1、理工大学机械设计考研全册理工大学机械设计考研全册 配套最完整精品课件配套最完整精品课件 研制：研制： 1-1 1-1 概概 述述 1-3 1-3 机械零件的强度计算机械零件的强度计算 1-2 1-2 机械设计的基本要求、机械零件的机械设计的基本要求、机械零件的 工作能力和计算准则工作能力和计算准则 机器机器(Machine)(Machine) 主要是指机械装置。如电动、主要是指机械装置。如电动、 内燃机、机床、汽车、火车、飞机、轮船、起重运内燃机、机床、汽车、火车、飞机、轮船、起重运 机械、冶金矿山机械、轻纺食品机械等等。机械、冶金矿山机械、轻纺食品机械等等。 机械设计机械设计(Machine
2、 Design)(Machine Design) 即为各种机械即为各种机械 装置的设计，机械设计是为了满足机器的某些特定装置的设计，机械设计是为了满足机器的某些特定 功能而进行的创造性过程，设计是创造性的劳动，功能而进行的创造性过程，设计是创造性的劳动， 设计的本质在于创新。本课程主要介绍机械设计中设计的本质在于创新。本课程主要介绍机械设计中 的一些基础知识。的一些基础知识。 机械（机械（Machinery)Machinery) 是机器和机构统称。是机器和机构统称。 1-1 1-1 概概 述述 内燃机内燃机 指指 南南 车车 破破 碎碎 机机 机械设计课程的研究对象机械设计课程的研究对象机械。
3、如：机械。如： 带 式 运 输 机 运输带 电动机电动机联轴器联轴器 联轴器联轴器 减速器减速器 带带 传传 动动 齿轮传动齿轮传动 蜗杆传动蜗杆传动 螺纹联接螺纹联接 轴轴 键键 联联 接接 轴承轴承 联轴器联轴器 通用机械零部件的工作原理、特点、选用及设计计算通用机械零部件的工作原理、特点、选用及设计计算 机械设计课程的研究内容机械设计课程的研究内容： 链链 传传 动动 通用的零通用的零 部件系指部件系指 传动传动 零件零件 轴类轴类 零件零件 联接联接 零件零件 蜗杆传动蜗杆传动 齿齿 轮轮 传传 动动 链链 传传 动动 v v 主动轮1 传动带3从动轮2 n2 n1 1 1 2 2 带
4、传动带传动 螺纹联接螺纹联接 键键 联联 接接 花花 键键 联联 接接 滚动轴承半联轴器 键齿轮滚动轴承轴套筒套筒 轴系零部件设计轴系零部件设计 轴 滚滚 动动 轴轴 承承 轴系结构分析轴系结构分析 联轴器联轴器 半联轴器 螺栓联接柱销弹性套半联轴器 5 5其他要求：环保、噪音、外观等其他要求：环保、噪音、外观等 一机械设计的基本要求一机械设计的基本要求 1 1实现预定的功能，工作可靠；实现预定的功能，工作可靠； 2 2经济性好：设计和制造周期短、成本低，产品生产经济性好：设计和制造周期短、成本低，产品生产 效率高、能耗低维护管理费用少效率高、能耗低维护管理费用少； 3 3操作方便，运行安全；
5、操作方便，运行安全； 4 4标准化、系列化程度高：以便简化设计工作，提高标准化、系列化程度高：以便简化设计工作，提高 产品质量；产品质量； 1-2 1-2 机械设计的基本要求、机械零件机械设计的基本要求、机械零件 的工作能力和计算准则的工作能力和计算准则 二机械零件的工作能力及计算准则二机械零件的工作能力及计算准则 一）机械零件的工作能力一）机械零件的工作能力 零件的工作能力零件的工作能力 是指在一定的运动、载荷和环境情况下是指在一定的运动、载荷和环境情况下 ，在预定的使用期限内，不发生失效的安全工作限度。，在预定的使用期限内，不发生失效的安全工作限度。 二）机械零件的主要失效形式：二）机械零
6、件的主要失效形式： 过大弹性变形过大弹性变形零件的刚度不够引起零件的刚度不够引起 塑性变形塑性变形工作应力超过材料的屈服极限工作应力超过材料的屈服极限S S引起引起 2 2变形变形 疲劳断裂疲劳断裂工作应力超过零件的疲劳极限工作应力超过零件的疲劳极限r r引起引起 过载断裂过载断裂工作应力超过材料的强度极限工作应力超过材料的强度极限B B引起引起 1 1断裂断裂 压溃、过度磨损压溃、过度磨损零件接触表面上的压应力零件接触表面上的压应力p p过大过大 胶胶 合合 零件工作温升零件工作温升t t过高引起过高引起 表面疲劳损坏表面疲劳损坏零件表面接触应力零件表面接触应力H过大引起过大引起 3 3表面
7、表面 失效失效 计算准则计算准则 用于计算并确定零件基本尺寸的主要依用于计算并确定零件基本尺寸的主要依 据。对于具体的零件，应根据它们的主要失效形式，采用据。对于具体的零件，应根据它们的主要失效形式，采用 相应的计算准则。常用的计算准则有：相应的计算准则。常用的计算准则有： 三）机械零件的计算准则三）机械零件的计算准则 1 1强度准则性强度准则性 针对零件断裂、塑性变形或表面疲劳针对零件断裂、塑性变形或表面疲劳 损坏失效损坏失效 强度强度 指零件在载荷作用下抵抗断裂或塑性变形的能力。强指零件在载荷作用下抵抗断裂或塑性变形的能力。强 度是保证零件工作能力的最基本要求。若零件的强度不够，不度是保证
8、零件工作能力的最基本要求。若零件的强度不够，不 仅因为零件的失效使机械不能正常工作，还可能导致安全事故。仅因为零件的失效使机械不能正常工作，还可能导致安全事故。 强度的计算准则为：强度的计算准则为： MPa MPa 或或 针对断裂或塑性变形针对断裂或塑性变形 H H H H 针对表面疲劳损坏针对表面疲劳损坏 2 2刚度准则刚度准则 针对过大弹性变形针对过大弹性变形 刚度刚度 指零件在一定载荷作用下抵抗过大弹性变形的能力。指零件在一定载荷作用下抵抗过大弹性变形的能力。 刚度是保证机正常工作，提高机床加工产品质量的基本要求。刚度是保证机正常工作，提高机床加工产品质量的基本要求。 刚度的计算准则为刚
9、度的计算准则为:y y :y y ； ； 式中，式中，y y、和和 分别为零件工作时的挠度、偏转角分别为零件工作时的挠度、偏转角 和扭转角；和扭转角； 3 3耐磨性准则耐磨性准则 针对过度磨损、胶合破坏针对过度磨损、胶合破坏 耐磨性耐磨性指零件在载荷作用下相对运动的两零件接触界的抗磨指零件在载荷作用下相对运动的两零件接触界的抗磨 损面能力。耐磨性是保证有相对运动的零件正常工作的基本要损面能力。耐磨性是保证有相对运动的零件正常工作的基本要 求。其验算式为：求。其验算式为： p p p p 防止过度磨损防止过度磨损 pv pv pv pv 防止胶合破坏防止胶合破坏 计算准则计算准则 4 4振动和噪
10、声准则振动和噪声准则 针对高速机械的振动失稳针对高速机械的振动失稳 （即共振）当零件的固有振动频率（即共振）当零件的固有振动频率f f等于或趋近于零件的等于或趋近于零件的 强迫振动频率强迫振动频率f f p p时，将产生共振。这不仅影响机械正常时，将产生共振。这不仅影响机械正常 工作，甚至造成破坏性事故，而振动又是产生噪声的主要工作，甚至造成破坏性事故，而振动又是产生噪声的主要 原因。原因。 防止共振的条件为：防止共振的条件为：f f p p 0 087 f 87 f 或或 f f p p 1 118 f18 f 式中，式中，f f 零件的固有振动频率，取决于零件的质量和零件的固有振动频率，取
11、决于零件的质量和 刚度刚度 f f p p 零件受激振源作用引起的强迫振动频率零件受激振源作用引起的强迫振动频率 计算准则计算准则 机械设计应满足的要求很多，但强度要求是所有机械设计应满足的要求很多，但强度要求是所有 零件都必须满足的首要条件，而强度计算必需确定零件都必须满足的首要条件，而强度计算必需确定 作用于零件上的载荷和应力。作用于零件上的载荷和应力。 一载荷和应力的类型一载荷和应力的类型 一）载荷一）载荷 静载荷静载荷 大小和方向均不随时间变化的载荷大小和方向均不随时间变化的载荷 变载荷变载荷 大小或方向随时间变化的载荷大小或方向随时间变化的载荷 静应力静应力 大小和方向均不随时间变化
12、（或变大小和方向均不随时间变化（或变 化极缓慢）的应力化极缓慢）的应力 变应力变应力 大小和方向，或大小或方向随时大小和方向，或大小或方向随时 变化的应力变化的应力 二）应力二）应力 1-3 1-3 机械零件的强度计算机械零件的强度计算 2 2变应力参数及典型变应力变应力参数及典型变应力 1 1）变应力参数：）变应力参数： 最大应力：最大应力：max max 最小应力：最小应力：min min 应力循环特征：用来表示应力的变化情况应力循环特征：用来表示应力的变化情况 =min min/ /max max 2 2）典型变应力及应力循环特征）典型变应力及应力循环特征 平均应力：平均应力： 2 mi
13、nmax m 2 minmax m 应力幅：应力幅： max max m min a a t t 一载荷和应力的类型一载荷和应力的类型 应力类型应力类型 a）静应力：）静应力：= +1 变应力特例变应力特例 b）非对称循环变应力）非对称循环变应力 在（在（+1-1）间变化）间变化 max max m min a a t t t t =常数常数 c）对称循环变应力）对称循环变应力= -1 t t amax max min d）脉动循环变应力）脉动循环变应力= 0 t t a a max max m 一载荷和应力的类型一载荷和应力的类型 二机械零件的失效形式及强度条件式二机械零件的失效形式及强度条
14、件式 静应力作用下静应力作用下过载断裂、塑性变形过载断裂、塑性变形 二）零件强度条件式：二）零件强度条件式： = = lim lim / / S S 材料的极限应力材料的极限应力 安全系数安全系数 脆性材料制造的零件：脆性材料制造的零件：lim =b 塑性材料制造的零件：塑性材料制造的零件：lim =S 1 1静应力作用下静应力作用下 零件极限应力零件极限应力 2 2变应力作用下零件限应力变应力作用下零件限应力 lim lim = = N N 疲劳极限疲劳极限 一）零件的失效形式一）零件的失效形式 变应力作用下变应力作用下疲劳破坏约占零件损坏事故中的疲劳破坏约占零件损坏事故中的80% 80%
15、。 3. 3.安全系数安全系数S S的取值对零件的结构尺寸、工作可靠性均的取值对零件的结构尺寸、工作可靠性均 有影响，设计时应根据零件的重要性、零件材料的质量、栽有影响，设计时应根据零件的重要性、零件材料的质量、栽 荷计算准确性等方面，合理选取，具体数值可参考设计资料。荷计算准确性等方面，合理选取，具体数值可参考设计资料。 (1) 零件损坏机理零件损坏机理 静应力作用下：静应力作用下： 危险剖面塑性变形或断裂危险剖面塑性变形或断裂 变应力作用下：变应力作用下： 疲劳断裂疲劳断裂 零件表面应力超过极限值零件表面应力超过极限值微裂纹微裂纹扩展扩展断裂断裂 (2) 极限应力极限应力 静应力极限应力：
16、静应力极限应力： 与材料性能有关与材料性能有关 变应力疲劳极限：变应力疲劳极限： 与材料有关外，还与与材料有关外，还与 循环特征循环特征r r 应力循环次数应力循环次数N N 有关有关 应力集中、绝对尺寸、表面状态应力集中、绝对尺寸、表面状态 三三) 零件损坏机理零件损坏机理 三机械零件材料的疲劳极限三机械零件材料的疲劳极限 描述应力循环次数描述应力循环次数N N和疲劳极限和疲劳极限N N间关系的曲线，其横坐标为应力循环次 间关系的曲线，其横坐标为应力循环次 数数N N，纵坐标为疲劳极限，纵坐标为疲劳极限N N 疲劳曲线疲劳曲线 无限寿命区无限寿命区 有限寿命区有限寿命区 N 0 N1 N1
17、N2 N2 N N N N0 一）一） N N 疲劳曲线疲劳曲线（等应力循环特征（等应力循环特征的不等寿命的不等寿命N N曲线）曲线） )NN(CN D m rN D D点以后的疲劳曲线呈一水点以后的疲劳曲线呈一水 平线，代表着无限寿命区，平线，代表着无限寿命区， 其方程为：其方程为： ) DrrN NN （ 由于由于N ND D很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个 循环次数循环次数N N0 0( (称为循环基数称为循环基数) )，用，用N N0 0及其相对应的疲及其相对应的疲 劳极限劳极限r r来近似代表来近似代表N ND D和和 r r，于是有： ，于是
18、有： 机械零件的疲劳大多发生在 N曲线D D点以前点以前，可用下式描 述： CNN 0 m r m rN 有限寿命区间内循环次数有限寿命区间内循环次数N N与疲劳极限与疲劳极限rN的关系为：的关系为： 式中，式中， r r、N0及及m的值由材料试验确定。的值由材料试验确定。 m 0 rrN N N 0 m rN r NN N应力循环次数应力循环次数 N = 60 n th 每转受栽次数每转受栽次数 使用寿命（使用寿命（h） 转速（转速（r/min） 用疲劳曲线求取疲劳极限用疲劳曲线求取疲劳极限N N的方法 的方法 无限寿命区（无限寿命区（NNNN0 0） 疲劳极限：疲劳极限：N N = = ，
19、 ， k kN N = 1 = 1 rN m rrN K N N 0 k kN N 寿命系数寿命系数 有限寿命区（有限寿命区（N NN N0 0) )疲劳极限疲劳极限: : 二）极限应力线图（等寿命疲劳曲线）二）极限应力线图（等寿命疲劳曲线） 机械零件材料的疲劳特性除用机械零件材料的疲劳特性除用 N N曲线表示外曲线表示外，还可用等寿命曲还可用等寿命曲 线来描述。该曲线表达了不同应力比时疲劳极限的特性。线来描述。该曲线表达了不同应力比时疲劳极限的特性。 在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。 用用A A C C折线表示零件材料的极限应力线图
20、是其中一种近似方法。折线表示零件材料的极限应力线图是其中一种近似方法。 A A 直线的方程为：直线的方程为： ma1 sma C C 直线的方程为：直线的方程为： 0 01 2 为试件受循环弯曲应力时的材 为试件受循环弯曲应力时的材 料常数，其值由试验及下式决定：料常数，其值由试验及下式决定： 对于碳钢，对于碳钢， 0.1 0.10.20.2，对于合金钢，对于合金钢， 0.2 0.20.30.3。 极限应力线图极限应力线图 材料的疲劳特性 不同应力循环特征不同应力循环特征 r 时的疲劳极限时的疲劳极限 材料的极限应力材料的极限应力简图简图 r 已知材料的机械性能已知材料的机械性能 )( 01b
21、S r 可作可作简图简图 折线折线ADGADG上任一点，表示在上任一点，表示在 不同不同 r r 时的疲劳极限时的疲劳极限 对于对于n n 点点 ( (工作应力为工作应力为 和和 a m ) tg tg r ma ma am am 1 1 /1 /1 应力循环特征：应力循环特征： 对应的疲劳极限：对应的疲劳极限： )( )( 1 ma ma amr 等效系数等效系数 0 01 2 零件的极限应力图还应考虑应力集中、绝对尺寸、表面状态的影响零件的极限应力图还应考虑应力集中、绝对尺寸、表面状态的影响 应力集中：零件剖面几何形状突变处疲劳极限降低应力集中：零件剖面几何形状突变处疲劳极限降低 )( K
22、K用应力集中系数用应力集中系数来考虑来考虑 绝对尺寸：剖面绝对尺寸大、出现缺陷概率大、疲劳极限降低绝对尺寸：剖面绝对尺寸大、出现缺陷概率大、疲劳极限降低 用绝对尺寸系数用绝对尺寸系数来考虑来考虑)( 表面状态表面状态：表面光滑或强化处理、能提高疲劳极限：表面光滑或强化处理、能提高疲劳极限 用用表面状态表面状态系数系数来考虑来考虑 K K D )(综合影响系数综合影响系数或或考虑各因素影响考虑各因素影响 K K D )( 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算1 1 四.机械零件的疲劳强度计算 一）零件的极限应力线图一）零件的极限应力线图 由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因
23、素等的由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因素等的 影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。 以弯曲疲劳极限的综合影响系数以弯曲疲劳极限的综合影响系数 表示材料对称循环弯曲疲劳极 表示材料对称循环弯曲疲劳极 限限-1 -1与零件对称循环弯曲疲劳极限 与零件对称循环弯曲疲劳极限-1e -1e的比值，即 的比值，即 e1 1 K 在不对称循环时，在不对称循环时， 是试件与零件极限应力幅的比值。 是试件与零件极限应力幅的比值。 将零件材料的极限应力线图将零件材料的极限应力线图 中的直线中的直线ADG 按比例向下移，按比例向下移，
24、 成为右图所示的直线成为右图所示的直线ADG，而极，而极 限应力曲线的限应力曲线的 CG 部分，由于是部分，由于是 按照静应力的要求来考虑的，故按照静应力的要求来考虑的，故 不须进行修正。这样就得到了零不须进行修正。这样就得到了零 件的极限应力线图。件的极限应力线图。 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算2 2 机械零件的疲劳强度计算 二）单向稳定变应力时的疲劳强度计算二）单向稳定变应力时的疲劳强度计算 进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的 max max 及 及 min min确 确 定平均应力定平均应力m m与应力幅与应力
25、幅a a，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作 应力点应力点M M或或N N。 根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律，从而决根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律，从而决 定以哪一个点来表示极限应力。定以哪一个点来表示极限应力。 机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种： 应力比为常数：应力比为常数：r=Cr=C 平均应力为常数平均应力为常数m m=C=C 最小应力为常数最小应力为常数min min=C =C 相应的疲劳极限应力应是极限应力相应的疲劳极限应力应是
26、极限应力 曲线上的某一个点曲线上的某一个点 所代表的应所代表的应 力。力。 ),( am 计算安全系数及疲劳强度条件为：计算安全系数及疲劳强度条件为： SS am am max max ca 单向应力状态下的安全系数（当常数时）单向应力状态下的安全系数（当常数时） 安全系数定义：安全系数定义： ca S lim 对于塑性材料对于塑性材料 )( 1 S K S maD )( )( 10 01 S S r即即时时 )( )( 10 01 S S r即即时时 )( SS ma S 以上正应力公式，用以上正应力公式，用替代替代 则对剪应力同样适用则对剪应力同样适用 当应力在疲劳破坏区当应力在疲劳破坏区
27、 当应力在静强度区当应力在静强度区 例有一热轧合金钢零件，其材料的抗弯疲劳极限： 658MPa，400MPa，屈服极限 189Mpa，应力幅为129Mpa ，零件的应力集中系数 1.26，尺寸系数 如取安全系数Smin1.5，核验此零件是否安全。 658MPa， 780MPa，所承受的弯曲变应力 0.78，表面状态系数1。 解： (1) (2)因 (3) (4)故得 因此，该零件安全。 零件产生疲劳破坏零件产生疲劳破坏 4 4 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 四）双向稳定变应力时的疲劳强度计算四）双向稳定变应力时的疲劳强度计算 当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力当零件上
28、同时作用有同相位的稳定对称循环变应力s sa a 和 和t ta a时，由实验得出的时，由实验得出的 极限应力关系式为：极限应力关系式为： 1 2 e1 a 2 e1 a 式中式中 t ta a及及s sa a为同时作用的切向及法向应力为同时作用的切向及法向应力 幅的极限值幅的极限值。 若作用于零件上的应力幅若作用于零件上的应力幅s sa a及及t ta a如图中如图中M M点表示，则由于此工作应力点在点表示，则由于此工作应力点在 极限以内，未达到极限条件，因而是安全的。极限以内，未达到极限条件，因而是安全的。 由于是对称循环变应力，故应力幅即由于是对称循环变应力，故应力幅即 为最大应力。弧线
29、为最大应力。弧线 AMB AMB 上任何一个点即代上任何一个点即代 表一对极限应力表一对极限应力a a及及a a。 计算安全系数：计算安全系数： 2 2 ca SS SS OM OM S 机机械零件的接触强度机机械零件的接触强度 机械零件的接触强度 当两零件以点、线相接处时，其接触的局部会引起较大的应力。这当两零件以点、线相接处时，其接触的局部会引起较大的应力。这 局部的应力称为接触应力。局部的应力称为接触应力。 接触应力是不同于以往所学过的挤压应力的。挤压应力是面接触引接触应力是不同于以往所学过的挤压应力的。挤压应力是面接触引 起的应力，是二向应力状态，而接触应力是三向应力状态。接触应力的特
30、起的应力，是二向应力状态，而接触应力是三向应力状态。接触应力的特 点是：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。点是：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。 2 2 2 1 2 1 21 H 11 11 EE B F 式中式中1 1和和2 2 分别为两零件初始接触线处的曲率半径分别为两零件初始接触线处的曲率半径, , 其中正其中正 号用于外接触，负号用于内接触。号用于外接触，负号用于内接触。 对于线接触的情况，其接触应力对于线接触的情况，其接触应力 可用赫兹应力公式计算。可用赫兹应力公式计算。 式中： 为综合曲率半径； 、 分别为两圆柱体的曲率半径(mm)，其中、“ 号分别用于外接触和内接触； 、
31、分别为两圆柱体材料的弹性模量(Mpa)； 、 分别为两圆柱体材料的泊桑比。 1-4 1-4 机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题 一、机械中的摩擦一、机械中的摩擦 、干摩擦：表面间无任何润滑剂或、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，摩擦保护膜的纯金属接触时的摩擦，摩擦 系数一般大于系数一般大于0.1 0.1 、边界摩擦：表面间被极薄的润、边界摩擦：表面间被极薄的润 滑膜所隔开，且摩擦性质与润滑剂滑膜所隔开，且摩擦性质与润滑剂 的粘度无关而取决于两表面的特性的粘度无关而取决于两表面的特性 和润滑油油性的摩擦，摩擦系数约和润滑油油性的摩擦，摩擦系数
32、约 在在0.010.010.1 0.1 、流体摩擦：表面间的润滑膜把、流体摩擦：表面间的润滑膜把 摩擦副完全隔开，摩擦力的大小取摩擦副完全隔开，摩擦力的大小取 决于流体分子内部摩擦力的摩擦，决于流体分子内部摩擦力的摩擦， 摩擦系数可达摩擦系数可达0.0010.0010.008 0.008 、混合摩擦：摩擦副处于干摩擦、混合摩擦：摩擦副处于干摩擦、 边界摩擦和流体摩擦混合状态时的摩边界摩擦和流体摩擦混合状态时的摩 擦擦 二、机械中的磨损二、机械中的磨损 、磨损的定义：、磨损的定义：由于表面的相对运动而使物体工作表面由于表面的相对运动而使物体工作表面 的物质不断损失的现象的物质不断损失的现象 零件
33、的磨损过程大体可分零件的磨损过程大体可分 为三个阶段：为三个阶段：磨合磨损磨合磨损阶段、阶段、 稳定磨损稳定磨损阶段及阶段及剧烈磨损剧烈磨损阶段阶段 2 2、磨损过程、磨损过程 粘着磨损：粘着磨损： 磨损类型磨损类型 磨粒磨损：磨粒磨损： 摩擦表面的微凸体在相互作用的各摩擦表面的微凸体在相互作用的各 点发生粘着作用，使材料由一表面点发生粘着作用，使材料由一表面 转移到另一表面的磨损转移到另一表面的磨损 摩擦表面间的游离硬颗粒或硬的微凸体峰间在较摩擦表面间的游离硬颗粒或硬的微凸体峰间在较 软的材料表面上犁刨出很多沟纹的微切削过程软的材料表面上犁刨出很多沟纹的微切削过程 表面疲劳磨损表面疲劳磨损
34、： 摩擦表面受循环接触应力作用到达一定程度时，摩擦表面受循环接触应力作用到达一定程度时， 就会在零件工作表面形成疲劳裂纹，随着裂纹的就会在零件工作表面形成疲劳裂纹，随着裂纹的 扩展与相互连接，会造成许多微粒从零件表面上扩展与相互连接，会造成许多微粒从零件表面上 脱落下来，致使表面上出现许多浅坑，这种磨损脱落下来，致使表面上出现许多浅坑，这种磨损 过程即为疲劳磨损；过程即为疲劳磨损； 腐蚀磨损：腐蚀磨损：在摩擦过程中金属与周围介质发生化学在摩擦过程中金属与周围介质发生化学 反应而引起的磨损反应而引起的磨损 三、机械中的润滑三、机械中的润滑 功用：降低摩擦；功用：降低摩擦；减少或防止磨损；降低摩擦
35、功耗，减少或防止磨损；降低摩擦功耗， 降低温升；降低温升；防锈；防锈； 缓冲和吸振缓冲和吸振 流体动力润滑的物理解释流体动力润滑的物理解释 实例：滑动轴承实例：滑动轴承 ； 形成动压油膜的必要条件为：形成动压油膜的必要条件为： 1 1、两工作表面间必须构成楔形间隙；、两工作表面间必须构成楔形间隙； 2 2、两工作表面间应充满具有一定粘度的润滑油或其它流体；、两工作表面间应充满具有一定粘度的润滑油或其它流体； 3 3、两工作表面间存在一定相对滑动，且运动方向总是带动、两工作表面间存在一定相对滑动，且运动方向总是带动 润滑油从大截面流进，小截面流出。润滑油从大截面流进，小截面流出。 研制：研制：
36、侯玉英侯玉英 2-42-4 直齿圆柱齿轮传动的设计计算直齿圆柱齿轮传动的设计计算 2 21 1 齿轮传动概述齿轮传动概述 2-2 2-2 齿轮传动的失效形式及计算准则齿轮传动的失效形式及计算准则 2-3 2-3 齿轮材料及热处理齿轮材料及热处理 齿轮传动齿轮传动 依靠主、从动件上的牙齿相互嵌合传递依靠主、从动件上的牙齿相互嵌合传递 运动和动力，为线接触高副机构。运动和动力，为线接触高副机构。 一齿轮传动的特点及应用一齿轮传动的特点及应用 二）应用二）应用广泛用于对传动比要求严格、高速重载场合，如广泛用于对传动比要求严格、高速重载场合，如 机床、汽车、拖拉机的变速箱从实现主、从机床、汽车、拖拉机
37、的变速箱从实现主、从 动轴间运动轴间运 动和动力传递。动和动力传递。 一）一）齿轮机构传动的特点齿轮机构传动的特点 制造和安装精度制造和安装精度 要求较高；要求较高； 不适宜用于两轴间不适宜用于两轴间 距离较大的传动。距离较大的传动。 缺点：缺点： 工作可靠性高；工作可靠性高； 传动比稳定；传动比稳定； 传动效率高；传动效率高； 结构紧凑；结构紧凑； 使用寿命长。使用寿命长。 优点：优点： 2 21 1 齿轮传动概述齿轮传动概述 一）按两一）按两 轮轴线相轮轴线相 对位置及对位置及 齿向分齿向分 1 1圆柱齿轮传动（直、斜、人字齿、内啮合齿圆柱齿轮传动（直、斜、人字齿、内啮合齿 轮轮 、 齿轮
38、齿条件）齿轮齿条件）用于两平行轴间传动；用于两平行轴间传动； 2 2圆锥齿轮传动圆锥齿轮传动用于垂直相交轴间传动用于垂直相交轴间传动 3 3螺旋齿轮传动螺旋齿轮传动用于空间交错轴间传动用于空间交错轴间传动 直直 齿齿 圆圆 柱柱 齿齿 轮轮 传传 动动 二二. . 齿轮传动分类齿轮传动分类 斜斜 齿齿 圆圆 柱柱 齿齿 轮轮 传传 动动 人人 字字 齿齿 轮轮 传传 动动 齿轮传动分类齿轮传动分类 内内 啮啮 合合 齿齿 轮轮 传传 动动 齿齿 轮轮 齿齿 条条 直直 齿齿 锥锥 齿齿 轮轮 螺螺 旋旋 齿齿 轮轮 齿轮传动分类齿轮传动分类 齿轮传动分类齿轮传动分类 闭式齿轮传动闭式齿轮传动:
39、 :齿轮封闭在箱体内，润滑条件好齿轮封闭在箱体内，润滑条件好 开式齿轮传动开式齿轮传动: :齿轮完全暴露在空气中，齿轮完全暴露在空气中， 易进灰易进灰 、砂，润滑不良、砂，润滑不良 易磨损易磨损 半开式齿轮传动半开式齿轮传动: :有简单护罩，较开式传动好，有简单护罩，较开式传动好， 仍易进灰、仍易进灰、 砂等。砂等。 二）按齿轮二）按齿轮 传动情况工传动情况工 作分作分 软齿面齿轮软齿面齿轮HBS350HBS350的齿轮的齿轮 硬齿面齿轮硬齿面齿轮HBS350HBS350的齿轮用的齿轮用HRCHRC表示，表示， 1HRC10HBS1HRC10HBS 三）按齿三）按齿 轮齿面硬轮齿面硬 度分度分
40、 1 1保证传动的平稳性保证传动的平稳性 即要求瞬时传动比即要求瞬时传动比 为常数，为此要研究齿轮廓及啮合原理为常数，为此要研究齿轮廓及啮合原理 2 2保证传动的承载能力保证传动的承载能力 在有足够强度前提在有足够强度前提 下使齿轮齿尺寸小、重量轻、寿命长等。下使齿轮齿尺寸小、重量轻、寿命长等。 三三 齿轮传动齿轮传动 设计需满足的设计需满足的 基本要求基本要求 1. 1. 齿轮传动类型、特点及应用；齿轮传动类型、特点及应用； 2 2齿轮传动失效形式及计算准则、材料选择；齿轮传动失效形式及计算准则、材料选择； 四四. .本章本章 主要内主要内 容容 3 3齿轮传动受力分析齿轮传动受力分析( (
41、直、斜、锥齿轮传动）直、斜、锥齿轮传动）及参数选及参数选 择。择。重点重点 4. 4. 直齿圆柱齿轮传动的强度计算直齿圆柱齿轮传动的强度计算 5. 5. 斜斜齿圆柱齿轮传动的设计特点齿圆柱齿轮传动的设计特点 6. 6. 直直齿锥齿轮传动的设计特点齿锥齿轮传动的设计特点 7. 7. 齿轮传动设计实例分析齿轮传动设计实例分析 2-2 2-2 齿轮传动的失效形式及计算准则齿轮传动的失效形式及计算准则 一齿轮传动的失效形式一齿轮传动的失效形式 指轮齿失效指轮齿失效， 轮齿轮齿 主要失效形式有：主要失效形式有： 1 1轮齿折断轮齿折断有过载折断（短时突然过载引起）、疲劳有过载折断（短时突然过载引起）、疲
42、劳 折断（循环弯应力作用引起）两种情况折断（循环弯应力作用引起）两种情况 轮齿轮齿 轮体轮体 断齿原因断齿原因 齿根弯曲应力过大，即：齿根弯曲应力过大，即： F F FP FP（许用弯 （许用弯 曲应力），齿根有应力集中。曲应力），齿根有应力集中。 F Fn n 强度措施强度措施 F FFP FP 2 2齿面点蚀齿面点蚀齿面金属脱落而形成麻点状小坑，称为齿面金属脱落而形成麻点状小坑，称为 齿面疲劳点蚀。齿面疲劳点蚀。 疲劳点蚀原因疲劳点蚀原因 循环变化的接触应力循环变化的接触应力 H H过大，即： 过大，即： H H HP HP（许用接触应力） （许用接触应力） 强度措施强度措施 H H HP
43、 HP 齿轮传动的失效形式齿轮传动的失效形式 3 3齿面磨损齿面磨损 轮齿接触表面轮齿接触表面 上材料因摩擦而发生损耗的现象。上材料因摩擦而发生损耗的现象。 其后果，使轮齿磨薄导致轮齿断其后果，使轮齿磨薄导致轮齿断 裂。裂。 4 4齿面胶合齿面胶合是一种严重是一种严重 的粘着磨损现象。的粘着磨损现象。 5 5齿面塑性变形齿面塑性变形 轮齿轮齿 材料因屈服产生塑性流动而材料因屈服产生塑性流动而 形成齿面的塑性变形。其后形成齿面的塑性变形。其后 果，使齿面失去正确的齿形，果，使齿面失去正确的齿形， 在齿面节线处产生凸棱。在齿面节线处产生凸棱。 齿轮传动的失效形式齿轮传动的失效形式 对于闭式齿轮传动
44、对于闭式齿轮传动，当一对齿轮或一轮齿为软齿面当一对齿轮或一轮齿为软齿面时，轮时，轮 齿的主要损伤形式是齿面疲劳点蚀，也可能发生轮齿折断及其齿的主要损伤形式是齿面疲劳点蚀，也可能发生轮齿折断及其 他失效形式，故应他失效形式，故应按接触疲劳强度的设计公式确定主要尺寸，按接触疲劳强度的设计公式确定主要尺寸， 然后校核弯曲疲劳强度。然后校核弯曲疲劳强度。 二齿轮传动的计算准则二齿轮传动的计算准则 若若一对齿轮均为硬齿面一对齿轮均为硬齿面时，轮齿的主要失效形式可能是轮时，轮齿的主要失效形式可能是轮 齿折断，也可能发生点蚀、胶合等失效，则齿折断，也可能发生点蚀、胶合等失效，则应按弯曲疲劳强应按弯曲疲劳强
45、度的设计公式确定模数，然后校核接触疲劳强度。度的设计公式确定模数，然后校核接触疲劳强度。 对于对于开式齿轮传动开式齿轮传动，其主要失效形式是齿面磨损，但往往又，其主要失效形式是齿面磨损，但往往又 因轮齿磨薄后而发生折断，故仍因轮齿磨薄后而发生折断，故仍按轮齿齿根弯曲疲劳强度设计按轮齿齿根弯曲疲劳强度设计 ，但适当降低（，但适当降低（20%20%）许用应力以考虑磨损的影响。）许用应力以考虑磨损的影响。 2-3 2-3 齿轮材料及热处理齿轮材料及热处理 轮齿齿面轮齿齿面 有足够的硬度和耐磨性，有利于提高有足够的硬度和耐磨性，有利于提高 齿面抗点蚀、胶合、磨损及塑性变形的能力；齿面抗点蚀、胶合、磨损
46、及塑性变形的能力； 轮齿芯部轮齿芯部 有足够的抗弯曲强度及冲击韧性；有足够的抗弯曲强度及冲击韧性； 齿轮加工及热处理性能好；齿轮加工及热处理性能好； 一对齿轮一对齿轮 材料的基本材料的基本 要求要求 非金属材料非金属材料 夹布胶夹布胶 木、塑料木、塑料用于高速、小功用于高速、小功 率、精度不高或要求低噪声的齿轮率、精度不高或要求低噪声的齿轮 中碳钢中碳钢 45 45、5050钢钢 中碳合金钢中碳合金钢 40 Cr 40 Cr、35 SiMn35 SiMn 低碳合金钢低碳合金钢 20 Cr 20 Cr、20 SiMnTi20 SiMnTi ZG310-570ZG310-570、ZG340-640
47、ZG340-640用于尺寸大齿用于尺寸大齿 轮轮 灰铸铁灰铸铁 HT250 HT250、HT300 HT300 球墨铸铁球墨铸铁 QT500-5 QT500-5、QT600-2QT600-2 铸钢铸钢 锻锻 钢钢 铸铸 铁铁 二常二常 用材料用材料 中小中小 尺寸尺寸 齿轮齿轮 低速轻载、尺低速轻载、尺 寸要求不严的寸要求不严的 开式齿轮开式齿轮 三三. . 齿轮的热处理方法齿轮的热处理方法 1 1软齿面齿轮软齿面齿轮（硬（硬度度350HBS350HBS） 处理方法处理方法 加热、保温、空冷加热、保温、空冷 齿面硬度齿面硬度 150 150230 HBS230 HBS 适用钢材适用钢材 中碳钢
48、、中碳合金钢中碳钢、中碳合金钢 应应 用用 重型、大尺寸齿轮重型、大尺寸齿轮 处理方法处理方法 淬火后高温回火淬火后高温回火 齿面硬度齿面硬度 180 180350 HBS350 HBS 适用钢材适用钢材 中碳钢、中碳合金钢中碳钢、中碳合金钢 应应 用用 中低速、中小载荷，无特殊结构要求的齿轮中低速、中小载荷，无特殊结构要求的齿轮 热处热处 理方理方 法法 正正 火火 调调 质质 特特 点点 可在热处理后进行切齿可在热处理后进行切齿 注意事项注意事项 当一对齿轮均为软齿面齿轮时，由于小齿轮的啮合次数较大当一对齿轮均为软齿面齿轮时，由于小齿轮的啮合次数较大 齿轮多，所以小齿轮的齿面硬度一般应比大
49、齿轮高齿轮多，所以小齿轮的齿面硬度一般应比大齿轮高 3050HBS3050HBS。 齿轮的热处理方法齿轮的热处理方法 2 2硬齿面齿轮硬齿面齿轮（硬（硬度度350HBS350HBS） 处理方法处理方法 调质后，表面加热（高频或火焰），水冷调质后，表面加热（高频或火焰），水冷 齿面齿面 40 4045 HRC45 HRC 适用钢材适用钢材 中碳钢、中碳合金钢中碳钢、中碳合金钢 应用应用高速、重载，要求结构紧奏的齿轮，如变速箱齿轮高速、重载，要求结构紧奏的齿轮，如变速箱齿轮 热处热处 理方理方 法法 表表 面面 淬淬 火火 芯部芯部 调质硬度调质硬度 硬硬 度度 特点特点热处理后齿面将产生变形，一
50、般都需要经过磨齿热处理后齿面将产生变形，一般都需要经过磨齿 特特 点点 热处理后齿面将产生变形，一般都需要磨齿热处理后齿面将产生变形，一般都需要磨齿 处理方法处理方法 表面渗碳后，淬火（高频或火焰加热，水冷）表面渗碳后，淬火（高频或火焰加热，水冷） 渗渗 碳碳 淬淬 火火 芯部芯部 低碳钢本身的硬度（低硬度）低碳钢本身的硬度（低硬度） 齿面齿面 58 5862 HRC62 HRC 硬硬 度度 适用钢材适用钢材 低碳钢、低碳合金钢低碳钢、低碳合金钢 应用应用 高速重载，有很大冲击齿轮，如汽车拖拉齿轮高速重载，有很大冲击齿轮，如汽车拖拉齿轮 齿轮的热处理方法齿轮的热处理方法 处理方法处理方法 用化
