机械设计基础

版社，2003.4
2.朱家诚主编，《机械设计基础》， 合肥工业大学
出版社，2003.2
3.吴克坚等主编。《机械设计》，高等教育出版
社，2003 .3
4.孙桓，陈作模主编。机械原理（第 6 版）。高等
教育出版社， 2001
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德州学院机电工程系
第九章 机械零件设计概论
（4学时）
本章要求：
2) 不存在宏观的、明显的塑性变形迹象，是脆性突然断裂； 3) 疲劳断裂是损伤的积累，在循环应力多次反复作用下产生。 4) 对材料的组成、零件的形状、尺寸、表面状态、使用条件和外界
环境等地非常敏感。
总之，疲劳破坏的最突出特点是发生突发性、高度局 部性以及对各种缺陷的敏感性。
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N0 N
KN 1
对称循环变应力作用下，任意循环次数N时的疲劳极限为
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1N
1 m
N0 N
（9 7）
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2. 许用应力
变应力下，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应 考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸和表面状态
等影响，为此引入有效应力集中系数kσ、尺寸系数εσ和表 面状态系数β等。当应力是对称循环变化时，无限寿命下
max max
min
2
min
2

（9 3）
循环特性——变应力的最小应力与最大应力之比，用r表示，它可
用来描述变应力的变化情况。
r min max
对称循环变应力——循环特性r＝-1的循环变应力，(图9-1c )，其
σa=σmax=-σmin，σm=0。
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机械设计基础
德州学院机电工程系 机械制造教研室 王志坤
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德州学院机电工程系
德州学院机电工程系
（9 1）
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② 安全系数法
安全系数法是判断危险截面处的实际安全系数 (Sσ，Sτ) 是否大于或等于许用安全系数([Sσ]，[Sτ])。计算公式
可写成
S S

lim
lim


S

S



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一、应力的种类
静应力——不随时间变化的应力(图9-1a)。 变应力——随时间变化的应力。 循环变应力——随时间作有周期性变化的应力。图9-1b所示
为一般的非对称循环变应力，图中T为应力循环周期。
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由图可知，变应力的平均应力σm及应力幅σa分别为
m a

应当注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数 值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格 加以圆整。
5) 绘制工作图并标注必要的技术条件。
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§9－2 机械零件的强度
载荷——进行强度计算所依据的、作用于零件上的外力F、 弯矩M、扭矩T以及冲击能量等，统称为载荷。
右图所示为轴的弯曲
疲劳断裂的断口，微
裂纹常起始于应力最
大的断口周边上。在
断口上明显地有两个
区域：一个是在变应
力重复作用下裂纹两
边相互摩擦形成的表
面光滑的疲劳区；一
个是最终发生跪性断
裂的表面粗糙的断裂
区。
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疲劳断裂不同于一般静力断裂。它是损伤到一定程度后， 即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂、所以疲劳 断裂与应力循环次数（即使用期限或寿命）密切相关。
3) 变应力下，以疲劳极限作为极限应力，可取S=1.3~1.7； 若材料不够均匀、计算不够精确时可取S=1.7~2.5。
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§9-3 机械零件的接触强度
若零件受载时是在较大的体积内产生应力，这种应力状态 下的零件强度称为整体强度
若两个零件在受载前是点接触或线接触，受载变形后，其 表层产生很大的局部应力，这种应力称为接触应力。这时 零件强度称为接触强度。
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通常用σ-l表示材料在对称循环变应力下的弯曲疲劳极限。
疲劳曲线的左半部（N＜N。），可近似地用下列方程式
表示：

m 1N
N


N m
1 0

C
（9 6）
利用上式可以求得在一定循环特性的变应力作用下，任意循环
次数N时的疲劳极限
1N
1 m
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4) 振动稳定性准则
在设计时应使机器中受激振作用的各个零件的自激振动 频率与激振源的频率错开。通常应保证
fp<0.85f 或fp<1.15f 5) 可靠性准则
机械零件的可靠性用可靠度表示。可靠度是指零件在规
定的时间内，在规定的使用条件下完成规定功能的概率。
个方面的问题。
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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。这种为防止失效而制定的判定条件，通常称为工 作能力计算准则。
机械零件的设计准则有:
1) 强度准则
强度准则是指零件中的应力不得超过允许的限度，即许 用应力，用公式表示为
lim
§9－1 机械零件设计概述
机械设计应满足的要求是：在满足预期功能的前提下，性 能好、效率高、成本低；在预定使用期限内安全可靠，操 作方便、维修简单和造型美观等。
机械零件由于某种原因不能正常工作（完不成规定的功能 或达不到设计要求的性能）时，称为失效。破坏是失效， 但失效并不单纯意味着破坏。
在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷称为名义 载荷。
考虑机器运转时动力参数的不稳定，工作阻力变化等原 因，使零件受到各种附加载荷而引入的影响系数称为载 荷系数K 。
载荷系数与名义载荷的乘积，称为计算载荷。
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按照名义载荷用力学公式求得的应力，称为名义应力。
如有NT个零件在规定的工作条件下使用，在t时刻后仍
有NS个零件能正常工作，则此零件在该工作条件下工作
t时间的可靠度为: R NS
NT
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机械零件的设计常按下列步骤进行；
1) 拟定零件的计算简图。
2) 确定作用在零件上的载荷。
3) 选择合适的材料。
4) 根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件， 确定零件的形状和主要尺寸。
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脉动循环变应力——循环特性r=0的循环变应力，(图9-
1d )，其σa=σm=σmax/2，σmin=0 。
静应力可看作变应力的特例，其σmax=σmin ，循环特性 r=+1。
当-1<r<+1，并且r≠0时，称为非对称循环变应力(图b)。
注意：零件在静载荷作用下不一定产生静应力。
S
lim
S
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演示文档标题
演示文档内容
2) 刚度准则
指零件在载荷作用下产生的弹性变形量不大于允许值， 用公式表示为
3) 寿命准则
y y
要求零件在预期工作期限内，能正常工作而不失效。影响 寿命的主要因素是：腐蚀、磨损和疲劳。
两点声明
❖ 1.考核方式： 多级测评：平时学习与作业占总成绩的 20%；实验占总成绩的10%；期末考试 （闭卷）占总成绩的70%
❖ 2.指定一名课代表。
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使用教材：杨可桢，程光蕴主编。《机械设计基础》，高等教
育出版社，2005.10
参考教材：1.黄平主编，《机械设计基础》， 华南理工大学出
按照计算载荷求得的应力，称为计算应力。 利用强度准则判断零件的强度常用的方法有： ① 应力法
应力法是判断危险截面处的最大应力(σ，τ)是否小于或 等于许用应力([σ]，[τ])。计算公式为


lim
S lim



S
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零件发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面， 因而也降低了承载能力，并引起振动和噪声。
在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为 工作能力。此限度对载荷而言时，又称为承载能力。
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机械零件可能的失效形式归纳起来主要有以下几种：
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；发生强烈的振动；联接的松弛；摩擦传动的 打滑等。
具有一定曲面的两物体在压力下互相接触时，在接触处产 生的应力便是接触应力。
承受接触应力的零件的承载能力不仅取决于整体强度，还 取决于表面的接触强度。
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机械零件的接触应力通 常是随时间作周期性变 化的接触变应力，在载 荷重复作用下，零件表 面发生疲劳点蚀破坏， （图9-7）。
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，导致振幅急剧增大，这种现象称为失去 振动稳定性。共振可能在短期内使零件损坏，所以对于 重要的、特别是高速运转的轴，还应验算其振动稳定性。
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、稳定性和温度的影响等几
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当没有专门的表格时，可参考下述原则选择安全系数：
1) 静应力下，塑性材料以屈服极限为极限应力。由于塑性材 料可以缓和过大的局部应力，故可取安全系数S=1.2~1.5； 对于塑性较差的材料或铸钢件可取S=1.5~2.5。
2) 静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，这时应取较 大的安全系数。例如，对于高强度钢或铸铁件可取S=3~4。
掌握机械零件的设计基本要求，机械制造常用材料及其 选择，了解表面粗糙度、公差与配合，机械零件的工艺性及 标准化。
本章重点：
1.机械零件的设计要求 2.机械制造常用材料及其选择 3.公差与配合、表面粗糙度和优先数系
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§9-1 机械零件设计概述 §9-2 机械零件的强度 §9-3 机械零件的接触强度 §9-4 机械零件的耐磨性 §9-5 机械制造常用材料及其选择 §9-6 公差与配合、表面粗糙度和优先数系 §9-7 机械零件的工艺性及标准化
的许用应力为
1
1
k S
当应力是脉动循环变化时，无限寿命下的许用应力为
(9 11)

0


0
k S
(9 12)
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有限寿命下的许用应力分别为
对称循环变应力时 脉动循环变应力时
四、安全系数
1N
1N kS
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二、静应力下的许用应力
静应力下，零件材料有两种损坏形式：断裂或塑性变形。
对于塑性材料，可按不发生塑性变形的条件进行计算。这时取材 料的屈服极限σS作为极限应力，故许用应力为
S
S
（9 4）
对于用脆性材料制成的零件．应取强度极限σB作为极限应
0 N
0N kS
(9 7) (9 8)
安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响。如果安全 系数定得过大将使结构笨重；如定得过小，又可能不够安 全。
在各个不同的机械制造部门，通过长期生产实践，都制订
有适合本部门的安全系数（或许用应力）的表格。使用时
可以从中查表选取所需的安全系数（或许用应力）。
1. 疲劳曲线
表示应力σ与应力循环次数N之间的关系曲线称为疲劳曲 线，如图9-3所示。从图中可以看出，应力越小，试件能 经受的循环次数就越多。
当循环次数N超过某一数值N0以后， 曲线趋向水平，即可以认为在“无
限次”循环时试件将不会断裂。 N0 称为循环基数，对应于N0的应力称 为材料的疲劳极限。
力，其许用应力为
B
（9 5）
S
对于组织均匀的脆性材料，如淬火后低温回火的高强度钢。还
应考虑应力集中的影响。
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三、变应力下的许用应力
变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。
疲劳断裂具有以下特征：
1) 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈 服极限低；