机械零件的强度和设计准则资料教程
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• 安全系数如果选择过大，则造成材料浪费、机器笨重、 加工运输困难、成本提高等一系列问题。安全系数过小， 则可能导致不安全；
• 许用安全系数的确定要考虑：（1）载荷和应力的性质和计算
的准确程度；（2）运行条件的平稳程度（是否有冲击载荷）；（3） 材料的性质和材质的均匀程度；（4）零件的重要程度；（5）工艺 和探伤水平；（6）环境是否具有腐蚀性。
p FA[p]
• 表面接触强度：是指高副接触的表面抵抗接触破坏的能力
1
Hm
ax4
F 2ab
1 F
b
1E1 12
122
E2
1
2
Hm
ax23
F c2
13
6F
1E112
122
E2
在静载荷作用下，接触表面的失效形式为脆性材料 的表面压碎和塑性材料的表面塑性变形。
Hma x[ H]max
强度准则
1．通过判断危险截面的最大许用应力（σ，τ）是否小于或 等于许用应力[σ]，[τ]。
[ ]
[ ]
2．通过判断危险截面上实际的安全系数（Sσ，Sτ）是否大 于或等于许用安全系数（[Sσ]，[Sτ]）
Sσ
lim
[Sσ ]
Sτ
lim
[Sτ ]
• 安全系数：零件所能承受的极限应力与实际应力的比值, 它反映的是零件的安全工作程度；
• 安全系数的选择原则：在保证安全、可靠的前提下，尽 可能选用较小的安全系数。
2.2.2 刚度准则
零件在载荷作用下产生的弹性变形分为挠度y、转角θ 和扭角φ，刚度计算准则就是要求零件在实际工作中所
产生的弹性变形量小于或等于许用的弹性变形量
y [y] [ ] [ ]
2.2.3 寿命准则
•决定零件寿命的有腐蚀、疲劳和磨损三种最为主要的因素；
•这三种因素的研究进程各不相同，关于磨损问题的研究目前还很 不完善，还无法建立一个能够为广泛接受的计算准则；腐蚀问题 的研究也存在同样的问题，至今还未出现能够具有通用性的计算 准则，因而也无法建立明确的计算准则；
•疲劳问题是目前发展比较成熟的一个研究方向，已经可以较为定 性地进行疲劳寿命计算，但是在一定可靠度的前提下进行的计算 。
2.2.4 可靠性准则
所谓可靠性，就是产品在规定的条件下、规定的时间内，完成规 定功能的可靠程度；
比如：有N个同样零件在规定的时间t内有Nf个零件发生失效，剩 下Nt个零件仍能继续工作，则可靠度为
失效概率
Rt N N t N N Nf 1N N f
Ft
Nf N
1Rt
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。
• 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。
5.对零件表面进行强化处理 比如，为提高零件表面疲劳强度，常采用的表面强化工艺 有：喷丸处理及碾压处理、渗碳、碳氮共渗、渗氮、表面 淬火。这些方法都可以在零件表面中形成残余压应力、提 高表面硬度，对提高零件的表面疲劳强度是有利的。
2.4 机械零件的三种表面强度
• 表面挤压强度：是指零件表面抵抗表面挤压破坏的能力
第2章 机械零件的强度和设计准则
•载荷及其产生的应力，是导致机械零件发生损伤甚至失效的最 主要原因；
•对机械零件进行载荷和应力分析是进行机械设计过程中首先面 临和要解决的问题。
•机械零件的载荷：一般是指它所受到的力（F）、弯矩（M）、 扭矩（T）。
•静载荷：不随时间变化、变化缓慢或者变化幅度相对很小的载 荷。如零件所受到的重力、锅炉稳定工作时所受到的压力等。
在实际问题中碰到的变应力很多处于一种不稳定变化状 态，甚至是随机变应力
静载荷也能产生变应力：
2.2 机械零件计算的准则
计算准则----针对某种失效形式、为满足某种工 作能力而建立的设计准则
强度准则
• 两种计算准则：一种是根据许用应力建立的计算准则， 另一种是根据安全系数建立的计算准则；
• 在实际使用中根据所掌握的数据情况确定选择使用哪 种强度准则。
•变载荷：随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷。如汽车 齿轮箱中的齿轮、轴、轴承等所受的载荷均为变载荷。
在进行载荷计算过程中也常将载荷分为名义载荷（F、T、M ）和计算载荷(Fc、Tc、Mc)，计算载荷等于名义载荷乘以 载荷系数K
F c KF T c KT M c KM
载荷系数K的数值主要取决于动力机和工作机的性质，动力 机和工作机的工作越平稳，则冲击载荷越小，载荷系数就越 小，反之则应该取大值。
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。
f(t)dFt dNf dt来自百度文库Ndt
累积失效概率
Ft dtF f(t)dt
Rt 1Ft
2.3 机械零件的失效方式及提高强度的一般方法
• 失效：机械零件在工作时出现丧失工作能力或达不到设计要求性能 的现象；
• 失效并不意味着破坏； • 常见的失效形式有：（1）整体断裂；（2）过大的弹性变形或残余
变形；（3）零件表面的破坏（过度磨损、过度腐蚀、接触疲劳破坏、 过热等）；（4）不能满足工作条件所导致的失效（联接的松动、压 力容器和管道的泄漏、运动精度达不到要求、皮带传动出现打滑现 象、滑动轴承的油膜压力太小、转动速度与固有频率重合而发生共 振等）。
表面磨损强度 对于滑动速度低、载荷较大，可以通过限制工作表 面的压强进行计算，以限制过度磨损：
p [p]
滑动速度较高时，要限制摩擦功耗（限制pv值）
名义载荷：机器在平稳工作条件下作用在零件上的载荷； 计算载荷：考虑载荷的时间不均匀性、分布的不均匀性以及其它影响因 素对名义载荷进行修正得到的载荷
名义载荷的计算一般运用公式来进行 ，比如十分常用的一种已知转动速度 n和输入功率P计算旋转运动件所受到 的扭矩：
T9.55106 P（Nmm）
n
在进行载荷计算时往往要通过一些简 化处理，这是因为实际载荷的作用往 往都是作用在一定的范围面上。
• 许用安全系数的确定要考虑：（1）载荷和应力的性质和计算
的准确程度；（2）运行条件的平稳程度（是否有冲击载荷）；（3） 材料的性质和材质的均匀程度；（4）零件的重要程度；（5）工艺 和探伤水平；（6）环境是否具有腐蚀性。
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• 表面接触强度：是指高副接触的表面抵抗接触破坏的能力
1
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在静载荷作用下，接触表面的失效形式为脆性材料 的表面压碎和塑性材料的表面塑性变形。
Hma x[ H]max
强度准则
1．通过判断危险截面的最大许用应力（σ，τ）是否小于或 等于许用应力[σ]，[τ]。
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2．通过判断危险截面上实际的安全系数（Sσ，Sτ）是否大 于或等于许用安全系数（[Sσ]，[Sτ]）
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• 安全系数：零件所能承受的极限应力与实际应力的比值, 它反映的是零件的安全工作程度；
• 安全系数的选择原则：在保证安全、可靠的前提下，尽 可能选用较小的安全系数。
2.2.2 刚度准则
零件在载荷作用下产生的弹性变形分为挠度y、转角θ 和扭角φ，刚度计算准则就是要求零件在实际工作中所
产生的弹性变形量小于或等于许用的弹性变形量
y [y] [ ] [ ]
2.2.3 寿命准则
•决定零件寿命的有腐蚀、疲劳和磨损三种最为主要的因素；
•这三种因素的研究进程各不相同，关于磨损问题的研究目前还很 不完善，还无法建立一个能够为广泛接受的计算准则；腐蚀问题 的研究也存在同样的问题，至今还未出现能够具有通用性的计算 准则，因而也无法建立明确的计算准则；
•疲劳问题是目前发展比较成熟的一个研究方向，已经可以较为定 性地进行疲劳寿命计算，但是在一定可靠度的前提下进行的计算 。
2.2.4 可靠性准则
所谓可靠性，就是产品在规定的条件下、规定的时间内，完成规 定功能的可靠程度；
比如：有N个同样零件在规定的时间t内有Nf个零件发生失效，剩 下Nt个零件仍能继续工作，则可靠度为
失效概率
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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。
• 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。
5.对零件表面进行强化处理 比如，为提高零件表面疲劳强度，常采用的表面强化工艺 有：喷丸处理及碾压处理、渗碳、碳氮共渗、渗氮、表面 淬火。这些方法都可以在零件表面中形成残余压应力、提 高表面硬度，对提高零件的表面疲劳强度是有利的。
2.4 机械零件的三种表面强度
• 表面挤压强度：是指零件表面抵抗表面挤压破坏的能力
第2章 机械零件的强度和设计准则
•载荷及其产生的应力，是导致机械零件发生损伤甚至失效的最 主要原因；
•对机械零件进行载荷和应力分析是进行机械设计过程中首先面 临和要解决的问题。
•机械零件的载荷：一般是指它所受到的力（F）、弯矩（M）、 扭矩（T）。
•静载荷：不随时间变化、变化缓慢或者变化幅度相对很小的载 荷。如零件所受到的重力、锅炉稳定工作时所受到的压力等。
在实际问题中碰到的变应力很多处于一种不稳定变化状 态，甚至是随机变应力
静载荷也能产生变应力：
2.2 机械零件计算的准则
计算准则----针对某种失效形式、为满足某种工 作能力而建立的设计准则
强度准则
• 两种计算准则：一种是根据许用应力建立的计算准则， 另一种是根据安全系数建立的计算准则；
• 在实际使用中根据所掌握的数据情况确定选择使用哪 种强度准则。
•变载荷：随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷。如汽车 齿轮箱中的齿轮、轴、轴承等所受的载荷均为变载荷。
在进行载荷计算过程中也常将载荷分为名义载荷（F、T、M ）和计算载荷(Fc、Tc、Mc)，计算载荷等于名义载荷乘以 载荷系数K
F c KF T c KT M c KM
载荷系数K的数值主要取决于动力机和工作机的性质，动力 机和工作机的工作越平稳，则冲击载荷越小，载荷系数就越 小，反之则应该取大值。
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。
f(t)dFt dNf dt来自百度文库Ndt
累积失效概率
Ft dtF f(t)dt
Rt 1Ft
2.3 机械零件的失效方式及提高强度的一般方法
• 失效：机械零件在工作时出现丧失工作能力或达不到设计要求性能 的现象；
• 失效并不意味着破坏； • 常见的失效形式有：（1）整体断裂；（2）过大的弹性变形或残余
变形；（3）零件表面的破坏（过度磨损、过度腐蚀、接触疲劳破坏、 过热等）；（4）不能满足工作条件所导致的失效（联接的松动、压 力容器和管道的泄漏、运动精度达不到要求、皮带传动出现打滑现 象、滑动轴承的油膜压力太小、转动速度与固有频率重合而发生共 振等）。
表面磨损强度 对于滑动速度低、载荷较大，可以通过限制工作表 面的压强进行计算，以限制过度磨损：
p [p]
滑动速度较高时，要限制摩擦功耗（限制pv值）
名义载荷：机器在平稳工作条件下作用在零件上的载荷； 计算载荷：考虑载荷的时间不均匀性、分布的不均匀性以及其它影响因 素对名义载荷进行修正得到的载荷
名义载荷的计算一般运用公式来进行 ，比如十分常用的一种已知转动速度 n和输入功率P计算旋转运动件所受到 的扭矩：
T9.55106 P（Nmm）
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在进行载荷计算时往往要通过一些简 化处理，这是因为实际载荷的作用往 往都是作用在一定的范围面上。