第三章 机械零件常用材料和机械设计基础知识

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、磨损和润滑简介第五节机械零部件的结构设计本章学习要求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、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表面磨损机械零件的工作能力:在一定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[][]S limσσσσ=≤[]y y ≤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p f f >85.0或pf f <15.1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.不稳定循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力（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2min m ax σσσ+=m 平均应力2m inm ax σσσ-=a 应力幅设计计算：1、名义应力: 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maxmin / σσγ＝循环特性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二、疲劳曲线和疲劳极限应力线图（一）疲劳曲线CN N mm N ==0γγσσN mN K NN γγγσσσ==0rσ疲劳极限1-σ对称循环疲劳极限0σ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4545（二）疲劳极限应力线图1、材料的疲劳极限应力线图AG 段：rm ra σψσσσ+=-1CG 段:srm ra σσσ=+012σσψσ-=-材料常数20σDG2σ1-σOaσmσsσCA2、零件的疲劳极限应力线图σσσK e 11--=βεσσσk K =rmee rae e K σψσσσσσ+==--11A ’G ’段:rm erae K σψσσσσ+=-1CG ’段:srm e rae σσσ=+012σσσψψσσσσK K e-==-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。

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：C =γ（1）变应力的循环特性保持不变，如转轴的应力状态。

C me =σ（2）变应力的平均应力保持不变, 振动受载弹簧的应力状态C e =min σ（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:C =γmeaeeeK σψσσσσσσ+=-max 1'max 对应于M 点的零件的极限应力:SK S me ae ca ≥+=-σψσσσσ1安全系数及强度条件为：SS meae sca ≥+=σσσ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'aeσ'meσO aσmσ'D 'A 'G CMaeσme σN'M 'N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。

max 190,e MPa σ=min 110,e MPa σ=2.0K σ=MPa 400=s σMPa 3001=-σ2.0=σψm e σ=解：1）计算零件的10e σσ-、11/300/2150e K MPa MPaσσσ--==＝由式（3－9）MPa 5000.21MPa30021210=+⨯=+=-σψσσ由式（3-8）3）寻找零件工作应力点M 。

由可以求得max min 190,110e e MPa MPa σσ==max min m 190110()15022e e e MPa MPaσσσ++===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1(0,)(0,150)e σ-=00(/2,/2)(250,125)K σσ=(,0)(400,0)s σ=则可作出如右图的极限应力线图。

200100050100150200250300350am MP /σaa MP /σ'A 'D 'G CM max min 190110e e σσ--在极限应力线图上标出零件工作应力m σ4) 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m σ'150me me MPaσσ=='150me MPaσ=5)求解M ’点的坐标。

联立直线A ’G ’的方程，直线MM ’的方程，解出M ’点的坐标为'150me MPa σ=''1m e ae K σψσσσσ+=-6）计算极限应力max '''(150135)285e me ae MPa MPa σσσ=+=+=例(续）7）计算零件的计算安全系数'max max 285MPa/190MPa 1.5eca eS σσ===20010050100150200250300350am MP /σaa MP /σ'A 'D 'G CM'M2/)1502.0300('1'MPa K meae ⨯-=-=-σσσψσσMPa 135=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：)11()11(22212121E E L F H μμπρρσ-+-±=第四节摩擦、磨损、润滑简介一、摩擦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摩擦分类内摩擦外摩擦干摩擦边界摩擦流体摩擦混合摩擦摩擦状态膜厚比：2221min q q RR h +=λ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.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3－11、润滑油润滑油的粘度：动力粘度运动粘度相对粘度νη粘度的近似换算见表3－2第四节摩擦、磨损、润滑简介几种润滑油的粘－温曲线2、润滑脂润滑脂的性能指标：针入度滴点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。

（二）润滑方法(1)旋转式油杯压配式油杯油芯油杯针阀油杯（二）润滑方法(2)油环润滑浸油润滑油脂杯（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。

（三）流体润滑原理简介1、流体润滑承载机理（楔效应）022<∂∂y u B分布曲线油压p 静板动板b xy O v 0h min h ac A 022>∂∂y u 022=∂∂y u F2、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x p y h yh y h v u ∂∂---=η2)()()(603h h V -=P ∂η一维雷诺方程一维雷诺方程：)(603h h h V x -=∂P ∂η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.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。

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。

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结构设计的基本原则：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干因素：（一）提高零件的强度、刚度和延长寿命带传动的卸荷V带轮（二）具有良好的加工工艺性退刀槽和越程槽减少加工刀具和量具的种类足够大的夹持面减少装夹次数（三）结构设计要便于装配和拆卸紧固件布置在易装拆的部位材料不同销钉的区别避免双重配合的结构缺陷两种便于拆卸的搭扣结构。