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1、机械零件的计算准则摩擦学设计基础机械零件材料选用原则机械零部件的标准化,第十三章 机械零件设计基础,机械零件的失效及其类型强度准则刚度准则稳定性准则耐热性准则可靠性准则,1.1 机械零件的计算准则,机械零件的计算准则,机械零件的失效及其类型,失效零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能,失效形式：变形、断裂、腐蚀、磨损、老化、打滑和松动等，也有复合型式的失效,工作能力机械零件具有足够的抵抗失效的能力,计算准则以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件工作能力计算依据的基本原则,因为失效类型不同，所以机械零件的工作能力类型也不同，故机械零件的计算准则也不同,载荷和应力1,载荷和应力,、载荷,动载
2、荷：由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷,静载荷,变载荷,按是否随时间变化，载荷,机械零件的计算准则,2、应力,应力,静应力,循环应力,循环应力,载荷和应力3,对称循环,脉动循环,常见的循环应力,静应力（可看作是循环应力的一个特例）,静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产生，也可 由静载荷产生。,机械零件的计算准则,强度准则,强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。,强度条件有两种表示方法：,1）用应力表示：,2）用安全系数表示：,注：对于切应力，只须将上述各公式中的 换成 即可。,机械零件的计算准则,强度准则,静应力下的强度,一、静强度,在静应力下工作的零件，其
3、可能的失效形式是塑性变形或断裂。材料种类不同，所取极限应力也不同。,单向应力状态下：,，,复合应力状态下：,按第三或第四强度理论计算当量应力。,复合应力状态下：按第一强度理论计算当量应力。,对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁），在计算静强度时，可不考虑应力集中的影响。对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算静强度时，应考虑应力集中的影响。,机械零件的计算准则,挤压强度,挤压应力：两零件之间为面接触时，在载荷作用下，接触表面上产生的应力，用 表示。,挤压强度：在挤压应力作用下的强度。其强度条件为：,挤压应力作用下，接触面的失效形式是“压溃”。,相互挤压表面上的挤压应力相等。,机械零件的
4、计算准则,接触强度,二、疲劳强度,机械零件的计算准则,疲劳：机械零件在循环应力的作用下的失效形式设计方法：标称应力法、局部应力应变法、损伤容限设计法和概率疲劳设计法,疲劳极限：应力比为r的应力循环作用N次后，材料不发生疲劳的最大应力,疲劳寿命（N）:材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N,疲劳曲线：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线,机械零件的计算准则,无限寿命区,对称循环：,脉动循环：,当N103(104)高周循环疲劳当时随循环次数疲劳极限,疲劳曲线方程,有限寿命区 当N103(104)低周循环，疲劳极限接近于屈服极限，按静强度计算,寿命系数,疲劳极限,m指数与应力
5、与材料的种类有关钢 m=9拉、弯应力、剪应力 m=6接触应力青铜 m=9弯曲应力 m=8接触应力,机械零件的计算准则,许用安全因数,载荷及应力计算精度高、所用数据可靠、工艺质量和材料均匀性都很好时，取许用安全因数为1.3；载荷及应力计算精度较差、材料不够均匀时，取许用安全因数为1.51.8；载荷及应力计算精度很差、材料均匀性也很差时，取许用安全因数为1.82.5。,机械零件的计算准则,挤压强度及刚度准则,三、刚度准则,刚度：指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。,例如：机床主轴的弹性变性过大将会影响所加工工件的精度。,机械零件的
6、计算准则,y可以是挠度、偏转角或扭转角,四、振动稳定性准则,机械振动：零件在其平衡位置附近作往复运动机器或零件处于振动不稳定状态，也称之为失去振动稳定性。,fF0.85f 或 fF1.15f f是零件的固有频率；fF是激振力的频率。,机械零件的计算准则,增大零件的刚度和减轻零件的质量可以提高零件的固有频率，反之则降低零件的固有频率。,五、耐热性准则 机械零部件由于外部或内部的原因，有的工作在室温以上。在高的温度下会引起摩擦副胶合、材料强度降低、热变形或润滑剂迅速氧化等后果而使零件失效。因此，对可能产生较高温升的零部件应进行温升计算，以限制其工作温度。必要时可采用冷却措施。,六、可靠性准则,系统
7、、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。,机械零件的计算准则,可靠度：表示零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率,N个相同零件在同样条件下同时工作，在规定的时间内有Nf个失效，剩下N个仍继续工作，则,R=1Nf/N0,n个零件组成的串联系统，单个零件的可靠度:R1、R2、Rn，则系统的可靠度为Rf=R1R2Rn,串联系统的可靠度小于任一零件的可靠度,并联系统的失效概率为：,并联系统的失效概率低于任一零件失效概率，因此，其可靠度高于任一零件的可靠度,摩擦学设计的目标和主要内容摩擦学失效摩擦学设计基础,1.2 摩擦学设计基础,摩擦学：研究相对运动相互作用的表面的摩擦
8、行为对于机械及其系统的作用、接触表面及润滑介质的变化、失效预测及控制理论与实践的学科摩擦学设计：应用摩擦学理论对摩擦学系统进行设计，以使摩擦副可靠地、经济地实现其运动并保证其功能,摩擦学设计的目标和主要内容,目标：保证摩擦功耗最低，节约能源；降低材料消耗(包括摩擦副本身、备件和润滑剂材料)；提高机械装备的可靠性、工作效能和使用寿命。,主要内容,摩擦副设计 摩擦副设计的任务是选择摩擦副的类别、形状、尺寸、材料、工艺与表面处理方法和润滑方式。摩擦副零件原则上应尽可能采用标准化、系列化的商品；润滑系统设计 润滑系统设计包括润滑剂选取，润滑剂循环装置、冷却装置和过滤装置等的设计；摩擦副的状态监测及故障
9、诊断装置设计 摩擦学系统需要监测的参数有：摩擦表面特性参数，摩擦副工作参数，摩擦副材料与润滑剂的摩擦学性能等。,摩擦学失效,摩擦过程是发生在摩擦表面很薄的表面层材料中的各种物理、化学过程的总和。摩擦学失效的最主要特征之一是磨损。磨损改变了摩擦副的尺寸关系和摩擦表面和表层的几何与物理特性，而磨屑的产生改变了摩擦状况。对于利用摩擦的装置，摩擦力不足是其典型失效形式。除此之外，摩擦还能导致振动、噪声、爬行、温度升高和变形等而使机械失效。,摩擦学设计基础,一、摩擦状态,摩擦：静摩擦、动摩擦,类型：滑动摩擦、滚动摩擦、滚滑摩擦,润滑状态：固体表面之间的摩擦状态,干摩擦最不利,流体摩擦,边界摩擦最低要求,
10、混合摩擦,摩擦学设计基础,二、摩擦力,、固体滑动摩擦的摩擦力及其性质,局部静摩擦力：局部静摩擦力与滑移量成正比，因而它与切向外力亦成正比。出现滑动的瞬间，局部静摩擦力达到极限值，即为静摩擦力动摩擦力：完全处于滑动状态时的摩擦力为动摩擦力，一般动摩擦力小于静摩擦力。,摩擦学设计基础,、固体滑动摩擦摩擦力的计算,F=FN 是滑动摩擦因数；FN是摩擦面上的法向载荷,、液体摩擦的摩擦力,、滚动摩擦的摩擦力,r=M/FN,摩擦学设计基础,三、磨损及其控制,在一定的摩擦条件下，磨损过程分为三个阶段：即磨合、稳定磨损和剧烈磨损阶段。,1、磨合,磨合阶段是磨损的初始阶段，为不稳定阶段，在零件的整个工作时间内，
11、它所占比率很小，也希望磨合时间尽可能短。影响磨合效果的主要因素有载荷、摩擦速度、材料的物理力学性能和润滑剂。载荷对磨合效果和磨合时间具有很大影响。,2、磨损的类型,粘着磨损磨粒磨损表面疲劳磨损腐蚀磨损,摩擦学设计基础,、磨损控制要点,粘附磨损：摩擦副两表面作相对运动时，由于粘附效应所形成的粘结点被剪切开，材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面,设计耐粘附磨损的摩擦副时，材料应选择多相、异种金属，采用表面处理,磨粒磨损 外界硬颗粒或摩擦表面上的硬突起在摩擦过程中引起表层材料脱落的磨损,摩擦学设计基础,获得较高磨粒磨损寿命的条件是材料表面硬度最少为磨粒硬度的1.3倍,表面疲劳磨损 两个相互
12、滚动或滚-滑运动的摩擦副，在循环接触应力的作用下，因疲劳而材料脱落，称为表面疲劳磨损或接触疲劳。,接触应力,两圆柱体,两球体,表面疲劳磨损的类型,摩擦学设计基础,表层萌生疲劳磨损：表层萌生疲劳磨损造成扇形疲劳坑，磨屑多为扇形颗粒，故又称其为点蚀表面萌生疲劳磨损：表面萌生疲劳磨损造成浅而大的疲劳凹坑，磨屑呈片状，故又称其为剥落。,接触疲劳准则,Hmax4s 最大接触应力；剪切屈服点。,轴承钢的实验结果表明，表面硬度为62 HRC时其接触疲劳寿命最长,接触疲劳寿命,腐蚀磨损：摩擦过程中，同时存在金属与周围介质发生化学或电化学反应而产生的材料损伤,摩擦学设计基础,设计耐腐蚀磨损的摩擦副时，材料是关键
13、,微动磨损 如果两接触表面宏观上是相对静止的，但受环境的影响，以小于100 m的振幅彼此作相对运动，这样的接触表面也会出现磨损，称其为微动磨损或微动腐蚀磨损它的损伤特征是出现疲劳裂纹和磨屑。由于微动磨损，零件的疲劳强度可能降低75%86%。可以通过控制载荷，例如控制过盈配合的过盈量来减缓微动磨损。,四、润滑与润滑设计,润滑的作用：降低摩擦副的摩擦、减少磨损，以及冷却、密封、防锈和减振等。按润滑剂形态润滑分：无润滑：采用有自润滑性的材料制作，不再加入任何润滑剂的摩擦副 固体润滑：在摩擦副间形成固体润滑膜,抑制摩擦表面相互粘结,使剪切发生在固体润滑膜内,以减少磨损 目前固体润滑尚无理论计算公式，通
14、常都是根据实验限制摩擦副的载荷、速度和它们的乘积，即pp，vv，pvpv 流体润滑：在摩擦副间形成流体润滑膜的润滑,摩擦学设计基础,五、润滑剂及其特性,摩擦学设计基础,凡能降低摩擦阻力、且人为加入摩擦副的介质都称为润滑剂。,1润滑剂的基本类型,液体润滑剂：矿物油、有机油、矿物油、合成油等 润滑脂：皂基脂、无机脂、烃基脂和有机脂 固体润滑剂：软金属，如Pb、Au、Ag、Sn、In等；无机化合物,润滑油,粘度 表征流体流动的阻力，在流体动力和静力润滑状态，粘度与油膜厚度、摩擦阻力直接相关。,润滑油粘度随温度升高而下降，随压力升高而增大,粘度指数 用粘度指数表征粘度随温度变化的特性，粘度指数高表示油
15、品的粘度随温度变化小。粘度指数小于35的油为低粘度指数油，在3580之间的为中粘度指数油，在80110之间的为高粘度指数油,摩擦学设计基础,闪点与燃点 是一个有关安全的性能指标，润滑油的工作温度必须比闪点低2030才能确保安全,酸值 润滑油在使用过程中会逐渐氧化，酸值增加。酸值以mg KOH/g表示，是润滑油老化的标志，当其达到规定值后，必须更换新润滑油,倾点 是润滑油失去流动性时的温度，是润滑油工作温度的极限值,3、润滑脂,摩擦学设计基础,基本组分：润滑油、稠化剂和添加剂,稠度(锥入度)在外力作用下润滑脂抵抗变形的能力，表征稠度的指标是锥入度。机械安定性 在机械切向力作用下，润滑脂结构破坏后
16、自动恢复原状的能力。胶体安定性(析油率)润滑油与稠化剂保持不分离，不流失的能力。滴点 将润滑脂放在滴点计的脂杯中，按规定的条件加热，滴落第一滴油时的温度称为滴点，它是表怔润滑脂高温性能的指标。抗水性 遇水后不乳化变质流失、稠度不下降的能力。一般非皂基脂比皂基脂抗水性好。极压性 润滑脂抵抗载荷而不被挤出摩擦表面的能力。,六、润滑油、脂的润滑方式,摩擦学设计基础,1）手工润滑；,2）滴油润滑；,3）油绳、油垫润滑；,4）喷雾润滑；,5）油气润滑；,7）油杯、油盘润滑；,8）压力供油、喷油润滑,6）油浴、飞溅润滑；,循环润滑系统,全损耗润滑系统,摩擦学设计基础,全损耗润滑系统 手工润滑、滴油润滑 油
17、垫润滑、喷雾润滑,摩擦学设计基础,全损耗润滑系统 油浴润滑、油环润滑、压力供油润滑,机械零件常用材料材料选用原则,1.机械零件材料选用原则,一、钢铁材料,1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、特殊性能铸铁。,2.钢：铸钢、变形钢。,铸铁,钢铁,钢,特种合金粉末冶金材料,-含碳量2%,特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。,应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。,机械零件常用材料,机械零件材料选用原则,-含碳量2%,铸钢 铸钢主要用于制造承受重载、形状复杂的大型零件。特点：铸钢的力学性能接近变形钢，与灰铸铁比较，其减振性较差
18、，熔点较高，铸造收缩率较大，容易出现气孔，故铸造性不如铸铁。,(2)变形钢 碳素结构钢、低合金高强度结构钢、合金结构钢、弹簧钢、工具钢、轴承钢、不锈钢、耐热钢等。是机械零件应用最广泛的材料,机械零件材料选用原则,二、非铁金属材料 特点：如减摩性、耐蚀性、耐热性、导电性等。应用：在一般机械制造中，可用它们作承载、耐磨、减摩和耐蚀材料，也用做装饰材料。机械制造采用的非铁金属材料有：铜合金、铝合金、钛合金和轴承合金,三、粉末冶金材料按材质分：铁基、铜基、镍基、不锈钢基、钛基和铝基粉末冶金材料。按用途分：结构材料、减摩材料、摩擦材料、多孔材料。,1粉末冶金结构材料具有高强度、高硬度和韧性好等特点，并有
19、良好的耐蚀、密封性和耐磨性。主要用于传动齿轮、汽车和冰箱压缩机零件等。2粉末冶金减摩材料承载能力高，摩擦因数低，具有良好的自润滑性、耐高温性和耐磨性。摩擦时不伤配副件，噪声较低。主要用于制作轴承、含油轴承等。,机械零件材料选用原则,3粉末冶金摩擦材料摩擦因数大而稳定，耐短时高温，耐磨，导热性好，抗胶合能力强，摩擦时不伤配副件，主要用于制作离合器片、制动器片等。4粉末冶金多孔材料综合性能优良，对孔隙的形态、大小、分布及孔隙度均可控制。主要用来制作过滤，减振和消音元件，以及催化、止火、电极、热交换和人造骨等制品。,机械零件材料选用原则,四、有机高分子材料,1工程塑料密度小、容易加工，可用注塑成型法
20、制成各种形状复杂、尺寸精确的零件。但是导热性差。通常用工程塑料作减摩、耐蚀、耐磨、绝缘、密封和减振材料。塑料分为热塑性塑料和热固性塑料。,2橡胶橡胶分为天然橡胶和合成橡胶两大类特点：弹性高、弹性模量低。在机械制造中橡胶主要用作密封、减振元件,传动带,轮胎等。,机械零件材料选用原则,五、无机非金属材料,结构陶瓷 有氧化物、氮化物、碳化物、硼化物陶瓷等。具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、难加工等特性，用来制造轴承、模具、活塞环、气阀座、密封件、挺杆等零件。,功能陶瓷 电功能陶瓷，磁功能陶瓷，光功能陶瓷，生物和化学功能陶瓷等。它们都是为某一特殊功能要求而采用的材料。,.工程陶瓷,2炭石墨材料 强度不
21、高，但密度低、耐高温、耐化学腐蚀、有自润滑性，在机械工业中广泛用作密封圈、活塞环、轴承、电刷、热交换器等。3聚合物混凝土 是用高分子树脂代替水泥作粘合剂的混凝土。特点：具有高的强度，良好的抗化学药品腐蚀的性能(优于不锈钢)，减振和消声能力是灰铸铁的7倍，具有良好的耐磨性和电绝缘性。这种材料是金属加工机床底座的理想材料,机械零件材料选用原则,六、复合材料复合材料是由两种或两种以上材料，即基体材料和增强材料复合而成的一类多相材料。根据基体材料来分：金属基、聚合物基和陶瓷基复合材料；根据增强材料形状分：有颗粒复合材料、纤维复合材料和层迭复合材料；根据使用目的分：有结构复合材料和功能复合材料。特点：a
22、.比强度和比模量高。比强度高的材料能承受高的应力；比模量高象征材料轻而刚度大；b.抗疲劳性能好。c.减振性能好。材料内大量界面对振动有反射吸收作用。d.高温性能好。,机械零件材料选用原则,载荷及应力的大小和性质,零件的工作情况,零件的结构及加工性,材料的经济性,零件的尺寸及重量,材料选用原则,适用于制作机械零件的材料种类非常之多，在设计机械零件时，如何从各种各样的材料中选择出合适的材料，是一项受多方面因素所制约的复杂的工作。设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。,选材的一般原则,通用化系列化组合化,1.机械零部件的标准化,标准是对科学技术
23、和经济领域中某些多次重复的事物给予公认的统一规定。标准化就是制订、贯彻和推广应用标准的过程。机械产品标准化的主要内容和形式是通用化、系列化和组合化(模块化)。,最大限度地扩大同一零部件使用范围的一种标准化形式。它是以互换性为前提的，统一具有相同或相似功能和结构的零部件，以扩大零部件的制造批量和重复使用范围，减少设计和制造中的劳动量，保证结构、质量的稳定性，并便于组织专业化生产和协作，以降低生产成本。紧固件、滚动轴承等是通用化程度最高的零件之一。,通用化,机械零部件的标准,系列化有目的的指导同类产品发展的一种标准化形式。通过对同一类产品的发展规律和国内外的需求趋势预测及生产条件增长的可能性的分析，将产品的主要参数按一定的数列作合理安排或规划，再对其基本型式、尺寸和结构进行规定和统一，编制产品系列型谱和进行系列设计，以缩短设计周期，加快品种的发展。,是开发满足各种不同需要的产品的一种标准化形式。在对一定范围内的不同产品进行功能分析和分解的基础上，将同一功能的部件设计成具有不同用途或性能的、可以互换的通用模块(件)或标准模块(件)。所谓模块(件)就是一组具有同一功能和结合要素，而有不同用途和不同结构且能互换的单元。然后，从这些模块中选取相应的模块，在补充少量新设计模块和零部件后，组合成一种新的机械产品，称为组合设计。,组合化（模块化）,机械零部件的标准,
