第四章 機(jī)械零部件工作能力設(shè)計(jì)計(jì)算基礎(chǔ)

1、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（陳定國(guó)版）第四章 機(jī)械零部件工作能力設(shè)計(jì)計(jì)算基礎(chǔ)By：秦霆Time：2013.09.10本章主要內(nèi)容： 4.1 概述 4.2 作用在零件上的載荷 4.3 機(jī)械零件的應(yīng)力 4.4 機(jī)械零件的工作能力設(shè)計(jì)及材料選用原則 4.5 機(jī)械零件的強(qiáng)度和剛度 4.6 機(jī)械零件的振動(dòng)穩(wěn)定性 7.7 摩擦、磨損和潤(rùn)滑簡(jiǎn)介4.1 概述工作能力設(shè)計(jì)的基本要求是：保證零部件的工作能力。機(jī)械零部件的工作能力包括：強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)穩(wěn)定性、耐磨性等。4.2 作用在零件上的載荷 4.2.1 載荷的類型載荷：機(jī)械零件在工作時(shí)作用在零件上的外力。 單位：F（N，kN） T（Nm Nmm） M（Nm Nmm） P（k

2、W）靜載荷：不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間緩慢變化的載荷動(dòng)載荷：隨時(shí)間變化的載荷。 確定性載荷：隨時(shí)間變化的規(guī)律能用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的載荷 隨機(jī)載荷：隨時(shí)間變化的規(guī)律不能用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的載荷載荷的分類p周期性載荷：載荷是隨時(shí)間做周期性變化的。 對(duì)稱循環(huán) 脈動(dòng)循環(huán) 非對(duì)稱循環(huán) 規(guī)律性不穩(wěn)定循環(huán)p非周期性載荷：無(wú)周期規(guī)律的載荷。 準(zhǔn)周期載荷 瞬變載荷：非周期性的突加載荷。p隨機(jī)載荷：載荷的幅值和頻率都隨時(shí)間變化，且不能夠用一個(gè)函數(shù)確切地描述。周期載荷和周期應(yīng)力變應(yīng)力參數(shù)及典型變應(yīng)力1. 變應(yīng)力參數(shù)最大應(yīng)力：max 最小應(yīng)力：min應(yīng)力循環(huán)特征：用來(lái)表示應(yīng)力的變化情況 r=min/max平均應(yīng)力：

3、2minmaxm2minmaxa應(yīng)力幅：minaammaxt注意：五個(gè)參數(shù)具有符號(hào)，計(jì)算時(shí)要帶有符號(hào)； max、min是指絕對(duì)值而言。應(yīng)力類型a）靜應(yīng)力：r= +1 變應(yīng)力特例t =常數(shù)b）對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力r= -1tamaxminc）脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力r= 0taamaxm2. 典型變應(yīng)力及應(yīng)力循環(huán)特征rd）非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力r 在（-1+1）間變化maxmminaat載荷的確定 1、類比法 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)單計(jì)算確定 2、計(jì)算法 根據(jù)力學(xué)原理、經(jīng)驗(yàn)公式或圖標(biāo)來(lái)確定 名義載荷：平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷或說(shuō)是在理想條件下的載荷。 計(jì)算載荷：考慮實(shí)際工作中受到的不同因素的影響后零件所受的載荷。 Tc

4、 = KT注注:計(jì)算載荷只是初步設(shè)計(jì)時(shí)所依據(jù)的一個(gè)數(shù)值，它與用在零件上隨機(jī)變化的計(jì)算載荷只是初步設(shè)計(jì)時(shí)所依據(jù)的一個(gè)數(shù)值，它與用在零件上隨機(jī)變化的實(shí)實(shí)際載荷際載荷是有區(qū)別的。實(shí)際載荷與計(jì)算載荷之間的差異以及對(duì)強(qiáng)度的影響，可是有區(qū)別的。實(shí)際載荷與計(jì)算載荷之間的差異以及對(duì)強(qiáng)度的影響，可在安全系數(shù)中考慮。在安全系數(shù)中考慮。 3、實(shí)測(cè)法4.3 機(jī)械零件中的應(yīng)力幾個(gè)重要的概念 名義應(yīng)力：根據(jù)名義載荷計(jì)算求得的應(yīng)力稱為名義應(yīng)力 計(jì)算應(yīng)力：根據(jù)計(jì)算載荷計(jì)算求得的應(yīng)力稱為名義應(yīng)力應(yīng)力也可分為靜應(yīng)力和變應(yīng)力 靜應(yīng)力：作用在零件上的載荷的大小和相對(duì)與零件的載荷方向不變的應(yīng)力稱為靜應(yīng)力。 變應(yīng)力：非靜應(yīng)力的應(yīng)力。應(yīng)力

5、也可以分為體積應(yīng)力和表面應(yīng)力 體積應(yīng)力：在玲件體內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力，如拉伸應(yīng)力、壓縮應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和剪應(yīng)力。 表面應(yīng)力：作用在接觸表面的應(yīng)力，如表面擠壓應(yīng)力和接觸應(yīng)力。1.拉伸拉伸: 圖圖5.2為拉桿聯(lián)接，圖為拉桿聯(lián)接，圖5.2a為各部分的尺寸和受力情況。為各部分的尺寸和受力情況。 當(dāng)聯(lián)接桿受實(shí)線箭頭拉力當(dāng)聯(lián)接桿受實(shí)線箭頭拉力F作用時(shí)，桿內(nèi)將產(chǎn)生拉應(yīng)力作用時(shí)，桿內(nèi)將產(chǎn)生拉應(yīng)力 ，其值為，其值為（5.3） FA式中：式中：A為桿的截面面積，為桿的截面面積，A= D2/4。DDbb2bFFd開口銷開口銷FF圖圖5.2 （a）拉桿連接）拉桿連接2.壓縮壓縮:(3-4)cFADDbb2bFFd開口

6、銷開口銷FF圖圖5.2 （a）拉桿連接）拉桿連接 圖圖5.2的桿聯(lián)接受虛線箭頭壓力的桿聯(lián)接受虛線箭頭壓力F作用時(shí)兩聯(lián)接桿將受壓應(yīng)力作用時(shí)兩聯(lián)接桿將受壓應(yīng)力 c， 其值為其值為5.剪切剪切:如圖如圖b所示，所示， 通常假定剪應(yīng)力是均勻分布的通常假定剪應(yīng)力是均勻分布的，則這些剪切面上的剪應(yīng)力，則這些剪切面上的剪應(yīng)力 為為FA (3-5)式中：式中：A為各個(gè)零件本身受剪切面積之和，如銷釘為各個(gè)零件本身受剪切面積之和，如銷釘A=2 d2/4；桿接頭；桿接頭A=4cb。F桿桿AFa F桿桿B 銷釘銷釘F 圖圖5.2（b）拉桿連接各零件受剪切和擠壓部位）拉桿連接各零件受剪切和擠壓部位 在受拉力在受拉力F作

7、用下，銷釘?shù)慕孛?、作用下，銷釘?shù)慕孛?、兩桿的截面和均受到剪切。兩桿的截面和均受到剪切。4.擠壓擠壓:如圖如圖b所示，所示， 在銷釘和桿的釘孔互相接觸壓緊的表面在銷釘和桿的釘孔互相接觸壓緊的表面、處受到擠壓處受到擠壓的作用。的作用。F桿桿AF桿桿B 銷釘銷釘圖圖5.2 (c) 桿桿A受擠壓的情況受擠壓的情況圖圖c所示為桿所示為桿A釘孔受擠壓的情況。釘孔受擠壓的情況。F擠壓應(yīng)力圖擠壓應(yīng)力圖F受擠壓后也的變形圖受擠壓后也的變形圖F受力的簡(jiǎn)化圖受力的簡(jiǎn)化圖F擠壓應(yīng)力圖擠壓應(yīng)力圖F受擠壓后也的變形圖受擠壓后也的變形圖F受力的簡(jiǎn)化圖受力的簡(jiǎn)化圖 擠壓?jiǎn)栴}的條件性計(jì)算擠壓?jiǎn)栴}的條件性計(jì)算:假定擠壓應(yīng)力是均勻

8、分布在釘孔的有效擠壓面上，有效假定擠壓應(yīng)力是均勻分布在釘孔的有效擠壓面上，有效擠壓面積就是實(shí)際受擠壓面積在釘孔直徑上的投影面積擠壓面積就是實(shí)際受擠壓面積在釘孔直徑上的投影面積A=2bd。釘孔表面的擠壓應(yīng)。釘孔表面的擠壓應(yīng)力為力為AFp 擠壓?jiǎn)栴}的條件性計(jì)算擠壓?jiǎn)栴}的條件性計(jì)算:假定擠壓應(yīng)力是均勻分布在釘孔的有效擠壓面上，有效假定擠壓應(yīng)力是均勻分布在釘孔的有效擠壓面上，有效擠壓面積就是實(shí)際受擠壓面積在釘孔直徑上的投影面積擠壓面積就是實(shí)際受擠壓面積在釘孔直徑上的投影面積A=2bd。釘孔表面的擠壓應(yīng)。釘孔表面的擠壓應(yīng)力為力為AFp 接觸表面之間有相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，常常用單位面積上的壓力來(lái)控制磨損。這種壓力

9、稱接觸表面之間有相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，常常用單位面積上的壓力來(lái)控制磨損。這種壓力稱為為壓應(yīng)力壓應(yīng)力，例如滑動(dòng)軸承的軸頸和軸瓦間的情況。壓應(yīng)力一般用，例如滑動(dòng)軸承的軸頸和軸瓦間的情況。壓應(yīng)力一般用p表示，其值為表示，其值為 AFp 5.扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)TWT（5.8） 式中：式中：WT一抗扭截面系數(shù)，圓截面一抗扭截面系數(shù)，圓截面WT= d3/16 0.2d3。TTmaxd(a) 傳動(dòng)軸傳動(dòng)軸(b) 軸的扭切應(yīng)力軸的扭切應(yīng)力圖圖5.3傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn) 當(dāng)受到轉(zhuǎn)矩當(dāng)受到轉(zhuǎn)矩T作用時(shí)，軸受扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力是不均勻分布的（圖作用時(shí)，軸受扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力是不均勻分布的（圖5.3b），）， 圓軸截面的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力最大值

10、為圓軸截面的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力最大值為6.彎曲彎曲 車輪軸的受力情況車輪軸的受力情況(a) 車輪軸車輪軸FFFFFFa(b) 車軸受力車軸受力圖圖5.4 車軸的彎曲車軸的彎曲+b+b-b-b6.彎曲彎曲: 從圖可看出彎曲應(yīng)力不是均勻分布的，在中性面上為零，中從圖可看出彎曲應(yīng)力不是均勻分布的，在中性面上為零，中性面一側(cè)受拉伸，另一側(cè)受壓縮。性面一側(cè)受拉伸，另一側(cè)受壓縮。M(c) 彎矩彎矩(d) 彎曲應(yīng)力分布彎曲應(yīng)力分布圖圖5.4 車軸的彎曲車軸的彎曲(a) 車輪軸車輪軸FFFFFFa(b) 車軸受力車軸受力 車軸輪受的彎矩車軸輪受的彎矩M，軸的橫截面上的應(yīng)力分布。，軸的橫截面上的應(yīng)力分布。 軸表面上的應(yīng)

11、力軸表面上的應(yīng)力 達(dá)到最大達(dá)到最大 ，其值為，其值為bbMW（5.9a）式中，式中，W抗彎截面系數(shù)，對(duì)于軸，抗彎截面系數(shù)，對(duì)于軸， W= d3/32 0.1d3。 各種形狀的截面系數(shù)各種形狀的截面系數(shù)WT和和W可由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得。可由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得。 軸的中段所受最大彎矩軸的中段所受最大彎矩MFa，此段的最大彎曲應(yīng)力為，此段的最大彎曲應(yīng)力為30.1bFad（5.9b）4.3.1接觸應(yīng)力接觸應(yīng)力 有些零件在受載荷前是有些零件在受載荷前是點(diǎn)接觸點(diǎn)接觸（球軸承、圓弧齒輪）或（球軸承、圓弧齒輪）或線接觸線接觸（摩擦輪、直齒（摩擦輪、直齒及斜齒漸開線齒輪、滾子軸承等），受載后在接觸表面產(chǎn)生局部彈性變形，形成

12、小面及斜齒漸開線齒輪、滾子軸承等），受載后在接觸表面產(chǎn)生局部彈性變形，形成小面積接觸。這時(shí)雖然接觸面積很小，但表層產(chǎn)生的局部壓應(yīng)力卻很大，該應(yīng)力稱為積接觸。這時(shí)雖然接觸面積很小，但表層產(chǎn)生的局部壓應(yīng)力卻很大，該應(yīng)力稱為接觸接觸應(yīng)力應(yīng)力，在接觸應(yīng)力作用下的零件強(qiáng)度稱為，在接觸應(yīng)力作用下的零件強(qiáng)度稱為接觸強(qiáng)度接觸強(qiáng)度。b bHmaxHmaxHminHmin21FF2a圖圖5.5 兩圓柱體接觸應(yīng)力分布兩圓柱體接觸應(yīng)力分布線接觸應(yīng)力線接觸應(yīng)力 圖圖5.5表示曲率半徑各為表示曲率半徑各為 1和和 2、長(zhǎng)為、長(zhǎng)為b的兩個(gè)圓柱體接觸，載荷為的兩個(gè)圓柱體接觸，載荷為F，由于接觸表面局由于接觸表面局部彈性變形，

13、形成一個(gè)部彈性變形，形成一個(gè)2a b的矩形接觸面積，該面上的接觸應(yīng)力分布是不均勻的，的矩形接觸面積，該面上的接觸應(yīng)力分布是不均勻的，最最大應(yīng)力位于接觸面寬中線處大應(yīng)力位于接觸面寬中線處。 由彈性力學(xué)的赫茲（由彈性力學(xué)的赫茲（Hertz）公式可得最大接觸應(yīng)力為）公式可得最大接觸應(yīng)力為12max2212121111HFbEE（5.10）式中，式中， 1、 2為兩接觸體材料的泊松比為兩接觸體材料的泊松比 E1、E2為兩接觸體材料的彈性模量為兩接觸體材料的彈性模量 1、 2_ 兩圓柱體接觸處的曲率半徑兩圓柱體接觸處的曲率半徑,外接觸取正號(hào)，內(nèi)接觸取外接觸取正號(hào)，內(nèi)接觸取 負(fù)號(hào)負(fù)號(hào),平面與圓柱或球接觸，

14、取平面曲率半徑平面與圓柱或球接觸，取平面曲率半徑 2= 。(5.11)綜合曲率半徑綜合曲率半徑 12111 則則221212111EEE綜合彈性模量綜合彈性模量E 當(dāng)接觸點(diǎn)（或線）連續(xù)改變位置時(shí)，零件上任一點(diǎn)處的接觸應(yīng)力將在當(dāng)接觸點(diǎn)（或線）連續(xù)改變位置時(shí)，零件上任一點(diǎn)處的接觸應(yīng)力將在0到到 H max之之間變動(dòng)，因此，這時(shí)的接觸變應(yīng)力是一個(gè)脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，這時(shí)零件的破壞則屬于間變動(dòng)，因此，這時(shí)的接觸變應(yīng)力是一個(gè)脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，這時(shí)零件的破壞則屬于疲勞疲勞破壞破壞，這將在，這將在5.6節(jié)做進(jìn)一步介紹。節(jié)做進(jìn)一步介紹。bFEH564. 0max2)點(diǎn)接觸應(yīng)力3222121max21116EEFH為

15、綜合曲率半徑 11121兩接觸體材料的泊松比量?jī)山佑|體材料的彈性模、2121EEHmaxHmaxF221溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響 材料在受熱或受冷時(shí)都要變形，變形是向三個(gè)方向均勻進(jìn)行的。有一定厚度的材料在受熱或受冷時(shí)都要變形，變形是向三個(gè)方向均勻進(jìn)行的。有一定厚度的機(jī)械零件在冷卻時(shí)，由于表面先冷卻收縮，內(nèi)部后冷卻收縮，因此在溫度變化過(guò)程機(jī)械零件在冷卻時(shí)，由于表面先冷卻收縮，內(nèi)部后冷卻收縮，因此在溫度變化過(guò)程中，其表面將受拉應(yīng)力，內(nèi)部則受壓應(yīng)力，如圖中，其表面將受拉應(yīng)力，內(nèi)部則受壓應(yīng)力，如圖5.12a所示。所示。 (a) 冷卻冷卻圖圖5.12 溫度變形和應(yīng)力溫度變形和應(yīng)力

16、壓壓拉拉(b) 加熱加熱圖圖5.12 溫度變形和應(yīng)力溫度變形和應(yīng)力壓壓拉拉 當(dāng)零件被加熱時(shí)，情況則相反，表面先受熱膨脹，而內(nèi)部則受熱膨脹較慢，因此當(dāng)零件被加熱時(shí)，情況則相反，表面先受熱膨脹，而內(nèi)部則受熱膨脹較慢，因此表面將受壓應(yīng)力而內(nèi)部則受拉應(yīng)力。這就是由于溫度的變化引起的機(jī)械零件的變形及表面將受壓應(yīng)力而內(nèi)部則受拉應(yīng)力。這就是由于溫度的變化引起的機(jī)械零件的變形及附加的溫度應(yīng)力。附加的溫度應(yīng)力。 溫度的變化還使材料的機(jī)械性能發(fā)生變化。材料的機(jī)械性能一般是指室溫條溫度的變化還使材料的機(jī)械性能發(fā)生變化。材料的機(jī)械性能一般是指室溫條件下試驗(yàn)得到的數(shù)值，如彈性模量、屈服極限等。金屬一般在溫度超過(guò)某一數(shù)值

17、件下試驗(yàn)得到的數(shù)值，如彈性模量、屈服極限等。金屬一般在溫度超過(guò)某一數(shù)值（鋼為（鋼為300400，輕合金為，輕合金為100150）后，其強(qiáng)度將急劇下降，因此在必要）后，其強(qiáng)度將急劇下降，因此在必要時(shí)應(yīng)采用耐高溫材料，如耐熱合金鋼、金屬陶瓷等。時(shí)應(yīng)采用耐高溫材料，如耐熱合金鋼、金屬陶瓷等。裝配應(yīng)力裝配應(yīng)力 4.4 機(jī)械零件的工作能力設(shè)計(jì)及材料選用原則 失效：失效：機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作稱為失效。 零件常見(jiàn)失效形式有斷裂，表面失效（接觸疲勞、表面壓潰、磨損、膠合），過(guò)大的塑性變形，過(guò)大的彈性變形，振動(dòng)失穩(wěn)，打滑和滑移等。 機(jī)械零件的主要失效形式過(guò)大彈性變形零件的剛度不夠引起塑性變形工作應(yīng)力

18、超過(guò)材料的屈服極限S引起2過(guò)量變形疲勞斷裂工作應(yīng)力超過(guò)零件的疲勞極限r(nóng)引起過(guò)載斷裂工作應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限B引起1斷裂壓潰、過(guò)度磨損零件接觸表面上的壓應(yīng)力p過(guò)大膠 合 零件工作溫升t過(guò)高引起表面疲勞損壞零件表面接觸應(yīng)力H過(guò)大引起 3表面 破壞4.其他失效：傳動(dòng)帶打滑、螺栓連接松動(dòng)、液體摩擦軸承中油膜破裂等 計(jì)算準(zhǔn)則 用于計(jì)算并確定零件基本尺寸的主要依據(jù)。對(duì)于具體的零件，應(yīng)根據(jù)它們的主要失效形式，采用相應(yīng)的計(jì)算準(zhǔn)則。常用的計(jì)算準(zhǔn)則有： 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則1強(qiáng)度準(zhǔn)則針對(duì)零件斷裂、塑性變形或表面疲勞損壞失效 強(qiáng)度指零件在載荷作用下抵抗斷裂或塑性變形的能力。強(qiáng)度是保證零件工作能力的最基本要求。若零件

19、的強(qiáng)度不夠，不僅因?yàn)榱慵氖箼C(jī)械不能正常工作，還可能導(dǎo)致安全事故。強(qiáng)度的計(jì)算準(zhǔn)則為： MPa 或 針對(duì)斷裂或塑性變形 H H 針對(duì)表面疲勞損壞強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則：1）或SlimSlim2）limSSlimSSS安全系數(shù)，S1S：安全，浪費(fèi)材料S：經(jīng)濟(jì)，不安全零件的工作正應(yīng)力；零件的工作切應(yīng)力；材料的許用正應(yīng)力；材料的許用切應(yīng)力；lim材料的極限正應(yīng)力；lim材料的極限切應(yīng)力；2剛度準(zhǔn)則針對(duì)過(guò)大彈性變形 剛度指零件在一定載荷作用下抵抗過(guò)大彈性變形的能力。剛度是保證機(jī)器正常工作，提高機(jī)床加工產(chǎn)品質(zhì)量的基本要求。剛度的計(jì)算準(zhǔn)則為：y y ； ； 式中，y、和 分別為零件工作時(shí)的撓度、偏轉(zhuǎn)角 和扭轉(zhuǎn)角；

20、 由剛度計(jì)算所得零件剖面尺寸，一般要比強(qiáng)度計(jì)算的大，所以，一般滿足剛度要求的零件往往也能同時(shí)滿足強(qiáng)度要求。機(jī)床主軸等彈性變形過(guò)大將影響加工精度。齒輪軸的彎曲撓度過(guò)大會(huì)影響一對(duì)齒輪的正確嚙合。3耐磨性準(zhǔn)則耐磨性準(zhǔn)則針對(duì)過(guò)度磨損、膠合破壞針對(duì)過(guò)度磨損、膠合破壞 耐磨性耐磨性 指零件在載荷作用下相對(duì)運(yùn)動(dòng)的指零件在載荷作用下相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩零件接兩零件接觸界的抗磨損能力。耐磨性是保證有相對(duì)運(yùn)動(dòng)觸界的抗磨損能力。耐磨性是保證有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件正的零件正常工作的基本要求。其驗(yàn)算式為：常工作的基本要求。其驗(yàn)算式為： p p 防止過(guò)度磨損防止過(guò)度磨損 pv pv 防止膠合破壞防止膠合破壞 4振動(dòng)和噪聲準(zhǔn)則針對(duì)高速機(jī)

21、械的振動(dòng)失穩(wěn)（即共振） 當(dāng)零件的固有振動(dòng)頻率f等于或趨近于零件的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率f p時(shí)，將產(chǎn)生共振。這不僅影響機(jī)械正常工作，甚至造成破壞性事故，而振動(dòng)又是產(chǎn)生噪聲的主要原因。 防止共振的條件為：f 087 f p 或 f 118 f p 式中，f 零件的固有振動(dòng)頻率，取決于零件的質(zhì)量和 剛度。 f p 零件受激振源作用引起的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率。5、可靠性準(zhǔn)則可靠性是指：零件在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定工作的能力。選用原則：一、使用性能的要求用途、工作條件、物理、化學(xué)、機(jī)械工藝性能、經(jīng)濟(jì)性。零件材料選材因素：使用要求是指用所選材料做成的零件，在給定的工況 條件下和預(yù)定的壽命期限內(nèi)能正常工作。4.4.3

22、 機(jī)械設(shè)計(jì)中常用材料的選擇原則二、工藝性能的要求工藝要求是指所選材料的冷、熱加工性能好，熱處理工藝性好。三、經(jīng)濟(jì)性的要求在滿足使用性能的前提下，盡量選用低價(jià)格的材料，減少材料的消耗，是零件材料選擇的主要原則。各種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能可在相關(guān)國(guó)標(biāo)、行標(biāo)和機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得。為了材料供應(yīng)和生產(chǎn)管理上的方便，應(yīng)盡量縮減材料的品種。4.5 機(jī)械零件的強(qiáng)度和剛度靜應(yīng)力作用下過(guò)載斷裂、塑性變形 二）零件強(qiáng)度條件式： = lim / S 材料的極限應(yīng)力安全系數(shù)脆性材料制造的零件：lim =B 塑性材料制造的零件：lim =S 1靜應(yīng)力作用下 零件極限應(yīng)力 2變應(yīng)力作用下零件極限應(yīng)力 lim = rN疲勞

23、極限一）零件的失效形式變應(yīng)力作用下疲勞破壞約占零件損壞事故中的80% 。強(qiáng)度極限屈服極限3.安全系數(shù)S的取值對(duì)零件的結(jié)構(gòu)尺寸、工作可靠性均有 影響。1）靜應(yīng)力下，塑性材料的零件：S =1.2.5 鑄鋼件：S =1.5S典型機(jī)械的 S 可通過(guò)查表求得。 無(wú)表可查時(shí)，按以下原則?。?零件尺寸大，結(jié)構(gòu)笨重。S 可能不安全。）靜應(yīng)力下，脆性材料，如高強(qiáng)度鋼或鑄鐵： S =343）變應(yīng)力下， S =1.31.7材料不均勻，或計(jì)算不準(zhǔn)時(shí)?。?S =1.72.5三、靜應(yīng)力時(shí)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算一）單向應(yīng)力下的塑性材料零件一）單向應(yīng)力下的塑性材料零件 強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件：ssscsc或sssscscs二）復(fù)合應(yīng)

24、力時(shí)的塑性材料零件l按第三或第四強(qiáng)度理論對(duì)彎扭復(fù)合應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算 l由第三強(qiáng)度理論： （最大剪應(yīng)力理論） 由第四強(qiáng)度理論： （最大變形能理論） ssc/422ssc/322)(222sssss22ssssss復(fù)合應(yīng)力計(jì)算安全系數(shù)為：復(fù)合應(yīng)力計(jì)算安全系數(shù)為：三）脆性材料與低塑性材料 脆性材料極限應(yīng)力： （強(qiáng)度極限） 塑性材料極限應(yīng)力： （屈服極限） 1、單向應(yīng)力狀態(tài) 強(qiáng)度條件： 或 或BsBcsscBsBcsscB 失效形式：斷裂 s 按第一強(qiáng)度條件：按第一強(qiáng)度條件： （最大主應(yīng)力理論）（最大主應(yīng)力理論） 注意：低塑性材料（低溫回火的高強(qiáng)度鋼）注意：低塑性材料（低溫回火的高強(qiáng)度鋼） 強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)

25、計(jì)入應(yīng)力集中的影響強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)計(jì)入應(yīng)力集中的影響 脆性材料（鑄鐵）脆性材料（鑄鐵） 強(qiáng)度計(jì)算不考慮應(yīng)力集中強(qiáng)度計(jì)算不考慮應(yīng)力集中一般工作期內(nèi)應(yīng)力變化次數(shù)一般工作期內(nèi)應(yīng)力變化次數(shù)104按靜應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算按靜應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算sBc)4(21224222ssB2、復(fù)合應(yīng)力下工作的零件1 1、疲勞破壞特征：、疲勞破壞特征：1 1）斷裂過(guò)程：產(chǎn)生初始裂紋）斷裂過(guò)程：產(chǎn)生初始裂紋 （應(yīng)力較大處）（應(yīng)力較大處） 裂紋尖端在應(yīng)力作用下，反復(fù)擴(kuò)展，裂紋尖端在應(yīng)力作用下，反復(fù)擴(kuò)展， 直至產(chǎn)生疲勞裂紋。直至產(chǎn)生疲勞裂紋。2 2）斷裂面：光滑區(qū)（疲勞發(fā)展區(qū)）斷裂面：光滑區(qū)（疲勞發(fā)展區(qū)） 粗糙區(qū)（脆性斷裂區(qū)）粗糙區(qū)（脆性斷裂區(qū)

26、）3 3）無(wú)明顯塑性變形的脆性突然斷裂）無(wú)明顯塑性變形的脆性突然斷裂4 4）破壞時(shí)的應(yīng)力（疲勞極限）遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限）破壞時(shí)的應(yīng)力（疲勞極限）遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限 一）變應(yīng)力作用下機(jī)械零件的失效特征2、疲勞破壞的機(jī)理：損傷的累積3、影響因素：不僅與材料性能有關(guān)，變應(yīng)力的循環(huán)特征、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、應(yīng)力幅都對(duì)疲勞極限有很大影響。四、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算 描述應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N和疲勞極限r(nóng)N間關(guān)系的曲線，其橫坐標(biāo)為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，縱坐標(biāo)為疲勞極限r(nóng)N)NN(CNDmrN疲勞曲線無(wú) 限 壽命區(qū)rN有 限 壽命區(qū)N0rN1N1rN2N2rNNN0 rD機(jī)械零件的疲勞大多發(fā)生在N曲線D點(diǎn)以前，可用下式描述

27、：二）機(jī)械零件材料的疲勞極限1、 N 疲勞曲線1）有限壽命區(qū) 當(dāng)N104高周循環(huán)疲勞當(dāng)104NND時(shí)隨循環(huán)次數(shù)疲勞極限無(wú) 限 壽命區(qū)rN有 限 壽命區(qū)N0rN1N1rN2N2rNNN0 rD 由于ND很大，所以在作疲勞試驗(yàn)時(shí)，常規(guī)定一個(gè)循環(huán)次數(shù)N0(稱為循環(huán)基數(shù))，用N0及其相對(duì)應(yīng)的疲勞極限r(nóng)來(lái)近似代表ND和 r，于是有：CNN0mrmrN有限壽命區(qū)間內(nèi)循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限r(nóng)N的關(guān)系為：式中， r、N0及m的值由材料試驗(yàn)確定。m0rrNNN0mrNrNNN應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N = 60 n th 每轉(zhuǎn)受載次數(shù)使用壽命（h）轉(zhuǎn)速（r/min）用疲勞曲線求疲勞極限r(nóng)N的方法：rNmrrNKNN0kN 壽

28、命系數(shù)有限壽命區(qū)（NN0)疲勞極限:無(wú)限壽命區(qū)（NN0）疲勞極限：rN = r ， kN = 1幾點(diǎn)說(shuō)明： N0 硬度350HBS鋼， N0=106 107 350HBS鋼， N0=25x107有色金屬(無(wú)水平部分)，規(guī)定當(dāng)N025x107時(shí),近似為無(wú)限壽命區(qū) m指數(shù),與應(yīng)力與材料的種類有關(guān)。 鋼 m=9拉、彎應(yīng)力、剪應(yīng)力 m=6接觸應(yīng)力 青銅 m=9彎曲應(yīng)力 m=8接觸應(yīng)力 應(yīng)力循環(huán)特征越大，材料的疲勞極限與持久極限越大，對(duì)零件強(qiáng)度越有利。對(duì)稱循環(huán)（應(yīng)力循環(huán)特征=-1）最不利 剛度是指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。 剛度對(duì)于某些彈性變形超過(guò)一定數(shù)值后，會(huì)影響機(jī)器工作質(zhì)量的零件尤為重要。

29、4.5.2 剛度式中 y、 、 分別為零件的撓度、扭轉(zhuǎn)角和偏轉(zhuǎn)角； y、 、分別為其對(duì)應(yīng)的許用值，其按零件的使用要求來(lái)確定。剛度條件：yy； ； ；4.6 機(jī)械振動(dòng)的穩(wěn)定性 在高速機(jī)械中，當(dāng)機(jī)械零件的固有頻率與周期性載荷的頻率（機(jī)器內(nèi)的激振源頻率）的整數(shù)倍相同或接近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振。共振時(shí)振幅急劇增大，這種現(xiàn)象稱為失去振動(dòng)穩(wěn)定性。零件一但失去振動(dòng)穩(wěn)定性，將喪失工作能力，甚至斷裂而釀成重大事故。 避免共振的措施：消除引起振動(dòng)的根源，如改變機(jī)械零件自身的固有頻率，裝設(shè)消振器，改變外界周期性載荷的頻率或消除外界周期性載荷等。q 摩擦是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象；q 磨損是由于摩擦而造成的

30、物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移；q 潤(rùn)滑是減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施。關(guān)于摩擦、磨損與潤(rùn)滑的學(xué)科構(gòu)成了摩擦學(xué)(Tribology)。摩擦學(xué) 摩擦學(xué)是研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用表面間的摩擦、磨損和潤(rùn)滑，以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門邊緣學(xué)科。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，摩擦學(xué)的理論和應(yīng)用必將由宏觀進(jìn)入微觀，由靜態(tài)進(jìn)入動(dòng)態(tài)，由定性進(jìn)入定量，成為系統(tǒng)綜合研究的領(lǐng)域。 世界上使用的能源大約有 1/31/2 消耗于摩擦。如果能夠盡力減少無(wú)用的摩擦消耗，便可大量節(jié)省能源。另外，機(jī)械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過(guò)限度而報(bào)廢和更換的，如果能控制和減少磨損，則既減少設(shè)備維修次數(shù)和費(fèi)用，又能節(jié)省制造零件及其所需材料的費(fèi)用

31、。 4.7 摩擦、磨損和潤(rùn)滑簡(jiǎn)介摩 擦1二、摩擦的分類內(nèi) 摩 擦：在物質(zhì)的內(nèi)部發(fā)生的阻礙分子之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。外 摩 擦：在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面間發(fā)生的相互阻礙作用現(xiàn)象。靜 摩 擦：僅有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)的摩擦。動(dòng) 摩 擦：在相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行中的摩擦?；瑒?dòng)摩擦：物體表面間的運(yùn)動(dòng)形式是相對(duì)滑動(dòng)。滾動(dòng)摩擦：物體表面間的運(yùn)動(dòng)形式是相對(duì)滾動(dòng)。q “機(jī)械說(shuō)”產(chǎn)生摩擦的原因是表面微凸體的相互阻礙作用；q “分子說(shuō)”產(chǎn)生摩擦的原因是表面材料分子間的吸力作用；一、摩擦的機(jī)理q “機(jī)械分子說(shuō)”兩種作用均有。1785年，法國(guó)的庫(kù)侖用機(jī)械嚙合概念解釋干摩擦，提出摩擦理論。后來(lái)又有人提出分子吸引理論和靜電力學(xué)理論。1935年

32、，英國(guó)的鮑登等人開始用材料粘附概念研究干摩擦，1950年，鮑登提出了粘附理論。摩 擦2三、 種滑動(dòng)摩擦狀態(tài). 干摩擦是指表面間無(wú)任何潤(rùn)滑劑或保護(hù)膜的純金屬接觸時(shí)的摩擦。. 邊界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開，其摩擦性質(zhì)取決于邊界膜和表面的吸附性能時(shí)的摩擦。混合摩擦是指摩擦表面間處于邊界摩擦和流體摩擦的混合狀態(tài)?；旌夏Σ聊苡行Ы档湍Σ磷枇Γ淠Σ料禂?shù)比邊界摩擦?xí)r要小得多。流體摩擦是指摩擦表面被流體膜隔開，摩擦性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間粘性阻力的摩擦。流體摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)最小，且不會(huì)有磨損產(chǎn)生，是理想的摩擦狀態(tài)。邊界摩擦和混合摩擦在工程實(shí)際中很難區(qū)分，常統(tǒng)稱為不完全液體摩擦。隨著科學(xué)技術(shù)的

33、發(fā)展，關(guān)于摩擦學(xué)的研究已逐漸深入到微觀研究領(lǐng)域，形成了微納米摩擦學(xué)理論，引發(fā)出許多新的概念，比如提出了超潤(rùn)滑的概念等。從理論上講，超潤(rùn)滑是實(shí)現(xiàn)摩擦系數(shù)為零的摩擦狀態(tài)，但在實(shí)際研究中，一般認(rèn)為摩擦系數(shù)在0.001量級(jí)（或更低）的摩擦狀態(tài)即可認(rèn)為屬于超潤(rùn)滑。磨損是運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦而導(dǎo)致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。磨損會(huì)影響機(jī)器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使機(jī)器提前報(bào)廢。磨 損1在設(shè)計(jì)或使用機(jī)器時(shí)，應(yīng)該力求縮短磨合期，延長(zhǎng)穩(wěn)定磨損期，推遲劇烈磨損的到來(lái)。為此就必須對(duì)形成磨損的機(jī)理有所了解。一個(gè)零件的磨損過(guò)程大致可分為三個(gè)階段，即： 磨合階段新的零件在開始使用時(shí)一般處于這一階段，磨損率較高。 穩(wěn)

34、定磨損階段屬于零件正常工作階段，磨損率穩(wěn)定且較低。 劇烈磨損階段屬于零件即將報(bào)廢的階段，磨損率急劇升高。摩 擦2 對(duì)磨損的研究開展較晚，20世紀(jì)50年代提出粘著理論后，60年代在相繼研制出各種表面分析儀器的基礎(chǔ)上，磨損研究才得以迅速開展。（詳細(xì)介紹）磨 損磨 損2F磨粒磨損也簡(jiǎn)稱磨損，是外部進(jìn)入摩擦表面的游離硬顆?；蛴驳妮喞寮馑鸬哪p。F沖蝕磨損流體中所夾帶的硬質(zhì)物質(zhì)或顆粒，在流體沖擊力作用下而在摩擦表面引起的磨損。F微動(dòng)磨損是指摩擦副在微幅運(yùn)動(dòng)時(shí)，由上述各磨損機(jī)理共同形成的復(fù)合磨損。微幅運(yùn)動(dòng)可理解為不足以使磨粒脫離摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。F粘附磨損也稱膠合，當(dāng)摩擦表面的輪廓峰在相互作用的各點(diǎn)處由于瞬時(shí)的溫升和壓力發(fā)生“冷焊”后，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，材料從一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面，便形成粘附磨損。F疲勞磨損也稱點(diǎn)蝕，是由于摩擦表面材料微體積在交變的摩擦力作用下，反復(fù)變形所產(chǎn)生的材料疲勞所引起的磨損。 關(guān)于磨損機(jī)理與分類的見(jiàn)解頗不一致，大體上可概括為： F腐蝕磨損當(dāng)