第三章 机械零件常用材料和机械设计基础知识

hmin
2 2 Rq1 Rq 2
当膜厚比 λ ≤1时，为边界摩擦（润滑）状态； 当 1≤ λ ≤ 3时，为混合摩擦（润滑)状态； 当λ >3时，为流体摩擦（润滑）状态。
第四节 摩擦、磨损、润滑简介
二、磨损
磨损分类
粘着磨损
疲劳磨损 腐蚀磨损
微动磨损
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
2 1 0
0
第三节 机械零件的疲劳强度计算 2、零件的疲劳极限应力线图
1e
弯曲疲劳极限的 综合影响系数
1
K
k
K
绝对尺寸 影响系数

表面质量 系数
A’G’ 段: 1e
1
K
rae e rme
1 K rae rme CG’ 段: rae rme s
me
C’点坐标为 ( s,0) (400,0) 则可作出如右图的极限应力线图。 3）寻找零件工作应力点M。 由 max e 190MPa, min e 110MPa 可以求得 max e min e 190 110
150
D 'G'
100 50
M
0
C
50 100 150 200
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 C ，如转轴的应力状态。
（2）变应力的平均应力保持不变 me
（3）变应力的最小应力保持不变
C , 振动受载弹簧的应力状态
mine C , 如受轴向变载荷螺栓的应力状态
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 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 3、满足经济性要求： 材料价格、加工和热处理的成本等
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 主要失效形式
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（楔效应）
F
油压p分布曲线
动板
v
x
hmin
c
b
A
a
O
h0
2u 0 y 2
2u 0 y 2
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。

' me me 150MPa ' ' 5)求解M’点的坐标。联立直线A’G’的方程 1 K ae me ，直线
MM’的方程 ' me 150 MPa ，解出M’点的坐标为 ' me 150MPa ' a / MPa 1 me ' ae (300 0.2 150) MPa / 2 200 K 135 MPa A' 150 6）计算极限应力 ' max e ' me ' ae (150 135)MPa 285MPa 100 50 7）计算零件的计算安全系数
第四节
一、摩擦
内摩擦
摩擦分类 外摩擦
摩擦、磨损、润滑简介
静摩擦 动摩擦
滑动摩擦
滚动摩擦
干摩擦 边界摩擦 流体摩擦 混合摩擦
干摩擦
边界摩擦
流体摩擦
混合摩擦
摩擦状态
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。 膜厚比：两滑动表面间的最小油膜厚度与两表面轮廓均方根偏差之比 为膜厚比.
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、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
一、机械零件常用材料：
（一）钢
（二）铸铁
（三）有色金属
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
断 裂 塑性变形、 过大弹性变形
正常工作条件遭破坏 引起的失效 机械零件的工作能力:
表面磨损
在一定工作条件下不发生失效的安全工作限度。
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
（一）强度准则

lim
S
（二）刚度准则
y y
（三）耐磨性准则
目前尚无定量可靠的计算方法，常采用一些条件性计算。
第三章 机械零件常用材料和机械设计
基础知识
课件制作 官德娟 等
机 械 工 业 出 版 社
本章主要内容
第一节
机械零件常用材料、热处理方法及其选择 机械零件的工作能力和计算准则 机械零件的疲劳强度计算 摩擦、磨损和润滑简介 机械零部件的结构设计
第二节
第三节 第四节 第五节
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。
N'
C
O me 1 Sca S ' K ae me me
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
m
S ca
s S ae me
第三节 机械零件的疲劳强度计算
某零件材料的力学性能为： s 400MPa， 1 300MPa， 0.2。 已知零件上的最大工作应力 max e 190MPa, 最小工作应力 min e 110MPa, 应力变化规律为 m e 常数，弯曲疲劳极限的综合影响系数 K 2.0 。试确 定该零件在单向稳定变应力情况下的计算安全系数。 例 解：1）计算零件的 1e、 0 由式（3－9） 1e＝ 1 / K 300MPa / 2 150MPa 2 1 2 300MPa 500MPa 由式（3-8） 0 1 1 0.2 a / MPa 2）作出极限应力线图 (0, 1e) (0,150) 200 A’点坐标为 D’点的坐标为 ( 0 / 2, 0 / 2K ) (250,125) A'
B
y 2u 0 2 y
静板
第四节 摩擦、磨损、润滑简介
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
线接触弹流润滑的示意图
第四节 摩擦、磨损、润滑简介
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。
流体静压润滑系统的示意图
第五节
结构设计的基本原则：
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
v(h y ) y (h y ) p u h 2 x
一维雷诺方程
6V 3 (h h0 ) x h
第四节 摩擦、磨损、润滑简介
一维雷诺方程：
6V 3 (h h0 ) x h
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。
第四节 摩擦、磨损、润滑简介
三、润滑剂和润滑方法
（一）润滑剂 1、润滑油 动力粘度 润滑油的粘度： 运动粘度 相对粘度 常用工业润滑油的粘度分类及相应的运动粘度值 见表3－1 粘度的近似换算 见表3－2


几种润滑油的粘－温曲线
第四节 摩擦、磨损、润滑简介
2、润滑脂
润滑脂的性能指标：
针入度 滴 3、添加剂 点
变应力: 1.稳定循环变应力 2.不稳定循环变应力 对称循环变应力
脉动循环变应力
非对称循环变应力
第三节 机械零件的疲劳强度计算 稳定循环变应力的类型
对称循环变应力
脉动循环变应力
非对称循环变应力
平均应力
m
max min
2
设计计算： 1、名义应力 :
min a max 应力幅 2 循环特性 ＝ min / max
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
第三节 机械零件的疲劳强度计算 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 ）
C 时为例:
a
对应于M点的零件的极限应力:

' maxe
1 maxe K ae me
A'
M
Βιβλιοθήκη Baidu
M'
D'
G'
N
安全系数及强度条件为：
' ae ae
ae
max e min e
2
2
在极限应力线图上标出零件工作应力 190 110 ( ) MPa 40MPa 点M(150,40)。 2
(
2
) MPa 150MPa
m / MPa
250
300
350 400
第三节 机械零件的疲劳强度计算
例(续） 4) 按照应力变化规律 m ＝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 m ＝常数的规律，而直线MM’于直线A’G’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
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
（二）润滑方法(1)
旋转式油杯
压配式油杯
针阀油杯
油芯油杯
第四节 摩擦、磨损、润滑简介
（二）润滑方法(2)
油环润滑
浸油润滑
油脂杯
第四节 摩擦、磨损、润滑简介
（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：
（四）振动稳定性准则
0.85 f f p
或
1.15 f f p
第三节 机械零件的疲劳强度计算 一、载荷和应力的分类
（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 （二）应力的分类
静应力
由名义载荷求得的应力
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 二、疲劳曲线和疲劳极限应力线图 （一）疲劳曲线
疲劳极限
r
脉动循环疲劳极限 对称循环疲劳极限 循环次数 N 材料常数 m
0
1
有限寿命疲 劳极限 材料的疲劳曲线 寿命系数 循环基数 无限寿命区的起始点

m N
N N0 C
m
N m
N0 KN N
第三节 机械零件的疲劳强度计算 （二）疲劳极限应力线图 1、材料的疲劳极限应力线图 a
A
D
G
1
0
2
45
45
O
0 2
C
m
材料常数
AG 段： 1 ra rm
s

CG 段: ra rm s
M'
M
D 'G'
Sca
285MPa/190MPa 1.5 max e
' max e
C
150 200
0
50
100
m / MPa
250
300
350 400
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：
F 1 1 ( ) L 1 2 H 2 1 12 1 2 ( ) E1 E2
e
2 1 0 K K 0

第三节 机械零件的疲劳强度计算 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 ） 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。