1、設計機械零件時應滿足的基本要求總要求：避免失效、提高效益。一、在預定的使用期限內（預定壽命）不失效    例如：        齒輪轉動壽命15年、每年300天、兩班制工作；        滾動軸承壽命600002000h。    為使機械零件具有預定壽命，從零件的工作能力出發，要求零件具有一定的強度、剛度和壽命 。    強度：材料抵抗負載的機械性能。 &

2、#160;            使零件具有適當的強度是設計時必須滿足的最基本要求，否則將發生斷裂和殘余變形。               提高強度的措施：               &#

3、160;   采用高強度材料                   采用合理的剖面形狀，加大危險剖面尺寸                   通過熱處理提高表面強度     

4、;              提高制造精度降低動載荷    剛度：承受單位載荷時的變形。         對精密零件，當彈性變形過大時會影響機器工作性能。         零件剛度：        &

5、#160;    整體變形剛度 ：零件整體伸長，扭轉，抗曲             表面接觸剛度：表面微觀變形，導致相對位置發生變化         提高剛度方法：             整體：增加剖面尺寸或跨距；   

6、;          表面：提高加工精度；    壽命：在特定條件下，零件工作持續時間稱為零件壽命。        由于質量、磨損、腐蝕等原因，零件達不到預期壽命，例如疲勞實驗機。    影響零件壽命的主要因素：      材料疲勞        &

7、#160;  絕大多數零件是在變應力狀況下工作的，疲勞失效是主要形式，例如在齒輪、軸承、軸、帶傳動。           一般通過限制變應力疲勞極限應力 來保證壽命。      磨    損           牽引齒輪、缸套、軸承和輪軌磨損等；     &#

8、160;     防止：從材料、密封、潤滑著手。      腐    蝕           帶來損失占總產值的           防止：           

9、0;   選用防腐材料：不銹鋼、銅、鋁合金（軸承、蝸輪）               表面保護：鍍鉻、鋅（活塞）               噴漆：法國埃菲爾鐵塔僅年的維修費超過造價。          

10、60;      聚乙烯薄膜（機床）               鋼鐵除銹純化新工藝（北京、葛洲壩）二、結構工藝性要求     設計時應考慮：工藝性、結構設計對工藝性有影響；     工藝性好是指：在現有的生產設備條件下，能夠方便而經濟的制造出來。并裝配到機器上三、經濟性要求    

11、60;主要體現在制造上。    設計時采用輕型結構，降低原材料消耗。         大型零件采用組合結構：蝸輪連桿；         采用標準化零件。    制造時，結構工藝性好、材料選取合適、精度的合理確定、降低附加費用（精密鑄造、少量切削）。    裝配費用少。制定合理的加工工藝流程。四、重量要求    

12、; 要求體積小重量輕，這樣：    （1）節約原材料；    （2）對運動構件減少慣性力；    （3）對運輸機械減少自重增加運載重量。五、可靠性要求     可靠度 ：在規定的時間和預定的工作條件下零件能正常工作完成其功能的概率。         大多數機械的失效是隨機的。     例如：滾動軸承的壽命。機械零件的計算準則計算準則 ：是指設計計算應滿足的條

13、件或設計計算依據。    強度準則      是指零件中的應力不得超過允許的限度                                     

14、60; 例如：在帶傳動、齒輪、蝸桿、螺紋連接，均采用該計算。    剛度準則        是指：彈性變形允許極限值。         例如：yy；在軸計算中使用。    壽命準則        是指在一定工作條件下，零件可正常工作的時間       

15、0;     例如：滾動軸承的壽命計算。    可靠性準則         主要用可靠度來表示             例如：滾動軸承的壽命的可靠性                

16、                             式中：                      &

17、#160;      N0滾動軸承總個數                              N滾動軸承失效個數          計算準則都是在分析失效形式的基礎上建立的，

18、究竟采取哪種準則取決于不同的工作條件下的失效形式。  機械零件的設計方法一、傳統的設計方法      1.理論設計        依據人們長期總結出的設計理論和實驗數據進行的設計。        理論設計直接應用材力中總結的公式：         根據給定不同條件分為兩大類，采取不同的處理方法。   

19、0;    設計計算，可以簡化成簡單力學模型。             根據零件的工作情況和工作能力準則確定計算公式。擬訂安全條件（或y ），  計算零件危險剖面的尺寸。              如：齒輪傳動、螺栓聯接        校核

20、計算：結構復雜應力分布復雜的零件             先參考已有實物、圖紙和經驗數據，初步擬訂零件的結構布局和有關尺寸。             根據工作能力準則校核危險剖面尺寸    2.經驗設計（類比設計）       根據已有的某類零件的設計和使用實踐。歸納出

21、經驗關系式，或根據本人經驗進行零件的結構設計。       一般應對關鍵部分進行校核。       如：箱體、機架、齒輪結構、帶輪機構。    3.模型實驗設計       做成小模型、小樣機，經過各種檢驗和修改而成； 一般用于尺寸巨大，結構復雜的重型整體零件或特別重要的設計。二、現代設計方法 （一）計算機輔助設計：計算機繪圖儀設計人員工程設計零件    &

22、#160;  例如：美國MDI公司的ADAMS仿真軟件包。該軟件包是目前世界上較權威的機械系統動力學仿真分析軟件；它可以快速建模，并以曲線和動畫顯示的方式給出仿真結果。      又如：Solid系列軟件。（二）優化設計（三）可靠性設計（四）有限元設計        下圖是使用COSMOS計算的螺栓受拉后的應力分布圖機械零件設計的一般步驟選取零件的類型和結構；     要求設計人員對各種零件的類型、優缺點、特性、使用范圍有透徹

23、了解；受力分析     根據機器運動簡圖、工作要求、計算作用于零件上的載荷；選取材料     根據工作條件，以及對零件有無特殊要求選取材料；失效分析，確定計算準則     通過計算確定零件的基本尺寸或主要參數；進行零件的結構設計     根據工藝性和標準化原則進行；繪出零件的工作圖，標出必要的技術條件，說明書。機械零件選用材料的原則機械零件常用的材料有：鋼、鑄鐵、有色金屬和非金屬材料。     選

24、用時主要考慮：使用要求；工藝要求和經濟要求。     選取材料時應滿足：     一、使用要求         1.根據零件承受載荷情況和工作條件選取；           一般情況戮錳妓馗鄭?5調質處理；如：軸，齒輪；           承受沖擊

25、載荷，要求耐磨或結構要求緊湊時；采用低碳鋼合金鋼滲碳淬火， 20Cr、18CrMnTi、20CrMo；例如：齒輪軸；           載荷比較穩定時可選鑄鐵；如：HT250、機床，箱體，床身，結構形狀復雜的低速大齒輪，大帶輪，蝸輪芯，凸輪軸，曲軸。           在高溫下工作的零件選耐磨熱材料；        

26、0;  在腐蝕介質中工作的零件選耐腐蝕材料，不銹鋼，銅鋁合金。        2.受尺寸重量限制時；        一般情況下采用碳素鋼鍛造毛坯；        要求尺寸及重量及小時可采用高強度合金鋼；        零件尺寸重量較大時且結構復雜時采用鑄造毛坯，可選：鑄鐵(批量)、鑄鋼(單件)或板材沖壓后焊接

27、。     二、工藝要求      選材料時要考慮材料的工藝性       鑄  造：流動性好       鍛  造：還原性、熱脆性       機加工：易切削性       熱處理：可淬性、淬火變形、淬造能力    

28、三、經濟性要求      材料價格：      鑄鐵 1、鋼 2、合金 810、普通鋼1、優質鋼1.5.8、合金鋼1.72.5、軸承鋼3、工具鋼320、耐熱鋼5     材料加工費用：重量大，加工量大     材料利用率：     四、材料供應情況      盡量使用本單位和市場容易購買到的材料。   

29、60;                         其中：                    ca-計算應力；     &

30、#160;              lim-極限應力；                    S-安全系數；              &

31、#160;     許用應力（計算應力允許達到的最大值）。    1.工作應力 ：按材料力學的計算公式求出的作用在零件剖面上的產生應力。                    例如：拉伸應力，彎曲應力b ，扭剪應力。    2.計算應力 ：零件危險剖面上如呈現復雜應力狀態時，按某一強度理論

32、求出的與單向拉伸具有同等破壞作用的應力。                    例如：在螺栓聯接中，危險剖面上的工作應力采用第四強度理論轉化。                    又如：在過盈配合連

33、接中，配合件上危險剖面上可求出工作周向應力1和徑向應力2 ；需要采用第三強度理論轉化。    3.如果危險剖面上呈現單向應力狀態時，工作應力就是計算應力。                    例如：齒輪齒面應力。變應力時機械零件的強度計算一般：絕大多數機械零件都是在變應力條件下工作的。所以這部分內容很重要，是本章的重點。    

34、;  一、疲勞極限       循環特性            在材料實驗中，試件在彎曲循環變應力作用時，用                           

35、;                  表示變應力的循環特性。           用r描述的各種應力狀態：          循環特性 r=-1為 對稱循環變應力；       &

36、#160;  循環特性 r=0為 脈動變應力；          循環特性 r=1為 靜應力；            r在-1<r<0和0<r< 1范圍內都呈現為變應力狀態。      -N曲線          &

37、#160; 在任一給定的循環特定條件下，表示應力循環次數N與疲勞極限rN關系的曲線成為-N曲線。            可通過試驗確定材料的-N曲線。            CD段方程：                &

38、#160;       設：                                    N0循環基數（一般規定107）     

39、                                r對應于N0時的極限應力（又稱為材料的疲勞極限；對稱：r=-1；脈動：r=0）            &#

40、160;                        m 雙對數坐標上的疲勞曲線的斜率            圖中CD段任意點：           

41、;                                                  

42、0;                        壽命系數            例如： 在齒輪、蝸桿強度計算中，許用應力的計算使用           &#

43、160;                             二、 極限應力線圖（m-a曲線）            理解：強度計算公式來源于極限應力圖；    材料的極限應力線圖（簡化

44、折線）      零件的極限應力圖            用帶有應力集中片的試件做材料實驗，可得出零件的簡化極限應力線圖即折線 AGC 。           分析試驗數據發現：          A和A'對應的縱坐標比值與D和D'點對應的縱坐標比值均等

45、于K<1；稱之為彎曲疲勞極限的綜合影響系數。           考慮零件幾何形狀、尺寸大小、表面質量及強化引起應力集中對疲勞極限的影響，對材料的極限應力線圖的A'G'線進行修正。          圖中CG段不須修正，因為靜應力不考慮應力集中的影響。    折線ADGC的方程式：       &

46、#160;      1.直線AG段的方程：                                           

47、  其中：為材料特性; 為受彎曲應力時的材料特性；為受剪切應力時的材料特性。                                       2.直線CG段方程式    

48、;                      穩定復應力時，機械零件疲勞強度計算強度條件： Sca S                 S 安全系數可查出（ 1.32.5 ）     

49、60;         Sca 計算安全系數     穩定復應力是指機械零件所受max和min保持不變的應力狀況下工作。一、單向穩定復變應力       一般在進行機械零件的彎曲疲勞強度計算時，首先求出零件危險剖面上的最大(小)應力max(min)，進而求出m、a，在零件的極限應力圖上可以確定一個工作點M。下面的問題是以曲線上的那一點值作為極限應力值？這要取決于零件下應力的變化規律。   

50、0;  典型的應力變化規律有以下三種：      1.r=C，循環特性保持不變            例如大多數軸承中應力狀態就是r=c 在下圖中，由O點發出的射線上各點均代表循環特性相同： OA 線為對稱循環 、OD 線為脈動循環；M為一個工作點，連接并延長OM 交直線于M，M點的值即代表在該循環特性下的疲勞極限值。      M即在OM直線上，又在AG直

51、線上，故可推得OM直線和AG直線方程式。整理后可得零件安全系數計算公式：                                 工作點對應于N點的極限應力點N在CG直線上，這時零件安全系數計算公式：      

52、                        2.m= C，變應力的平均應力保持不變         例如：振動著的受載彈簧中的應力狀態。仿照上法同樣可得M和N點的公式處得零件安全系數計算公式。如M點：       &

53、#160;                       3.min=C，變應力的最小應力保持不變      例如：螺栓聯接中，螺栓受軸向載荷時的應力狀態。如M點：              

54、                  對于剪切應力，只須把以上各式中的改為即可。       二、雙向穩定受應力時疲勞強度條件         在彎曲和扭轉組合交變應力下的各零件就屬于這類。        例如：軸在彎矩和扭矩的聯合作用下，安

55、全系數計算值及強度條件為：                               式中：              S只受法向應力時，安全系數計算值； &

56、#160;            S 只承受剪應力時的安全系數計算值。   摩擦和潤滑作為一種自然現象，不僅在機械設備中而且在人們的生活中也廣泛存在著(機器的壽命、人造關節)，過去僅從力學角度研究摩擦現象，而對摩擦的結果帶來的危害估計不足，據統計：         世界上約有l/3l/2的能源，以各種形式消耗于摩擦中；      

57、; 摩擦又帶來兩物體摩擦接觸表面的磨損，磨損使機器零件失去工作能力而失效，約占總失效的30%。      實踐證明潤滑是減少摩擦的重要手段，隨著科學技術的發展，人們把研究有關摩擦及 潤滑的科學技術統稱為摩擦學 。       摩擦學的定義是： 研究相對運動中相互作用著表面的科學、技術及有關實踐的知識，它與數學、物理、化學、材料、工藝、 工程實踐有關，它是一門發展很快的新興邊緣應用學科。     由于運用現有的摩擦學知識，去解決機器設備中的問題可以取得顯著的經濟效益，

58、據英、美、日等國摩擦學應用調查，應用現有的摩擦學知識和技術每年可獲得的經濟效益，占國民經濟總產值的2 以上(日本7，西德5，英25，美 2)。我國到1999年總產值83190億元，按1.2計算可獲998 億元的效益，同時摩擦學問題大量存在于機器設備中，而機器設備向高精度、高壽命、高速、大功 率方向發展，要求生產的連續性，自動化程度、可靠性程度不斷提高，為解決好機器設備的摩擦學問題創造了摩擦學設計，即應用摩擦理論及實踐去解決好機器的設計、制造和運行維護等問題。     國外對有關摩擦學知識的教育、培訓和科學研究是普遍的，我國1979年成立摩擦學會，進行摩擦學工業應用

59、的調查研究，各大專院校開設了摩擦學課程，成立了摩擦研究機構，專門從事摩擦、磨損機理、零部件材料、加工工藝、測試技術、機器工況監控等方面的研究。    在鐵路系統開展摩擦學方面的研究具有重要的意義；鐵路運輸部門的特點之一就是鐵路運輸的功率主要消耗在克服摩擦阻力上(機車動力消耗在輪軌摩擦、缸套、活塞、軸承等的摩擦上)，而維修費用的主要部分用于修理磨損的零件上，所以在鐵路系統開展摩擦學方面的研究，對節約能源、降低原材料消耗、對促進鐵路運輸事業的發展具有重大意義。磨 損摩擦過程就帶來了表面材料的喪失和轉移，這就形成磨損。    &#

60、160; 磨損可造成零件的失效，它帶來的危害：    1影響機器的質量，例如，齒輪齒面的磨損，破壞了漸開線齒形，傳動中導致沖擊振動。機床主軸軸承磨損，影響零件的加工精度。    2降低了機器的效率，例如柴油機缸套的磨損，導致功率不能充分發揮。    3減少了機器的可靠性，例如斷齒，鋼軌磨損。      更換磨損失效的零件就造成原材料、工時、人力、物力的浪費，為此設計時必須考慮如何避免和減輕磨損。磨損過程    

61、60; 一般機器的磨損過程分為三個階段,見下圖      1跑合磨損          一個零件加工后，由于表面存在不平度，在運動初期接觸面積小，接觸應力大，所以磨損速度快，如果設計合理，潤滑良好，隨著跑合的進行磨損速度趨向穩定。         跑合時注意：        (l)由輕至重緩慢加載，由低速到高速。

62、60;       (2)潤滑油保持清潔，防止污染。         跑合后潤油滑應更換，或過濾后再用。      若壓強過大，速度過高，潤滑不良時，跑合時間很短，并立即進入劇烈磨損階段，使零件很快報廢。       2穩定磨損階段          磨損以平穩而緩慢的速度進行，

63、標志磨損條件保持相對穩定，這是零件整個壽命范圍內的工作過程。         例如：機車柴油機缸套一個架期一換。齒輪壽命，軸承壽命。      3劇烈磨損階段          經過穩定磨損階段，零件表面失效或運動副間隙增大，使正常工作條件破壞，引起動載荷出現沖擊振動，溫升加大，磨損速度加快。        做為設計人

64、員應盡可能縮短跑合磨損，延長穩定磨損階段，推遲劇烈磨損階段的到來。      磨損的分類       按照磨損機理來分：     1粘著磨損 ：當摩擦表面的微凸體在相互作用的各處發生“冷焊”后，在相對滑動時，材料從一個表面轉移到另一個表面，便形成粘著磨損。            影響粘著磨損的因素：    &

65、#160;       (1)同類的摩擦副材料比異類材料容易粘著；            (2)脆性材料比塑性材料抗粘著能力高；            (3)在一定范圍內，零件的表面粗糙度值越小，抗粘著能力也越強。     2磨料磨損    

66、0;        從外部進入摩擦面間的游離硬顆粒或硬的微凸體峰尖，在較軟材料的表面上犁刨出很多溝紋，被犁刨的材料一部分流動到溝紋的兩旁，一部分則形成一連串的碎片脫落下來成為新的游離顆粒，這樣的微切削過程叫磨料磨損，影響這種磨損的因素有以下幾個方面：            (1)一般情況下，材料的硬度越高，耐磨性越好        

67、60;   (2)一般金屬的磨損量隨磨損磨粒平均尺寸的增加而增大            (3)磨損量隨著磨粒硬度的增大而加大     3疲勞磨損 (也叫疲勞點蝕或點蝕)          當作流動或流一滑運動的高副，受到反復作用的接觸應力時，如果該應力超過材料相應的接觸疲勞強度，就會在零件工作表面或表面下一定深度處形成疲勞裂紋，隨著裂紋的

68、發展與相互連接，就造成許多微粒從零件工作表面上脫落下來，致使表面上出現許多月牙形溝，這就是疲勞磨損也叫疲勞點蝕簡稱點蝕。           影響疲勞磨損的因素有：         (1)零件表面的硬度越高，產生疲勞裂紋的危險性越小；         (2)當表面粗糙度值較大時，適當減少表面粗糙度時，對零件的疲勞壽命有顯著的改善，但超過一

69、定界限后，影響就不明顯了；         (3)高粘度的潤滑油能在接觸區起到均化接觸應力的作用，從而提高抗疲勞磨損的能力，如果油的粘度過低，則易于擠壓疲勞裂紋，然后在封閉的裂縫中受高壓，而促進疲勞裂紋的擴展，從這一點說，油的粘度高時較有利于提高疲勞壽命。     4沖蝕磨損            當一束含有硬質微粒的液體沖擊到固體表面時，就會造成沖蝕磨損。 

70、0;        影響因素：磨粒與固體表面的摩擦系數、磨粒的沖擊速度以及磨粒的沖擊速度方向同固體表面所夾的沖擊角。     5腐蝕磨損             摩擦副受到空氣中的酸或潤滑油燃油中有的少量無機酸(如硫酸)及水份的化學作用或電化學作用，在相對運動中造成表面材料的損失叫腐蝕磨損。       &#

71、160;  影響腐蝕磨損的主要因素：    除了零件所接觸的特殊介質(如酸、堿、鹽)外，還有零件表面的氧化膜性質和環境的濕度。    實際上大多數的磨損是以上五種基本磨損形成的復合形式出現的，在各種復合形式中存在一種較重要的形式-微動磨損。    微動磨損發生在名義上相對靜止，實際上存在循環的微幅相對滑動的兩個緊密接觸的表面，這種相對滑動是在循環應力或振動條件下，由于兩個接觸面產生的差異而引起的，在這種情況下，相對滑動的振幅非常小，一般為微米的量級，這時由于接觸面上的正壓力較大，而相對滑動的振幅

72、較小，使接觸面產生氧化磨損微粒，難于從接觸部位排除，即發生微動磨損。實驗表明，影響微動磨損的因素主要是配偶材料的組合，同類材料相接觸要比異類材料相接觸時磨損情況嚴重的多。潤 滑一、潤滑的作用及潤滑劑的分類    潤滑的作用是減少摩擦，以達到節約能源，降低材料消耗的目的。除此而外還具有以下作用：      采用循環潤滑油時還能散熱降溫，潤滑油膜具有緩和沖擊振動的作用，采用潤滑脂具有密封作用。       潤滑劑的分類     &

73、#160;      液體潤滑劑： 油、水、液態金屬           氣體潤滑劑： 空氣            半固體潤滑劑：潤滑脂           固體潤滑劑： 二硫化鉬、石墨、聚四氟乙烯。高速高溫或 低溫時采用。 二、潤滑油及其主要指標 

74、 1、潤滑油的分類       有機油：動、植物油，含有硬脂酸穩定性差，來源不足。       化學合成油：針對特定需要配制       礦物油：來源充足，穩定性好，應用廣               機 械 油：機床、一般機械用    &

75、#160;            高速機油：電機、紡織機械               汽油機油：發動機              汽 缸 油：發動機  2、潤滑油的主要質量指標 

76、     （1）粘度 ：流體抵抗變形的能力         動力粘度 ：兩平行板之間充滿一定粘度的潤滑油，并具有層流性質如圖所示：   B板靜止不動，對A板施以F力,使A板以 V=1M/s速度移動,由于對油的吸附力，在各油層的界面上產生剪切應力：           上式為1687年牛頓提出的粘性定律：任意點的剪切應力與速度梯度成正比 &

77、#160;           式中-比例常數 又稱為動力粘度    N S/M2      Pa S                        1PaS=10P(泊)= 1000cP

78、（厘泊）                         1dyn S/cm2=1泊=100cP         運動粘度 ：是流體/比值稱為運動粘度           

79、0; 1mm2/s=1cSt=10-6M2/S            1St=1cm2/S=10-4 M2/S              原國標GB443-64規定潤滑油是按50時，運動粘度中心值劃分油的牌號。例如：機械零植嶂斜瓿觶?0#   40#   45#  。     &

80、#160;      新國標GB443-84規定潤滑油是按40時，運動粘度中心值劃分油的牌號。          滑動軸承設計中，所用換算關系：            (PaS)=(M2/s)×（kg/M3）=10-6(cSt)×(kg/M3)       &

81、#160; 條件粘度 ：相對粘度,以E作為粘度單位              200ml潤滑油在50或100時，流過恩氏粘度計的時間與200ml蒸餾水在20時,流過恩氏粘度計的時間之比稱為條件粘度。             粘溫特性：t   ；.        

82、;     粘壓特性：P100MPa時，不考慮的變化；                               P20MPa時,考慮壓力對粘度的影響。      （2）閃點 標志潤滑油的易燃性指標 

83、0;         在標準容器中加熱，潤滑油蒸汽迂火發出閃光的最低溫度稱為潤滑油的閃點            例如汽油機的閃點為180-2000C      （3）凝固點   衡量其低溫性能           在規定條件下，油不能自由流動時所達到最底溫度  

84、;    （4）油性和極壓性            潤滑油在金屬工作表面形成邊界膜的能力      （5）氧化穩定性            在高溫下油氧化并生成磷、氯、硫的酸性化合物-膠狀沉積物即腐蝕金屬又加劇磨損  3、潤滑油的選用       紡織機械、高速輕負荷機械、中小型電機 &#

85、160;    L-AN15 、  L-AN32       普通機床、減速箱、        L-AN46          大型機床                  L-AN68          鑄造機械                  L-AN150 三、潤滑脂       潤滑脂是潤滑油與稠化劑的膏狀混合物。