机械设计总论精编
第1章机械设计总论
零件应有合理的生产加工和使用维护的成本 。
质量小的要求 可靠性要求
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采用组合部件
第1章机械设计总论
1.4 设计机械零件时应满足的基本要求
n 设计机械零件时应满足的基本要求
避免在预定寿命期内失效的要求
结构工艺性要求 经济性要求
质量小则可节约材料 ；
质量小则灵活、轻便 。
质量小的要求 可靠性要求
n 机械零件的设计准则
强度准则
确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形。
刚度准则 寿命准则 振动稳定性准则
零件中的应力不得超过许用值。
即： σ ≤ σlim
σlim --材料的极限应力
脆性材料：σlim = σB (强度极限) 塑性材料：σlim = σS (屈服极限)
为了安全起见，引入安全系数S，得：
2. 刚度要求
结构工艺性要求 提高零件刚度的措施有：
经济性要求
▲增大零件的截面尺寸或增大惯性矩； ▲缩短支承的跨距或采用多点支承。
质量小的要求
可靠性要求
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第1章机械设计总论
1.4 设计机械零件时应满足的基本要求
n 设计机械零件时应满足的基本要求
避免在预定寿命期内失效的要求
应保证零件有足够的强度、刚度和寿命 。
破坏正常工作条 件引起的失效
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第1章机械设计总论
1.3 机械零件的主要失效形式
n 机械零件的主要失效形式
整体断裂
(1) 某一危险截面的应力超过零件的强度极限 (2) 在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。
过大的残余变形
零件的表面破坏
破坏正常工作条 件引起的失效
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机械设计总论
5）力求改善零件的结构工艺性，使其用料少、易加工、易
装配。
机
提高使用经济性指标的主要途径有：
械
1）合理地提高机器的机械化和自动化水平，以期提高机器 的生产率。 2）选用高效率的传动系统，尽可能减少传动的中间环节，
设 计 上
邓
以期降低能源消耗。
召
3）适当地采用防护及润滑，以延长机器的使用寿命。 义
第二章 机械设计总论
内容提要
本章主要分为两部分：关于机器总体设计的概述和关于机
械零件设计的概述。机器总体设计包括：机器的组成、设
计机器的一般程序、对机器的主要要求等；
机械零件设计包括：机械零件的主要失效形式、设计机械
零件时应满足的基本要求、机械零件的计算准则、机械零
件的设计方法、机械零件设计的一般步骤、机械零件材料
设计机械零件时应满足的基本要求、机械零件的 计 上
计算准则、机械零件的设计方法、机械零件设计 邓
的一般步骤、机械零件材料的选用原则、机械零
召 义
件设计中的标准化等。
21.06.2019
第二章 机械设计总论
2
§2-1机器的组成
机器的发展经历了一个从简单到复杂的过程
人类为了满足生产及生活的需要，设计和制
邓
通过方案评价，最后进行决策，即确定下一步技术设计的原理图或机
构运动简图。在方案设计阶段，要正确处理借鉴与创新的关系，既要
召 义
反对保守和照抄照搬，又要反对一味求新而弃用原有合理经验。
21.06.2019
第二章 机械设计总论
8
§2-2设计机器的一般程序-续3
（三）技术设计阶段
技术设计阶段的目标是总装配草图和部件装配草图。通过草图设
第2章 机械设计总论
2）操作者及机器的环境要得到改善 ）
四、可靠性要求： 可靠性要求： 五、其它专用要求： 其它专用要求：
机械零件的设计 工作情况 失效形式 强度计算 设计准则
§2-4 机械零件的主要失效形式
失效
机 械 零 件 的 主 要 失 效 形 式 工作 件 失效 零件 力 —— 零件失去其工作能力。 零件失去其工作能力。
§2-5 机械零件设计的基本要求
一、避免在预定寿命期限内失效的要求： 避免在预定寿命期限内失效的要求：
1.强度： 1.强度： 强度 体积强度：塑性变形、脆断、 体积强度：塑性变形、脆断、疲劳断裂 表面强度： 压溃、 表面强度：面 接 触 —— 压溃、磨损 点、线接触 —— 疲劳点蚀 、磨损 2.刚度： 2.刚度：弹性变形过大 刚度 3.稳定性： 压杆； 3.稳定性：静态稳定 → 压杆；动态稳定 → 转轴 稳定性 4.其他：局部胶合；摩擦传动打滑； 4.其他：局部胶合；摩擦传动打滑；联接松动等 其他
2.装配零件的工艺性 2.装配零件的工艺性 1）能装能卸 轴承定位台阶、 轴承定位台阶、 螺栓、定位销例。 螺栓、定位销例。 2）提高效率 避免过定位和 辅助加工。 辅助加工。 3）保证装配质量 合理的定位结构， 合理的定位结构， 要能调整间隙。 要能调整间隙。 3.热处理件的工艺性 3.热处理件的工艺性 尽可能使受热变型一致： 尽可能使受热变型一致： 要求避免尖角、壁厚均匀、 要求避免尖角、壁厚均匀、 形状对称，少用细长杆、 形状对称，少用细长杆、大 薄板。 薄板。
§2-3
对机器的主要要求
一、使用功能的要求：要满足预期的使用要求 使用功能的要求： 经济性要求： ）设计制造经济性——成本低 二、 经济性要求：1）设计制造经济性 成本低
2）使用经济性——高生产率、高效率、 ）使用经济性 高生产率、 高生产率 高效率、 低消耗、 低消耗、低维护和管理费用
机械设计总论(doc 15页)
机械设计总论(doc 15页)第二章机械设计总论§2 – 1 机器的组成机器的组成如下：控制系统原动件传动装置执行机构辅助系统§2 – 2 设计机器的一般程序一部机器的质量基本上决定于设计质量，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。
它是一个创造性的工作过程，同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作。
作为一部完整的机器，它是一个复杂的系统。
要提高♦使用功能要求♦经济性要求♦劳动保护要求♦可靠性要求♦其它专用要求§2 – 4 机械零件的主要失效形式失效：――机械零件由于某种原因不能正常工作时失效并不单纯指破坏。
破坏只是失效的形式之一。
同一种机械零件的可能失效形式往往有数种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。
（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。
（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）。
（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。
§2 – 5 设计机械零件时应满足的基本要求机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求❑避免在预定寿命期内失效的要求应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。
机械设计总论(1)
机械设计总论(1)
二、机械零件材料的选择原则
1、载荷、应力的大小和性质
脆性材料适用于静载荷下的零件 塑性材料适用于冲击载荷及动载荷 金属材料的性能可以通过热处理手段加以提高
2、零件的工作情况
考虑环境特点、工作温度、摩擦磨损程度
3、零件的尺寸及质量 4、零件结构的复杂程度及材料的加工可能性
结构复杂零件宜选用铸造毛坯或焊接方法 结构简单宜用锻造法制取毛坯
机械设计总论(1)
一、使用功能要求
1.正确地选择机器的工作原理 2.正确地设计或选用能够全面实现功能要求的
执行机构、传动机构和原动机 3.合理地配置必要的辅助系统
机械设计总论(1)
二、经济性要求
机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，设计机 器时就要全面综合地进行考虑。
经济性
高生产率、高效率 低能耗、低管理、低维护
设计制造经济性 低成本
两高三低
使用经济性
现代设计方法，优化设计参数 标准化、系列化、通用化零部件 新技术、新工艺、新结构、新材料
合理组织设计制造过程 改善结构工艺性
合理提高机器的机械化和自动化水平 选择高效率的传动系统，减少中间环节 适当采用防护及润滑，延长使用寿命
采用可靠密机械封设，计总减论(小1) 或消除渗漏
2、计算分析类 MATLAB； Adams； Ansys
机械设计总论(1)
§2-3 对机器的主要要求
机械设计总论(1)
设计机器的任务是在当前技术发展所能达到的条件下， 根据生产及生活的需要提出的。
不管机器的类型如何，一般说来，对机器都要提出以下 要求：
使用功能要求 经济性要求 劳动保护和环境保护要求 寿命与可靠性要求 其他专用要求
第1章机械设计总论
二、本课程的任务：
1）树立正确的设计思想 2）掌握通用机械零部件的设计原理、方法和一般规律。 3）掌握一定的设计技能（查阅资料，运用标准、规范。） 4）掌握典型机械零件的实验方法，获得基本的实验技能。 5）树立创新意识，培养机械设计的创新能力。 6）了解机械设计的最新动态 。
本课程的设计性、综合性和实践性都较强。
标准分为国家标准（ＧＢ）和行业标准（JＢ） 主要参数系列化 零部件的通用化：不同的产品中，可以有此零
件或部件是相同的 “三化”：标准化、通用化、系列化
§1—5 机械设计的最新进展
1、系统工程理论用于机械设计 2、可靠性设计 3、运用机械学理论新成果解决机械设计问题（机构学、振
动学、结构强度学、摩擦学、传动机械学、机器人机械 学）
工作能力——零件不发生失效时的安全工作限度
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（计算所依据的 条件）
1、强度准则
强度、屈服极限
零件在载荷作用下抵抗破坏的能力
2、刚度准则
[ ] lim
S
[ ] lim
S
lim
(
lim
)
B S
( (
B) S)
学习本课程的注意事项：
1）注意理论联系实际，将机械零件的设计放到整个机械系统 中加以考虑。(系统性)
2）注意掌握零部件的共性，机械零部件设计的一般思路 (典 型性)
3）综合性 4）工程性
三、机械设计的类型
1、开发性设计 工作原理和结构都是新的
2、适应性设计 工作原理和设计方案不变，作局部变更或增
４、计算机在机械设计中的应用
5、人机工程的发展 6、运用价值工程理论 7、机械设计的实验研究技术有了很大的发展和提高，实验
机械设计的总论
机械设计（machine design），根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。
机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主要的因素。
机械设计的努力目标是：在各种限定的条件（如材料、加工能力、理论知识和计算手段等）下设计出最好的机械，即做出优化设计。
优化设计需要综合地考虑许多要求，一般有：最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低消耗和最少环境污染。
这些要求常是互相矛盾的，而且它们之间的相对重要性因机械种类和用途的不同而异。
设计者的任务是按具体情况权衡轻重，统筹兼顾，使设计的机械有最优的综合技术经济效果。
过去，设计的优化主要依靠设计者的知识、经验和远见。
随着机械工程基础理论和价值工程、系统分析等新学科的发展，制造和使用的技术经济数据资料的积累,以及计算机的推广应用,优化逐渐舍弃主观判断而依靠科学计算。
各产业机械的设计，特别是整体和整系统的机械设计，须依附于各有关的产业技术而难于形成独立的学科。
因此出现了农业机械设计、矿山机械设计、泵设计、压缩机设计、汽轮机设计、内燃机设计、机床设计等专业性的机械设计分支学科。
1设计分类机械设计可分为新型设计、继承设计和变型设计3类。
1、新型设计应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，设计过去没有过的新型机械。
2、继承设计根据使用经验和技术发展对已有的机械进行设计更新，以提高其性能、降低其制造成本或减少其运用费用。
3、变型设计为适应新的需要对已有的机械作部分的修改或增删而发展出不同于标准型的变型产品。
2主要流程1、根据客户需求、市场需要和新科研成果制定设计任务。
2、初步设计。
包括确定机械的工作原理和基本结构形式，进行运动设计、结构设计并绘制初步总图以及初步审查。
3、技术设计。
工程类机械设计总论
机械零件的强度 分析：通过对零 件的受力分析， 确定其受力分布 和大小，从而确 定其强度是否满 足要求。
机械结构的强度 分析：通过对结 构的整体受力分 析，确定其稳定 性、刚度和强度 是否满足要求。
疲劳强度分析： 通过对机械零件 的疲劳强度分析， 确定其寿命和可 靠性，预防疲劳 断裂等故障。
强度分析的应用 领域：广泛应用 于汽车、航空、 船舶、能源、化 工、冶金等领域， 为产品的设计、 优化和改进提供 技术支持。
XX,a click to unlimited possibilities
汇报人：XX
机械设计是机械 工程的重要组成 部分，是机械制 造的前提和基础。
它涉及机械零件、 部件、系统等的 构思、分析、绘 图和优化等过程。
机械设计的基本 概念包括功能设 计、结构设计、 材料选择、制造 工艺等方面的考 虑。
新型高强度材料：如钛合金、复合材料等，具有更高的强度和耐久性，适用于复杂环境和重要工 程。
智能材料：能够根据环境变化自我调整性能，如形状记忆合金、智能复合材料等，具有广阔的应 用前景。
生物相容材料：用于医疗器械和人体植入物，具有优良的生物相容性和安全性，提高医疗效果。
纳米材料：具有极高的强度和硬度，同时具备良好的韧性和塑性，为机械设计提供了新的选择。
金属材料：如钢 铁、铜等，具有 高强度、耐腐蚀 等优点，广泛应 用于机械制造。
非金属材料：如 塑料、橡胶等， 具有轻质、绝缘、 耐磨等特性，适 用于特定场合。
复合材料：由两 种或多种材料组 成，如玻璃钢等， 具有各组成材料 的优点，适用于 高性能要求的场 合。
功能材料：如形 状记忆合金、超 导材料等，具有 特殊功能，用于 特定技术领域。
协调。
确定设计任务和目标 进行需求分析和市场调研 设计方案的制定与评估 详细设计、制图与模型制作 试制、试验与改进 生产准备与批量生产
第二章机械设计总论
经济性 要求
社会性 要求
2020/5/8
20
例：汽 车
2020/5/8
载货（客）量 耐用性 速度
耗油量
价格
…… ……
安全性 舒适性 美观 排放量
21
一、机械设计的基本内容
1. 方案设计 根据机械的功能要求，确定机械的总体方案。
方案设计
确定工作原理 确定机械系统运动方案
2020/5/8
22
例：螺纹加工方法
确定 机械系统
运动方案
确定执行构件的运动 选择原动机 采用哪些机构实现运动形式的转换 采用哪些机构实现运动速度的转换
确定传动装置的布局
2020/5/8
26
方案设计
确定工作原理 确定机械系统运动方案
方案设计是机械设计中至关重要的一步。 它从根本上影响机械的结构、性能、成本。
执行装置
手
普通车床 牛头刨床 空气压缩机 起重机 掘土机 皮带运输机
……
驱动装置 传动装置
控制装置
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脑
执行装置
眼
机器人 数控机床 ……
8
轿车组成：
2020/5/8
9
什么是机械设计？ 机械设计是一个工作过程。
2020/5/8
10
根据社会需求确定设计任务
构思 决策 分析 计算 绘图
机械的 工作原理
的组成更复杂了。
传 感
器
发出指 驱动装置
传动装置
令调节
伺服电
机的运
检测伺服电机
动
的输出转角
传 的运动输出
控制装置
由程序给定 运动规律
2020/5/8
前馈控制
机械设计2设计总论
一台完整的机器的组成如下：原动机部分传动部分执行部分润滑、显示、照明等辅助部分控制系统传感器传感器传感器对机器的主要要求：使用功能经济性界面友好可靠性其它专用要求§2.2 设计机器的一般程序机器设计的一般过程：计划阶段需求分析、明确功能、制定设计任务书。
方案设计阶段对机器的功能进行综合分析、确定功能参数、提出可行的方案。
技术设计阶段绘制总装配草图、部件装配草图，由草图确定零部件的外形、基本尺寸和零件工作图。
技术文件编制阶段设计说明书、使用说明书、零件明细表、产品验收条件等。
机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时，称为失效。
常见的失效的形式有：因强度不足而引起的断裂；过大的塑性（残余）变形；因刚度不足而引起的过大弹性变形；零件的表面破坏，如磨损、腐蚀和接触疲劳等；破坏正常工作条件引起的失效，如打滑、过热、联接松动、泄漏、运动精度达不到要求等。
机械零件的失效实例齿轮轮齿折断轴承内圈破裂机械零件的失效实例轮齿塑性变形轴承外圈塑性变形机械零件的失效实例齿面接触疲劳轴瓦磨损§2.4 设计机械零件的基本要求一、避免在预定寿命期内失效的要求零件有足够的强度、刚度、寿命。
二、结构工艺性要求在具体的生产条件下，零件要便于加工而加工费用又很低。
三、经济性要求四、动力性能要求五、可靠性要求为了提高零件的可靠性，应当在工作条件和零件性能两个方面使其随机变化尽可能小。
§2.5 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，仍应采用的准则。
强度准则一般，强度准则是指零件中的应力不得超过许用值，可以是静应力强度、动应力强度、冲击强度或接触强度，其代表性表达式为：刚度准则是指零件在力作用下的弹性变形量不得超过许用值。
第1篇 机械设计总论汇总
表示循环次数N与疲劳极限σrN间的关系曲线。
1.有限寿命区（N<N0） N<103(104)——低周循环疲劳——疲劳极限接近于屈服极限。
N103(104)——高周循环疲劳，
当 130(140)NN0时，疲劳极数 限的 随增 循加 环
2.无限寿命区（N≥N0）
、
N≥N0时，疲劳曲线为水平线，即疲劳极限不再随循环次数的增加 而降低，称为无限寿命区。 N0次循环的疲劳极限记为：循环特性r时为σr、τr，对称循环时为 σ-1、τ-1，脉动循环为σ0、τ0。
试分析其应力情况（A点）
F AA
§ 2.2 机械零件的强度
2.2.1 两种判断零件强度的方法
1、强度条件
[ ] lim
[s ]
[
]
lim
s
2、实际安全系数
s
lim
[s ]
s
lim
[s ]
2.2.2 静应力强度 静应力时零件的主要失效形式：塑性变形 或 断裂
塑性材料 脆性材料
本课程的具体内容
1）总论部分：机器及零件设计的基本原则，设计计算理论，材料 选择，结构要求，以及摩擦、磨损、润滑等方面的基本知识；
2）连接部分：螺纹联接，键联接，过盈联接，铆接，焊接
3）传动部分：螺旋传动，带传动，链传动，齿轮传动，蜗杆传动 以及摩擦轮传动等；
4）轴系部分：轴，滑动轴承，滚动轴承，联轴器，离合器 5）其他部分：弹簧，减速器，机架
结构或基本尺寸的条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品， 称为不同的系列（如：滚动轴承的直径系列、宽度系列，工程机 械的系列化）
第2章 机械零件的工作能力和计算准则
绪论 § 2.1 载荷和应力的分类 § 2.2 机械零件的强度 § 2.3 机械零件的表面强度 § 2.4 § 2.5 § 2.6 § 2.7 § 2.8
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机械设计总论精编 Document number：WTT-LKK-GBB-08921-EIGG-22986
总论
一．是非题
1．凡零件只要承受静载荷，则都产生静应力。
（）
2．当零件的尺寸由刚度条件决定时，为了提高零件的刚度，可选用高强度合金钢制造。
（）
3．机械零件在工作中发生失效，即意味该零件一定产生了破坏。
（）
4．在变应力中，当r = -1时，σm = 0，σa =σmax 。
（）5．在变应力中，当r = C（常数）时，σm /σa是随时间变化的。
（）
6．润滑油的粘度与温度有关，且粘度随温度的升高而增大。
（）
二．单项选择题
1．零件表面经淬火、渗氮、喷丸、滚子碾压等处理后，其疲劳强度。
（a）提高（b）降低
（c）不变（d）提高或降低视处理方法而定
2．某钢制零件材料的对称循环弯曲疲劳极限σ-1= 300 MPa，若疲劳曲线指数m = 9，应力循环基数N0 =107，当该零件工作的实际应力循环次数N =105时，则按有限寿命计算，对应于N的疲劳极限为 MPa 。
（a ）300 （b ）428 （c ） （d ）
3．零件的形状、尺寸、结构相同时，磨削加工的零件与精车加
工相比，其疲劳强度______。
（a ）较高 （b ）较低 （c ）相同
4．变应力特性可用m ax σ、min σ、m σ、a σ、r 这五个参数中的任意
______来描述。
（a ）一个 （b ）两个 （c ）三
个 （d ）四个
5．在图示零件的极限应力简图中，如工作应力点M 所在的ON 线
与横轴间夹角θ= 45°，则该零件受的是 。
（a ）不变号的不对称循环变应力 （b ）变号的不对称循环
变应力
（c ）脉动循环变应力 （d ）对称循环变应力
6．下列四种叙述中______是正确的。
（a ）变应力只能由变载荷产生 （b ）静载荷不能产生变
应力
m
（c）变应力是由静载荷产生
（d）变应力是由变载荷产生，也可能由静载荷产生
7．零件的截面形状一定，如绝对尺寸（横截面尺寸）增大，疲劳强度将随之______。
（a）增高（b）降低
（c）不变
8．两相对滑动的接触表面，依靠吸附的油膜进行润滑的摩擦状态称为______。
（a）液体摩擦（b）干摩擦
（c）混合摩擦（d）边界摩擦
9．两摩擦表面被一层液体隔开，摩擦性质取决于液体内部分子间粘性阻力的摩擦状态称为______。
（a）液体摩擦（b）干摩擦
（c）混合摩擦（d）边界摩擦
三．填空题
1．影响机械零件疲劳强度的主要因素
有、、
及。
2．静应力由静载荷产生，变应力可由和产生。
3．在静载荷作用下的机械零件，不仅可以产生
应力，也可能产生应力。
四．论述题
1、摩擦学是研究什么内容的一门学科
2、简述磨损的主要几种形式。
3、设计机械零件时应满足哪些基本要求
4、“机械设计”课研究的内容是什么
5、零件的极限应力线图与材料试件的极限应力线图有和区别在
相同的应力变化规律下，零件和材料试件的失效形式是否是相同的为什么
五．综合题
已知某钢材的机械性能为：σ-1= 500 MPa，σS= 1000 MPa，σ0 = 800 MPa 。
由该材料制成的零件在工作中承受非对称循环变应力，其应力循环特性r = ，工作应力σmax= 500 MPa，疲劳极限综合影响系数Kσ = 。
（1）试按比例绘制零件的疲劳极限应力线图；
（2）在图上标出工作应力点M及对应的极限应力点M ′，并计算安全系数S ca；
（3）若要求安全系数S =，判断该零件的强度是否满足要求。