第1篇機械設計總論

1、主編 邱宣懷參考書：參考書：1. 機械設計，濮良貴主編，高教出版社機械設計，濮良貴主編，高教出版社2. 機械設計，吳宗澤主編機械設計，吳宗澤主編 ，高教出版社，高教出版社 序號序號 考察項目考察項目 成績比例成績比例 1 期末考試期末考試 80 % 2 平時作業(yè)加實驗平時作業(yè)加實驗 20 %序號序號 考察項目考察項目 成績比例成績比例 1 設計說明書設計說明書 40 % 2 設計圖紙設計圖紙 60 %第第1章章 機械設計概論機械設計概論 1.1 課程性質和任務課程性質和任務 1.2 設計機器的基本原則和設計程序設計機器的基本原則和設計程序 1.3 機械零件設計概述機械零件設計概述 1.4 1.

2、5 1.6 1.7要求：要求：（1）了解課程的內容、性質與任務。）了解課程的內容、性質與任務。（2）掌握有關的基本概念。）掌握有關的基本概念。 基本概念：基本概念： 1.1課程性質和任務課程性質和任務機器：執(zhí)行機械運動的裝置，用來變換或傳遞能量、物料或信息。機器：執(zhí)行機械運動的裝置，用來變換或傳遞能量、物料或信息。機構：能實現(xiàn)預期的機械運動的各構件（包括機架）的基本組合體。機構：能實現(xiàn)預期的機械運動的各構件（包括機架）的基本組合體。機械：機器和機構的總稱。機械：機器和機構的總稱。機械零件：組成機器的不可拆的基本單元。機械零件：組成機器的不可拆的基本單元。部件：為完成同一使命在結構上組合在一起并

3、協(xié)同工作的零件。部件：為完成同一使命在結構上組合在一起并協(xié)同工作的零件。零件、構件、機構、機器等關系零件、構件、機構、機器等關系零件零件剛性剛性組合組合構件構件機架機架原動件原動件從動件從動件運動副運動副組合組合機構機構特征特征1）、）、2） 機器機器 特征特征 1）、）、2）、）、3）原動機原動機工作機工作機信息機信息機機器的基本組成要素是機械零件機器的基本組成要素是機械零件機械機械零件零件通用件：各種機器中普通使用的零件。如：齒輪、鏈傳動、帶傳動、通用件：各種機器中普通使用的零件。如：齒輪、鏈傳動、帶傳動、蝸桿傳動、螺旋傳動、軸、聯(lián)軸器、離合器；滾動軸承、滑動軸承、蝸桿傳動、螺旋傳動、軸、

4、聯(lián)軸器、離合器；滾動軸承、滑動軸承、螺栓、鍵、花鍵、銷；鉚、焊、膠結構件、彈簧、機架、箱體等。螺栓、鍵、花鍵、銷；鉚、焊、膠結構件、彈簧、機架、箱體等。專用件：只在一定類型的機器中使用的零件。如：葉片、犁鏵、槍專用件：只在一定類型的機器中使用的零件。如：葉片、犁鏵、槍栓等。栓等。標準件：經過優(yōu)選、簡化、統(tǒng)一，并給以標準代號的零件和部件。標準件：經過優(yōu)選、簡化、統(tǒng)一，并給以標準代號的零件和部件。易損件：在正常運轉過程中容易損壞，并在規(guī)定期限內必須更換的易損件：在正常運轉過程中容易損壞，并在規(guī)定期限內必須更換的零件或部件。零件或部件。本課程只研究通用零件。本課程只研究通用零件。課程性質：技術基礎課

5、。課程性質：技術基礎課。課程內容：機械零件的設計和計算。課程內容：機械零件的設計和計算。課程目的（任務）：綜合運用各種機械零件、各種機構課程目的（任務）：綜合運用各種機械零件、各種機構的知識以及其他先修課程的知識，掌握設計機械傳動裝的知識以及其他先修課程的知識，掌握設計機械傳動裝置和一般機械的能力。置和一般機械的能力。 1）有正確的設計思想并勇于創(chuàng)新探索；）有正確的設計思想并勇于創(chuàng)新探索；2）掌握通用機械零部件的設計原理、方法和一般規(guī)律，）掌握通用機械零部件的設計原理、方法和一般規(guī)律，進而具有綜合運用所學知識，研究改進或開發(fā)新的基礎進而具有綜合運用所學知識，研究改進或開發(fā)新的基礎件及設計簡單的

6、機械的能力；件及設計簡單的機械的能力；3）具有運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊和查閱有關技術資）具有運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊和查閱有關技術資料的能力；料的能力；4）掌握典型機械零件的試驗方法，獲得基本的試驗技能）掌握典型機械零件的試驗方法，獲得基本的試驗技能的基本訓練；的基本訓練；5）了解機械設計的最新動態(tài)。）了解機械設計的最新動態(tài)。課程性質：課程性質：一門設計性質的技術基礎課，起承上啟下的作用。一門設計性質的技術基礎課，起承上啟下的作用。 承上：本課程與前面所學的課程：高數(shù)、制圖、力學、機械原理、承上：本課程與前面所學的課程：高數(shù)、制圖、力學、機械原理、公差等均有聯(lián)系公差等均有聯(lián)系啟下：本課程是

7、學習后續(xù)專業(yè)課程的基礎：機制工藝學、機電一啟下：本課程是學習后續(xù)專業(yè)課程的基礎：機制工藝學、機電一體化、機床、刀具、汽車等體化、機床、刀具、汽車等l本課程所涉及的先修課程有：本課程所涉及的先修課程有：l工程制圖：設計的圖形表達。工程制圖：設計的圖形表達。l工程材料：非金屬材料，金屬材料及熱處理。工程材料：非金屬材料，金屬材料及熱處理。l機械制造基礎：冷加工工藝，熱加工工藝。機械制造基礎：冷加工工藝，熱加工工藝。l公差配合與技術測量：解決精度設計問題。公差配合與技術測量：解決精度設計問題。l理論力學：解決力分析與動力計算。理論力學：解決力分析與動力計算。l材料力學：解決強度分析問題。材料力學：解

8、決強度分析問題。l機械原理：解決機械的方案設計。機械原理：解決機械的方案設計。本課程的具體內容本課程的具體內容2）連接部分：螺紋聯(lián)接，鍵聯(lián)接，過盈聯(lián)接，鉚接，焊接）連接部分：螺紋聯(lián)接，鍵聯(lián)接，過盈聯(lián)接，鉚接，焊接3）傳動部分：螺旋傳動，帶傳動，鏈傳動，齒輪傳動，蝸桿傳動）傳動部分：螺旋傳動，帶傳動，鏈傳動，齒輪傳動，蝸桿傳動以及摩擦輪傳動等；以及摩擦輪傳動等；4）軸系部分：軸，滑動軸承，滾動軸承，聯(lián)軸器，離合器）軸系部分：軸，滑動軸承，滾動軸承，聯(lián)軸器，離合器5）其他部分：彈簧，減速器，機架）其他部分：彈簧，減速器，機架1）總論部分：機器及零件設計的基本原則，設計計算理論，材料）總論部分：機器

9、及零件設計的基本原則，設計計算理論，材料選擇，結構要求，以及摩擦、磨損、潤滑等方面的基本知識；選擇，結構要求，以及摩擦、磨損、潤滑等方面的基本知識；數(shù)控車床數(shù)控車床1.2.1 設計機器時應滿足的要求設計機器時應滿足的要求滿足功能要求，同時滿足使用方便、安全可靠、經濟合理、外形滿足功能要求，同時滿足使用方便、安全可靠、經濟合理、外形美觀等要求。美觀等要求。1.2.2設計方法設計方法1.內插式設計：有成功的經驗、需技術改進、少量試驗研究內插式設計：有成功的經驗、需技術改進、少量試驗研究2.外推式設計：有部分經驗，但外推部分處于未知領域外推式設計：有部分經驗，但外推部分處于未知領域3.開放式設計：應

10、用新原理、新技術設計新型技術裝備的工作開放式設計：應用新原理、新技術設計新型技術裝備的工作1.2.3設計程序設計程序 四個階段四個階段調查決策階段、研究設計階段、試制階段、投產銷售階段調查決策階段、研究設計階段、試制階段、投產銷售階段 1.2 設計機器的基本原則和設計程序設計機器的基本原則和設計程序1.3.1 設計機械零件時應滿足的要求設計機械零件時應滿足的要求工作可靠工作可靠 強度、剛度強度、剛度工作能力的準則工作能力的準則成本低廉成本低廉 設計成本、制造成本設計成本、制造成本 從材料、精度等方面考慮從材料、精度等方面考慮1.3.2 設計步驟設計步驟a.擬畫零件受力簡圖擬畫零件受力簡圖b.確

11、定零件的載荷確定零件的載荷 名義載荷、計算載荷、載荷系數(shù)名義載荷、計算載荷、載荷系數(shù)c.選擇零件的材料選擇零件的材料d.確定零件的主要尺寸確定零件的主要尺寸e. 繪制零件工作圖繪制零件工作圖 1.3 機械零件設計概述機械零件設計概述1.3.3 設計計算和校核計算設計計算和校核計算設計計算：根據(jù)零件的工作情況和選定的工作能力準則擬定出安設計計算：根據(jù)零件的工作情況和選定的工作能力準則擬定出安全條件，用計算方法求出零件危險截面的尺寸。全條件，用計算方法求出零件危險截面的尺寸。校核計算：根據(jù)工作能力準則校核危險截面是否安全。校核計算：根據(jù)工作能力準則校核危險截面是否安全。1.3.4 標準化、系列化、

12、通用化標準化、系列化、通用化標準化：標準化：系列化：系列化：通用化：通用化：“三化三化”的意義：的意義：對零件的尺寸、結構要素、材料特性、檢驗方法、設：對零件的尺寸、結構要素、材料特性、檢驗方法、設計方法、制圖要求等制定出統(tǒng)一的共同遵守的標準（如：螺紋聯(lián)計方法、制圖要求等制定出統(tǒng)一的共同遵守的標準（如：螺紋聯(lián)接件，滾動軸承等用途最廣的零件進行大量的、集中制造，用戶接件，滾動軸承等用途最廣的零件進行大量的、集中制造，用戶根據(jù)要求選用）。根據(jù)要求選用）。：對同一產品，為了適應不同的使用條件，在同一基本：對同一產品，為了適應不同的使用條件，在同一基本結構或基本尺寸的條件下，規(guī)定出若干個輔助尺寸不同的

13、產品，結構或基本尺寸的條件下，規(guī)定出若干個輔助尺寸不同的產品，稱為不同的系列（如：滾動軸承的直徑系列、寬度系列，工程機稱為不同的系列（如：滾動軸承的直徑系列、寬度系列，工程機械的系列化）械的系列化）：1）提高質量，降低成本；）提高質量，降低成本；2）統(tǒng)一了材料和零件的性能指標，提高了零件性能的可靠性；）統(tǒng)一了材料和零件的性能指標，提高了零件性能的可靠性；3）簡化設計工作，提高設計質量，簡化機器的維修。）簡化設計工作，提高設計質量，簡化機器的維修。第第2章章 機械零件的工作能力和計算準則機械零件的工作能力和計算準則緒論緒論 2.1 載荷和應力的分類載荷和應力的分類 2.2 機械零件的強度機械零件

14、的強度 2.3 機械零件的表面強度機械零件的表面強度 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8要求：要求：1、掌握通用機械零部件工作能力設計和結、掌握通用機械零部件工作能力設計和結構設計的基本知識、基本理論與基本方構設計的基本知識、基本理論與基本方法。法。2、要求考生具有運用上述基本知識、基本、要求考生具有運用上述基本知識、基本理論與基本方法解決實際問題的能力。理論與基本方法解決實際問題的能力。 緒論緒論失效：機械零件喪失工作能力或達不到設計要求性能時，稱為失失效：機械零件喪失工作能力或達不到設計要求性能時，稱為失效。同一種零件發(fā)生失效的形式可能有多種，不同的工作條件，效。同一種零件發(fā)生失效的形

15、式可能有多種，不同的工作條件，失效形式不同。失效形式不同。工作能力：零件不發(fā)生失效時的安全工作限度稱為工作能力。工作能力：零件不發(fā)生失效時的安全工作限度稱為工作能力。機械零件的設計準則w 強度準則 剛度準則 設計零件時，首先應根據(jù)零件的失效形式確定其設計準則以及相應的設計計算方法。一般來講，有以下幾種準則： 振動穩(wěn)定性準則w 可靠性準則：確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過大的塑性變形，是最基本的設計準則。：確保零件不發(fā)生過大的彈性變形。：高速運轉機械的設計應注重此項準則。：當計及隨機因素影響時，仍應確保上述各項準則。2.1.1 2.1.1 載荷分類載荷分類 2.1載荷和應力的分類載荷和應力的分類靜載荷

16、：載荷的大小與方向不隨時間變化或隨時間變化緩慢靜載荷：載荷的大小與方向不隨時間變化或隨時間變化緩慢變載荷：變載荷：1）循環(huán)變載荷（載荷循環(huán)變化）循環(huán)變載荷（載荷循環(huán)變化） 2）隨機（變）載荷）隨機（變）載荷載荷的頻率和幅值均隨機變化載荷的頻率和幅值均隨機變化載荷載荷名義載荷：名義載荷：計算載荷：計算載荷：動力機和工作機見表動力機和工作機見表2.1循環(huán)變循環(huán)變應力應力非對稱循環(huán)變應力非對稱循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力靜應力：不隨時間變化或變化緩慢的應力。靜應力：不隨時間變化或變化緩慢的應力。變應力變應力 ：不穩(wěn)定變應力：應力變化的周期不穩(wěn)定變應力：應力變化的

17、周期T、平均應力和應力幅三者之一不為常數(shù)、平均應力和應力幅三者之一不為常數(shù) 穩(wěn)定循環(huán)變應力：穩(wěn)定循環(huán)變應力：T、平均應力、應力幅均不變、平均應力、應力幅均不變2.1.2 2.1.2 應力分類應力分類靜載荷靜載荷靜應力靜應力變載荷變載荷變應力變應力名義應力名義應力由名義載荷產生的應力由名義載荷產生的應力計算應力計算應力由計算載荷產生的應力，計算應力中計入了應力集中由計算載荷產生的應力，計算應力中計入了應力集中等影響。機械零件的尺寸常取決于危險截面處的最大計算應力。等影響。機械零件的尺寸常取決于危險截面處的最大計算應力。五個參數(shù)：五個參數(shù)：sm平均應力； sa應力幅值smax最大應力； smin最

18、小應力r應力比（循環(huán)特性）2minmaxmsss2minmaxasssmaxminssr描述規(guī)律性的交變應力可有5個參數(shù)，但其中只有兩個參數(shù)是獨立的。r = -1對稱循環(huán)應力r=0脈動循環(huán)應力r=1靜應力 t應力分類應力分類1靜應力靜應力2變應力變應力a穩(wěn)定變應力穩(wěn)定變應力b不穩(wěn)定變應力不穩(wěn)定變應力特點：特點：max=min=ma=0；r=1循環(huán)變應力分類：循環(huán)變應力分類：1）對稱循環(huán)變應力）對稱循環(huán)變應力10 :minmaxrmassss特點2）脈動循環(huán)變應力）脈動循環(huán)變應力0r02 :minammmaxsssss特點3）非對稱循環(huán)變應力）非對稱循環(huán)變應力特點：特點：r0 例：圖示軸受載荷例

19、：圖示軸受載荷F作用作用 a. 軸不轉軸不轉b. 軸轉動軸轉動試分析其應力情況（試分析其應力情況（A點）點）FAA2.2.1 2.2.1 兩種判斷零件強度的方法兩種判斷零件強度的方法 2.2機械零件的強度機械零件的強度1 1、強度條件、強度條件2、實際安全系數(shù)、實際安全系數(shù) sssssslimlimlimlimssssssss2.2.2 2.2.2 靜應力強度靜應力強度靜應力時零件的主要失效形式：塑性變形靜應力時零件的主要失效形式：塑性變形 或或 斷裂斷裂塑性材料塑性材料 脆性材料脆性材料塑性材料極限應力：塑性材料極限應力：脆性材料極限應力：脆性材料極限應力：1、單向應力時塑性材料零件、單向應

20、力時塑性材料零件（屈服極限）（屈服極限）sssslimlim2、3、4、（略）、（略）（屈服極限）（屈服極限）sssslimlim強度極限）強度極限）(limlimBBss2.2.3 2.2.3 變應力強度變應力強度失效形式：疲勞斷裂失效形式：疲勞斷裂疲勞極限疲勞極限rNrN:r:r一定時，一定時，應力循環(huán)應力循環(huán)N次后材料不發(fā)生疲勞破壞時的次后材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應力稱為材料的疲勞極限。最大應力稱為材料的疲勞極限。影響因素：除與材料性能、循環(huán)特性、應力循環(huán)次數(shù)影響因素：除與材料性能、循環(huán)特性、應力循環(huán)次數(shù)N有關外，還有關外，還有應力集中、零件尺寸、表面狀態(tài)等有關。有應力集中、零件尺寸、

21、表面狀態(tài)等有關。2.2.4 許用安全系數(shù)許用安全系數(shù)應力不同，許用安全系數(shù)不同；材料不同，許用安全系數(shù)不同。應力不同，許用安全系數(shù)不同；材料不同，許用安全系數(shù)不同。見課本。見課本。在保證安全、可靠的前提下，盡可能選取較小的許用安全系數(shù)。在保證安全、可靠的前提下，盡可能選取較小的許用安全系數(shù)。2.2.5 2.2.5 提高機械零件強度的措施提高機械零件強度的措施1、合理布置零件，減少所受載荷、合理布置零件，減少所受載荷2、降低載荷集中，均勻載荷分布、降低載荷集中，均勻載荷分布3、采用等強度結構、采用等強度結構4、選用合理截面、選用合理截面5、減小應力集中、減小應力集中減載槽減載槽 2.3機械零件的

22、表面強度機械零件的表面強度 當兩零件以點、線相接處時，其接觸的局部會引起較大的應力。這局部的應力稱為接觸應力。22212121H1111EEBFs 式中1和2 分別為兩零件初始接觸線處的曲率半徑, 其中正號用于外接觸，負號用于內接觸。對于線接觸的情況，其接觸應力可用赫茲應力公式計算。更多圖片表面強度分為：表面強度分為：1 1）表面接觸強度；）表面接觸強度；2 2）表面擠壓強度；）表面擠壓強度；3 3）表面磨損強度）表面磨損強度2.3.1 表面接觸強度表面接觸強度 表表2.3例例1例例2表面疲勞磨損（疲勞點蝕、點蝕）：表面疲勞磨損（疲勞點蝕、點蝕）：形成過程：形成過程：點蝕的形成和潤滑油的關系：

23、點蝕的形成和潤滑油的關系：接觸疲勞極限接觸疲勞極限Hlim:Hlim:最大接觸應力最大接觸應力Hmax:2.3.2提高表面接觸強度的主要措施提高表面接觸強度的主要措施1、增大綜合曲率半徑、增大綜合曲率半徑2、外接觸改為內接觸、外接觸改為內接觸3、點接觸改為線接觸、點接觸改為線接觸4、提高零件表面硬度、提高零件表面硬度5、提高接觸表面的加工質量、提高接觸表面的加工質量6、采用粘度較高的潤滑油、采用粘度較高的潤滑油第第3章章 機械零件的疲勞強度機械零件的疲勞強度緒論緒論 3.1 疲勞斷裂特征疲勞斷裂特征 3.2 疲勞曲線和疲勞極限應力圖疲勞曲線和疲勞極限應力圖 3.3 影響機械零件疲勞強度的主要因

24、素度影響機械零件疲勞強度的主要因素度 3.4 許用疲勞極限應力圖許用疲勞極限應力圖 3.5 穩(wěn)定變應力時的安全系數(shù)計算穩(wěn)定變應力時的安全系數(shù)計算 3.6 3.7 3.8要求要求:（1）掌握疲勞極限概念、兩種材料疲勞曲線及其方程的應用、材）掌握疲勞極限概念、兩種材料疲勞曲線及其方程的應用、材料無限壽命疲勞極限和有限壽命疲勞極限的確定方法。料無限壽命疲勞極限和有限壽命疲勞極限的確定方法。 （2）熟練掌握塑性材料機械零件的簡化極限應力圖的繪制和應用。）熟練掌握塑性材料機械零件的簡化極限應力圖的繪制和應用。對于在非對稱循環(huán)應力下工作的零件，應能在該圖上找到工作應對于在非對稱循環(huán)應力下工作的零件，應能在

25、該圖上找到工作應力點和求出極限應力點，判斷零件可能發(fā)生的失效形式。力點和求出極限應力點，判斷零件可能發(fā)生的失效形式。（3）了解影響實際零件疲勞極限的因素。）了解影響實際零件疲勞極限的因素。（4）熟練掌握單向穩(wěn)定變應力時機械零件疲勞強度的三種校核計）熟練掌握單向穩(wěn)定變應力時機械零件疲勞強度的三種校核計算。算。（5）掌握單向不穩(wěn)定變應力時的疲勞強度計算。）掌握單向不穩(wěn)定變應力時的疲勞強度計算。 （6）了解在雙向穩(wěn)定變應力下工作的零件其疲勞強度的計算方法。）了解在雙向穩(wěn)定變應力下工作的零件其疲勞強度的計算方法。 （7）了解兩平行圓柱體相壓的接觸應力計算。）了解兩平行圓柱體相壓的接觸應力計算。 安全安

26、全壽命設計：不允許出現(xiàn)疲勞裂紋壽命設計：不允許出現(xiàn)疲勞裂紋破損破損安全設計：允許存在裂紋安全設計：允許存在裂紋 3.1疲勞斷裂特征疲勞斷裂特征斷裂過程：斷裂過程：裂紋產生裂紋產生 應力較大處形成疲勞源應力較大處形成疲勞源裂紋擴展裂紋擴展 裂紋尖端在切應力作用下，反復擴展，直至產生疲裂紋尖端在切應力作用下，反復擴展，直至產生疲勞裂紋勞裂紋斷裂面：見圖斷裂面：見圖3.1光滑區(qū)（疲勞發(fā)展區(qū)）光滑區(qū)（疲勞發(fā)展區(qū)）粗糙區(qū)（脆性斷裂區(qū)）粗糙區(qū)（脆性斷裂區(qū)）見表見表3.1 3.2疲勞曲線和疲勞極限應力圖疲勞曲線和疲勞極限應力圖3.2.1 疲勞曲線疲勞曲線 表示循環(huán)次數(shù)表示循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限與疲勞極限rN間

27、的關系曲線。間的關系曲線。NN0時，疲勞曲線為水平線，即疲勞極限不再隨循環(huán)次數(shù)的增加時，疲勞曲線為水平線，即疲勞極限不再隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低，稱為無限壽命區(qū)。而降低，稱為無限壽命區(qū)。N0次循環(huán)的疲勞極限記為：循環(huán)特性次循環(huán)的疲勞極限記為：循環(huán)特性r時為時為r、r，對稱循環(huán)時為，對稱循環(huán)時為-1、-1，脈動循環(huán)為，脈動循環(huán)為0、0。1.有限壽命區(qū)有限壽命區(qū)（NN0）N .例例5 某受穩(wěn)定彎曲變應力作用的軸類零件，最大工作應力某受穩(wěn)定彎曲變應力作用的軸類零件，最大工作應力max =400MPa，最小工作應力，最小工作應力min =-100MPa。已知材料的對稱循環(huán)疲。已知材料的對稱循環(huán)疲勞極限勞

28、極限 -1=450MPa，脈動循環(huán)疲勞極限，脈動循環(huán)疲勞極限0=700MPa，屈服極限，屈服極限 s=800MPa。（1）試繪出材料的簡化疲勞極限應力圖；）試繪出材料的簡化疲勞極限應力圖；（2）在簡化疲勞極限應力圖上標明工作應力點）在簡化疲勞極限應力圖上標明工作應力點M；（3）說明該零件可能的失效形式（簡單加載）。）說明該零件可能的失效形式（簡單加載）。第第4章章 摩擦、磨損、潤滑摩擦、磨損、潤滑 4.1摩擦的種類及其基本性質摩擦的種類及其基本性質 4.2 干摩擦干摩擦 4.3 邊界摩擦潤滑邊界摩擦潤滑 4.4 磨損磨損 4.5 流體摩擦潤滑流體摩擦潤滑 4.6 膜厚比與潤滑狀態(tài)膜厚比與潤滑狀

29、態(tài) 4.7 潤滑劑、添加劑潤滑劑、添加劑 4.8 潤滑油粘度潤滑油粘度 4.9 工業(yè)用潤滑油和潤滑脂簡介工業(yè)用潤滑油和潤滑脂簡介 要求：要求：1.理解摩擦、磨損與潤滑的基本概念理解摩擦、磨損與潤滑的基本概念,摩擦、磨損的機理和摩擦、磨損的機理和基本類型基本類型,潤滑劑主要指標與潤滑的基本方法。潤滑劑主要指標與潤滑的基本方法。2.流體動力潤滑、流體靜力潤滑的基本概念與原理。流體動力潤滑、流體靜力潤滑的基本概念與原理。 摩擦的危害：能量損耗、效率降低、溫度升高、表面磨損等。摩擦的危害：能量損耗、效率降低、溫度升高、表面磨損等。 4.1摩擦的種類及其基本性質摩擦的種類及其基本性質在摩擦下工作的零件，

30、主要有兩類：在摩擦下工作的零件，主要有兩類：要求：摩擦阻力小，如滾動軸承、齒輪傳動等，需要減磨材料。要求：摩擦阻力小，如滾動軸承、齒輪傳動等，需要減磨材料。要求：摩擦阻力大，如帶傳動等，需要耐磨材料。要求：摩擦阻力大，如帶傳動等，需要耐磨材料。摩擦力：在外力作用下，一物體相對于另一物體運動或有運動趨勢時在摩擦力：在外力作用下，一物體相對于另一物體運動或有運動趨勢時在摩擦表面上所產生的切向力。摩擦表面上所產生的切向力。按摩擦狀態(tài)分：按摩擦狀態(tài)分：干摩擦干摩擦流體摩擦（流體潤滑）流體摩擦（流體潤滑）邊界摩擦（邊界潤滑）邊界摩擦（邊界潤滑）混合摩擦（混合潤滑）混合摩擦（混合潤滑）干摩擦：干摩擦：表面

31、間無任何潤滑劑或保護膜的純金屬接觸時的摩擦。摩表面間無任何潤滑劑或保護膜的純金屬接觸時的摩擦。摩擦阻力大、磨損嚴重、應力求避免。擦阻力大、磨損嚴重、應力求避免。邊界摩擦：邊界摩擦：摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開，其摩擦性質取決摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開，其摩擦性質取決于邊界膜和表面的吸附性能時的摩擦。于邊界膜和表面的吸附性能時的摩擦。流體摩擦：流體摩擦：摩擦表面被流體膜隔開，摩擦性質取決于流體內部分摩擦表面被流體膜隔開，摩擦性質取決于流體內部分子間粘性阻力的摩擦。流體摩擦時的摩擦系數(shù)最小，且不會有磨子間粘性阻力的摩擦。流體摩擦時的摩擦系數(shù)最小，且不會有磨損產生，是理想的摩擦狀態(tài)。損產生

32、，是理想的摩擦狀態(tài)。混合摩擦：混合摩擦：摩擦表面間處于干摩擦、邊界摩擦和流體摩擦的混合狀摩擦表面間處于干摩擦、邊界摩擦和流體摩擦的混合狀態(tài)。態(tài)。邊界摩擦和混合摩擦在工程實際中很難區(qū)分，常統(tǒng)稱為邊界摩擦。邊界摩擦和混合摩擦在工程實際中很難區(qū)分，常統(tǒng)稱為邊界摩擦。要求低摩擦時：流體摩擦比較理想，邊界摩擦、混合摩擦為最低要求低摩擦時：流體摩擦比較理想，邊界摩擦、混合摩擦為最低要求。要求。要求高摩擦時：大多處于干摩擦或邊界摩擦。要求高摩擦時：大多處于干摩擦或邊界摩擦。圖圖4.2摩擦特性曲線摩擦特性曲線圖圖4.3磨損曲線磨損曲線 4.2 干摩擦干摩擦機械摩擦理論：認為兩個粗糙表面接觸時，接觸點相互嚙合，

33、摩擦機械摩擦理論：認為兩個粗糙表面接觸時，接觸點相互嚙合，摩擦力為嚙合點間切向阻力的總和，表面越粗糙，摩擦力就越大。但不力為嚙合點間切向阻力的總和，表面越粗糙，摩擦力就越大。但不能解釋光滑表面間的摩擦現(xiàn)象能解釋光滑表面間的摩擦現(xiàn)象表面愈光滑、接觸面越大，摩擦表面愈光滑、接觸面越大，摩擦力越大，且與滑動速度力越大，且與滑動速度V有關。有關。 簡單粘著理論：如圖簡單粘著理論：如圖4.4所示，摩擦副真實接觸面積只有表現(xiàn)接觸面所示，摩擦副真實接觸面積只有表現(xiàn)接觸面積積A的百分之一和萬分之一，的百分之一和萬分之一，接觸面上壓力很大，很容易達到接觸面上壓力很大，很容易達到材料的壓縮屈服極限材料的壓縮屈服極

34、限產生塑性流動產生塑性流動接觸面接觸面，應力并不升高。應力并不升高。NFF 4.3 邊界摩擦潤滑邊界摩擦潤滑物理吸附膜：物理吸附膜：潤滑油中脂肪酸極性分子與金屬表面相互吸引而引潤滑油中脂肪酸極性分子與金屬表面相互吸引而引成的吸附膜，距表面愈遠吸附能力愈弱，剪切強度愈低。溫度對成的吸附膜，距表面愈遠吸附能力愈弱，剪切強度愈低。溫度對物理吸附膜影響較大，受熱膜易脫附、亂向甚至破壞，物理吸附膜影響較大，受熱膜易脫附、亂向甚至破壞，適于常適于常溫、輕載、低速下工作。溫、輕載、低速下工作?；瘜W吸附膜：化學吸附膜：潤滑油中的分子靠分子鍵與金屬表面形成化學吸附潤滑油中的分子靠分子鍵與金屬表面形成化學吸附膜。

35、其強度、穩(wěn)定性好于物理吸附膜，受熱后熔化溫度較高，膜。其強度、穩(wěn)定性好于物理吸附膜，受熱后熔化溫度較高， 適合于中等載荷、速度和溫度下工作。適合于中等載荷、速度和溫度下工作?；瘜W反應膜：化學反應膜：潤滑油中加入硫、磷等元素的化合物（即添加劑）潤滑油中加入硫、磷等元素的化合物（即添加劑）與金屬表面進行化學反應而形成的膜，其膜較厚、熔點較高、剪與金屬表面進行化學反應而形成的膜，其膜較厚、熔點較高、剪切強度較低、穩(wěn)定性較好，切強度較低、穩(wěn)定性較好，適合于重載、高速和高溫。適合于重載、高速和高溫。圖圖4.3 圖圖4.10提高邊界膜強度的措施：提高邊界膜強度的措施：1）控制）控制PV（控制摩擦發(fā)熱，防止

36、脫附）；（控制摩擦發(fā)熱，防止脫附）；2）合理選擇摩擦副材料及潤滑劑；）合理選擇摩擦副材料及潤滑劑；3）降低表面粗糙度；）降低表面粗糙度；4）在潤滑劑中加入油性潤滑劑和極壓添加劑，提高邊界膜的強度。）在潤滑劑中加入油性潤滑劑和極壓添加劑，提高邊界膜的強度。 4.4 磨損磨損磨損：使摩擦表面的物質不斷損失的現(xiàn)象。磨損：使摩擦表面的物質不斷損失的現(xiàn)象。磨損率：單位時間內材料的磨損量。磨損率：單位時間內材料的磨損量。耐磨性：磨損過程中材料抵抗脫落的能力，用磨損率的倒數(shù)來表示。耐磨性：磨損過程中材料抵抗脫落的能力，用磨損率的倒數(shù)來表示。磨損過程磨損過程:(分三個階段分三個階段)磨合磨損過程：磨合磨損過程

37、：形成一個穩(wěn)定的表面粗糙度，且在以后過程中，此粗糙度不形成一個穩(wěn)定的表面粗糙度，且在以后過程中，此粗糙度不會繼續(xù)改變，所占時間比率較小。會繼續(xù)改變，所占時間比率較小。穩(wěn)定磨損階段：穩(wěn)定磨損階段：經磨合的摩擦表面加工硬化，形成了穩(wěn)定的表面粗糙度，摩經磨合的摩擦表面加工硬化，形成了穩(wěn)定的表面粗糙度，摩擦條件保持相對穩(wěn)定，磨損較慢擦條件保持相對穩(wěn)定，磨損較慢該段時間長短反映零件的壽命。該段時間長短反映零件的壽命。急劇磨損階段：急劇磨損階段：經穩(wěn)定磨損后，零件表面破壞，運動副間隙增大經穩(wěn)定磨損后，零件表面破壞，運動副間隙增大動載、振動載、振動動潤滑狀態(tài)改變潤滑狀態(tài)改變溫升溫升使磨損速度急劇上升使磨損速

38、度急劇上升直至零件失效直至零件失效注意：注意：實際機械零件在使用過程中，這三個過程無明顯界限。實際機械零件在使用過程中，這三個過程無明顯界限。設計或使用機器的原則：設計或使用機器的原則：力求縮短磨合期，延長穩(wěn)定磨損力求縮短磨合期，延長穩(wěn)定磨損期，推遲劇烈磨損到來。期，推遲劇烈磨損到來。說明：說明：跑合磨損跑合磨損(磨合磨合)階段階段若不經跑合，壓力過大，若不經跑合，壓力過大，v過高或潤滑不良等，則經跑合直接進入過高或潤滑不良等，則經跑合直接進入劇烈磨損階段。跑合時，應由輕至重、緩慢加載，并注意油的清劇烈磨損階段。跑合時，應由輕至重、緩慢加載，并注意油的清潔，防止磨屑進入摩擦面而造成劇烈磨損和發(fā)

39、熱。潔，防止磨屑進入摩擦面而造成劇烈磨損和發(fā)熱。按破壞機理分，按破壞機理分，磨損主要有四種基本類型：磨損主要有四種基本類型：粘著磨損、表面疲勞磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損粘著磨損、表面疲勞磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損4.4.1 粘著磨損粘著磨損1）輕微磨損（較淺層）輕微磨損（較淺層）2）涂抹（剪切在軟金屬淺層）涂抹（剪切在軟金屬淺層）3）劃傷（剪切在軟金屬淺層，硬表面劃傷）劃傷（剪切在軟金屬淺層，硬表面劃傷）4）撕脫（剪切在基本金屬較深處）撕脫（剪切在基本金屬較深處）5）咬死）咬死 粘著嚴重粘著嚴重減輕粘著磨損的措施：減輕粘著磨損的措施：1）合理選擇摩擦副材料；）合理選擇摩擦副材料；2）采用含有油性和

40、極壓添加劑的潤滑劑；）采用含有油性和極壓添加劑的潤滑劑；3）限制摩擦表面的溫度；）限制摩擦表面的溫度；4）控制壓強。）控制壓強。4.4.2 表面疲勞磨損（點蝕）表面疲勞磨損（點蝕）受交變接觸應力的摩擦副表面，有小塊金屬在重復變形時疲勞破受交變接觸應力的摩擦副表面，有小塊金屬在重復變形時疲勞破壞而從摩擦副表面剝落下來，這種現(xiàn)象稱表面疲勞磨損（點蝕）。壞而從摩擦副表面剝落下來，這種現(xiàn)象稱表面疲勞磨損（點蝕）。提高摩擦副的表面疲勞壽命的措施：提高摩擦副的表面疲勞壽命的措施：1）合理選擇摩擦副材料；）合理選擇摩擦副材料；2）合理選擇表面粗糙度；）合理選擇表面粗糙度；3）合理選擇潤滑油粘度；）合理選擇潤

41、滑油粘度；4）合理選擇表面硬度。）合理選擇表面硬度。齒面接觸疲勞4.4.3磨粒磨損磨粒磨損硬質顆?；蚰Σ帘砻嫔系挠操|突出物，在摩擦過程中引起材料脫硬質顆粒或摩擦表面上的硬質突出物，在摩擦過程中引起材料脫落的現(xiàn)象。落的現(xiàn)象。4.4.4腐蝕磨損腐蝕磨損摩擦過程中，金屬與周圍介質發(fā)生化學反應或電化學反應而引起摩擦過程中，金屬與周圍介質發(fā)生化學反應或電化學反應而引起的磨損。的磨損。 4.5 流體摩擦潤滑流體摩擦潤滑粘度：流體抵抗變形的能力，它標志著流體內摩擦阻力的大小，粘粘度：流體抵抗變形的能力，它標志著流體內摩擦阻力的大小，粘度越大，摩擦力也越大。度越大，摩擦力也越大。摩擦力摩擦力F：PAFNhvA

42、Fu法向力法向力FN：摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)：hpvpAhvAFFN1)(按建立壓力油膜的原理不同，流體潤滑主要有：按建立壓力油膜的原理不同，流體潤滑主要有：流體動力潤滑、彈性流體動力潤滑、流體靜力潤滑流體動力潤滑、彈性流體動力潤滑、流體靜力潤滑在低副中：不考慮潤滑表面的彈性變形和壓力對潤滑油粘度的影響。在低副中：不考慮潤滑表面的彈性變形和壓力對潤滑油粘度的影響。在高副中：考慮彈性變形和壓力對潤滑油粘度影響。在高副中：考慮彈性變形和壓力對潤滑油粘度影響。4.5.1 流體動力潤滑（低副）流體動力潤滑（低副）獲得流體動力潤滑的基本條件是：獲得流體動力潤滑的基本條件是：1）楔形空間；）楔形空間；2）相對運

43、動（保證流體由大口進入）；）相對運動（保證流體由大口進入）；3）連續(xù)不斷地供油。）連續(xù)不斷地供油。 （動畫）雷諾方程：雷諾方程：306hhhvxp4.5.2 彈性流體動力潤滑（高副）彈性流體動力潤滑（高副）彈性流體動力潤滑：考慮彈性變形和壓力對潤滑油粘度影響兩個彈性流體動力潤滑：考慮彈性變形和壓力對潤滑油粘度影響兩個因素的流體動力潤滑。因素的流體動力潤滑。在壓力作用下潤滑油的粘度：在壓力作用下潤滑油的粘度：Pe04.5.3流體靜力潤滑（低副）流體靜力潤滑（低副）流體靜力潤滑：利用外部供油裝置將一定壓力的流體送入流體摩流體靜力潤滑：利用外部供油裝置將一定壓力的流體送入流體摩擦面之間以建立壓力油膜

44、的潤滑。擦面之間以建立壓力油膜的潤滑。優(yōu)點：優(yōu)點：1）壓力油膜的建立與速度無關，所以速度應用范圍寬。）壓力油膜的建立與速度無關，所以速度應用范圍寬。2）整個過程不與金屬直接接觸，所以壽命長，精度保持性很好。）整個過程不與金屬直接接觸，所以壽命長，精度保持性很好。3）油膜剛度很大，所以運轉精度很高，抗振性能好。）油膜剛度很大，所以運轉精度很高，抗振性能好。4）只要合理選擇參數(shù)和結構，比較容易滿足設計者對承載能力、）只要合理選擇參數(shù)和結構，比較容易滿足設計者對承載能力、油膜剛度等性能要求。油膜剛度等性能要求。膜厚比膜厚比：最小油膜厚度與表面粗糙度之比，是大致估計潤滑狀：最小油膜厚度與表面粗糙度之比，是大致估計潤滑狀態(tài)的簡單判據(jù)。態(tài)的簡單判據(jù)。2221qqmRRh圖圖4.223 完全彈性流體動力潤滑或流體潤滑狀態(tài)完全彈性流體動力潤滑或流體潤滑狀態(tài)13 部分彈性流體動力潤滑或混合潤滑狀態(tài)部分彈性流體動力潤滑或混合潤滑狀態(tài)1 邊界潤滑狀態(tài)邊界潤滑狀態(tài) 4.6 油膜比與潤滑狀態(tài)油膜比與潤滑狀態(tài)潤滑劑的主要作用是減小摩擦和磨損，還起到冷卻、降溫，減緩潤滑劑的主要作用是減小摩擦和磨損，還起到冷卻、降溫，減緩銹蝕，緩沖吸振、清污和密封等作用。銹蝕，緩沖吸振、清污和密封等作用。4.7.1 潤滑劑種類潤滑劑種類潤滑劑有液體潤滑劑、半固體潤滑劑、氣體潤滑劑、固體潤滑劑潤滑劑有液體