《机械设计》考研复习重点笔记（高等教育出版社-邱宣怀）

专业课复习资料（最新版）封面专业课复习资料（最新版）封面1机械设计笔记第一章机械设计概论是研究机械装置和机械系统的设计问题，培养同学们具有机械设计能力的技术基础课，是机械类专业的一门非常重要的主干课。首先介绍几个常用的概念：1．机械――机器和机构的总称。2．零件――是机器的制造单元。有些零件是在各种机器中常用的，称之为通用零件；有些零件只有在特定的机器中才用到，称之为专用零件。3．部件――为完成同一使命在结构上组合在一起并协调工作的零件。如滚动轴承。注意：“机械零件”常用来泛指零件和部件。＊机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志。＊机械工业肩负着为国民经济各个部门提供装备和促进技术改造的重任。＊大量地设计制造和广泛采用各种先进的机器，可大大加强促进国民经济发展的力度，加速我国的现代化建设。设计是生产机械产品的第一道工序。要想生产出好的产品，首先要有好的设计，设计是保证具有良好性能的首要环节。如果设计水平不高，即使有再好的加工制造能力也不可能生产出好的机械产品，可见机械设计在机械工程中的地位是非常重要的。任何机械设计都是由若干个零件组成，机器的性能好坏就取决于它的主要零件和关键零件的性能好坏。要想设计出好的机器，必须首先设计好它的零件。因此，机械零件的设计是机械设计的基础，是机械设计的重要组成部分。本课程的基本教学内容主要是通用机械零件的设计和计算。如齿轮、轴承、轴、带传动、链传动等。本课程是一门实用性、适用性强的设计课程。介绍的是机械零件的基本设计方法。而近些年发展起来的如CAD、优化设计、可靠性设计等现代设计方法大多是建立在这些基本设计方法之上的，是对这些基本设计方法的发展和提高。本课程的最终目的在于是同学们掌握综合运用各种机械零件和各种机构以及其他先修课的知识，设计和简单机械的能力。什么是机械传动装置呢？首先来分析机器的组成。机器的组成如下：传动装置――在原动件与执行机构之间传递运动、转换运动方式的装置。机械传动装置是本课程研究的主要内容之一。关系多――因与诸多先修课关系密切。要求多――强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、经济性。门类多――各类零件，各有特点，设计方法各异。公式多――计算多，有解析式、半解析式、经验的、半经验的及定义式。图 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 多――结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、经验数表。＊实践性强─不仅读懂书就行，要多联系实际，要注重实践性环节。＊无重点─又都是重点，设计工作必须详尽，细小的疏忽也会导致严重事故。＊设计问题无统一 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 ─更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维。学习中要处理好以下几个关系：原动件传动装置执行机构控制系统辅助系统21）零件的设计与选用──是零件设计的两个主要途径。2）设计计算与结构设计──设计决非只是计算，同学更应重视结构设计的学习。3）性能要求与经济性──永远是一对矛盾，应学会合理地解决这一对矛盾。4）经验设计与现代设计──二者均重要，前者是后者的基础。5）具体的设计方法与一般的设计能力──前者是学习的形式，后者是学习的目的。第二章机械零件的工作能力和计算准则几个概念：1．失效：――指机械零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能。注意：1）失效并不单纯指破坏。破坏只是失效的形式之一。实际中的机械零件可能的失效形式很多，归结起来主要有以下几个方面的失效：强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、联接的松动以及可靠性等。2）同一种机械零件的可能失效形式往往有数种。2．工作能力：――机械零件不发生失效的安全工作限度。3．承载能力：――对载荷而言的工作能力。在设计中，应保证所设计的机械零件在正常工作中不发生任何失效。为此对于每种失效形式都制定了防止这种失效应满足的条件，这样的条件就是所谓的工作能力计算准则。它是设计机械零件的理论依据。在机械零件的设计中，最终是要确定零件的结构尺寸。通常情况下，都希望尺寸小、重量轻，同时又不能在工作中发生任何失效。设计时就需要进行必要的计算。常用的计算方法有两种：1．设计计算：――先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的机构尺寸。2．校核计算：――先根据经验确定零件的结构尺寸，然后在验算零件是否满足计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。一、载荷和应力的分类1．载荷载荷分为静载荷和变载荷。由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。名义载荷：在理想平稳条件下用力学公式求出的载荷。计算载荷：＝载荷系数K×名义载荷。其中载荷系数K用于计入在实际工作中机械零件受到的各种动载荷的影响。2．应力静应力对称循环应力r＝－1恒幅循环变应力脉动循环应力r=0循环变应力非对称循环应力变应力变幅循环变应力随机变应力需注意：变应力由变载荷产生，也可由静载荷产生。名义应力：根据名义载荷求得的应力。计算应力：根据计算载荷求得的应力。表示的是零件在工作中实际受到的应力。二、机械零件的强度1．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。机械零件的强度准则有两种表示方法：1）σ≤[]σ[]σ=[]Slimσ32）S≥[]SS＝ωσlim式中：σ－最大计算应力；[]σ－许用应力；limσ－极限应力；S－计算安全系数；[]S－许用安全系数；对于一个具体的机械零件而言，两差值[]σ－σ和S－[]S可称为安全裕度。其大小表示零件安全的程度。当计算应力σ相同时，[]σ越大，则越安全。当许用应力[]σ相同时，σ越大，则越安全。2．静应力下的强度在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形或断裂。 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 不同，所取极限应力也不同：sσσ=lim塑性材料sττ=lim复合应力状态下：按第三或第四强度理论计算当量应力。bσσ=lim脆性材料bττ=lim复合应力状态下：按第一强度理论计算当量应力。3．变应力下的强度计算变应力下的强度时，应取=limσ疲劳极限rNσ（详见第二章）4．许用安全系数合理选择许用安全系数是设计中的一项重要工作。[]S过大，则机器会过于笨重；[]S过小，可能不安全。因此，在保证安全的前提下，应尽可能选用较小的许用安全系数。[]S的取值主要受下列因素的影响：1）计算的准确性；2）材料的均匀性；3）零件的重要性。注意：1）对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁），在计算其静强度时可不考虑应力集中的影响。2）对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算其静强度时应考虑应力集中的影响。三、机械零件的表面强度1．表面接触疲劳强度对于高副接触的机械零件，理论上是点、线接触，但实际上在载荷作用下材料发生弹性变形后，理论上的点、线接触变成了很小的面接触，在接触处局部会产生很高的应力，这样的应力称为表面接触应力，用Hσ表示。Hσ的大小用赫兹公式计算，见教材。实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的，例如齿轮的轮齿，接触啮合时受应力作用，脱离啮合时不受应力作用。在接触循环应力作用下的强度称为表面接触疲劳强度。强度条件为：Hσ≤[]Hσ单向应力状态下：单向应力状态下：4在接触循环应力作用下，首先在金属表面上形成很小的微裂纹，之后裂纹沿着与表面成锐角的方向发展，当到达一定深度后，又越出零件表面，最后有小片的金属剥落下来，在零件的表面形成小坑，这种现象称为疲劳点蚀（简称点蚀）。点蚀是接触应力作用下的失效形式，属于疲劳破坏。点蚀的危害：1）破坏零件的光滑表面，引起振动和噪音。2）减小零件的有效工作面积。2．表面挤压强度当两零件之间为面接触时，在载荷作用下表面产生的应力称为挤压应力，用pσ表示。在挤压应力作用下的强度称为挤压强度，其强度条件为：pσ≤［pσ］挤压应力过大时，接触面将产生“压溃”失效。相互挤压表面上的挤压应力相等。四、机械零件的刚度刚度是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，则有的零件会因为产生过大的弹性变形而失效。例如：机床的主轴如产生过大的弹性变性会影响所加工工件的精度；刚度条件为：实际变形量≤［许用变形量］式中：实际变形量可用相关理论计算或由实验方法确定。许用变形量是保证正常工作所允许的变形量。注意：1）零件材料的弹性模量E越大，则其刚度越大。2）用合金钢的代替碳钢虽能提高零件的强度，但不能提高零件的刚度。五、振动稳定性准则机械零件周期性产生弹性变形的现象称为振动。当作用在零件上的周期性外力的变化频率接近或等于零件自身的自激振动频率时，便发生共振，导致零件失效。这种现象称之为“失去振动稳定性”。振动稳定性准则：应使受激振作用零件的自激振动频率远离外力变化的频率。即Ff＜0.85f或Ff＞1.15f式中：f――零件的自激振动频率Ff――外力变化的频率.六、摩擦学（耐磨性计算）准则在滑动摩擦条件下工作的机械零件，常因为过度磨损而失效。影响磨损的因素很多而且比较复杂，因此，到目前为止对于磨损失效还没有一个完善的计算方法。通常只进行条件性计算，通过限制影响磨损的主要条件防止产生过大的磨损量。为防止产生过大的磨损应满以下条件：压强不超过许用值p≤［p］速度不超过许用值υ≤［υ］压强与速度乘积不超过许用值pυ≤［pυ］5第三章机械零件的疲劳强度设计一、定义1、疲劳破坏：很多机械零件受变应力作用。即使变应力的maxbσσ<。而变应力的每次循环也仍然会对零件造成轻微的损伤。随应力循环次数的增加，当损伤累积到一定程度时，在零件的表面或内部将出现（萌生）裂纹。之后，裂纹又逐渐扩展直到发生完全断裂。——这种缓慢形成的破坏称为“疲劳破坏”。——是变应力作用下零件的主要失效形式。2、疲劳破坏的特点a)疲劳断裂时：受到的maxσ低于bσ，甚至低于sσ。b)不论是脆性材料，还是塑性材料，断口通常没有显著的塑性变形。——表现为：脆性断裂。——突然性，更危险。c)疲劳破坏是一个损伤累积的过程，有发展的过程，需要时间。——寿命的计算。d)疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆性断裂区。二、变应力的类型变应力可用应力比minmaxγσσ=、最大应力maxσ、最小应力minσ、平均应力mσ和应力幅aσ这五个参数中的任意两个表示。☆各参数不随时间变化的变应力称为稳定变应力。参数随时间变化的变应力称为非稳定变应力。参数按一定规律周期性变化的称为规律性非稳定变应力。6随机变化的称为随机变应力。变应力的类型不同，所采用的疲劳计算方法不尽相同，本章介绍工程中常用的疲劳计算方法。第二节疲劳曲线和极限应力图几个概念：1.材料的疲劳极限：rNσ——在应力比为г的循环变应力作用下，应力循环N次后，材料不发生疲劳7破坏时，所能承受的最大应力maxσ。（是最高变应力中的maxσ），变应力的大小可用其最大应力maxσ比较。2.疲劳寿命：——材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。г不同或N不同时，疲劳极限Nγσ不同。即Nγσ与г、N有关。疲劳强度计算中，就是以疲劳极限作为limσ。limσ=Nγσ一、疲劳曲线（σ-N曲线）即应力比г一定时，表示疲劳极限Nγσ与循环次数N之间关系的曲线。典型的疲劳曲线如下图示：可以看出：Nγσ随N的增大而降低。但是当N超过某一次数时（图中N0），曲线趋于水平。即Nγσ不再减小。则N0——称为循环基数。8以N0为界分为两个区：1.无限寿命区：当N≥N0时，曲线为水平直线，对应的疲劳极限是一个定值，用γσ表示。它是表征材料疲劳强度的重要指标，是疲劳设计的基本依据。在工程设计中，一般可以认为：当材料受到的应力不超过γσ时，则可以经受无限次的应力循环而不疲劳破坏。——即寿命是无限的。2.有限寿命区：为了区别于γσ，把曲线上非水平段（N＜N0）的疲劳极限Nγσ称为条件疲劳极限。当材料受到的工作应力超过γσ时，在疲劳破坏之前，只能经受有限次的应力循环。——即寿命是有限的。（注：不同应力比г时的疲劳曲线具有相似的形状。但г越大，Nγσ越大）。г↑Nγσ↑☆按疲劳寿命的大小，可以分为：低周循环疲劳：34()1010N<时，Nγσ接近sσ（Nsγσσ≈），不同的N，对应的Nγσ几乎没有变化。特点：应力高，寿命低。高周循环疲劳：34()1010N>时，Nγσ随N的增加，减小的较快。特点：应力低，寿命长。注：大多数钢的疲劳曲线形状类似上图所示。但是，高强度合金钢和有色金属的（σ-N）曲线没有水平部分，不存在无限寿命区，因此，工程上常以认为规定一个循环基数0N，而将此基数0N下的条件疲劳极限作为表征材料疲劳强度的基本指标。也记为γσ。无限寿命设计：它要求零件寿命0NN≥时的设计。（强度指标为γσ）有限寿命设计：它要求零件寿命0NN<时的设计。（强度指标为Nγσ）设计中经常用到的是σ-N曲线的高周疲劳段（AB段）。该段曲线的方程为：mNNCγσ⋅=（常数）——称为疲劳曲线方程显然B（0N，γσ）也符合上述方程，即：0mCNγσ⋅=代入上式得：0mmNrNNγσσ⋅=⋅=>0mNNNNKγγγσσσ=⋅=⋅式中0mNNNK=——寿命系数9它的意义在于当零件的设计寿命低于0N时，可以适当提高疲劳极限应力。亦即零件承受的工作应力可以更大些，以充分发挥材料的能力。注：计算NK时，如0NN>，则取0NN=。m——寿命指数☆对钢件：受拉、压、弯、扭时：m=9受接触应力时：m=6对青铜件：受弯时：m=9受Hσ时：m=80N——其值与材质有关（其值见教材）☆对≤350HBS的钢，7010N=。对>350HBS的钢，铸铁及有色金属，通常取702510N=×。注意：1）上式只适用于高周循环疲劳。2）对于低周循环疲劳，因N小，一般可按静强度处理。3）工程中经常用到的是对称循环（г=-1）下的疲劳极限1σ−或1Nσ−，计算时，只需把式中γσ，Nγσ换成1σ−和1Nσ−即可。4）对于受切应力τ的情况，则只需将各式中的σ换成τ即可。到现在，请想想：Nσ−曲线有什么用途？（求任意г下的Nγσ）二、mσ-aσ极限应力图疲劳寿命N一定时，表示疲劳极限与应力比г之间关系的线图，即为极限应力图。下图为，疲劳寿命为0N时（无限寿命时的）的mσ-aσ极限应力图。它是极限应力图的表示形式之一，在疲劳设计中应用最广。除此之外还有其他表示形式。由于时间关系，这里只介绍这种mσ-aσ图。（也是由实验得到的）10曲线上的不同点，表示了不同应力比г下的疲劳极限γσ（亦即maxσ）。即：maγγγσσσ=+——横纵坐标之和曲线上的点可称为——极限应力点曲线上的三个特殊点：A、B、C分别是：对称循环、脉动循环、以及静力下的极限应力点。为便于计算和使用，工程设计中常根据几个特殊点对上图进行简化。对于高塑性钢，简化成ABDG折线。对GD线，是因为从屈服强度考虑，不论是受静应力还是受变应力，都不允许产生塑性变形。因此，所受最大应力（maxamσσσ=+）不得超过sσ（即极限应力），故图中简化成GD直线。[GD直线上：masσσσ+=]AD线称为——疲劳强度线。其上的点表示疲劳极限应力DG线称为——屈服强度线。其上的点表示屈服极限如果材料承受的工作应力点落在折线ADG以内，则是安全的（不含破坏）。且距离折线越远越安全。如落在ADG折线以外，就会发生破坏。由A、B两点坐标可推出AD的方程为：1amaγγψσσσ−+⋅=式中：111002atgγσσψσ−−==（γ见图）（而DG的方程为：amsγγσσσ+=）aψ——等效系数。用于将平均应力等效地折算成应力幅。其值与材质有关。注：“等效”可理解为，对材料造成的损伤是相当的。mγσ、aγσ——分别为AD上任意点的横纵坐标碳钢合金钢σψ0.10～0.20.2～0.3τψ0.05～0.100.1～0.15表中数值表明：平均应力对疲劳强度的影响，合金钢比碳钢大。由上式可得出：1012aσσψ−=+——脉动循环下的极限应力☆如果知道，应力比r，则可根据：AD直线的方程求出相应的maγγγσσσ=+1maγγγσσσ=+=−对于低塑性钢或铸铁，通常可以简化成如下图所示。直线AC，其方程为：11ambγγσσσσσ−−+=⋅=注：1）疲劳曲线的用途：在于根据γσ（已知N时）确定（求）条件疲劳极限Nγσ。2）maσσ−图的用途：在于根据1σ−确定非对称循环下的疲劳极限以计算安全系数。12第三节影响零件疲劳强度的主要因素前边提到的材料的疲劳极限都是用标准试件（或试验零件）通过疲劳试验测出的。就是说：前边讲的，Nγσ、（Nγτ）、γσ、0σ等，实际上都是标准试件（或试验零件）的疲劳性能指标。而实际中的各机械零件与标准试件，在形体，表面质量以及绝对尺寸等方面往往是有差异的。因此实际机械零件的疲劳强度与用试件测出的必然有所不同。影响零件疲劳强度的主要因素有以下三个：一、应力集中的影响零件几何形状突然变化的部位，会产生应力集中。局部应力大于名义应力。应力集中会加快疲劳裂纹的形成和扩展。从而导致疲劳强度下降。用疲劳缺口系数Kσ、Kτ（有的也称应力集中系数）计入应力集中的影响。（注：几种典型情况下的Kσ、Kτ，见教材或有关手册）当同一剖面上同时有几个应力集中源时，应采用其中最大的疲劳缺口系数进行计算。二、尺寸的影响其它条件相同时，零件的尺寸越大，在各种冷、热加工中出现缺陷，产生微观裂纹等疲劳源的可能性（机会）增大。从而使疲劳强度降低。用尺寸系数σε、τε，计入尺寸的影响。（注：钢件和铸件的σε、τε，见教材或有关手册），当缺少τε的数据时，可取τσεε≈。三、表面质量的影响表面质量：是指表面粗糙度及其表面强化的工艺效果。表面越光滑，疲劳强度可以提高。强化工艺（渗碳、表面淬火、表面滚压、喷丸等）可显著提高零件的疲劳强度。13用表面状态系数σβ、τβ计入表面质量的影响。（注：σβ、τβ的值见教材或有关手册），当缺乏τβ的数据时，可取τσββ≈。＊综合影响系数试验证明：应力集中、尺寸和表面质量都只对应力幅有影响，而对平均应力没有明显的影响。（即对静应力没影响）因此，在计算中，上述三个系数都只计在应力幅上，故可将三个系数组成一个综合影响系数：DKKσσσσβε=DKKττττβε=通常DKσ、DKτ的值>1，但有时也可能<1.零件的疲劳极限为：1111KDKDKKστσσττ−−−−==零件的工作应力幅：DaKaDaKaKKστσσττ=⋅=⋅aσ、aτ不考虑三个因素时的应力幅，而平均应力不变。第四节受稳定变应力零件的疲劳强度疲劳强度设计的主要内容之一是计算危险剖面处的安全系数，以判断零件的安全程度。安全条件是[]ss≥，本节主要介绍，稳定变应力下安全系数的计算。一、受单向应力时零件的安全系数零件的极限应力图：14由于DKσ、DKτ，只影响应力幅，所以，A、B两点的纵坐标上计入DKσ，得到零件的对称循环疲劳极限点A′和脉动循环疲劳极限点B′。而对GD线，由于是按静强度考虑的。而静强度不受DKσ的影响，所以GD线不必修正。因此，折线A′B′D′G即为零件的极限应力图。进行零件的疲劳设计（计算安全系数）时，应首先求出零件危险剖面上的mσ和aσ。据此，在极限应力图中标出一个点N（mσ，aσ），可称之为工作应力点。然后，在零件的极限应力线A′D′G上确定出相应的极限应力点，根据该极限应力点表示的极限应力和零件的工作应力计算零件的安全系数。设计中，应根据零件工作应力的可能增长规律确定极限应力点。典型的应力增长规律通常有三种：1.amCσσ=（常数）[即：r=常数]2.mCσ=（常数）3.minCσ=（常数）每种规律下，确定的极限应力各不相同，当然，安全系数也就不同。15＊（具体内容，见教材，由于时间关系不细讲了。）但是，设计中合用到零件的疲劳极限A′D′的方程。由A′（0，1DKσσ−）和B′（,22DKσσσσσ）不难建立A′D′的方程。为：''1DamKσγγσψσσσ−⋅+⋅=式中'mγσ、'aγσ——为A′D′上任意点的坐标。即零件的极限应力。可以看出：零件的疲劳极限图A′D′上各点表示的极限应力所对应的疲劳寿命是相等的。都等于0N，从给材料造成损伤的角度考虑。这可以理解为：A′D′上每个非对称循环极限应力与A′点表示的对称循环极限应力1DKσσ−是等效的。由此可以推论：任何一个非对称循环变应力（mσ，aσ）也都可以找到一个与之等效的对称循环变应力。该等效对称循环变应力的应力幅用aeσ表示，仿照上式可得：DaeamKσσψσσσ=⋅+⋅用上式，可以把一个零件受到的非对称循环变应力（mσ，aσ），在考虑DKσ的基础上，折算成一个等效的对称循环应力aeσ。通过这样的等效处理，可以把非对称循环疲劳问题转化为对称循环问题加以解决，使问题得到简化。第四章摩擦、磨损和润滑摩擦现象是自然界中普遍存在的物理现象。对于机器来讲，摩擦会使效率降低，温度升高，表面磨损。过渡的磨损会使机器丧失应有的精度，进而产生振动和噪音，缩短使用寿命。世界上使用的能源大约有1/3~1/2消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。另外，机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的，如果能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省制造零件及其所需材料的费用。润滑是减小摩擦、减小磨损、提高机械效率的最常用最有效的方法。关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学。本章主要介绍有关摩擦、磨损和润滑的一些基础知识。第一节摩擦一、摩擦的种类内摩擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。外摩擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。静摩擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。动摩擦：在相对运动进行中的摩擦。滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动。16滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动。滑动摩擦分为如下４种状态１.干摩擦：是指表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。２.边界摩擦：是指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。３．流体摩擦：是指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，且不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。４．混合摩擦：是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数比边界摩擦时要小得多。边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为混合摩擦（或边界摩擦）。二、摩擦的机理1．干摩擦：研究干摩擦的理论主要有以下几种：“机械理论”认为产生摩擦的原因是表面微凸体的相互阻碍作用；“分子理论”认为产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸力作用；“机械－分子理论”认为两种作用均有。2．流体摩擦（流体润滑）（在后续内容中讨论）。3．边界摩擦（边界润滑）边界摩擦靠边界膜起润滑作用，边界膜的类型如下：物理吸附膜吸附膜化学吸附膜反应膜润滑剂中的极性分子与金属表面相互吸引，形成定向排列的分子栅，称为物理吸附膜。润滑油靠物理吸附形成边界膜的能力，称为油性。润滑剂中的活性分子靠离子键吸附在金属表面上形成的吸附膜，称为化学吸附膜。在润滑剂中添加硫、磷、氯等元素，他们与金属表面发生化学反应生成的边界膜，称为反应膜。反应膜在高温下破裂后，能生成新的化合物，形成新的反应膜膜，这种能够能力称为极压性。能生成反应膜的润滑油称为极压油。第二节磨损磨损是运动副之间的摩擦导致的零件表面材料的逐渐丧失或迁移。磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使机器提前报废。单位时间（或单位行程、转等）材料的损失量，称为磨损率。耐磨性：是指材料抵抗脱落的能力。与磨损率成倒数关系。一、典型宏观磨损过程一个零件的磨损过程大致可分为以下三个阶段：1）磨合阶段磨合（跑合）：是指新的零件在运转初期的磨损，磨损率较高。新的摩擦副表面比较粗糙，真实微观接触面积比较小，压强大，因此运转初期的磨损比较快。但是，磨损以后表面的微观凸峰降低，接触面积增大，压强减小，磨损的速度逐渐减慢。边界膜分为172）稳定磨损阶段属于零件正常工作阶段，磨损率稳定且较低。这一阶段的长短直接影响机器的寿命。3）剧烈磨损阶段零件经长时间工作磨损以后，表面精度下降，表面形状和尺寸有较大的改变，破坏了原有的间隙和润滑性质，使效率降低，温度升高，冲击振动加大，导致磨损加剧，最终导致零件报废。二、磨损的类型按磨损的机理不同，机械零件的磨损大体分为四种基本类型：1．粘着磨损也称胶合，当摩擦表面的微观凸峰在相互作用的各点处由于瞬时的温升和压力而粘在一起后，相对运动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘着磨损。2．疲劳磨损也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变接触应力和摩擦力的作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的磨损。3．磨粒磨损也称磨料磨损，是外部进入摩擦表面的游离硬颗粒或硬的轮廓峰尖所引起的磨损。4．腐蚀磨损当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀，在摩擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损。三、减小磨损的主要方法（1）润滑是减小摩擦、减小磨损的最有效的方法。合理选择润滑剂及添加剂，适当选用高粘度的润滑油、在润滑油中使用极压添加剂或采用固体润滑剂，可以提高耐疲劳磨损的能力。(2)合理选择摩擦副材料由于相同金属比异种金属、单相金属比多相金属粘着倾向大，脆性材料比塑性材料抗粘着能力高，所以选择异种金属、多相金属、脆性材料有利于提高抗粘着磨损的能力。采用硬度高和韧性好的材料有益于抵抗磨粒磨损、疲劳磨损和摩擦化学磨损。提高表面的光洁程度，使表面尽量光滑，同样可以提高耐疲劳磨损的能力。（3）进行表面处理对摩擦表面进行热处理（表面淬火等）、化学处理（表面渗碳、氮化等）、喷涂、镀层等也可提高摩擦表面的耐磨性。（4）注意控制摩擦副的工作条件对于一定硬度的金属材料，其磨损量随着压强的增大而增加，因此设计时一定要控制最大许用压强。另外，表面温度过高易使油膜破坏，发生粘着，还易加速摩擦化学磨损的进程，所以应限制摩擦表面的温升。第三节润滑润滑――是指在作相对运动的两个摩擦表面之间加入润滑剂，以减小摩擦和磨损。此外，润滑还可起到散热降温，防锈防尘，缓冲吸振等作用。一、润滑的分类1．流体动力润滑依靠两摩擦表面的相对运动把润滑油带入两表面之间，自行产生足够的压力，建立压力油膜（称为动压油膜），靠油膜的压力把两表面分开，实现流体润滑。2．流体静力润滑两摩擦表面被外部供油装备输入的压力油完全分开，强迫形成承载油膜，实现流体润滑。3．弹性流体动力润滑主要是指在理论上为点、线接触的条件下，考虑流体动力效应、润滑油的粘－压特性以及接触体的弹性变形的基础上建立的流体动压润滑。4．边界润滑和混合润滑（见前述边界摩擦和混合摩擦）。二、润滑剂1．润滑油：动植物油、矿物油、合成油。粘度是润滑油的主要质量指标，粘度值越高，油越稠，反之越稀；粘度的种类有很多，如：动力粘度、运动粘度、条件粘度等。181）动力粘度用η表示。动力粘度的单位是：Pa.s（帕.秒）2）运动粘度γ即动力粘度η与同温度下该流体密度ρ的比值。ρηγ=工程中常用运动粘度，单位是：St(斯)或cSt(厘斯)，量纲为(m2/s)；润滑油的牌号与运动粘度有一定的对应关系，如：牌号为L-AN10的油在40℃时的运动粘度大约为10cSt。润滑油粘度与温度和压力的关系a）粘度与温度的关系：润滑油的粘度一般随温度的升高而降低（图3-10，）b）粘度与压力的关系：润滑油的粘度会随压力的增加而增大，在高压时尤为显著。但在一般润滑情况下，压力对润滑油的粘度影响不大，可以忽略。当压力增加到5MPa以上时(例如弹性流体动力润滑条件下)，影响不宜忽略。2．润滑脂：由润滑油+稠化剂混合而成。润滑脂的主要质量指标是：锥入度，反映其稠度大小。滴点，决定工作温度。3．固体润滑剂：石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。4．气体润滑剂：空气、氮气、二氧化碳等气体和固体润滑剂主要在一些特殊的场合下应用。三、添加剂为了提高油的品质和性能，常在润滑油或润滑脂中加入一些分量虽小但对润滑剂性能改善其巨大作用的物质，这些物质叫添加剂。添加剂的作用：提高油性、极压性，延长使用寿命，改善物理性能添加剂的种类油性添加剂油性添加剂极压添加剂分散净化剂消泡添加剂抗氧化添加剂降凝剂增粘剂19第四节流体动力润滑的基本原理一、流体动力润滑基本方程（雷诺方程）的建立建立流体动力平衡方程时，作如下假设：◆流体为牛顿流体◆流体的流动是层流，即层与层之间没有物质和能量的交换；◆忽略压力对流体粘度的影响◆略去惯性力及重力的影响◆流体不可压缩◆流体中的压力在各流体层之间保持为常数在以上假设下，从两平板所构成的楔形空间中，取某一层液体的一部分作为单元体，通过建立平衡方程和给定边界条件，可得一维雷诺方程：二、形成流体动力润滑的条件由一维雷诺方程分析可知，形成流体动力润滑的必要条件是：1）相对运动的两表面间构成楔形间隙。2）楔形间隙中充满具有粘性的液体。3）两板相对运动带着液体由楔形间隙的大端流向楔形间隙的小端。（举例：滑水运动。）)(603hhhvxp−=∂∂η20第六章螺纹联接由于使用、结构、制造、装配、运输等原因，机器中有相当多的零件需要彼此联接。联接分为：⎩⎨⎧—运动副。—形式做相互运动的动联接：能按一定运动运动。相互固定，不能做相互静联接：被联接件之间本课程所讲“联接”通常主要是指“静联接”。联接的类型：⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧往失效。结构是粘接的。热时往—如飞机机翼的蜂窝状—粘接——焊接劳强度。于提高疲就停止扩展，所以有利—裂纹遇到铆钉孔后，—铆接不可拆联接—介于两者之间—过盈联接轮毂联接）弹性环联接等（常用与用与轮毂联接）键、花键、销联接（常螺纹联接可拆联接可拆联接：是指联接拆开时，不破坏联接中的零件。重新安装后，可以继续使用。不可拆联接：是指拆开时，要破坏联接中的零件，不能继续使用的联接。本章主要讨论螺纹联接的构造，计算和设计。第一节螺纹一、螺纹的主要参数（在制图课中已讲过，这里不细讲）螺纹分为⎩⎨⎧内螺纹外螺纹分为⎩⎨⎧圆锥螺纹圆柱螺纹等主要参数有：⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧==22211tg10n.9nPSS.8P.7h.6.5.4dD.3dD.2dD.1dnPπψ螺纹升角ψ螺纹头数导程螺距—接触面的径向高度—工作高度牙型斜角β牙型角α。是理想直径。—其上牙厚＝牙间宽度—）（或中经—作为危险截面的直径—）（或小经—作为公称直径—）（或大经21二、常用的螺纹按用途不同分为⎩⎨⎧高传动螺纹：要求效率好联接螺纹；要求自锁性η按牙型不同分为：注：目前：除了矩形螺纹尚无标准以外，其它三种均已标准化。使用时，可查阅标准。第二节螺纹联接一、主要联接形式（对照教材上的表讲解）实现螺纹联接，通常有两种方式：①在被联接件上直接做出，内、外螺纹，把两个被联接件直接拧在一起。②是利用具有，内、外螺纹的辅助零件（螺纹紧固件）来实现。对于第二种方式，根据辅助零件的不同可以分为四种基本类型：对照教材讲(⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧紧固螺钉联接：螺钉联接：用见教材）它们的结构、特点、应双头螺柱：栓）铰制孔用螺栓（受剪螺螺栓）—工作中只受拉（受拉—普通螺栓螺栓联接注意：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧寸到商店买即可。对使用者，选好规格尺标准制造。，有专门的厂家按国家螺纹紧固件都是标准件各形式的应用场合。区别。（结构和受载）注意：两种“螺栓”的适）求会选用。（选的要合掌握：结构、特点、要.4.3.2.1二、螺纹联接的拧紧拧紧的目的：⎩⎨⎧提高螺栓的疲劳强度。增强联接的刚性，还可防松，保证紧密性.2.1根据装配时是否拧紧分为⎩⎨⎧紧，不收力。—工作之前安装时不拧—松螺栓联接：紧，各零件就已受力。—工作之前安装时就拧—紧螺栓联接：多数情况下，螺纹联接在装配时需要拧紧，称为“预紧”。预紧使联接中的零件受到的力，称为“预紧力”。预紧力的大小会影响联接的可靠性，强度和密封性。所以对重要的联接应控制预紧力。预紧力的控制通常是通过控制拧紧时所施加的拧紧力矩来实现的。牙型斜角β自锁性效率加工强度普通螺纹30°易低易高矩形螺纹0°不易高不易低梯形螺纹15°较易较高较易较高矩齿形螺纹3°不易较高较易较高22拧紧螺母时，需要克服的摩擦阻力矩由两部分组成：⎩⎨⎧21TT支撑面的摩擦阻力矩螺纹副上的摩擦阻力矩（见教材计算公式）经推导分析得拧紧力矩T=21TT+即T＝.d.FK't式中：'F——螺栓所受预紧力d——螺栓的直径tK——拧紧力矩系数。tK≈0.2控制拧紧力矩的常用方法是用测力矩扳手，定力矩扳手来实现。见教材上的图。例如：汽车的生产流水线，用风洞的或电动的定力矩扳手拧紧螺栓。所施加的力矩是一个定值。控制预紧力的更精确的方法：通过测量拧紧时螺栓的伸长量来控制'F。由于摩擦系数不稳定，和加在扳手上的力难于准确控制。对于直径较小的螺栓，有时可能会被拧断。所以，对于重要的联接，不宜采用小于M12~M16的螺栓。三螺纹联接的防松（防松的本质是弦之螺纹副的相对转动）螺纹联接虽然在设计上都是满足自锁条件的，但在实际中，由于会遇到冲击、振动，温度变化等因素的影响，使联接也可能出现松动现象。导致机器不能正常工作，甚至发生严重事故。所以设计时，应考虑到防宋的问题。以保证连接安全可靠。通常采用的防松措施很多（见教材上的表，对照表讲解）。按工作原理分为⎪⎩⎪⎨⎧永久止动机械防松—增大摩擦力—摩擦防松注：前述内容比较零散，但是都不可缺少。（要求最起码记住几种常用的防松方法）第三节单个螺栓联接的受力分析和强度计算单个螺栓联接的强度计算是螺栓联接强度计算的基础。螺栓、螺柱、螺钉联接的强度计算基本相同，本节以螺栓联接为代表，分析螺纹连接的强度计算问题。就单个螺栓联接而言，工作中所受的载荷（力）有两种基本形式：⎪⎩⎪⎨⎧⎩⎨⎧←也可用普通螺栓可用受剪螺栓向—垂直螺栓杆轴线的方—受横向力：用普通螺栓力—沿螺栓杆轴线方向的—受轴向力：下边就按螺栓受力方向不同，分别讨论强度计算方法。一受剪螺栓（铰制孔螺栓）强度计算（通常可认为不拧紧，不受预紧力）如图所示：工作中螺栓受横向力sF的作用。螺栓联接的可能失效形式为：⎩⎨⎧螺栓杆或孔壁压溃螺栓杆的剪断23复习：两表面接触受压⎪⎩⎪⎨⎧挤压强度—低副：是σ接触应力—高副：是σpH因此，针对这两种可能的失效进行剪切强度和挤压强度计算。1.螺栓杆的剪切强度（安全）条件为：τ＝[]τπ≤=mdFAmFsss24式中：m——螺栓受剪面数（如前面图为m＝2）sd——螺栓杆受剪面直径［τ］——螺栓材料的许用切应力见表5-92.螺栓杆或孔壁的挤压强度（安全）条件[]psSphdFσσ≤=式中：h——计算对象的受压高度［pσ］——计算对象的材料许用挤压应力见表5-9注意：①计算对象可能是螺栓，也可能是两个被联件之中的一个。②考虑到各零件的材料和受压高度不同，应取[]phσ⋅乘积最小者为计算对象。二.受拉螺栓（普通螺栓）的强度计算受拉螺栓⎩⎨⎧—螺杆部分的疲劳断裂—受变载荷时，失效为：性变形或断裂—螺杆有螺纹部分的塑—受静载荷时，失效为：受拉螺栓的强度计算主要是：确定或验算螺纹危险剖面的尺寸，以保证螺栓杆不破环（即不失效）。至于螺栓的其他部分（如：螺纹牙、螺栓头）以及螺母、垫圈的结构尺寸，是根据等强度条件以及适用经验来设计的。［等强度－—就是说：在一个螺栓联接中，如果具有螺纹的螺杆处不被破坏。那其它部分也不会破坏］。所以，除了螺杆以外的其他部分一般无需进行强度计算，可根据螺栓的公称直径从有关标准查取。受拉螺栓工作中又可分为：⎩⎨⎧紧螺栓联接：预紧松螺栓联接：不预紧（一）松螺栓联接的强度计算装配时，不拧紧，不受预紧力。工作中只承受轴向工作拉力F，例如起重吊钩或滑轮。拉伸强度安全条件：[]σπσ≤=214dF→[]σπFd41≥（按计算值去选标准的螺纹直径）式中：1d——螺纹的小径［σ］—螺栓的许用应力F——所受的轴向拉力24（二）紧螺栓联接1.只承受预紧力的紧螺栓联接例如：工作中只承受横向力sF。靠结合面间的摩擦力承受sF。摩擦力是由预紧力'F产生的。安装时已经“预紧”，在工作中螺栓也只受'F的作用。除此之外，再拧紧或松开螺栓的瞬间，螺栓还会受到我们施加的螺纹力矩1T的作用。此时，螺栓杆处于拉、扭复合应力状态。由'F产生拉应力214dFπσ=另外，经过推导计算知道：对于M10～M68的普通螺纹，拧紧螺纹时，有螺纹力矩1T产生的扭切应力：τ＝0.5σ（214dFπσ=）按照第四强度理论：可计算当量应力：eσσσστσσ3.1)5.0(332222≈×+=+=e则强度（安全）条件为：[]σπσσ≤==4/3.13.121'dFe式中：［σ］——螺栓的许用应力2.受预紧力和轴向工作载荷的螺栓联接安装时预紧，已经受到了'F，工作中又受到工作拉力F，例如；气缸盖上的螺栓即属此类：这种形式在实际中最常见。虽然螺栓同时受到'F和F的作用，但是，螺栓实际受到的总拉力≠0F'F＋F。这是为什麽？下边就带着这个问题，分析它的受力情况。用三个图表示螺栓预紧后又受F的过程：(a)图是螺母没预紧，各件没受任何力的状态。(b)图是预紧后的状态。螺栓受预紧拉力'F，相应伸长量为bδ。同时，被联接件受到预紧压力'F,相应的压缩变形量为mδ。（c）图是在预紧的状态下，又受到了工作拉力F。虽然，螺栓所受总拉力增大了，相应的拉伸变形量也要增大。假设伸长变形的增加量为：△δ。此时，螺栓总变形量为：（bδ＋△δ），此时螺栓的总拉力用0F表示。25同时，随螺栓的伸长，被联接件的压缩变形量会相应减小。减小量虽然就等于螺栓拉伸变形的增加量△δ。此时，被联接件总的压缩变形量为：（mδ－△δ）。相应受到的压力用"F——称之为“剩余预紧力”。单独分析一个被联接件的受力情况：由于实际中，工作拉力F总是直接作用在被联接件上（如气缸盖）。通过被联接件在作用在螺栓上。虽然被联接件上的三个力F、"F和0F处于平衡状态。所以得：0F＝"F＋F①即：螺栓的总拉力＝剩余预紧力与工作拉力之和。（又由于："F<'F，所以0F＝"F＋F<'F＋F）下边用载荷变形图分析各力之间的关系：⎩⎨⎧表示被联接件刚度用表示螺栓刚度用mbCC在预紧状态下；只受'F。⎪⎩⎪⎨⎧==mm'bb'CFCFδδ对被联件：对螺栓：给出载荷变形图如右图示：把两个图合并为一个图为：当受到F作用时，螺栓拉力由'F→增加为0F，变形量为（bδ＋△δ）；被联件变形量为：（mδ－△δ），所受压力为："F。右图可以看出：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧++=++=　　　　　　③　　　　　　②FCCCFFFCCCFFmbmmbb"''0式中：mbbCCC+——为螺栓的相对刚度系数。其值与螺栓、被联件的材料、结构、尺寸、以及等因素有关。可通过计算或实验求出。（见教材P76表5-4）联接的设计应保证：被联件的结合面不出现间隙。因此应保证："F>0。通常是根据F的性质不同，按经验公式确定"F。26（可以见教材）⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===工作压力）的剩余压力大于容器的（应保证结合面压力容器的紧密联接：有变化时：取当无变化时：取当)F8.1~5.1(F)F0.1~6.0(FF)F6.0~2.0(FF"":"问题：如果由FCCCFFmBm+−='"计算的"F为负值，说明神麽哪？（答：说明结合面出现了间隙。）设计时，再确定F后，即可按上述经验式选择"F，然后由0F＝"F＋F求0F，由上述③式可求出保证"F所需的'F。根据，0F计算螺栓的强度，确定螺栓的直径。在0F作用下产生拉应力2104dFπσ=有考虑到特殊情况下，可能需要补充拧紧，拧紧时，相应的螺纹力矩回引起扭切应力τ。参照只受预紧力时，eσ的计算。得到：①（静载下）强度条件为：[]σπ≤×2103.14d