第1篇 机械设计总论

1、主编 邱宣怀 参考书：参考书： 1. 机械设计，濮良贵主编，高教出版社机械设计，濮良贵主编，高教出版社 2. 机械设计，吴宗泽主编机械设计，吴宗泽主编 ，高教出版社，高教出版社 序号序号 考察项目考察项目 成绩比例成绩比例 1 期末考试期末考试 80 % 2 平时作业加实验平时作业加实验 20 % 序号序号 考察项目考察项目 成绩比例成绩比例 1 设计说明书设计说明书 40 % 2 设计图纸设计图纸 60 % 第第1章章 机械设计概论机械设计概论 1.1 课程性质和任务课程性质和任务 1.2 设计机器的基本原则和设计程序设计机器的基本原则和设计程序 1.3 机械零件设计概述机械零件设计概述 1

2、.4 1.5 1.6 1.7 要求：要求： （1）了解课程的内容、性质与任务。）了解课程的内容、性质与任务。 （2）掌握有关的基本概念。）掌握有关的基本概念。 基本概念：基本概念： 1.1课程性质和任务课程性质和任务 机器：执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料或信息。机器：执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料或信息。 机构：能实现预期的机械运动的各构件（包括机架）的基本组合体。机构：能实现预期的机械运动的各构件（包括机架）的基本组合体。 机械：机器和机构的总称。机械：机器和机构的总称。 机械零件：组成机器的不可拆的基本单元。机械零件：组成机器的不可拆的基本单元。 部件：为完成同

3、一使命在结构上组合在一起并协同工作的零件。部件：为完成同一使命在结构上组合在一起并协同工作的零件。 零件、构件、机构、机器等关系零件、构件、机构、机器等关系 零件零件 刚性刚性 组合组合 构件构件 机架机架 原动件原动件 从动件从动件 运动副运动副 组合组合 机构机构 特征特征 1）、）、2） 机器机器 特征特征 1）、）、2）、）、3） 原动机原动机 工作机工作机 信息机信息机 机器的基本组成要素是机械零件机器的基本组成要素是机械零件 机械机械 零件零件 通用件：各种机器中普通使用的零件。如：齿轮、链传动、带传动、通用件：各种机器中普通使用的零件。如：齿轮、链传动、带传动、 蜗杆传动、螺旋传

4、动、轴、联轴器、离合器；滚动轴承、滑动轴承、蜗杆传动、螺旋传动、轴、联轴器、离合器；滚动轴承、滑动轴承、 螺栓、键、花键、销；铆、焊、胶结构件、弹簧、机架、箱体等。螺栓、键、花键、销；铆、焊、胶结构件、弹簧、机架、箱体等。 专用件：只在一定类型的机器中使用的零件。如：叶片、犁铧、枪专用件：只在一定类型的机器中使用的零件。如：叶片、犁铧、枪 栓等。栓等。 标准件：经过优选、简化、统一，并给以标准代号的零件和部件。标准件：经过优选、简化、统一，并给以标准代号的零件和部件。 易损件：在正常运转过程中容易损坏，并在规定期限内必须更换的易损件：在正常运转过程中容易损坏，并在规定期限内必须更换的 零件或部

5、件。零件或部件。 本课程只研究通用零件。本课程只研究通用零件。 课程性质：技术基础课。课程性质：技术基础课。 课程内容：机械零件的设计和计算。课程内容：机械零件的设计和计算。 课程目的（任务）：综合运用各种机械零件、各种机构课程目的（任务）：综合运用各种机械零件、各种机构 的知识以及其他先修课程的知识，掌握设计机械传动装的知识以及其他先修课程的知识，掌握设计机械传动装 置和一般机械的能力。置和一般机械的能力。 1）有正确的设计思想并勇于创新探索；）有正确的设计思想并勇于创新探索； 2）掌握通用机械零部件的设计原理、方法和一般规律，）掌握通用机械零部件的设计原理、方法和一般规律， 进而具有综合运

6、用所学知识，研究改进或开发新的基础进而具有综合运用所学知识，研究改进或开发新的基础 件及设计简单的机械的能力；件及设计简单的机械的能力； 3）具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资）具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资 料的能力；料的能力； 4）掌握典型机械零件的试验方法，获得基本的试验技能）掌握典型机械零件的试验方法，获得基本的试验技能 的基本训练；的基本训练； 5）了解机械设计的最新动态。）了解机械设计的最新动态。 课程性质：课程性质：一门设计性质的技术基础课，起承上启下的作用。一门设计性质的技术基础课，起承上启下的作用。 承上：本课程与前面所学的课程：高数、制图、力学、

7、机械原理、承上：本课程与前面所学的课程：高数、制图、力学、机械原理、 公差等均有联系公差等均有联系 启下：本课程是学习后续专业课程的基础：机制工艺学、机电一启下：本课程是学习后续专业课程的基础：机制工艺学、机电一 体化、机床、刀具、汽车等体化、机床、刀具、汽车等 l本课程所涉及的先修课程有：本课程所涉及的先修课程有： l工程制图：设计的图形表达。工程制图：设计的图形表达。 l工程材料：非金属材料，金属材料及热处理。工程材料：非金属材料，金属材料及热处理。 l机械制造基础：冷加工工艺，热加工工艺。机械制造基础：冷加工工艺，热加工工艺。 l公差配合与技术测量：解决精度设计问题。公差配合与技术测量：

8、解决精度设计问题。 l理论力学：解决力分析与动力计算。理论力学：解决力分析与动力计算。 l材料力学：解决强度分析问题。材料力学：解决强度分析问题。 l机械原理：解决机械的方案设计。机械原理：解决机械的方案设计。 本课程的具体内容本课程的具体内容 2）连接部分：螺纹联接，键联接，过盈联接，铆接，焊接）连接部分：螺纹联接，键联接，过盈联接，铆接，焊接 3）传动部分：螺旋传动，带传动，链传动，齿轮传动，蜗杆传动）传动部分：螺旋传动，带传动，链传动，齿轮传动，蜗杆传动 以及摩擦轮传动等；以及摩擦轮传动等； 4）轴系部分：轴，滑动轴承，滚动轴承，联轴器，离合器）轴系部分：轴，滑动轴承，滚动轴承，联轴器，

9、离合器 5）其他部分：弹簧，减速器，机架）其他部分：弹簧，减速器，机架 1）总论部分：机器及零件设计的基本原则，设计计算理论，材料）总论部分：机器及零件设计的基本原则，设计计算理论，材料 选择，结构要求，以及摩擦、磨损、润滑等方面的基本知识；选择，结构要求，以及摩擦、磨损、润滑等方面的基本知识； 数控车床数控车床 1.2.1 设计机器时应满足的要求设计机器时应满足的要求 满足功能要求，同时满足使用方便、安全可靠、经济合理、外形满足功能要求，同时满足使用方便、安全可靠、经济合理、外形 美观等要求。美观等要求。 1.2.2设计方法设计方法 1.内插式设计：有成功的经验、需技术改进、少量试验研究内插

10、式设计：有成功的经验、需技术改进、少量试验研究 2.外推式设计：有部分经验，但外推部分处于未知领域外推式设计：有部分经验，但外推部分处于未知领域 3.开放式设计：应用新原理、新技术设计新型技术装备的工作开放式设计：应用新原理、新技术设计新型技术装备的工作 1.2.3设计程序设计程序 四个阶段四个阶段 调查决策阶段、研究设计阶段、试制阶段、投产销售阶段调查决策阶段、研究设计阶段、试制阶段、投产销售阶段 1.2 设计机器的基本原则和设计程序设计机器的基本原则和设计程序 1.3.1 设计机械零件时应满足的要求设计机械零件时应满足的要求 工作可靠工作可靠 强度、刚度强度、刚度工作能力的准则工作能力的准

11、则 成本低廉成本低廉 设计成本、制造成本设计成本、制造成本 从材料、精度等方面考虑从材料、精度等方面考虑 1.3.2 设计步骤设计步骤 a.拟画零件受力简图拟画零件受力简图 b.确定零件的载荷确定零件的载荷 名义载荷、计算载荷、载荷系数名义载荷、计算载荷、载荷系数 c.选择零件的材料选择零件的材料 d.确定零件的主要尺寸确定零件的主要尺寸 e. 绘制零件工作图绘制零件工作图 1.3 机械零件设计概述机械零件设计概述 1.3.3 设计计算和校核计算设计计算和校核计算 设计计算：根据零件的工作情况和选定的工作能力准则拟定出安设计计算：根据零件的工作情况和选定的工作能力准则拟定出安 全条件，用计算方

12、法求出零件危险截面的尺寸。全条件，用计算方法求出零件危险截面的尺寸。 校核计算：根据工作能力准则校核危险截面是否安全。校核计算：根据工作能力准则校核危险截面是否安全。 1.3.4 标准化、系列化、通用化标准化、系列化、通用化 标准化：标准化： 系列化：系列化： 通用化：通用化： “三化三化”的意义：的意义： ：对零件的尺寸、结构要素、材料特性、检验方法、设：对零件的尺寸、结构要素、材料特性、检验方法、设 计方法、制图要求等制定出统一的共同遵守的标准（如：螺纹联计方法、制图要求等制定出统一的共同遵守的标准（如：螺纹联 接件，滚动轴承等用途最广的零件进行大量的、集中制造，用户接件，滚动轴承等用途最

13、广的零件进行大量的、集中制造，用户 根据要求选用）。根据要求选用）。 ：对同一产品，为了适应不同的使用条件，在同一基本：对同一产品，为了适应不同的使用条件，在同一基本 结构或基本尺寸的条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品，结构或基本尺寸的条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品， 称为不同的系列（如：滚动轴承的直径系列、宽度系列，工程机称为不同的系列（如：滚动轴承的直径系列、宽度系列，工程机 械的系列化）械的系列化） ： 1）提高质量，降低成本；）提高质量，降低成本； 2）统一了材料和零件的性能指标，提高了零件性能的可靠性；）统一了材料和零件的性能指标，提高了零件性能的可靠性； 3）简化设计工

14、作，提高设计质量，简化机器的维修。）简化设计工作，提高设计质量，简化机器的维修。 第第2章章 机械零件的工作能力和计算准则机械零件的工作能力和计算准则 绪论绪论 2.1 载荷和应力的分类载荷和应力的分类 2.2 机械零件的强度机械零件的强度 2.3 机械零件的表面强度机械零件的表面强度 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 要求：要求： 1、掌握通用机械零部件工作能力设计和结、掌握通用机械零部件工作能力设计和结 构设计的基本知识、基本理论与基本方构设计的基本知识、基本理论与基本方 法。法。 2、要求考生具有运用上述基本知识、基本、要求考生具有运用上述基本知识、基本 理论与基本方法解决实际问题

15、的能力。理论与基本方法解决实际问题的能力。 绪论绪论 失效：机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时，称为失失效：机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时，称为失 效。同一种零件发生失效的形式可能有多种，不同的工作条件，效。同一种零件发生失效的形式可能有多种，不同的工作条件， 失效形式不同。失效形式不同。 工作能力：零件不发生失效时的安全工作限度称为工作能力。工作能力：零件不发生失效时的安全工作限度称为工作能力。 机械零件的设计准则 w 强度准则 刚度准则 设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相 应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则： 振动稳定性准则 w 可靠性准则

16、 ：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基 本的设计准则。 ：确保零件不发生过大的弹性变形。 ：高速运转机械的设计应注重此项准则。 ：当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。 2.1.1 2.1.1 载荷分类载荷分类 2.1载荷和应力的分类载荷和应力的分类 静载荷：载荷的大小与方向不随时间变化或随时间变化缓慢静载荷：载荷的大小与方向不随时间变化或随时间变化缓慢 变载荷：变载荷：1）循环变载荷（载荷循环变化）循环变载荷（载荷循环变化） 2）随机（变）载荷）随机（变）载荷载荷的频率和幅值均随机变化载荷的频率和幅值均随机变化 载荷载荷 名义载荷：名义载荷： 计算载荷：计算载荷： 动力机和

17、工作机见表动力机和工作机见表2.1 循环变循环变 应力应力 非对称循环变应力非对称循环变应力 脉动循环变应力脉动循环变应力 对称循环变应力对称循环变应力 静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力。静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力。 变应力变应力 ：不稳定变应力：应力变化的周期不稳定变应力：应力变化的周期T、平均应力和应力幅三者之一不为常数、平均应力和应力幅三者之一不为常数 稳定循环变应力：稳定循环变应力：T、平均应力、应力幅均不变、平均应力、应力幅均不变 2.1.2 2.1.2 应力分类应力分类 静载荷静载荷静应力静应力 变载荷变载荷变应力变应力 名义应力名义应力由名义载荷产生的应力由名义载荷

18、产生的应力 计算应力计算应力由计算载荷产生的应力，计算应力中计入了应力集中由计算载荷产生的应力，计算应力中计入了应力集中 等影响。机械零件的尺寸常取决于危险截面处的最大计算应力。等影响。机械零件的尺寸常取决于危险截面处的最大计算应力。 五个参数：五个参数： sm平均应力； sa应力幅值 smax最大应力； smin最小应力 r应力比（循环特性） 2 minmax m ss s 2 minmax a ss s max min s s r 描述规律性的交变应力可有5个参数，但其中只有两个参数是独立的。 r = -1对称循环应力r=0脉动循环应力r=1静应力 t 应力分类应力分类 1静应力静应力 2

19、变应力变应力 a稳定变应力稳定变应力b不稳定变应力不稳定变应力 特点：特点：max=min=m a=0；r=1 循环变应力分类：循环变应力分类： 1）对称循环变应力）对称循环变应力 1 0 : minmax r m a s sss特点 2）脉动循环变应力）脉动循环变应力 0r0 2 : min ammmax s ssss特点 3）非对称循环变应力）非对称循环变应力 特点：特点：r0 例：图示轴受载荷例：图示轴受载荷F作用作用 a. 轴不转轴不转 b. 轴转动轴转动 试分析其应力情况（试分析其应力情况（A点）点） F AA 2.2.1 2.2.1 两种判断零件强度的方法两种判断零件强度的方法 2

20、.2机械零件的强度机械零件的强度 1 1、强度条件、强度条件 2、实际安全系数、实际安全系数 s s ss s s lim lim lim lim ss s s ss ss 2.2.2 2.2.2 静应力强度静应力强度 静应力时零件的主要失效形式：塑性变形静应力时零件的主要失效形式：塑性变形 或或 断裂断裂 塑性材料塑性材料 脆性材料脆性材料 塑性材料极限应力：塑性材料极限应力： 脆性材料极限应力：脆性材料极限应力： 1、单向应力时塑性材料零件、单向应力时塑性材料零件 （屈服极限） （屈服极限） s s ss lim lim 2、3、4、（略）、（略） （屈服极限）（屈服极限） ss ss l

21、imlim 强度极限）强度极限）( limlimBB ss 2.2.3 2.2.3 变应力强度变应力强度 失效形式：疲劳断裂失效形式：疲劳断裂 疲劳极限疲劳极限rN rN:r :r一定时，一定时，应力循环应力循环N次后材料不发生疲劳破坏时的次后材料不发生疲劳破坏时的 最大应力称为材料的疲劳极限。最大应力称为材料的疲劳极限。 影响因素：除与材料性能、循环特性、应力循环次数影响因素：除与材料性能、循环特性、应力循环次数N有关外，还有关外，还 有应力集中、零件尺寸、表面状态等有关。有应力集中、零件尺寸、表面状态等有关。 2.2.4 许用安全系数许用安全系数 应力不同，许用安全系数不同；材料不同，许用

22、安全系数不同。应力不同，许用安全系数不同；材料不同，许用安全系数不同。 见课本。见课本。 在保证安全、可靠的前提下，尽可能选取较小的许用安全系数。在保证安全、可靠的前提下，尽可能选取较小的许用安全系数。 2.2.5 2.2.5 提高机械零件强度的措施提高机械零件强度的措施 1、合理布置零件，减少所受载荷、合理布置零件，减少所受载荷 2、降低载荷集中，均匀载荷分布、降低载荷集中，均匀载荷分布 3、采用等强度结构、采用等强度结构 4、选用合理截面、选用合理截面 5、减小应力集中、减小应力集中 减载槽减载槽 2.3机械零件的表面强度机械零件的表面强度 当两零件以点、线相接处时，其接触的局部会引起较大

23、的应力。这局 部的应力称为接触应力。 2 2 2 1 2 1 21 H 11 11 EE B F s 式中1和2 分别为两零件初始接触线处的曲率半径, 其中正号用于外 接触，负号用于内接触。 对于线接触的情况，其接触应力可 用赫兹应力公式计算。 更多图片 表面强度分为：表面强度分为：1 1）表面接触强度；）表面接触强度；2 2）表面挤压强度；）表面挤压强度；3 3）表面磨损强度）表面磨损强度 2.3.1 表面接触强度表面接触强度 表表2.3 例例1 例例2 表面疲劳磨损（疲劳点蚀、点蚀）：表面疲劳磨损（疲劳点蚀、点蚀）： 形成过程：形成过程： 点蚀的形成和润滑油的关系：点蚀的形成和润滑油的关系

24、： 接触疲劳极限接触疲劳极限Hlim: Hlim: 最大接触应力最大接触应力Hmax: 2.3.2提高表面接触强度的主要措施提高表面接触强度的主要措施 1、增大综合曲率半径、增大综合曲率半径 2、外接触改为内接触、外接触改为内接触 3、点接触改为线接触、点接触改为线接触 4、提高零件表面硬度、提高零件表面硬度 5、提高接触表面的加工质量、提高接触表面的加工质量 6、采用粘度较高的润滑油、采用粘度较高的润滑油 第第3章章 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度 绪论绪论 3.1 疲劳断裂特征疲劳断裂特征 3.2 疲劳曲线和疲劳极限应力图疲劳曲线和疲劳极限应力图 3.3 影响机械零件疲劳强度的主要因

25、素度影响机械零件疲劳强度的主要因素度 3.4 许用疲劳极限应力图许用疲劳极限应力图 3.5 稳定变应力时的安全系数计算稳定变应力时的安全系数计算 3.6 3.7 3.8 要求要求: （1）掌握疲劳极限概念、两种材料疲劳曲线及其方程的应用、材）掌握疲劳极限概念、两种材料疲劳曲线及其方程的应用、材 料无限寿命疲劳极限和有限寿命疲劳极限的确定方法。料无限寿命疲劳极限和有限寿命疲劳极限的确定方法。 （2）熟练掌握塑性材料机械零件的简化极限应力图的绘制和应用。）熟练掌握塑性材料机械零件的简化极限应力图的绘制和应用。 对于在非对称循环应力下工作的零件，应能在该图上找到工作应对于在非对称循环应力下工作的零件

26、，应能在该图上找到工作应 力点和求出极限应力点，判断零件可能发生的失效形式。力点和求出极限应力点，判断零件可能发生的失效形式。 （3）了解影响实际零件疲劳极限的因素。）了解影响实际零件疲劳极限的因素。 （4）熟练掌握单向稳定变应力时机械零件疲劳强度的三种校核计）熟练掌握单向稳定变应力时机械零件疲劳强度的三种校核计 算。算。 （5）掌握单向不稳定变应力时的疲劳强度计算。）掌握单向不稳定变应力时的疲劳强度计算。 （6）了解在双向稳定变应力下工作的零件其疲劳强度的计算方法。）了解在双向稳定变应力下工作的零件其疲劳强度的计算方法。 （7）了解两平行圆柱体相压的接触应力计算。）了解两平行圆柱体相压的接触

27、应力计算。 安全安全寿命设计：不允许出现疲劳裂纹寿命设计：不允许出现疲劳裂纹 破损破损安全设计：允许存在裂纹安全设计：允许存在裂纹 3.1疲劳断裂特征疲劳断裂特征 断裂过程：断裂过程： 裂纹产生裂纹产生 应力较大处形成疲劳源应力较大处形成疲劳源 裂纹扩展裂纹扩展 裂纹尖端在切应力作用下，反复扩展，直至产生疲裂纹尖端在切应力作用下，反复扩展，直至产生疲 劳裂纹劳裂纹 断裂面：见图断裂面：见图3.1 光滑区（疲劳发展区）光滑区（疲劳发展区） 粗糙区（脆性断裂区）粗糙区（脆性断裂区） 见表见表3.1 3.2疲劳曲线和疲劳极限应力图疲劳曲线和疲劳极限应力图 3.2.1 疲劳曲线疲劳曲线 表示循环次数表

28、示循环次数N与疲劳极限与疲劳极限rN间的关系曲线。间的关系曲线。 NN0时，疲劳曲线为水平线，即疲劳极限不再随循环次数的增加时，疲劳曲线为水平线，即疲劳极限不再随循环次数的增加 而降低，称为无限寿命区。而降低，称为无限寿命区。 N0次循环的疲劳极限记为：循环特性次循环的疲劳极限记为：循环特性r时为时为r、r，对称循环时为，对称循环时为 -1、-1，脉动循环为，脉动循环为0、0。 1.有限寿命区有限寿命区（NN0） N . 例例5 某受稳定弯曲变应力作用的轴类零件，最大工作应力某受稳定弯曲变应力作用的轴类零件，最大工作应力max =400MPa，最小工作应力，最小工作应力min =-100MPa

29、。已知材料的对称循环疲。已知材料的对称循环疲 劳极限劳极限 -1=450MPa，脉动循环疲劳极限，脉动循环疲劳极限0=700MPa，屈服极限，屈服极限 s=800MPa。 （1）试绘出材料的简化疲劳极限应力图；）试绘出材料的简化疲劳极限应力图； （2）在简化疲劳极限应力图上标明工作应力点）在简化疲劳极限应力图上标明工作应力点M； （3）说明该零件可能的失效形式（简单加载）。）说明该零件可能的失效形式（简单加载）。 第第4章章 摩擦、磨损、润滑摩擦、磨损、润滑 4.1摩擦的种类及其基本性质摩擦的种类及其基本性质 4.2 干摩擦干摩擦 4.3 边界摩擦润滑边界摩擦润滑 4.4 磨损磨损 4.5 流

30、体摩擦润滑流体摩擦润滑 4.6 膜厚比与润滑状态膜厚比与润滑状态 4.7 润滑剂、添加剂润滑剂、添加剂 4.8 润滑油粘度润滑油粘度 4.9 工业用润滑油和润滑脂简介工业用润滑油和润滑脂简介 要求：要求： 1.理解摩擦、磨损与润滑的基本概念理解摩擦、磨损与润滑的基本概念,摩擦、磨损的机理和摩擦、磨损的机理和 基本类型基本类型,润滑剂主要指标与润滑的基本方法。润滑剂主要指标与润滑的基本方法。 2.流体动力润滑、流体静力润滑的基本概念与原理。流体动力润滑、流体静力润滑的基本概念与原理。 摩擦的危害：能量损耗、效率降低、温度升高、表面磨损等。摩擦的危害：能量损耗、效率降低、温度升高、表面磨损等。 4

31、.1摩擦的种类及其基本性质摩擦的种类及其基本性质 在摩擦下工作的零件，主要有两类：在摩擦下工作的零件，主要有两类： 要求：摩擦阻力小，如滚动轴承、齿轮传动等，需要减磨材料。要求：摩擦阻力小，如滚动轴承、齿轮传动等，需要减磨材料。 要求：摩擦阻力大，如带传动等，需要耐磨材料。要求：摩擦阻力大，如带传动等，需要耐磨材料。 摩擦力：在外力作用下，一物体相对于另一物体运动或有运动趋势时在摩擦力：在外力作用下，一物体相对于另一物体运动或有运动趋势时在 摩擦表面上所产生的切向力。摩擦表面上所产生的切向力。 按摩擦状态分：按摩擦状态分： 干摩擦干摩擦 流体摩擦（流体润滑）流体摩擦（流体润滑） 边界摩擦（边界

32、润滑）边界摩擦（边界润滑） 混合摩擦（混合润滑）混合摩擦（混合润滑） 干摩擦：干摩擦：表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。摩表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。摩 擦阻力大、磨损严重、应力求避免。擦阻力大、磨损严重、应力求避免。 边界摩擦：边界摩擦：摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质取决摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质取决 于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦。于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦。 流体摩擦：流体摩擦：摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分 子间粘性阻力的摩擦。流体摩擦时的摩擦系数最小

33、，且不会有磨子间粘性阻力的摩擦。流体摩擦时的摩擦系数最小，且不会有磨 损产生，是理想的摩擦状态。损产生，是理想的摩擦状态。 混合摩擦：混合摩擦：摩擦表面间处于干摩擦、边界摩擦和流体摩擦的混合状摩擦表面间处于干摩擦、边界摩擦和流体摩擦的混合状 态。态。 边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为边界摩擦。边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为边界摩擦。 要求低摩擦时：流体摩擦比较理想，边界摩擦、混合摩擦为最低要求低摩擦时：流体摩擦比较理想，边界摩擦、混合摩擦为最低 要求。要求。 要求高摩擦时：大多处于干摩擦或边界摩擦。要求高摩擦时：大多处于干摩擦或边界摩擦。 图图4.2摩擦特性曲

34、线摩擦特性曲线 图图4.3磨损曲线磨损曲线 4.2 干摩擦干摩擦 机械摩擦理论：认为两个粗糙表面接触时，接触点相互啮合，摩擦机械摩擦理论：认为两个粗糙表面接触时，接触点相互啮合，摩擦 力为啮合点间切向阻力的总和，表面越粗糙，摩擦力就越大。但不力为啮合点间切向阻力的总和，表面越粗糙，摩擦力就越大。但不 能解释光滑表面间的摩擦现象能解释光滑表面间的摩擦现象表面愈光滑、接触面越大，摩擦表面愈光滑、接触面越大，摩擦 力越大，且与滑动速度力越大，且与滑动速度V有关。有关。 简单粘着理论：如图简单粘着理论：如图4.4所示，摩擦副真实接触面积只有表现接触面所示，摩擦副真实接触面积只有表现接触面 积积A的百分

35、之一和万分之一，的百分之一和万分之一，接触面上压力很大，很容易达到接触面上压力很大，很容易达到 材料的压缩屈服极限材料的压缩屈服极限产生塑性流动产生塑性流动接触面接触面，应力并不升高。应力并不升高。 N F F 4.3 边界摩擦润滑边界摩擦润滑 物理吸附膜：物理吸附膜：润滑油中脂肪酸极性分子与金属表面相互吸引而引润滑油中脂肪酸极性分子与金属表面相互吸引而引 成的吸附膜，距表面愈远吸附能力愈弱，剪切强度愈低。温度对成的吸附膜，距表面愈远吸附能力愈弱，剪切强度愈低。温度对 物理吸附膜影响较大，受热膜易脱附、乱向甚至破坏，物理吸附膜影响较大，受热膜易脱附、乱向甚至破坏，适于常适于常 温、轻载、低速下

36、工作。温、轻载、低速下工作。 化学吸附膜：化学吸附膜：润滑油中的分子靠分子键与金属表面形成化学吸附润滑油中的分子靠分子键与金属表面形成化学吸附 膜。其强度、稳定性好于物理吸附膜，受热后熔化温度较高，膜。其强度、稳定性好于物理吸附膜，受热后熔化温度较高， 适合于中等载荷、速度和温度下工作。适合于中等载荷、速度和温度下工作。 化学反应膜：化学反应膜：润滑油中加入硫、磷等元素的化合物（即添加剂）润滑油中加入硫、磷等元素的化合物（即添加剂） 与金属表面进行化学反应而形成的膜，其膜较厚、熔点较高、剪与金属表面进行化学反应而形成的膜，其膜较厚、熔点较高、剪 切强度较低、稳定性较好，切强度较低、稳定性较好，

37、适合于重载、高速和高温。适合于重载、高速和高温。 图图4.3 图图4.10 提高边界膜强度的措施：提高边界膜强度的措施： 1）控制）控制PV（控制摩擦发热，防止脱附）；（控制摩擦发热，防止脱附）； 2）合理选择摩擦副材料及润滑剂；）合理选择摩擦副材料及润滑剂； 3）降低表面粗糙度；）降低表面粗糙度； 4）在润滑剂中加入油性润滑剂和极压添加剂，提高边界膜的强度。）在润滑剂中加入油性润滑剂和极压添加剂，提高边界膜的强度。 4.4 磨损磨损 磨损：使摩擦表面的物质不断损失的现象。磨损：使摩擦表面的物质不断损失的现象。 磨损率：单位时间内材料的磨损量。磨损率：单位时间内材料的磨损量。 耐磨性：磨损过程

38、中材料抵抗脱落的能力，用磨损率的倒数来表示。耐磨性：磨损过程中材料抵抗脱落的能力，用磨损率的倒数来表示。 磨损过程磨损过程:(分三个阶段分三个阶段) 磨合磨损过程：磨合磨损过程：形成一个稳定的表面粗糙度，且在以后过程中，此粗糙度不形成一个稳定的表面粗糙度，且在以后过程中，此粗糙度不 会继续改变，所占时间比率较小。会继续改变，所占时间比率较小。 稳定磨损阶段：稳定磨损阶段：经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩 擦条件保持相对稳定，磨损较慢擦条件保持相对稳定，磨损较慢该段时间长短反映零件的寿命。该段时间长短反映零件的寿命。 急剧磨

39、损阶段：急剧磨损阶段：经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大动载、振动载、振 动动润滑状态改变润滑状态改变温升温升使磨损速度急剧上升使磨损速度急剧上升直至零件失效直至零件失效 注意：注意：实际机械零件在使用过程中，这三个过程无明显界限。实际机械零件在使用过程中，这三个过程无明显界限。 设计或使用机器的原则：设计或使用机器的原则：力求缩短磨合期，延长稳定磨损力求缩短磨合期，延长稳定磨损 期，推迟剧烈磨损到来。期，推迟剧烈磨损到来。 说明：说明：跑合磨损跑合磨损(磨合磨合)阶段阶段 若不经跑合，压力过大，若不经跑合，压力过大，v过高或润滑不良等，则经跑

40、合直接进入过高或润滑不良等，则经跑合直接进入 剧烈磨损阶段。跑合时，应由轻至重、缓慢加载，并注意油的清剧烈磨损阶段。跑合时，应由轻至重、缓慢加载，并注意油的清 洁，防止磨屑进入摩擦面而造成剧烈磨损和发热。洁，防止磨屑进入摩擦面而造成剧烈磨损和发热。 按破坏机理分，按破坏机理分，磨损主要有四种基本类型：磨损主要有四种基本类型： 粘着磨损、表面疲劳磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损粘着磨损、表面疲劳磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损 4.4.1 粘着磨损粘着磨损 1）轻微磨损（较浅层）轻微磨损（较浅层） 2）涂抹（剪切在软金属浅层）涂抹（剪切在软金属浅层） 3）划伤（剪切在软金属浅层，硬表面划伤）划伤（剪切在软金属浅

41、层，硬表面划伤） 4）撕脱（剪切在基本金属较深处）撕脱（剪切在基本金属较深处） 5）咬死）咬死 粘着严重粘着严重 减轻粘着磨损的措施：减轻粘着磨损的措施： 1）合理选择摩擦副材料；）合理选择摩擦副材料； 2）采用含有油性和极压添加剂的润滑剂；）采用含有油性和极压添加剂的润滑剂； 3）限制摩擦表面的温度；）限制摩擦表面的温度； 4）控制压强。）控制压强。 4.4.2 表面疲劳磨损（点蚀）表面疲劳磨损（点蚀） 受交变接触应力的摩擦副表面，有小块金属在重复变形时疲劳破受交变接触应力的摩擦副表面，有小块金属在重复变形时疲劳破 坏而从摩擦副表面剥落下来，这种现象称表面疲劳磨损（点蚀）。坏而从摩擦副表面剥

42、落下来，这种现象称表面疲劳磨损（点蚀）。 提高摩擦副的表面疲劳寿命的措施：提高摩擦副的表面疲劳寿命的措施： 1）合理选择摩擦副材料；）合理选择摩擦副材料； 2）合理选择表面粗糙度；）合理选择表面粗糙度； 3）合理选择润滑油粘度；）合理选择润滑油粘度； 4）合理选择表面硬度。）合理选择表面硬度。 齿面接触疲劳 4.4.3磨粒磨损磨粒磨损 硬质颗粒或摩擦表面上的硬质突出物，在摩擦过程中引起材料脱硬质颗粒或摩擦表面上的硬质突出物，在摩擦过程中引起材料脱 落的现象。落的现象。 4.4.4腐蚀磨损腐蚀磨损 摩擦过程中，金属与周围介质发生化学反应或电化学反应而引起摩擦过程中，金属与周围介质发生化学反应或电

43、化学反应而引起 的磨损。的磨损。 4.5 流体摩擦润滑流体摩擦润滑 粘度：流体抵抗变形的能力，它标志着流体内摩擦阻力的大小，粘粘度：流体抵抗变形的能力，它标志着流体内摩擦阻力的大小，粘 度越大，摩擦力也越大。度越大，摩擦力也越大。 摩擦力摩擦力F： PAFN h v AF u 法向力法向力FN： 摩擦系数摩擦系数： hp v pA h v A F F N 1 )( 按建立压力油膜的原理不同，流体润滑主要有：按建立压力油膜的原理不同，流体润滑主要有： 流体动力润滑、弹性流体动力润滑、流体静力润滑流体动力润滑、弹性流体动力润滑、流体静力润滑 在低副中：不考虑润滑表面的弹性变形和压力对润滑油粘度的影

44、响。在低副中：不考虑润滑表面的弹性变形和压力对润滑油粘度的影响。 在高副中：考虑弹性变形和压力对润滑油粘度影响。在高副中：考虑弹性变形和压力对润滑油粘度影响。 4.5.1 流体动力润滑（低副）流体动力润滑（低副） 获得流体动力润滑的基本条件是：获得流体动力润滑的基本条件是： 1）楔形空间；）楔形空间； 2）相对运动（保证流体由大口进入）；）相对运动（保证流体由大口进入）； 3）连续不断地供油。）连续不断地供油。 （动画） 雷诺方程：雷诺方程： 3 0 6 h hh v x p 4.5.2 弹性流体动力润滑（高副）弹性流体动力润滑（高副） 弹性流体动力润滑：考虑弹性变形和压力对润滑油粘度影响两个

45、弹性流体动力润滑：考虑弹性变形和压力对润滑油粘度影响两个 因素的流体动力润滑。因素的流体动力润滑。 在压力作用下润滑油的粘度：在压力作用下润滑油的粘度： P e 0 4.5.3流体静力润滑（低副）流体静力润滑（低副） 流体静力润滑：利用外部供油装置将一定压力的流体送入流体摩流体静力润滑：利用外部供油装置将一定压力的流体送入流体摩 擦面之间以建立压力油膜的润滑。擦面之间以建立压力油膜的润滑。 优点：优点：1）压力油膜的建立与速度无关，所以速度应用范围宽。）压力油膜的建立与速度无关，所以速度应用范围宽。 2）整个过程不与金属直接接触，所以寿命长，精度保持性很好。）整个过程不与金属直接接触，所以寿命

46、长，精度保持性很好。 3）油膜刚度很大，所以运转精度很高，抗振性能好。）油膜刚度很大，所以运转精度很高，抗振性能好。 4）只要合理选择参数和结构，比较容易满足设计者对承载能力、）只要合理选择参数和结构，比较容易满足设计者对承载能力、 油膜刚度等性能要求。油膜刚度等性能要求。 膜厚比膜厚比：最小油膜厚度与表面粗糙度之比，是大致估计润滑状：最小油膜厚度与表面粗糙度之比，是大致估计润滑状 态的简单判据。态的简单判据。 2 2 2 1qq m RR h 图图4.22 3 完全弹性流体动力润滑或流体润滑状态完全弹性流体动力润滑或流体润滑状态 13 部分弹性流体动力润滑或混合润滑状态部分弹性流体动力润滑或混合润滑状态 1 边界润滑状态边界润滑状态 4.6 油膜比与润滑状态油膜比与润滑状态 润滑剂的主要作用是减小摩擦和磨损，还起到冷却、降温，减缓润滑剂的主要作用是减小摩擦和磨损，还起到冷却、降温，减缓 锈蚀，缓冲吸振、清污和密封等作用。锈蚀，缓冲吸振、清污和密封等作用。 4.7.1 润滑剂种类润滑剂种类 润滑剂有液体润滑剂、半固体润滑剂、气体润滑剂、固体润滑剂润滑剂有液体润滑剂、半固体润滑剂、气体润滑剂