第9章 机械零件设计概论分析
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机械零件设计概论
9-4机械零件的耐磨性 机械零件的耐磨性
磨损: 磨损 摩擦过程带来了表面材料的丧失和转移的现象。 摩擦过程带来了表面材料的丧失和转移的现象。
磨损的危害： 磨损的危害： 1．影响机器的质量 例如，齿轮齿面的磨损， ． 例如，齿轮齿面的磨损， 破坏了渐开线齿形，传动中导致冲击振动。 破坏了渐开线齿形，传动中导致冲击振动。机床 主轴轴承磨损，影响零件的加工精度。 主轴轴承磨损，影响零件的加工精度。 2．降低了机器的效率 例如柴油机缸套的磨损， ． 例如柴油机缸套的磨损， 导致功率不能充分发挥。 导致功率不能充分发挥。 3．减少了机器的可靠性 ． 例如断齿，钢轨磨损。 例如断齿，钢轨磨损。
2.变应力下的破坏形式： 疲劳破坏 变应力下的破坏形式： 变应力下的破坏形式 A、疲劳断裂的特征： 、疲劳断裂的特征： 1）疲劳断裂的最大应力远比静应力下的强度极限低，甚至比 ）疲劳断裂的最大应力远比静应力下的强度极限低， 屈服极限低。 屈服极限低。 2）其疲劳断口为无明显塑性变形的脆性突称然断裂。 ）其疲劳断口为无明显塑性变形的脆性突称然断裂。 无明显塑性变形的脆性突称然断裂 3）疲劳断裂是损伤的积累。 ）疲劳断裂是损伤的积累。 损伤的积累 形成过程：表面初始裂纹 裂纹扩展 断裂。 裂纹扩展→断裂 形成过程：表面初始裂纹→裂纹扩展 断裂。 其断口有明显的光滑区和粗糙区。 其断口有明显的光滑区和粗糙区。 光滑区 零件在变应力作用下，其极限应力不仅与材料的性能有关，而 零件在变应力作用下，其极限应力不仅与材料的性能有关， 且应力的循环特性r、应力循环次数N、应力集中、 且应力的循环特性 、应力循环次数 、应力集中、零件的表面 状态和零件的大小都对极限应力有很大的影响。 状态和零件的大小都对极限应力有很大的影响。
9-3 机械零件的接触强度 二、接触强度计算
机械设计基础 第9章 机械零件设计概论
m —随材料和应力状态而定的幂指数，如受弯钢制零件m = 9
r —对应于N0的疲劳极限，称为材料的疲劳极限，如 1， 0
对应于 N 的疲劳极限：
rN
m
N0 N
r
kN r
kN
m
N0 N
kN —寿命系数； 当N ≥ N0时，取kN = 1。
2. 影响机械零件疲劳强度的主要因素
影响机械零件疲劳强度的因素很多，有应力集中、零件尺寸、 表面状况、环境介质、加载顺序和频率等，其中以前三种最为重 要（只影响应力幅，不影响平均应力）。
F
F
F
F
F
n
n
n FFs
n
F nF
Fs n
Fs F
F
m
F
m
F 2｛
｝F
F
m
F｛
m FS
FS m
2
m
F
｝ mFs m
n
Fs
n
F
Fs F
Fs
F 2
预备知识 3. 剪切和挤压的实用计算
假设切应力在剪切面（
m-m 截面）上是均匀分布的
, 得实用切应力计算公式：
Fs
A
切应力强度条件： Fs
挤压力 Fbs= F
（2）接触面为圆柱面 Abs—直径投影面面积
预备知识 3. 剪切和挤压的实用计算
d
δ Abs d
(a
(b
d
(c
)
挤压强度条件：
)
bs
Fbs Abs
)
bs
bs 许用挤压应力，常由实验方法确定
塑性材料： bs1 .5 2 .5 脆性材料： bs0 .9 1 .5
机械设计基础机械零件设计概论
表层有很大旳接触应力，当载荷反复作用时，常 会出现表层金属呈小片状脱落而在零件表层形成 小坑，这种现象称为疲劳磨损或点蚀。 腐蚀磨损 在摩擦过程中，与周围介质发生化学 反应或电化学反应旳磨损，称为腐蚀磨损。 实用耐磨计算是限制运动副旳压强p（比压），即 p≤[p] 式中[p]是由试验或同类机器使用经验拟 定旳许用压强。速度高时用 pv≤[pv] 来校核。
鉴定条件可概括为计算量≤许用量。这种为预防 失效而制定旳鉴定条件，一般称为工作能力计算 准则。
同一零件可能发生多种不同形式旳失效
轴可能旳失效形式：
nF
强度条件： 工作应力≤许用应力 σ≤ [σ] 或 τ≤ [τ]
刚度条件： 实际变形量≤许用变形量
y ≤[y]、 θ ≤[θ] 、φ ≤ [φ]
第一节 机械零件设计概述
Fn —作用在圆柱体上旳载荷； —综合曲率半径,
12 2 1
正号用于外接触，负号用于内接触。
第三节 机械零件旳接触强度
E 2E1E2 E1 E2
E —综合弹性模量，E1、E2 分别为 两圆柱体材料旳弹性模量。
接触强度旳鉴定条件为
式中 H lim 为由试验测得旳材料旳接触疲劳极
限，对于钢其经验公式为
第二节 机械零件旳强度
小型起重设备，一般工作不频繁，满载起重次数不 多，故本题按承受静载荷考虑，以最大起重量（涉 及小车、电动葫芦自重）作为计算载荷。
第二节 机械零件旳强度
第二节 机械零件旳强度
例9-2 一车轴9-5所示。已知Fr=F=110KN，轴旳 材料为Q275钢，σb=550MPa，σ-1=240MPa，要
求旳安全系数Smin=1.5。试较核A—A截面旳疲劳强 度。
第二节 机械零件旳强度
鉴定条件可概括为计算量≤许用量。这种为预防 失效而制定旳鉴定条件，一般称为工作能力计算 准则。
同一零件可能发生多种不同形式旳失效
轴可能旳失效形式：
nF
强度条件： 工作应力≤许用应力 σ≤ [σ] 或 τ≤ [τ]
刚度条件： 实际变形量≤许用变形量
y ≤[y]、 θ ≤[θ] 、φ ≤ [φ]
第一节 机械零件设计概述
Fn —作用在圆柱体上旳载荷； —综合曲率半径,
12 2 1
正号用于外接触，负号用于内接触。
第三节 机械零件旳接触强度
E 2E1E2 E1 E2
E —综合弹性模量，E1、E2 分别为 两圆柱体材料旳弹性模量。
接触强度旳鉴定条件为
式中 H lim 为由试验测得旳材料旳接触疲劳极
限，对于钢其经验公式为
第二节 机械零件旳强度
小型起重设备，一般工作不频繁，满载起重次数不 多，故本题按承受静载荷考虑，以最大起重量（涉 及小车、电动葫芦自重）作为计算载荷。
第二节 机械零件旳强度
第二节 机械零件旳强度
例9-2 一车轴9-5所示。已知Fr=F=110KN，轴旳 材料为Q275钢，σb=550MPa，σ-1=240MPa，要
求旳安全系数Smin=1.5。试较核A—A截面旳疲劳强 度。
第二节 机械零件旳强度
机械零件设计概论(ppt49页).pptx
p lim F dF S0 S dS
应力按方向分正应力和剪应力。
失效：机械零件在限定的期间内，在规定条件下， 不能完成正常的功能。如断裂、变形太大等。
工作能力（承载能力）：机械零件抵抗失效的能力 。或机械零件在预定的使用期限内，不发生失效的 安全工作限度。含时间和载荷两个要素。
三.失效形式： 1）断裂、塑性变形； 2）过大的弹性变形； 3）磨损或损伤 4）松弛、摩擦传动的打滑和强烈振动等。
5.振动稳定性准则 激振频率fp＜0.87f（固有频率），或fp＞1.18f
6.可靠性准则 可靠度应大于许用值
五. 机械零件的设计步骤
拟定机械部件总图
拟定零件图
拟定零件计算简图
选择合适材料
确定作用载荷
满足工
N
作能力
确定零件尺寸的取值 Y 范围和选材范围范围
设计步骤
(1)拟定零件的计算简图。选择零件类型、简化； (2)受力分析。确定作用在零件上的载荷； (3)选择材料。确定许用应力（许用应力查手册）； (4)确定设计准则。失效分析→确定计算准则。 (5)理论设计计算。按设计准则公式，确定零件主要 几何尺寸。如螺栓小径、齿轮齿数、模数等。 (6)结构设计。除主要尺寸的其余结构尺寸，必须考 虑功能要求，加工或装配工艺要求，减小应力集中 ，尺寸小，重量轻等原则。 (7)绘制零件工作图。尺寸、公差配合、表面粗糙度 及技术条件等。 (8)编写设计计算说明书。
常用金属材料的牌号及力学性能（p123）
布氏硬度与材料的抗拉强度之间存在一定关系： σb＝(0.3~0.4)HB ，或σb ＝K×HB ， K为系数，例如对于低碳钢有K≈0.36，对于高碳钢有K≈0.34 ，对于调质合金钢有K≈0.325；HRC≈0.1HB
应力按方向分正应力和剪应力。
失效：机械零件在限定的期间内，在规定条件下， 不能完成正常的功能。如断裂、变形太大等。
工作能力（承载能力）：机械零件抵抗失效的能力 。或机械零件在预定的使用期限内，不发生失效的 安全工作限度。含时间和载荷两个要素。
三.失效形式： 1）断裂、塑性变形； 2）过大的弹性变形； 3）磨损或损伤 4）松弛、摩擦传动的打滑和强烈振动等。
5.振动稳定性准则 激振频率fp＜0.87f（固有频率），或fp＞1.18f
6.可靠性准则 可靠度应大于许用值
五. 机械零件的设计步骤
拟定机械部件总图
拟定零件图
拟定零件计算简图
选择合适材料
确定作用载荷
满足工
N
作能力
确定零件尺寸的取值 Y 范围和选材范围范围
设计步骤
(1)拟定零件的计算简图。选择零件类型、简化； (2)受力分析。确定作用在零件上的载荷； (3)选择材料。确定许用应力（许用应力查手册）； (4)确定设计准则。失效分析→确定计算准则。 (5)理论设计计算。按设计准则公式，确定零件主要 几何尺寸。如螺栓小径、齿轮齿数、模数等。 (6)结构设计。除主要尺寸的其余结构尺寸，必须考 虑功能要求，加工或装配工艺要求，减小应力集中 ，尺寸小，重量轻等原则。 (7)绘制零件工作图。尺寸、公差配合、表面粗糙度 及技术条件等。 (8)编写设计计算说明书。
常用金属材料的牌号及力学性能（p123）
布氏硬度与材料的抗拉强度之间存在一定关系： σb＝(0.3~0.4)HB ，或σb ＝K×HB ， K为系数，例如对于低碳钢有K≈0.36，对于高碳钢有K≈0.34 ，对于调质合金钢有K≈0.325；HRC≈0.1HB
《机械设计基础》第9章 机械零件设计概论
润滑油进 造成小块金属脱 发生疲劳点蚀后的不良后果：损坏零件表面光洁 入裂纹 落，形成小坑— 度；接触面积减小；承载能力降低；传动质量下 —疲劳点蚀。 降，引起振动和噪音。
27
◆接触应力的计算： 注意：
赫兹（H.Hertz)公式 :
Fn b
ρ1
σH1 = σH2 σH σH
ρ2
σH =
Fn .
1± 1 ρ1 ρ2 1-μ12 + 1-μ22 E1 E2
注 意 失效并不一定意味着破坏（破坏的零件则 不能工作，而失效的零件不一定不能工作， 只是不能正常工作），因此，失效有更广 泛的含义。
工作能力：不发生失效的条件下，零件所能安全工作 的限度。若此限度对载荷而言，又可称承载能力。
3
◆机械零件的强度
零件设计中的载荷与应力 载荷
载荷的分类： 变载荷
名义载荷（公称载荷）——在理想的平稳工作条 件下作用在零件上的载荷。 计算载荷=K×名义载荷 静载荷
疲劳磨损（疲劳点蚀） 腐蚀磨损（腐蚀机械磨损）
37
机械零件正常运行的磨损过程（三个阶段）：
1、跑合阶段（磨合阶段） ——新的摩擦副表面具有一定的粗糙度，实际接触面 积较小。在跑合阶段，表面逐渐磨平，实际接触面积 逐渐增大，磨损速度减缓。因此，人们有意利用跑合 阶段，轻微磨损，为今后正常运行创造条件。 注意 跑合结束后，及时更换润滑油。
=
σHlim
SH
其中： σHlim—材料的接触疲劳极限 对于钢材σHlim≈2.76HB-70 (MPa)
S H —安全系数， S H≥1
31
例：图示为由两个相互压紧的钢制摩擦轮组成 的摩擦轮传动。 已知：D1=100mm,D2=140mm,b=50mm,小轮主动； 主动轴传递功率P=5kW、转速n1=500r/min，传 动较平稳，载荷系数K=1.25，摩擦系数,f=0.15。 试求：（1）所需的法向压紧力N；（2）两轮接 触处 最大接触应力；（3）若摩擦轮的材料硬 度HB=300,试校核接触强度。
机械的设计基础第九章 机械零件的设计概论共56页文档
• 强度 • 刚度 • 耐磨性 • 振动稳定性 • 耐热性等
如：轴的失效
• 疲劳断裂； • 弹性变形过大，轴承中轴颈倾斜，轴上轮齿受载不匀。
承载能力
• 取决于轴的疲劳强度；
y
• 取决于轴的刚度；
θ
两者中的较小值决定了轴的承载能力 此外，还可能因轴颈过度磨损而失效；
对高速运转的轴，还应验算其振动稳定性；
§9-2 机械零件的强度
强度准则：
lim
s
lim
s
[]、[] 取决于应力种 类、材料极限应力和安 全系数等。
• 、 —危险截面处的计算正应力、剪应力； • []、[]—材料的许用应力； • lim、lim—材料的极限应力； • S—安全系数。
一、应力的分类
不随时间变化的应力。
静应力
机械零件设计应满足： 足够的强度、刚度、耐磨性、耐热性、振动稳定性等。
判定条件可概括为： 计算量 许用量 如：强度为主要问题，按强度判定：应力许用应力
刚度为主要问题，按刚度判定：变形量 许用变形量 . …..
机械零件设计步骤
• 1）拟定计算简图； • 2）确定零件工作载荷大小； • 3）选材； • 4）按零件工作能力准则设计零件主要尺寸； • 5）绘制零件图； • 6）编制技术文件。 ———设计计算
平均应力
m
max
min 2
应力幅
a
max
min 2
循环特性 r min max
max min r min
max
静应力
对称循环
1.
应力
种
类 脉动循环
非周期性变应力
平均应力
m
max
min 2
应力幅
第九章 机械零件设计概述(基础)PPT课件
当两零件以点、线相接处时，其接触的局部会引起较大的应力。 这局部的应力称为接触应力。
对于线接触的情况，其接触应 力可用赫兹应力公式计算。
sH
11
Fn 1 2
b 1 12 1 22
E1
E2
式中ρ1和ρ2 分别为两零件初始接触线处的曲率半径, 其中正号用
于外接触，负号用于内接触。
§9-3 机械零件的接触强度
计算载荷 =K×名义载荷 载荷系数
§9-2 机械零件的强度
一、载荷及应力的分类
2、应力的分类
静应力——不随时间改变或变化缓慢
变应力——随时间作周期性或非周期性变化
变应力
稳定变应力——周期性循环变应力
非稳定变应力——非周期性循环变应力
对称循环变应力
稳定变应力
脉动循环变应力
非对称循环变应力
§9-2 机械零件的强度
n
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
强度条件：σ≤ [σ] 或 τ≤ [τ]
许用应力：[s]slim;[]lim
s
s
塑性材料： σlim = σs ；τlim = τs
σlim 、τlim —极限应力
s — 安全系数
σs、τs— 材料屈服极限
脆性材料：σlim = σB ；τlim = τB
一、机械零件的失效形式
1.失效 — 机械零件由于某种原因不能正常工作时。
整体强度:轴的断裂; 强度失效
表面强度:螺栓联接表面压溃; 刚度失效:轴的过大弹性变形;
2.失效形式 磨损失效:齿面点蚀;
振动、噪声失效:共振;
精度失效
§9-1 机械零件设计概述
二、机械零件的计算准则
机械设计基础：第九章 机械零件设计概论
机械设计基础第九章机械零件设计概论§9-1 机械零件设计概述一、机械零件设计的基本要求a) 在预定的工作期限内正常、可靠地工作，保证机器的各种功能；b) 要尽量降低零件的生产、制造成本。
二、机械零件的失效形式失效－机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效工作能力－在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。
通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为承载能力。
常见的失效形式：强度－断裂或产生过大的残余变形；刚度－过大的弹性变形；耐磨性－零件磨损后会改变结构形状和尺寸，从而使机器的精度降低、机器的效率下降及零件的强度减弱；振动稳定性－机器在工作时发生振幅超过许用值的振动现象；耐热性－高温下零件的承载能力会降低，并可能出现蠕变，还会引起热变形及附加热应力等；工作能力计算准则－为防止失效而制定的判定条件计算量≤许用量三、机械零件的设计步骤－设计计算1.拟定零件的计算简图（建立受力模型）：在图中通常把零件的构造与零件间的联接情况简化，并将作用在零件上的载荷视为集中载荷或按一定规律分布的载荷；2. 确定作用在零件上载荷的大小；3. 选择合适的材料；4. 根据零件可能的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸，并加以圆整和标准化；5. 绘制零件的工作图，并标注必要的技术条件。
校核计算－先拟定零件的结构和尺寸，然后再用有关的判定条件进行验算一、应力的分类应力可分为静应力和变应力静应力：不随时间变化或变化缓慢。
静应力只能在静载荷作用下产生非对称循环变应力对称循环变应力1r =−脉动循环变应力0r =1r =变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生三、变应力下的许用应力变应力下的损坏形式－疲劳断裂疲劳断裂的特征：1) 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低；2) 不管脆性材料或塑性材料，其疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；3) 疲劳断裂是损伤的积累，它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未裂开的截面积不足以承受外载荷时，零件突然断裂。
第9章机械零件设计概论改.
洛阳高专用
§9－1 机械零件设计概论
机械设计应满足的要求： 在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，
在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修简单和
造型美观等。
一、 基本概念
1. 机械零件的失效：
机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。
2. 工作能力----在不发生失效的条件下，零件所能安全 工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上 又称为：
一危险剖面上的应力超过零件的
强度极限而发生的断裂。
洛阳高专用
2）疲劳断裂：零件在变应力作用下，危险截面上
的应力大于零件的疲劳极限而发生的断裂。
2. 过大的弹性变形;
如机床主轴。
3. 工作表面的过度磨损或损伤;
4. 正常工作条件被破坏引起的失效如带传动等。 （二）计算准则 机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来 最主要的失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定 性、温度等方面的影响。
硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸蜂，在摩擦过程中引起的材料脱落现象称为磨 粒磨损 。硬质颗粒可能是零件本身磨损造成的金属微粒，也可能是外来的尘 土杂质等。摩擦面间的硬粒，能使表面材料脱落而留下沟纹。
加工后的零件表面总有一定的粗糙度。摩擦表面受载时，实 际上只有部分峰顶接触，接触处压强很高，能使材料产生塑 性流动。若接触处发生粘着，滑动时会使接触表面材料由一 个表面转移到另一个表面，这种现象称为粘着磨损(胶合磨损)。 所谓材料转移是指接触表面擦伤和撕脱，严重时摩擦表面能 相互咬死。
洛阳高专用
承载能力。
3. 强度----构件在载荷作用下抵抗破坏的能力
4. 刚度----构件在载荷作用下抵抗变形的能力
5. 稳定性----构件保持其原有平衡状态的能力 6. 耐磨性----作相对运动的零件工作表面抵抗磨损的能力
第9章 机械零件设计概论
图 9.4 材料和零件的极限应力图 由于零件尺寸及几何形状变化，加工质量及强化处理等因素的影响，使得零件的疲劳 极限小于材料试件的疲劳极限。要注意，零件尺寸越大，内部的缺陷就越多，疲劳强度极限
值反而更低。在实际计算中，以弯曲疲劳极限的综合影响系数 k 表示材料对称循环弯曲疲
劳极限与零件对称循环弯曲疲劳极限的比值，实验表明，综合影响系数只影响应力幅而不影 响平均应力。当一个截面有多处应力源时，则分别求出其有效应力集中系数，从中取最大值。
如图 9.4 所示的 A’D’C’曲线。在此曲线内的任何一点所代表的最大应力（即平均应力和 应力幅之和）都低于材料的最大极限应力，是安全的。在此曲线之外的点则是不安全的，最 大应力大于材料的极限应力。曲线上的点表示应力的临界状态。对于塑性材料通常简化为图
中的 A’D’G’C 折线。其中，几个特征点的坐标为：A’(0, 1 )，D’( 0 / 2, 0 / 2) )和 C( S ,0)。
(3) 最小应力为常数 min c
如图 9.6 中应力点 S 的纵横坐标分别代表零件的应力幅和平均应力，求在 min c 状况
下零件的极限应力，则经过 S 点作与横坐标夹 45O 射线，和 AGC 线段交于 S1 点，则该点的 纵横坐标分别代表极限应力点的应力幅和平均应力。
图 9.6 零件的极限应力求法 用极限应力点的纵横坐标之和除以应力点的纵横坐标只和就得零件的安全系数。如果 求出的极限应力点在 AG 段，则零件在安全系数不够的情况下会发生疲劳破坏，如极限应力 点在 GC 段，则零件在安全系数不够的情况下会发生静应力破坏。例如图 9.6 中,在 M,N 点 的应力状况下，零件的失效形式是疲劳破坏，而 S 点的应力状况下会发生静应力破坏，与 综合影响系数的大小无关。读者也可用解析法确定强度，在应力比为常数时，安全系数为：
9 第九章 机械零件设计概论1PPT课件
失效（failure）： 机械零件由于某种原因不能
正常工作时
常见失效形式：
整体断裂或塑性变形——强度问题 表面破坏——表面强度或耐磨性问题 弹性变形过大——刚度问题 强烈震动——稳定性问题 联结的松弛、带的打滑等
7
8
9
10
工作能力：不发生失效时零件所能安全工作 的限度（常以零件承受载荷的大小表示，称 承载能力）
2
3
传动零件 轴系零件 联接零件 附件 机架
4
工作可靠 避免在预定寿命周期内失效
要 求
降低材料消耗，减少加工工时
成本低廉 采用标准化零、部件
大型零件采用组合结构
…
…
5
第9章 机械零件设计概论
机械零件的失效形式和计算准则 机械制造常用材料及其选择 零件结构的工艺性及标准化
6
9.1机械零件的失效形式和计算准则
如： 吊钩最大起重量——50 kN 工作能力或承载能力——50 kN
50 kN
工作能力计算准则（工作能力判定条件）： 强度条件：应力≤许用应力 刚度条件：变形量≤许用变形量
……
11
9.1.1 机械零件的强度
计算准则：
载荷：作用于零件上的力或力矩
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，考虑各种附 加载荷
余变形
p
S
极限应力：屈服极限
S(S)
A
e
D E
B
e
17
2） 变应力下的极限应力
失效形式: →疲劳断裂 →极限应力与应力性 质、大小、Ｎ有关
疲劳极限σr：
有限寿命区 无限寿命区
rlime
r
k
rN
正常工作时
常见失效形式：
整体断裂或塑性变形——强度问题 表面破坏——表面强度或耐磨性问题 弹性变形过大——刚度问题 强烈震动——稳定性问题 联结的松弛、带的打滑等
7
8
9
10
工作能力：不发生失效时零件所能安全工作 的限度（常以零件承受载荷的大小表示，称 承载能力）
2
3
传动零件 轴系零件 联接零件 附件 机架
4
工作可靠 避免在预定寿命周期内失效
要 求
降低材料消耗，减少加工工时
成本低廉 采用标准化零、部件
大型零件采用组合结构
…
…
5
第9章 机械零件设计概论
机械零件的失效形式和计算准则 机械制造常用材料及其选择 零件结构的工艺性及标准化
6
9.1机械零件的失效形式和计算准则
如： 吊钩最大起重量——50 kN 工作能力或承载能力——50 kN
50 kN
工作能力计算准则（工作能力判定条件）： 强度条件：应力≤许用应力 刚度条件：变形量≤许用变形量
……
11
9.1.1 机械零件的强度
计算准则：
载荷：作用于零件上的力或力矩
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，考虑各种附 加载荷
余变形
p
S
极限应力：屈服极限
S(S)
A
e
D E
B
e
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2） 变应力下的极限应力
失效形式: →疲劳断裂 →极限应力与应力性 质、大小、Ｎ有关
疲劳极限σr：
有限寿命区 无限寿命区
rlime
r
k
rN
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对于各种不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件。 这种为防止失效而制定的判定条件，通常称为工作能力计算准 则。
机械零件的设计准则有
1) 强度准则
强度准则是指零件中的应力不得超过允许的限度，即许用应力， 用公式表示为
lim
S
lim
S
2) 刚度准则
指零件在载荷作用下产生的弹性变形量不大于允许值，用公 式表示为
§9－2 机械零件的强度
载荷——进行强度计算所依据的、作用于零件上的外力F、弯 矩M、扭矩T以及冲击能量等，统称为载荷。
在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷称为名义载荷。 考虑机器运转时动力参数的不稳定，工作阻力变化等原因，使
零件受到各种附加载荷而引入的影响系数称为载荷系数K 。 载荷系数与名义载荷的乘积，称为计算载荷。
伤；发生强烈的振动；联接的松弛；摩擦传动的打滑等。 当周期性干扰力的频率与轴的自振频率相等或接近时，就会发
生共振，导致振幅急剧增大，这种现象称为失去振动稳定性。 共振可能在短期内使零件损坏，所以对于重要的、特别是高速 运转的轴，还应验算其振动稳定性。 机械零件虽然有多种可能的失效形式，但归纳起来最主要的为 强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等几个方面的问题。
界环境等地非常敏感。 总之，疲劳破坏的最突出特点是发生突发性、高度局部性以及
对各种缺陷的敏感性。
右图所示为轴的弯曲 疲劳断裂的断口，微 裂纹常起始于应力最 大的断口周边上。在 断口上明显地有两个 区域：一个是在变应 力重复作用下裂纹两 边相互摩擦形成的表 面光滑的疲劳区；一 个是最终发生跪性断 裂的表面粗糙的断裂 区。
σa=σmax=-σmin，σm=0。
脉动循环变应力——循环特性r=0的循环变应力，(图9-1d )，其
σa=σm=σmax/2，σmin=0 。
静应力可看作变应力的特例，其σmax=σmin ，循环特性r=+1。 当-1<r<+1，并且r≠0时，称为非对称循环变应力(图b)。
注意：零件在静载荷作用下不一定产生静应力。
机械零件的设计常按下列步骤进行； 1) 拟定零件的计算简图。 2) 确定作用在零件上的载荷。 3) 选择合适的材料。 4) 根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定
零件的形状和主要尺寸。 应当注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值，
设计者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格加以圆整。 5) 绘制工作图并标注必要的技术条件。
按照名义载荷用力学公式求得的应力，称为名义应力。
按照计算载荷求得的应力，称为计算应力。 利用强度准则判断零件的强度常用的方法有： ① 应力法
应力法是判断危险截面处的最大应力(σ，τ)是否小于或等于 许用应力([σ]，[τ])。计算公式为
lim
S lim
S
（9 1）
② 安全系数法
安全系数法是判断危险截面处的实际安全系数(Sσ，Sτ)是否大 于或等于许用安全系数([Sσ]，[Sτ])。计算公式可写成
S S
lim
lim
S
S
一、应力的种类
静应力——不随时间变化的应力(图9-1a)。 变应力——随时间变化的应力。 循环变应力——随时间作有周期性变化的应力。图9-1b所示为一
考虑应力集中的影响。
三、变应力下的许用应力
变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。 疲劳断裂具有以下特征： 1) 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比
屈服极限低； 2) 不存在宏观的、明显的塑性变形迹象，是脆性突然断裂； 3) 疲劳断裂是损伤的积累，在循环应力多次反复作用下产生。 4) 对材料的组成、零件的形状、尺寸、表面状态、使用条件和的平均应力σm及应力幅σa分别为
m a
max max
min
2 min
2
（9 2）
循环特性——变应力的最小应力与最大应力之比，用r表示，它可用
来描述变应力的变化情况。
r min max
对称循环变应力——循环特性r＝-1的循环变应力，(图9-1c )，其
疲劳断裂不同于一般静力断裂。它是损伤到一定程度后，即裂 纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂、所以疲劳断裂与应 力循环次数（即使用期限或寿命）密切相关。
y y
3) 寿命准则
要求零件在预期工作期限内，能正常工作而不失效。影响
寿命的主要因素是：腐蚀、磨损和疲劳。
4) 振动稳定性准则
在设计时应使机器中受激振作用的各个零件的自激振动频率 与激振源的频率错开。通常应保证
fp<0.85f 或fp<1.15f 5) 可靠性准则
机械零件的可靠性用可靠度表示。可靠度是指零件在规定的 时间内，在规定的使用条件下完成规定功能的概率。如有NT 个零件在规定的工作条件下使用，在t时刻后仍有NS个零件能 正常工作，则此零件在该工作条件下工作t时间的可靠度为 NT R NS
二、静应力下的许用应力
静应力下，零件材料有两种损坏形式：断裂或塑性变形。
对于塑性材料，可按不发生塑性变形的条件进行计算。这时取材
料的屈服极限σS作为极限应力，故许用应力为
S
S
（9 3）
对于用脆性材料制成的零件．应取强度极限σB作为极限应力，其
许用应力为
B
S
（9 4）
对于组织均匀的脆性材料，如淬火后低温回火的高强度钢。还应
第9章 机械零件设计概论
§9-1 §9-2 §9-3 §9-4 §9-5 §9-6 §9-7
机械零件设计概述 机械零件的强度 机械零件的接触强度 机械零件的耐磨性 机械制造常用材料及其选择 公差与配合、表面粗糙度和优先数系 机械零件的工艺性及标准化
§9－1 机械零件设计概述
机械设计应满足的要求是：在满足预期功能的前提下，性能好、 效率高、成本低；在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维 修简单和造型美观等。
机械零件由于某种原因不能正常工作（完不成规定的功能或达 不到设计要求的性能）时，称为失效。破坏是失效，但失效并 不单纯意味着破坏。
在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为工作 能力。此限度对载荷而言时，又称为承载能力。
机械零件可能的失效形式归纳起来主要有以下几种： 断裂或塑性变形；过大的弹性变形；工作表面的过度磨损或损