1、第一篇第一篇 总总 论论l绪论绪论(2h)l机械设计的总论机械设计的总论(3h)l机械零件的强度机械零件的强度(6h)l摩擦、磨损及润滑概述摩擦、磨损及润滑概述(2h)第一章 绪 论1-0 引言1-1 机械工业在现代化建设中的作用1-2 机器的基本组成要素1-3 本课程的内容、性质与任务1-4 认识机器引言引言 人类社会的进步源于不断地创新，设计活动则是创新的策划、起点和关键 环节。机器是人们改造世界和现代化生活的重要工具，机器的发明、使用和发展 是现代社会发展的一个重要创新过程。在这一创新过程中，人们总结出了 进行机械设计的理论与方法，从而为更高层次的创新与设计奠定了基础。现代教育的目标是素
2、质教育，而素质教育的核心应该是创新素质教育。作 为集中了人们关于机械及装备创新智慧的机械设计的理论与方法，应该是 同学们学习创新的理想内容。关于机械设计的理论与方法是博大精深的，而作为大学本科阶段的一门课 程，机械设计课程的主要任务是讲述通用机械零部件的设计以及机械系统 设计的基础知识。第一节1-1机械工业在现代化建设中的作用 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。机器是代替人们体力和部分脑力劳动的工具，机器既能承担人力所不能或 不便进行的工作，又能较人工生产改进产品质量，特别是能够大大提高劳 动生产率和改善劳动条件。只有使用机器，才能便于实现产品的标准化、系列化和通用化，尤其
3、是便 于实现高度的机械化、电气化和自动化。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。机器的组成1 人们为了满足生产和生活的需要，设计和制造了类型繁多、功能各异的机器。一台完整的机器的组成大致可包括：原动机部分传动部分执行部分润滑、显示、照明等辅助系统控制系统传感器传感器传感器1-2 机器的基本组成要素 一个机械系统一般包含机械结构系统、驱动动力系统、检测与控制系统。认识机器5工业机器人操作机电机底座轴壳减速器滚子轴承基座1-2 机器的基本组成要素 一台机器的机械结构总是由一些机构
4、组成的，每个机构又是由若干零件组 成的。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。第二节1-2 机器的基本组成要素 通用零件包括：齿轮、链传动、带传动、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。专用零件例如：叶片、犁铧、枪栓等。通用零件是本课程的主要学习对象，而专用零件的设计方法应在有关专业 课中学习。第三节1-3 本课程的内容、性质与任务 机械设计课程的主要研究对象是：以通用零件和常用机器 为研究对象的-门学科。本课程中“设计”的含义是指机械装置的实体设计，涉及
5、零件的应力、强度 的分析计算，材料的选择、结构设计，考虑加工工艺性、标准化以及经济 性、环境保护等。机械设计结果的表现形式为：机械工程图、说明书和计算机程序。研究的内容研究的内容研究普通工作条件下，一般尺寸参数的通用零件的设计理研究普通工作条件下，一般尺寸参数的通用零件的设计理论、基本知识、方法、一般步骤论、基本知识、方法、一般步骤 。具体内容具体内容：总论：机械设计中带有共性的问题，有关设计的理论和总论：机械设计中带有共性的问题，有关设计的理论和原则；原则；联接零件：螺纹联接、键及花键联接等；联接零件：螺纹联接、键及花键联接等；传动零件：带、链、齿轮、蜗杆传动等；传动零件：带、链、齿轮、蜗杆
6、传动等；轴系部分：轴、轴承等；轴系部分：轴、轴承等；其它部分：弹簧、箱体、变速器等。其它部分：弹簧、箱体、变速器等。性质性质 技术基础课用于研究机械设计的基本理论、基本知识有：工程材料：非金属材料，金属材料及热处理。工程制图：设计的图形表达。机械制造基础：冷加工工艺，热加工工艺。公差配合与技术测量：解决精度设计问题。理论力学：解决力分析与动力计算。材料力学：解决强度分析问题。机械原理：解决机械的方案设计。任务任务 培养学生掌握通用零件的设计原理、方法和机械设计的培养学生掌握通用零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律；一般规律；树立正确的设计思想，了解国家当前的有关技术经济政树立正确的设计思想
7、，了解国家当前的有关技术经济政策；策；具有使用标准、规范、手册、图册及查阅资料的能力；具有使用标准、规范、手册、图册及查阅资料的能力；掌握典型零件的实验方法，获得实验技能的基本训练；掌握典型零件的实验方法，获得实验技能的基本训练；了解机械设计的新发展。了解机械设计的新发展。设计方法后叙：学习本课程需要注意的几个问题涉及面广 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
8、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更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维。第三节 2 注意处理好几个关系 零件的设计与选用 零件设计的两个主要途径。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。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。经验设计与现代设计 二者均重要，前者是后者的基础。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。第三节 3 第二章 机械设计总论2-1 设计机器的一般程序2-2 对机器的主要要求2-3 机械零件的主要失效形式2-4 设计机械零
9、件时应满足的基本要求2-5 机械零件的计算准则2-6 机械零件的设计方法2-7 机械零件设计的一般步骤2-8 机械零件材料的选用原则2-9 机械零件设计中的标准化2-10 机械现代设计方法简介设计机器的一般程序2-1设计机器的一般程序 计划阶段 方案设计阶段 技术设计阶段 技术文件编制阶段一部机器的质量基本上决定于设计质量，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。它是一个创造性的工作过程，同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作。作为一部完整的机器，它是一个复杂的系统。要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。设计机器的一般程序：详细说明 对机器的主要要求2-2对机器的主要要求 设计机器的任
10、务是在当前技术发展所能达到的条件下，根据生产及生活的需要提出的。不管机器的类型如何，一般来说，对机器都要提出以下的基本要求：使用功能要求 经济性要求 劳动保护要求 可靠性要求 其它专用要求详细说明 机械零件的主要失效形式12-3机械零件的主要失效形式机械零件常见的失效形式有：整体断裂、过大的残余变形、零件的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效等。（一）整体断裂整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。齿轮轮齿断裂 轴承内圈断裂机械零件的主要失效形式22-3机械零件的主要失效形式（二）过大的残余变形 当作用于零件上的
11、应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形 机械零件的主要失效形式32-3机械零件的主要失效形式（三）零件的表面破坏 零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。齿面接触疲劳轴瓦磨损 机械零件的主要失效形式42-3机械零件的主要失效形式（四）破坏正常工作条件引起的失效 有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔才能正常工作。零件在工作时会发生那一种失效，这与零件的
12、工作环境、载荷性质等很多因素有关。有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起。设计机械零件时应满足的基本要求2-4设计机械零件时应满足的基本要求q 避免在预定寿命期内失效的要求q 结构工艺性要求q 经济性要求q 质量小的要求q 可靠性要求 机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：详细说明应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。设计的结构应便于加工和装配。零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。应降低零件发生故障的可能性（概率）。机械零件的计算准则12-5机械零件的设计准则
13、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：寿命准则 振动稳定性准则 可靠性准则详细说明：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。：通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。：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。机械零件的设计方法2-6机械零件的设计方法 理论设计 经验设计 模型实验设计 机械零件的设计方法通常分为常规设计方法和现代设计方法两大类。现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快
14、的机械设计方法。如机械优化设计、机械可靠性设计、计算机辅助设计等等。常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。它又可分为：详细说明 机械零件设计的一般步骤2-7机械零件设计的一般步骤选择零件类型、结构 机械零件的设计一般要经过以下几个步骤：详细说明 计算零件上的载荷确定计算准则选择零件的材料确定零件的基本尺寸结 构 设 计校 核 计 算画出零件工作图写出计算说明书机械零件机械零件设计的内容设计的内容分析工作原理类型选择受力分析改进与发展结果分析与设计简化模型失效分析建立计算准则机械零件的设计内容机械零件材料的选用原则12
15、-8机械零件材料的选用原则：铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1).黑色金属有色金属铁钢高分子材料复合材料陶瓷金属材料非金属材料载荷及应力的大小和性质零件的工作情况零件的结构及加工性材料的经济性零件的尺寸及重量一、常用材料二、机械零件材料的选用原则详细说明：塑料、橡胶、合成纤维：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢(如：08F 45 60 1Cr18）：灰铸铁、球墨铸铁(如：TH300 QT500-5)：强如钢、轻如铝、硬如金刚石：强度高、弹性模量大、质量轻 机械零件设计中的标准化12-9机械零件设计中的标准化 标准化的益处：与设计有关的标准:国际标准国家标准行业标准企业标准等如：ISOGB JB
16、、HBQB 国标分为：强制标准和推荐标准标准化有利于保证产品质量，减轻设计工作量，便于零部件的互换和组织专业化的大生产，以降低生产成本。强制性国家标准：代号为GB(为标准序号)(为批准年代)强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。推荐性国家标准：代号为GBT，这类标准占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的效果。标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。机械现代设计方法简介12-10机械现代设计方法简介 机械现代设计方法通常是相对传统的设计方法而言的。现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用
17、数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下列转换：q以动态的取代静态的如机器结构动力学计算。q以定量的取代定性的如有限元计算。q以随机量取代确定量如可靠性设计。q以优化设计取代可行性设计如优化设计。q并行设计取代串行设计如并行设计。q微观的取代宏观的如微纳米摩擦学设计。q系统工程法取代分部处理法如系统工程。q自动化设计取代人工设计的转化如计算机辅助设计。3-1 材料的疲劳特性3-2 机械零件的疲劳强度计算3-3 机械零件的抗断裂强度3-4 机械零件的接触强度第三章 机械零件的强度机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度强度准则强度准则是设计机械零件的最基本准则，即是设计机械零件
18、的最基本准则，即 。强度问题强度问题：静应力强度静应力强度：通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次：通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于数小于10103 3的通用零件，均按静应力强度进行设计。（材料力学范畴）的通用零件，均按静应力强度进行设计。（材料力学范畴）变应力强度变应力强度：在变应力作用下，零件产生疲劳破坏。：在变应力作用下，零件产生疲劳破坏。疲劳破坏定义疲劳破坏定义：金属材料试件在交变应力作用下，经过长时间的试验而：金属材料试件在交变应力作用下，经过长时间的试验而发生的破坏。发生的破坏。疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征：1 1）零件的最大应力在远小于静应力的强度极限时，
19、就可能发生破坏；）零件的最大应力在远小于静应力的强度极限时，就可能发生破坏；2 2）即使是塑性材料，在没有明显的塑性变形下就可能发生突然的脆性）即使是塑性材料，在没有明显的塑性变形下就可能发生突然的脆性断裂。断裂。疲劳破坏的原因疲劳破坏的原因：材料内部的缺陷、加工过程中的刀痕或零件局部的应：材料内部的缺陷、加工过程中的刀痕或零件局部的应力集中等导致产生了微观裂纹，称为裂纹源，在交变应力作用下，随力集中等导致产生了微观裂纹，称为裂纹源，在交变应力作用下，随着循环次数的增加，裂纹不断扩展，直至零件发生突然断裂。着循环次数的增加，裂纹不断扩展，直至零件发生突然断裂。Slim应力的分类应力的分类静应力
20、静应力：应力的大小和方向不随时间而变化或变化缓慢的应力。：应力的大小和方向不随时间而变化或变化缓慢的应力。零件相应的失效形式为塑性变形或断裂。零件相应的失效形式为塑性变形或断裂。交变应力交变应力：应力的大小和方向随时间作周期性变化的应力。零：应力的大小和方向随时间作周期性变化的应力。零件相应的失效形式为疲劳破坏。件相应的失效形式为疲劳破坏。例例：常见变应力及其基本变化规律常见变应力及其基本变化规律 22:minmaxminmaxmaxmin amr关系关系Otmaxminmamaxmax 最大应力最大应力 minmin 最小应力最小应力 m m 平均应力平均应力a a 应力幅应力幅 r r 变
21、应力循环特性变应力循环特性材料疲劳的两种类别材料的疲劳特性一、交变应力的描述m平均应力；a应力幅值max最大应力；min最小应力r 应力比（循环特性）2minmaxm2minmaxamaxminr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 对称循环变应力对称循环变应力m=0 r=-1 min=0 r=0 例例：火车轮轴、双向转动：火车轮轴、双向转动的齿轮轮齿的弯曲应力的齿轮轮齿的弯曲应力例例：单向转动的齿轮轮齿：单向转动的齿轮轮齿的弯曲应力的弯曲应力 -1 r 0 0 r NN ND D 曲线段曲线段 N NN ND D m
22、rrNNN0 有限寿命（为有限寿命（为N N）时的疲劳极限时的疲劳极限 m m 随应力状态而不同的指数随应力状态而不同的指数 NNrK CNNmrmrN 0 r 循环基数循环基数 ND=10625107 N0ADGC45450 0/2-10 0/2SmaOa-1OmSSam max三、等寿命疲劳曲线（极限应力线图）机械零件材料的疲劳特性除用N曲线表示外，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。在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。极限应力线图材料的疲劳特性用AC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直线的方程为：ma1smaC直线的方程为：0012
23、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：对于碳钢，0.10.2，对于合金钢，0.20.3。机械零件的疲劳强度计算13-2机械零件的疲劳强度计算一、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。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限-1与零件对称循环弯曲疲劳极限-1e的比值，即e11K在不对称循环时，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中的直线ADG 按比例向下移，成为右图所示的直线ADG，而极限应力曲线的 CG 部分，由于是按照静应力的要求来考虑的，故不须进行修正
24、。这样就得到了零件的极限应力线图。详细介绍 ADGC0 0/2SmaOADG Ke11 K20eK11 Ke11Smeae meeaeeK 1100121 KKe kK 零件的极限应力线图零件的极限应力线图meaeK 1或或机械零件的疲劳强度计算23-2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进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的 max 及 min确定平均应力m与应力幅a，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点M或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：应力
25、比为常数：r=C 平均应力为常数m=C 最小应力为常数min=C详细分析相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线上的某一个点所代表的应力。),(am计算安全系数及疲劳强度条件为：SSamammaxmaxca单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算 步骤步骤：根据零件载荷及结构情况，求根据零件载荷及结构情况，求minmin、maxmax及及a a、m m，并将其标在零件的极限应力线图中，如图并将其标在零件的极限应力线图中，如图2.62.6中中M M、N N点；点；求该工作应力点的零件疲劳极限求该工作应力点的零件疲劳极限 maxmax。SScamaxmaxlim说明说
26、明应遵循与工作应力变化规律相一致的原则，一般工作应力有三应遵循与工作应力变化规律相一致的原则，一般工作应力有三种变化情况：种变化情况：r=Cr=C（机器中转轴的应力状态）；（机器中转轴的应力状态）；m m=C=C（加载振动弹簧）；（加载振动弹簧）；minmin=C=C（受轴向力的紧螺栓联接）。（受轴向力的紧螺栓联接）。但通常采用但通常采用r=Cr=C来进行疲劳强度计算。来进行疲劳强度计算。建立计算安全系数的计算公式，进行计算。建立计算安全系数的计算公式，进行计算。1 1、r=Cr=C的情况的情况当当r=Cr=C时，找出一个与工作应力变化规律相同的极限应力。时，找出一个与工作应力变化规律相同的极
27、限应力。直线直线OMOM 1 1方程：方程：直线直线AGAG方程：方程：联解可求出联解可求出 aeae、meme，于是，于是M M 1 1点的零件极限应力点的零件极限应力Crrma11minmaxminmaxmameaemeaeK1 则则 （疲劳强度计算公式疲劳强度计算公式）当工作应力点当工作应力点N N处于处于OGCOGC区时：区时：mameaeKmax1maxSKSmaca1maxmaxlimSmaxmamaxSSmaScamaxmaxlim2 2、m=C的情况的情况联解直线联解直线MMMM 2 2和和AGAG方程，可得方程，可得M M 2 2点的坐标点的坐标 aeae、meme，于是，于
28、是M M 2 2点的零件极限应力点的零件极限应力 则则KKmmeae1maxSKKSammca1maxmaxlim3 3、min=C的情况的情况说明：说明：具体设计零件时，如果难于确定应力可能变化的规律，具体设计零件时，如果难于确定应力可能变化的规律，在实践中往往采用在实践中往往采用r=Cr=C时的公式；时的公式；对于剪切变应力，只需把以上各公式中的正应力符号对于剪切变应力，只需把以上各公式中的正应力符号改为切应力符号改为切应力符号即可；即可；规律性不稳定变应力机械零件的疲劳强度计算33-2机械零件的疲劳强度计算三、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算若应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用，则
29、应力 1 每循环一次对材料的损伤率即为1/N1，而循环了n1次的1对材料的损伤率即为n1/N1。如此类推，循环了n2次的2对材料的损伤率即为n2/N2，。当损伤率达到100%时，材料即发生疲劳破坏，故对应于极限状况有：1332211NnNnNn用统计方法进行疲劳强度计算不稳定变应力非规律性规律性按损伤累积假说进行疲劳强度计算详细分析机械零件的疲劳强度计算43-2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 当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力a 和ta时，由实验得出的极限应力关系式为：12e1a2e1att式中 ta及a为同时作用的切向及法向应力幅的极限值。若作用于零件上的
30、应力幅a及ta如图中M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。由于是对称循环变应力，故应力幅即为最大应力。弧线 AMB 上任何一个点即代表一对极限应力a及a。详细推导计算安全系数：22caSSSSOMOMS机械零件的疲劳强度计算53-2机械零件的疲劳强度计算五、提高机械零件疲劳强度的措施 在综合考虑零件的性能要求和经济性后，采用具有高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和各种表面强化处理。适当提高零件的表面质量，特别是提高有应力集中部位的表面加工 质量，必要时表面作适当的防护处理。尽可能降低零件上的应力集中的影响，是提高零件疲劳强度的首要 措施。尽可能地减少或消除零件
31、表面可能发生的初始裂纹的尺寸，对于延 长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。减载槽 在不可避免地要产生较大应力集中的结构处，可采用减载槽来降低应力集中的作用。机械零件的抗断裂强度3-3机械零件的抗断裂强度 在工程实际中，往往会发生工作应力小于许用应力时所发生的突然断裂，这种现象称为低应力脆断。对于高强度材料，一方面是它的强度高（即许用应力高），另一方面则是它抵抗裂纹扩展的能力要随着强度的增高而下降。因此，用传统的强度理论计算高强度材料结构的强度问题，就存在一定的危险性。断裂力学是研究带有裂纹或带有尖缺口的结构或构件的强度和变形规律的学科。通过对大量结构断裂事故分析表明，结构内部裂纹
32、和缺陷的存在是导致低应力断裂的内在原因。为了度量含裂纹结构体的强度，在断裂力学中运用了应力强度因子KI（或K、K）和断裂韧度KIC(或KC、KC）这两个新的度量指标来判别结构安全性，即：KIKIC时，裂纹不会失稳扩展。KIKIC时，裂纹失稳扩展。机机械零件的接触强度3-4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。22212121H1111EEBF 式中1和2 分别为两零件初
33、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。更多图片例题分析 第四章 摩擦、磨损与润滑概述4-1 摩擦4-2 磨损4-3 润滑剂、添加剂和润滑方法4-4 流体润滑原理简介4-0 概述q 摩擦是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；q 磨损是由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；q 润滑是减轻摩擦和磨损所应采取的措施。关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学(Tribology)。摩擦学 摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。随着科学技术的发展，摩擦学的理论和应用必将由
34、宏观进入微观，由静态进入动态，由定性进入定量，成为系统综合研究的领域。世界上使用的能源大约有 1/31/2 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。概述 4-0摩 擦摩 擦1二、摩擦的分类内 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。滚动摩擦
35、：物体表面间的运动形式是相对滚动。q“机械说”产生摩擦的原因是表面微凸体的相互阻碍作用；q“分子说”产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸力作用；一、摩擦的机理q“机械分子说”两种作用均有。4-11785年，法国的库仑用机械啮合概念解释干摩擦，提出摩擦理论。后来又有人提出分子吸引理论和静电力学理论。1935年，英国的鲍登等人开始用材料粘附概念研究干摩擦，1950年，鲍登提出了粘附理论。摩 擦2摩 擦三、种滑动摩擦状态（详细介绍）.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。.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。（详细介绍）4-
36、1边界摩擦边界摩擦：表面被吸附在表面的边界膜隔开；表面被吸附在表面的边界膜隔开；1按边界膜形成机理，边界膜分为：按边界膜形成机理，边界膜分为：物理吸附膜：润滑剂中脂肪酸的极性分子吸附在物理吸附膜：润滑剂中脂肪酸的极性分子吸附在吸附膜吸附膜 金属表面而形成；金属表面而形成；化学吸附膜：润滑剂中分子受化学键作用而吸附化学吸附膜：润滑剂中分子受化学键作用而吸附 在金属表面形成；在金属表面形成；反应膜反应膜润滑剂中以原子形式存在的润滑剂中以原子形式存在的S S、AlAl、P P元素与金元素与金 属反应生成化合物，在金属表面形成的薄膜。反属反应生成化合物，在金属表面形成的薄膜。反 应膜具有较高的熔点，比
37、吸附膜稳定。应膜具有较高的熔点，比吸附膜稳定。=油膜厚度/粗糙度摩 擦3摩 擦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。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。边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为不完全液体摩擦。随着科学技术的发展，关于摩擦学的研究已逐渐深入到微观研究领域，形成了微纳米摩擦学理论，引发出许多新的概念，比如提出了超润滑的概念等。从理论上讲，超润滑是实现摩擦系数为零的摩擦状态，但在实际研究中，一般认
38、为摩擦系数在0.001量级（或更低）的摩擦状态即可认为属于超润滑。关于这方面的研究也是目前微纳米摩擦学研究的一个重要方面，同学们应对此给予关注。4-1磨损是运动副之间的摩擦而导致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。磨 损1在设计或使用机器时，应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损的到来。为此就必须对形成磨损的机理有所了解。一个零件的磨损过程大致可分为三个阶段，即：磨合阶段新的零件在开始使用时一般处于这一阶段，磨损率较高。稳定磨损阶段属于零件正常工作阶段，磨损率稳定且较低。剧烈磨损阶段属于零件即将报废的阶段，磨损率急剧升高。摩 擦
39、2 对磨损的研究开展较晚，20世纪50年代提出粘着理论后，60年代在相继研制出各种表面分析仪器的基础上，磨损研究才得以迅速开展。（详细介绍）磨 损 4-2磨 损2F磨粒磨损也简称磨损，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。F冲蚀磨损流体中所夹带的硬质物质或颗粒，在流体冲击力作用下而在摩擦表面引起的磨损。F微动磨损是指摩擦副在微幅运动时，由上述各磨损机理共同形成的复合磨损。微幅运动可理解为不足以使磨粒脱离摩擦副的相对运动。F粘附磨损也称胶合，当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处由于瞬时的温升和压力发生“冷焊”后，在相对运动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘附磨损。F
40、疲劳磨损也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变的摩擦力作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的磨损。磨 损 关于磨损机理与分类的见解颇不一致，大体上可概括为：（更多介绍）F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。4-2润滑剂、添加剂和润滑方法一、润滑剂q 润滑油q 润滑脂q 固体润滑剂粘度的种类有很多，如：动力粘度、运动粘度、条件粘度等。润滑脂的主要质量指标是：锥入度，反映其稠度大小。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；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
41、10 cSt。滴点，决定工作温度。应用矿物油作润滑剂的记载最早见于西晋张华所著博物志，书中提到酒泉延寿和高奴有石油，并且用于“膏车及水碓甚佳”。（具体说明）润滑剂、添加剂和润滑方法工程中常用运动粘度，单位是：St(斯)或 cSt(厘斯)，量纲为(m2/s)；：动植物油、矿物油、合成油。：润滑油+稠化剂：石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。4-33 3、润滑润滑润滑油的主要指标：润滑油的主要指标：粘度、油性、极压性粘度、油性、极压性1 1）动力粘度）动力粘度牛顿粘性定律：在流体中任意点处的切应力均与该处流体的牛顿粘性定律：在流体中任意点处的切应力均与该处流体的速度梯度成正比。速度梯度成正比。v=0v=
42、Vvxyyvt力粘度。比例常数，即流体的动速度梯度；流体垂直于运动方向的力；流体单位面积上的切应_tyv2 2）运动粘度：动力粘度与同温度下该液体密度的比值）运动粘度：动力粘度与同温度下该液体密度的比值 3 3）条件粘度：利用某种规格的粘度计，通过测定润滑油穿过）条件粘度：利用某种规格的粘度计，通过测定润滑油穿过 规定孔道的时间来进行计量的粘度。规定孔道的时间来进行计量的粘度。油性油性（润滑性）：润滑油中的极性分子吸附在金属表面而形（润滑性）：润滑油中的极性分子吸附在金属表面而形 成物理吸附边界膜的性能；成物理吸附边界膜的性能；极压性极压性：润滑油中加入含硫、氯、磷的化合物（极压添加：润滑油中
43、加入含硫、氯、磷的化合物（极压添加 剂），在金属表面生成化学反应边界膜的性能。剂），在金属表面生成化学反应边界膜的性能。sm/2润滑脂的主要指标润滑脂的主要指标针入度针入度：重：重1.5N1.5N的锥体，于的锥体，于2525C C恒温下恒温下5s5s后刺入的深度；后刺入的深度；滴点滴点：在规定的加热条件下，润滑脂从标准测量杯的孔口：在规定的加热条件下，润滑脂从标准测量杯的孔口 滴下第一滴时的温度。滴下第一滴时的温度。润滑方法润滑油润滑在工程中的应用最普遍，常用的供油方式有：滴油润滑、浸油润滑、飞溅润滑、喷油润滑、油雾润滑等 用于低速 用于高速 油脂润滑常用于运转速度较低的场合，将润滑脂涂抹于需
44、润滑的零件上。润滑脂还可以用于简单的密封。润滑剂、添加剂和润滑方法三、润滑方法常用的润滑装置浸油与飞溅润滑喷油润滑4-3流体动力润滑形成的必要条件：q 楔形空间；q 相对运动（保证流体由大口进入）；q 连续不断地供油。流体动力润滑是指两个作相对运动物体的摩擦表面，借助于相对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开，由流体膜产生的压力来平衡外载荷。英国的雷诺于1886年继前人观察到的流体动压现象，总结出流体动压润滑理论。20世纪50年代普遍应用电子计算机之后，线接触弹性流体动压润滑的理论开始有所突破。流体润滑原理简介一、流体动力润滑流体润滑1 （动画）4-4流体润滑流体润滑原理简介二、弹性流体
45、动力润滑 弹性流体动力润滑理论是研究在点、线接触条件下，两弹性物体间的流体动力润滑膜的力学性质。这时的计算必须把在油膜压力下，摩擦表面的变形的弹性方程、表述润滑剂粘度与压力间关系的粘压方程与流体动力润滑的主要方程结合起来，以求解油膜压力分布、润滑膜厚度分布等问题。（详细说明）流体静力润滑是指借助外部供入的压力油形成的流体膜来承受外载荷的润滑方式。三、流体静力润滑（详细说明）采用流体静力润滑可在两个静止且平行的摩擦表面间形成流体膜，其承载能力不依赖于流体粘度，故能用粘度极低的润滑剂，且既可使摩擦副有较高的承载能力，又可使摩擦力矩降低。4-4流体润滑原理流体润滑原理 流体动压润滑流体动压润滑：两相对运动的摩擦表面借助于相对速度：两相对运动的摩擦表面借助于相对速度 而产生的粘性流体膜来平衡外载荷；而产生的粘性流体膜来平衡外载荷；弹性流体动压润滑弹性流体动压润滑：高副接触中，接触应力使表面产生：高副接触中，接触应力使表面产生 局部弹性变形，在接触区形成弹性流体局部弹性变形，在接触区形成弹性流体 动力润滑状态；动力润滑状态；流体静压润滑流体静压润滑：将加压后的流体送入摩擦表面之间，利：将加压后的流体送入摩擦表面之间，利 用流体静压力来平衡外载荷。用流体静压力来平衡外载荷。流体动压润滑流体动压润滑 楔形效应楔形效应
