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机械设计第三章.pptx

机械设计第三章

孟子73代
2019-03-27 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《机械设计第三章pptx》,可适用于高等教育领域

第章机器零件技术性能设计基础 机械零件技术性能设计概述机械零件技术性能是指零件在工作过程中的性质和能力,包括强度、刚度、耐磨性、温度、材料等对工作能力的影响以及工艺性、振动稳定性和可靠性等方面的问题。 机械零件的失效与设计准则机械零件在规定的寿命期内和工作条件下不能完成规定的功能,称为失效。零件失效不一定损坏,如轴过大的弹性变形而不能正常工作。零件常见的失效有各种破坏和塑性变形、表面过度磨损等。 载荷与应力载荷类型零件在载荷作用下其内部材料具有相应的应力和应变,而且随零件结构、工作环境、载荷大小变化而变化。载荷按其随时间的变化关系分为静载荷和变载荷如图所示。图 载荷类型a)静载荷 b)变载荷应力类型()静应力和变应力 应力按其随时间的变化关系同样分为静应力和变应力。应力的大小和方向不随时间变化的应力称为静应力。大小、方向随时间变化的应力称为变应力。变应力可以由变载荷产生,也可以由静载荷产生。应力特征由五个参量进行描述:平均应力,应力幅应力比sigmamax=sigmamsigmaasigmamin=sigmamsigmaa最大应力最小应力这五个应力特征参数仅有两个是独立参量。因此,其中任意两个参数即可准确描述一个循环应力。()名义应力和计算应力机器正常工作时零件所受的载荷为实际载荷。机械零件工作时受到机器动力参数不稳定、载荷分布不均匀等多种实际因素影响,致使零件的实际载荷难以准确计算,即零件的实际载荷与名义载荷存在一定的差异。为此,工程中常引入载荷系数对名义载荷进行修正,修正以后的载荷称为计算载荷。其表达式为Fca=KF式中 Fcamdashmdash计算载荷Kmdashmdash载荷系数Fmdashmdash名义载荷。 机械零件的失效形式强度失效()静强度失效 零件静强度失效表现为零件在静应力作用下出现的整体断裂、整体塑性变形或表面塑性变形。零件因危险截面上的静应力大于零件的强度极限而引起的断裂称为整体断裂,如螺栓及轴的过载折断等。零件整体塑性变形指塑性材料制成的零件承受的应力超过材料屈服极限时,零件发生永久性的变形。表面塑性变形多因表面挤压应力过大而使零件工作表面产生过大的塑性变形(对塑性材料)或压碎破坏(对脆性材料)。()疲劳强度失效 零件疲劳强度失效分为整体疲劳强度失效和接触疲劳强度失效,表现为零件在疲劳应力作用下出现的整体疲劳断裂或疲劳点蚀等。零件整体疲劳断裂为危险截面上的变应力小于零件极限应力的情况下多次循环作用而引起的断裂,如齿轮轮齿的疲劳折断等。接触疲劳点蚀是在交变接触应力循环作用下,零件表层材料产生初始疲劳裂纹、裂纹不断扩展,直至剥落,使零件表面形成麻点或凹坑,简称点蚀。零件接触表面初始裂纹的发生受材料存在的微裂纹、杂质等缺陷影响。点蚀的形成会减少零件的有效工作面积,从而降低零件传递载荷的能力。此外,由于表面被破坏,零件失去正确的形状,工作时将引起振动和噪声。疲劳点蚀是闭式传动齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式。刚度失效机械零件刚度失效体现在过大的弹性变形。零件受载荷作用产生弹性变形量超过许可范围时,零件或机器便不能正常工作而发生失效。弹性变形量过大会破坏零件间相互位置及配合关系,有时还会引起附加动载荷及振动。表面损伤失效零件的表面损伤失效分为磨损、胶合与腐蚀等形式,将降低表面精度或改变表面尺寸和形状,影响零件正常工作性能摩擦增大,甚至会使零件完全不能工作。机械零件表面因产生损伤而失去工作能力是工作表面上的一种失效。磨损是两个接触表面相对运动过程中,因摩擦而引起零件表面材料丧失或转移的现象。胶合是因摩擦瞬时温度过高而产生工作表面局部粘焊的现象,又因相对运动导致材料的转移。胶合常发生在高速重载工况下润滑不良的零件上。腐蚀是金属表面发生的电化学或化学侵蚀现象。腐蚀的结果会使金属表面产生锈蚀,从而使零件表面遭到破坏。功能失效零件功能失效是由于正常工作条件丧失而失去工作能力的一种失效形式。如V带传动,当传递的负载圆周力大于摩擦力的极限值时将会发生打滑失效高速运动零件的激振频率与系统固有频率相等或接近时会发生共振而失效等。 机械零件的设计准则强度准则强度是机械零件抵抗整体断裂、塑性变形和表面接触疲劳的能力。零件的强度准则有两种判断方式:应力准则和安全系数准则。应力准则是零件在载荷作用下其危险截面或工作表面的工作应力sigma不超过零件的许用应力sigma。工作应力与许用应力可分别对应于静应力和疲劳应力。强度准则的一般表达式为sigmalesigma安全系数准则是零件工作时的计算安全系数Sca不小于许用安全系数S,即ScageS刚度准则刚度是零件受载后抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不够,就会因为过大的弹性变形而引起失效。为了保证零件具有足够的刚度,设计时应使零件在载荷作用下产生的变形量y(广义地代表任何形式的弹性变形量)小于或等于机器工作性能所能允许的极限值y(许用变形量),即yley式中 ymdashmdash弹性变形量,可由各种求变形量的理论或试验方法确定ymdashmdash许用变形量,即机器工作性能所允许的极限值,应视不同的工作情况,由理论或经验确定其合理的数值。 机械零件的强度设计机械零件的强度可分为整体强度和表面强度。整体强度包括静强度和疲劳强度而表面强度包含表面挤压强度和表面接触疲劳强度。 材料的疲劳特性材料的疲劳现象疲劳破坏常见形式有疲劳点蚀和疲劳断裂。材料疲劳破坏的特征是:材料承受的应力为变应力,且最大工作应力小于或远小于极限应力应力是长时间的反复作用疲劳断裂宏观上具有突发性。材料的疲劳曲线在应力循环特性r一定时,材料循环N次不发生破坏的最大应力称为材料的疲劳极限,用sigmarN表示。应力循环特性r不同,材料的疲劳极限和循环次数之间的关系不同。图 材料疲劳曲线材料疲劳曲线(sigmaN曲线),如图所示。等寿命疲劳曲线(极限应力线图)如图图 等寿命疲劳曲线(极限应力线图)为方便计算应用,常用直线段来代替图所示的疲劳极限曲线(等寿命曲线),如图所示。点A#(,sigma)为对称循环极限应力点,点D#(sigma,sigma)为脉动循环极限应力点,点C(ReH,)为屈服极限应力点,考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限,由C点作deg(与sigmam轴)斜线,与A#D#的延长线交于G#,得到折线A#D#G#C,用折线A#D#G#C近似代替图所示的疲劳极限曲线,线上各点的横坐标为极限平均应力sigma#m,线上各点的纵坐标为极限平均应力幅sigma#a。A#G#上各点:sigma#max=sigmalim=sigma#msigma#a,如sigmamaxsigma#max则不会发生疲劳破坏G#C上各点:sigma#lim=sigma#msigma#a=ReH(屈服极限),如sigmamaxReH则不会发生屈服破坏。A#G#线称为疲劳强度极限线,G#C线称为屈服强度极限线。图 材料的等寿命疲劳曲线非稳定变应力下的材料疲劳强度理论材料在Z级变应力sigma,sigma,hellip,sigmaZ作用下,每一级应力对材料均有疲劳损伤。材料的疲劳损伤累积到一定程度,达到疲劳寿命极限时便发生疲劳断裂。若各级变应力sigma,sigma,hellip,sigmaZ的循环次数分别为n,n,hellip,nZ,发生疲劳破坏时的极限循环次数分别为N,N,hellip,NZ,则每一级应力对材料的损伤率分别为nN,nN,hellip,nZNZ。材料达到疲劳寿命极限时,理论上(不考虑应力作用次序等因素对损伤程度的影响)总损伤率为,即或()材料所承受的各级应力的作用次序影响其实际损伤程度。当各应力按从大到小的次序作用于零件时,材料达到疲劳破坏时的总损伤率小于,即式()左边小于反之,当各应力按从小到大的次序作用于零件时,材料总损伤率大于,即式()左边大于。 机械零件的静强度设计机械零件的静强度是指承受静应力、并按静强度设计准则进行设计计算与度量。静强度准则常采用应力和安全系数两种表达式。前者给出了零件是否满足强度要求后者则给出了零件的安全程度。零件的可靠性和安全性要求高的场所常采用安全系数法进行设计计算。若应力循环次数N小于,零件也常近似按静强度计算。静强度准则的应力表达形式是工作应力小于其许用应力,其一般表达式为其中,sigma和t分别为零件危险截面的工作拉应力和剪应力S为静应力下的安全系数sigmalim、tlim分别为静应力下零件材料的拉伸和剪切强度极限或屈服极限。机械零件静强度设计的安全系数法是危险截面处的计算安全系数Ssigmaca、Stca大于或等于许用安全系数S,即安全系数的选取是零件静强度计算合理性的关键因素之一。影响安全系数的因素主要有:载荷确定的准确性、材料性能数据的可靠性、零件的重要性和计算方法的合理性等。安全系数过大会使零件过于笨重其值取得过小又不安全。合理的选择原则是根据零件实际工作背景和需求在保证安全可靠的前提下,尽可能减小安全系数。 机械零件整体疲劳强度设计详见书P机械零件疲劳强度的影响因素主要有应力集中、尺寸、表面状况及表面强化等。()应力集中影响 零件几何形状突变处(如孔、圆角、键槽、螺纹),局部应力要远大于名义应力,这种现象称为应力集中。其对疲劳强度的降低程度用有效应力集中系数ksigma进行修正,见表、表。()尺寸影响 其他条件相同时,零件截面绝对尺寸越大,其疲劳强度也越低。这是由于零件尺寸大,材料的晶粒粗,出现缺陷的概率大且机械加工后表面冷作硬化层相对薄弱,降低了零件的疲劳强度。这种影响用零件的尺寸系数epsilonsigma进行修正,见表。()表面状况影响 零件表面加工状况、表面腐蚀状况和表面强化状况对零件的疲劳强度均有影响。如其他条件相同时,零件表面越粗糙,其疲劳强度也越低。这种影响用零件的表面质量系数betasigma进行修正,见表。()零件表面强化 零件表面的强化处理,如表面化学热处理、表面高频感应淬火、表面硬化加工等,均可不同程度地提高零件的疲劳强度。提高机械零件疲劳寿命的措施:提高零件整体疲劳强度主要从结构和工艺两方面入手。零件结构形状的改进对提高零件整体疲劳强度有非常重要的作用。提高零件疲劳强度和寿命的常见措施有以下几方面。)零件形状的缓慢改变与圆滑过渡,减小应力集中。零件结构形状必须改变之处采用缓慢改变与圆滑过渡,避免截面尺寸突然变化或变化尽可能小而圆滑过渡,是减少应力集中的有效措施,在交变应力下尤为重要。)卸载结构设计。在必须出现结构变化之处,为了减少应力集中幅度,在附近设计出卸载结构,减少或ldquo转移rdquo应力集中幅度。如在应力较小处设计出孔洞或缺口以减小同一截面上的主要应力集中源处的应力尖峰(图),或以切口减缓主要应力集中源处的应力流变化(图)。)减少集中载荷,在承载面上尽可能使载荷均匀分布,避免产生集中载荷,如改变零件上可能受到集中载荷的部分形状,以便其余部分共同承担载荷,如齿轮修形。图 轴上开卸载槽图 轮毂上开卸载槽 机械零件的表面强度设计图 几种曲面的接触情况图 齿轮啮合外接触图 齿轮啮合内接触图 滚动轴承滚子与滚道接触机器中零件之间是通过零件的接触来实现力传递的。组件中固定连接由相同表面接触,而运动副都是异形曲面相接触,即线接触(图a、b)和点接触(图c、d)。渐开线直齿圆柱齿轮齿面间的接触为线接触:其中外啮合时为外接触,内啮合时为内接触。凸轮机构中,从动件与凸轮工作面之间存在着点接触或线接触。滚动轴承中,钢球与套圈的接触为点接触,如图、图和图所示。接触应力线接触的接触应力计算公式mdashmdash赫兹公式。式中 Fmdashmdash作用于接触面上的总压力Lmdashmdash初始接触线长度rho、rhomdashmdash零件和初始接触处的曲率半径mu、mumdashmdash零件、材料的泊松比E、Emdashmdash零件、材料的弹性模量。接触疲劳强度零件表面在接触循环应力作用下的强度称为表面接触疲劳强度。接触疲劳强度不足会出现疲劳点蚀。判断金属表面接触疲劳强度的指标是接触疲劳极限sigmaHlim,即在规定的应力循环次数下材料不发生点蚀现象时的极限应力。表面接触疲劳强度的计算准则为式中sigmaHmdashmdash许用接触应力,sigmaH=sigmaHlimSHsigmaHlimmdashmdash极限接触应力SHmdashmdash安全系数。作用在两零件上的接触应力具有大小相等、方向相反、左右对称及稍离接触区中线即迅速降低等特点。由于接触应力是局部性的应力,且应力的增长与载荷F并非线性关系,而要缓慢得多,故安全系数SH可取等于或稍大于。对于闭式齿轮传动,进行齿面接触疲劳强度计算,表面未强化时SH=~表面强化时SH=~。由赫兹公式及强度准则可知,提高表面接触强度的主要措施有:)增大接触表面的综合曲率半径,以减小接触应力,如将标准齿轮传动改为正传动。)外接触改为内接触。)点接触改为线接触,如用圆柱滚子轴承代替球轴承。)提高零件表面硬度,如采用表面强化处理。)在一定范围内提高接触表面的加工质量,增加实际接触面积,从而减小接触应力。)采用黏度较高的润滑油,既能降低渗入裂纹的能力,又能在接触区形成较厚的油膜,延缓裂纹扩展。表面挤压强度通过局部配合面间的接触来传递载荷的零件,在接触面上的压应力称为挤压应力。挤压应力超过其极限应力时,接触面将产生ldquo压溃rdquo失效。塑性材料将产生表面塑性变形,脆性材料将产生表面破坏。挤压应力分布比较复杂,常采用简化的方法计算,即假设挤压应力在接触面上呈均匀分布。这种简化某些条件的计算方法称为条件性计算。挤压强度的计算公式为式中 sigmapmdashmdash挤压应力sigmapmdashmdash许用挤压应力Amdashmdash接触面积或曲面接触时的投影面积。当各零件的材料和接触面积均不相同时,应分别计算其挤压强度。 机械零件强度设计实例【例】 某风电机组零件材料为钢并经过调质处理,其相关参数:sigma=MPa,N=times,m=。现进行疲劳试验,以对称循环变应力sigma=MPa作用次,sigma=MPa作用次。试计算该零件在此条件下的计算安全系数。在此基础上若再以sigma=MPa作用于该零件,还能再循环多少次才会使零件破坏【解】 机械零件的刚度设计机械零件的刚度是指该零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。由单位外力或外力矩的作用产生的变形,称为柔度。机械零件刚度是基本技术性能之一,它影响机器工作时能否达到预定使用的要求。根据零件所受载荷性质的不同,又分为静力刚度、动力刚度和热刚度。零件在静态力作用下表现的刚性称为静力刚度,简称静刚度零件在动态力作用下表现的刚性称为动力刚度,简称动刚度而在温度场作用下体现的刚度,称为热刚度。进行机械设计时,除了满足强度要求外,还应满足刚度要求,其原因有以下几方面。)如果某些零件刚度不足,将影响机器正常工作。例如,轴的弯曲刚度不足时,轴颈将在轴承中倾斜,使两者接触不良。)加工零件时,若被加工零件或机床零件(如主轴、刀架等)的刚度不足,则由于被加工零件或机床零件的变形,会引起制造误差,影响零件的加工精度。此外,被加工零件的刚度,还是决定进给量和切削速度的重要因素,对生产率产生直接的影响。)刚度有时是决定零件承载能力的重要条件。例如,受压的长杆、压力容器等,其承载能力,主要取决于它们对变形的稳定性。要想提高这类零件的承载能力,一般都要从提高其刚度入手。)对于弹簧一类的弹性零件,其设计的出发点就是要在一定的载荷作用下,产生一定的弹性变形(压缩或伸长量等),因此,满足刚度要求是这类零件设计的基本前提。)刚度还会影响零件的固有频率,对零件的动态性能有较大的影响。 静刚度设计静刚度条件主要是限定机械零件的弹性变形量不大于许用变形量。零件的变形量有伸长量、挠度、偏转角、扭转角等。影响刚度的因素及其改进措施主要有以下几方面。()材料对零件刚度的影响 材料的弹性模量越大,零件的刚度越大。由于同类金属的弹性模量相差不大,因此,以价格昂贵的高强度合金钢代替普通碳钢来提高零件的刚度是不经济的。()结构对刚度的影响 当剖面面积相同时,中空剖面比实心剖面的惯性矩大,故零件的弯曲刚度和扭转刚度也较大。此外,采用加强肋的方式也可以提高零件的刚度。支承方式对零件的刚度也有较大的影响。减小支点距离,尽量避免采用悬挂结构,或尽量减小悬臂长度,均有利于提高零件的刚度。()预紧装配对接触刚度的影响 接触刚度是指接触表面层在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。接触刚度随载荷的增大而增大,故采用预紧工艺可提高零件的接触刚度。 动刚度设计机器在工作时,不仅受到静态力的作用,同时受到运动零件的惯性力,支承件(轴承)或传动件工作过程中的再生颤振等引起的动态力的作用,使机器及零部件产生振动。当机器工作时产生的振幅超出了允许的范围时,将导致机器工作性质的恶化,加速零部件的磨损,降低生产率,严重时将使整个系统不能正常工作。当机器受动载荷作用时,其动态位移不仅与动载荷特性密切相关,还与静刚度、质量、阻尼相关。通常用动刚度的概念来描述系统抗动位移的能力。对于单自由度线性系统而言,其抗简谐激励的动刚度幅值可以定义为式中 KDmdashmdash动刚度Kmdashmdash静刚度Mmdashmdash质量Cmdashmdash阻尼系数omegamdashmdash激励频率。显而易见,动刚度是频率的函数。当共振发生时,KMomegaasymp,动刚度最小。系统对简谐激励的抵抗能力最低。稳态振幅A、简谐力幅值F及动刚度存在下面简单关系系统响应除与动载荷有直接关系外,还与动刚度有关。动刚度越大,表明机械零件在动态力作用下的振幅越小反之,动刚度越小,则振幅越大。 热刚度设计热变形对精密、高精密机床和大型机床的影响很大,由热变形引起的加工误差占~。对于精密和超精密的加工来说,解决机床热变形的影响是一个永恒的课题。减少和稳定机械零件热变形的主要措施有:)改善零件结构设计,如采用热对称结构,采用热膨胀系数小的材料,使机械零件结构热稳定性好。)减少或均衡零件内部热源,如设置人工热源、采用热管技术、把某些热源从机器内部移出去等。)控制温升,如强制冷却,或采取隔热措施,改善散热条件以及控制环境温度等。)改变机器结构中各装配约束状态,使热位移控制在非敏感方向。)采用热位移补偿和控制技术。 机械零件的摩擦学设计在给定分析对象的有关数据时,通常有以下五种数据:①几何参数②表面粗糙度③工况条件(如载荷、速度和温度范围等)④润滑剂特性⑤材料特性等。给定分析对象后,摩擦学性能由下列个参数表征:①油膜厚度H②接触压力P③摩擦力F④接触温度T。 摩擦摩擦分为两类:一是发生在物质内部,阻碍分子间相对运动的内摩擦另一种是在外力作用下,相互作用的两物体作相对运动或有相对运动的趋势,其接触表面间产生的阻碍相对运动的外摩擦。根据摩擦状态(或称润滑状态)分为干摩擦、边界摩擦、混合摩擦和流体摩擦。干摩擦两摩擦表面间无外加润滑剂或保护膜而直接接触时的摩擦,称为干摩擦。干摩擦时,其阻力最大。在这种状态下,金属间的摩擦系数f=~。边界摩擦(边界润滑)两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开,摩擦性质不取决于流体粘度,而与边界膜和表面的吸附性质有关,称为边界摩擦,又称为边界润滑。这层边界膜的厚度一般在mum以下,在边界摩擦时摩擦规律基本上与干摩擦相同,只是摩擦系数小些,一般为f=~,因为它不能完全避免表面直接接触,所以仍产生磨损。流体摩擦两摩擦表面被一流体层(液体或气体)隔开,摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦,称为流体摩擦。这时润滑剂中的分子已大都不受金属表面吸附作用的支配而自由移动,摩擦是在流体内部的分子之间进行的,所以摩擦系数极小,f=~或更小(使用油润滑时f=~),几乎无磨损产生,是比较理想的摩擦状态。混合摩擦实际使用中,较多的摩擦副表面是处于干摩擦、边界摩擦、流体摩擦的混合状态,故称为混合摩擦。在这种摩擦状态下,摩擦系数f=~。上述边界摩擦、混合摩擦和流体摩擦,都必须在一定的润滑条件下实现,所以它们又被称为边界润滑、混合润滑和流体润滑。此外,若按运动状态分,摩擦又可分为静摩擦和动摩擦。前者是指在外力作用下,两物体表面间有产生相对运动的趋势,但尚未产生宏观相对运动的摩擦。后者是指当外力超过最大静摩擦力后,使物体产生宏观相对运动后的摩擦,此时动摩擦力小于最大静摩擦力。若按运动形式分,摩擦可分为滑动摩擦和滚动摩擦。两物体表面上的接触点之间有相对滑动(切向)速度的摩擦,称为滑动摩擦。两物体表面上至少有一个接触点相对滑动(切向)速度为(纯滚动)时的摩擦,称为滚动摩擦。 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,甚至促使机器提前失效或报废。机械零件的典型磨损过程磨损是伴随摩擦而产生的必然结果,它是相互接触的物体在相对运动时,表层材料不断发生损耗的过程或者产生残余变形的现象。因此,磨损能毁坏工作表面,影响机械功能,消耗材料和能量,并使机械设备使用寿命降低。图 典型磨损过程试验结果表明,机械零件的一般磨损过程大致分为磨合、稳定磨损和急剧磨损三个阶段,如图所示。()磨合阶段 新的摩擦副表面较粗糙,在一定的载荷作用下,摩擦表面逐渐被磨平,实际接触面积逐渐增大,磨损速度开始很快,然后减慢,如图中Oa阶段。()稳定磨损阶段 经过磨合,摩擦表面加工硬化、微观几何形状改变,从而建立了弹性接触的条件,磨损速度缓慢,处于稳定状态,如图中的ab阶段。()急剧磨损阶段 经过较长时间的稳定磨损后,由于摩擦条件发生较大的变化(如温度的急剧增高,金属组织的变化等),磨损速度急剧增加。这时机械效率下降,精度降低,出现异常的噪声和振动,最后导致零件失效,如图中的bc阶段。为了提高机械零件的使用寿命,应在设计或使用机器时,力求缩短磨合期,延长稳定磨损阶段,推迟急剧磨损阶段的到来。若设计不当或工作条件恶化则不能建立稳定磨损阶段,在短暂的磨合后立即转入急剧磨损阶段,使零件很快损坏。磨损的类型及机理()粘着磨损 当摩擦副接触时,由于表面不平,实际上是微凸体之间的接触。在相对滑动和一定载荷作用下,接触点发生塑性变形或剪切,摩擦表面温度增高,使其表面膜破裂,严重时表层金属局部会软化或熔化,导致接触区发生粘附或焊合。然后出现粘附mdash剪断mdash再粘附mdash再剪断的循环过程,这就形成了粘着磨损。()磨粒磨损 两接触面受外界硬质颗粒或粗糙硬表面在软的工作表面上的切削或刮擦作用引起表面材料脱落的现象,称为磨粒磨损。农业机械、工程机械、矿山机械、建筑机械和运输机械中的许多机械零件,在与泥沙、矿石或灰渣等直接接触的条件下发生摩擦,都会产生不同形式的磨粒磨损。据统计,因磨粒磨损而造成的损失,占整个工业范围内磨损损失的。()疲劳磨损 当两接触表面作滚动或滚动滑动复合摩擦时,因周期性载荷的作用使表面产生循环接触应力(如滚动轴承运转或齿轮传动)和变形,从而使材料发生疲劳裂纹和剥落出微片或颗粒的磨损,称为疲劳磨损。疲劳裂纹一般在固体有缺陷的地方出现。这些缺陷可能是机械加工时造成的(如擦伤)或材料在冶金过程中造成的(如气孔、夹渣等)。裂纹还可以在金相的晶界之间形成。()腐蚀磨损 在摩擦过程中,摩擦副表面材料与周围介质(如空气中的氧或润滑油中的酸等)发生化学或电化学作用,在相对运动中造成表面材料的损失,称为腐蚀磨损。腐蚀磨损是一种机械化学磨损。单纯的腐蚀不属于磨损范畴,只有当腐蚀与摩擦过程相结合时才能形成腐蚀磨损。()冲蚀磨损 冲蚀磨损分为流体磨粒磨损和流体侵蚀磨损两种。前者指由流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬质颗粒作用引起的机械磨损。利用高压空气输送型砂或用高压水输送碎矿石时,管道内壁所产生的机械磨损是其实例之一。流体侵蚀磨损是指由液流或气流的冲蚀作用引起的机械磨损。机械零件表面抗磨损强度设计单位时间(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磨损的能力,与磨损率成倒数关系。在滑动摩擦下工作的零件,常因过度磨损而失效。影响磨损的因素很多且复杂,通常采用条件性计算方法:限制工作表面的平均压强p、限制摩擦功耗(pv值)及限制滑动速度v。提高表面抗磨损强度的主要措施和方法有以下几方面。()合理选择运动副材料 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。降低表面粗糙度值,使表面尽量光滑,同样可以提高耐疲劳磨损的能力。()润滑 润滑是减小摩擦与磨损的最有效的方法。改善润滑状态,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。()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、渗氮、氧化等)、喷涂、镀层等也可提高摩擦表面的耐磨性。()控制运动副的工作条件 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。表面温度过高易使油膜破坏,发生粘着,还易加速化学磨损的进程,所以应限制摩擦表面的温升。此外,要防止尘土落入两摩擦表面间,如加防尘罩。 润滑润滑剂的作用在机器设计中,润滑是一个很重要的因素,一般形成一个润滑子系统。在机械摩擦副中加入润滑剂主要起到减小摩擦、提高机械效率、减轻磨损、带走摩擦生热、排走污物、缓冲吸振、防锈、密封等作用。润滑剂的种类及其性能指标()润滑剂的种类 润滑剂有液体、半固体、固体及气体润滑剂四种基本类型。()润滑剂的主要性能指标)粘度)油性)极压性)闪点与燃点)锥入度)滴点与凝点润滑方法和润滑装置()手工注油润滑 定期用油壶向油孔或油杯内注油,或直接加在摩擦面上,这种润滑方法称为手工注油润滑。这种润滑方法简单,但维护工作量较大。由于完全是手工操作,若忘记及时加油则易造成发热磨损,还容易污染润滑部位。另外,手工注油不能控制油量,送油不均匀,送油的连续性和油的利用率极差。所以,手工注油润滑只可用于小型、低速或间歇运动的摩擦副,如开式齿轮、链条等。()滴油润滑针阀油杯和油芯油杯都可做到连续滴油润滑。针阀油杯靠手柄的卧倒或竖立控制针阀的启闭,通过调节螺母可调节滴油速度以改变供油量,并且停车时只需扳倒上端的手柄即可停止供油。油芯油杯利用油绳的毛细管和虹吸作用向摩擦面供油,停车时仍继续供油,会引起浪费和污染。这两种装置结构简单,工作较为可靠,但维护量仍较大,仅次于手工注油润滑,宜用于数量不多而又容易靠近的摩擦副上。()油环润滑在轴颈上套一油环,油环下部浸在油池中,这种润滑方法称为油环润滑。当轴颈旋转时,靠摩擦力带动油环转动,将油带到轴颈表面进行润滑,为了防止油环沿轴向移动,可在上轴瓦上制成切口。油环浸在油池中的深度约为其直径的。这种润滑装置只能用于连续运转和工作稳定的水平位置的轴承。供油量和轴的转速、油环剖面形状及油的粘度有关。轴颈速度过高或过低,油环带油量都会不足,通常要求转速不低于~rmin。油环润滑装置结构简单,供油充分,耗油量小,机器一起动就能自动供油。()油池和飞溅润滑 这种润滑方法主要用于闭式减速器、内燃机等。齿轮以适当的深度浸入油池,工作时浸入油中的齿轮将油带到摩擦表面。如果齿轮在油面以上,可装上一惰轮来带油润滑。油池润滑适用于齿轮圆周速度小于ms或蜗杆圆周速度小于ms的情况。飞溅润滑是利用旋转零件飞溅出来的稀油滴来润滑摩擦表面的。齿轮减速器中支承齿轮轴的轴承,往往就是借齿轮旋转时溅起的油雾来进行润滑的。()压力循环润滑 这是一种完善的自动润滑方法,它是利用液压泵以一定的压力使润滑油经油路系统进入摩擦面。压力循环润滑不但润滑可靠,同时可起到冷却与冲洗的作用。但这种润滑装置形成机器中的一个润滑子系统,需要相应辅助结构,提高机器成本,常用于重载、高速或载荷变化较大等重要的机器设备中。()油气润滑 油气润滑是利用具有一定压力的压缩气流,将微量的润滑油均匀连续地喷入润滑表面。该方法的特点是用油量极少,功耗低,特别适用于高速润滑表面,如高速滚动轴承的润滑。 机械零件材料的选用与热处理机械零件常用的材料()金属材料)铸铁)碳钢和合金钢)非铁金属()非金属材料 零件材料的选用原则()零件的工作能力要求()工艺性要求 ()经济性要求()材料供应状况零件材料的热处理热处理可有效提高零件的强度、硬度等性能。常用热处理工艺方法有退火与正火、调质、淬火、化学热处理等。 零件的结构工艺性影响零件工艺性的主要因素()生产类型 生产类型是指零件的生产方式,即大批量生产还是单件小批量生产。当单件小批量生产零件时,一般不宜采用专用设备,大多采用通用性较强的设备和工艺装备,采用普通的制造工艺方法。()制造条件 机械零件的结构需要与制造厂家的生产条件相适应,包括毛坯的生产能力及技术水平机械加工设备的规格热处理的能力技术人员的水平等。()经济性 零件制造经济性既体现在零件材料和加工设备费用上,也体现完成零件加工时间上。

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