第一二三章 教案与讲稿

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课程：机械设计 20011—2012学年上学期 主讲教师：苏 洲 章节 教 学 课 题 目的与要求 教 学 重点 难点 第一章 绪 论 机械设计课程的内容、性质与任务； 了解一般机器的作用，机器的组成要素、本课程涵盖的内容。 了解机器设计过程中通用零件、专用零件和部件的概念 课件 讲 稿（教学要点与板书） §1—1 机械设计课程的内容、性质与任务 一、本课程的研究对象 机械系统-主体 机架 零件 电气系统 各种机构 部件 通用零件 机器（机械） 机械零件 液压气动系统 构件零件 专用零件 控制监测系统 机械设计：是为了机器的某些特定功能要求而进行的创造性工作。 本课程的研究对象：为一般参数的通用零件的设计理论与设计方法 本课程的性质：是以一般通用零件的设计计算为核心的设计性课程，是一门设计性、综合性和实践性都很强的技术基础课。 本课程的任务：1）树立正确的设计思想 2）掌握通用机械零部件的设计原理、方法和一般规律。 3）掌握一定的设计技能（查阅资料，运用标准、规范。） 4）掌握典型机械零件的实验方法，获得基本的实验技能。 5）了解机械设计的最新动态。 学习本课程的注意事项：1）注意理论联系实际，将机械零件的设计放到整个机械系统中加以考虑。 2）注意掌握零部件的共性 3）掌握机械零部件设计的一般思路 教 学 法 教 具 课程：机械设计 2011—2012 学年 上学期

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课程：机械设计 20011—2012学年上学期 主讲教师：苏 洲 章节 教 学 课 题 第二章 机械及机械零件设计概要 设计机器时应满足的基本要求；设计机器的一般程序；机械零件设计概述； 机械零件的失效形式和设计准则； 目的与要求 教 学 重点 难点 了解机械设计一般步骤和方法，掌握机械零件常见失效形式和计算准则 失效形式和计算准则 课件 讲 稿（教学要点与板书） 教 具 §2—1 机器的组成 辅助系统，例如：润滑、显示、照明等 原动机 传动装臵 工作机 控制系统 原动机部分：动力源（将其他形式的能转化为机械能） （人力、畜力、风力、水力、电机、内燃机等） 执行部分（工作）： 要求：运动：直线、回转、间歇 动力：力（F)、力矩(M?T)、功率(P) 传动部分：传递运动和动力 控制系统：人脑、电脑 辅助系统：冷却、润滑、电系、指示等 §2—2 机械设计的基本要求及设计程序 一、机械设计的基本要求 1、对机械设计的要求 a) 对机器使用功能方面的要求 要注意协调、平衡！ b) 对机器经济性的要求 设计经济性， 使用经济性 要有最佳的性能价格比 2、对机械零件设计的基本要求 a) 在预定工作期限内正常、可靠地工作，保证机器的各种功能 b) 要尽量降低零件的生产、制造成本 对机器的设计要求和对机械零件的要求、两者相互联系、相互影响 二、机械设计的一般程序 1、机器设计的一般程序，如下表 阶段 市场调研 可行性研原理方案设计 技术设计 试制、试验 小批生 产试销 投产 目 设计任务书 定出最佳方案 装配图零件图 样机评价 考核工艺性 产品 标 及其它技术文件 改进 收集用户意见 销售 对具体的机器，其设计程序可能各不相同。 2、机械零件设计的一般步骤 1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷Pca?KP—名义载荷（公称载荷、额定载荷） K——载荷系数 2）选择零件的类型与结构 3）选择零件的材料 4）按可能的失效形式确定零件的计算准则，并确定零件的基本尺寸，并加于标准化和圆整 ．．．．5）零件的结构设计 6）绘制零件的工作图，并编写计算说明书。 设计计算 机械零件计算 交替进行 校核计算 §2—3 机械零件的主要失效形式和设计计算准则 一、机械零件的失效形式 失效：（定义）零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能时，称为失效 ．．失效形式 强度失效 整体强度 刚度失效 表面强度 磨损失效 振动、噪声失效 精度失效 可靠性 二、机械零件的计算准则 工作能力：零件不发生失效时的安全工作限度称为~ 计算准则：以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件工作能力计算依据的基本原则，称为~ ??[?]?1、强度准则 ?linS?St??[?]??lin??B(?B)?脆性材料? ?lin(?lin)??S(?S)?塑性材料 ??(?)?疲劳极限?YY?lin——极限应力 Sa、S?——计算安全系数 ?B(?B)、?S(?S)——静强度 2、刚度准则 刚度：零件在载荷作用下抵抗变形的能力 按强性力学或材料力学方法计算 y?[y] 变形量 许用变形量 y——可以是挠度、偏转角或扭转角 3、耐磨性准则 耐磨性——是指作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力 磨损的后果：表面形状破坏，强度削弱、精度下降、振动、噪音→破坏 80%零件失效的基本原因是磨损。 准则：p?[p],p.v??p.v? 4、振动和噪声准则（环保）——高速机械或对噪声有特别要求的机械振动是噪声产生的原因 要求机械振动频率fp远离机械的固有频率，特别是一阶固有频率f，即 fp?0.85f,fp?1.15f 如不满足可采取的措施：1）改变机械及零件的刚度；2）采取减振措施 5、热平衡准则 温升过度→润滑失效→磨损、胶合→失效 准则：?t???t? ?t——温升 不满足时措施：1）改进润滑；2）冷却 6、可靠性准则 可靠性表示系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力 指标：可靠度Rt 表示零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率 N个相同零件在同样条件下工作（同时），在规定的时间内有Nf个失效，剩下Nt个仍继续工作，则Rt?NfNtN?Nf ??1?NNNNfN不可靠度（失效概率）： Ft??1?Rt,Rt?Ft?1 n个零件组成的串联系统，单个零件的可靠度分别为R1、R2，…，Rn，则系统的可靠度为Rf=R1、R2…Rn 并联系统，如图，其可靠度 R=1-(1-R1)(1-R2)…（1-Rn） ∴对可靠性要求较高的系统与机械要求进行可靠性设计，而机械零件可靠性水平的高低，直接影响到机械系统的可靠性，另外高可靠性的系统一般要有一些备用系统，并经常维护，保养。 §2—4 机械零件常用的材料及其选择原则 一、机械零件的常用材料 1、黑色金属 铸铁：灰~——良好的切削加工性和减震性，常用作机座和机架 球墨~——强度高、耐磨性好，减震性，抗冲击→曲轴、齿轮 可锻铸铁——马口铁，强度和塑性较高，当零件尺寸小，形状复杂，而不能用铸钢或锻钢制造时 铸钢——铸造性比铸铁差，但比锻钢和轧制钢好，用于重载零件铸造。 强度性比铸铁好，但比锻钢和轧制钢差（组织没那么致密） 铸钢：碳素铸钢；低合金铸钢；中合金铸钢；高合金铸钢 碳钢与合金钢——应用最广泛 碳钢：普通~；优质~（化学成份比较稳定） 2、有色金属——有减摩、抗腐蚀、耐热性、电磁性等较好 a) 铝合金——重量轻、导热导电性较好、塑性好、抗氧化性好 高强度铝合金强度可与碳素钢相近，可作承载零件，在飞机、汽车及其他行走机械上有广泛应用。 b) 铜合金——耐磨、耐腐蚀和自润滑性： 黄铜——Cu与Zn合金 青铜——Cu与Sn的合金 无锡青铜——Cu与铝、硅、锰、镍的合金。 其他合金（镁合金、钛合金、轴承合金等） 3、非金属材料 橡胶——弹性、绝缘性好，常用作弹性元件和密封元件、减震元件 塑料——轻、易加工成形、减摩性好，强度低，可作为普通机械零件、绝缘体 陶瓷——电热性好，硬度高 4、复合材料 二、机械零件材料选用的原则 要考虑三个方面的要求 1、使用要求（首要考虑）： 1）零件的工况；2）对零件尺寸和质量的限制；3）零件的重要程度 2、工艺要求：1）毛坯制造；2）机械加工；3）热处理 3、经济性要求： 1）材料价格；2）加工批量和加工费用；3）材料的利用率；4）局部品质原则 5）替代（尽量用廉价材料来代替价格相对昂贵的稀有材料）。 另外，还要考虑当地材料的供应情况 §2—5 机械设计的最新进展 1、设计理论的不断完善与发展 2、设计手段和方法的不断更新 3、机械设计的综合程度越来越高，与其它学科交叉越来越广泛和深入——机电一体化 4、机械设计的实验研究技术有了很大的发展和提高，实验与理论相互促进 标准零件 机械零件 ，“三化”一系列化、标准化、通用化—三化程度是衡量产品优劣的 非标准件 重要指标

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课程：机械设计 20011—2012学年上学期 主讲教师：苏 洲 章节 教 学 课 题 第三章 机械零件的强度 零件的失效和零件的工作能力；疲劳曲线和极限应力线图；变应力下零件的疲劳强度计算 机械零件的接触强度； 目的与要求 教 学 教 具 重点 难点 掌握极限应力图和单向稳定变应力时强度计算 极限应力图绘制及应用 课件 讲 稿（教学要点与板书） §3—1 载荷与应力的分类 一、载荷的分类 静载荷：载荷的大小与方向不随时间变化或随时间变化缓慢 变载荷：1）循环变载荷（载荷循环变化） 2）随机（变）载荷——载荷的频率和幅值均随机变化 循环变载荷： a) 稳定循环变载荷——每个循环内载荷不变，各循环周期又相同（往复式动力机曲轴） b) 不稳定循环变载荷——每一个循环内载荷是变动的 载荷：1）名义载荷；2）计算载荷。（如前章所述） 二、应力的分类 1、应力种类 应力 静应力 不稳定变应力——变应力中，每次应力变化的周期T、?m和应力幅 变应力 ?a三者之一不为常数 稳定循环变应力——T、?m、?a均不变 不稳定变应力 规律性不稳定变应力 图2-2a 随机变应力—统计 图2-2b 稳定循环变应力的基本参数和种类：（参数间的关系：图示） 2、稳定循环变应力的基本参数和种类 a) 基本参数 最大应力?min、?m??a、最小应力?min，平均应力?m??max??m，应力幅?a 最小应力?min??m??a 平均应力 ?m ?m?应力幅?a ?m??max??m22 ?max??m?mim ?max应力循环特性：??∴ ?1????1 注意：一般以绝对值最大的应力为?max 五者中，只要知道两者，其余参数即可知道，一般常用如下的参数组合来描述： ①?m和?a；②?max和?min；③?max和?m b) 稳定循环变应力种类 -1，?max=?min=?a,?m=0 ， 对称循环变应力 ?mim?= 0，?min=0，?m=?a=max， 脉动循环变应力 ?max2 ?1????1， ?max=?m+?a，?min=?m-?a， 不对称循环变应力 按?? +1， 静应力 其中最不利的是对称循环变应力。 注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生，其实例如图2-4所示——转动心轴表面上a点产生的应力情况 3）名义应力和计算应力 名义应力——由名义载荷产生的应力?(?) 计算应力——由计算载荷产生的应力?ca(?ca) 计算应力中计入了应力集中等影响。机械零件的尺寸常取决于危险截面处的最大计算应力 §3—2 静应力时机械零件的强度计算 静应力时零件的主要失效形式：塑性变形、断裂 一、单向应力下的塑性零件 ?s???[?]???ea[s]?强度条件： ???ca?[?]??s?[s]???s?s??[s]????ca? 或 ???s??s?[s]???ca? ?s、?s—材料的屈服极限 s?、s?—计算安全系数 [s]?，[s]?—许用安全系数 二、复合应力时的塑性材料零件 按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算 设单向正应力和切应力分别为?和? 由第三强度理论：?ca??2?4?2?[?]??s/[s] 取?s/?s?2 （最大剪应力理论） 或 由第四强度理论：?ca（最大变形能理论） ??2?4?2?[?]??s/[s] ?s/?s?3 或 sca??s?[s] ??2?(s)2?2?ss?s?s??s?22 sca??[s] s?、s?分别为单向正应力和切应力时的安全系数，可由式（2-4）求得。 三、脆性材料与低塑性材料 脆性材料极限应力：?B（强度极限） 塑性材料极限应力：?s（屈服极限） 失效形式：断裂，极限应力——强度极限?B和?B 1、单向应力状态 强度条件： ?ca?[?]??B[s]? 或 s???B?[s]? ?ca ?ca?[?]??B[s]? 或 s???B?[s]? ?ca2、复合应力下工作的零件 按第一强度条件： ?ca??1(???2?4?2)?[?]?B2[s]2?B?[s] （最大主应力理论） sca?????4?22注意：低塑性材料（低温回火的高强度钢）——强度计算应计入应力集中的影响 脆性材料（铸铁） ——强度计算不考虑应力集中 一般工作期内应力变化次数<10（10）可按静应力强度计算。 34§3-3 机械零件的疲劳强度计算 一、变应力作用下机械零件的失效特征 1、失效形式：疲劳（破坏）（断裂）——机械零件的断裂事故中，有80%为疲劳断裂。 2、疲劳破坏特征： 1）断裂过程：①产生初始裂反（应力较大处）；②裂纹尖端在切应力作用下，反复扩展，直至产生疲劳裂纹。 2）断裂面：①光滑区（疲劳发展区）；②粗糙区（脆性断裂区）（图2-5） 3）无明显塑性变形的脆性突然断裂 4）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限。 3、疲劳破坏的机理：是损伤的累笱 4、影响因素：除与材料性能有关外，还与?，应力循环次数N，应力幅?a主要影响 当平均应力?m、?一定时，?a越小，N越少，疲劳强度越高 二、材料的疲劳曲线和极限应力图 疲劳极限??N(??N)—循环变应力下应力循环N次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为材料的疲劳极限 疲劳寿命（N）——材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N称为疲劳寿命 1、疲劳曲线（??N-N曲线）：?一定时，材料的疲劳极限??N与应力循环次数N之间关系的曲线 N0—循环基数 ??1）有限寿命区 34—持久极限 当N<10(10)——低周循环疲劳——疲劳极限接近于屈服极限，可接静强度计算 N?103(104)——高周循环疲劳，当103(104)?N?N0时，??N随N↑→??N↓ 2）无限寿命区，N?N0 ??N??? 不随N增加而变化 ??——持久极限，对称循环为??1、??1，脉动循环时为?0、?0 注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区，如图所示。 3）疲劳曲线方程(103(104)?N?N0) m??mN?N????N0?C——常数 ∴疲劳极限：??N?mN0???KN??? （2-9） NKN?mN0N——寿命系数 几点说明： ①N0 硬度≤350HBS钢，N0 ≥350HBS钢，N0?107，当N?N0?107时，取N?N0?107，KN?1 ?(10~25)?107,N?N0?25?107时，取 N?N0?25?107，KN?1 有色金属，（无水平部分），规定当N②m—指数与应力与材料的种类有关。 钢 m=9——拉、弯应力、剪应力 青铜 m= 9——弯曲应力 m=6——接触应力 8——接触应力 ③?越大，材料的疲劳极限??N与??越大，??25?107时，取N?N0?25?107 ??1（对称循环）最不利。 ??a图） 2、材料的疲劳极限应力图——同一种材料在不同的?下的疲劳极限图（?m对任何材料（标准试件）而言，对不同的?下有不同的??，即每种?下都对应着该材料的最大应力?max???，再由?可求出?min???max和?m、?a 以?m为横坐标、?a为纵坐标，即可得材料在不同?下的极限?m和?a的关系图 ?1???1??m(??1) ?2???2??m(??2) 简化的材料与零件的疲劳极限详应力图： 如图2-7A′B——塑性材料所示，曲线上的点对应着不同?下的材料 疲劳极限??（相应的应力循环次数为N0） 2?ax??????1 对称极限点 ?0,???1,?mA?(0,??1)——∵?mB(?B,0)——?a?0,?max??lin??m,???1 强度极限点 D?(?0?02,2???m??)——∵?a?max2???2，∴????m???0，∴?a?02 脉动疲劳极限点 C(?s,0)——屈服极限点 简化极限应力线图：A?D?G?C——简化极限应力图可简化计算（曲线不好求?lin，而直线好求?lin） ∵考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限，∴由C(?s,0)点作135°（与?m轴）斜线与交于G?，得折线A?D?的延长线?，线上各类的纵坐标为极限平均应力幅?a? A?D?G?C，线上各点的横坐标为极限平均应力?m?ax??lin??m???a?，如?max??m?ax不会疲劳破坏 AG?上各类：?m???m???a???s，如?max??s不会屈服破坏 G?C上各类：?lin∴零件的工作应力点位于∴A?D?G?C折线以内时，其最大应力既不超过疲劳极限，又不超过屈服极限。 AD?G?C以内为疲劳和塑性安全区 AD?G?C以外为疲劳和塑性失效区，工作应力点离折线越远，安全程度愈高。 材料的简化极限应力线图，可根据材料的??1,?0和?s三个试验数据而作出。 目前世界上常用的极限应力图 haigh图，即?m??a图（本书） ??lin图 图 goodmam图，即?max simith图，即?m三、影响机械零件疲劳强度的主要因素和零件极限应力图 ??max由于实际机械零件与标准试件之间在绝对尺寸、表面状态、应力集中、环境介质等方面往往有差异，这些因素的综合影响，使零件的疲劳极限不同于材料的疲劳极限，其中尤以应力集中、零件尺寸和表面状态三项因素对机械零件的疲劳强度影响最大。 1、应力集中的影响——有效应力集中系数k?(k?) 零件受载时，在几何形状突变处（圆角、凹槽、孔等）要产生应力集中，对应力集中的敏感程度与零件的材料有关，一般材料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感，如合金钢材料比普通碳素钢对应力集中更敏感（玻璃材料对应力集中更敏感） ?k??1?q?(???1) （2-10a） ?k?1?q(???1)???

(?2?a??)?(a)2?1 (2-29) ??1e??1e?，?a?——同时作用正应力和切应力的应力幅极限值（?,?同时作刚j ） 式中，?a??1e，??1e——为零件对称循环正应力和切应力时疲劳极限（?、?式（2-29）在以单独作用） ?a??a??1e??1e的坐标系中为一个单位圆 ???m?ax,?a???m?ax ????1,??a ∴圆弧?和?a?，如果工作应力点AM?B任何一点即代表一对极限应力?aM（?a?a,??1e??1e）在极限圆以内，则是安全的。M点所对应的极限应力点M?确定时，一般认为?a/?a比值不变（多数情况如此），∴M?点在OM直线的延长线上，如图所示M?（∴计算安全系数 ??a??a,??1e??1e） Sca?OM?OC?OD? （a） ??OMOCOD??a?,OD?a??1e??1eSca?a)2?1 ??Sca?a??a代入上式得???Sca?a??a(b) ?/??1e,OC??a/??1e,OD??将OC???aSca?a将式（b）代入式（2-29）得(??1e)2?(??1e记S????1e?a，S????1e?a，则(Sca2S)?(ca)2?1 S?S?由此得：Sca?S?S?S??S?22 S????1e?a??1e?a——零件只受对称循环正应力时的安全系数 S??——零件只受对称循环切应力时的安全系数 强度条件为Sca?S?S?S??S?22?[S] 2、零件受非对称循环变应力时，由式（2-21），??c S????1,k??a????m?S?S?S??S?2S????1k??a????m 强度条件为Sca2?[S] 六、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算 不稳定变应力 规律性——如图2-17所示为规律性不稳定变应力直方图，例如机床主轴 非规律性——采用统计方法进行 1、疲劳损伤累积假设——每一次应力的作用下，零件的寿命就要受到微量的疲劳损伤，当疲劳损伤累积到一定程度，达到疲劳寿命极限时便发生疲劳断裂。 变应力值：?1,?2,?,?z 发生疲劳时极限循环次数：N1,N2,?,Nz 应力循环次数：n1,n2,?,nz 对材料损伤率：n1N1,n2N2,?,nzNz 由于当零件达到疲劳寿命极限时，理论上总寿命损伤率为1，∴极限状况时 znn1n2nz?????1 或 ?i?1 （2-33）——（Miner方程，曼耐尔理论） N1N2Nzi?1Ni注意：上述公式没有考虑应力次序的影响。（认为与应力作用的次序无关） 实际上：当各应力从大到小次序作用时，上式左边小于1 当各应力从小到大次序作用时，上式左边大于1 据试验： ∴考虑应力大小作用次序时，通式为ni?0.7~2.2 （2-34） ?i?1Niz考虑试验数据的离散性，从平均意义看，用式（2-33）还是比较合理。 另外，一般认为小于疲劳极限??的应力对疲劳寿命无影响。 2、不稳定变应力的疲劳强度计算 1）当量应力计算法 2）当量循环次数计算法 基本思想：将不稳定变应力转化为疲劳效果与之等效的稳定变应力，然而按稳定变应力进行疲劳强度计算。 1）当量应力计算法——将不稳定变应力（?i,ni）按疲劳损伤累积理论转化为一个循环次数为N0的当量应?imni?1 （2-35） 力?e，由式（2-33）得?mi?1?iNiz又由疲劳曲线可知：N1?1mmm?N2?2???N0??1 （2-36） ?imni?1 将式（2-36）代入式（2-35）得：?mN?i?10?1z?imni?1 如果材料在上述应力作用下未达到破坏，则?mi?1N0??1z整理得：m1N01N0??i?1zzmini???1 记?e?m??i?1mini——当量应力 对于受对称循环变应力的零件，其强度条件为： Sca?m??11N0?(k??i)mnii?1z?k?m??11N0??i?1z?[S] mini对于受非对称循环变应力的零件，其强度条件为： Sca?m??11N0mni??adii?1z?m??11N0?(k??i?1z?[S] ai????mi)mni?ai,?mi为?i的应力幅和平均应力部分。 2）当量循环次数计算法 思想：将（?i,ni）转化为疲劳效果与之等效的稳定变应力（?,Ne） 即，令??i?1zmini??mNe ∴当量循环次数为：Ne??(i?1z?im)ni? 又根据疲劳曲线知：??Nem?Ne???mN0 所以，当量循环次数为Ne时的疲劳极限为 ??Ne???mN?kN?? （2-41） Ne∴对称循环变应力零件，其强度条件为 ??NekN??1Sca???[S] （2-42） k??k??a对于非对称循环变应力，其强度条件为： ??NekN??1Sca???[S] （2-43） ?adk??a????m对于切应力?的计算公式相同，只需将?改为?即可。 §3-4 机械零件的接触强度 高副零件工作时，理论上是点接触或线接触→实际上由于接触部分的局部弹性变形而形成面接触→由于接触面积很小，使表层产生的局部应力却很大。该应力称为接触应力。在表面接触应力作用下的零件强度称为接触强度 计算依据：弹性力学的赫兹（Hertz）公式 1、接触应力 a)两圆柱体接触 最大接触应力：?Hmax1)p??21??121??2?b(?)E1E2F( 当?1??2?0.3,E1?E2?E,?Hmax?0.418FEbp? b)两球接触 最大接触应力：?Hmax?1?3bF[1p?21??121??2?E1E2] 沟松比?1??2?0.3,E1?E2?E时,?Hmax?0.3883FE22p? p?——综合曲率半径 111??p?p1p2???外接触 ????内接触12说明：1）圆柱体?Hmax?F 2）圆柱体?Hmax?，球?Hmax?F，球?Hmax?13 ∴?Hmax与F不呈线性关系 11p?212p?3 ∴p?越大，?Hmax越小 3）同样的p1、p2下，内接触时p?较小，?Hmax较小，约为外接触时的48%， ∴重载情况下，采用内接触，有利于提高承载能力或降低接触副的尺寸。 2、失效形式 静应力时 表面压碎——脆性材料 表面塑性变形——塑性材料 变应力（脉动循环）：疲劳点蚀——齿轮、滚动轴承的常见失效形式。 3、提高接触疲劳强度的措施 1）控制最大接触应力 ?Hmax?[?]H 2）提高接触表面硬度，改善表面加工质量 3）增大综合曲率半径p? 4）改外接触为内接触，点接触→线接触 5）采用高粘度润滑油

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