治??？赏瞥鰔 x方向的流速方向的流速xpyhyhyhvu2)()()(603hhhVx一維雷諾方程一維雷諾方程第四節(jié)第四節(jié) 摩擦、磨損、潤滑簡介摩擦、磨損、潤滑簡介一維雷諾方程：一維雷諾方程：)(603hhhVx由式可見：由式可見： 油膜壓力的變化與潤滑油的粘度、油膜壓力的變化與潤滑油的粘度、表面滑動速度和油膜厚度及其變化有關。表面滑動速度和油膜厚度及其變化有關。形成流體動力潤滑形成流體動力潤滑( (即形成動壓油膜即形成動壓油膜) )的必要條件的必要條件: : 1) 1) 相對滑動的兩表面間必須形成收斂楔形間隙相對滑動的兩表面間必須形成收斂楔形間隙; ; 2

23、) 2) 兩表面必須有一定相對滑動速度兩表面必須有一定相對滑動速度, , 運動方向必須使?jié)櫥陀纱罂诹鬟\動方向必須使?jié)櫥陀纱罂诹鬟M進, , 小口流出小口流出; ; 3) 3)潤滑油必須有一定的粘度潤滑油必須有一定的粘度, ,且供油要充分且供油要充分. . 第四節(jié)第四節(jié) 摩擦、磨損、潤滑簡介摩擦、磨損、潤滑簡介3 3、彈性流體動壓潤滑（彈流潤滑）、彈性流體動壓潤滑（彈流潤滑）彈性流體動壓潤滑理論用于高副接觸零件的潤滑問題。彈性流體動壓潤滑理論用于高副接觸零件的潤滑問題。第四節(jié)第四節(jié) 摩擦、磨損、潤滑簡介摩擦、磨損、潤滑簡介線接觸彈流潤滑的示意圖線接觸彈流潤滑的示意圖4 4、流體靜壓潤滑、流體靜壓潤滑將外部供給的壓力油送入兩摩擦表面間，利用流體靜壓力來平衡外載荷。將外部供給的壓力油送入兩摩擦表面間，利用流體靜壓力來平衡外載荷。第四節(jié)第四節(jié) 摩擦、磨損、潤滑簡介摩擦、磨損、潤滑簡介流體靜壓潤滑系統(tǒng)的示意圖流體靜壓潤滑系統(tǒng)的示意圖第五節(jié)第五節(jié) 機械零部件的結構設計機械零部件的結構設計一、機械結構設計的基本原則和方法一、機械結構設計的基本原則和方法 明確：明確：功能、工作原理明確功能、工作原理明確 簡單：簡單：零件數目盡量少、形狀簡單、聯接關系簡單零件數目盡量少、形狀簡單、聯接關系簡單 安全：安全：保證在