第2章机械零件常用材料和机械设计基础知识

1、第三章第三章 机械零件常用材料和机械设计机械零件常用材料和机械设计基基 础础 知知 识识 第一节第一节 机械零件常用材料、热处理方法及其选择机械零件常用材料、热处理方法及其选择本章主要内容本章主要内容 第五节第五节 机械零部件的结构设计机械零部件的结构设计 第二节第二节 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 第三节第三节 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 第四节第四节 摩擦、磨损和润滑简介摩擦、磨损和润滑简介本章学习要求本章学习要求 1 1、了解机械零件常用材料、热处理方法及其选择；、了解机械零件常用材料、热处理方法及其选择； 2 2、了解机械零件的工作能力和计

2、算准则；、了解机械零件的工作能力和计算准则； 3 3、掌握稳定变应力下机械零件的疲劳强度分析及计算；、掌握稳定变应力下机械零件的疲劳强度分析及计算； 4 4、了解摩擦、磨损和润滑的相关知识；、了解摩擦、磨损和润滑的相关知识； 5 5、初步了解机械零件的接触强度计算；、初步了解机械零件的接触强度计算； 6 6、掌握机械结构设计的一般原则和方法。、掌握机械结构设计的一般原则和方法。本章重点本章重点 1 1、机械零件的主要失效形式、设计准则；、机械零件的主要失效形式、设计准则； 2 2、机械零件的疲劳强度分析及计算；、机械零件的疲劳强度分析及计算； 3 3、机械结构设计的原则和方法、机械结构设计的原

3、则和方法. .第一节第一节 机械零件常用材料、热处理方法及其选择机械零件常用材料、热处理方法及其选择二、钢的二、钢的 （一）退火和正火（一）退火和正火 （二）淬火、回火和调质（二）淬火、回火和调质 （三）表面淬火和化学处理（三）表面淬火和化学处理一、机械零件常用材料：一、机械零件常用材料： （一）钢（一）钢 （二）铸铁（二）铸铁 （三）有色金属（三）有色金属第一节第一节 机械零件常用材料、热处理方法及其选择（机械零件常用材料、热处理方法及其选择（续）续） 三、机械零件材料的选择原则三、机械零件材料的选择原则 1 1、满足机械零件的使用要求：、满足机械零件的使用要求： 载荷、几何条件、尺寸及重量

4、、特殊要求载荷、几何条件、尺寸及重量、特殊要求 3、满足经济性要求：、满足经济性要求： 材料价格、加工和热处理的成本等材料价格、加工和热处理的成本等2 2、满足工艺性要求、满足工艺性要求 ( (便于加工制造便于加工制造):): 零件结构的复杂程度、尺寸大小、毛坯制造零件结构的复杂程度、尺寸大小、毛坯制造 第二节第二节 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一、机械零件的工作能力一、机械零件的工作能力机械零件的机械零件的主要失效形式主要失效形式断断 裂裂塑性变形、塑性变形、过大弹性变形过大弹性变形正常工作条件遭破坏正常工作条件遭破坏引起的失效引起的失效表面磨损表面磨损机械零件的

5、工作能力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。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（一）强度准则（二）刚度准则（二）刚度准则（三）耐磨性准则（三）耐磨性准则（四）振动稳定性准则（四）振动稳定性准则 Slim yy 第二节第二节 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二、机械零件的计算准则二、机械零件的计算准则pff 85. 0或或pff 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。目前尚无定量可靠的计算方法，常采用一些条件性计算。 第三节第三节 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算一、载荷和应力的分类一、

6、载荷和应力的分类 （二）应力的分类（二）应力的分类 静应力静应力 变应力变应力: : 1. 1.稳定循环变应力稳定循环变应力 2.2.不稳定循环变应力不稳定循环变应力对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力非对称循环变应力（一）载荷的分类（一）载荷的分类 静载荷静载荷: :不随时间变化或变化缓慢的应力。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。变载荷：随时间变化的应力。 名义载荷名义载荷F F ：按额定功率计算的载荷。：按额定功率计算的载荷。 计算载荷计算载荷Fca Fca ：Fca=K.FFca=K.F稳定循环变应力的类型稳定循环变应力的类型2

7、minmaxm平均应力平均应力2minmaxa应力幅应力幅设计计算：设计计算：1 1、名义应力、名义应力 : : 由名义载荷求得的应力由名义载荷求得的应力 2 2、计算应力：由计算载荷求得的应力、计算应力：由计算载荷求得的应力第三节第三节 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算maxmin/ 循环特性循环特性对称循环变应力对称循环变应力 脉动循环变应力脉动循环变应力 非对称循环变应力非对称循环变应力 第三节第三节 机械零件的疲劳强度计算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二、疲劳曲线和疲劳极限应力线图 （一）疲劳曲线（一）疲劳曲线CNNmmN0NmNKNN0r疲劳极限疲劳

8、极限1对称循环疲劳极限对称循环疲劳极限0脉动循环疲劳极限脉动循环疲劳极限循环次数循环次数 N N材料常数材料常数 m m循环基数循环基数无限寿命区的起始点无限寿命区的起始点寿命系数寿命系数材料的疲劳曲线材料的疲劳曲线有限寿命疲有限寿命疲劳极限劳极限4545（二）疲劳极限应力线图（二）疲劳极限应力线图 1 1、材料的疲劳极限应力线图、材料的疲劳极限应力线图AG AG 段：段：rmra1CG CG 段段: :srmra0012第三节第三节 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算材料常数材料常数20DG201OamsCA 2 2、零件的疲劳极限应力线图、零件的疲劳极限应力线图Ke11kK rm

9、eeraeeK11AG AG 段段: :rmeraeK1CG CG 段段: :srmerae0012KKe第三节第三节 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算弯曲疲劳极限的弯曲疲劳极限的综合影响系数综合影响系数绝对尺寸绝对尺寸影响系数影响系数表面质量表面质量系数系数三、稳定变应力下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（单向稳定变应力的机械零件疲劳强度计算 ）第三节第三节 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算机械零件疲劳强度的计算时：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；先求出零件危险

10、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。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）。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：三种典型应力变化规律：C（1）变应力的循环特性保持不变）变应力的循环特性保持不变 ，如转轴的应力状态。，如转轴的应力状态。Cme（2）变应力的平均应力保持不变）变应力的平均应力保持不变 , 振动受载弹簧的应力状态振动受载弹簧的应力状态Cemin（3）变应力的最小应力保持不变）

11、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（单向稳定变应力的机械零件疲劳强度计算1 1 ） 时为例时为例: :CmeaeeeKmax1max对应于对应于M点的零件的极限应力点的零件的极限应力:SKSmeaeca1安全系数及强度条件为：安全系数及强度条件为：SSmeaesca对应于对应于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，安全系数为第三节第三节 机械零件的疲劳强度计算机械零件的

12、疲劳强度计算aemeOamDAGCMaemeNMN例例 某零件材料的力学性能为：某零件材料的力学性能为： ， ， 。 已知零件上的最大工作应力已知零件上的最大工作应力 最小工作应力最小工作应力 应力变化规律为应力变化规律为 常数，弯曲疲劳极限的综合影响系数常数，弯曲疲劳极限的综合影响系数 。试确。试确定该零件在单向稳定变应力情况下的计算安全系数。定该零件在单向稳定变应力情况下的计算安全系数。max190,eMPamin110,eMPa2.0KMPa400sMPa30012 . 0m e解：解：1 1）计算零件的）计算零件的 10e、11/300/ 2150eKMPaMPa由式（由式（3 39

13、9）MPa5000.21MPa30021210由式（由式（3-83-8）3 3）寻找零件工作应力点）寻找零件工作应力点M M。由由 可以求得可以求得maxmin190,110eeMPaMPamaxminm190 110()15022eeeMPaMPa2 2）作出极限应力线图）作出极限应力线图A点坐标为点坐标为DD点的坐标为点的坐标为CC点坐标为点坐标为1(0,)(0,150)e00(/2,/2 )(250,125)K(,0)(400,0)s则可作出如右图的极限应力线图。则可作出如右图的极限应力线图。第三节第三节 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算2001501005005010015

14、0200250300350400amMP/aaMP/ADGCMmaxmin190 110()4022eeaeMPaMPa在极限应力线图上标出零件工作应力在极限应力线图上标出零件工作应力点点M(150,40)M(150,40)。m 4) 4) 按照应力变化规律按照应力变化规律 常数，过常数，过M M点作垂直于横幅的直线点作垂直于横幅的直线MMMM，在直线在直线MMMM上所有的点均满足上所有的点均满足 常数的规律，而直线常数的规律，而直线MMMM于直线于直线AGAG的交线的交线MM所代表的应力就是计算时所用的极限应力。直线所代表的应力就是计算时所用的极限应力。直线MMMM的的方程为方程为m150m

15、emeMPa150meMPa 5) 5)求解求解MM点的坐标。联立直线点的坐标。联立直线AGAG的方程的方程 ，直线直线 MMMM的方程的方程 ，解出，解出MM点的坐标为点的坐标为 150meMPa1meaeK6 6）计算极限应力）计算极限应力max(150 135)285emeaeMPaMPa例例( (续）续）7 7）计算零件的计算安全系数）计算零件的计算安全系数maxmax285MPa/190MPa1.5ecaeS第三节第三节 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算20015010050050100150200250300350400amMP/aaMP/ADGCMM2/)1502 .

16、 0300(1MPaKmeaeMPa135四、机械零件的接触强度四、机械零件的接触强度物体的曲面接触物体的曲面接触赫兹公式计算接触应力：赫兹公式计算接触应力：)11()11(22212121EELFH第三节第三节 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 第四节第四节 摩擦、磨损、润滑简介摩擦、磨损、润滑简介一、摩擦一、摩擦静摩擦静摩擦动摩擦动摩擦滑动摩擦滑动摩擦滚动摩擦滚动摩擦干摩擦干摩擦边界摩擦边界摩擦流体摩擦流体摩擦混合摩擦混合摩擦摩擦分类摩擦分类 内摩擦内摩擦 外摩擦外摩擦 干摩擦干摩擦 边界摩擦边界摩擦 流体摩擦流体摩擦 混合摩擦混合摩擦 摩擦状态摩擦状态 膜厚比：膜厚比：222

17、1minqqRRh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为膜厚比. .当膜厚比当膜厚比 11时，为边界摩擦（润滑）状态；时，为边界摩擦（润滑）状态；当当 1 31 3时，为混合摩擦（润滑时，为混合摩擦（润滑) )状态；状态；当当33时，为流体摩擦（润滑）状态。时，为流体摩擦（润滑）状态。第四节第四节 摩擦、磨损、润滑简介摩擦、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。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、磨损二、磨损零件的磨损过程分为零件的磨损过程分为三阶段：三阶段：

18、 磨合阶段磨合阶段 稳定磨损阶段稳定磨损阶段 剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段磨损分类磨损分类粘着磨损粘着磨损疲劳磨损疲劳磨损腐蚀磨损腐蚀磨损微动磨损微动磨损第四节第四节 摩擦、磨损、润滑简介摩擦、磨损、润滑简介三、润滑剂和润滑方法三、润滑剂和润滑方法 （一）润滑剂（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常用工业润滑油的粘度分类及相应的运动粘度值 见表见表3 31 11 1、润滑油、润滑油润滑油的粘度：润滑油的粘度：动力粘度动力粘度运动粘度运动粘度相对粘度相对粘度粘度的近似换算粘度的近似换算见表见表3 32 2第四节第四节 摩擦、磨损、润滑简介摩擦、磨损、润滑简介几种润滑油的粘温曲线几种

19、润滑油的粘温曲线润滑脂的性能指标：润滑脂的性能指标：针入度针入度滴滴 点点3 3、添加剂、添加剂 可改善润滑剂的使用特性。可改善润滑剂的使用特性。4 4、固体润滑剂、固体润滑剂 适用于有特殊要求场合的机械零件的润滑。适用于有特殊要求场合的机械零件的润滑。第四节第四节 摩擦、磨损、润滑简介摩擦、磨损、润滑简介2 2、润滑脂、润滑脂（二）润滑方法（二）润滑方法(1)(1)压配式油杯压配式油杯第四节第四节 摩擦、磨损、润滑简介摩擦、磨损、润滑简介旋转式油杯旋转式油杯针阀油杯针阀油杯油芯油杯油芯油杯（二）润滑方法（二）润滑方法(2)(2)油环润滑油环润滑第四节第四节 摩擦、磨损、润滑简介摩擦、磨损、润

20、滑简介油脂杯油脂杯浸油润滑浸油润滑（三）流体润滑原理简介（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：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利用摩擦面间的相对运动而自动形成承载油 膜的润滑。膜的润滑。流体静压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。承载油膜的润滑。第四节第四节 摩擦、磨损、润滑简介摩擦、磨损、润滑简介（三）（三） 流体润滑原理简介流体润滑原理简介 1 1、 流体润滑承载机理（楔效应）流体润滑承载机理（楔效应）第四节第四节 摩擦、

21、磨损、润滑简介摩擦、磨损、润滑简介022yuB分布曲线油压 p静板静板动板动板bxyOv0hminhacA022yu022yuF2 2、流体动压润滑的基本方程、流体动压润滑的基本方程假设条件：假设条件： 1)1)液体为牛顿液体；液体为牛顿液体； 2)2)液体膜中液体的流动是层流；液体膜中液体的流动是层流； 3)3)忽略压力对液体粘度的影响；忽略压力对液体粘度的影响； 4)4)略去惯性力及重力的影响；略去惯性力及重力的影响； 5)5)认为液体不可压缩；认为液体不可压缩； 6)6)液体膜中的压力沿膜厚方向是不变的。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，取一微单元体进行从层流运动的油

22、膜中，取一微单元体进行分析。可推出分析。可推出x x方向的流速方向的流速xpyhyhyhvu2)()()(603hhhVx一维雷诺方程一维雷诺方程第四节第四节 摩擦、磨损、润滑简介摩擦、磨损、润滑简介一维雷诺方程：一维雷诺方程：)(603hhhVx由式可见：由式可见： 油膜压力的变化与润滑油的粘度、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。表面滑动速度和油膜厚度及其变化有关。形成流体动力润滑形成流体动力润滑( (即形成动压油膜即形成动压油膜) )的必要条件的必要条件: : 1) 1) 相对滑动的两表面间必须形成收敛楔形间隙相对滑动的两表面间必须形成收敛楔形间隙; ; 2

23、) 2) 两表面必须有一定相对滑动速度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运动方向必须使润滑油由大口流进进, , 小口流出小口流出; ; 3) 3)润滑油必须有一定的粘度润滑油必须有一定的粘度, ,且供油要充分且供油要充分. . 第四节第四节 摩擦、磨损、润滑简介摩擦、磨损、润滑简介3 3、弹性流体动压润滑（弹流润滑）、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。弹性流体动压润滑理论用于高副接触零件的润滑问题。第四节第四节 摩擦、磨损、润滑简介摩擦、磨损、润滑简介线接触弹流润滑的示意图线接触弹流润滑的示意图4 4、流体静压润滑、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。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。第四节第四节 摩擦、磨损、润滑简介摩擦、磨损、润滑简介流体静压润滑系统的示意图流体静压润滑系统的示意图第五节第五节 机械零部件的结构设计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一、机械结构设计的基本原则和方法 明确：明确：功能、工作原理明确功能、工作原理明确 简单：简单：零件数目尽量少、形状简单、联接关系简单零件数目尽量少、形状简单、联接关系简单 安全：安全：保证在