第2章 机械零件的失效形式及设计准则
机械设计第二章
破坏正常工作条件引起的失效 胶合
打滑、共振、
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机械零件失效的实例：
齿轮轴断裂 整体塑变
轮齿磨损
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机械零件失效的实例：
齿轮轮齿折断
轴承内圈破裂
轮齿塑性变形
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轴承外圈塑性变形
机械零件失效的实例：
被联件拉断
被联件相对滑移
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轴瓦磨损
齿面接触疲劳
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2. 经验设计
根据经验关系式，用类比的方法所进行的设计。如：箱
体的结构设计
2016/12/27
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3. 模型实验设计
把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺
寸样机进行实验。如：飞机、桥梁的风洞实验。
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第八节 机械零件设计的一般步骤
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四、质量小的要求
减小零件质量的好处： 节约材料。 减小惯性；改善机器的动力性能。 便于运输。
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五、可靠性要求
机械零件设计过程中存在不确定因素 参数不确定性：尺寸参数（制造精度） 设计参数（数据不足）
模型不确定性： （1）材料各向同性；
（2）小变形及线弹性；
（3）简化的简支梁； （4）圆柱体接触； （5）齿轮都是刚性体。
编制技术文件
第二节
机器的运动学设计
设计机器的一般程序
根据确定的结构方案 确定原动件参数（功率、转速、线速度） 确定各运动部件的运动参数（转速、速度、加速度）
机器的动力学计算
计算各主要零件所受的名义载荷
零件的工作能力设计
依据零件的设计准则和名义载荷，确定零部 件的基本尺寸
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。
机械设计期末知识点总结
第一章绪论1.通用零件、专用零件有哪些？P4通用零件：传动零件——带、链、齿轮、蜗轮蜗杆等；连接零件——平键、花键、销、螺母、螺栓、螺钉等；轴系零件——滚动轴承、联轴器、离合器等。
专用零件：汽轮机的叶片、内燃机的活塞、纺织机械中的纺锭、织梭等。
第二章机械设计总论1.机器的组成。
P5机器的组成：原动机部分、传动机部分、执行部分、测控系统、辅助系统。
2.机械零件的主要失效形式有哪些？P13①整体断裂；②过大的残余变形；③零件的表面破坏；④破坏正常工作条件引起的失效。
3.机械零件的设计准则有哪些？P16①强度准则；②刚度准则；③寿命准则；④振动稳定性准则；⑤可靠性准则。
第三章机械零件的强度1.交变应力参数有哪些？应力比r的定义是什么？r = -1、r =0、r=1分别叫什么？P27最大应力σmax、最小应力σmin、平均应力σm=σmax+σmin2、应力幅度σa=σmax−σmin2、应力比（循环特性系数）r=σminσmax。
最小应力与最大应力之比称为应力比（循环特性系数）。
r = -1：对称循环应力、r =0：脉动循环应力、r =1：静应力。
第五章螺纹连接和螺旋传动1.连接螺纹有哪些？各有哪些特点？P71①普通螺纹。
牙型为等边三角形，牙型角α=60°，内、外螺纹旋合后留有径向间隙。
同一公称直径螺纹按螺距大小可分为粗牙螺纹和细牙螺纹。
②55°非密封管螺纹。
牙型为等腰三角形，牙型角α=55°。
管螺纹为英制细牙螺纹。
可在密封面间添加密封物来保证密封性。
③55°密封管螺纹。
牙型为等腰三角形，牙型角α=55°。
螺纹旋合后，利用本身的变形就可以保证连接的紧密型。
④米制锥螺纹。
牙型角α=60°，螺纹牙顶为平顶。
2.传动螺纹有哪些？各有哪些特点？P72①矩形螺纹。
牙型为正方形，牙型角α=0°。
传动效率比其他螺纹高。
②梯形螺纹。
牙型为等腰梯形，牙型角α=30°。
机械设计概论4机械零件的主要失效形式和计算准则一
5、零部件装配工艺性
6、零部件维修工艺性
机械零件设计中的标准化
标准化、系列化、通用化
机械设计
一、传统设计方法
第1 章
机械设计概论
12
1.7 机械设计方法及其新发展 1、理论设计 1）根据使用要求，选择零件的类型和结构。 2）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。 3）选择适当的材料。 4）根据零件工作能力准则，确定零件的主要尺寸
机械设计
第1 章
机械设计概论
2
1.2 机器设计的一般程序 机械设计是一个创新与借鉴相结合的过程，一般程序如下：
计划阶段 方案设计 技术设计 试制、试验、鉴定、生产 信 息 反 馈 、 修 改
技术文件的编制
机械设计
第1 章
机械设计概论
3
减速器设计
机械设计
第1 章
机械设计概论
4
1.3 机械零件设计的基本要求及一般步骤
5）选用高效率设备，减少动力、燃料消耗。
机械设计
3、可靠性要求
第1 章
机械设计概论
1
机器的可靠度（R)：在规定的工作期限内和规定的工 作条件下，无故障完成规定功能的概率。 提高机器可靠度的关键是提高其组成零部件的可靠度 4、劳动保护和环境保护要求 1）操作者的操作安全，减轻操作者的劳动强度 2）改善操作者及机器的环境 5、其它要求 产品的特殊要求、造型要求、清洁能源、材料等
机械设计
第1 章
机械设计概论
6
机械设计
二、设计准则
第1 章
机械设计概论
7
1、强度准则
强度：零件抵抗断裂、塑变、疲劳破坏的能力。 方法： 1） [ ] 或 [ ]
[ ]
机械设计简答题填空题
第二章．1、效。
主要表现为磨损.变形.断裂.蚀损2、什么是零件的工作能力？什么是零件的承载能力？承载能力。
3、什么是静载荷.变载荷.名义载荷.变应力？静载荷:大小，位置方向都不变或变化缓慢的载荷；动载荷指，大小位置和方向随时间变化的载荷。
名义载荷:的，平稳工作条件下作用在零件上的载荷，计算载荷:载荷系数k与名义载荷的乘积。
4、稳定循环变应力σmax，σmin，σa，σm，r数代表什么？列出据已知零件的σmax，σmin计算σa σm，及r公式σmax最大应力，σmin最小应力，σa应力幅，σm应力，r循环特性。
σa= （σmax- σmin）/2，σm=（σmax+ σmin）/2，r= σmin/σmax5、提高零件强度的措施有那些？工艺提高零件的表面质量减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸第三章．2、扩展直至发生疲劳断裂。
5、件疲劳强度的措施有哪些？答：1顺序和频率。
2)可能发生的初始裂纹的尺寸。
9、ψσ和ψτ俞高，ψσ和ψτ的值愈大还是愈小？对循环不对称性的敏感俞小第四章．1、低摩擦，减少磨损2、滑动摩擦可分分为哪几种？四种:干摩擦.流体摩擦.混合摩擦.边界摩擦3、根据磨损机理的不同，磨损通常可分为哪几种类型？们各有什么主要特点？反应。
4、机械零件的磨损过程分为那3长零件的寿命？温度过高。
第六章．3、成a转动。
4、哪些？答：1锁住和破坏螺纹副关系三种。
2）利用对顶螺母，胶接等等。
8、常用的提高螺纹联结强度的措施有那些？1、降低影响螺栓疲劳强度的应力幅2改善螺纹牙上载荷分布不均的现象3减小应力集中的影响4避免附加弯曲应力5采用合理的制造工艺方法9，在螺栓连接中，匀？答：1.载荷分布不均匀的现象。
2.悬置螺母，环槽螺母，内斜螺母，钢丝螺母等等结构。
第七章．1、普通平键的公称长度L与工作长度l答：圆头平键工作长度l = L- bl = Ll = L -b/2,b的宽度2、键的剖面尺寸b×h和键的长度L是如何确定的？压传递转矩。
《机械设计(3D版)》张继忠第2章 机械设计总论
对机器的主要要求
（五）其他专用要求
设计机器时，在满足前述共同的基本要求的前提下，还应着重地 满足机器的特殊要求，以提高机器的使用性能。
零件是组成机器的基本要素，零件和机器是局部和整体的关系。 因此，机器的各项要求的满足，是以组成机器的机械零件的正确设计 和制造为前提的。亦即零件设计的好坏，将对机器使用性能的优劣起 着决定性的作用。
5. 可靠性要求
在设计零件时需要考虑保证零件的可靠性。零件可靠度的定义和 机器可靠度的定义是相同的，即在规定的使用时间（寿命）内和给 定环境条件下，零件能够正常地完成其功能的概率。
§2-6 机械零件的设计准则
机械零件的计算准则1
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。一般来讲，有以下几种准则：
设计机器的一般程序
（二）方案设计阶段
方案设计阶段对设计的成败起着至关重要的作用。在这一阶段中 也充分地表现出设计工作有多个解（方案）的特点。
实现机器的功能是机器设计的核心。此阶段，对设计任务书提 出的机器功能中必须达到的要求、最低要求及希望达到的要求进行 综合分析，这些功能能否实现，多项功能间有无矛盾，相互间能否 替代等。在此基础上最终确定出功能参数，并作为进一步设计的依 据。
§2-4 机械零件的主要失效形式
机械零件的主要失效形式1
机械零件常见的失效形式有：整体断裂、过大的残余变形、零件 的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效等。 （一）整体断裂
整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的 强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断 裂。
机械零件的失效形式
1.机械零件的失效形式：整体断裂、过大的残余变形、零件表面破坏（腐蚀、磨损和接触疲劳）、破坏正常工作条件引起的失效2.设计零件应满足的要求：避免在预定寿命期内失效的要求（强度、刚度、寿命）、结构工艺性要求、经济性要求、质量小的要求、可靠性要求3.零件的设计准则：强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定性准则、可靠性准则4.零件的设计方法：理论设计、经验设计、模型试验设计5.机械零件常用的材料：金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料6.零件的强度分为：静应力强度和变应力强度7.应力比r=-1为对称循环应力；r=0为脉动循环应力8.BC阶段为应变疲劳（低周疲劳）；CD为有限寿命疲劳阶段；D点以后的线段代表了试件无限寿命疲劳阶段；D点为持久疲劳极限9.提高零件疲劳强度的措施：尽可能降低零件上应力集中的影响（减载槽、开环槽）、选用疲劳强度高的材料和规定能提高材料疲劳强度的热处理方法及强化工艺10.滑动摩擦：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦及混合摩擦11.零件的磨损过程：磨合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段；应该力求缩短磨合期、延长稳定磨损期、推迟剧烈磨损的到来12.磨损的分类：粘附磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、微动磨损13.润滑剂分为：气体、液体、固体和半固体四种；润滑脂分为：钙基润滑脂、纳基润滑脂、锂基润滑脂、铝基润滑脂14.普通连接螺纹牙型为等边三角形，自锁性较好；矩形传动螺纹的传动效率比其他螺纹高；梯形传动螺纹是最常用的传动螺纹15.常用的连接螺纹要求自锁性，故多用单线螺纹；传动螺纹要求传动效率高，故多用双线或三线螺纹16.普通螺栓连接（被连接件上开有通孔或铰制孔）、双头螺柱连接、螺钉连接、紧定螺钉连接17.螺纹连接预紧的目的：增强连接的可靠性和紧密性，防止受载后被连接件间出现缝隙或相对滑移。
螺纹连接放松的根本问题：防止螺旋副在受载时发生相对转动。
（摩擦防松、机械防松、破坏螺旋副运动关系防松）18.提高螺纹连接强度的措施：降低影响螺栓疲劳强度的应力幅（减少螺栓刚度或增大被连接件刚度）、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象、减小应力集中的影响、采用合理的制造工艺19.键连接类型：平键连接（两侧面是工作面）、半圆键连接、锲键连接、切向键连接20.带传动分为：摩擦型和啮合型21.带的瞬间最大应力发生在带的紧边开始绕上小带轮处；带一周，应力变化四次22.V带传动的张紧：定期张紧装置、自动张紧装置、采用张紧轮的张紧装置23.滚子链的链节数一般为偶数（链轮的齿数取奇数），滚子链为奇数时采用过度链节24.链传动张紧的目的：避免在链条的松边垂度过大时产生啮合不良和链条振动现象，同时为了增加链条与链轮的啮合包角25.齿轮的失效形式：轮齿折断、齿面磨损（开式齿轮）、齿面点蚀（闭式齿轮）、齿面胶合、塑性变形（从动轮出现脊棱、主动轮出现沟槽）26.齿轮工作面的硬度大于350HBS或38HRS的称为硬面齿；反之为软齿面齿轮27.提高制造精度，减小齿轮直径以降低圆周速度，均可减小动载荷；为了减小动载荷，可将齿轮进行齿顶修缘；将齿轮的轮齿做成鼓形是为了改善齿向载荷分布28.Tanr=z1:q（直径系数）导程角越大，效率越高，自锁性越差29.对蜗轮进行变位，变位后蜗轮的分度圆和节园仍旧重合，只是蜗杆的节线有所改变不再与其分度圆重合30.蜗杆传动的失效形式：点蚀、齿根折断、齿面胶合及过度磨损；失效经常发生在蜗轮上31.闭式蜗杆传动的功率损耗：啮合磨损损耗、轴承磨损损耗、进入油池中的零件搅油时的溅油损耗32.蜗杆传动必须根据单位时间内的发热量等于同时间内的散热量条件进行热平衡计算措施：加装散热片以及增大散热面积、在蜗杆轴端加装风扇以加速空气流动、在传动箱内装循环冷却管路33.形成液体动力润滑的条件：相对滑动的两表面必须形成收敛的锲形间隙；被油膜分开的两表面必须有足够的相对滑动速度，其运动必须使润滑油由大口流进小口流出；润滑油必须有一定的粘度，供油要充分34.滚动轴承的基本结构：内圈、外圈、液动体、保持架35. 3圆锥滚子轴承、5推力球轴承、6深沟球轴承、7角接触轴承、N圆柱滚子轴承00、01、02、03分别d=10mm、12mm、15mm、17mm 04表示d=20mm，12表示d=60mm 36.基本额定寿命：一组轴承中百分之十的轴承发生点蚀破坏，而百分之九十的不发生点蚀破坏的转速或工作小时数作为轴承的寿命37.基本额定动载荷：使轴承的基本额定寿命恰好为106转时，轴承所能承受的载荷38.轴承配置方法：双支点各单向固定、一支点双向固定另一端支点游动、两端游动支承39.轴承按载荷分：转轴（弯矩和扭矩）、心轴（弯矩）、传动轴（扭矩）。
机械设计课后习题答案__徐锦康
机械设计答案第1章机械设计概论1－2 设计机器时应满足哪些基本要求？答：1、功能要求满足机器预定的工作要求，如机器工作部分的运动形式、速度、运动精度和平稳性、需要传递的功率，以及某些使用上的特殊要求（如高温、防潮等）。
2、安全可靠性要求（1）使整个技术系统和零件在规定的外载荷和规定的工作时间内，能正常工作而不发生断裂、过度变形、过度磨损、不丧失稳定性。
（2）能实现对操作人员的防护，保证人身安全和身体健康。
（3）对于技术系统的周围环境和人不致造成危害和污染，同时要保证机器对环境的适应性。
3、经济性在产品整个设计周期中，必须把产品设计、销售及制造三方面作为一个系统工程来考虑，用价值工程理论指导产品设计，正确使用材料，采用合理的结构尺寸和工艺，以降低产品的成本。
设计机械系统和零部件时，应尽可能标准化、通用化、系列化，以提高设计质量、降低制造成本。
4、其他要求机械系统外形美观，便于操作和维修。
此外还必须考虑有些机械由于工作环境和要求不同，而对设计提出某些特殊要求，如食品卫生条件、耐腐蚀、高精度要求等。
1－4 机械零件的计算准则与失效形式有什么关系？常用的设计准则有哪些？它们各针对什么失效形式？答：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。
常用的设计准则有：1、强度准则：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。
2、刚度准则：确保零件不发生过大的弹性变形。
3、寿命准则：通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。
4、振动稳定性准则：高速运转机械的设计应注重此项准则。
5、可靠性准则：当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。
1－7 机械零件设计的一般步骤有哪些？其中哪个步骤对零件尺寸的确定起决定性的作用？答：机械零件设计的一般步骤有：1、选择零件类型、结构；2、计算零件上的载荷；3、选择零件的材料；4、确定计算准则；5、理论设计计算；6、结构设计；7、校核计算；8、绘制零件工作图；9、编写计算说明书及有关技术文件其中步骤4对零件尺寸的确定起决定性的作用。
机械零件的强度和设计准则
• 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。
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？
✓静应力是指不随时间变化或变化缓慢的应力，它只能由静载荷产生；
✓变应力是指随时间变化的应力，变应力可由变载荷产生，也能由静载荷产生;
✓变应力可以归纳为三种基本的类型:对称循环变应力、非对称循环变应力、脉动 循环变应力;
✓五个参数中任意取出两个就可以准确地描述一个应力的性质。 。
（1）横坐标以上为拉伸应力， 数值为正，横坐标以下为压缩应 力，数值为负。对于剪切应力， 则可以自行规定一个方向为正值 ，另一个方向为负值。（2）根
•
严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020 年12月 上午3时 36分20 .12.200 3:36De cember 20, 2020
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
第二章 机械零件的工作能力和计算准则
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）
轴承的失效形式和设计准则
轴承的失效形式和设计准则轴承是一种常用的机械零件，用于支撑和减少旋转摩擦力。
然而，轴承在使用过程中可能会出现各种失效形式。
本文将探讨轴承的失效形式以及设计准则。
一、轴承的失效形式1. 疲劳失效：轴承在长期使用过程中，由于受到循环加载而产生疲劳失效。
这种失效形式主要表现为裂纹的产生和扩展，最终导致轴承断裂。
2. 磨损失效：轴承在运转过程中，由于摩擦和磨损而导致失效。
常见的磨损形式包括磨粒磨损、磨痕磨损和疲劳磨损。
磨损会导致轴承表面粗糙度增加，摩擦力增大，最终影响轴承的正常运转。
3. 偏心失效：轴承在运转过程中，由于轴承座孔与轴的配合不良或装配不当，导致轴承产生偏心失效。
这种失效形式主要表现为轴承的摆动和振动，严重时还会导致轴承卡死。
4. 温度失效：轴承在高速旋转时，由于摩擦产生的热量无法及时散发，导致轴承温度升高。
过高的温度会导致润滑油失效，润滑不良，从而影响轴承的正常工作。
5. 腐蚀失效：轴承在潮湿环境下，由于润滑剂中的水分和杂质的侵入，使轴承表面产生腐蚀，导致轴承失效。
二、轴承的设计准则1. 轴承选型准则：根据轴承所需承受的载荷、转速和工作条件等因素，选择适合的轴承型号和规格。
合理的轴承选型可以提高轴承的使用寿命和可靠性。
2. 温度控制准则：对于高速旋转的轴承，应采取适当的措施控制轴承的温度。
可以通过增加轴承的散热面积、改善润滑条件等方式降低轴承的温升。
3. 材料选择准则：轴承的材料应具有良好的机械性能、耐磨性和耐腐蚀性。
常用的轴承材料包括钢、铁、铜合金等。
4. 轴承润滑准则：合适的润滑剂和润滑方式对轴承的寿命和性能有重要影响。
应根据工作条件选择合适的润滑剂，并确保轴承充分润滑。
5. 安装与维护准则：轴承的安装和维护应符合相应的标准和规范。
安装时要注意轴承与座孔的配合，避免产生偏心失效。
定期检查和保养轴承，及时更换润滑剂和清除污垢，可以延长轴承的使用寿命。
6. 负载分配准则：在设计和使用轴承时，应合理分配负载，避免轴承承受过大的载荷，以免造成轴承的疲劳失效。
机器零件的失效形式及设计准则
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
• 在交变应力作用下，即使工作应力没有超过强度极 限，也会由于长时间工作而发生折断，这种折断称 为疲劳断裂，是承受交变应力的机械零件的主要失 齿轮轴疲劳 效形式则。 设计准则
• 2)变形 • 机械零件受载荷后会发生弹性变形，当零件承受的载荷过 大或刚度不足时，会使零件的尺寸和形状超过许用值，零 件不能正常工作。如车床主轴的变形过大，会影响加工零 件的精度。产生此种失效的原因为刚度不够。 • • • • • • •
• 对于同一机械零件可以依据一个准则，也可以同时兼顾几 个准则。具体设计时应按构件的实际使用工况和要求确定 设计准则。
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
• 一、机械零件常见的失效形式 机械零件丧失规定的功能成为失效。机械设计 的最主要目标之一是使设计的零件在规定期限内不 发生失效。 机械零件常见的失效形式有以下几种。
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
• 1)断裂 • 断裂是指由于零件截面上的应力超过其极限应 力产生的失效。 • •
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
静载荷冲击力
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
• 2)强度准则 • 强度指机械零件抵抗破坏的能力。强度准则就是机械零 件的工作应力不超过材料的许用应力，是大多数机械零 件的设计依据。本书将着重讨论机械零件的强度设计问 题。
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
一、机械零件常见的失效形式
一、机械零件常见的失效形式
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
• 二.机械零件设计准则 • 根据零件失效的原因，可建立起相应的零件设计准则。 • • • • • • • • • • •
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
2-3失效及计算准则
6、可靠性准则
§2—3 3 一、基本要求
机械零件应满足的基本要求
性能方面：保证零、 性能方面：保证零、部件在使用期限内不失效 经济方面：保证零、部件在符合性能要求的前提下低成本 经济方面：保证零、 失效——零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能 零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能 失效 失效形式：强度失效、刚度失效、磨损失效、振动、 失效形式：强度失效、刚度失效、磨损失效、振动、 噪声失效、精度失效、 噪声失效、精度失效、可靠性失效
零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力
y ≤ [ y]
y——可以是挠度、偏转角或扭转角
3、耐磨性准则 作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力
p ≤ [ p]
4、振动和噪声准则
pv ≤ [ pv ]
f p > 1.15 f
f p < 0.85 f ,
5、热平衡准则
∆ t ≤ [∆ t ]
系统、机器或零件在规定的条件下和规定 的时间内完成规定功能的能力。
机械零件的计算准则（条件式） 二、机械零件的计算准则（条件式）
计算准则： 计算准则：以防止产生各种可能失效为目的而拟定的一些条 件，满足这些条件就可理论上保证零件在预定 寿命期限内正常工作。 寿命期限内正常工作。 例：强度计算准则
许用应力
σ ≤ [σ ] =
实际应力
σlim
Sσ
极限应力（通过实验获得） 极限应力（通过实验获得） 安全系数
τ ≤ [τ ] =
τlim
St
1、强度准则 零件在载荷作用下抵抗破坏的能力
σ ≤ [σ ] = τ ≤ [τ ] =
2、刚度准则
σlimBiblioteka SστlimStσ B (τ B ) − 脆性材料 σ lim (τ lim )σ S (τ S ) − 塑性材料 σ (τ ) − 疲劳极限 Y Y
机械设计题库及答案(1)
8.机械零件的断裂是由于材料的____不足造成的，机械零件的变形过大是由于材料的____不 足造成的。 答案：强度，刚度 三、简答题 1.简述机械零件的主要失效形式。 答：机械零件的主要失效形式有：断裂﹑变形过大﹑振动过大和表面失效，表面失效又分为 胶合失效﹑点蚀失效﹑磨损失效和塑性变形。
解：综合影响系数： K
k
1.76 0.78 0.95
2.38
将各个应力等效为材料的对称循环变应力：
ad1 K a1 m1 2.38 120 0.34 20 292.4 MPa ad 2 K a2 m2 2.38 110 0.34 20 268.6 MPa ad3 K a3 m3 2.38 90 0.34 20 221 MPa 因为 ad3 ＜ 1 ，对材料不起损伤作用，忽略不计。 (1) 用当量循环次数法
3．影响机械零件疲劳强度的因素 影响机械零件疲劳强度的因素主要有三个：应力集中、绝对尺寸和表面状态。 应力集中越大，零件的疲劳强度越低。在进行强度计算时，引入了应力集中系数 k 来考 虑其影响。当零件的同一剖面有几个应力集中源时，只取其中（应力集中系数）最大的一个
用于疲劳强度计算。另外需要注意：材料的强度极限越高，对应力集中越敏感。 零件的绝对尺寸越大，其疲劳强度越低。因为绝对尺寸越大，所隐含的缺陷就越多。用
i ad1
m
ni
ad1
9
1 10 7
机械设计复习重点
I II II I
1 n1 3 4
2
11-8图示斜齿圆柱齿轮---圆柱蜗杆传动。已知斜齿轮的转向如图示， 蜗轮的旋向为左旋为使蜗杆轴上的轴向力最小。试确定： （1）斜齿轮1、2的螺旋线方向。 （2）确定蜗轮4的转动方向。 （3）标出斜齿轮2和蜗杆3的各分力。
第8章 轴毂联接
轮毂联接是实现轴和轴上零件之间的周向定位，主要方式有： 键联接、花键联接和过盈配合。
复习重点 1. 键连接 选择填空
8-1 普通平键的长度应（
B
） B．略短于轮毂的长度 D．是轮毂长度的二倍
A．稍长于轮毂的长度 C．是轮毂长度的三倍
8-2普通平键联接传递动力是靠（
A.两侧面的摩擦力 C.上下面的挤压力
图11-2 齿轮的几何尺寸
11.4 齿轮传动的失效形式 对齿轮失效形式的分析有助于准确选择齿轮传动强度设计方法， 以及寻求防止或延缓失效最有效、最经济的对策。
齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，其失效形式主要有以下五种： 1. 轮齿折断 2. 齿面点蚀 3. 齿面磨损 4. 齿面胶合 5. 齿面塑性变形
习题 1.机械零件常见的失效形式有哪些？ 答： 断裂、塑性变形、表面失效、破坏正常工作条件引起的失效 。 2.机械设计中，避免零件失效的基本要求？
答：
1）强度、2）刚度、 3）寿命
第2章 润滑与密封概述
复习重点
1. 摩擦的四种状态 ：干摩擦、流体摩擦、 边界摩擦、混合摩擦 2. 常用润滑剂的性能
(完整版)机械设计复习大纲
第一章机械设计总论本章节包括5个知识点，1.机械零件的主要失效形式及计算准则；（重点）2.机械零件设计的一般步骤；3.材料的疲劳特性4.机械零件的强度计算；（重点）5.机械零件的抗剪裂强度和接触强度。
在复习每一个知识点的过程中，首先要了解知识点，通过熟悉教材内容，识记一般的知识点，尽可能脑中对零件有总体的认识，再通过本讲义如下内容对应的例题，从分析、解题、注意易错点到完成老师布置的作业完成相应知识点的掌握过程。
【知识点1】机械零件的主要失效形式及计算准则【例题1】机械零件的主要失效形式有哪些？分析：基本知识点的熟记解题：断裂，表面压碎，表面点蚀，塑形变形，过量弹性变形，共振，过热，过量磨损易错点：回答不够全面作业：《机械设计与机械原理考研指南》P18页第20、21、22等题习题：简述机械零件的计算准则【知识点2】机械零件的强度计算【例题2】简述应力特征r的取值范围及应力分类分析：基本知识点的熟记解题：TWrW1,r=1时为静应力，r=T是为循环变应力，r=0时为脉动变应力易错点：分类理解不清作业：《机械设计与机械原理考研指南》P19页第36、37等题习题：简述载荷与应力的类型第二章平面连杆机构及其设计（不考）第三章凸轮机构及其设计（不考）第四章步进机构及其设计（不考）第五章齿轮传动设计本章节包括6个知识点，1.齿轮传动的主要参数及几何尺寸计算；2.齿轮常用材料及热处理方法；3.硬齿面，软齿面，开式传动，闭式传动等概念4.齿轮传动的的常见失效形式，受力分析；（重点）5.直齿，斜齿圆柱齿轮传动的强度计算6.齿轮设计准则。
（重点）其中必须掌握的知识点是3个，1.硬齿面，软齿面，开式传动，闭式传动等概念2.齿轮传动的的常见失效形式，受力分析；3.齿轮设计准则。
【知识点1】齿轮传动的的常见失效形式【例题1】简述齿轮传动的常见失效形式分析：这一考题在历年考研试卷中比较常见，或考简答，或变换形式考填空解题：1.轮齿折断，多发生在脆性材料轮齿根部2.齿面点蚀，多发生在润滑良好的闭式软齿面齿轮中3.齿面胶合，多发生在高速重载热条件差的闭式齿轮中4.齿面磨损，多发生在开式齿轮传动中5.齿面塑性变形，多发生在底速过载，频繁启动的软齿面齿轮传动中易错点：回答不够准确作业：《机械设计与机械原理考研指南》P43页第1、2题，p46页第43、44、45、46题习题：齿面点蚀首先出现在齿面节线附近的原因。
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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t
0
m
max
min 2
a
max
min 2
r min
max
1 r 1 (r 0)
应力幅
a
max
min 2
循环特性 r min
max
机械设计 Machine design
机械零件的主要失效形式
失效：规定功能的丧失。 失效 ≠ 破坏
（一）整体断裂
整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限 而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。
机械零件的设计准则
断裂
静强度 疲劳
lim ( b , r )
机械设计 Machine design
齿轮轮齿断裂
轴承内圈断裂
机械零件的主要失效形式
（二）过大的残余变形
当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。
s
齿轮齿面塑形变形
机械设计 Machine design
轴承外圈塑性变形
机械零件的主要失效形式
载的轻负荷工作。 工作速度：有些机械的工作速度基本恒定不变，有些则需经常变速。 原动机输出动力的均匀程度：电动机比较均匀稳定，液压马达及频繁起动的电动机有轻微冲
击，多缸内燃机则有中等程度的冲击，单缸内燃机会给机械造成严重的冲击 载荷。
解决方法：如能获得反映其载荷变化规律的载荷谱，则应根据载荷谱进行设计计 算；如有该类机械的设计规范，应按规范进行设计计算。
工作特性：平稳载荷（带式输送机、发电机组、通风机等）； 轻微的冲击载荷：（传送不均匀物料的带式输送机、搅拌变密度材料的搅拌机等）； 中等冲击载荷：（间歇工作的搅拌机、木工机械、钢坯初轧机等）； 严重的冲击载荷（挖掘机、破碎机、锻压机械等）；
作业的忙闲程度：间歇性（如起重机械）；连续工作（如冶金机械、水厂供水设备）； 负载繁重程度：有些机械经常处于满负荷甚至还有短时超负荷工作状态，有些则经常为不足
变应力
对称循环：r= -1
非对称循环
循环特征： r min max
机械设计 Machine design
载荷与应力
σ
t σ
t 0 σ
t 0
σ
0
t
载荷与应力
静应力只能由静载荷产生，变应力可能由变载荷或静载荷产生。
a σ
σ
a
t
t
0
0
在变应力下，零件的主要失效形式为：疲劳破坏
机械设计 Machine design
机械设计 Machine design
机械零件的载荷计算
名义载荷：机械在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。 ＋附加动载荷→ 计算载荷
计算载荷
安全因数
工作载荷
机械设计 Machine design
1、载荷分类
静载荷：不随时间变化或变化缓慢。 动载荷：随时间变化。
2、应力分类
静应力：r=1 脉动循环：r=0
钢 ：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢…
(如：08F 45
60 1Cr18）
有色金属 ：铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1)…...
高分子材料 ：塑料、橡胶、合成纤维 非金属材料 陶瓷 ：强如钢、轻如铝、硬如金刚石
复合材料 ：强度高、弹性模量大、质量轻 二、机械零件材料的选用原则
载荷及应力的大小和性质 零件的工作情况
（三）零件的表面破坏
零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。
轴瓦磨损
机械设计 Machine design
齿面接触疲劳
机械零件的主要失效形式
（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的工作，如： 液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。 带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。 高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间 隔才能正常工作。
零件的尺寸及重量 零件的结构及加工性
材料的经济性 详细说明
机械设计 Machine design
机械零件的常用材料及选用原则
机械零件材料选用特别要注意的两个问题 合金钢的强度极限比碳素钢大得多，但两者的弹性模量相差很小，因此采用合
金钢不可能提高零件的刚度。而在零件结构设计时往往采取加大截面尺寸、采 用空心轴、设加强肋、合理确定支承位置等，来有效地提高零件的刚度。 一般情况下，构成摩擦副的两零件，不宜采用相同牌号与相同硬度的材料。
对称循环
a= max
t 0
min
m 0 a max min r 1
变应力特性参数：
最大应力 max m a
最小应力 min m a
平均应力
m
max
min 2
脉动循环
a
max m 0
m
a
max 2
min 0
r0
机械零件的应力
非对称循环
a
m
max
min
t
零件在工作时会发生那一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很 多因素有关。
有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等 因素引起。
机械设计 Machine design
机械零件的常用材料及选用原则
一பைடு நூலகம்常用材料
黑色金属
金属材料
铁 ：灰铸铁、球墨铸铁… (如：TH300 QT500-5)
第2章 机械零件的失效形式及设计准则
2.1 机械的载荷与工况 2.2 机械零件的主要失效形式 2.3 机械零件的常用材料及选用原则 2.4 机械零件的设计准则 2.5 现代设计方法简介
机械的载荷与工况
机械的载荷按需要可以用功率、转矩或力表示。 机械系统正常工作时所受的实际载荷称为工作载荷。工作载荷通常 比较复杂，它与工况密切相关。
机械设计 Machine design
机械零件的设计准则
一、强度准则：零件危险截面中的最大应力不超过材料许用应力
强度：零件抵抗断裂、塑变、疲劳破坏的能力。
方法：
[ ] lim
S
[ ] lim
S
S——安全系数，S＞1 —→
S↑：安全，浪费材料 S↓：经济，不安全
机械设计 Machine design
机械设计 Machine design
机械零件的设计准则
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。一般来讲，有以下几种准则：
强度准则 ：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基 本的设计准则。
刚度准则 ：确保零件不发生过大的弹性变形。 寿命准则 ：通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。 振动稳定性准则 ：高速运转机械的设计应注重此项准则。 可靠性准则 ：当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。