机械零件设计和计算准则
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机械设计之机械零件的工作能力与计算准则
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
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。
第三章 机械零件的强度
o
每点纵坐标值（应力幅值）
σS
按同一比例缩小（除以一
个大于 1 的系数 K )
A→ A D → D
A( 0 , 1 )
A( o, 1 ) D( 0 , 0 )
K
22
45° C m
D( 0 , 0 )
2 2K
根据A、D 两点的坐标：
A( o, 1 ) D( 0 , 0 )
a
max
max
min
t min
min max a
r=－1 （对称）
3.2.2 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 。
R N 1 F N0
t
或
R
(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
Ⅱ
Ⅲ
第Ⅰ阶段：早期失效阶段；
第Ⅱ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
3.2 机械零件的强度计算
静载荷 不随时间变化或变化缓慢的载荷 变载荷 随时间变化的载荷
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
机械零件的强度和设计准则
• 振动零件计算的准则：使零件的自振频率与外来作用的频率既不 相等也不接近。
• 减轻振动的一般措施：
（1）尽量采用对称结构（如花键联接）、减少悬臂长度、缩短中心距等； （2）对转动零件进行平衡，尽量满足动、静平衡条件；（3）采用阻尼 作用消耗引起振动的能量，比如设置滑动轴承的油膜阻尼器、液压缸端部 的阻尼孔等；（4）设置隔振零件，比如加装弹簧、橡胶垫、隔振层等都 具有减振作用。
• 同一种零件发生失效的形式可能有很多种； • 最常发生的失效形式主要是由于强度、刚度、耐磨性、耐温度性、
振动稳定性、可靠性等方面的问题。
提高机械零件强度的一般措施
1．合理布置零件，减少零件所受到的最大载荷
2. 采用等强度结构 3.减小载荷和应力集中
4.选用合理截面 比如梁的截面采用工字型、T字型；轴的截面采用圆形、 空心圆形等。
复习思考题
1、何谓零件的失效？常见形式有哪些？ 2、载荷、应力各如何分类？基本变应力有哪几种？用哪些参数描述变应 力？ 3、如何判断零件受力类型？ 4、两种判断零件强度的方式是什么？ 5、安全系数如何选择？其大小会产生什么影响？ 6、提高零件强度有哪些措施？ 7、表面强度有哪几种？如何计算挤压和磨损强度？ 8、何谓刚度和柔度？刚度不足会产生什么影响？影响刚度的因素有哪些？ 9、根据冲击模型推导解释冲击载荷的危害及如何缓和冲击作用。 10、何谓振动、共振及失稳？稳定性计算的准则是什么？减轻振动的措 施有哪些？ 11、什么是可靠度？
失效概率
Rt
Nt N
N Nf N
1 N f N
Ft
Nf N
1 Rt
Rt Ft 1
可靠性计算准则：保证零件在工作过程中能够满足规定的可靠性 要求。
如果试验时间不断延长，则Nf将不断增加，可靠度逐渐 减少，这说明零件的可靠度是随时间发生改变的，是时 间的函数。
• 减轻振动的一般措施：
（1）尽量采用对称结构（如花键联接）、减少悬臂长度、缩短中心距等； （2）对转动零件进行平衡，尽量满足动、静平衡条件；（3）采用阻尼 作用消耗引起振动的能量，比如设置滑动轴承的油膜阻尼器、液压缸端部 的阻尼孔等；（4）设置隔振零件，比如加装弹簧、橡胶垫、隔振层等都 具有减振作用。
• 同一种零件发生失效的形式可能有很多种； • 最常发生的失效形式主要是由于强度、刚度、耐磨性、耐温度性、
振动稳定性、可靠性等方面的问题。
提高机械零件强度的一般措施
1．合理布置零件，减少零件所受到的最大载荷
2. 采用等强度结构 3.减小载荷和应力集中
4.选用合理截面 比如梁的截面采用工字型、T字型；轴的截面采用圆形、 空心圆形等。
复习思考题
1、何谓零件的失效？常见形式有哪些？ 2、载荷、应力各如何分类？基本变应力有哪几种？用哪些参数描述变应 力？ 3、如何判断零件受力类型？ 4、两种判断零件强度的方式是什么？ 5、安全系数如何选择？其大小会产生什么影响？ 6、提高零件强度有哪些措施？ 7、表面强度有哪几种？如何计算挤压和磨损强度？ 8、何谓刚度和柔度？刚度不足会产生什么影响？影响刚度的因素有哪些？ 9、根据冲击模型推导解释冲击载荷的危害及如何缓和冲击作用。 10、何谓振动、共振及失稳？稳定性计算的准则是什么？减轻振动的措 施有哪些？ 11、什么是可靠度？
失效概率
Rt
Nt N
N Nf N
1 N f N
Ft
Nf N
1 Rt
Rt Ft 1
可靠性计算准则：保证零件在工作过程中能够满足规定的可靠性 要求。
如果试验时间不断延长，则Nf将不断增加，可靠度逐渐 减少，这说明零件的可靠度是随时间发生改变的，是时 间的函数。
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。
机械零件设计的一般步骤
在设计时对零件进行计算所依据的准则，无疑地是与零件的失效形式紧密地联系在 一起的。概括地讲，大体有以下准则：
（一）强度பைடு நூலகம்则
强度准则就是指零件中的应力不得超过允许的限度。即： σ≤σlim
其中：σlim 为材料的极限应力，对于脆性材料：σlim＝σB（强度极限），对于塑 性材料：σlim＝σS（屈服极限）。
（四）振动稳定性准则
机器中存在着很多周期性变化的激振源。例如：齿轮的啮合，滚动轴承中的振动， 滑动轴承中的油膜振荡，弹性轴的偏心转动等。如果某一零件本身的固有频率与上述激 振源的频率重合或成整数倍关系时，这些零件就会发生共振，以致使零件破坏或机器工 作关系失常等。所谓振动稳定性，就是说在设计时要使机器中受激振作用的各零件的固 有频率与激振源的频率错开。例如，令 f 代表零件的固有频率，fp 代表激振源的频率， 则通常应保证如下的条件：
0.85f>fp 或 1.15f<fp 如果不能满足上述条件，则可改变零件及系统的刚性，改变支承位置，增加或减少 辅助支承等办法来改变 f 值。 把激振源与零件隔离，使激振的周期性改变的能量不传递到零件上去；或采用阻尼 以减小受激振动零件的振幅，都会改善零件的振动稳定性。 （五）可靠性准则 如有一大批某种零件，其件数为 N0 在一定的工作条件下进行试验。如在 t 时间后仍 有 N 件在正常地工作，则此零件在该工作环境条件下工作 t 时间的可靠度 R 可表示为： R=N/N0 如果试验时间不断延长，则 N 将不断地减小，故可靠度也将改变。这就是说，零件 的可靠度是一个时间的函数。若在时间 t 到 t+dt 的间隔中，又有 dN 件零件发生破坏， 则在此 dt 时间间隔内破坏的比
率 f(t)定义为: 式中 f(t)称为失效率,负号表示 dN 的增大将使 N 减小。分离变量并积分，得：
（一）强度பைடு நூலகம்则
强度准则就是指零件中的应力不得超过允许的限度。即： σ≤σlim
其中：σlim 为材料的极限应力，对于脆性材料：σlim＝σB（强度极限），对于塑 性材料：σlim＝σS（屈服极限）。
（四）振动稳定性准则
机器中存在着很多周期性变化的激振源。例如：齿轮的啮合，滚动轴承中的振动， 滑动轴承中的油膜振荡，弹性轴的偏心转动等。如果某一零件本身的固有频率与上述激 振源的频率重合或成整数倍关系时，这些零件就会发生共振，以致使零件破坏或机器工 作关系失常等。所谓振动稳定性，就是说在设计时要使机器中受激振作用的各零件的固 有频率与激振源的频率错开。例如，令 f 代表零件的固有频率，fp 代表激振源的频率， 则通常应保证如下的条件：
0.85f>fp 或 1.15f<fp 如果不能满足上述条件，则可改变零件及系统的刚性，改变支承位置，增加或减少 辅助支承等办法来改变 f 值。 把激振源与零件隔离，使激振的周期性改变的能量不传递到零件上去；或采用阻尼 以减小受激振动零件的振幅，都会改善零件的振动稳定性。 （五）可靠性准则 如有一大批某种零件，其件数为 N0 在一定的工作条件下进行试验。如在 t 时间后仍 有 N 件在正常地工作，则此零件在该工作环境条件下工作 t 时间的可靠度 R 可表示为： R=N/N0 如果试验时间不断延长，则 N 将不断地减小，故可靠度也将改变。这就是说，零件 的可靠度是一个时间的函数。若在时间 t 到 t+dt 的间隔中，又有 dN 件零件发生破坏， 则在此 dt 时间间隔内破坏的比
率 f(t)定义为: 式中 f(t)称为失效率,负号表示 dN 的增大将使 N 减小。分离变量并积分，得：
机械零件计算的管理分析准则设计.pptx
机械零件整体断裂中，80%属于疲劳断裂
2．表面破坏
表面磨粒磨损、胶合、疲劳点蚀、腐蚀磨损、表面压溃、表面塑性流动等
3．变形量过大
弹性变形 塑性变形
4．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地工作。如带传动和摩擦 轮传动，高速转动的零件
▪ 同一种零件发生失效的形式可能有数种
齿轮的失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿 面或齿体塑性变形、齿轮其他部分的破坏 ▪ 主要失效形式将由零件的材料、具体的结构及工作条件等决定
▪ 工作能力
零件不发生失效时的安全工作的限度 ▪ 同一种零件可能有数种不同的失效形式，显然，起决定作用的将是承载
能力中的较小值
二、机械零件的计算准则
▪ 计算准则——用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据
▪ 常用的计算准则有：
1．强度准则
强度是零件在载荷作用下抵抗整体断裂、表面接触疲劳及塑性变形的 能力
2．刚度准则
[ ]
[
]
刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力
y [y]
3．寿命准则
影响零件寿命的主要失效形式：腐蚀、磨损、疲劳
腐蚀寿命、磨损寿命 没有提出实用有效的或通行的定量计算的方法
▪ 第Ⅱ段：正常使用阶段 失效的发生是随机性的，失效率则表现为一常数
▪ 第Ⅲ段：损坏阶段 由于长时间的使用而使零件发生磨损、疲劳等原因，使失效率急剧增加
第二节 静应力下机械零件的强度计算
一、载荷及应力的分类
1．载荷的分类
▪ 静载荷
大小和方向不随时间变化或变化缓慢的载荷
▪ 变载荷
随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷
•平均应力：
m
2．表面破坏
表面磨粒磨损、胶合、疲劳点蚀、腐蚀磨损、表面压溃、表面塑性流动等
3．变形量过大
弹性变形 塑性变形
4．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地工作。如带传动和摩擦 轮传动，高速转动的零件
▪ 同一种零件发生失效的形式可能有数种
齿轮的失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿 面或齿体塑性变形、齿轮其他部分的破坏 ▪ 主要失效形式将由零件的材料、具体的结构及工作条件等决定
▪ 工作能力
零件不发生失效时的安全工作的限度 ▪ 同一种零件可能有数种不同的失效形式，显然，起决定作用的将是承载
能力中的较小值
二、机械零件的计算准则
▪ 计算准则——用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据
▪ 常用的计算准则有：
1．强度准则
强度是零件在载荷作用下抵抗整体断裂、表面接触疲劳及塑性变形的 能力
2．刚度准则
[ ]
[
]
刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力
y [y]
3．寿命准则
影响零件寿命的主要失效形式：腐蚀、磨损、疲劳
腐蚀寿命、磨损寿命 没有提出实用有效的或通行的定量计算的方法
▪ 第Ⅱ段：正常使用阶段 失效的发生是随机性的，失效率则表现为一常数
▪ 第Ⅲ段：损坏阶段 由于长时间的使用而使零件发生磨损、疲劳等原因，使失效率急剧增加
第二节 静应力下机械零件的强度计算
一、载荷及应力的分类
1．载荷的分类
▪ 静载荷
大小和方向不随时间变化或变化缓慢的载荷
▪ 变载荷
随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷
•平均应力：
m
第1章机械零件设计概论
第一章 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
§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
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
轴承外圈塑性变形
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）
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）
设计机械零件时应满足的基本要求
四. 可靠性
可靠度=正常工作数／总数
其它：破坏正常工作条件引起的失效（联接松 动、带传动打滑、腐蚀、过热......）
第3页/共6页
§2—7 机械零件的设计方法
理论设计 经验设计 模型实验设计
一．理论设计
σ＝Ｆ／Ａ ≤σlim／ｓ
计算 ②σlim的取值
第二章 机械设计总论
§2—4 设计机械零件时应满足的基本要求
强度、刚度、寿命、工艺性、经济性、可靠性等
失效 —机械零件由于某种原因不能正常工作 §2—5 机械零件的主要失效形式及计算准则 一 失效形式→强度、刚度、振动稳定性、
破坏正常工作条件 二 计算准则→ ┌强度准则
├刚度准则 ├振动稳定性准则 └其它准则
└推荐使用： 标准直径
第6页/共6页
第1页/共6页
（一）强度准则 工作应力≤许用应力
（1）失效形式
(2)计算准则
1. 整体强度
静→整体┌整体断裂(脆性材料) B S ┐ 静
应 破坏└过大的残余变形） S S┘ 强
力
（塑性材料）
度
变应力→ 疲劳破坏→疲劳断裂（塑、脆性材料）
2. 表面强度 r S →疲劳强度
表面磨损 p ≤［ p ］（压强） →耐磨性（条件性）
三 .有色金属：有特殊性能(减摩、抗腐、电…） 价昂→少用
四. 非金属： 塑料、橡胶、玻璃
第5页/共6页
§2—10 机械零件设计中的标准化
标准化：
两重含意／按有关标准设计机械零件 ＼尽量选用标准件
分类┬按运用范围→ 国际ISO、国家GB、部标 (JB、YB、QB)、企业标准
└使用强制性 → ┬必须执行：制图、公差、 形位……
表面压溃 σj≤ [σj] （挤压应力) →挤压强度 接触疲劳 σH≤[σH] (接触应力) →接触强度(点蚀)
可靠度=正常工作数／总数
其它：破坏正常工作条件引起的失效（联接松 动、带传动打滑、腐蚀、过热......）
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§2—7 机械零件的设计方法
理论设计 经验设计 模型实验设计
一．理论设计
σ＝Ｆ／Ａ ≤σlim／ｓ
计算 ②σlim的取值
第二章 机械设计总论
§2—4 设计机械零件时应满足的基本要求
强度、刚度、寿命、工艺性、经济性、可靠性等
失效 —机械零件由于某种原因不能正常工作 §2—5 机械零件的主要失效形式及计算准则 一 失效形式→强度、刚度、振动稳定性、
破坏正常工作条件 二 计算准则→ ┌强度准则
├刚度准则 ├振动稳定性准则 └其它准则
└推荐使用： 标准直径
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（一）强度准则 工作应力≤许用应力
（1）失效形式
(2)计算准则
1. 整体强度
静→整体┌整体断裂(脆性材料) B S ┐ 静
应 破坏└过大的残余变形） S S┘ 强
力
（塑性材料）
度
变应力→ 疲劳破坏→疲劳断裂（塑、脆性材料）
2. 表面强度 r S →疲劳强度
表面磨损 p ≤［ p ］（压强） →耐磨性（条件性）
三 .有色金属：有特殊性能(减摩、抗腐、电…） 价昂→少用
四. 非金属： 塑料、橡胶、玻璃
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§2—10 机械零件设计中的标准化
标准化：
两重含意／按有关标准设计机械零件 ＼尽量选用标准件
分类┬按运用范围→ 国际ISO、国家GB、部标 (JB、YB、QB)、企业标准
└使用强制性 → ┬必须执行：制图、公差、 形位……
表面压溃 σj≤ [σj] （挤压应力) →挤压强度 接触疲劳 σH≤[σH] (接触应力) →接触强度(点蚀)
机械零件设计和计算准则
2
有限元分析
使用有限元分析软件模拟零件在各种工作负荷下的应力和变形。
3
疲劳分析
对零件进行疲劳分析，评估其在循环加载下的寿命和耐久性。
机械零件设计中的常见问题
尺寸不准确
尺寸设计不准确可能导致装配问题或零件功能 失效。
不合理的设计
不合理的设计可能导致零件过于复杂或不易制 造。
材料选择错误
错误的材料选择可能导致零件强度不足或耐用 性差。
安全性
保证零件在使用过程中不会出现任何故障或危 险。
经济性
在保证质量的基本原则
材料选择
选取合适的材料以满足零件的 功能需求和工作环境。
尺寸和形状
根据设计要求和装配要求确定 零件的准确尺寸和适当形状。
结构和连接
设计零件的结构和连接方式来 确保其稳定性和可靠性。
• 机械零件设计目标：功能性、安全性、可靠性、经济性 • 机械零件设计原则：材料选择、尺寸和形状、结构和连接 • 机械零件计算重要性：性能评估、优化设计、故障分析 • 机械零件计算方法：受力分析、有限元分析、疲劳分析 • 机械零件设计常见问题：尺寸不准确、材料选择错误、不合理的设计、未进行计算 • 机械零件设计案例分析：齿轮设计、轴承选型、活塞发动机设计
机械零件计算的重要性
1 性能评估
通过计算可以评估零件在工作负荷下的性能和可靠性。
2 优化设计
计算可以帮助我们优化零件的设计，提高其性能和效率。
3 故障分析
通过计算可以分析零件失效的原因，避免类似故障再次发生。
机械零件计算的常用方法
1
受力分析
通过受力分析计算零件在工作负荷下的受力情况，以确定合适的材料和尺寸。
机械零件设计和计算准则
机械零件设计概论及原理
表面疲劳磨损的类型
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
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
机械零件设计和计算概论
max
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：
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：
机械零件设计和计算准则
机械零件设计和计算准则机械零件是机械设备中的一个重要组成部分，其设计和计算的准则对于机械设备的使用性能、安全性等方面起着重要的作用。
下面，我将详细介绍机械零件设计和计算的准则。
1.强度准则机械零件的强度是指其抵抗外力、外载荷作用下变形和损坏的能力。
在机械零件的设计和计算中，必须遵循强度准则，确保零件能够承受预期的载荷，并保持其稳定的工作状态。
强度计算通常包括静态强度计算和疲劳强度计算两个方面。
静态强度计算是通过分析零件在预期荷载作用下的受力情况，考虑到弯曲、剪切、压缩、拉伸等不同载荷形式，来判断零件是否能够满足强度要求。
常用的方法包括理论计算、有限元分析等。
疲劳强度计算是考虑到零件在循环载荷下的疲劳寿命，避免因长期受到变化载荷的影响而导致零件的疲劳破坏。
疲劳强度计算通常采用S—N 曲线法或极限理论等方法。
2.常规尺寸准则机械零件的设计应符合常规尺寸准则，即遵循标准尺寸和公差范围的要求。
常规尺寸准则的目的是确保零件的互换性和可制造性。
在机械零件的设计中，应尽量使用标准尺寸和公差，减少特殊尺寸和特殊公差的使用，以降低成本和提高生产效率。
同时，还需考虑零件的装配性和可维修性，确保零件在使用过程中的可靠性和稳定性。
3.材料选择准则机械零件的材料选择是保证零件强度和使用寿命的重要因素。
在材料选择时，需要考虑以下准则：（1）强度和硬度：材料的强度和硬度要与零件的强度要求相匹配，以保证零件在工作状态下不会变形或破坏。
（2）耐磨性：机械零件在使用过程中会受到磨损的影响，因此选择具有良好耐磨性的材料能够延长零件的使用寿命。
（3）耐腐蚀性：机械零件在一些特殊环境下可能接触到腐蚀介质，因此选择具有良好耐腐蚀性的材料可以保证零件在恶劣环境下的使用寿命。
（4）成本和可加工性：材料的成本和可加工性也是选择的重要考虑因素，需要综合考虑零件的使用要求和生产成本。
4.可靠性准则机械零件的可靠性是指零件在使用过程中不发生故障或失效的能力。
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
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针对失效形式：零件表面破坏 典型零部件：齿轮、轴承、链等
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
六、振动稳定性准则
共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变化频 率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急 剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等 振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值
三、机械零件设计过程
零件设计时的共性： 受力分析、 失效形式 设计准则、 设计计算
工作原理、结构、 类型、应用场合
过程： 1、拟订零件的设计简图 2、确定载荷的大小及位置 3、选择材料 4、根据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数 5、绘制零件工作图
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
七、耐热性准则
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
一、机械零件常见失效形式
失效：丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指 破坏 常见主要失效形式有： 断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂 表面点蚀：工作表面片状剥落 强度问题 塑性变形：零件发生永久性变形 过大弹性变形 刚度问题 表面破坏 耐磨性问题 过大振动和噪声、过热等
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
四、材料选择原则
使用要求：使用环境、载荷性质、结构、重要程度... 工艺要求：零件及其毛坯的形状、批量、加工方法... 经济要求：材料价格结合加工费用、材料利用率...
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
6-5 机械零件的工艺性和标准化
一、工艺性
50 kN
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
三、强度准则
机械零件工作能力的最基本准则 强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力 强度准则：工作应力≤许用应力 σ≤ [σ] 或 τ≤ [τ]
正应力： [ ]
lim S
lim S
极限应力
剪应力： [ ]
典型零部件：轴、蜗杆等
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
五、耐磨性准则
耐磨性：零件抗磨损的能力 磨损是相当复杂的物理化学过程 影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑 剂的化学性质和物理性质等 具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲 蚀磨损、微动磨损 耐磨性准则： P
针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形
典型零部件：轴、齿轮、 带轮等
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
四、刚度准则
刚度：材料抵抗弹性变形的能力 刚度准则：实际变形量≤许用变形量 倾角条件：θ≤[θ]
弯曲刚度：挠度条件： y ≤[y]
扭曲刚度：扭角条件：j ≤ [j]
针对失效形式：过大的弹性变形
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
二、热处理方法
1 2 3 4 5 退火 正火 淬火 回火 表面热处理
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
热处理比较
1 退火
温度 保温
降低硬度、提高韧性、细化晶粒、 消除内应力
用于处理低中碳钢，代替低中碳钢 的退火。提高硬度，增加韧性， 易 于切削，减少应力
针对失效形式：高温引起的润滑不良、蠕变
典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
6-3 许用应力和安全系数
一、载荷
二、应力
三、极限应力
四、许用应力和安全系数
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
一、载荷
载荷：作用于零件上的力或力矩 工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷
加热
退火(炉冷) 淬火 正火(空冷) 回火 时间
2 正火
3 淬火（蘸火）
提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火
4 回火
消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性 低温回火：高强度、高硬度及良好的耐磨性 中温回火：高弹性、硬度中等 高温回火：强度、塑性、韧性都较好(调质——淬火+高温回火)
机 械 零 件
通用 零件
联接件：螺栓、键、花键 支承件：轴、轴承
其它：联轴器、弹簧、机架
专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴,飞机螺旋桨
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
二、机械零件设计基本要求
1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能 2、工作可靠，在预定的工作期限内不能失效 3、经济性要求
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
表面热处理
表面热处理：表面增硬，芯部韧 表面淬火法（火焰加热、感应加热…）
化学热处理（渗碳、氮化、氰化...）
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
三、材料力学性能指标
强度：
D
弹性极限： P
B
p
C S
E
抗拉强度： B
B
屈服强度： S(0.2)
有限寿命区 无限寿命区
rN
N
N0
r
N
各种材料的r可从有关手册中查取
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
四、许用应力和安全系数
lim [ ] S
lim [ ] S
许用应力
极限应力
许用应力：设计零件时 所依据的条件应力
安全系数
安全系数↑→许用应力↓→结构笨重 安全系数↓→许用应力↑→不够安全
灰口铸铁
与材料性能有关
脆性材料取强度极限B(B)
B
玻璃钢
e
D
B p C S B E
塑性材料取屈服极限 S(S)
A
e
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
2 变应力下的极限应力
疲劳极限：依据防疲劳断裂的准 则确定 材料经过N0次应力循环不发生破 坏的应力最大值r(r)
这些标准在机械手册中可以查到，我们应学会查手册
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
6-5 机械零件公差与配合
一、公差
公差系列
等级：1－18级，1级最高。
常用4－13级，一般自由公差12－13级，加工件6－9级。
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
许用应力确定
1 查许用应力表
根据实践经验制成表格选取
2 部分系数法 S=S1S2S3
S1：计算载荷和应力准确性系数（1~1.5) S2：材料的均匀系数（铸铁:1.5~2.5,钢:1.2~1.5） S3：零件重要性系数（1~1.5)
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
五、机械零件现代设计方法
优化设计：
模拟设计：
CAD/CAM
有限元 优化与仿真结合
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6-2 机械零件的工作能力准则
一、机械零件常见失效形式
二、工作能力准则 三、强度准则 四、刚度准则 五、耐磨性准则
六、振动稳定性准则
n
F
例如轴可能的失效形式：
断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振
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二、工作能力准则
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” 如： 吊钩最大起重量——50 kN 工作能力或承载能力——50 kN 工作能力准则：衡量零件工作能力的指标 对零件设计，针对其主要失效形式选择适 合的工作能力准则进行设计 具体有：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
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
计算载荷=K ×名义载荷
载荷系数
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二、应力
静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力 变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力 变应力：稳定变应力（随时间作周期性）、不稳定变应 力（非周期性循环变应力）
A
e
硬度：
HBS:布氏硬度 硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般HBS<450 HRC:洛氏硬度 120º 金刚石锥体，载荷150kgf,不能测硬、脆的薄层零件 HV:维氏硬度 136 º 金刚石四角锥体，载荷小，5-30kgf 三种硬度单位之比较： HV(维氏) ≈ HBS(布氏)；HRC(洛氏)×10 ≈ HBS
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
第6章 机械零件设计和计算概论
6-1 机械零件设计概述
6-2 机械零件的工作能力准则 6-3 许用应力和安全系数 6-4 常用材料及其选择 6-5 机械零件的工艺性和标准化
基本要求: 掌握零件常见的失效形式和设计准则 掌握许用应力、安全系数的概念及确定方法 了解零件的常用材料及性能
r
t
max min m 2
min max
r 1 ~ 1
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静应力
m
应力表达： +1（ +1 ） 最大应力: max 最小应力: min 应力幅: a
t
平均应力: m
循环特征: r
max min m
对称循环变应力
应力表达： 1（ 1 ） 最大应力: max 最小应力: min 应力幅: a