机械设计概论4机械零件的主要失效形式和计算准则一
机械设计(第2.3章)
和 m、 a 以 m 为横坐标、 a为纵坐标，即可得材料在不同应力循 环特性下的极限 m和 a的关系图 30
• A(0, 1 )
•
2 1 对称极限点 m 0, 1, max
B( B ,0)
a 0, max lim m , 1 强度极限点
29
③ 应力循环特性越大，材料的疲劳极限与持久极限越大，对零 件强度越有利。 • 对称循环（应力循环特性=-1）最不利
2、材料的疲劳极限应力图——同一种材料在不同的应力循环
特性下的疲劳极限图（ m a 图）
对任何材料（标准试件）而言，对不同的应力循环特性下 有不同的持久极限，即每种应力循环特性下都对应着该材料的 最大应力= max ，再由应力循环特性可求出 min max
15
复合应力计算安全系数为：
s
s
s 2 T s
2 b 2
s
s
s s
2 s s2
s
三、脆性材料与低塑性材料
失效形式：断裂
脆性材料极限应力： B （强度极限） 1、单向应力状态 B B s [ s ] 强度条件： [ ] 或 [ s]
脉动循环：
0 0
注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。 3）疲劳曲线方程 (10 3 (10 4 ) N N 0 )
m m N N N0 C
28
∴疲劳极限
N
m
N0 K N N
m
KN
几点说明：
N0 N
——寿命系数
第２章 机械零件的工作能力和计算准则
机械零件的失效形式
后果：1、损坏零件的光滑表面； 2、减小了接触面积，降
低承载能力;
3、引起振动和噪声 。
§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:
1 Fn 1 2 2 b 1 12 1 2 E1 E2 1
[ 1 ] C－－常数； 对称循环：
1
k S m－－不随应力状态变化 的幂指数。 0 [ 0 ] 脉动循环 ： k S
尺寸系数 表面状态系数 应力集中系数
§6-3 机械零件的接触强度
1. 失效形式：疲劳点蚀 机械零件在载荷重 复作用下，首先在表层 内产生初始疲劳裂纹， 然后裂纹逐渐扩展， （如有润滑油，则被挤 进裂纹中产生高压，使 裂纹加快扩展）最终使 表层金属呈小片状剥落 下来，而在零件表面形 成一些小坑。
随时间变化的应力。
不随时间变化的应力。
平均应力 m 应力幅 a
max min
2 2
max min m
max min min max
循环特性 r
a 0 r min 1 max
静 应 力 对 称 循 环 1. 应 力 种 类 非 对 成 性 循 环 周 期 性 变 应 力 变 应 力 脉 动 循 环 非 周 期 性 变 应 力
小结：
1、机械零件应满足的要求是具有足够的工作能力、经济效益高和使用维 护方便等。由于各种机械零件的工作情况和失效形式不同，其工作能 力和计算准则也不同。通常强度（特别是疲劳强度）是零件应满足的
机械零件的失效
一． 断口分析方法
对金属材料的室温拉伸或冲击试样的断口宏观观察,可以看到其断 口可分为纤维状区,放射状区及剪切唇区三个不同的区域.
脆性断裂
工程构件在很少或不出现宏 观塑性变形(一般按光滑拉 伸试样的ψ<5%)情况下发 生的断裂称作脆性断裂,因 其断裂应力低于材料的屈服 强度,故又称作低应力断裂。 钢丝绳：断裂有预兆。
磨损失效的基本影响因素
摩擦，磨损和润滑，即磨损失效涉及到摩擦 副的材质和磨损工况
磨损失效
触的一对金属表面，相对运动时金属表 面不断发生损耗或产生塑性变形，使金 属表面状态和尺寸改变的现象称为磨损
防止和减少 磨损的方法 和途径
正确的选材是提高耐磨性的关键。
尽量保证液体润滑，对设备进行正确、 合理的润滑，能有效减少设备零部件 的磨损，延长设备使用寿命。
采用多种表面处理方法：如滚压、化 学表面热处理、镀铬、喷涂等
正确进行摩擦副的结构设计
设备正确的维护与使用对设备的寿命 影响很大。
皮带传动与 磨损：
在同一组中，皮带长短不一或者因为磨 损造成皮带轮槽深浅不一，皮带轮轴弯 曲均会产生较大的振动，对那些精密的 设备还可能形成振动源。
若调得太松，起动时会产生怪叫声，并 且会发生起转慢，主动轮发热；
失效的基本因素
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
STEP5
设计因素—确定 材质，尺寸，结 构，提出必要的 技术文件：图纸, 说明书等.（非标 设备）
制造因素—铸、 锻、焊,机加工和 热处理等达不到 设计要求而导致 零件失效.
装配调试因素— 在安装过程中 , 未达到要求的质 量指标.
材质因素—选材 不当,材质内部缺 陷,毛坯加工或冷 热加工产生的缺 陷
1—4 机件的失效形式
钢分类
⎧ ⎧碳素钢 ⎪按化学成份分类⎨ ⎪ ⎩合金钢 ⎪ ⎧低碳钢（0.25%以下） ⎪ ⎪ ⎪按含碳量分类⎨中碳钢（0.25 ~ 0.50%） ⎪ ⎪高碳钢（0.55 ~ 0.7%） ⎪ ⎩ 钢⎨ ⎧结构钢：制作一般零件及构件； ⎪ ⎪按用途分类⎪工具钢：制作工具、刀具、量具、模具等； ⎨ ⎪ ⎪特殊性能钢：有不锈钢、耐酸钢、耐热钢等； ⎪ ⎩ ⎪ ⎧车削钢 ⎪按加工方法分类⎨ ⎪ ⎩铸钢 ⎩
5、温升准则
当零件工作时摩擦生热、温度生高使润滑失效，引起破坏。 温升准则：进行热平衡计算，限制温升。
§1—5
机械制造常用的材料及 其选择原则
一、机械零件的常用材料
1、黑色金属 铁碳合金 ① 铸铁：含C>2%。灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁。 特点：液态流动性好；具有较好的减震性、耐磨性、 切削性，成本低廉；对应力集中敏感性小。 ②钢：含C<2%。 特点：具有高的强度、韧性、塑性 铸钢——铸造性比铸铁差，但比锻钢和轧制钢好。 强度性比铸铁好，但比锻钢和轧制钢差 碳钢与合金钢——应用最广泛，
；
ϕ ≤ [ϕ ]
影响零件寿命的主要失效形式：磨损、腐蚀、疲劳 寿命准则就是要求零件在预定工作期间保持正常工作 而不致报废。主要是针对那些在变应力下工作和工作时 受到磨损或腐蚀的零件提出的。
4、振动稳定性准则
当机械或零件的固有振动频率等于或接近受激振源作用 所引起的强迫振动频率时，将产生共振。影响机器的正常 工作，甚至会造成破坏性事故。 振动稳定性准则：使机械或零件的固有振动频率与受激 振源作用所引起的强迫振动频率错开，避免共振。
σ lim P σ= < [σ ] = S F
含义：零件中的应力应当小于或等于其许用应力[σ]才能满 足强度要求。
【材料课件】第一章机械零件的失效形式-1
有哪些？ 4 材料韧性指标的含义及应用？
一、基本概念
• 静载荷和冲击载荷 • 断裂：材料在外力作用下分为两个或者两个以
上部分的现象。
• 断裂的分类：韧性断裂和脆性断裂 • 断裂过程：裂纹萌生和裂纹扩展 • 韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中
二、疲劳断口的特点
示意图
疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌
一个疲 劳源
疲 劳 源 区
疲劳 条纹
疲 劳 裂 纹 扩 展 区
两个疲 劳源
微裂纹
三、疲劳抗力指标
疲劳极限
无裂纹构件的疲劳抗力指标： 过载持久值
疲劳极限：材 料经过无限次 应力循环不发 生断裂的最大 应力。对应于 疲劳曲线上水 平部分对应的 应力值。
疲劳曲线
疲劳极限
条件疲劳 极限
图1－11 两种类型的疲劳曲线
a)钢铁材料 b)部分有色金属（如铝合金）
过载持久值：材料在高于疲劳极限的应力作 用下发生疲劳断裂的循环周次。
N1,N2,N3,N4都是过载持久值
疲劳曲线
高周疲劳：Nf>105 低周疲劳: Nf<105
四、影响疲劳抗力的因素
1 载荷类型 2 材料本质 3 零件表面状态 4 工作温度 5 腐蚀介质
2 电化学腐蚀
3 条件：存在电极电位差，并且相互接触并处于相 互联通的电介质溶液中形成微电池。
电化学腐蚀的过程
• 阳极：失去电子，MM n++ne(被腐蚀） • 阴极：发生析氢反应或者吸氧反应
三、零件防止腐蚀的措施
• 对于化学腐蚀，常采用以下方式：选择 抗氧化材料如耐热钢、高温合金、陶瓷 材料等；零件表面涂层。
东北大学机械设计简答题大全
东北大学机械设计简答题大全第一章基础知识一、机械零件的主要失效形式1）整体破裂2）表面破坏（磨料磨损、胶合、点蚀、磨蚀磨损）3）变形量过大4）破坏正常工作条件引起的失效二、机械零件设计哪几种设计准则强度准则、刚度准则、寿命准则、耐磨性准则、振动稳定性准则。
三、影响寿命准则的主要失效形式是腐蚀、磨损、疲劳。
四、安全系数如何选择？许用安全系数取得过大，会使机器笨重；过小，机器可能不安全。
因此，许用安全系数或者许用应力的的选取原则是在保证机器安全可靠的前提下，尽可能减小许用安全系数或者许用应力。
五、影响许用安全系数的因素有哪些？荷载和应力计算的准确性、材料机械性能数据的可靠性和零件的重要性等六、什么是疲劳破坏？机械零件在变应力作用下，经过一段时间后在局部高应力区形成微裂痕，微裂纹逐渐扩展以至最后断裂的现象成为疲劳破坏。
疲劳破坏的定义可表述为：在远低于材料抗拉强度极限的循环应力作用下工程材料发生破坏的现象。
七、疲劳断裂过程三个阶段是什么？1.裂纹源在零件应力集中部位由于金属产生循环的弹塑性应力-应变而形成初试裂纹。
2.裂纹尖端在切应力下发生反复塑性变形是裂纹逐渐扩展。
3.产生瞬断。
八、疲劳破坏的特点1）在循环应力多次反复作用产生；2）不存在宏观的，明显的塑性变形迹象；3）循环应力远小于材料的静强度极限；4）对材料的组成、零件的形状、尺寸。
表面状态、使用条件和外界环境等都非常敏感。
九、影响零件疲劳强度的因素1、应力集中局部应力远大于名义应力，这种现象成为应力集中。
（常发生在过渡圆角、键槽、螺纹、横孔）2.绝对尺寸零件剖面的绝对尺寸越大，其疲劳极限越低。
由于剖面尺寸大时材料晶粒粗，出现缺陷的概率大。
3.表面状态零件表面越粗糙其疲劳极限越低。
第二章螺纹联接一、螺纹分类1、联接螺纹2、传动螺纹1）矩形螺纹的牙型为方形，牙型角α=0.其传动效率较其他螺纹都高，但牙根强度弱、螺纹磨损后间隙难以补偿，使传动精度降低。
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）。
第2章机械零件的失效形式及设计准则
•如： ISO
GB JB、HB
QB
国标分为：强制标准和推荐标准
• 强制性国家标准：代号为GB ××××(为标准序号) －××××(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 。
•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。
机械零件的设计准则
•机械零件的设计方法
• 机械零件的设计方法通常分为常规设计方法和现代设计方法 •两大类。
• 常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的 设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。它又 可分为：
理论设计
经验设计 模型实验设计
•详细说明
• 现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、 计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。如机械优化设计、 机械可靠性设计、计算机辅助设计等等。
。
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
•安全因数
•计算载荷
•工作载荷
•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
机械设计各章要点总结
二、机械零件的主要失效形式：1）整体断裂：零件在受拉压弯剪和扭等外载荷作用时，由于某一危险截面的应力超过零件的强度极限而发生断裂，或者危险截面发生疲劳疲劳断裂均属此类。
2）过大的残余变形3）零件的表面破坏：零件的表面破坏主要是腐蚀、磨蚀、和接触疲劳。
4）破坏正常工作条件引起的失效。
腐蚀、磨损、疲劳是引起失效的主要原因。
三、不随时间变化的应力称为静应力，随时间变化的应力称为变应力，具有周期性的变应力称为循环变应力当一零件受脉动循环变应力时，则其平均应力是其最大应力的50%。
循环特性r=－1的变应力是对称循环变应力。
四1．当动压润滑条件不具备，且边界膜遭破坏时，就会出现流体摩擦、边界摩擦和干摩擦同时存在的现象，这种摩擦状态称为混合摩擦2摩擦分为内、外摩擦；滑动摩擦又分为干、边界、流体、混合摩擦。
1.螺纹公称直径是螺纹大径，强度计算时应用的螺纹直径参数是螺纹小径。
、五、螺纹连接中，按其工作原理不同，螺纹防松方法有摩擦防松（对顶螺母弹性垫圈自锁螺母）、机械防松（止动垫圈开口销加六角开槽螺母串联钢丝）和永久性防松（铆合冲点涂胶粘剂）等。
联接螺纹防松的目的是：防止螺纹副的相对转动。
2.提高螺栓联接强度的措施:1降低影响螺栓疲劳的应力幅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采用合理的制造工艺方法。
3.螺纹联接的基本类型：螺栓联接、螺钉、双头螺柱、紧定螺钉螺纹有外螺纹和内螺纹之分，它们共同组成螺旋副，起连接作用的螺纹称为连接螺纹，起传动作用的螺纹称为传动螺纹。
螺纹连接的预紧：绝大数螺纹连接在装配时都必须拧紧，使连接在承受工作载荷之前，预先受到力的作用。
这个预加作用力称为预紧力。
预紧力的目的在于增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑移。
控制预紧力的方法通常是借助测力矩扳手或定力矩扳手。
采用螺纹联接时，当被连接件很厚不经常拆卸时，宜采用螺钉联接。
紧螺栓联接按拉伸强度计算时，考虑到拉伸应力和扭转切应力复合作用，应将拉抻载荷增大至1.3倍。
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
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
机械零件的失效形式有哪些？
机械设备中各种零件或构件都具有一定的功能，如传递运动、力或能量，实现规定的动作，保持一定的几何形状等等。
当机件在载荷（包括机械载荷、热载荷、腐蚀及综合载荷等）作用下丧失最初规定的功能时，即称为失效。
一个机件处于下列三种状态之一就认为是失效，这三个条件可以作为机件失效与否的判断原则：1.完全不能工作。
2.不能按确定的规范完成规定功能。
3.不能可靠和安全地继续使用。
机械零件失效的基本形式一般机械零件的失效形式是按失效件的外部形态特征来分类的，大体包括：磨损失效、断裂失效、腐蚀失效和畸变失效。
在生产实践中，最主要的失效形式是零件工作表面的磨损失效，而最危险的失效形式是瞬间出现裂纹和破断，统称为断裂失效。
1.零件的磨损失效摩擦与磨损是自然界的一种普遍现象。
当零件之间或零件与其他物质之间相互接触，并产生相对运动时，就称为摩擦。
零件的摩擦表面上出现材料耗损的现象称为零件的磨损。
材料磨损包括两个方面：一是材料组织结构的损坏，二是尺寸、形状及表面质量（粗糙度）的变化。
如果零件的磨损超过了某一限度，就会丧失其规定的功能，引起设备性能下降或不能工作，这种情形即称为磨损失效。
根据摩擦学理论，零件磨损按其性质可以分为磨料磨损、粘着磨损、微动磨损、冲蚀磨损和腐蚀磨损。
①磨料磨损：零件表面与磨料相互摩擦，而引起表层材料损失的现象称为磨料磨损或磨粒磨损。
磨料也包括对零件表面上硬的微凸体。
在磨损失效中，磨料磨损失效是最常见、危害最为严重的一种。
②粘着磨损：粘着磨损是指两个作相对滑动的表面，在局部发生相互焊合，使一个表面的材料转移到另一个表面所引起的磨损。
③疲劳磨损：当摩擦副两接触表面做相对滚动或滑动时，周期性的载荷使接触区受到很大的交变接触应力，使金属表层产生疲劳裂纹并不断扩展、引起表层材料脱落，造成点蚀和剥落，这一现象称为表面疲劳磨损。
④微动磨损：微动磨损是两固定接触面上出现相对小幅振动而造成的表面损伤，主要发生在宏观相对静止的零件结合面上。
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
机械零件的主要失效形式
• 2.6 温度对机械零件工作能力的影响 • 2.6.1 对摩擦磨损的影响
– 温度过高造成润滑油黏度下降，导致吸附油膜破裂，太低会使油黏度过大， 甚至凝固
• 2.6.2 温度对材料膨胀和收缩的影响
– 热胀冷缩，设计时要采取补偿措施（见P29表2.5 )
• 2.6.3 温度对材料力学性能的影响
– 高温下金属强度一般会急剧下降，低温时钢强度提高，但变脆；有色金属 在低温下一般无冷脆性，且强度及塑性均有提高，所以低温设备常用有色 金属制造． – 蠕变：在一定工作温度和应力下，零件塑性变形缓慢而连续增长的现象， 如高温高压的管道管壁逐渐变薄 – 改善蠕变的措施：采用耐热钢、冷却和隔热 – 松弛：由于塑性变形而引起的，原予紧零件应力逐渐减小的现象 – 改善松弛的措施：采用耐温材料、采用加工良好的接触面、定期检查
• 刚度计算
– ｙ≤［ｙ］或θ≤［θ］ – 材料对刚度的影响
• 弹性模量大则刚度大，但同类金属材料的弹性模量相差不大，故没必要用合 金钢代替普通钢来提高刚度
φ≤［φ］
• 影响刚度的因素及其改进措施
– 结构对刚度的影响
• 截面形状：增大截面面积，采用中空、工字钢、槽钢、T形截面等惯性矩大的 截面 • 支撑方式：采用合适的支撑方式，减少最大弯矩（见p24图） • 采用加强筋
– – – – – – 可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力 可靠度：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率， Rt=Nt/N=1-Nf/N 累计失效概率：产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率 Ft=Nf/N=1- Rt Rt+Ft=1
• 例题：铆钉联接，两块钢 板材料均为Q215， F=500000N，
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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 [ ]
[ ]
lim
[S ]
[ ]
lim
[S ]
lim [S ]
2） S
有限元设计等。
4、设计技术发展：人工—→计算机辅助设计（CAD） AutoCAD、SolidEdge、UG、SolidWork、ProE等。 5、机械产品本身的转折：传统机械—→机电一体化、智能化。
机械设计
第1 章
机械设计概论
14
机械设计
第1 章
机械设计概论
10
1.5 机械零件的材料选择 零件材料选择的原则：满足使用要求、工艺要求、经济性要求。 1、使用要求 2、工艺要求 3、经济行要求
机械设计
第1 章
机械设计概论
11
1.6 机械零件的结构工艺性及标准化 结构工艺性： 1、零件形状简单合理 2、合理选择毛坯类型 3、铸造的结构工艺性 4、切削加工工艺性
lim [S ]
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
2、刚度准则
第1 章
机械设计概论
8
刚度：抵抗弹性变形的能力。 y [ y ]， [ ]
机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。
机械设计3、寿命准则 Nhomakorabea第1 章
机械设计概论
9
实际使用寿命大于或等于预期寿命，L≥[L]。 4、振动稳定性准则 fp﹤0.85f fp﹥1.15f
结构计算
精确校核
绘制零件图编 写技术文件
机械设计
第1 章
机械设计概论
5
1.4 机械零件的主要失效形式和计算准则 一、主要失效形式 失效：在规定的时间内和规定的条件下不能完成规定的功能 主要的失效形式： 1、整体断裂：静强度断裂和疲劳断裂
2、过大的弹性或塑性变形
3、零件表面的破坏：磨损，点蚀、腐蚀
4、破坏正常工作条件引起的失效：打滑，共振，胶合
一、设计机械零件时应满足的基本要求
1、避免在预期寿命内失效的要求（强度、刚度、寿命）；
2、结构工艺性要求（便于加工、装配）；
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；
二、机械零件设计的一般步骤 类型选择 受力分析 材料选择 确定计算准则
理论设计计算
机械设计
第1 章
机械设计概论
0
1.1 机器应满足的基本要求 1、使用要求 实现预定功能，工作可靠。
2、经济性要求
三方面：生产成本低、使用消耗小、维护费用低。 措施： 1）设计中采用“三化”零部件； 标准化、系列化、通用化 2）采用先进的设计理论和方法 3）合理组织设计和制作过程。
4）应用成熟的新技术、新材料。
两种计算方法： a）设计计算：直接求出危险截面尺寸A。
5）画零件图。 2、经验设计 3、模型实验设计
A
F [ ]
b）校核计算：其他方法初步设计 → 验算。
F [ ] ? A
机械设计
二、新发展
第1 章
机械设计概论
13
1、基础理论：深化、扩展 ——学科交叉与整合 （摩擦学、弹性流体动力润滑理论、断裂力学） 2、静态设计—→机械系统“动态设计” 3、新设计方法： 优化设计 可靠性设计 逆向设计