2零件的失效形式与设计准则
机械设计知识要点及典型例题
机械设计复习要点第一章1、 机器的基本组成要素是（机械零件）。
机械设计是研究（通用零件）2、 能区分通用零件和专用零件。
第二章1、简述常用零件的设计准则2、零件常见的失效形式：（ ）（ ）（ ）。
第三章1、 应力的种类r=-1的应力是（ ），r=0的应力是（ ）。
接触应力是（脉动）滚动轴承的动圈应力循环性质是近似（脉动） 2、 P22图3-1曲线中B,C 的数值。
3、 能根据给定的数据绘制材料或零件简化的极限应力图时。
（绘图，P25页公式3-6，背） 4、 单项稳定变应力时，三种情况；c c c r m ===min ,,σσ加载线的绘制。
P26页5、影响机械零件疲劳强度的因素主要有三个：应力集中、绝对尺寸和表面状态典型例题1、一钢制轴类零件的危险剖面承受=max σ200 MPa ，=min σ－100 MPa ，综合影响系数σK =2，材料的S σ＝400 MPa ，1－σ＝250 MPa ，0σ＝400 MPa 。
试：1）画出材料的简化极限应力线图，并判定零件的破坏形式。
2）按r=c 加载计算该零件的安全系数。
(1)材料的简化极限应力线图如题2-31解图所示5021002002minmax =-=+=σσσm MPa15021002002min max =+=-=σσσa MPa标出工作应力点M （100，150）如图所示。
材料的极限应力点为M 1点，零件的破坏形式为疲劳破坏。
(2) 计算安全系数25.04004002502201=-⨯=-=-σσσψσS =m a K σψσσσσ+-1=8.05025.01502250=⨯+⨯安全系数小于1，零件的疲劳强度不够。
第四章1、影响润滑油粘度的主要因素（ ）、（ ）。
温度升高，粘度（ ）2、一个零件磨损的三个典型阶段（ ）、（ ）、（ ）。
3、润滑脂的主要质量指标（锥入度）。
4、摩擦的种类：（ ）、（ ）、（ ）、（ ）。
第五章1、螺纹的公称直径是（ ）径。
第1章机械设计的基础知识
? ? (t )dt
e ?0
★浴盆曲线 —描述机械产品典型的失效率λ（t）与时间 t 的关系的曲线。
dN
? (t)
? (t) ? ? dt
N
Ⅰ
阶段：正常使用阶段；
第Ⅲ阶段：损坏阶段。
0
t
图1.1 失效率曲线
1.2 机械零件的强度计算
★ 机械零件的强度计算是机械零件设计中最基本的计算。 静应力强度
max
?
t
min
? min ? ?? max ? ? a
r=－1 （对称）
1.2.2 材料疲劳的类别 ★依作用在零件上的变应力循环次数的不同，零件材料的疲劳 分为两种。
低周疲劳（应变疲劳） 循环次数低于103次 或104次 ； 高周疲劳 循环次数高于 104次 。
1.2.3 高周疲劳的机械零件的疲劳强度计算 1. 疲劳曲线（机械零件材料的） 曲线的得出： 实验的结果 实验目的： ①建立疲劳极限σmax 与应力循次数N的关系曲线。 ②建立极限平均应力σm与极限应力幅σa的关系曲线。 实验限定条件： 特定材料、特定的应力比 r 或特定循环次数N。
名义载荷—根据额定功率用力学公式计算出的
按照计算要求分
载荷。
计算载荷—考虑各种因素综合影响计算的载荷。
2．应力分类
静应力— 不随时间变化或变化缓慢的应力称为静应力；
变应力—随时间变化的应力称为变应力。
?
Ⅰ
?
F
t
F A
Ⅰ
变应力―大小、方向随时间变化的应力 对称循环变化的弯曲
截应面力Ⅰ由―静载Ⅰ荷所受F 引应起力为变应力
强度分类 变应力强度
静应力强度计算适用的场所：
①静应力作用的零件的强度校核 ； ②变应力作用的零件的强度校核 ，但应力循环次数 N＜103 ； ③有短时过载的零件的强度校核 。
1.4 失效形式及设计准则
[τ ] b） S σ = σ
τ lim Sτ = ≥ [S τ ] τ
S—安全系数，S＞1—→
S↑：安全，浪费材料 S↓：经济，不安全
绪 论 2)刚度准则 刚度：抵抗弹性变形的能力。
6
机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。 θ y ≤ [ y ]，θ ≤ [θ ] 思考4 为什么轴的设计一般只进行强度计算而不必进行刚度 计算？什么样的轴必须进行刚度计算？
绪 论
4
设计准则
零件工作 →承受载荷 → 载荷欲使零件失效 零件据自身结构、材料抵抗失效 →抵抗失效（零件承载能力）＞失效 →解决办法：合理设计 遵循设计准则
绪 论 1) 强度准则
5
强度：零件抵抗断裂、塑变、疲劳破坏的能力。 方法： a）σ ≤ [σ ] 或 τ ≤ [τ ]
[σ ] =
σ lim
绪 论
1
01-4
失效形式及设计准则
绪 论
2
失效形式
常见失效形式：
整体断裂; 过大的残余变形; 零件的表面破坏; 破坏正常工作条件引起的失效 (打滑、联接松动)； ……
失效：零件丧失工作能力或达不到设计性能要求。
思考3
失效与破坏有何不同？指出下页图中哪些属于破坏？
绪 论
3
整体断裂
零件断裂
零件表面损伤 过大残余变形
y
绪 论
7
3)寿命准则 实际使用寿命大于或等于预期寿命，L≥[L]。 如滚动轴承寿命计算。
绪 论
8
4)温升准则 零件工作时，若摩擦系数大，则可能导致 工作温度过高而失效，需进行热平衡计算。如 蜗杆传动、滑动轴承等的设计就需进行热平衡 计算。 Δt≤[Δt]
第2章机械零件的工作能力和计算准则
复合应力计算安全系数为：
s sca [s] s 2 2 2 ( ) s
或： sca
s s s s
2 2
[s]
3.允许少量塑性变形的零件(可按 1.5 s 作为极限应 力)
这类零件可按允许一定塑性变形时的载荷进行强度计算。 看课本图2.3，受弯矩M的简支梁，用塑性材料制成时，随 着弯矩M的增大，由（a）到（c）变化，到（c）图时材料 全部屈服。此时梁承受的弯矩计为 M lim ，因此，可以按 进行强度计算。 M lim
第2章 机械零件的工作能力 和计算准则
1.失效：机械零件丧失工作能力或达不到设 计要求的性能时，称为失效。 有人平时不说“失效”，而说“坏了”，是 不准确的。有些零件看上去没有“坏”但 已经失效了。 2.常见的失效形式
零件失效表现在强度问题、刚度问题、表面 失效和其他方面。
零件的失效形式有： 1）断裂; 2）过大塑性变形； 3）过量的弹性变形； 4）表面失效（工作表面的过度磨损或损伤 等）； 5）其他形式（联接的松弛、摩擦传动的打滑 等）。
单位接触线载荷。B为接触线长度。
F P B
(2)两球接触
1 3 6F 2 2 1 1 1 2 E E2 1
2
F Hmax 2
H max
1
1 2 E1、E2 两接触体材料的弹性模 量 1、 2 两接触体材料的泊松比
式中 : 相应的强度条件可表示为:
σ、τ——零件的最大工作应力。其中σ为 正应力，可由拉伸、压缩、弯曲等产生；τ 为切应力，可由扭转、剪切等产生； 2.[σ]、[τ]——许用正应力、许用切应力； 3.σlim、τlim——材料的极限正应力、极限 切应力； 4.[Sσ],[Sτ]——对应于正应力、切应力的许 用安全系数。
机械设计考试复习资料
一般来说，啮合传动传递功率的能力高于摩擦传动；蜗杆传动工作时的发热情况较为严重，故传递的功率不宜过大；摩擦轮传动必须具有足够的压紧力，故在传递同一圆周力时，其压轴力要比齿轮传动的大几倍，因而一般不宜用于大功率的传动；链传动和带传动为了增大传递功率的能力，必须增大链条和带的截面面积或排数（根数），但这要受到载荷分布不均的限制摩擦轮传动作用在轴上的压力最大，带传动次之，斜齿轮及蜗杆传动再次之，链传动、直齿和人字齿齿轮传动则最小1.机械零件的失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。
2.零件的失效形式整体断裂;过大的残余变形;工作表面的过度磨损或损伤破坏正常的工作条件3.机械零件的计算准则强度准则刚度准则寿命准则振动稳定性准则可靠性准则4.应力的种类静应力: σ=常数变应力: σ随时间变化平均应力: σm=(σmax+σmin)/2应力幅: σa=(σmax—σmin)/2变应力的循环特性: r=σmin/σmax对称循环变应力r=-1脉动循环变应力r=0静应力r=1螺纹连接1.分类连接:三角形螺纹,圆螺纹传动:矩形螺纹,梯形螺纹和锯齿形螺纹.2.螺纹连接的预紧和放松预紧力不得超过其材料的屈服极限σs的80%连接螺纹都能满足自锁条件ψ<ρv3.放松方法⑴摩擦放松：对顶螺母，弹簧垫圈，自锁螺母⑵机械放松:开口销与六角开槽螺母，止动垫圈，串联钢丝1.连接螺纹:普通螺、管螺纹传动螺纹:梯形螺纹、矩形螺纹、锯齿形螺纹2．螺纹连接的基本类型①螺栓连接：普通螺栓连接的特点：被连接件上的通孔和螺栓杆间留有间隙，通孔的加工精度要求较低，结构简单，装拆方便，使用时不受被连接件材料的限制铰制孔螺栓连接的特点：孔与螺栓杆多采用基孔制过渡配合，能够精确固定被连接件的相对位置，并承受横向载荷，孔的加工精度要求较高②双头螺柱连接：通常用于被连接件之一太厚不易制成通孔，材料又较软，且需要经常拆装的场合③螺钉连接：连接特点：螺栓（或螺钉）直接拧入被连接件的螺纹孔中，不用螺母，结构简单、紧凑。
《机械设计基础》复习重点、要点总结
第1章 机械设计概论
复习重点
1.机械零件常见的失效形式
2.机械设计中，主要的设计准则
习题
1-1机械零件常见的失效形式有哪些？
1—2在机械设计中，主要的设计准则有哪些？
1-3在机械设计中，选用材料的依据是什么？
第2章 润滑与密封概述
复习重点
1。摩擦的四种状态
2。常用润滑剂的性能
习题
2—1摩擦可分哪几类？各有何特点?
松边拉力=F3+F2（F2--—离心拉力F2=qv2；F3-—-张紧力或悬垂拉力）
紧边拉力=F3+F2+F1（F1--—有效工作拉力，F1=1000P/V KW)
注意与带的区别：⑴初拉力F3没有再变大或变小，∵链板之间可以相对转动，∴不像带有伸长收缩的明显改变.
⑵没有弯曲应力σb∵链包在链轮上,链板可以自由转动,∴不受弯曲应力.
销轴与外链板、套筒与内链板为过盈配合。
另外：内、外链板之间留有一定间隙,以便润滑油渗入到铰链的摩擦面间.
内、外链板均制成“∞”型。（从减轻重量和等强度两方面考虑）
链的排数：一般不超过4排.
连结数通常取偶数(∵接头方便,无过渡链节)
②链条的参数与标记：参数已标准化，分A、B系列。表11—1给出了A系列的一些参数。
3、标准渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数和几何尺寸计算
4。齿轮传动的失效形式
5.齿轮传动中的受力分析（齿轮的转向及轮齿旋向分析）
11.1齿轮机构的类型
齿轮机构的类型很多，按两齿轮轴线间的相互位置、齿向和啮合情况不同，齿轮机构可分为以下几种基本类型，如表11—1所示。
表11-1齿轮机构的类型
齿轮机构
平行轴传动
外啮合齿轮
机械设计简答题填空题
第二章．1、效。
主要表现为磨损.变形.断裂.蚀损2、什么是零件的工作能力？什么是零件的承载能力？承载能力。
3、什么是静载荷.变载荷.名义载荷.变应力？静载荷:大小，位置方向都不变或变化缓慢的载荷；动载荷指，大小位置和方向随时间变化的载荷。
名义载荷:的，平稳工作条件下作用在零件上的载荷，计算载荷:载荷系数k与名义载荷的乘积。
4、稳定循环变应力σmax，σmin，σa，σm，r数代表什么？列出据已知零件的σmax，σmin计算σa σm，及r公式σmax最大应力，σmin最小应力，σa应力幅，σm应力，r循环特性。
σa= （σmax- σmin）/2，σm=（σmax+ σmin）/2，r= σmin/σmax5、提高零件强度的措施有那些？工艺提高零件的表面质量减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸第三章．2、扩展直至发生疲劳断裂。
5、件疲劳强度的措施有哪些？答：1顺序和频率。
2)可能发生的初始裂纹的尺寸。
9、ψσ和ψτ俞高，ψσ和ψτ的值愈大还是愈小？对循环不对称性的敏感俞小第四章．1、低摩擦，减少磨损2、滑动摩擦可分分为哪几种？四种:干摩擦.流体摩擦.混合摩擦.边界摩擦3、根据磨损机理的不同，磨损通常可分为哪几种类型？们各有什么主要特点？反应。
4、机械零件的磨损过程分为那3长零件的寿命？温度过高。
第六章．3、成a转动。
4、哪些？答：1锁住和破坏螺纹副关系三种。
2）利用对顶螺母，胶接等等。
8、常用的提高螺纹联结强度的措施有那些？1、降低影响螺栓疲劳强度的应力幅2改善螺纹牙上载荷分布不均的现象3减小应力集中的影响4避免附加弯曲应力5采用合理的制造工艺方法9，在螺栓连接中，匀？答：1.载荷分布不均匀的现象。
2.悬置螺母，环槽螺母，内斜螺母，钢丝螺母等等结构。
第七章．1、普通平键的公称长度L与工作长度l答：圆头平键工作长度l = L- bl = Ll = L -b/2,b的宽度2、键的剖面尺寸b×h和键的长度L是如何确定的？压传递转矩。
机械零件的失效形式
1.机械零件的失效形式：整体断裂、过大的残余变形、零件表面破坏（腐蚀、磨损和接触疲劳）、破坏正常工作条件引起的失效2.设计零件应满足的要求：避免在预定寿命期内失效的要求（强度、刚度、寿命）、结构工艺性要求、经济性要求、质量小的要求、可靠性要求3.零件的设计准则：强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定性准则、可靠性准则4.零件的设计方法：理论设计、经验设计、模型试验设计5.机械零件常用的材料：金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料6.零件的强度分为：静应力强度和变应力强度7.应力比r=-1为对称循环应力；r=0为脉动循环应力8.BC阶段为应变疲劳（低周疲劳）；CD为有限寿命疲劳阶段；D点以后的线段代表了试件无限寿命疲劳阶段；D点为持久疲劳极限9.提高零件疲劳强度的措施：尽可能降低零件上应力集中的影响（减载槽、开环槽）、选用疲劳强度高的材料和规定能提高材料疲劳强度的热处理方法及强化工艺10.滑动摩擦：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦及混合摩擦11.零件的磨损过程：磨合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段；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12.磨损的分类：粘附磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、微动磨损13.润滑剂分为：气体、液体、固体和半固体四种；润滑脂分为：钙基润滑脂、纳基润滑脂、锂基润滑脂、铝基润滑脂14.普通连接螺纹牙型为等边三角形，自锁性较好；矩形传动螺纹的传动效率比其他螺纹高；梯形传动螺纹是最常用的传动螺纹15.常用的连接螺纹要求自锁性，故多用单线螺纹；传动螺纹要求传动效率高，故多用双线或三线螺纹16.普通螺栓连接（被连接件上开有通孔或铰制孔）、双头螺柱连接、螺钉连接、紧定螺钉连接17.螺纹连接预紧的目的：增强连接的可靠性和紧密性，防止受载后被连接件间出现缝隙或相对滑移。
螺纹连接放松的根本问题：防止螺旋副在受载时发生相对转动。
（摩擦防松、机械防松、破坏螺旋副运动关系防松）18.提高螺纹连接强度的措施：降低影响螺栓疲劳强度的应力幅（减少螺栓刚度或增大被连接件刚度）、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象、减小应力集中的影响、采用合理的制造工艺19.键连接类型：平键连接（两侧面是工作面）、半圆键连接、锲键连接、切向键连接20.带传动分为：摩擦型和啮合型21.带的瞬间最大应力发生在带的紧边开始绕上小带轮处；带一周，应力变化四次22.V带传动的张紧：定期张紧装置、自动张紧装置、采用张紧轮的张紧装置23.滚子链的链节数一般为偶数（链轮的齿数取奇数），滚子链为奇数时采用过度链节24.链传动张紧的目的：避免在链条的松边垂度过大时产生啮合不良和链条振动现象，同时为了增加链条与链轮的啮合包角25.齿轮的失效形式：轮齿折断、齿面磨损（开式齿轮）、齿面点蚀（闭式齿轮）、齿面胶合、塑性变形（从动轮出现脊棱、主动轮出现沟槽）26.齿轮工作面的硬度大于350HBS或38HRS的称为硬面齿；反之为软齿面齿轮27.提高制造精度，减小齿轮直径以降低圆周速度，均可减小动载荷；为了减小动载荷，可将齿轮进行齿顶修缘；将齿轮的轮齿做成鼓形是为了改善齿向载荷分布28.Tanr=z1:q（直径系数）导程角越大，效率越高，自锁性越差29.对蜗轮进行变位，变位后蜗轮的分度圆和节园仍旧重合，只是蜗杆的节线有所改变不再与其分度圆重合30.蜗杆传动的失效形式：点蚀、齿根折断、齿面胶合及过度磨损；失效经常发生在蜗轮上31.闭式蜗杆传动的功率损耗：啮合磨损损耗、轴承磨损损耗、进入油池中的零件搅油时的溅油损耗32.蜗杆传动必须根据单位时间内的发热量等于同时间内的散热量条件进行热平衡计算措施：加装散热片以及增大散热面积、在蜗杆轴端加装风扇以加速空气流动、在传动箱内装循环冷却管路33.形成液体动力润滑的条件：相对滑动的两表面必须形成收敛的锲形间隙；被油膜分开的两表面必须有足够的相对滑动速度，其运动必须使润滑油由大口流进小口流出；润滑油必须有一定的粘度，供油要充分34.滚动轴承的基本结构：内圈、外圈、液动体、保持架35. 3圆锥滚子轴承、5推力球轴承、6深沟球轴承、7角接触轴承、N圆柱滚子轴承00、01、02、03分别d=10mm、12mm、15mm、17mm 04表示d=20mm，12表示d=60mm 36.基本额定寿命：一组轴承中百分之十的轴承发生点蚀破坏，而百分之九十的不发生点蚀破坏的转速或工作小时数作为轴承的寿命37.基本额定动载荷：使轴承的基本额定寿命恰好为106转时，轴承所能承受的载荷38.轴承配置方法：双支点各单向固定、一支点双向固定另一端支点游动、两端游动支承39.轴承按载荷分：转轴（弯矩和扭矩）、心轴（弯矩）、传动轴（扭矩）。
机械设计基础考试重点
机械设计基础知识点一、 绪论1、机器：用来变换或传递能量、物料、信息的机械装置;2、机构：把一个或几个构件的运动,变换成其他构件所需的具有确定运动的构件系统;3、构件是指组成机械的运动单元；零件指组成机械的制造单元;二、 机械设计基础知识1、 失效：机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时,称为失效;2、零件失效形式及原因：1) 断裂失效：零件在受拉压弯剪扭等外载荷作用,某一危险截面应力超过零件的强度极限发生的断裂、2) 变形失效：作用于零件上的应力超过材料的屈服极限,则零件将产生塑性变形、3) 表面损伤失效：零件的表面操作破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳;3、应力和应力循环特性：可用min max /σσ=r 来表示变应力的不对称程度;r=+1为静应力；r=0为脉动循环变应力；r=-1为对称循环变应力,-1<r<+1为不对称循环变应力;4、零件设计准则：强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则、耐热性准则、可靠性准则;5、机械零件材料选择的基本原则：1) 材料的使用性能应满足工作要求力学、物理、化学、2) 材料的工艺性能满足制造要求铸造性、可锻性、焊接性、热处理性、切削加工性、3) 力求零件生产的总成本最低相对价格、资源状况、总成本;6、摩擦类型：按摩擦表面间的润滑状态不同分为：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦、混合摩擦;7、磨损：由于机械作用或伴有物理化学作用,运动副表面材料不断损失的现象称为磨损,分类：粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损;8、常用润滑剂：润滑油、润滑脂9、零件结构工艺性的基本要求：毛坯选择合理、结构简单合理、制造精度及表面粗糙度规定适当;三、 平面机构基础知识1、 运动副：两构件直接接触,并保持一定相对运动,则将此两构件可动连接称之为运动副;按照接触形式,通常把运动副分为低副和高副两类;2、平面机构的自由度：机构能产生独立运动的数目称为机构的自由度;设平面机构中共有n 个活动构件,在各构件尚未构成运动副时,它共有3n 个自由度;而当各构件构成运动副后,设共有个低副和个高副,则机构的自由度为F=3n-2-H L P P -;3、机构具有确定运动的条件：机构自由度应大于0,且机构的原动件的数目应等于机构的自由度的数目;当机构不满足这一条件时,如果机构的原动件数小于机构的自由度,机构的运动不能确定;如果原动件数大于机构的自由度,机构不能产生运动,并将导致机构中最薄弱环节的损坏4、复合铰链、局部自由度、虚约束各自的引入5、瞬心：两构件互作平面相对运动时,在任一瞬时都可以认为它们是绕某一点作相对转动;该点即为两构件的速度瞬心;6、三心定理：作相对平面运动的三个构件共有三个瞬心,这三个瞬心位于同一直线上;四、平面连杆机构1、平面连杆机构基本类型：按两连架杆的运动形式将铰链四杆分为三种：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构;2、平面四杆机构的演化：1)曲柄摇杆机构、2)曲柄滑块机构、3)导杆机构、4)摇块机构、5)定块机构、6)偏心轮机构、7)双滑块机构;3、铰链四杆机构有周转副的条件是：1)最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其他两杆的长度之和;2)组成该周转副的两杆中必有一杆为四杆中的最短杆;4、不同形式的获得条件：1)当最短杆为机架时,机架上有两个周转副,故得双曲柄机构；2)当最短杆为连架杆时,机架上有一个周转副,该四杆机构将成为曲柄摇杆机构；3)当最短杆为连杆时,机架上没有周转副,得到双摇杆机构;5、急回动动特性：摇杆在摆去与摆回时的速度不同的性质;6、行程速度变化系数K：K=180°+θ/180°-θ机构在两个极位时,原动件AB所处两个位置之间的锐角θ称为极位夹角θ角越大,K值越大,机构的急回特性也越显着7、压力角：从动件驱动力F与力作用点绝对速度所夹锐角;压力角的余角称为传动角;为了保证机构据传动性能良好,设计通常应使minγ≥40°；在传递力矩较大时,则应使minγ≥50°,对于一些受力很小或不常使用的操作机构,则可允许传动角小些,只要不发生自锁即可;8、死点：设摇杆CD为主动件,则当机构处于图示两个位置之一时,连杆与从动曲柄共线,出现了传动角等于0度的情况;这时主动什CD通过连杆作用于从动件AB 上的力恰好通过其回转中心,所以不能使构件AB转动而出现“顶死”现象;机构的此种位置称为死点;五、凸轮机构1、由于加速度发生无穷大突变而产生的冲击称为刚性冲击,由于加速度的有限值突变产生的冲击称为柔性冲击;2、基圆：以凸轮轮廓曲线的最小向径0r为半径所作的圆称为凸轮的基圆;3、压力角：从动件运动方向与力F之间所夹的锐角即为压力角;4、滚子半径的选择：设理论轮廓曲线外凸部分的最小曲率半径为min ρ,滚子半径为T r ,则相应位置实际轮廓曲线的曲率半径'ρ为'ρ=min ρ-T r ; 且有1) 当min ρ>T r 时,'ρ>0,实际轮廓曲线为一平滑曲线,从动件的运动不会出现失真;2) 当min ρ=T r 时,'ρ=0,实际轮廓曲线出现尖点,尖点极易磨损,磨损后,会使从动件的运动出现失真;3) 当min ρ<T r 时,'ρ<0,实际轮廓曲线出现相交,图中交点以上的轮廓曲线在实际加工时会被切去,使从动件的运动出现严重的失真,这在实际生产中是不允许的;六、 齿轮传动1、齿廓啮合基本定律：一对传动齿轮的瞬时角速比与其连心线被齿廓接触点公法线所分割的两段长度成反比,这个规律称为齿廓啮合基本定律;2、渐开线定义及其性质：当一直线沿某圆作纯滚动时,此直线上任意一点K 的轨迹称为该圆的渐开线,这个圆称为渐开线的基圆,该直线称为渐开线的发生线; 性质：1) 发生线在基圆上滚过的长度等于基圆上被滚过的弧长;2) 渐开线上任意一点的公法线必与基圆相切;3) 渐开线上各点的曲率半径不同,离基圆远,曲率半径越大,渐开线越平缓;4) 渐开线的形状取决于基圆的大小,同一基圆上的渐开线形状相同,不同基圆上的渐开线形状不同,基圆越大,渐开线越平直,基圆半径为无穷大时,渐开线为直线;5) 渐开线是从基圆开始向外展开的,故基圆内无渐开线;6) 渐开线上各点的压力角不相等,离基圆越远,压力角越大;3、渐开线齿廓的啮合特性：1) 四线合一啮合线、过啮合点的公法线、基圆的公切线和正压力作用线四线合一；2) 啮合线为一直线,啮合角为一定值；3) 中心距可调性;4、渐开线标准齿轮正确啮合条件：m1=m2=m,α1=α2=α;5、齿轮连续传动的条件是1/21≥=b p B B εPb 表示基圆齿距,ε越大,表示多对轮齿同时啮合的概率越大,齿轮传动越平稳;6、根切现象：用范成法加工齿轮,当刀具的齿顶线与啮合线的交点超出啮合极限点时,会出现轮齿根部的渐开线齿廓被刀具切去一部分的现象,称为根切;7、最少齿数：根切的产生与齿轮的齿数相关,齿数越少,越容易产生根切;标准齿轮欲避免根切,其齿数必须大于或等于不发生根切时的最少齿数,对于正常齿制的齿轮,最小为17,短齿制齿轮为14,若要求齿轮的齿数小于最少齿数而又不发生根切,则应采用变位齿轮;8、变位齿轮：以切削标准齿轮的位置为基准,将刀具的位置沿径向移动一段距离,这一距离称为刀具的变位量,以xm 表示;其中m 为模数,x 为变位系数;并规定刀具远离轮坯中心的变位系数为正,刀具靠近轮坯中心的变位系数为负;当刀具变位后,与分度圆相切的不是刀具的中线,而是刀具节线,这样切出的齿轮称为变位齿轮;9、轮齿常见的失效形式：1) 轮齿折断 2) 齿面点蚀 3) 齿面胶合 4) 齿面磨损5) 塑性变形;10、斜齿圆柱齿轮传动的正确啮合条件：n n n n n n m m m αααββ====-=212121;;m 、α分别代表两轮的法面模数和法面压力角;11、直齿圆锥齿轮正确啮合的条件：m1=m2=m,α1=α2=αm 、α分别代表两轮的大端模数和压力角;12、蜗杆传动正确啮合的条件是：ααα====2121;t a t a m m m m 、α分别代表蜗杆轴向模数、蜗轮端面模数和蜗杆轴向压力角、蜗轮端面压力角;13、齿轮传动的润滑方式：浸油润滑、喷油润滑七、 轮系1、平面定轴轮系传动比的计算公式：; 周转轮系传动比的计算公式：H n H m H n H m Hmn i ωωωωωω--==齿数连乘积转化轮系中所有主动轮齿数连乘积转化轮系中所有从动轮±= 2、轮系的应用：1) 实现相距较远的两轴之间的传动；2) 实现变速传动；3) 获得大的传动比；4) 实现换向传动；5) 实现运动的合成与分解;八、 带传动与链传动1、打滑现象：当传动的功率P 增大时,有效接力也相应增大,即要求带和带轮接触面上有更大的摩擦力来维持传动;但是,在一定的初拉力下,带和带轮接触面上所能产生的摩擦力有一极限值,称为临界摩擦力或临界有效拉力;当传递的圆周力超过该极限值时,带就在带轮上打滑,即所谓的打滑现象;2、带中最大应力发生在绕入小带轮的点处,其值为:3、带传动的弹性滑动：1) 传动带是弹性体,受力后会产生弹性伸长,带传动工作时,和松边的拉力不等,因而弹性伸长也不同;2) 带在绕过主动轮时,作用在带上的拉力逐渐减小,弹性伸长量也相应减小;3) 因而带在随主动轮前进的同时,沿着主动轮渐渐身后收缩滑动,而在带动从动轮旋转时,情况正好相反,即一边带动从动轮旋转,一边尚其表面向前拉伸滑动;4) 这种由于带的弹性和接力差引起的带在带轮上的滑动,称为带的弹性滑动;4、带的打滑是两个完全不同的概念;弹性滑动是带传动工作时的固有特性,只要主动轮一驱动,紧边和松边就产生拉力差,弹性滑动不可避免;而打滑是因为过载引起的全面滑动,是可以采取措施避免的;5、带传动的包角要求：小带轮包角／a 57.3×﹚d -﹙d ±18012=α,其中d2,d1分别表示大带轮和小带轮的直径,a 表示中心距;6、带传动的最大应力发生在小带轮某一点：其值为c b σσσσ++=11max ,其中1σ=A F /1A 为带的横截面积为紧边拉应力；A qvv A F cc //==σq 为每米长的质量,v 为带速；d YE b /2=σY 表示带截面的节面到最外层的距离；E 为带的弹性模量；d 为带轮直径;7、链传动优缺点：与带传动相比,其主要优点是：1) 能获得准确的平均传动比；2) 所需张紧力小,因而作用在轴上的压力小,3) 结构更为紧凑,传动效率较高,4) 可在高温、油污、潮湿等恶劣环境下工作；与齿轮传动相比较优点：1) 中心距较大而结构较简单,2) 制造与安装精度要求较低;链传动的主要缺点是：1) 瞬时传动比不恒定,2) 传动平稳性差,工作时有一定的冲击和噪声;8、链节距：链条上相邻两销轴的中心距称为链节距,以p 表示,它是链条最主要的参数,滚子链使用时为封闭环形,链条长度以链节数来表示;当链节数为偶数时,链条连接成环形时正好是外链板与内链板相连接,接头处可用开口销和弹簧夹来锁住活动的销轴,当链节数为奇数时,则需要采用过渡链节,链条受力后,过渡链节的链节除受拉力外,还承受附加的弯矩;因此应避免采用奇数链节;九、 连接与弹簧1、螺纹副：外螺纹与内螺纹旋合面组成螺纹副,亦称螺旋副;2、自锁条件：对于矩形螺纹,螺纹副的自锁条件为ρϕ≤,其中ϕ为斜面倾角,ρ为摩擦角;对于非矩形螺纹,其自锁条件为v ρϕ≤,其中v ρ为当量摩擦角,并且有v v f f ρβtan cos /==;3、螺纹的预紧：在一般的螺纹连接中,螺纹装配时都应拧紧,这时螺纹连接受到预紧力的作用,对于重要的螺纹连接,为了保证连接的可靠性、强度和密封性要求,应控制预紧力的大小;4、螺纹的防松：为了保证安全可靠,设计螺纹连接时要采取必要的防松措施;螺纹连接防松的根本问题在于防止螺纹副的相对转动;1) 在静载荷和工作温度变化不大的情况下,拧紧的螺纹连接件因满足自锁性条件一般不会自动松脱;2) 但在冲击、振动和变载的作用下,预紧力可能在某一瞬间消失,连接仍有可能自行松脱而影响正常工作,甚至发生严重事故;3) 当温度变化较大或在高温条件下工作时,连接件与被连接件的温度变形或材料的蠕变,也可能引起松脱;5、防松措施：1) 摩擦防松弹簧垫圈、双螺母、尼龙圈锁紧螺母、2) 机械防松开口销与槽形螺母、止动垫圈与圆螺母、3) 粘合防松6、螺栓的主要失效形式有：1) 螺栓杆拉断；2) 螺纹的压溃和剪断；3) 经常装拆时会因磨损而发生滑扣现象;7、键：平键和半圆键工作面是两侧面；楔键和切向键工作面是上下面;十、 轴承滚动轴承、滑动轴承1、滚动轴承分类：按滚动体形状可以分为球轴承和滚子轴承；按承受载荷的方向或公称接触角的不同,滚动轴承可以分为向心轴承和推力轴承;2、滚动轴承特点：主要优点是：1) 摩擦阻力小、启动灵活、效率高； 2) 轴承单位宽度的承载能力较强； 3) 极大地减少了有色金属的消耗；4) 易于互换,润滑和维护方便; 主要缺点是：1) 接触应力高,抗冲击能力较差,高速重载荷下寿命较低,不适用于有冲击的瞬间过载的高转速场合； 2) 减振能力低,运转时有噪声；3) 径向外廓尺寸大；4) 小批量生产特殊的滚动轴承时成本较高;3、滚动轴承的代号：基本代号中右起12位数字为内径代号,右起第3位表示直径系列代号,右起第4位为宽高度系列代号,当宽度系列为0系列时,可以不标出;4、滚动轴承类型选择：考虑承载能力、速度特性、调心性能、经济性5、滑动轴承的分类：按所受载荷方向的不同,主要分为径向滑动轴承和推力滑动轴承；按滑动表面间摩擦状态的不同,可分为干摩擦滑动轴承、非液体摩擦滑动轴承和液体摩擦滑动轴承;6、滑动轴承轴瓦材料性能：1) 摩擦因数小,有良好的耐磨性、耐腐蚀性、抗胶合能力强；2)热膨胀系数小,有良好的导热性；3)有足够的机械强度和可塑性;十一、轴1、轴的分类：按承载情况不同,轴可以分为以下三类：1)心轴只承受弯矩而不传递转矩的轴、2)传动轴主要传递动力,即主要传递转矩,不承受或承受很小弯矩、3)转轴用于支承传动件和传递动力,既承受弯矩又传递转矩;4)按照轴线的形状还可以分为：直轴、曲轴、钢丝软轴;2、轴的结构设计要求：1)便于轴上零件的装拆和调整；2)对轴上零件进行准确的定位且固定可靠；3)要求轴具有良好的加工工艺性；4)尽量做到受力合理,应力集中小,承载能力强,节约材料和减轻重量;。
第2章机械零件的工作能力和计算准则
表面挤压强度与表面磨损强度
表面挤压强度设计准则：
P [ P ]
F P [ P ] A
表面磨损强度设计准则：
p [ p] pv [ pv ] v [v ]
第2章机械零件的工作能力和计算准则
§2-5 机械零件的刚度
刚度:零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。
§2-7 机械零件的振动稳定性
振动：零件发生周期弹性变形的现象称为振动。 零件受周期性变化的作用力作用，会出现共振现象（失稳）。 设计准则：零件的自振频率与外力作用频率不相接近。
第2章机械零件的工作能力和计算准则
§2-8 机械零件的可靠性
一.可靠性概念
可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，正常工作的能力。
温度对材料膨胀和收缩的影响
第2章机械零件的工作能力和计算准则
§2-6 温度对机械零件工作能力的影响
温度对蠕变的影响： 蠕变：在一定工作温度和应力作用下， 零件塑性变形缓慢而连续增长 的现象。 温度对松弛的影响 松弛：在预紧情况下工作的零件，虽 然总变形不变，但在高温影响 下，其弹性变形会随时间逐渐 转化为塑性变形，引起应力降 低的现象称为松弛。 第2章机械零件的工作能力和计算准则
工作表面失效 （磨损、点蚀、胶合、塑性流动、压溃和腐蚀等）
§2-1 机械零件的失效形式及设计准则
三、设计准则 机械零件设计时，保证零件能正常工作而不产生失效所必 须遵循的条件。 如：强度条件、刚度（稳定性）条件、耐磨性条件等 均是机械零件的设计准则。 四、机械零件设计计算的类型 设计计算 校核计算
弹性范围内
Fl Ek E p y EA
F y ' F y'
冲击系数
2h F' ( 1 1 )F K1F y
机械设计(吕宏 王慧主编)课后习题答案
第一章绪论习题答案思考题1）机器是由哪些基本部分构成？各部分作用是什么？2）什么是专用零件？什么是通用零件？试举例说明。
3）机械设计的研究对象是什么？学习时应注意哪些问题？4）机械零件的主要失效形式及设计准则是什么？5）设计机器应满足哪些基本要求？1）答：机器是由原动机、传动装置和工作机三大部分组成。
原动机是机械设备完成其工作任务的动力来源。
传动装置是按执行机构作业的特定要求，把原动机的运动和动力传递给执行机构。
执行机构也是工作部分，直接完成机器的功能。
2）答：所谓通用零件实际是指各种机器都经常使用的零件。
如轴、轴承和齿轮等。
专用零件是某些机器使用的零件，例如：发动机中的曲轴、汽轮机中的叶片。
3）答：本课程是研究普通条件下，一般参数的通用零件的设计理论与设计方法。
学习时应注意以下问题：1）理论联系实际。
2）抓住课程体系。
3）要综合运用先修课程的知识解决机械设计问题。
4）要理解系数引入的意义。
5）要努力培养解决工程实际问题的能力。
4）答：机械零件的主要失效形式有强度失效（因强度不足而断裂）、刚度失效（过大的变形）、磨损失效（摩擦表面的过度磨损），还有打滑和过热，联接松动，管道泄漏，精度达不到要求等等。
设计准则是1)强度准则2) 刚度准则3) 耐磨性准则4) 振动稳定性准则5) 热平衡准则6) 可靠性准则5）设计任何机器都必须满足如下要求1）使用要求2）经济性要求3）安全性要求4）其他要求（1）环保要求（2）外观要求（3）体积重量要求等第二章 带 传 动 习 题1. 选择题1) 带传动中，在预紧力相同的条件下，V 带比平带能传递较大的功率，是因为V 带__3__.(1)强度高 (2)尺寸小 (3)有楔形增压作用 (4)没有接头 2) 带传动中，若小带轮为主动轮，则带的最大应力发生在带__1__处(1)进入主动轮 (2)进入从动轮 (3)退出主动轮 (4)退出从动轮 3) 带传动正常工作时不能保证准确的传动比是因为__4__.(1)带的材料不符合虎克定律 (2)带容易变形和磨损 (3)带在带轮上打滑 (4)带的弹性滑动4)带传动打滑总是__1__.(1)在小轮上先开始 (2)在大轮上先开始 (3)在两轮上同时开始 5) V 带传动设计中，限制小带轮的最小直径主要是为了_2___.(1)使结构紧凑 (2)限制弯曲应力(3)保证带和带轮接触面间有足够摩擦力 (4)限制小带轮上的包角6) 带传动的主要失效形式之一是带的__3__。
轴承的失效形式和设计准则
轴承的失效形式和设计准则轴承是一种常用的机械零件，用于支撑和减少旋转摩擦力。
然而，轴承在使用过程中可能会出现各种失效形式。
本文将探讨轴承的失效形式以及设计准则。
一、轴承的失效形式1. 疲劳失效：轴承在长期使用过程中，由于受到循环加载而产生疲劳失效。
这种失效形式主要表现为裂纹的产生和扩展，最终导致轴承断裂。
2. 磨损失效：轴承在运转过程中，由于摩擦和磨损而导致失效。
常见的磨损形式包括磨粒磨损、磨痕磨损和疲劳磨损。
磨损会导致轴承表面粗糙度增加，摩擦力增大，最终影响轴承的正常运转。
3. 偏心失效：轴承在运转过程中，由于轴承座孔与轴的配合不良或装配不当，导致轴承产生偏心失效。
这种失效形式主要表现为轴承的摆动和振动，严重时还会导致轴承卡死。
4. 温度失效：轴承在高速旋转时，由于摩擦产生的热量无法及时散发，导致轴承温度升高。
过高的温度会导致润滑油失效，润滑不良，从而影响轴承的正常工作。
5. 腐蚀失效：轴承在潮湿环境下，由于润滑剂中的水分和杂质的侵入，使轴承表面产生腐蚀，导致轴承失效。
二、轴承的设计准则1. 轴承选型准则：根据轴承所需承受的载荷、转速和工作条件等因素，选择适合的轴承型号和规格。
合理的轴承选型可以提高轴承的使用寿命和可靠性。
2. 温度控制准则：对于高速旋转的轴承，应采取适当的措施控制轴承的温度。
可以通过增加轴承的散热面积、改善润滑条件等方式降低轴承的温升。
3. 材料选择准则：轴承的材料应具有良好的机械性能、耐磨性和耐腐蚀性。
常用的轴承材料包括钢、铁、铜合金等。
4. 轴承润滑准则：合适的润滑剂和润滑方式对轴承的寿命和性能有重要影响。
应根据工作条件选择合适的润滑剂，并确保轴承充分润滑。
5. 安装与维护准则：轴承的安装和维护应符合相应的标准和规范。
安装时要注意轴承与座孔的配合，避免产生偏心失效。
定期检查和保养轴承，及时更换润滑剂和清除污垢，可以延长轴承的使用寿命。
6. 负载分配准则：在设计和使用轴承时，应合理分配负载，避免轴承承受过大的载荷，以免造成轴承的疲劳失效。
机械零件失效形式1
机械零件失效形式1、整体断裂2、过大的弹性变形或残余变形3、零件表面的破坏4、不能满足工作条件所导致的失机械零件设计计算准则1、强度准则2、刚度准则3、寿命准则4、振动稳定性准则5、可靠性准则螺纹联接的主要失效形式有（1）螺栓联接的松动。
（2）螺栓杆的拉断。
（3）螺栓杆或螺栓孔的压溃。
（4）螺栓杆的剪断。
（5）因经常拆卸而发生滑扣现象。
其中，（1）（2）为静载时的主要失效形式；（3）（4）为铰制孔用联接时的主要失效形式。
螺纹联接的设计准则：考虑螺纹联接要有适当的拧紧力矩和放松措施，通过强度计算来确定螺栓的直径；对受剪螺栓，还要进行剪切强度和挤压强度校核平键的失效形式：压溃（静联接）、磨损（动联接）、剪短带传动的失效形式：打滑和疲劳破坏带传动设计准则：在保证不打滑的条件下，带传动具有一定的疲劳强度和寿命链传动失效形式：1、链板滚子与套筒疲劳破坏2、销轴与套筒间的磨损3、销轴与套筒的搅合4、链条静强度破断对于中高速链传动，通常按许用功率进行设计计算。
而低速链传动则按其静强度进行设计计算齿轮失效的主要形式有轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合、塑性变形对于闭式软齿面齿轮传动，其失效形式主要是齿面点蚀，其次是轮齿折断，故通常先按齿面接触疲劳强度进行设计，确定齿轮的主要几何参数后，再校核齿根弯曲疲劳强度。
对于闭式硬齿面齿轮传动，其失效形式主要是轮齿折断，其次是齿面点蚀，故通常先按齿根弯曲疲劳强度进行设计，确定齿轮的主要几何参数后，再校核齿面接触疲劳强度。
对于高速重载齿轮传动，可能出现齿面胶合，故还需校核齿面胶合强度闭式蜗杆传动失效形式：齿面胶合、点蚀和磨损设计准则：按齿面接触疲劳强度条件计算蜗杆传动的承载能力，在选择许用应力时，适当考虑胶合和磨损的影响，同时应进行热平衡计算轴的形式有断裂、磨损、震动、变形。
轴设计要求设有：具有足够的强度和刚度、良好的振动稳定性和合理的结构。
转轴的失效形式为交变应力下的疲劳断裂，工作性能取决于疲劳强度轴的结构设计原则①轴应便于加工，轴上零件应便于装拆和调整（制造安装要求）；②轴和轴上零件要有准确的工作位置（定位）；③各零件要牢固而可靠地相对固定（固定）；④改善受力状况，减小应力集中联轴器的基本功用是：连接轴与轴、轴与其他回转零件一起转动，并传递运动和动力。
机器零件的失效形式及设计准则
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
• 在交变应力作用下，即使工作应力没有超过强度极 限，也会由于长时间工作而发生折断，这种折断称 为疲劳断裂，是承受交变应力的机械零件的主要失 齿轮轴疲劳 效形式则。 设计准则
• 2)变形 • 机械零件受载荷后会发生弹性变形，当零件承受的载荷过 大或刚度不足时，会使零件的尺寸和形状超过许用值，零 件不能正常工作。如车床主轴的变形过大，会影响加工零 件的精度。产生此种失效的原因为刚度不够。 • • • • • • •
• 对于同一机械零件可以依据一个准则，也可以同时兼顾几 个准则。具体设计时应按构件的实际使用工况和要求确定 设计准则。
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
• 一、机械零件常见的失效形式 机械零件丧失规定的功能成为失效。机械设计 的最主要目标之一是使设计的零件在规定期限内不 发生失效。 机械零件常见的失效形式有以下几种。
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
• 1)断裂 • 断裂是指由于零件截面上的应力超过其极限应 力产生的失效。 • •
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
静载荷冲击力
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
• 2)强度准则 • 强度指机械零件抵抗破坏的能力。强度准则就是机械零 件的工作应力不超过材料的许用应力，是大多数机械零 件的设计依据。本书将着重讨论机械零件的强度设计问 题。
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
一、机械零件常见的失效形式
一、机械零件常见的失效形式
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
• 二.机械零件设计准则 • 根据零件失效的原因，可建立起相应的零件设计准则。 • • • • • • • • • • •
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
2-3失效及计算准则
6、可靠性准则
§2—3 3 一、基本要求
机械零件应满足的基本要求
性能方面：保证零、 性能方面：保证零、部件在使用期限内不失效 经济方面：保证零、部件在符合性能要求的前提下低成本 经济方面：保证零、 失效——零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能 零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能 失效 失效形式：强度失效、刚度失效、磨损失效、振动、 失效形式：强度失效、刚度失效、磨损失效、振动、 噪声失效、精度失效、 噪声失效、精度失效、可靠性失效
零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力
y ≤ [ y]
y——可以是挠度、偏转角或扭转角
3、耐磨性准则 作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力
p ≤ [ p]
4、振动和噪声准则
pv ≤ [ pv ]
f p > 1.15 f
f p < 0.85 f ,
5、热平衡准则
∆ t ≤ [∆ t ]
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。
机械零件的计算准则（条件式） 二、机械零件的计算准则（条件式）
计算准则： 计算准则：以防止产生各种可能失效为目的而拟定的一些条 件，满足这些条件就可理论上保证零件在预定 寿命期限内正常工作。 寿命期限内正常工作。 例：强度计算准则
许用应力
σ ≤ [σ ] =
实际应力
σlim
Sσ
极限应力（通过实验获得） 极限应力（通过实验获得） 安全系数
τ ≤ [τ ] =
τlim
St
1、强度准则 零件在载荷作用下抵抗破坏的能力
σ ≤ [σ ] = τ ≤ [τ ] =
2、刚度准则
σlimBiblioteka SστlimStσ B (τ B ) − 脆性材料 σ lim (τ lim )σ S (τ S ) − 塑性材料 σ (τ ) − 疲劳极限 Y Y
机械设计(2.1.1)--零件的失效形式与设计准则
(3) 胶合—热胶合
高速、重载，润滑不良， 高温导致油膜破裂，材料 熔化、“焊接”，相对运 动表面涂抹烧伤 - 表面精 度降低、噪声。
1-1 零件的失效形式与设计准则
3 、变形过大
齿顶 塑变
三、失效形式
齿体 塑变
(1) 塑性变形
载荷过大导致零件产生塑性变 形，精度降低，零件失效；
1-1 零件的失效形式与设计准则
1-1 零件的失效形式与设计准则
一、机械零件设计步骤
一、F 机械零件设计步骤
建立计算模型
拟定零件的计算简图
确定零件上的载荷
选择材料、热处理方式
分析失效形式、设计准则、确定形状和主要尺 寸
按工艺、标准、规范要求，设计尺寸、绘图、说明 书
仿真优化、修改设计、工程试 验
1-1 零件的失效形式与设计准则
二、失效的概念
刚度—抗弹变能力
刚度准则： y≤[y] 、 θ≤[θ]
1-1 零件的失效形式与设计准则
五、工作能力准则
（ 3 ）寿命准则：设计寿命 L≥[L] 要求寿命
（ 4 ）耐磨性准则：零件抗磨损失效的能力
•压强条件： p≤[p] 防表面间油膜破坏产生磨损 •pv 值条件： pv≤[pv] (v— 相对滑动速度 ) ---- 防止表面间温升过高，油膜破坏加剧磨损—胶合
1 、整体断裂
轮齿整 体断裂
三、失效形式
齿轮轴 疲劳断 裂
(1) 过载断裂
零件上作用（非正 常）过大载荷，导致 零件整体断裂；
(2) 疲劳断裂
交变应力反复作用， 导致疲劳裂纹生成、 扩展、断裂。
1-1 零件的失效形式与设计准则
2 、表面破坏
三、失效形式
(1) 磨损
机械设计 (2)
它可以进一步分为：
i.非对称循环变应力 (non-symmetric cycle varing stress ) ii.对称循环变应力(symmetric cycle varing stress ) iii.脉动循环变应力(pulsation cycle varying stress)
设稳定循环变应力的最大值为σmax、最小值σmin，规定：
力循环N次后，材料不发生疲劳破坏的应力。
以σrN表示 金属的疲劳极限可以分成两种类型： (i) 对于大多数黑色金属及其合金(HB<=350),当N>=N0时，
疲劳曲线趋于水平，此时的疲劳极限应力用σrN0表示，认 为在σrN0的作用下，材料可以经受无限多次循环。
循环基数(cycle cardinal):循环次数N0称为循环基数 (ii) 对于有色金属和高硬合金钢(HB>350),无论循环次数N
极限应力(ultimate stress) σlim , τlim 极限应力常为材料的:
强度极限（静应力）σb , τb
屈服极限（静应力）σs , τs 疲劳极限（变应力）σr , τr
蠕变极限（热应力）
与应力状态有关的材料的断裂韧性。
材料的极限应力 静应力状态 脆性材料取抗拉强度极限σb , τb
非随机变化应力又可分为：
i.稳定循环变应力(stable cycle varying stress) ii.非稳定循环变应力
平均应力σm ，应力幅σa以及周期T都不随时间变化的应力。
σm , σa , T 之一随时间变化的应力。
机械零件的应力一般都可以理解为稳定循环变应力。
2.3.4 静应力的强度计算
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(3)胶合—热胶合
高速、重载，润滑不良，高 温导致油膜破裂，材料熔化、 “焊接”，相对运动表面涂 抹烧伤-表面精度降低、噪声。
1-1 零件的失效形式与设计准则
三、失效形式
3、变形过大 齿顶 塑变 齿体 塑变
周期
F
t t t
随机F
公式推算
2、载荷算法
名义载荷F ：
原动机功率
F
工作机阻力 （理想工况）
计算载荷Fca ： Fca =K F
K—载荷系数：考虑外载变化、载荷分布不均等
1-2载荷与应力
二、应力分类
二、应力分类
1、静应力： 2、变应力： (1)稳定变应力
( t ) 常矢
σ t
仿真优化、修改设计、工程试验
1-1 零件的失效形式与设计准则
二、失效的概念
二、失效概念 零件
规定使用条件下
规定的寿命期限内
不能完成 规定功能
失效
例:齿轮轴断裂—失效
1-1 零件的失效形式与设计准则
三、失效形式
三、失效形式
过载断裂
1、整体断裂
4、功能失效 5、过大振动
疲劳断裂 磨损
2、表面破坏
冷胶合
10 N 0
3 m' 1c
lg10 3 lg N 0 m lg 1c lg 1(103 ) c
零件疲劳曲线方程： 1Nc m'
N0 ' 1c K N 1c N
1-4 对称循环变应力下零件强度计算 三、零件的疲劳曲线与疲劳极限 2、零件疲劳极限 1c 与条件疲劳极限 1 Nc
( t ) 变矢
σ σ 规律性、非稳定
t
(2) 非稳定变应力
σ 随机 t
T
t
1-2载荷与应力
三、变应力的参数
三、变应力的参数 1、非对称循环变应力
σ
σa
平均应力：σm=(σmax+σmin)/2
应 力 幅：σa=(σmax -σmin)/2
σmax σmin
σm
t
应力循环特性：r= σmin /σmax σ
45°
45° D
B
O B
m
S
1-5 非对称循环变应力下零件强度计算 2、零件的极限应力线图—A′C′E′D
a
一、极限应力线图
试件线图ACED—疲劳强度影响因素Kσ 修正—零件线图A′C′E′D
A(0, 1 )
A′
A(0, 1c )
, ra ) M ( rm
C(
M
σ 3、脉动循环变应力 4、静应力
(-1≤ r ≤+1)
(变应力用五个参数描述，知二可求其他)
2、对称循环变应力
t
σm =0 ；r= -1
σ
t
t σa=0 ;r= +1
σmin =0； r= 0
ห้องสมุดไป่ตู้
1-3 静应力下零件的强度计算
一、静应力下零件强度计算 应力比较法：σca≤[σ] =σlim / [S] 式中： σ ca– 计算应力—与载荷、结构尺寸、形状有关
′ ′为直线，M位于： ′ ′
––疲劳失效 ––静强度失效
D区––极限应力点N
1-5 非对称循环变应力下零件强度计算
a
二、疲劳强度安全系数计算
, ra ) M ( rm
二、疲劳强度安全系数计算
(1) B 点 : 1c
'
1
K
;
1(103 )
1N
三、零件的疲劳曲线与疲劳极限
A
A'
材料
m 1N N C
(2) A点 : 1(10 3 )c 1(10 3 ) / k0
式中： 1(10 3 ) m N0 3 1 10
零件
m 1Nc N C1
3、表面状态： 表面粗糙，疲劳极限降低
某种表面状态试样疲劳 极限 ( 1 ) 1 标准试样疲劳极限 1 k 三种因素综合影响系数 : K
表面状态系数 :
1-4 对称循环变应力下零件强度计算 三、零件的疲劳曲线与疲劳极限
三、零件的疲劳曲线与疲劳极限
1、零件的疲劳曲线σ
二、零件疲劳强度的影响因素
二、零件疲劳强度的影响因素 零件几何不连续处，实际应力远大于名义应力 1、应力集中：
标准试样疲劳极限 1 有效应力集中系数： k 1 缺口试样疲劳极限 ( 1 ) K
2、绝对尺寸：尺寸增加，疲劳极限降低 绝对尺寸系数:
直径d 试样疲劳极限 ( 1 )d 1 标准试样疲劳极限 1
0 0 , ) σ σ 2 2 C( 0 , 0 ) E 2 2Kσ ′ C E′
O
AE : 1c ra
rm K
D( S ,0)
m
rm DE : S ra
1-5 非对称循环变应力下零件强度计算 3、零件的极限应力分析（简单加载ｒ＝Ｃ）
1(103 )c
B
C
C'
1Nc
103
B'
k0 N 103时的有效应力集中系数 ；
k0 (k 1)q0 1
o
1c
N
1
N
N0
q0 修正系数(查图1 6), 反映材料对应力集中的 敏感性
(3)m': 將A'、B' 坐标代入零件疲劳曲线 方程：
m' 1(10 3 ) c
三、失效形式
2、表面破坏
(1)磨损
相对运动表面间进入第 三体（磨料），引起表 面磨损，精度降低；过 度磨损强度降低；
(2)点蚀
交变接触应力反复作用， 导致齿面形成裂纹、扩 展，材料脱落。引起振 动噪声或断裂；
1-1 零件的失效形式与设计准则
三、失效形式
2、表面破坏 齿面 粘着 齿面 胶合
(3)胶合--冷胶合
一、极限应力线图
σ σmax σmin
一、极限应力线图 1、材料的极限应力线图
同种材料、 r不同时，σ r在σ m– σ
a A M(σ
rm,σ ra）
a
坐标系下的关系曲线
σa σm t
AE : 1 ra rm
E
C
(2 1 0 ) / 0
ED : S ra rm
设计寿命N≥N0：零件σlim= σ-1c
设计寿命103≤N<N0 ：零件σlim= σ-1Nc
1-4 对称循环变应力下零件强度计算
四、零件的疲劳强度安全系数计算
四、(r=-1) 零件疲劳强度安全系数计算
(1) 无限寿命时零件疲劳强度安全系数
S
lim 1c S max a
σrN2
σrN0
B
o
r
103 N1 N2 N0
C N
m、C—系数 N0—循环基数 设计寿命N≥N0时：材料σ lim= σ 设计寿命103≤N<N0时：材料σ
其中：寿命系数- -K N m N0 N
σr— 疲劳极限
r
lim=
σ
rN=KNσ r
σrN— 条件疲劳极限
1-4 对称循环变应力下零件强度计算
a
一、极限力线图
M ( , ) A′ M 1 rm ra C′
。 M ( m , a ) 。
O
E′
N ( m , a )
, ra ) N ( rm
D( S ,0)
m
(1)工作应力点: M ( m , a ) max
m a
--M点：由载荷、结构确定
1-1 零件的失效形式与设计准则
四、工作能力准则
四、工作能力准则（设计准则） 1、定义--预定使用寿命期限内，零件安全工作的限度
--承载能力指标(受失效形式限制)、确定零件尺寸的依据
2、常用设计准则 （1）强度准则
强度—抗整体断裂、接触疲劳、塑变的能力 强度准则：（基本准则） σ ≤[σ ] ；τ ≤[τ ]
[S]–许用 安全系数—材料数据可靠性、载荷计算准确性、 零件重要性有关（查表)
安全系数法： Sca =σlim / σca ≥[S]
σ
lim–
极限应力—与材料种类、热处理有关
lim=
塑性材料：σ
σ
s
脆性材料： σ
lim=
σ
B
1-4 对称循环变应力下零件强度计算
一、材料的疲劳曲线与疲劳极限
一、材料的疲劳曲线与疲劳极限 1、疲劳破坏 疲劳破坏：变应力、多次作用下，材料发生破坏 ①裂纹萌生 曲轴断裂 疲劳破坏 ②裂纹扩展 实例 过 程： 内源断裂 ③最终瞬断
1N
1(103 )
A
A'
-1Nc
–N
(r=-1)
材料
m 1N N C
零件
m 1Nc N C1
1(103 ) c
B
B'
C
C'
o
1c
103
1
N
N0
方法：B' 点、A'点 m' 1Nc
m'
N0 1c N
1-4 对称循环变应力下零件强度计算
（5）振动稳定性准则：避免共振
fP ＜0.85f0
；
fP ＞1.15 f0
0.85 f0 f0 1.15 f0