第九章机械零件设计概论.pptx
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机械设计基础 第9章 机械零件设计概论
m —随材料和应力状态而定的幂指数，如受弯钢制零件m = 9
r —对应于N0的疲劳极限，称为材料的疲劳极限，如 1， 0
对应于 N 的疲劳极限：
rN
m
N0 N
r
kN r
kN
m
N0 N
kN —寿命系数； 当N ≥ N0时，取kN = 1。
2. 影响机械零件疲劳强度的主要因素
影响机械零件疲劳强度的因素很多，有应力集中、零件尺寸、 表面状况、环境介质、加载顺序和频率等，其中以前三种最为重 要（只影响应力幅，不影响平均应力）。
F
F
F
F
F
n
n
n FFs
n
F nF
Fs n
Fs F
F
m
F
m
F 2｛
｝F
F
m
F｛
m FS
FS m
2
m
F
｝ mFs m
n
Fs
n
F
Fs F
Fs
F 2
预备知识 3. 剪切和挤压的实用计算
假设切应力在剪切面（
m-m 截面）上是均匀分布的
, 得实用切应力计算公式：
Fs
A
切应力强度条件： Fs
挤压力 Fbs= F
（2）接触面为圆柱面 Abs—直径投影面面积
预备知识 3. 剪切和挤压的实用计算
d
δ Abs d
(a
(b
d
(c
)
挤压强度条件：
)
bs
Fbs Abs
)
bs
bs 许用挤压应力，常由实验方法确定
塑性材料： bs1 .5 2 .5 脆性材料： bs0 .9 1 .5
机械零件设计概论(PPT21页)
根据化学成分
碳素钢 合金钢：18CrMnMo、20Cr、20CrMnTi等
铸钢：ZG270 500、ZQ42SiMn
铜合金
非金属：橡胶、塑料、 皮革、木材、纸板、棉 、丝等
2. 材料的选择：使用要求、工艺要求、经济要求
§6-6 公差与配合、表面粗糙度和优先数系
1. 公差与配合
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.10.2420.10.24Saturday, October 24, 2020
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。12:28:0212:28: 0212:2810/24/2020 12:28:02 PM
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.10.2412:28:0212:28O ct-2024-Oct-20
好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。下 午12时28分2秒 下午12时28分 12:28: 0220.10.24
一马当先，全员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.10.2420.10.2412: 2812:28:0212: 28:02Oct-20
牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。2020年10月24日 星期六12时28分2秒Saturday, October 24, 2020
★机械零件设计的一般步骤:
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； 5、绘制工作图并标注必要的技术条件。 注意:
1、通过设计计算出的零件尺寸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；
1、极限尺寸:
2、公差： 3、公差带： 4、配合：
第9章 机械零件设计概论1ppt课件
强度准则
刚度准则 寿命准则 振动稳定性
可靠性准则
lim /S 断 裂 、 疲 劳 轴 、齿 轮 、 带
破坏、残余 轮等
变形
y[y]
弹性变形 轴、蜗杆等
满 足 额 定 寿 腐 蚀 、 磨 滚动轴承等
命
损、疲劳
0.85f >fp 或 1 .1 5 f< fp
共振产生的 滚动轴承、 工作失常 齿 轮 、 滑 动
一般认为在整个工作寿命周期内应力变化次数小于 1000次的通用零件，均近似按静应力强度进行设计。 变应力强度：即疲劳强度，是变载荷作用下的强度问题。
如齿轮表面出现裂纹 ，滚动轴承的钢珠出现小黑点， 属于疲劳强度不够。
.
2、按载荷作用范围分为：
整体强度：指零件受载时，是在较大的体积内产生应 力，这时的零件强度称为整体强度：如吊钩强度。 我们一般讲的强度都是指的整体强度。
.
机械零件学习的方法及要求：
对公式除少数外，一般不要求记忆和推导， 要求会用公式即可。
重点掌握： ⑴、设计思想、思路、设计准则和设计原则、 设 计步骤； ⑵、公式中参数选择的原则及其影响因素； 要求：要联系生产实际来学习，培养解决工程实 际问题的能力。 不强调系统的理论分析，不强调公式的推导。
.
机械零件学习的方法及要求：
.
转矩 T9.55106 P n
由P＝F*V＝F*ω*R =T*ω=T*2πn/60,
P－－原动机功率KW n－－原动机的转速 T－－转矩，N.mm
T－N.m
⑵、计算载荷：是对名义载荷的修正
Fc＝K*F Tc＝k*T
K－－是考虑到机器振动、冲击、速度波动等引起的 附加载荷而引入的修正系数，称为载荷系数。K值可 查表。
机械零件设计概述PPT课件
机械的润滑
•
（二）机械润滑的作用
•
润滑的作用大致可归纳为：
•
1）减磨作用。减轻零件表面的摩擦、磨损和功率损耗；
•
2）降低温升作用。一方面是减小摩擦使发热量减少；另一方面是润滑油流过摩
擦表面带走摩擦产生的一部分热量；
•
3）清洗作用。润滑油流过摩擦表面时，带走磨损落下的金属细屑和污物；
•
4）防锈作用。吸附于零件表面的油膜，可保护零部件表面免遭锈蚀。
避免共振的措施：消除引起振动的根源，如改变机械零件自身的固有频率，装设 消振器，改变外界周期性载荷的频率或消除外界周期性载荷等。
第9页/共22页
第二节 机械零件常用材料及其选用原则
一、常用材料
•
钢（含Ｃ量＜1.4％）碳素钢(普通、优质碳素钢)、合金钢、铸钢。
•
铸铁:（含Ｃ＞2.06％）易成型、价廉、吸振、可靠性差。
第17页/共22页
机械的润滑
三、润滑剂的选用原则 在设备事故中，润滑事故占很大比重，而润滑剂选择不当又是造成润滑事故的 一个重要因素，选用润滑剂的基本原则是： 1）载荷大时，宜选用粘度或稠度大的润滑油或脂。粘度愈大，油膜强度愈高， 承载能力愈大； 2）转速高时，宜选用粘度或稠度低的润滑油或脂，以避免过大的运动阻力和发 热； 3）工作温度高时，宜选用粘度或稠度大的润滑油或脂，以保证在工作温度下要 求的粘性。 总之，重载、低速和高温宜选用粘度或稠度大的油或脂；轻载、高速和低温宜 选用粘度或稠度小的油或脂。在实用中，不少机器的润滑剂是根据使用经验来确定 的。
3)当零件以刚度为主要要求时，可选用一般强度的材料； 4)当零件以耐磨性为主要要求时，可选用减摩、耐磨材料；
5)当零件要求重量轻时，应选用轻合金、塑料或高强度材料
机械零件设计概论(ppt49页).pptx
一.基本概念
静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力。 例螺栓拧紧应力、吊钩应力。
变应力：随时间变化的应力。 具有周期变化特性的变应力——循环变应力 。静Βιβλιοθήκη 力变应力平均应力： m
max
min
2
应力幅：
a
max
min
2
循环特性： r min max
a.当 max min时， r=－1，称为对称循环变应力。 有： a max min ; m 0
（4）功能失效
不能完成预定功能。 带传动打滑、螺栓联接松动、高速转子共振等。
注意：
一个零件可能同时存在多种失效形式。 如齿轮，可能出现断裂、磨损、表面疲 劳点蚀、胶合、塑性变形等。
对于一具体零件，应根据其主要失 效形式，采用相应的设计准则，计算结 构尺寸，然后对其他失效形式进行校核 。 ——机械设计的工作在两个方面：设计 、校核。
p lim F dF S0 S dS
应力按方向分正应力和剪应力。
失效：机械零件在限定的期间内，在规定条件下， 不能完成正常的功能。如断裂、变形太大等。
工作能力（承载能力）：机械零件抵抗失效的能力 。或机械零件在预定的使用期限内，不发生失效的 安全工作限度。含时间和载荷两个要素。
三.失效形式： 1）断裂、塑性变形； 2）过大的弹性变形； 3）磨损或损伤 4）松弛、摩擦传动的打滑和强烈振动等。
第9章 机械零件设计概论
9.1 机械零件设计概述 一. 机械设计的要求： 1）在满足预期功能的前提下，性能好、效率
高、成本低。
2）在预定使用期限内，安全可靠、操作方便 。
3）方便维修、外观造型美观。 4）与时俱进 ，要有实时性。 不同的机械类型要求内容：
功能要求：满足运动、传力、工艺动作、零 部件工作可靠等。
静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力。 例螺栓拧紧应力、吊钩应力。
变应力：随时间变化的应力。 具有周期变化特性的变应力——循环变应力 。静Βιβλιοθήκη 力变应力平均应力： m
max
min
2
应力幅：
a
max
min
2
循环特性： r min max
a.当 max min时， r=－1，称为对称循环变应力。 有： a max min ; m 0
（4）功能失效
不能完成预定功能。 带传动打滑、螺栓联接松动、高速转子共振等。
注意：
一个零件可能同时存在多种失效形式。 如齿轮，可能出现断裂、磨损、表面疲 劳点蚀、胶合、塑性变形等。
对于一具体零件，应根据其主要失 效形式，采用相应的设计准则，计算结 构尺寸，然后对其他失效形式进行校核 。 ——机械设计的工作在两个方面：设计 、校核。
p lim F dF S0 S dS
应力按方向分正应力和剪应力。
失效：机械零件在限定的期间内，在规定条件下， 不能完成正常的功能。如断裂、变形太大等。
工作能力（承载能力）：机械零件抵抗失效的能力 。或机械零件在预定的使用期限内，不发生失效的 安全工作限度。含时间和载荷两个要素。
三.失效形式： 1）断裂、塑性变形； 2）过大的弹性变形； 3）磨损或损伤 4）松弛、摩擦传动的打滑和强烈振动等。
第9章 机械零件设计概论
9.1 机械零件设计概述 一. 机械设计的要求： 1）在满足预期功能的前提下，性能好、效率
高、成本低。
2）在预定使用期限内，安全可靠、操作方便 。
3）方便维修、外观造型美观。 4）与时俱进 ，要有实时性。 不同的机械类型要求内容：
功能要求：满足运动、传力、工艺动作、零 部件工作可靠等。
第9章机械零件设计概论[1]
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•o
•t •o
•t•o •σmin
•t
•循环变应力
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•对称循环变应力 •脉动循环变应力
•r =-1
•r =0
第9章机械零件设计概论[1]
•二、静应力下的许用应力
•静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形
•塑性材料，取屈服极限σS
作为极限应力,许用应力为：
•脆性材料：取强度极限σB
•S↓•→ 可能不安全。
•典型机械的 S 可通过查表求得。 无表可查时，按 以下原则取：
•1）静应力下，塑性材料的零件：S =1.2～１.5
•
铸钢件：S =1.５～２.5
•２）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：
•
S =3～4
•3）变应力下，
S =1.3～1.7
•材料不均匀，或计算不准时取： S =1.7～2.5
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第9章机械零件设计概论[1]
•失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度
等
•对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件
••强度条件：原计因算。应力<许用应力；
•刚度条件：变形量<许用变形量；
•防止失效的判定条件是：
• 计算量<许用量 •----工作能力计算准则。
•机械零件设计的步骤：
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第9章机械零件设计概论[1]
•§9－2* 机械零件的强度
•名义载荷-----在理想的平稳工作条件下作用在零件
上
•然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入
••名义应力-----按的名载义荷载。荷计算所得之应力。
•载荷系数K----考虑各种附加载荷因素的影响。 •计算载荷-----载荷系数与名义载荷的乘积。
机械零件设计概论 ppt课件
机械零件设计概论
1
前言 机械零件设计概述
机械零件的强度 机械制造中常用材料及其选择 公差与配合、表面粗糙度和优先数列
机械零件的工艺性及标准化
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
非金属材料如塑料、橡胶等 。
一、金属材料
常用金属 材料
铸铁 含碳量>2% 钢 含碳量≤ 2% 铜合金
铁碳合金
1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。
特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减 震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。
应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。
•当σmax、σmin均维持常数→稳定交变应力 •当σmax和σmin的数值随时间而改变→不稳定的变应力
2.交变应力的特征及典型的交变应力
交变应力－随时间作周期性变化的应力
平均应 m 力 ma2 x： min
应力幅 a： ma2 xmin
16
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。具有以下特征：
失效形式→ 强度、刚度、振动稳定性、耐磨性、温度等。
准则：根据各种失效形式而定。但常根据一个或几个主要失 效形式确定。
10
1、强度准则
失效形式
计算准则
1. 整 体
静应→整体 力 破坏
整体断裂(脆性材料) 过大的残余变形
强
（塑性材料）
B S
静 强
S S 度
度 变应力 →疲劳破坏 →疲劳断裂 (塑、脆性材料)
1
前言 机械零件设计概述
机械零件的强度 机械制造中常用材料及其选择 公差与配合、表面粗糙度和优先数列
机械零件的工艺性及标准化
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
非金属材料如塑料、橡胶等 。
一、金属材料
常用金属 材料
铸铁 含碳量>2% 钢 含碳量≤ 2% 铜合金
铁碳合金
1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。
特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减 震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。
应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。
•当σmax、σmin均维持常数→稳定交变应力 •当σmax和σmin的数值随时间而改变→不稳定的变应力
2.交变应力的特征及典型的交变应力
交变应力－随时间作周期性变化的应力
平均应 m 力 ma2 x： min
应力幅 a： ma2 xmin
16
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。具有以下特征：
失效形式→ 强度、刚度、振动稳定性、耐磨性、温度等。
准则：根据各种失效形式而定。但常根据一个或几个主要失 效形式确定。
10
1、强度准则
失效形式
计算准则
1. 整 体
静应→整体 力 破坏
整体断裂(脆性材料) 过大的残余变形
强
（塑性材料）
B S
静 强
S S 度
度 变应力 →疲劳破坏 →疲劳断裂 (塑、脆性材料)
机械设计基础：第九章 机械零件设计概论
机械设计基础第九章机械零件设计概论§9-1 机械零件设计概述一、机械零件设计的基本要求a) 在预定的工作期限内正常、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。
二、机械零件的失效形式失效－机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效工作能力－在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。
通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为承载能力。
常见的失效形式：强度－断裂或产生过大的残余变形；刚度－过大的弹性变形；耐磨性－零件磨损后会改变结构形状和尺寸，从而使机器的精度降低、机器的效率下降及零件的强度减弱；振动稳定性－机器在工作时发生振幅超过许用值的振动现象；耐热性－高温下零件的承载能力会降低，并可能出现蠕变，还会引起热变形及附加热应力等；工作能力计算准则－为防止失效而制定的判定条件计算量≤许用量三、机械零件的设计步骤－设计计算1.拟定零件的计算简图（建立受力模型）：在图中通常把零件的构造与零件间的联接情况简化，并将作用在零件上的载荷视为集中载荷或按一定规律分布的载荷；2. 确定作用在零件上载荷的大小；3. 选择合适的材料；4. 根据零件可能的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸，并加以圆整和标准化；5. 绘制零件的工作图，并标注必要的技术条件。
校核计算－先拟定零件的结构和尺寸，然后再用有关的判定条件进行验算一、应力的分类应力可分为静应力和变应力静应力：不随时间变化或变化缓慢。
静应力只能在静载荷作用下产生非对称循环变应力对称循环变应力1r =−脉动循环变应力0r =1r =变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生三、变应力下的许用应力变应力下的损坏形式－疲劳断裂疲劳断裂的特征：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；2) 不管脆性材料或塑性材料，其疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；3) 疲劳断裂是损伤的积累，它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未裂开的截面积不足以承受外载荷时，零件突然断裂。
第9章机械设计概论
与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂。
§9－2 机械零件的强度 三、变应力下的许用应力 1、疲劳曲线
应力σ与应力循环次数N 之间 的关系曲线称为：疲劳曲线 由图可知：应力越 小，试件能经受的 循环次数就越多。 试 验 表 明 ， 当 N>N0 以 后 ， 曲 线 趋于水平，可认为 在无限次循环时试 件将不会断裂。 O σ
[ ]
B
S
表9-1 常用钢铁材料的牌号及力学性能 材 料 类 别 牌 号
Q215 Q235 Q275 20 优质碳素 35 结构钢 45 35 SiMn 合金 40Cr 结构钢 20CrMnTi 60Mn ZG270-500 铸 钢 ZG310-570 ZG42SiMn HT150 灰铸铁 HT200 HT250 QT400-15 球墨铸铁 QT500-7 QT600-3 碳素 结构钢
§9-3 机械零件的接触强度 三、计算公式（赫兹公式）
对于点、线接触的情况，其接触 应力可用赫兹应力公式计算。
1 1 1 2 H 2 1 12 1 2 E E 1 2 Fn b
σH σH
Fn
ρ1 b
ρ2
Fn
ρ1 b
28
§9-3 机械零件的接触强度 二、疲劳点蚀
实验证明: （1）润滑油会加剧点蚀的形成。
（ 2 ）如接触表面无润滑油，则 磨损的速度远远超出裂纹的扩展 速度，即主要失效形式为磨损。
2、点蚀的后果：
1）使零件表面的接触面积减小，承载能力下降；
2）零件表面的平滑度下降，传动中会产生振动和噪音。
疲劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式。
ρ2
Fn
ρ1 b
由图看出，作用在两圆柱体上的 接触应力具有大小相等，方向相 反。且左右对称及稍离接触区中 线即迅速降低等特点。
第9章机械零件设计概论改.
洛阳高专用
§9－1 机械零件设计概论
机械设计应满足的要求： 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。
一、 基本概念
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. 工作能力----在不发生失效的条件下，零件所能安全 工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上 又称为：
一危险剖面上的应力超过零件的
强度极限而发生的断裂。
洛阳高专用
2）疲劳断裂：零件在变应力作用下，危险截面上
的应力大于零件的疲劳极限而发生的断裂。
2. 过大的弹性变形;
如机床主轴。
3. 工作表面的过度磨损或损伤;
4. 正常工作条件被破坏引起的失效如带传动等。 （二）计算准则 机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来 最主要的失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定 性、温度等方面的影响。
硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸蜂，在摩擦过程中引起的材料脱落现象称为磨 粒磨损 。硬质颗粒可能是零件本身磨损造成的金属微粒，也可能是外来的尘 土杂质等。摩擦面间的硬粒，能使表面材料脱落而留下沟纹。
加工后的零件表面总有一定的粗糙度。摩擦表面受载时，实 际上只有部分峰顶接触，接触处压强很高，能使材料产生塑 性流动。若接触处发生粘着，滑动时会使接触表面材料由一 个表面转移到另一个表面，这种现象称为粘着磨损(胶合磨损)。 所谓材料转移是指接触表面擦伤和撕脱，严重时摩擦表面能 相互咬死。
洛阳高专用
承载能力。
3. 强度----构件在载荷作用下抵抗破坏的能力
4. 刚度----构件在载荷作用下抵抗变形的能力
5. 稳定性----构件保持其原有平衡状态的能力 6. 耐磨性----作相对运动的零件工作表面抵抗磨损的能力
9 第九章 机械零件设计概论1PPT课件
失效（failure）： 机械零件由于某种原因不能
正常工作时
常见失效形式：
整体断裂或塑性变形——强度问题 表面破坏——表面强度或耐磨性问题 弹性变形过大——刚度问题 强烈震动——稳定性问题 联结的松弛、带的打滑等
7
8
9
10
工作能力：不发生失效时零件所能安全工作 的限度（常以零件承受载荷的大小表示，称 承载能力）
2
3
传动零件 轴系零件 联接零件 附件 机架
4
工作可靠 避免在预定寿命周期内失效
要 求
降低材料消耗，减少加工工时
成本低廉 采用标准化零、部件
大型零件采用组合结构
…
…
5
第9章 机械零件设计概论
机械零件的失效形式和计算准则 机械制造常用材料及其选择 零件结构的工艺性及标准化
6
9.1机械零件的失效形式和计算准则
如： 吊钩最大起重量——50 kN 工作能力或承载能力——50 kN
50 kN
工作能力计算准则（工作能力判定条件）： 强度条件：应力≤许用应力 刚度条件：变形量≤许用变形量
……
11
9.1.1 机械零件的强度
计算准则：
载荷：作用于零件上的力或力矩
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，考虑各种附 加载荷
余变形
p
S
极限应力：屈服极限
S(S)
A
e
D E
B
e
17
2） 变应力下的极限应力
失效形式: →疲劳断裂 →极限应力与应力性 质、大小、Ｎ有关
疲劳极限σr：
有限寿命区 无限寿命区
rlime
r
k
rN
正常工作时
常见失效形式：
整体断裂或塑性变形——强度问题 表面破坏——表面强度或耐磨性问题 弹性变形过大——刚度问题 强烈震动——稳定性问题 联结的松弛、带的打滑等
7
8
9
10
工作能力：不发生失效时零件所能安全工作 的限度（常以零件承受载荷的大小表示，称 承载能力）
2
3
传动零件 轴系零件 联接零件 附件 机架
4
工作可靠 避免在预定寿命周期内失效
要 求
降低材料消耗，减少加工工时
成本低廉 采用标准化零、部件
大型零件采用组合结构
…
…
5
第9章 机械零件设计概论
机械零件的失效形式和计算准则 机械制造常用材料及其选择 零件结构的工艺性及标准化
6
9.1机械零件的失效形式和计算准则
如： 吊钩最大起重量——50 kN 工作能力或承载能力——50 kN
50 kN
工作能力计算准则（工作能力判定条件）： 强度条件：应力≤许用应力 刚度条件：变形量≤许用变形量
……
11
9.1.1 机械零件的强度
计算准则：
载荷：作用于零件上的力或力矩
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，考虑各种附 加载荷
余变形
p
S
极限应力：屈服极限
S(S)
A
e
D E
B
e
17
2） 变应力下的极限应力
失效形式: →疲劳断裂 →极限应力与应力性 质、大小、Ｎ有关
疲劳极限σr：
有限寿命区 无限寿命区
rlime
r
k
rN
第9章机械零件设计概论new
油
武汉科技学院专用
裂金纹属初的剥始扩落疲展出劳与现裂断小纹裂坑
由弹性力学可知，应力为：
Fn
H
11
Fn •
1 2
b
1 12
1
2 2
E1
E2
ρ1
σH
σH
b
令 : 12 E 2E1E2 代入化简得 :
ρ2
1 2
E1 E2
Fn
H
1
• FnE
2 (1 2 ) b
0.418
Fn E
b
ρ1 ρ2
如齿轮、凸轮、滚动轴承等机械零件，都是通过很 小的接触面积传递载荷的，因此他们的承载能力不 仅取决于整体强度，还取决于接触表面的接触强 度。。
武汉科技学院专用
§9－3 机械零件的接触强度
机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的， 在载荷重复作用下，首先在表层内约20μm处产生初 始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹 中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈 小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑 ，这 种现象称为疲劳点蚀。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 。 接触强度的失效形式常表现为：疲劳点蚀
却的热处理方法。主要用来消除内应力、降低硬度，便于切削。
正火：将钢加热到一定温度，保温一定时间后，空冷或风冷的热
处理方法。可消除内应力，降低硬度，便于切削加工；对一般零 件，也可作为最终热处理，提高材料的机械性能。
武汉科技学院专用
二、静应力下的许用应力
淬火：将钢加热到一定温度，保温一定时间后，浸入到淬火介质
而后冷却下来，以调整和改善钢性能的一种热处理操作。回火可 武以汉科降技学院低专用脆性，消除或减少内应力。
武汉科技学院专用
裂金纹属初的剥始扩落疲展出劳与现裂断小纹裂坑
由弹性力学可知，应力为：
Fn
H
11
Fn •
1 2
b
1 12
1
2 2
E1
E2
ρ1
σH
σH
b
令 : 12 E 2E1E2 代入化简得 :
ρ2
1 2
E1 E2
Fn
H
1
• FnE
2 (1 2 ) b
0.418
Fn E
b
ρ1 ρ2
如齿轮、凸轮、滚动轴承等机械零件，都是通过很 小的接触面积传递载荷的，因此他们的承载能力不 仅取决于整体强度，还取决于接触表面的接触强 度。。
武汉科技学院专用
§9－3 机械零件的接触强度
机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的， 在载荷重复作用下，首先在表层内约20μm处产生初 始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹 中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈 小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑 ，这 种现象称为疲劳点蚀。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 。 接触强度的失效形式常表现为：疲劳点蚀
却的热处理方法。主要用来消除内应力、降低硬度，便于切削。
正火：将钢加热到一定温度，保温一定时间后，空冷或风冷的热
处理方法。可消除内应力，降低硬度，便于切削加工；对一般零 件，也可作为最终热处理，提高材料的机械性能。
武汉科技学院专用
二、静应力下的许用应力
淬火：将钢加热到一定温度，保温一定时间后，浸入到淬火介质
而后冷却下来，以调整和改善钢性能的一种热处理操作。回火可 武以汉科降技学院低专用脆性，消除或减少内应力。
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许用应力（allowable stress） 计算应力允许达到的
用[σ]表示
最大值
3. 安全系数（safety factor） 极限应力与许
安全系数 用应力的比值
S lim [ ]
安全系数计算值 极限应力与计 算应力的比值
引入安全系数的原因：
Sca
lim ca
≥S
① 应力计算时的载荷不精确性；
纹逐渐扩展；
▲当剩余材料不足以承受载
寿命)有关的断裂。 疲劳断裂具有以下特征：
▲ 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;
不管脆性材料或塑性材料，
▲ 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;
▲ 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。
第九章 机械零件设计概论
9.1 机械设计的基本要求和一般设计程序 9.2 机械零件的主要失效形式和工作能力 9.3 机械零件的设计准则和一般设计步骤 9.4 机械零件的材料及选择 9.5 摩擦、磨损与润滑 9.6 机械零件的结构工艺性及标准化
9.1 机械设计的基本要求和一般设计程序
9.1.1 机械设计的基本要求
编制技术文件
9.2 机械零件的主要失效形式和工作能力
9.2.1机械零件的主要失效形式 机械零件的失效： 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。
零件的失效形式: ① 断裂; ② 过大的弹性变形或塑性变形; ③ 工作表面损伤失效（腐蚀、磨损和接触疲劳）； ④ 发生强烈的振动；联接的松弛; 摩擦传动的打滑等。 失效并不简单地等同于零件的破坏。
解：
min r max 0.5 200 100
m
max
min
2
200 100 2
50
a
max
min
2
200 100 2
150
200
a
50
0
-100
min
max
a
m
t
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
σ
a
t
0
10
静应力下的许用应力
σmax
+1 ----静应力
σ=常数
静应力是变应力的特例
o
t
T
σ
σa
σa
σmax o
σmin σm
σ
r =+1
σ
r =0
σmax
σa
r = -1
σmax
σa
σa
σmin
σa
σm
to
t o σmin
t
循环变应力
对称循环变应力
脉动循环变应力
例1 已知：max=200N/mm2，r =－0.5，求：min、a、m。
机械设计应满足的基本要求：①功能要求 ②可 靠性与安全性要求 ③经济性要求 ④社会性要求 ⑤其它特殊要求 。
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。
9.2.2 机械设计的一般设计程序 产品规划 概念设计 构形设计
技术审定和产品鉴定
和表面状态等影晌，为此引人应力集中系数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，许用应力为：[ σ
1
]
=
εσ βσ-1 kσ S
当应力是脉动循环变化时，许用应力为： [
σ0
]
=
εσ βσ0 kσ S
σ0 为材料的脉动循环疲劳极限，S为安全系数。以上各 系数均可机械设计手册中查得。以上所述为“无限寿命” ，
2. 应力（stress）
按材料力学公式求出 的作用在零件剖面上
工作应力（working stress） 的应力
计算应力（calculated stress）
按一定的强度理论求
用σ ca 表示
出的与单向拉伸同等
作用的应力
极限应力（ultimate stress）
用σ lim 表示
材料某个机械性能极限值
静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形
塑性材料，取屈服极限σS 作 为极限应力,许用应力为：
[σ ] = σs S
脆性材料：取强度极限σB 作为极限应力,许用应力为：
[σ ] = σB
S
变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。 表面光滑
疲劳断裂过程：
▲零件表层产生微小裂纹；
▲随着循环次数增加，微裂
▲ 断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。
1、疲劳曲线
σ
应力σ与应力循环次数N 之间
的关系曲线称为：疲劳曲线
由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试
σ-1N
验表明，当 N>N0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循
环时试件将不会断裂。
当N >N0 时,试件将不会断裂。O
N
σ-1 N
N0
② 力学模型与实际状况的差异；
③ 材料机械性能的不均匀性；
④ 零件使用场合的重要性。
9.2.2 材料的疲劳特性
一、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:
σ
-1 ----对称循环变应力
r = σmin = -10 ≤ -r---≤脉+动1循环变应力
如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为
失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 原因。对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件
强度条件：计算应力 < 许用应力；
刚度条件：变形量 < 许用变形量； 防止失效的判定条件是：
计算量 < 许用量 ----工作能力计算准则。
有限寿命时，用σ-1N代入得：
[σ
1]
=
εσ βσ-1 kσ S
m
N0 N
3、安全系数 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响 S↑→ 零件尺寸大，结构笨重。 S↓→ 可能不安全。
典型机械的 S 可通过查表求得。 无表可查时，按 以下原则取：
N0 ----循环基数
N0 对应的应力称为：疲劳极限
用σ-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。
当N<N0 时, 有近似公式： σ-m1N N = σ-m1 N0 = C
对应于N
的弯曲疲劳极限： σ-1 N
= σ-1 m
N0 N
2、许用应力
在变应力，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
一、 基本概念 1. 载荷（load）
作用在零件上的外力
公称载荷（nominal load） 按理论力学方法计
用Fn、Mn、Tn表示
算出来的载荷
计算载荷（calculated load） 考虑动力参数、工
用Fca、Mca、Tca表示
作阻力的变动而计
Fca KFn
算出的载荷
K—载荷系数（工况系数）