在机械零件的强度条件式中，常用到的“计算载荷”一般为（　　）。

在机械零件的强度条件式中，常用到的“计算载荷”一般为（）。

A 、小于名义载荷

B 、大于静载荷而小于动载荷

C 、接近于名义载荷

D 、大于名义载荷而接近于实际载荷

参考答案

【正确答案：D】

名义载荷是机器在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。然而由于机械振动、工作阻力变动、载荷在零件上分布不均匀等因素引起的附加载荷对零件受载的影响，应将名义载荷乘以载荷系数，修正为计算载荷，由于载荷系数K大于1，所以计算载荷大于名义载荷。因此计算载荷一般大于名义载荷而接近实际载荷。

机械设备中的静载荷，动载荷应该怎么计算？

动载荷计算：

1、物体一般加速度时的动荷问题

惯性力与动静法：做加速度运动物体的惯性力大小等于物体的质量m和加速度a的乘积，方向与a相反。假想在每一具有加速度的运动质点上加上惯性力，则物体（质点系）作用的原力系与惯性力系将组成平衡力系。这样就可以把动力问题形式上作为静力学问题来处理，这就是达朗伯原理。

2、冲击问题

工程上采用偏于保守的能量平衡方程来近似估算被冲击物与受冲击物所受冲击载荷与冲击应力。冲击系统能量平衡方程：

静载荷计算：

利用压重平台反力装置,采用快速维持荷载法。荷载由油泵通过千斤顶施加于桩顶,采用千斤顶并联控制荷载的施加,千斤顶的合力中心应与桩轴线重合。桩顶沉降量由位移传感器测得,全程采用静力荷载测试仪器自动采集数据,最后将原始数据进行室内资料整理。

机械设备可造成碰撞、夹击、剪切、卷入等多种伤害。其主要危险部位如下：

⑴、旋转部件和成切线运动部件间的咬合处，如动力传输皮带和皮带轮、链条和链轮、齿条和齿轮等。

⑵、旋转的轴，包括连接器、心轴、卡盘、丝杠和杆等。

⑶、旋转的凸块和孔处。含有凸块或空洞的旋转部件是很危险的，如风扇叶、凸轮、飞轮等。

⑷、对向旋转部件的咬合处，如齿轮、混合辊等。

⑸、旋转部件和固定部件的咬合处，如辐条手轮或飞轮和机床床身、旋转搅拌机和无防护开口外壳搅拌装置等。

⑹、接近类型，如锻锤的锤体、动力压力机的滑枕等。

⑺、通过类型，如金属刨床的工作台及其床身、剪切机的刀刃等。

⑻、单向滑动部件，如带锯边缘的齿、砂带磨光机的研磨颗粒、凸式运动带等。

⑼、旋转部件与滑动之间，如某些平板印刷机面上的机构、纺织机床等。

参考资料来源：百度百科-动载荷

参考资料来源：百度百科-机械设备

参考资料来源：百度百科-静载荷

2018-08-23 齿轮传动

11.1 齿轮传动的失效形式和设计准则

11.1.1 失效形式

齿轮传动的失效通常发生在轮齿部位，其主要失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损和齿面塑性变形。

轮齿折断。齿轮传动时，齿根处的弯曲应力最大，当齿根弯曲应力超过材料的弯曲疲劳极限应力且多次重复作用时，在齿根受拉一侧就会产生疲劳裂纹，裂纹逐步扩展，致使轮齿疲劳折断。此外，用脆性材料制成的齿轮，当受到严重过载或很大冲击时，轮齿容易突然折断。提高轮齿抗折断能力的措施如下：增大齿根过度圆角半径，消除加工刀痕，减小齿根应力集中；增大轴及支承的刚度，使轮齿接触线上受载较为均匀；采用合适的热处理，使轮齿芯部材料具有足够的韧性；采用喷丸、滚压等工艺，对齿根表层进行强化处理。

齿面点蚀。齿轮传动时，齿面间的接触就相当于轴线平行的两圆柱滚子间的接触，在接触处将产生脉动循环变化的接触应力。在接触应力的反复作用下，轮齿表面产生疲劳裂纹，裂纹逐渐发展导致轮齿表面金属小片脱落，形成疲劳点蚀。齿面点蚀是软齿面闭式齿轮传动的主要失效形式。而在开式齿轮传动中，不会发生点蚀。为避免点蚀失效，应进行齿面接触疲劳强度计算，提高齿面硬度，降低齿面粗糙度值，增加润滑油粘度，都能提高齿面的抗点蚀能力。

齿面胶合。当齿面瞬时温度过高时，润滑实效，致使相啮合两齿面金属直接接触而发生黏连。在运动时较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹，称为齿面胶合。提高齿面硬度，降低齿面粗糙度值，采用抗胶合能力强的润滑油和齿轮材料等，均可提高齿面抗胶合的能力。

齿面磨损。齿面磨损导致齿廓失去正确的形状，从而引起冲击、振动和噪声，严重时会因齿厚减薄而发生轮齿折断。采用闭式齿轮传动，提高齿面硬度，降低齿面粗糙度值，过滤润滑油，均能提高抗磨损能力。

齿面塑性变形。由于在过大的应力作用下，轮齿材料处于屈服状态而产生的塑性流动所造成的。提高齿面硬度，采用高粘度润滑油可以防止或减轻轮齿的塑性变形。

11.1.2 设计准则

齿轮的设计准则由可能生效的失效形式确定。通常只按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算，对于高速大功率的齿轮传动还要进行齿面抗胶合计算。

软齿面闭式齿轮传动中，主要失效形式为齿面点蚀，故通常先按齿面接触疲劳强度进行设计，然后再按齿根弯曲疲劳强度校核。

硬齿面闭式齿轮传动中，齿面接触承载能力较强，故通常先按齿根弯曲疲劳强度计算，然后再按齿面接触疲劳强度校核。

开式齿轮传动中，主要失效形式时齿面磨损，而且轮齿磨薄之后往往会发生轮齿折断，故通常只按齿根弯曲疲劳强度进行设计，并考虑到磨损的影响将模数值加大10%~15%。

11.2 齿轮材料和热处理

常用材料是钢，其次是铸铁，在某些场合也用非金属材料。

11.2.1 锻钢

锻钢是首选的齿轮材料。

软齿面齿轮。软齿面齿轮的材料选用中碳钢或中碳合金钢，热处理方法为调质或正火。一般热处理后切齿，切齿后即为成品。制造简便，生产率高，但承载能力低，传动尺寸大，一般用于结构紧凑和精度要求不高，载荷和速度一般或较低的场合。由于小齿轮啮合次数比大齿轮多，为了使大小齿轮接近等强度，常采用调质的小齿轮和正火的大齿轮配对，使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高25~50 HBS。

硬齿面齿轮。硬齿面齿轮的材料可以用低碳钢或低碳合金钢及中碳钢或中碳合金钢，热处理方法可选择整体淬火、表面淬火、渗碳淬火和氮化等。一般是在正火或调质处理后切齿，再经表面硬化处理，最后进行磨齿等精加工。精度高，强度大，价格较贵，一般用于高速、重载及要求尺寸紧凑的场合。采用硬齿面齿轮传动是当前的发展趋势。

11.2.2 铸钢

铸钢主要用于制造要求有较高力学性能的大齿轮，热处理方法为正火，必要时也可进行调质或表面淬火。

11.2.3 铸铁

灰铸铁的铸造性能和切削性能好，价格便宜，但抗弯强度和冲击韧性较差，通常用于低速、无冲击和大尺寸或开式传动的场合。

球墨铸铁的力学性能和抗冲击性能高于灰铸铁，可替代调质钢制造某些大齿轮。

11.2.4 非金属材料

在高速、轻载，以及要求低噪声而精度要求不高的齿轮传动中，可采用塑料、夹布胶木和尼龙等非金属材料。由于非金属材料的导热性差，故要与齿面光洁的金属齿轮配对使用，以利于散热。

11.3 直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷

11.3.1 轮齿上的作用力

圆周力 Ft = 2T₁/d₁ ，径向力 Fr = Ft·tan α ，法向力 Fn = Ft/cos α 。其中，d₁是小齿轮的分度圆直径，T₁是小齿轮传递的转矩，α是压力角。

根据作用力与反作用力的关系，作用在主动轮和从动轮上的各力大小相等，方向相反，主动轮所受的圆周力是工作阻力，其方向与力作用点圆周速度方向相反，从动轮所受到的圆周力是驱动力，其方向与力作用点圆周速度方向相同。径向力则指向各自的轮心。

11.3.2 计算载荷

由齿轮传递的额定功率及转速所计算出的载荷为齿轮传动的名义载荷。考虑到原动机和工作机的不平衡，轮齿啮合时产生的动载荷，载荷在同时啮合的齿对间分配的不均匀及沿同一齿面接触线分布不均匀等因素对齿轮强度的不利影响，在计算齿轮传动的强度时，应对名义载荷Fn乘以载荷系数K，即按计算载荷KFn计算。

11.4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算

11.4.1 齿面接触疲劳强度计算

目的是防止齿轮在预定寿命期限内发生疲劳点蚀。强度条件式为σH ≤ [σH]。令Ze = {1/Π·[(1-μ₁²)/E₁+(1-μ₂²)/E₂]}½，称为弹性系数，Zh = [2/(sinαcosα)]½，称为区域系数，对于标准齿轮来说，Zh = 2.5。齿面接触强度的校核公式 σH = 2.5Ze[(2KT₁/bd₁²)·(u±1)/u]½ ≤ [σH] ，设计公式为 d₁ ≥ 2.32[(KT₁/φd)·(u±1)/u·(Ze/[σH])²]⅓ ，[σH] = σHlim/Sh，σHlim为接触疲劳强度极限，与齿面硬度有关，Sh为安全系数，一般工业用可取1。配对齿轮的齿面接触应力是相等的。

11.4.2 齿根弯曲疲劳强度计算

目的是防止在预定寿命期限内发生轮齿疲劳折断，强度条件为σF ≤ [σF]。轮齿弯曲强度的校核公式 σF = (KFt/bm)·Yf·Ys = 2KT₁YfYs/bm²z₁ ≤ [σF] ，其中Ys为修正系数。轮齿弯曲强度的设计公式 m ≥ [(2KT₁/φdz₁²)·(YfYs/[σF])]⅓ ，其中[σF] = σFE/Sf，σFE为齿根弯曲疲劳强度极限，若轮次两面工作，应将Yf乘以0.7,；Sf为安全系数，一般工业用可取1.25。校核弯曲强度时，应该对大、小齿轮分别进行验算，计算m时，YfYs/[σF]应该代入Yf₁Ys₁/[σF₁]和Yf₂Ys₂/[σF₂]中的较大者。传递动力的齿轮，模数不宜小于1.5mm。

11.5 圆柱齿轮传动的设计

11.5.1 齿轮传动主要参数的选择

齿数比u。u由传动比而定，避免大齿轮齿数过多，导致径向尺寸过大，应使u≤7。

模数m和齿数z。模数m主要影响齿根弯曲强度，对齿面接触强度没有直接影响，齿面接触强度主要与d₁和齿数比u有关。对于闭式齿轮传动，在满足弯曲疲劳强度情况下，宜采用较多的齿数和较小的模数，以增加重合度，提高传动的平稳性，减小冲击振动，可以取小轮齿数z₁=20~40。在抗弯曲强度设计时，应取较大的模数，因而齿数应少一些，一般取z₁=17~20.对于开式齿轮传动，为了弥补齿面磨损造成的轮齿减薄，强度削弱，通常将计算得到的模数加大10%~15%。

齿宽系数φd及齿宽b。增大齿宽可减小齿轮直径和传动中心距，但齿宽越大，齿向的载荷分布越不均匀，因此必须合理选择齿宽系数。对于圆柱齿轮的齿宽，可按b=φd·d₁计算后再做适当调整，而且为了避免安装时大小齿轮轴向错位导致啮合齿宽减小，通常将小轮的齿宽加大5~10mm。

11.5.2 齿轮精度的选择

制造和安装齿轮传动装置时，不可避免的会产生误差。按照误差特性及它们对传动性能的主要影响，将齿轮的各项公差分为三个组，分别反映传递运动的准确性、传动的平稳性和载荷分布的均匀性。共13个精度等级，其中0级最高，12级最低，常用的是6~9级。

11.6 斜齿圆柱齿轮传动

11.6.1 轮齿上的作用力

圆周力 Ft = 2T₁/d₁ ，径向力 Fr = Ft·tan αn/cos β ，轴向力 Fa = Ft·tanβ 。其中，αn是法面压力角，对于标准齿轮为20°；β是螺旋角，β越大，斜齿轮传动越平稳，承载能力越大，但轴向力Fa也越大，影响轴承部件结构，因此，一般取8°~20°。

11.6.2 强度计算

齿面接触疲劳强度校核式为 σH = 3.54ZeZβ[(KT₁/bd₁²)·(u±1)/u]½ ≤ [σH] ，设计式为 d₁ ≥ 2.32[(KT₁/φd)·(u±1)/u·(ZeZβ/[σH])²]⅓ ，其中Zβ=(cos β)½是螺旋角系数。齿根弯曲疲劳强度校核式为 σF = 2KT₁YfYs/bd₁mn ≤ [σF] ，设计式为 m ≥ [(2KT₁/φdz₁²)·(YfYs/[σF])·cos²β]½ ，其中Yf是齿形系数，按当量齿数z/cos³β查取，Ys是应力修正系数，按当量齿数查取。

11.7 直齿圆锥齿轮传动

11.7.1 轮齿上的作用力

圆周力 Ft = 2T₁/dm₁，径向力 Fr = Ft·tan α·cos δ，轴向力 Fa = Ft·tan α·sin δ。其中，T₁是小齿轮传递的转矩；dm₁是小齿轮齿宽中点分度圆直径；α是分度圆压力角，标准齿轮为20°。

11.7.2 强度计算

齿面接触疲劳强度计算校核公式 σH = 2.5Ze[4KT₁/0.85φr(1-0.5φr)²d₁³u]½ ≤ [σH] ，设计公式为 d₁ ≥ 1.84{[4KT₁/0.85φr(1-0.5φr)²u]·(Ze/[σH])²]½ 。其中d₁是小齿轮的分度圆直径；K是载荷系数；φr = b/R，其中b为齿宽，R为锥距，一般取φr = 0.25~0.35，u = z₂/z₁，一般u≤5；Ze为弹性系数。

齿根弯曲疲劳强度校核公式 σF = 4KT₁YfYs/0.85φr(1-0.5φr)²z₁²m³(1+u²)½ ≤ [σF] ，设计公式为 m ≥ {[4KT₁/0.85φr(1-0.5φr)²z₁²(1+u²]½·(YfYs/[σF])}½

11.8 齿轮构造。

齿轮的轮缘、轮辐的结构形式和尺寸大小，需要由结构设计确定。设计时根据齿轮尺寸、材料、制造方法等选择合适的结构形式，再根据经验公式确定具体尺寸。

对于直径较小的钢制齿轮，当齿根圆直径与轴径接近时，可将齿轮与轴做成一体，称为齿轮轴。当齿顶圆直径≤160mm时，可以做成实心结构；当齿顶圆直径≤500mm时，通常采用腹板式齿轮，可铸造可锻造；当直径较大，大于等于400mm时，多采用轮辐式的铸造齿轮。

11.9 齿轮传动的润滑和效率

11.9.1 齿轮传动的润滑

齿轮传动的润滑方式。对于开式齿轮传动，因速度低，一般是人工定期加油或在齿面涂抹润滑脂。对于闭式齿轮传动，润滑方式取决于齿轮的圆周速度v。当v≤12m/s时，可采用浸油润滑；当v>12m/s时，应采用喷油润滑。

润滑剂的选择。选择润滑剂时，要考虑齿面上的载荷和齿轮的圆周速度以及工作温度，以使齿面上能保持一定厚度且能承受一定压力的润滑油膜。

11.9.2 齿轮传动的效率

齿轮传动的功率损耗主要包括：啮合中的摩擦损耗；搅动润滑油的油阻损耗；轴承中的摩擦损耗。

谁知道机械零件的设计准则是什么，还有设计方法。

1、强度准则

要求机械零件的工作应力σ不超过许用应力[σ]。其典型的计算公式是：

（3-16）

σlim——极限应力，对受静应力的脆性材料取其强度极限，对受静应力的塑性材料取其屈服极限，对受变应力的零取其疲劳极限。

S——安全系数。

2.刚度准则

机械零件在受载荷时要发生弹性变形，刚度是受外力作用的材料、机械零件或结构抵抗变形的能力。材料的刚度由使其产生单位变形所需的外力值来量度。机械零件的刚度取决于它的弹性模量E或切变模量G、几何形状和尺寸，以及外力的作用形式等。分析机械零件的刚度是机械设计中的一项重要工作。对于一些需要严格限制变形的零件（如机翼、机床主轴等），须通过刚度分析来控制变形。我们还需要通过控制零件的刚度以防止发生振动或失稳。另外，如弹簧，须通过控制其刚度为某一合理值以确保其特定功能。刚度准则是要求零件受载荷后的弹性变形量不大于允许弹性变形量。刚度准则的表达式为

（3–17）

y是弹性变形量，如挠度、纵向伸长（缩短）：[y]为相应的许用弹性变形量。零件的弹性变形量可由理论计算或经实验得到，许用变形量则取决于零件的用途，根据理论分析或经验确定。

3.耐热性准则

由于摩擦等原因，机械在运转时，机械零件和润滑剂的温度一般会升高。过高的工作温度将导致润滑效果下降，同时，还会引起零件的热变形、硬度和强度下降，甚至损坏。如在高温时，金属机械零件可能发生胶合、卡死；塑料等非金属机械零件可能发生软化，甚至熔化等，在某些场合还会引起热应力。耐热性准则一般是控制机械零件的工作温度不要超过许用值，以保证零部件正常工作，其表达式是

（3–18）

为了改善散热性能、控制温升，必要时可以采用水冷或气冷等措施。

4. 振动稳定性准则

当激励的频率等于物体固有频率时，物体振幅最大，激励的频率与固有频率相差越大，物体的振幅越小。激励的频率接近物体的固有频率时，受迫振动的振幅会很大，这种现象叫做共振。振动稳定性指机械零件在机器运转时避免发生共振的品质。

为了延长机器的寿命，为了避免轴和机器的损坏，应验算轴的振动稳定性，特别是高速机器的轴。振动稳定性准则要求机械零件的固有频率应与激励的频率错开，保证不发生共振。

设机器中受激励作用的零部件的固有频率为f，激励力的频率为fp，一般要求

fp <0.85 f 或 fp >1.15 f （3–19）

改变机械零件的刚度和质量可以改变其固有频率。增大机械零件的刚度和减小其质量，提高其固有频率；减小机械零件的刚度和增大其质量则降低机械零件的固有频率。有时，机器运转时为了防止共振要调节转速。

轴产生共振的主要原因是：由于材料内部质量不均匀，加之制造和安装的误差，使其质心和它的旋转中心产生偏差，轴旋转时产生惯性力，这个惯性力使转子作强迫振动。轴在引起共振时的速度称为临界速度。在临界速度下，这个惯性力的频率等于或几倍于转子的固有频率，因此发生共振。

5.寿命准则

为了保证机器在一定寿命期限内正常工作，在设计机械零件时必然要对机械零件的寿命提出要求。需要说明，在机器寿命期限内，零件是可以更换的，也就是说某些机械零件的寿命可以比机器的寿命短。机械零件的寿命主要受材料的疲劳、磨损和腐蚀影响。

为了避免发生零件疲劳引起的失效，如疲劳断裂，应根据机械零件寿命对应的疲劳极限计算疲劳强度。即根据寿命要求，结合零件转速等具体情况，根据式（3-6），计算出应力循环次数为N时的疲劳极限，再代入强度条件式，计算疲劳强度。当满足疲劳强度时，可以保证机械零件在破坏前的应力循环次数达到寿命要求。

磨损一般是不可避免的。在一定条件下，腐蚀也是不可避免的，如桥梁结构件、地埋钢质管道的腐蚀等。在设计时，主要是保证机械零件在寿命内，不要发生过度的磨损和腐蚀。磨损发生的机理尚为完全被人们掌握，影响磨损的因素也比较多，一般根据摩擦学设计原理来改善摩擦副的耐磨性。主要措施有：合理选择摩擦副材料；合理选择润滑剂和添加剂；控制摩擦副的工作条件，如压强、滑动速度和温升。

到目前为止，还没有实用、有效的腐蚀寿命计算方法，通常从材料选择及防腐处理方面采取措施。如选用耐腐蚀的材料，采用表面镀层、喷涂、磷化等处理。

6. 可靠性准则

可靠性是产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。产品的质量一般应包含性能指标和可靠性指标。机械产品的性能指标是指产品具有的技术指标，如机械的功率、转矩、工作力、工作速度等。如果只有性能指标，没有可靠性指标，产品的性能指标也得不到保证。例如，一台技术先进的飞机，如果可靠性不高，势必经常发生故障，影响正常飞行和增加维修费用，甚至可能造成严重的事故。产品的可靠性用可靠度R（t）来衡量。