机械设计之机械零件的工作能力与计算准则
机械设计 分析与思考 简答题专用 参考机械设计第四版和第八版
第一章 机械设计概论第二章 机械零件的工作能力和计算准则二、分析与思考题1、机械设计的基本要求包括哪些方面？答：功能要求；安全可靠性要求；经济性；其他要求2、机械设计的一般程序如何？答：设计任务→调查研究→开发计划书→实验研究→技术设计→样机试制→样机试验→技术经济评价→生产设计→小批试制→正式投产→销售服务3、对机械零件设计有哪些一般步骤？答：1、选择零件类型、结构；2、计算零件上的载荷；3、选择零件的材料；4、确定计算准则；5、理论设计计算；6、结构设计；7、校核计算；8、绘制零件工作图；9、编写计算说明书及有关技术文件，其中步骤4对零件尺寸的确定起决定性的作用。
4、对机械零件设计有哪些常用计算准则？答：强度准则；刚度准则；寿命准则；振动稳定性准则；可靠性准则。
5、什么是机械零件的失效？机械零件可能的失效形式主要有哪些？答：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。
常见失效形式有：因强度不足而断裂；过大的弹性变形或塑性变形；摩擦表面的过度磨损、打滑或过热；连接松动；压力容器、管道等得泄露；运动精度达不到要求等。
6 、什么是零件的工作能力？什么是零件的承载能力？答：零件不发生失效时的安全工作限度称为工作能力；对载荷而言的工作能力称为承载能力。
7、什么是静载荷、变载荷、名义载荷、计算载荷？什么是静应力和变应力？答：不随时间变化或变化缓慢的载荷称为静载荷；随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷称为变载荷；在稳定和理想的工作条件下，作用在零件上的载荷称为名义载荷；再设计计算中，常把载荷分为名义载荷和计算载荷，计算载荷等于名义载荷乘以载荷系数Ｋ。
8、什么是变应力的应力比r ？静应力、脉动循环变应力和对称循环变应力的r 值各是多少？答：最小应力与最大应力之比称为变应力的循环特性ｒ。
静应力ｒ＝１；脉动循环变应力ｒ＝０；对称循环变应力ｒ＝－１．9、图示各应力随时间变化的图形分别表示什么类型的应力？它们的应力比分别是多少？10 、什么是零件的工作应力、计算应力、极限应力和许用应力？答：材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为工作应力；根据计算载荷求的应力称为计算应力；工作的时候，工件被破坏的应力值，称为零件的极限应力；机械设计中允许零件或构件承受的最大应力值称为许用应力；11、在静应力下工作的零件其失效形式有哪些？用塑性材料制造的零件和用脆性材料、低塑性材料制造的零件，其极限应力各应是什么？答：静应力时零件的主要失效形式：塑性变形、断裂；脆性材料的极限应力为B （强度极限）；塑性材料的极限应力为s σ（屈服极限）12、如图所示，各轴均受静载荷的作用，试判断零件上A 点的应力是静应力还是变应力，并确定应力循环特性r 的大小或范围。
邱宣怀《机械设计》(第4版)(名校考研真题 机械零件的工作能力和计算准则)【圣才出品】
一、填空题1．若一零件的应力循环特性，，N/mm 2，此时为（ ），=0.5r +a 70σ=m σ为（ ），为（ ）。
[中南大学2000研]max σmin σ【答案】210N/mm 2；280N/mm 2；140N/mm 2【解析】根据题意可得min max max min a =0.5702r σσσσσ⎧=⎪⎪⎨-⎪==⎪⎩解得：N/mm 2；N/mm 2max 280σ=min 140σ=则平均应力：。
2max min m 210/2N mm σσσ+==2．支承定轴线齿轮传动的转轴，轴横截面上某点的弯曲应力循环特性r ＝______；而其扭转应力的循环特性r ＝______。
[国防科技大学2001研]【答案】；1-0【解析】支承定轴线齿轮传动的转轴，受方向不变的径向载荷。
因此，轴横截面上既分布有拉应力，也有压应力。
随着轴的转动，拉压应力交变，所以轴所受的弯曲应力为对称循环变应力，其应力循环特性。
而转轴所受的切向力方向也是恒定不变的，但大1r =-小是周期性变化的。
因此，扭转应力是脉动变化的。
故扭转应力的循环特性。
0r =3．变应力可由______产生，变应力特性可用______等五个参数中的任意两个来描述。
[北京航空航天大学2001研]4．额定载荷是指______；计算载荷是指______。
[国防科技大学2002研]【答案】在工作平稳、载荷均匀等理想条件下，根据理论计算确定的载荷考虑实际工作中存在各种误差因素；将额定载荷修正后用于零件设计计算的载荷5．当单向转动的轴上作用力方向不变的径向载荷时，轴的弯曲应力为______循环变应力，扭转剪应力为______循环变应力（运转不平稳）。
[中南大学2002研]【答案】对称；脉动【解析】轴上作用径向载荷时，轴的弯曲应力部分为压应力，部分为拉应力。
又因为轴单向转动时，压应力区和拉应力区交变，所以轴的弯曲应力随时间正负交变，为对称循环应力。
但是轴所受的扭转剪应力方向是始终不变的，所以为脉动循环变应力。
机械零件的工作能力和计算准则
机械零件的工作能力和计算准则在机械设计和制造领域，机械零件的工作能力是非常重要的一个概念。
它通常指的是机械零件在承受负荷（载荷）时，能够承受的最大力或扭矩。
而机械零件的计算准则，就是根据不同的工作情况和零件特点，通过相应的计算公式和标准，来确定机械零件的工作能力。
机械零件的工作能力承受力的定义和计算机械零件承受力是指机械零件在静态或动态工作时，承受的最大载荷。
而承受力的计算则需要考虑多种因素，包括材料的强度和硬度、零件的尺寸和形状、载荷的作用方向和大小等。
机械零件承受力的计算公式通常由机械设计师和工程师制定，具体的计算方法也有不同的标准和规范。
例如，ISO和ASME等标准就制定了不同的机械零件承受力计算方法和公式，以满足不同应用场景和使用要求。
扭矩的定义和计算除了承受力外，对于一些需要扭转运动的机械零件，扭矩的计算也是非常重要的。
扭矩是指在一定长度的臂杆上，施加的作用力与臂长的乘积。
而对于圆形截面的零件，扭矩还可以用杆的直径、长度和材料的剪切强度等因素来计算。
同样，机械零件扭矩的计算也需要考虑多种因素，包括零件的形状和尺寸、材料的强度和硬度、扭矩作用的方向和大小等。
机械工程师必须根据具体的工作情况和使用要求，制定相应的扭矩计算公式和标准。
机械零件的计算准则机械零件的计算准则主要是针对零件的尺寸、材料、工艺和加工精度等各个方面制定的规范和标准。
根据不同的机械零件特点和工作要求，工程师们需要遵循相应的计算准则来设计和制造机械零件。
国际标准国际标准化组织（ISO）制定了众多机械零件的计算准则和标准，例如机械弹簧的计算、螺纹的计算、齿轮的计算等。
这些计算准则和标准对提高机械零件的质量和可靠性具有重要的意义，而且还可以提高机械零件的交换和共享能力，减少设计和制造成本。
ASME标准ASME（美国机械工程师学会）也制定了一系列机械零件的计算准则和标准，例如ASME B16.5钢制管法兰和配件的标准、ASME SA-106无缝钢管等。
机械零件设计概论
2. 塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件， 而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热 性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在 机械制造中其应用日益广泛。 3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。
各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标 和机械设计手册中查得。
选用原则： 优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。
将零件的型式、规格、实验方法 、质量鉴定及标号等标准化，在 机械制造中具有重大意义。设计人员在设计时如无特殊要求，就应 当采用国家标准。
（二）机械零件设计中的标准化
零件的标准化，就是通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检 验方法、设计方法、制图要求等，制定出各种各样的大家共同遵守 的标准。 1、标准化的内容 标准化工作包括三方面的内容，即标准化、系列化和通用化，简称 为机械产品的“三化”。 1）、标准化 是指对机械零件种类、尺寸、结构要素、材料性质、检验方法、公 差配合和制图规范等制定出相应的标准，供设计、制造时共同遵照 使用。 2）、系列化 将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制 成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。 3）、通用化 将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现 互换。
（三）、我国标准化的分类
标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准
代号为 ISO
GB J号) －××××(为 批准年代) 强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。
推荐性国家标准：代号为GB／T ××××－××××，这类标准 占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这 些国标，以期取得事半功倍的效果。
1.退火 退火是将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后工件随 炉温缓慢冷却。退火可消除因锻造、焊接等产生的内应力，降低硬 度以改善切削加工性能。
机械零件的工作能力与计算准则
机械零件的工作能力与计算准则1. 引言机械零件是机械系统中的基础组成部分，决定了整个机械系统的工作能力和性能。
为了确保机械系统的稳定运行，必须对机械零件的工作能力进行准确的计算和评估。
本文将介绍机械零件的工作能力和计算准则，包括材料强度、负载分析和安全系数等方面的内容。
2. 材料强度材料强度是衡量机械零件抵抗外部力量的能力的关键指标。
常用的材料强度参数包括抗拉强度、屈服强度和断裂强度等。
在设计机械零件时，需要确定零件所能承受的最大力量，并与材料的强度进行对比，以确保零件不会发生破裂或变形。
2.1 抗拉强度抗拉强度是材料抵抗拉伸力的能力。
它是材料在受到拉伸时所能承受的最大应力。
常见的抗拉强度单位为兆帕（MPa），表示材料所能承受的力量与其横截面积之比。
2.2 屈服强度屈服强度是材料开始变形的临界点。
超过屈服强度，材料将发生可逆变形，并会出现塑性变形。
屈服强度常用于设计机械零件的安全边界，确保零件在正常工作状态下不会产生塑性变形。
2.3 断裂强度断裂强度是材料在受到拉伸力作用下破裂的抵抗能力。
当拉伸应力超过材料的断裂强度时，材料将发生断裂破裂。
断裂强度是设计机械零件时必须考虑的重要参数，以确保零件在受大力作用时不会发生破裂。
3. 负载分析负载分析是计算机械零件工作能力的重要方法。
通过对零件所受到的力量和力矩进行分析，可以确定零件的承载能力和工作状态。
常见的负载分析方法有静力学分析和动力学分析。
3.1 静力学分析静力学分析是计算零件在静态负载下的应力和变形的方法。
通过分析外部应力和内部应力的平衡关系，可以计算零件受力部位的应力分布和变形情况。
静力学分析是设计机械零件的基础，可以评估零件在正常工作状态下的工作能力。
3.2 动力学分析动力学分析是计算零件在动态负载下的应力和变形的方法。
通过分析零件所受到的力矩和动态载荷，可以计算零件在加速度下的应力分布和变形情况。
动力学分析主要用于评估机械零件在高速运动和震动工况下的工作能力。
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。
机械零件设计的基本准则与步骤
机械零件设计的基本准则与步骤引言机械零件设计是机械工程中非常重要的一环。
它涉及到零件的功能、结构、材料、加工工艺等方面的考虑。
在设计过程中，遵循一定的准则和步骤可以提高设计的效率和质量。
本文将介绍机械零件设计的基本准则与步骤，以帮助工程师们更好地完成机械零件的设计工作。
一、机械零件设计准则在进行机械零件设计时，需要考虑以下准则：1. 功能性机械零件的设计首先要满足其预定的功能要求。
因此，在设计之初，需要明确该零件的功能需求，并结合整个机械系统的工作原理和要求，确定该零件所承担的功能角色。
在设计过程中，要时刻关注功能性需求，确保设计的零件能够准确、可靠地完成其预定的功能。
2. 结构合理性机械零件的结构设计要合理，即要考虑零件的外形、尺寸、连接方式、布置等因素。
要尽量使结构简单、紧凑，减少零件的数量和体积。
此外，还要注意结构之间的配合与协调，确保零件可以良好地配合使用。
3. 强度与刚度机械零件在运行过程中会承受一定的载荷，因此要保证设计的零件具有足够的强度和刚度，以防止因载荷引起的变形、断裂等失效问题。
在设计过程中，需要进行强度和刚度的计算与分析，以确定合适的材料选择和尺寸设计。
4. 可靠性与安全性机械零件设计要确保零件的可靠性与安全性。
可靠性是指零件在规定条件下连续正常工作的能力，而安全性则是指零件在工作过程中不会产生意外事故或造成人员伤害的能力。
因此，在设计过程中，需要充分考虑零件的耐久性、稳定性、故障率等因素，并遵循相关的安全标准和规范。
5. 经济性机械零件的设计还要考虑经济性。
设计师应该在保证零件功能和质量的前提下，力求减少材料、加工和使用成本，提高设计的经济效益。
在设计过程中，需要综合考虑成本与性能的平衡，选择合适的材料、工艺和加工方式。
二、机械零件设计步骤在进行机械零件设计时，可以按照以下步骤进行：1. 确定设计要求首先，明确机械零件的功能要求以及所处的工作环境和使用条件。
了解零件的工作原理和特点，分析其受力情况和运动要求。
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
机械零件设计和计算准则
机械零件设计和计算准则引言在机械工程领域，设计和计算是极为重要的环节。
机械零件的设计需要考虑诸多因素，如强度、刚度、耐久性等，以确保零件能够在特定工况下正常运行。
本文将探讨机械零件设计和计算的准则，帮助读者更好地理解和应用这些准则。
1. 设计准则机械零件设计的准则是基于工程经验和理论分析，旨在满足特定的功能和性能要求。
下面列举了一些常见的设计准则：•强度要求：根据使用环境和受力情况，确定零件的最小强度要求，以确保零件不会发生过度变形或破坏。
•刚度要求：在设计中考虑零件的变形和振动，使其满足特定的刚度要求，以保持其形状和运动的稳定性。
•材料选用：根据零件的要求和工作环境的特点，选择合适的材料，以满足强度、耐磨性和耐腐蚀性等要求。
•加工性和可制造性：设计中要考虑零件的加工复杂度和制造成本，避免过于复杂或不易加工的结构，提高零件的可制造性。
2. 计算准则在机械零件设计中，计算是评估和验证设计方案的关键步骤。
下面介绍了一些常见的计算准则：2.1 强度计算•应力计算：根据受力情况和零件的几何形状，计算零件上的应力分布，判断其是否满足强度要求。
•强度边界：确定零件的强度边界，即材料的屈服强度或破坏强度，确保零件在任何情况下都不会超过该边界。
2.2 刚度计算•变形计算：根据受力情况和零件的几何形状，计算零件的变形量，判断其是否满足刚度要求。
•振动计算：根据零件的质量和刚度，以及其工作环境的振动频率和幅度，计算零件的振动状况，确保运动的稳定性和正常工作。
2.3 耐久性计算•疲劳寿命计算：根据零件的应力分布和材料的疲劳性能，计算零件的疲劳寿命，以判断其是否满足使用寿命要求。
•腐蚀和磨损计算：根据工作环境的特点，计算零件的腐蚀和磨损情况，以确定材料的耐久性和维护准则。
3. 工具和软件为了实施机械零件的设计和计算，工程师可以使用各种工具和软件。
下面列举了一些常用的工具和软件：•CAD软件：用于设计和绘制机械零件的三维模型，如SolidWorks、AutoCAD等。
第二章 机械零件的工作能力和计算准则
强度问题 刚度问题 耐磨性问题
轴瓦磨损 齿轮齿面塑形变形 齿面接触疲劳
工作能力—不失效条件下零件的安全工作限度。 这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示， 所以又常称为“承载能力”
吊钩最大起重量——50 kN
工作能力或承载能力——50 kN 50 kN 设计计算准则：设计机械零件时，保证零件不产生时效所 依据的基本准则。 主要有：强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定 性准则、可靠性准则。
强度条件：σ≤ [σ] 或 τ≤ [τ] 许用应力： [ ] lim ; [ ] lim
s s
σlim 、τlim — 极限应力 s — 安全系数
塑性材料： σlim = σs ；τlim = τs 脆性材料： σlim = σB ；τlim = τB σB、τB— 材料强度极限 σs、τs— 材料屈服极限
接触应力是不同于以往所学过的挤压应力的。挤压应力是面接触 性模量 引起的应力，是二向应力状态，而接触应力是三向应力状态。 接触应力的特点：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。
接触线长度
两接触体材料的弹
•
当零件在循环接触条件下工作时，接触表面的失效属于疲劳 损坏，称为表面疲劳磨损（点蚀）。
齿面接触疲劳
•
•
应力判别 式：
lim
S
• • • 安全系数判别式：
S
lim
（2.1）
lim S S
lim S S
（2.2）
二、静应力作用下的强度问题
主要失效形式：断裂或塑性变形
• 名义载荷：理想工作条件下的载荷。 • 计算载荷：作用于零件的实际载荷。 计算载荷 = K × 名义载荷 载荷系数 • 设计计算：根据零件的工作情况和工作能力准则给出安 全条件，求出在此安全条件下所允许的零件危险剖面尺 寸，以此为基础使结构具体化。 强度条件（或刚度）
机械零件的工作能力和计算准则
end
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树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.12.2020.12.20Sunday, December 20, 2020
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人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。03:37:1803:37:1803:3712/20/2020 3:37:18 AM
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安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.12.2003:37:1803:37Dec-2020-Dec-20
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好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。上 午3时37分18秒 上午3时37分03:37:1820.12.20
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一马当先，全员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.12.2020.12.2003:3703:37:1803:37:18Dec-20
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牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。2020年12月20日 星期日3时37分 18秒Sunday, December 20, 2020
– 蠕变：在一定工作温度和应力下，零件塑性变形缓慢而连续增长的现象， 如高温高压的管道管壁逐渐变薄
– 改善蠕变的措施：采用耐热钢、冷却和隔热 – 松弛：由于塑性变形而引起的，原予紧零件应力逐渐减小的现象 – 改善松弛的措施：采用耐温材料、采用加工良好的接触面、定期检查
• 2.7机械零件的振动稳定性
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相信相信得力量。20.12.202020年12月 20日星 期日3时37分18秒20.12.20
谢谢大家！
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踏实，奋斗，坚持，专业，努力成就 未来。20.12.2020.12.20Sunday, December 20, 2020
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弄虚作假要不得，踏实肯干第一名。03:37:1803:37:1803:3712/20/2020 3:37:18 AM
第2章 机械零件的工作能力
第2章机械零件的工作能力本章提示:本章介绍了影响机械零件工作能力的各项因素，并提出了满足零件工作能力的计算准则。
强度最重要的设计准则。
本章把各种零件强度计算的共性问题集中到一起，略去零件的具体内容，而阐述强度设计计算的基本理论和方法。
了解机械零件强度的基本概念和强度条件表达式的一般形式。
熟悉变应力的类型和特征。
了解影响零件疲劳强度的因素及其考虑方法，并能查阅有关图表。
了解机械零件的表面强度概念。
机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。
在不发生失效的条件下，零件所能安全工作称为工作能力。
通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为承载能力。
零件的失效可能由于：断裂或塑性变形；过大的弹性变形；工作表面的过度磨损或损伤；发生动；联接的松弛；摩擦传动的打滑等。
例如，轴的失效可能由于疲劳断裂；也可能由于过大的（即刚度不足），致使轴颈在轴承中倾斜，若轴上装有齿轮则轮齿受载便不均匀，以致影响正在前一情况下，轴的承载能力决定于轴的疲劳强度；而在后一情况下则取决于轴的刚度。
显然的较小值决定了轴的承载能力。
又如，轴承的润滑、密封不良时，轴瓦或轴颈就可能由于过度效。
此外，当周期性干扰力的频率与轴的自振频率相等或接近时，就会发生共振，这种现象称动稳定性，共振可能在短期内使零件损坏。
机械零件虽然有多种可能的失效形式，但归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和响等几个方面的问题。
对于各种不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件。
例如，当要问题时，按强度条件判定，即应力小于等于许用应力；当刚度为主要问题时，按刚度条件判形量小于等于许用变形量；等等。
判定条件可概括为计算量小于等于许用量。
这种为防止失效判定条件，通常称为工作能力计算准则。
设计机械零件时，常根据一个或几个可能发生的主要失效形式，运用相应的判定条件，确定零和主要尺寸。
载荷和应力.1 载荷的分类作用在机械零件上的载荷通常分为静载荷和变载荷两大类。
静载荷是指大小、作用位置和方向不化或变化缓慢的载荷，如锅炉压力。
机械零件的工作能力和计算准则
机械零件的工作能力和计算准则机械零件的工作能力是指其在特定工作环境下承受外部力和承载物体的能力。
机械零件的工作能力是保证机械设备正常运转的基础，因此需要进行合理的设计和计算。
本文将从机械零件的工作能力和计算准则两方面，来详细探讨机械零件在设计和应用中的重要性。
机械零件的工作能力直接关系到机械设备的负载能力以及运行的安全性和可靠性。
在设计机械零件时，必须考虑到其所受的力和载荷，保证零件不会超过其承载能力，避免零件的过载现象和破坏。
机械零件的工作能力通常包含以下几个方面的考虑：1.强度：机械零件的强度是指在外部力的作用下，不发生塑性变形和破坏的能力。
在设计机械零件时，需要根据外部力的大小、形式以及工作环境的特点来确定零件的强度标准。
通过合理的材料选择和结构设计，确保机械零件能够承受所受的力而不发生失效。
2.刚度：机械零件的刚度是指零件在外部力作用下的变形能力。
刚度越大，零件的变形越小，提高了机械设备的精度和工作稳定性。
在设计机械零件时，需要考虑不同工作条件下的应力分布和变形情况，使得零件具有适当的刚度。
3.寿命：机械零件的寿命是指其在工作条件下能够承受的循环载荷的次数。
通过分析零件的应力状态和应力历程，可以计算出零件的寿命，以保证机械零件可以在规定寿命范围内正常工作。
1.按规范进行设计：设计机械零件时，需要根据国家或行业的有关规范和标准进行设计。
这些规范主要包括材料的选择、零件的几何尺寸、载荷条件的确定等方面。
按照规范进行设计，可以确保机械零件的工作能力和安全性。
2.采用合适的材料：材料的选择是机械零件设计的重要环节。
设计师需要根据工作环境和工作条件的要求，选择具有合适强度和刚度的材料。
同时，还要考虑材料的耐磨性、耐腐蚀性等性能，以保证零件能够长期稳定工作。
3.合理确定载荷和荷载条件：在进行机械零件设计时，需要准确地确定零件所受的力和载荷条件。
通过对工作环境的分析和计算，可以确定零件所受的静载荷、动载荷以及瞬变载荷等，以保证零件的工作能力和安全性。
机械零件设计和计算概论
考虑到零件的截面突变、绝对 尺寸及表面状态对疲劳极限的 影响，在变应力下加入影响系 数
1. 应力对称循环变化时 2. 应力脉动循环变化时
1
1
k sk sFra bibliotek 0
0
6.4 机械零件的工艺性和标准化
从零件的工艺性出发，对零件结构提出 三个基本要求： 1. 选择合理的毛坯种类； 2. 零件的结构简单合理 3. 规定合理的制造精度和表面粗糙度。
作为极限应力，即：
s s
2. 脆性材料的抗拉强度 σb
作为极限应力，即：
B
s
变应力下，零件疲劳断裂是主要的 破坏形式，疲劳断裂与应力大小和 应力循环次数有关。材料经过N次 应力循环后，不发生破坏的应力最 大值称为疲劳极限σr 。
表示循环次数N与疲劳极限间的关系曲线称 为疲劳曲线（ σ－N曲线）。 如图6－2，当循环次数N超过某一数值N0以 后，曲线趋向水平，即 σ不再随N的增加而 降低，N> N0的区域称无限寿命区，N< N0 的区域称有限寿命区， N0称为循环基数。 对应与N0的疲劳极限为σr，在对称循环变应 力下σr = σ-1，在脉动循环变应力下σs= σ0。 min （r为应力循环特性系数 ） r
机械零件的设计步骤
1. 2. 3. 4. 5.
拟定计算简图； 确定作用在零件上载荷的大小； 选择合适的材料； 确定零件尺寸，并标准化； 绘制零件工作图。
各种计算准则的介绍
1. 强度：是机械零件工作能力的最基本准则，
常用判断危险截面处的最大应力（ 、 ）是 [ ] ）。强度 否小于或等于许用应力（ [ ] 、 条件表达式为 或
选择许用应力的方法：
机械设计习题
第一章机械设计概论第二章机械零件的工作能力和计算准则一、选择题1－1 机械设计课程研究的内容只限于____________。
（1）专用零件和部件（2）在高速、高压、环境温度过高或过低等特殊条件下工作的以及尺寸特大或特小的通用零件和部件（3）在普通工作条件下工作的一般参数的通用零件和部件（4）标准化的零件和部件1－2 下列8种机械零件：螺旋千斤顶中的螺杆，机床的地脚螺栓，车床的顶尖，减速器中的齿轮，拖拉机发动机的气缸盖螺栓，船舶推进器上的多环推力轴承，颚式破碎机上的V带轮，多气缸内燃机曲柄轴上的盘形飞轮。
其中有__________是通用零件。
（1）3种（2）4种（3）5种（4）6种1－3 下列8种机械零件：涡轮的叶片，飞机的螺旋桨，往复式内燃机的曲轴，拖拉机发动机的气门弹簧，起重机的起重吊钩，火车车轮，自行车的链条，纺织机的纱锭。
其中有___________是专用零件。
（1）3种（2）4种（3）5种（4）6种1－4 下列四种叙述中___________是正确的。
（1）变应力只能由变载荷产生（2）静载荷不能产生变应力（3）变应力是由静载荷产生的（4）变应力是由变载荷产生的，也可能由静载荷产生1－5 发动机连杆横截面上的应力变化规律如图所示，则该变应力的应力比r为___________。
（1）0.24 （2）－0.24（3）－4.17 （4）4.171－6 发动机连杆横截面上的应力变化规律如题1－5图所示，则其应力幅σa和平均应力σm分别为___________。
题1－5图（1）σa＝-80.6MPa,σm=49.4MPa（2）σa=80.6MPa,σm=-49.4MPa（3）σa=49.4MPa,σm=-80.6MPa （4）σa=-49.4MPa,σm=-80.6MPa1－7 变应力特性可用σmax、σmin、σm、σa、r等五个参数中的任意___________来描述。
（1）一个（2）两个（3）三个（4）四个1－8 零件的工作安全系数为___________。
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平均应力： m
max
min
2
对称循环:σm= 0; σa=σmax
应
力
幅： a
max min
2
脉动循环:σm=σa=σmax / 2
2.2 机械零件的强度
2.2.1 两种判断零件强度的方法
① ② S S
2.2.2 静应力强度
主要失效形式：断裂或塑性变形
强度条件：σ≤ [σ] 、τ≤ [τ] 或 S≥[ S ]
1. 磨损 2. 计算准则（条件性计算）
p [ p] v [v] p v [ p v]
3. 减轻磨损的措施
合适的材料匹配；提高表面硬度； 合适的表面状态；表面镀层； 防尘处理；控制表面温度； 提高表面加工质量；降低表面粗糙度值。
2.4 机械零件的刚度
刚度：是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力 表示方法：刚度－产生单位弹性变形所需要的力或力矩
m——与应力状态有关 的指数
各种材料的σr可从有关手册中查取
2.2.4 安全系数
通常 S ≥ 1 安全系数小——失效的可能小大 安全系数大——机械零件的体积庞大
影响安全系数因素如下：
协调处理
1. 与应力计算有关的因素
应力计算所依据的载荷值的不精确性 应力计算用的力学模型与实际状况之间的差异
2. 与材料的极限应力有关的因素
2.2.4 提高零件强度的措施
两个方面：结构设计； 制造工艺
1）结构方面
——合理布置零件减少载荷
——降低载荷集中，均匀载荷分布
——选用合理截面 如梁的截面采用工字形、T字形；轴的截面采用圆形。
——采用等强度结构
——减小应力集中
2）制造工艺－－主要提高疲劳强度
机械加工方法——表面滚压，喷丸处理使表面产生很小的 塑性变形（残余压应力）
材料机械性能本身的变化 零件尺寸效应的不确定性 不同毛坯制取方法及机械加工工艺对材料机械性能的影响
3. 与零件的重要性有关（等级）：
一级：零件的破坏要引起人身事故 二级：零件的破坏要引起严重的设备事故，修理费用昂贵 三级：零件的破坏要使机器停机修理 四级：零件的破坏不会使机器立即停止工作
选择原则： 保证安全可靠的前提下，尽可能选用较小的许用安全系数
H max [ H ]
4. 提高接触强度的措施
－－－减小接触应力 －－－提高表面硬度，以提高许用接触应力 －－－提高润滑油黏度
2.3.2 表面挤压强度
1. 失效形式
塑性材料——塑性变形 脆性材料——表面压碎
2. 强度条件（条件性计算）
p
F A
[
p]
常用于静态联接或低速工作条件下
2.3.3 表面磨损强度
静应力 变应力
变应力
——不随时间改变或变化缓慢 ——随时间作周期性或非周期性变化
稳定变应力——周期性循环变应力
非稳定变应力——非周期性循环变应力
注意： 变载荷 → 变应力
静载荷 → 静应力 ？或变应力
n
P ●a
n
稳定变应力
对称循环变应力 σ
O
t
σmax σmin
σa
非对称循环变应力 σ
脉动循环变应力 σ
机械设计
第2章 机械零件的工作 能力和计算准则
2.1 载荷及应力的分类
2.1.1 载荷的分类
静载荷 ——不随时间改变或变化缓慢 变载荷 ——随时间作周期性或非周期性变化
名义载荷 ——理想工作条件下的载荷 计算载荷 ——作用于零件的实际载荷
？
计算载荷 = K × 名义载荷
载荷系数
2.1.2 应力的分类
σm σa
σmax
O
t
静应力
σ
σm σa
σmin σmax
σ=常数
O
t
O
t
表达变应力的几个参数
循环特征：
r min max
——表示应力变化的情况
对称循环— r = －1； 脉动循环— r = 0；
非对称循环— r≠ 0 且 | r | ≠ 1; 静应力— r = +1
用σr 表示循环特征为 r 的变应力。如 σ-1、σ0等
[] [ ]
计算方法：
材料力学中的简化方法 弹性力学有限元分析方法
按刚度计算所得的零件截面尺寸一般要比按强度计算的大
2.4.3 刚度的影响因素及提高刚度的措施
材料：弹性模量Ｅ 同类金属E相差不大，用合金钢代替普通 碳钢以达到提高零件的刚度是不行的。
结构：剖面形状、支承结构、位置、加强筋
预紧：提高接触刚度（滚动轴承的预紧）
热处理方法－－化学热处理：渗碳、渗氮 普通热处理：表面淬火
2.3 机械零件的表面强度
2.3.1 表面接触强度
1. 表面接触应力
两圆柱体：
H max
1
F
b
(1 2 1
1
22
)
E1
E2
111
1 2
“+”号用于外接触，“-”号用于内接触2 Nhomakorabea 失效形式
表面疲劳磨损（表面疲劳点蚀）
3. 强度条件
柔度－单位外力或外力矩产生的弹性变形量
2.4.1 刚度对机械零件性能的影响
１）刚度不足会影响零件的使用性能 ２）对某些机器而言：为保证具有一定的精度，被加工零
件和机床都应具有一定的刚度 ３）刚度有时是强度的保证 ４）刚度影响零件的振动频率 ５）弹性零件应有确定的刚度要求
2.4.2 刚度条件
y [y]
(光滑)
s
粗糙区
σlim = ？
变应力时，取 σlim = σrN（疲劳极限）
则 [ ] r 或 rN
s
s
N — 应力循环次数 σrN — 疲劳极限（对应于N） N0 — 循环基数 σr — 持久极限
σ
疲劳曲线
σrN σr
N
N
N0
有限寿命区
无限
rN m N 常数 r m N0
由此得： rN r m N0 / N
2.5 机械零件的冲击强度
A物体给B的冲击能: Ek F (h y ')
B的变形能:
Ep
F
'
y' 2
F’—冲击载荷
条件 ① 能量守恒 Ek=Ep ② 载荷与变形成正比
Fy F' y'
F ' 1
1
2h y
F
KIF
KI—冲击系数
F ' 1
1
2h y
F
h = o 时F’= 2F为理论值，实际值可能 小于2F，冲击能损耗。
设计零件时应考虑冲击载荷的影响。
计算时用计算载荷 Fc=KF K—工作情况系 数，考虑冲击载荷的影响。
提高冲击强度的措施：
1）增大零件的弹性变形；3）增加材料的弹性，即降低E； 3）采用缓冲零件吸收冲击能量；4）减小间隙，增加预紧。
许用应力： [ ] lim ; [ ] lim
s
s
塑性材料：σlim = σs ；τlim = τs
脆性材料：σlim = σB ；τlim = τB
2.2.3 变应力作用下的强度问题
主要失效形式：疲劳破坏
疲劳破坏与零件的变应力循环次数N有关
轴
初始裂纹
强度条件：σ≤ [σ]
疲劳区
lim