机械设计-机械零件设计基础知识
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④突发性: 突然断裂
1-4 对称循环变应力下零件强度计算 一、材料的疲劳曲线与疲劳极限
2、材料的疲劳曲线σrN –N
σrN
A 有限寿命区
无限寿命区
σrN1
m rN
N
C
σrN2 σrN0
o 103 N1 N2
B
C
r
N0
N
m、C—系数
N0—循环基数 σr— 疲劳极限
设计寿命N≥N0时：材料σlim= σr
F
（理想工况）
K—载荷系数：考虑外载变化、载荷分布不均等
1-2载荷与应力
二、应力分类
二、应力分类
1、静应力：
(t
)
常
矢
σ
t
2、变应力：
(t
)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
变
矢
σ (1)稳定变应力
tσ
规律性、非稳定
(2) 非稳定变应力 σ
随机
T
t
t
1-2载荷与应力
三、变应力的参数
三、变应力的参数 1、非对称循环变应力
σ
σa
平均应力：σm=(σmax+σmin)/2 应 力 幅：σa=(σmax -σmin)/2
1 ( 1 )K
1
2、绝对尺寸：尺寸增加，疲劳极限降低
绝对尺寸系数:
直径 d 试样疲劳极限 标准试样疲劳极限
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
三、失效形式
3、变形过大
设计寿命103≤N<N0时：材料σlim= σrN=KNσr
其中：寿命系数
- -KN
m
N0 N
σrN— 条件疲劳极限
1-4 对称循环变应力下零件强度计算 二、零件疲劳强度的影响因素
二、零件疲劳强度的影响因素
1、应力集中：零件几何不连续处，实际应力远大于名义应力
有效应力集中系数： k
标准试样疲劳极限 缺口试样疲劳极限
1-4 对称循环变应力下零件强度计算 一、材料的疲劳曲线与疲劳极限
一、材料的疲劳曲线与疲劳极限 1、疲劳破坏 疲劳破坏：变应力、多次作用下，材料发生破坏
疲劳破坏 过 程：
①裂纹萌生 ②裂纹扩展 ③最终瞬断
曲轴断裂
实例 内源断裂
①小应力: 变应力最大值低于材料静强度限 疲劳破坏 ②持续性: 变应力多次作用 特 征： ③敏感性: 对几何突变、材料敏感
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
（5）振动稳定性准则：避免共振 fP ＜0.85 f0 ； fP ＞1.15 f0
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
相对运动表面间进入第 三体（磨料），引起表 面磨损，精度降低；过 度磨损强度降低；
应力比较法：σca≤[σ] =σlim / [S]
式中：
安全系数法： Sca =σlim / σca ≥[S]
σca– 计算应力—与载荷、结构尺寸、形状有关
[S]–许用安全系数—材料数据可靠性、载荷计算准确性、 零件重要性有关（查表)
σlim– 极限应力—与材料种类、热处理有关
塑性材料：σlim= σs 脆性材料： σlim= σB
(2)点蚀
交变接触应力反复作用， 导致齿面形成裂纹、扩 展，材料脱落。引起振 动噪声或断裂；
1-1 零件的失效形式与设计准则
2、表面破坏
齿面 粘着
三、失效形式
齿面 胶合
(3)胶合--冷胶合
低速重载,过高的接触压力 导致表面间油膜破坏，金属 直接接触粘着，相对运动产 生撕裂-表面精度降低；
(3)胶合—热胶合
1、定义--预定使用寿命期限内，零件安全工作的限度
--承载能力指标(受失效形式限制)、确定零件尺寸的依据
2、常用设计准则
（1）强度准则 强度—抗整体断裂、接触疲劳、塑变的能力 强度准则：（基本准则） σ≤[σ] ；τ ≤[τ]
（2）刚度准则 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
二、失效概念
二、失效的概念
规定使用条件下
零件 规定的寿命期限内
不能完成 失效
规定功能
例:齿轮轴断裂—失效
1-1 零件的失效形式与设计准则
三、失效形式 过载断裂
1、整体断裂 疲劳断裂
磨损 冷胶合
2、表面破坏 胶合 热胶合
点蚀 塑性变形 3、变形过大 过大弹变
三、失效形式
4、功能失效 5、过大振动
1-1 零件的失效形式与设计准则
σmax σmin
σm
t
应力循环特性：r= σmin /σmax (-1≤ r ≤+1)
(变应力用五个参数描述，知二可求其他)
σ
2、对称循环变应力
t σm =0 ；r= -1
σ
3、脉动循环变应力
4、静应力
σ
σmin =0； r= 0 t
t σa=0 ;r= +1
1-3 静应力下零件的强度计算
一、静应力下零件强度计算
(2)过大弹性
过大弹变，刚度不足、精度降低。
机床主轴刚 度不足加工 圆柱孔--锥 形孔
1-1 零件的失效形式与设计准则
4、功能失效
三、失效形式
5、过大振动—振动、噪声
螺栓联接功能失效—被联件间相对滑移 皮带传动功能失效—打滑
1-1 零件的失效形式与设计准则
四、工作能力准则
四、工作能力准则（设计准则）
机械设计-机械零件设计基础知识
1-1 零件的失效形式与设计准则
一、机械零件设计步骤
一、机械零件设计步骤
F
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
f0—固有频率；fP—激振频率；
0.85 f0 f0 1.15 f0
1-2载荷与应力
一、载荷分类
一、载荷分类
1、载荷性质
F
静载荷：F F(t) 常矢
F
周期
变载荷： F F (t) 变矢 随机 F
t
t
2、载荷算法
t
名义载荷F ： 计算载荷Fca ：
原动机功率 工作机阻力
Fca =K F
公式推算
1-4 对称循环变应力下零件强度计算 一、材料的疲劳曲线与疲劳极限
2、材料的疲劳曲线σrN –N
σrN
A 有限寿命区
无限寿命区
σrN1
m rN
N
C
σrN2 σrN0
o 103 N1 N2
B
C
r
N0
N
m、C—系数
N0—循环基数 σr— 疲劳极限
设计寿命N≥N0时：材料σlim= σr
F
（理想工况）
K—载荷系数：考虑外载变化、载荷分布不均等
1-2载荷与应力
二、应力分类
二、应力分类
1、静应力：
(t
)
常
矢
σ
t
2、变应力：
(t
)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
变
矢
σ (1)稳定变应力
tσ
规律性、非稳定
(2) 非稳定变应力 σ
随机
T
t
t
1-2载荷与应力
三、变应力的参数
三、变应力的参数 1、非对称循环变应力
σ
σa
平均应力：σm=(σmax+σmin)/2 应 力 幅：σa=(σmax -σmin)/2
1 ( 1 )K
1
2、绝对尺寸：尺寸增加，疲劳极限降低
绝对尺寸系数:
直径 d 试样疲劳极限 标准试样疲劳极限
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
三、失效形式
3、变形过大
设计寿命103≤N<N0时：材料σlim= σrN=KNσr
其中：寿命系数
- -KN
m
N0 N
σrN— 条件疲劳极限
1-4 对称循环变应力下零件强度计算 二、零件疲劳强度的影响因素
二、零件疲劳强度的影响因素
1、应力集中：零件几何不连续处，实际应力远大于名义应力
有效应力集中系数： k
标准试样疲劳极限 缺口试样疲劳极限
1-4 对称循环变应力下零件强度计算 一、材料的疲劳曲线与疲劳极限
一、材料的疲劳曲线与疲劳极限 1、疲劳破坏 疲劳破坏：变应力、多次作用下，材料发生破坏
疲劳破坏 过 程：
①裂纹萌生 ②裂纹扩展 ③最终瞬断
曲轴断裂
实例 内源断裂
①小应力: 变应力最大值低于材料静强度限 疲劳破坏 ②持续性: 变应力多次作用 特 征： ③敏感性: 对几何突变、材料敏感
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
（5）振动稳定性准则：避免共振 fP ＜0.85 f0 ； fP ＞1.15 f0
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
相对运动表面间进入第 三体（磨料），引起表 面磨损，精度降低；过 度磨损强度降低；
应力比较法：σca≤[σ] =σlim / [S]
式中：
安全系数法： Sca =σlim / σca ≥[S]
σca– 计算应力—与载荷、结构尺寸、形状有关
[S]–许用安全系数—材料数据可靠性、载荷计算准确性、 零件重要性有关（查表)
σlim– 极限应力—与材料种类、热处理有关
塑性材料：σlim= σs 脆性材料： σlim= σB
(2)点蚀
交变接触应力反复作用， 导致齿面形成裂纹、扩 展，材料脱落。引起振 动噪声或断裂；
1-1 零件的失效形式与设计准则
2、表面破坏
齿面 粘着
三、失效形式
齿面 胶合
(3)胶合--冷胶合
低速重载,过高的接触压力 导致表面间油膜破坏，金属 直接接触粘着，相对运动产 生撕裂-表面精度降低；
(3)胶合—热胶合
1、定义--预定使用寿命期限内，零件安全工作的限度
--承载能力指标(受失效形式限制)、确定零件尺寸的依据
2、常用设计准则
（1）强度准则 强度—抗整体断裂、接触疲劳、塑变的能力 强度准则：（基本准则） σ≤[σ] ；τ ≤[τ]
（2）刚度准则 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
二、失效概念
二、失效的概念
规定使用条件下
零件 规定的寿命期限内
不能完成 失效
规定功能
例:齿轮轴断裂—失效
1-1 零件的失效形式与设计准则
三、失效形式 过载断裂
1、整体断裂 疲劳断裂
磨损 冷胶合
2、表面破坏 胶合 热胶合
点蚀 塑性变形 3、变形过大 过大弹变
三、失效形式
4、功能失效 5、过大振动
1-1 零件的失效形式与设计准则
σmax σmin
σm
t
应力循环特性：r= σmin /σmax (-1≤ r ≤+1)
(变应力用五个参数描述，知二可求其他)
σ
2、对称循环变应力
t σm =0 ；r= -1
σ
3、脉动循环变应力
4、静应力
σ
σmin =0； r= 0 t
t σa=0 ;r= +1
1-3 静应力下零件的强度计算
一、静应力下零件强度计算
(2)过大弹性
过大弹变，刚度不足、精度降低。
机床主轴刚 度不足加工 圆柱孔--锥 形孔
1-1 零件的失效形式与设计准则
4、功能失效
三、失效形式
5、过大振动—振动、噪声
螺栓联接功能失效—被联件间相对滑移 皮带传动功能失效—打滑
1-1 零件的失效形式与设计准则
四、工作能力准则
四、工作能力准则（设计准则）
机械设计-机械零件设计基础知识
1-1 零件的失效形式与设计准则
一、机械零件设计步骤
一、机械零件设计步骤
F
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
f0—固有频率；fP—激振频率；
0.85 f0 f0 1.15 f0
1-2载荷与应力
一、载荷分类
一、载荷分类
1、载荷性质
F
静载荷：F F(t) 常矢
F
周期
变载荷： F F (t) 变矢 随机 F
t
t
2、载荷算法
t
名义载荷F ： 计算载荷Fca ：
原动机功率 工作机阻力
Fca =K F
公式推算