机械设计-机械零件设计总论
机械设计基础第9章机械零件设计概论(六-1)
一）强度准则
强度准则是指零件中的应力不得超过许用值。
即： σ ≤ σlim
σlim ----材料的极限应力
脆性材料：σlim = σB (强度极限)
延伸率 < 5％
塑性材料：σlim = σS (屈服极限) 延伸率 > 5％
为了安全起见，引入安全系数S，得：
B
如齿轮、凸轮、滚动轴承等。
潘存云教授研制
潘存云教授研制
若两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后，
由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表
层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。
这时零件强度称为接触强度。
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
▲使用功能要求 ▲经济性要求 ▲劳动保护要求 ▲可靠性要求 ▲其它专用要求
机器的可靠度——指在规定的使用时间内和预定的环 境下机器能够正常工作的概率。
机器由于某种故障而不能完成预定的功能称为失 效，它是随机发生的，其原因是零件所受的载荷、环 境温度、零件本身物理和机械性能等因素是随机变化 的。为了提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零 件性能两个方面使其变化尽可能小。
▲使用功能要求 ▲经济性要求 ▲劳动保护要求 ▲可靠性要求 ▲其它专用要求
其它专用要求——针对不同机器所特有的要求。例如： 1)对机床有长期保持精度的要求； 2)对飞机有质量小，飞行阻力小而运载能力大的要求；
3)对流动使用的机器有便于安装和拆卸的要求；
4)对大型机器有便于运输的要求等等。
机械零件设计概论
机械零件设计概论9.1机械零件设计概述机械零件由于某种缘故不能正常工作时，称为失效。
在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为工作能力。
通常此限度对载荷而言，因此适应上又称为承载能力。
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害；发生强烈的振动；联接的放松；摩擦传动的打滑等。
机械零件尽管有多种可能的失效形式，但归纳起来最要紧的为强度、刚度、耐磨性、稳固性和温度的阻碍等几个方面的问题。
关于各种不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件。
设计机械零件时，常依照一个或几个可能发生的要紧失效形式，运用相应的判定条件，确定零件的形状和要紧尺寸。
机械零件的设计常按下列步骤进行：1)拟定零件的运算简图。
2)确定作用在零件上的载荷。
3)选择合适的材料。
4)依照零件可能显现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的形状和要紧尺寸。
应当注意，零件尺寸的运算值一·般并不是最终采纳的数值，设计者还要依照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。
以上所述为设计运算。
在实际工作中，也常采纳相反的方式─—校核运算，这时先参照实物（或图纸）和体会数据，初步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。
还应注意，在一样机器中，只有一部分零件是通过运算确定其形状和尺寸的，而其余的零件则仅依照工艺要求和结构要求进行设计。
9.2 机械零件的强度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。
然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入载荷系数K（有时只考虑工作情形的阻碍，则用工作情形系数K A）的方法来估量这些因素的阻碍。
载荷系数与名义载荷的的乘积，称为运算载荷。
按照名义载荷用力学公式求得的应力，称为名义应力，按照运算载荷求得的应力，称为运算应力。
当机械零件按强度条件判定时，比较危险截面处的运算应力（σ、τ）是否小于零件材料的许用应力([σ]、[τ])。
机械零件设计概论PPT21页
§6-2 机械零件的强度
•计算准则 :
， lim
S
， lim
S
•载荷：作用在零件上的 外力或外力矩。
•载荷的类型：动静载载荷荷
名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件 上的载荷。 载荷系数
计算载荷： 计算载荷=K×名义载荷
不随时间变化的应力。
静 应 力
对 称 循 环
1.应
－－曲率半径；
－－材料的泊松比；
E－－材料的弹性模量。
机械零件的接触强度
1. 失效形式：疲劳点蚀 2. 接触应力的计算
H
11
Fn
1 2
b 1 12 1 22
E1
E2
3. 接触疲劳强度的判定条件 HH，HS H H lim
式 中 Hl： i m实 验 测 得疲 的劳 材极 料限 的； 接
对 于 钢 ，H 经 li m2.验 7H 6公 B 7S式 0M： Pa
§6-3 机械零件的接触强度
1. 失效形式：疲劳点蚀
2. 接触应力的计算
由弹性力学知，当两个轴
线平行的圆柱体相互接触并受
压时，其接触面积为一狭长矩
形，最大接触应力发生在接触
区中线上，其值为:
H
11
Fn
1 2
b 1 12 1 22
E1
E2
式中：
－－
H
最大接触应力；
b－－接触长度；
Fn－－作用在圆柱体上载 的荷；
期
性
变应 非力 对 脉 动
成 循
性 环
循
环
非 周 期 性 变 应 力
平均应力
m
max
min 2
应力幅
a
大连理工 机械设计基础 作业解答：第9章-机械零件设计概论
9-6 一对齿轮作单向传动，(1) 轮齿弯曲应力可看成哪类循环 变应力？ ——脉动循环变应力。
(2) Z1=19，Z2=80，小齿轮主动，转速n1=200r/min，预定使
用期限500h，求在使用期限终了时的大齿轮应力循环总次数N。
大齿轮转速为 n2＝n1×Z1／Z2＝200×19／80 ＝ 47.5（r/min）， 大齿轮应力循环总次数为 N＝n2×60×500＝1.425×106 。
答：脉动循环变应力
齿轮工作面上的任一点所受的应力 都是由零增加到最大值，又从最大 值降低到零。
9-10 请标注图示传动轴各段直径的配合（如d3 H7/r6）
参照教材130页的图9-12 d H7/ m6 d1 H7/ m6 ？ d2 k6 d3 H7/ m6
d4 H7/ h6 d5 k6 d6 H7/ f9 d7 H7/ h6
1
——对称循环变应力。
2
理由：
惰轮的轮齿某一侧所受的弯曲应力，
3
(1)未进入啮合时，应力为零； (2)进入啮合过程中，压应力逐渐
增大；
(3)退出啮合过程中，压应力逐渐
减小至零；
(4)另一侧进入啮合时，该齿侧所
A
受拉应力逐渐增大；
(5)另一侧退出啮合过程中，该齿
侧所受拉应力逐渐减小至零。
9-8 齿轮传动中，齿面接触应力可以看成那类循环变 应力？为什么?
(3) 设大齿轮的材料疲劳极限为σ0，循环基数N0=107，求对应 于循环总次数N的寿命极限σ0 N。
根据教材117页的式(9-6)疲劳曲线方程，
σ0N＝σ0×（N0／N）1／m ＝σ0×[107／(1.425×106)]1/9 ≈ 1.24×σ0 。
第9章机械零件设计概论new
静应力是变应力的特例 o
t
σ
σ r =+1
σmax
σa
பைடு நூலகம்
σmax
σa
σmin
σa
to
to
σa
σm
σmin
t
循环变应力：周期 性的变应力。 武汉科技学院专用
对称循环变应力 r =-1
脉动循环变应力 r =0
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 作为性极材限料应，力取屈,许服用极应限力σ为S ：[
]
s
S
脆 作为性极材限料应：力取强,许度用极应限力σ为B ：[
]
B
S
对于静应力下的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；对于内部组 织的不均匀性已远大于外部应力集中的影响的脆性材料， 计算时不考虑应力集中。 退火：将钢加热到一定温度，并保温到一定时间后，随炉缓慢冷
逐渐改变零件尺寸和摩擦表面形状。零件抗磨损的能力称为耐
磨性。 磨损↑ →间隙↑、 精度↓、 效率↓、 振动↑、 冲击↑、 据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。
噪音↑
磨损的主要类型 ： 1）磨粒磨损：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
武汉科技学院专用
擦表面能相互咬死。
3）疲劳磨损(疲劳点蚀)：在滚动或兼有滑动和滚动的高副申，
如凸轮、齿轮等，受载时材料表层有很大的接触应力。当载荷重 复作用时，常会出现表层金属呈小片状剥落，而在零件表面形成 小坑，这种现象称为疲劳磨损或疲劳点蚀。
度降低的程度 。有效应力集中系数为：材料、尺寸和受载荷情
机械设计基础-总论
第二章机械设计总论基本要求1、了解机械的构成及功能结构。
2、了解机械设计的特点。
第一节机器的组成机器的发展经历了一个从简单到复杂的过程。
人类为了满足生产及生活的需要，设计和制造了类型繁多、功能各异的机器。
但是，只有在蒸汽机出现以后，机器才具有了完整的形态。
一部完整的机器由原动机部分、执行部分、传动部分、控制系统和辅助系统组成。
原动机部分是驱动整部机器以完成预定功能的动力源。
一般来说，它是把其它形式的能量转换为机械能。
原动机的动力输出绝大多数呈旋转运动的状态，输出一定的转矩。
原动机经历了如下发展过程.执行部分是用来完成机器预定功能的组成部分。
一部机器可以只有一个执行部分，也可以把机器的功能分解成好几个执行部分。
它是一部机器中最接近作业工作端的机构，它通过执行构件与被作业件相接触，以完成作业任务。
传动部分用来连接原动机部分和执行部分，用来将原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数。
例如：把旋转运动转换为直线运动；高转速变为低转速；小转矩变为大转矩等。
机器的传动部分大多数采用机械传动系统，有时也采用液压或电力传动系统。
机械传动系统是绝大多数机器不可缺少的重要组成部分。
随着机器的功能越来越复杂，对机器的精度要求也越来越高，所以机器除了以上三个部分外，还会不同程度地增加其它部分，如控制系统和辅助系统等。
控制系统用来处理机器各组成部分之间，以及与外部其它机器之间的工作协调关系。
第二节设计机器的一般程序一部机器的质量基本上决定于设计质量，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。
它是一个创造性的工作过程，同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作。
作为一部完整的机器，它是一个复杂的系统。
要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。
设计机器的一般程序：计划阶段在根据生产或生活的需要提出所要设计的新机器后，计划阶段只是一个预备阶段。
此时，对所要设计的机器仅有一个模糊的概念。
在计划阶段中，应对所设计的机器的需求情况作充分的调查研究和分析。
第1章机械零件设计概论
§1.1 机械、机器、机构及其组成 §1.2 本课程的内容、性质的任务 §1.3 机械设计的基本要求和设计 过程 §1.4 机械零件的工作能力及其计算准则 §1.5 机械零件的载荷、应力和许用应力 §1.6 机械零件的材料的选用原则 §1.7 机械设计的新发展
1.1 机械、机器、机构及组成
1.6 机械制造常用材料及其选择
3、铜合金
青铜 — 含锡青铜、不含锡青铜 种类： 黄铜 — 铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍 轴承合金（巴氏合金） 特点：良好的塑性和液态流动性； 良好的减摩性和抗腐蚀性。 零件毛坯获取方法：辗压、铸造。 应用：应用范围广泛。
二、非金属材料
1、橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。
4) 腐蚀磨损
在滚动或兼有滑动和滚动的高副申，如凸轮、齿轮等，受载时材料表层有很大的 接触应力。当载荷重复作用时，常会出现表层金属呈小片状剥落，而在零件表面 形成小坑，这种现象称为疲劳磨损或疲劳点蚀。 在摩擦过程申，与周围介质发生化学反应 或电化学反应的磨损，称为腐蚀磨
静应力是变应力的特例 1.5 机械零件的载荷、应力和许用应力
零件工作表面出现疲劳破坏或过度磨损 零件的弹性变形过大 零件发生强烈振动
2) 衡量零件工作能力的指标： 强度、刚度、抗磨性、耐热性、振动稳定性
1.4 机械零件的工作能力及其计算准则
三、机械零件的计算准则
强度计算准则 (整体强度和表面强度)： [ ] 刚度计算准则； 抗磨性计算准则：
[ ]
1.1 机械、机器、机构及组成
机 器
进气阀3 制造角度:由若干个机械零件装配面成的 。 运动角度:由若干个可以相对运动的构件组装而成的。
结构角度:由机构组成的，而机构则是由一些能相对 独立运动的构件组成的。 排气阀4
机械零件设计概论
（2）粘着磨损
现象：表面微凸体接触，“高压、高温”粘着焊合，相对运动撕脱，材料转移
措施：选材料副匹配（避免同种金属配对），提高表面光洁度、合理润滑、控制压强、温度
（3）疲劳磨损（点蚀）
现象：交变接触应力反复作用、局部微裂纹扩展材料脱落形成麻点、微坑
措施：降低表面粗糙度、提高表面硬度、配对材料保持合理硬度差
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。 c.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。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 （一）强度准则
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。
两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时，接触应力分布如图 9-8 所示，最大接触应力 发生在接触区中线上，其值由赫兹(H.Hertz)公式计算
σH =
1±1 Fn ρ1 ρ2
πb 1− μ12 + 1− μ22
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）。 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。
[ ] 而 σ H
= σ H lim SH
机械设计总论
机械设计总论机械设计总论作为机械设计的基础课程，是机械工程学科体系中的一门重要课程，其内容涵盖了机械工程的各个领域。
机械设计总论是一门综合性的学科，其目的是使学生获得机械设计的基本理论知识和技能，为实现各种机械结构之设计、优化和创新打下坚实的基础。
机械设计总论主要包括机械设计的基本原理、机械结构设计、机械零件设计、机械传动设计、机构设计等内容，其重点是如何通过优化机械结构的设计来解决实际工程问题。
机械设计总论的课程安排几乎涉及了机械设计的每个环节，为了让学生更好地理解和掌握机械设计总论的知识，通常将机械设计总论的课程安排分为理论知识和实践教学两部分。
机械设计总论所包含的基础理论部分主要包括工程设计的基本概念与方法、设计流程、材料知识、机械动力学原理、刚度与自然频率、脱敏措施、特种材料的特殊设计原则等方面的知识。
在基础理论部分的学习中，学生需要熟练掌握机械工程领域的常用代码规范以及设计软件的使用，学会全面、系统地应对各种形式的设计任务。
机械设计总论所包含的实践教学部分则是机械设计总论的重头戏，其主要是通过实际案例来培养学生具备机械设计的各项技能，并在实践中训练学生的创造力和实际操作能力。
实践教学部分通常采用“小批量、多样性”的模式，包括机械结构的布局设计、组装、调试和测试等环节。
通过实践教学，学生可以深入了解如何通过实际操作来将机械设计理论应用于实际生产中。
机械设计总论的学习对于机械工程师的职业生涯是非常重要的，机械设计总论一旦学好，对于解决工程问题就会更加游刃有余。
在当今的机械工业中，设计的重要性不言而喻，而机械设计总论正是针对这种需要去培养人才的需求而诞生的，是提高机械工程师设计技能的关键课程之一。
在今天的机械工业中，机械设计经常需要经历变化，而机械设计总论的目的就是为了让学生建立更为广泛、更为稳健的基础，以便实现高效、安全的工程设计。
机械设计的成功不仅仅依赖于学生对机械结构建模的基本知识和能力，还需求学生为每一个工程项目都充分地考虑工程实际上诉求并将这些实践一一应用到设计中去。
机械设计总论-机械设计第八版西北工业大学机械原理及机械零件教研室_OK
机器实例
10
机器实例
11
机器实例
12
§2-1 机器的组成
润滑、显示、照明等辅助系统
原动机
传动部分
执行部分
控制系统
13
§2 -2 设 计 机 器 的 一 般 程 序
23
§2-5 机械零件应满足的基本要求
（二）结构工艺性要求 零件具有良好的结构工艺性，是指在既定的生产条件下，能够 方便而经济地生产出来，并便于装配。所以零螺纹的件断裂.的swf 结构工艺性 应从毛坯制造、机械加工过程及装配等几个生产环节加以综合 考虑。工艺性还和批量大小及具体的生产条件相关。为了改善
味着加工及装配费用低，所以工艺性对经济性有着直接的影响。
采用廉价而供应充足的材料以代替贵重材料；对于大型零件采
用组合结构以代替整体结构，都可以在降低材料费用方面起到积极
的作用。
另外，尽可能采用标准化的零、部件，就可在经济性方面取得
很大的效益。
26
§2-5 机械零件应满足的基本要求
（五）质量小的要求
第二章 机械设计总论
§2-1 机器的组成
润滑、显示、照明等辅助系统
原动机
传动部分
执行部分
控制系统
1
2
1、原动机
机器的组成
是驱动整个机器以完成预定功能的动力源。它把 其它形式的能量转换为机械能。原动机的动力输出绝 大多数呈旋转运动的状态，输出一定的转矩。
原动机经历了如下发展过程：人力、畜力——水 力机、风力机——蒸汽机、内燃机、汽轮机、电动机
轮齿根部的折断.swf
西工大机械原理第9章机械零件设计概论
3.疲劳磨损，即疲劳点蚀 是高副（点、线接触）机械零件的常见磨损形式。
§9-4 机械零件的耐磨性
4. 腐蚀磨损 摩擦表面在摩擦过程中，伴随有表面材料被腐蚀 的现象，这种情况下产生的磨损即为腐蚀磨损。 除了上述四种基本磨损类型以外，还有侵蚀磨损、 微动磨损等其他形式。
确定零件的形状和主要尺寸。 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。
§9-2 机械零件的强度
一、载荷 1. 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。 2. 机械零件实际承受的载荷： ① 静载荷：大小、作用位置和方向不随时间变化 或变化缓慢的载荷。 ② 变载荷：大小、作用位置或方向随时间变化的 载荷。 ③ 动载荷：由于运动中产生的惯性力和冲击等引 起的载荷。
§9-3 机械零件的接触强度
3. 两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时，最大接触应力发 生在接触区中线上，其值由赫兹（H.Hertz）公式计算：
H
11
Fn
1 2
b 1 12 1 22
E1
E2
令
1 1 1 1 2
及 1 1 21，
E1 E2 E
对于钢或铸铁，取μ1=μ2 =μ=0.3，则上式简化为：
H
1 Fn E
2（1 2）b
0.418
Fn E
b
§9-3 机械零件的接触强度
4. 零件受接触变应力作用时接触强度条件为 σH≤[σH] 而[σH] = σHlim/SH
机械设计——总论答案
总 论一．是非题1．凡零件只要承受静载荷，则都产生静应力。
（ × ）2．当零件的尺寸由刚度条件决定时，为了提高零件的刚度，可选用高强度合金钢制造。
（ × ）3．机械零件在工作中发生失效，即意味该零件一定产生了破坏。
（ × ）4．在变应力中，当r = -1时，σm = 0，σa =σmax 。
（ √ ）5．在变应力中，当r = C （常数）时，σm /σa 是随时间变化的。
（ × ）6．润滑油的粘度与温度有关，且粘度随温度的升高而增大。
（ × ）二．单项选择题1．零件表面经淬火、渗氮、喷丸、滚子碾压等处理后，其疲劳强度 a 。
（a ）提高 （b ）降低（c ）不变 （d ）提高或降低视处理方法而定2．某钢制零件材料的对称循环弯曲疲劳极限σ-1 = 300 MPa ，若疲劳曲线指数m = 9，应力循环基数N 0 =107，当该零件工作的实际应力循环次数N =105时，则按有限寿命计算，对应于N 的疲劳极限为 c MPa 。
（a ）300 （b ）428 （c ）500.4 （d ）430.53．零件的形状、尺寸、结构相同时，磨削加工的零件与精车加工相比，其疲劳强度__a ____。
（a ）较高 （b ）较低 （c ）相同4．变应力特性可用max σ、min σ、m σ、a σ、r 这五个参数中的任意__b___来描述。
（a ）一个 （b ）两个 （c ）三个 （d ）四个5．在图示零件的极限应力简图中，如工作应力点M 所在的ON 线与横轴间夹角θ= 45°，则该零件受的是 c 。
（a ）不变号的不对称循环变应力 （b ）变号的不对称循环变应力（c ）脉动循环变应力 （d ）对称循环变应力6．下列四种叙述中__d____是正确的。
（a）变应力只能由变载荷产生（b）静载荷不能产生变应力（c）变应力是由静载荷产生（d）变应力是由变载荷产生，也可能由静载荷产生7．零件的截面形状一定，如绝对尺寸（横截面尺寸）增大，疲劳强度将随之__b____。
第二章 机械设计总论
第二章 机械设计总论
第六节 机械零件的设计准则
在设计中，应保证所设计的机械零件在正常工 作中不发生任何失效。为此对于每种失效形式都制 定了防止这种失效应满足的条件，这样的条件就是 所谓的工作能力计算准则。它是设计机械零件的理 论依据。所以设计零件时，首先应根据零件的失效 形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。
第二章 机械设计总论
第二章 机械设计总论
2、结构工艺性要求（便于加工、装配） 零件工艺性良好的标志：在具体的生产条件下， 零件要便于加工、便于装配，而且加工费用低。
第二章 机械设计总论
第二章 机械设计总论
3、经济性要求（材料、加工方法、精度等级） 4、质量小的要求（节约材料、↓惯性力） 5、可靠性要求
dN
λ (t ) = −
dt N
第二章 机械设计总论
将上式分离变量并积分，
− ∫ λ (t )dt = ∫
0 t N N0
dN N = ln = ln R N N0
R = e ∫0
− λ ( t ) dt
t
这就是可靠度和失效率的关系. 零件可靠度可用另一个指标表示，即零件的平均 工作时间（也称零件的平均寿命）。
第二章 机械设计总论
第三节 对机器的要求
在满足预期功能的前提下，要求性能好、 在满足预期功能的前提下，要求性能好、效率 成本低，造型美观， 高、成本低，造型美观，在预定使用期限内要安全 可靠，操作方便、维修简单。具体要求如下： 可靠，操作方便、维修简单。具体要求如下：
1）使用要求 2）经济性要求 3）劳动保护和环境保护要求 4）可靠性要求 5）对外观造型的要求 6）其它专用要求
非金属材料
高分子材料 陶瓷材料 复合材料
机械设计机械设计总论考研公式大全
机械设计机械设计总论考研公式大全机械设计是机械工程的重要分支之一，其涉及到各种机械元件的设计、计算和应用。
在考研阶段，掌握相关的机械设计公式是非常重要的。
下面将介绍一份关于机械设计的考研公式大全，以帮助考生更好地备考。
一、静力学基础公式1. 力的平衡条件ΣF=02. 力矩的平衡条件ΣM=03. 螺距公式S=πd4. 平面受力分析Fx=RcosθFy=Rsinθ5. 空间受力分析Fx=RcosαcosβFy=RcosαsinβFz=Rsinα6. 计算力矩M=Fd7. 冲击力计算F=mv/t二、材料力学公式1. 应力计算σ=F/A2. 应变计算ε=ΔL/L3. 弹性模量计算E=σ/ε4. 塑性变形计算δ=ΔL5. 疲劳强度计算σm=(σa+σm)/26. 弯曲应力计算σ=M*c/I三、轴类零件设计公式1. 轴的弯矩计算M=π/32*σ*（d^3）2. 轴的转角计算θ=TL/GJ3. 轴的循环弯曲应力计算σa=(4M)/（πd^3）4. 轴的疲劳强度计算σm=(σa+σm)/2四、联接零件设计公式1. 螺纹强度计算σt=F/(π*d^2/4)2. 螺母受力计算F=π*σt*d^2/43. 锥面连接强度计算σt=4F/(π*d^2)五、传动机构设计公式1. 齿轮传动比计算i=n1/n2=d2/d1=z2/z12. 直齿轮传动计算P=2π*ω*T3. 带传动弧长计算L=（π/2）*（D+d+2C）以上是关于机械设计的考研公式大全，希望对考生备考有所帮助。
在备考过程中，可以结合这些公式进行练习和应用，加深对机械设计知识的理解和掌握。
机械设计 机械设计总论PPT课件
§2-1 机器的组成 §2-2 设计机器的一般程序 §2-3 对机器的主要要求 §2-4 机械零件的主要失效形式 §2-5 设计机械零件时应满足的基本要求 §2-6 机械零件的计算准则 §2-7 机械零件的设计方法 §2-8 机械零件设计的一般步骤 §2-9 机械零件材料的选用原则 §2-10 机械零件设计中的标准化 §2-11 机械现代设计方法简介
塑性变形实例
塑性变形实例
三、表面损伤
绝大多数零件都与别的零件发生静的或 动的接触和配合关系或暴露在空气中。
大多数失效出现在零件表面。 零件的使用寿命在很大程度上受到表面
损伤的限制。
齿面磨损实例
磨损轴瓦
轴瓦磨损
四、破坏正常工作条件引起的失效
有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作， 正常工作条件被破坏了，零件就不能工作，也就 失效了。
[X]表示许用应力，可为[]、[t]等。
Y表示极限应力，可为s、b、-1e、Hlim。
许用安全系数的选择
合理地选择许用安全系数[S]是机械设计中的一项重 要工作。
设计人员的任务在于：在保证零件工作安全可靠的 前提下，尽可能减少许用安全系数的数值，或者说 尽可能提高许用应力的数值。
影响许用安全系数（或许用应力）数值大小的因素 主要有：
第一节 机器的组成 第一节机器的组成
人们为了满足生产和生活的需要，设计和制造了类型繁多、功 能各异的机器。
一台完整的机器的组成大致可包括：
润滑、显示、照明等辅助系统
原动机部分
传感器
传动部分
传感器
执行部分
传感器
控制系统
第二节 设计机器的一般程序
机械设计有一个一
设计任务的研究和制订
第9章 机械零件设计概论
图 9.4 材料和零件的极限应力图 由于零件尺寸及几何形状变化，加工质量及强化处理等因素的影响，使得零件的疲劳 极限小于材料试件的疲劳极限。要注意，零件尺寸越大，内部的缺陷就越多，疲劳强度极限
值反而更低。在实际计算中，以弯曲疲劳极限的综合影响系数 k 表示材料对称循环弯曲疲
劳极限与零件对称循环弯曲疲劳极限的比值，实验表明，综合影响系数只影响应力幅而不影 响平均应力。当一个截面有多处应力源时，则分别求出其有效应力集中系数，从中取最大值。
如图 9.4 所示的 A’D’C’曲线。在此曲线内的任何一点所代表的最大应力（即平均应力和 应力幅之和）都低于材料的最大极限应力，是安全的。在此曲线之外的点则是不安全的，最 大应力大于材料的极限应力。曲线上的点表示应力的临界状态。对于塑性材料通常简化为图
中的 A’D’G’C 折线。其中，几个特征点的坐标为：A’(0, 1 )，D’( 0 / 2, 0 / 2) )和 C( S ,0)。
(3) 最小应力为常数 min c
如图 9.6 中应力点 S 的纵横坐标分别代表零件的应力幅和平均应力，求在 min c 状况
下零件的极限应力，则经过 S 点作与横坐标夹 45O 射线，和 AGC 线段交于 S1 点，则该点的 纵横坐标分别代表极限应力点的应力幅和平均应力。
图 9.6 零件的极限应力求法 用极限应力点的纵横坐标之和除以应力点的纵横坐标只和就得零件的安全系数。如果 求出的极限应力点在 AG 段，则零件在安全系数不够的情况下会发生疲劳破坏，如极限应力 点在 GC 段，则零件在安全系数不够的情况下会发生静应力破坏。例如图 9.6 中,在 M,N 点 的应力状况下，零件的失效形式是疲劳破坏，而 S 点的应力状况下会发生静应力破坏，与 综合影响系数的大小无关。读者也可用解析法确定强度，在应力比为常数时，安全系数为：
机械零件设计概论及原理
表层萌生疲劳磨损：表层萌生疲劳磨损造成扇形疲劳坑，磨屑多为扇形颗粒，故又称其为点蚀 表面萌生疲劳磨损：表面萌生疲劳磨损造成浅而大的疲劳凹坑，磨屑呈片状，故又称其为剥落。
接触疲劳准则
σHmax≤4τs 最大接触应力；剪切屈服点。
五、润滑剂及其特性
凡能降低摩擦阻力、且人为加入摩擦副的介质都称为润滑剂。
1．润滑剂的基本类型
液体润滑剂：矿物油、有机油、矿物油、合成油等 润滑脂：皂基脂、无机脂、烃基脂和有机脂 固体润滑剂：软金属，如Pb、Au、Ag、Sn、In等；无机化合物
２．润滑油
粘度 表征流体流动的阻力，在流体动力和静力润滑状态，粘度与油膜厚度、摩擦阻力直接相关。
强度准则
一、静强度
在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形或断裂。材料种类不同，所取极限应力也不同。
塑性材料
单向应力状态下：
，
复合应力状态下：
按第三或第四强度理论计算当量应力。
脆性材料
单向应力状态下：
，
复合应力状态下： 按第一强度理论计算当量应力。
对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁），在计算静强度时，可不考虑应力集中的影响。 对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算静强度时，应考虑应力集中的影响。
工作能力——机械零件具有足够的抵抗失效的能力
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
因为失效类型不同，所以机械零件的工作能力类型也不同，故机械零件的计算准则也不同
载荷和应力
１、载荷
动载荷：由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷
静载荷
变载荷
按是否随时间变化，载荷
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扬州大学专用
作者： 潘存云教授
§2-1 机器的组成
人们为了满足生产和生活的需要，研制了类型繁多、 功能各异的机器。尤其是蒸汽机出现之后，使机器具有 了完整的形态。
一台完整的机器的组成如下：
润滑、显示、照明等辅助部分
原动机部分 传感器
传潘存动云教部授分研制
执行部分
传感器
传感器
扬州大学专用
控制系统
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这是主要失效原因。
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作者： 潘存云教授
§2-5 设计机械零件时应满足的基本要求
机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计 的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足 以下要求：
▲ 避免在预定寿命期内失效的要求 ▲ 结构工艺性要求 ▲ 经济性要求
▲ 质量小的要求
▲ 可靠性要求
一、避免在预定寿命期内失效的要求 应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。
(3)对流动使用的机器有便于安装和拆卸的要求；
(4)对大型机器有便于运输的要求等等。
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§2-4 机械零件的主要失效形式
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。
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
零件在工作时的弹性变形不能超过允许的范围称 为零件的刚度要求。
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提高零件刚度的措施有 ▲增大零件的截面尺寸或增大惯性矩； ▲缩短支承的跨距或采用多点支承。
3. 寿命要求 影响零件寿命的主要因素有
疲劳破坏 腐蚀 磨损
大部分零件工作在变应力下，故疲劳破坏是引 起零件破坏的主要原因。影响疲劳强度的因素有
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§2-1 机器的组成
人们为了满足生产和生活的需要，研制了类型繁 多、功能各异的机器。尤其是蒸汽机出现之后，使机器 具有了完整的形态。
一台完整的机器的组成如 下：
润滑、显示、照明等辅助部分
原动机部分 传感器
传潘存动云部教分授研制
执行部分
传感器
传感器
控制系统
原动部分——机器完成预定功能的动力源，最常见的是 内燃机、电动机。
求解构件的运动参数（转速、速度、加速度等）。 (2）机器的动力学设计
计算构件所受公称载荷（名义载荷）大小和特性。
(3）零件的工作能力设计 由公称载荷大小和特性，根据工作能力准则作
零部件的初步设计。通过计算或类比得出零件的基本 尺寸。 (4）部件装配草图及总装配草图的设计——结构设计
(5）主要零件的校核计算 以结构设计尺寸为依据，对零件进行精确的受
高机器的生产率。
（2）选用高效率的传动系统，尽可能减少传动的中间 环节，以期降低能源消耗。
（3）适当地采用防护及润滑，以延长机器的使用寿命。
（4）采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象。
▲使用功能要求 ▲经济性要求 ▲劳动保护要求 ▲可靠性要求 ▲其他专用要求
(1)要使机器的操作者方便和安全。因此设计时要按照 人机工程学的观点布置各种按钮、手柄，使操作方式符 合人们的 心理和习惯，同时，设置完善的安全装置、 报警装置、显示装置等。 (2）改善操作者及机器的环境。所设计的机器应符合劳 动保护法规的要求。降低机器运转时的噪声水平，防止 有毒、有害介质的渗漏，对废水、废气和废液进行治理。
力分析和工作能力校核计算 。
四、技术文件编制 技术文件——用来说明产品性能、设计、制造、 操作使用、维护或其他所有与产品相关的文档资料。
技术文件
设计说明书 使用说明书 零件明细表 标准件汇总表 产品验收条件 ……
机器设计的一般流程 提出任务
分析对机器的要求 确定任务要求 机器功潘存能云分教析授研制
以螺纹制造为例，有车削、滚压、板牙加工等方法。 方法不同，其执行部分的工作原理也不同。
因此，存在一个方案的比较和取舍问题。
方案评价原则：经济性、技术上可行。
经济性——总费用最低。
费用
总费用
方案设计阶段要正确处理好 借鉴与创新的关系。
同类机器的成功先例应 当借鉴，但其中的薄弱环节和 不符合现有任务要求的部分应 当加以改进或替换。
▲使用功能要求 ▲经济性要求
设计机器的任务是在当前技术发展所能达到的条件下，根 据生产及生活的需要提出的。不管机器的类型如何，一般 来说，对机器都要提出以下的基本要求：
▲劳动保护要求
▲可靠性要求 ▲其他专用要求
使用功能要求——机器应具有预定的使用功能。这主 要靠正确地选择机器的工作原理，正确地设计或选用 能够全面实现功能要求的执行机构、传动机构和原动 机，以及合理地配置必要的辅助系统来实现。
▲使用功能要求 ▲经济性要求 ▲劳动保护要求 ▲可靠性要求 ▲其他专用要求
经济性要求——机器的经济性体现在设计、制造和使 用的全过程中，设计机器时就要全面综合地进行考虑。 设计制造的经济性表现为机器的成本低，使用经济性 表现为高生产率高效率、低能耗、以及低的管理和维 护费用等。
提高设计和制造经济性指标的主要途径有: （1）采用先进的现代设计方法(CAD)，使设计参数最
▲ 技术设计阶段
▲ 技术文件编制阶段
一、计划阶段 包括：需求分析、明确功能、制定设计任务书。
设计任务书
机器的功能 经济性估计 制造要求的大致估计 基本使用要求 预计的设计周期
二、方案设计阶段
对机器的功能进行综合分析、确定功能参数、提 出实现方案。
在制定功能参数时一定要注意恰当处理需要与可 能、理想与现实、长远目标与当前目标等之间的关系。 一般而言，实现同一个功能，有多种可能的方案。
执行部分——完成预定的动作，位于传动路线的终点。 传动部分——联接原动机和执行部分的中间部分。 控制部分——保证机器的启动、停止和正常协调动作。 传感部分——将机器的工作参数，如位移、速度、加速
度、温度、压力等反馈给控制 部辅分助。部分——包括机器的润滑、显示、照明等。也是保
证机器正常工作不可缺少的部 分
潘存云教授研制
设计制
使用费用
造费用
复杂程度
保守和照搬原有设计 坚决反对 一味求新而把合理的原有经验弃置不用
三、技术设计阶段
绘制总装配草图、部件装配草图，由草图确定 零部件的外形、基本尺寸和零件工作图。
为了确定零件的基本尺寸，必须完成以下工作：
(1）机器的运动学设计 确定原动机的参数（功率、转速、线速度等）。
第2章 机械零件设计概论
§2-1 机器的组成 §2-2 设计机器的一般程序 §2-3 对机器的主要要求 §2-4 机械零件的主要失效形式 §2-5 设计机械零件时应满足的基本要求 §2-6 机械零件的计算准则 §2-7 机械零械零件材料的选用原则 §2-10 机械零件设计中的标准化 §2-11 机械现代设计方法简介
优化,达到尽可能精确的计算结果,保证机器足够的可 靠性。 （2）最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零、 部件。 （3）尽可能采用新技术、新工艺、新结构和新材料。
（4）合理地组织设计和制造过程。
（5）力求改善零件的结构工艺性，使其用料少、易加 工、易装配。
提高使用经济性指标的主要途径有 （1）合理地提高机器的机械化和自动化水平，以期提
§2-2 设计机器的一般程序
一般而言，机器的设计阶段是决定机器好坏的关 键一环。机械设计是一个创造性的工作过程，实践经验 是保证设计质量的重要因素。因此，要求设计者特别注 意经验的积累。 一部完整的机器是一个复杂的系统，要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。
机械设计的一般过程： ▲ 计划阶段
▲ 方案设计阶段
提出可能的解决办法 组合几种可能的方案
评价
计 划
方 案 设 计
决策——选定方案
明确构形要求 结构化
选择材料潘、存确云教定授尺研寸制
评价
决策—确定结构形状与尺寸
技
零件设计
术
设
部件设计
计
总体设计
编制技术文件
§2-3 对机器的主要要求
在满足预期功能的前提下，要求性能好、效率 高、成本低，造型美观，在预定使用期限内要安全 可靠，操作方便、维修简单。具体要求如下：