机械零件设计和计算准则
陈立德第五版-机械设计基础 第1章机械设计概述
一、设计机械零件的基本要求
工作可靠并且成本低廉;
零件的工作能力是指零件在一定的工作条件下抵抗可能出现的失效的能力，对载荷而言称为承载能力。
设计机械零件要注意以下几点：
（1）合理选择材料，降低材料费用；
（2）保证良好的工艺性，减少制造费用；
（3）尽量采用标准化、通用化设计，简化设计过程从而降低成本。
产品规划 设计任务书 原理方案设计 原理方案图 结构方案设计 总体布局设计 总装配图 施工设计 试制、实验、批 量生产、销售
由设计人员构思出多种可行方案进行分析比较，从中优选出一种方案。
设计结果以工程图及计算书的形式表达出来。
经过加工、安装及调试制造出样机，对样机进行试运行或在生产现场试用。
机械设计的内容与过程
市场调查 可行性研究 …… 功能分析 原理方案设计 …… 主参数匹配设计 主结构构形设计 …… 人机工程设计 外观设计 …… 产品部件设计 产品零件设计 …… 技术文档 样机试制 性能试验 定型批产 ……
使用功能要求 经济性要求 可靠性要求 劳动保护要求－操作方便、工作安全 造型美观、减少污染 其它专用要求
二、机械设计的基本要求
机械设计的基本要求
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。
§1.1 机械设计的基本要求 §1.2 机械设计的内容与过程 §1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则 §1.4 机械零件的接触强度 §1.5 机械零件的标准化 §1.6 现代机械设计理论概述
第1章 机械设计概述
1.1 机械设计的基本要求
机械设计包括以下两种设计:
邱宣怀《机械设计》(第4版)(名校考研真题 机械零件的工作能力和计算准则)【圣才出品】
一、填空题1．若一零件的应力循环特性，，N/mm 2，此时为（ ），=0.5r +a 70σ=m σ为（ ），为（ ）。
[中南大学2000研]max σmin σ【答案】210N/mm 2；280N/mm 2；140N/mm 2【解析】根据题意可得min max max min a =0.5702r σσσσσ⎧=⎪⎪⎨-⎪==⎪⎩解得：N/mm 2；N/mm 2max 280σ=min 140σ=则平均应力：。
2max min m 210/2N mm σσσ+==2．支承定轴线齿轮传动的转轴，轴横截面上某点的弯曲应力循环特性r ＝______；而其扭转应力的循环特性r ＝______。
[国防科技大学2001研]【答案】；1-0【解析】支承定轴线齿轮传动的转轴，受方向不变的径向载荷。
因此，轴横截面上既分布有拉应力，也有压应力。
随着轴的转动，拉压应力交变，所以轴所受的弯曲应力为对称循环变应力，其应力循环特性。
而转轴所受的切向力方向也是恒定不变的，但大1r =-小是周期性变化的。
因此，扭转应力是脉动变化的。
故扭转应力的循环特性。
0r =3．变应力可由______产生，变应力特性可用______等五个参数中的任意两个来描述。
[北京航空航天大学2001研]4．额定载荷是指______；计算载荷是指______。
[国防科技大学2002研]【答案】在工作平稳、载荷均匀等理想条件下，根据理论计算确定的载荷考虑实际工作中存在各种误差因素；将额定载荷修正后用于零件设计计算的载荷5．当单向转动的轴上作用力方向不变的径向载荷时，轴的弯曲应力为______循环变应力，扭转剪应力为______循环变应力（运转不平稳）。
[中南大学2002研]【答案】对称；脉动【解析】轴上作用径向载荷时，轴的弯曲应力部分为压应力，部分为拉应力。
又因为轴单向转动时，压应力区和拉应力区交变，所以轴的弯曲应力随时间正负交变，为对称循环应力。
但是轴所受的扭转剪应力方向是始终不变的，所以为脉动循环变应力。
机械零件设计计算的最基本计算准则是
机械零件设计计算的最基本计算准则是
1.强度计算：强度是零件能够承受的外部载荷或力的能力。
强度计算
包括计算零件的应力、应变，以及使用适当的材料和尺寸来确保零件能够
承受设计要求下的最大载荷。
2.刚度计算：刚度是指零件在受力时的变形能力。
刚度计算需要考虑
零件的材料特性、几何形状和加载条件，以确定零件的刚度是否满足设计
要求。
3.疲劳计算：疲劳是指零件在循环载荷下发生破坏的现象。
疲劳计算
需要考虑零件的循环载荷条件和材料的疲劳强度，以确定零件的寿命和安
全系数。
4.运动学计算：运动学计算用于确定零件在运动过程中的位移、速度
和加速度。
这些计算对于设计机械系统的运动性能至关重要。
5.热传导计算：热传导计算用于确定零件在热传递过程中的温度分布
和热流。
这些计算可用于设计散热器和热交换器等零件。
6.流体力学计算：流体力学计算用于设计液压、气动和流体系统中的
零件。
这些计算包括液流、气流和水流等的流动性能分析。
7.结构优化计算：结构优化计算用于优化零件的材料使用和几何形状，以提高零件的性能和效率。
以上只是机械零件设计计算的一些基本准则。
实际的设计过程中，可
能还需要考虑其他因素，如成本、制造可行性等。
设计者需要根据具体的
设计要求和条件进行综合考虑，并进行相应的计算和分析。
机械零件设计概论
2. 塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件， 而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热 性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在 机械制造中其应用日益广泛。 3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。
各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标 和机械设计手册中查得。
选用原则： 优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。
将零件的型式、规格、实验方法 、质量鉴定及标号等标准化，在 机械制造中具有重大意义。设计人员在设计时如无特殊要求，就应 当采用国家标准。
（二）机械零件设计中的标准化
零件的标准化，就是通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检 验方法、设计方法、制图要求等，制定出各种各样的大家共同遵守 的标准。 1、标准化的内容 标准化工作包括三方面的内容，即标准化、系列化和通用化，简称 为机械产品的“三化”。 1）、标准化 是指对机械零件种类、尺寸、结构要素、材料性质、检验方法、公 差配合和制图规范等制定出相应的标准，供设计、制造时共同遵照 使用。 2）、系列化 将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制 成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。 3）、通用化 将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现 互换。
（三）、我国标准化的分类
标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准
代号为 ISO
GB J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。
1.退火 退火是将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后工件随 炉温缓慢冷却。退火可消除因锻造、焊接等产生的内应力，降低硬 度以改善切削加工性能。
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。
第一章精密机械设计的基础知识
变应力：疲劳点蚀——齿轮、滚动轴承的常见失效形式。
多数出现疲劳点蚀（局部应力大于许用强度）——在循环应力作用下接触表面产生疲劳裂纹，裂纹扩展导致表面小块 金属脱落。点蚀又分：扩张性点蚀（产生于硬度大的材料）；局限性点蚀（产生于软载荷小的材料），疲劳点蚀使零件表 面失去正确形状、降低工作精度、产生噪声和振动、降低零件使用寿命。
在表面接触应力作用下的零件强度称 为接触强度
计算依据：弹性力学的赫兹公式
1）表面接触强度（应力）
(1)两圆柱体接触
2021/9/23
Hmax Hmax
F
1 b
2a 2
F
20
H
F
1Eµ 112
1µ22 E2
δH ——最大接触应力； Fμ——接触线单位长度上的应力，=Ｆ／b； ρ——两圆柱体在接触处的综合曲率半径。
B）对变应力情况下的强度：零件失效形式主要为疲劳断裂 （先形成初始裂纹---扩展直到断裂），它不仅与应力的大 小有关，还与应力循环次数有关。因此提出疲劳极限用 δrN的概念 特别是 当r=一定时，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时
2021/9/2的3 最大应力称为表示。N—δrN关系图为应力疲劳曲线15
应力-应变图
2021/9/23
14
2）将零件在载荷作用下的实际安全系数sδ、sτ与许用安全 系数 [sδ]、[sτ]比较，其强度条件为
sδ=δlim/δ< [sδ]、sτ=τlim/τ< [sτ]
1）
A）对静应力情况下的强度：可以使用以上两种判断方法。 对塑性材料制成的零件取材料的屈服极限δs、τs作为零 件的极限应力；对脆性材料制成的零件取材料的强度极 限sb、τb作为零件的极限应力。
机械零件设计的一般步骤
（一）强度பைடு நூலகம்则
强度准则就是指零件中的应力不得超过允许的限度。即： σ≤σlim
其中：σlim 为材料的极限应力，对于脆性材料：σlim＝σB（强度极限），对于塑 性材料：σlim＝σS（屈服极限）。
（四）振动稳定性准则
机器中存在着很多周期性变化的激振源。例如：齿轮的啮合，滚动轴承中的振动， 滑动轴承中的油膜振荡，弹性轴的偏心转动等。如果某一零件本身的固有频率与上述激 振源的频率重合或成整数倍关系时，这些零件就会发生共振，以致使零件破坏或机器工 作关系失常等。所谓振动稳定性，就是说在设计时要使机器中受激振作用的各零件的固 有频率与激振源的频率错开。例如，令 f 代表零件的固有频率，fp 代表激振源的频率， 则通常应保证如下的条件：
0.85f>fp 或 1.15f<fp 如果不能满足上述条件，则可改变零件及系统的刚性，改变支承位置，增加或减少 辅助支承等办法来改变 f 值。 把激振源与零件隔离，使激振的周期性改变的能量不传递到零件上去；或采用阻尼 以减小受激振动零件的振幅，都会改善零件的振动稳定性。 （五）可靠性准则 如有一大批某种零件，其件数为 N0 在一定的工作条件下进行试验。如在 t 时间后仍 有 N 件在正常地工作，则此零件在该工作环境条件下工作 t 时间的可靠度 R 可表示为： R=N/N0 如果试验时间不断延长，则 N 将不断地减小，故可靠度也将改变。这就是说，零件 的可靠度是一个时间的函数。若在时间 t 到 t+dt 的间隔中，又有 dN 件零件发生破坏， 则在此 dt 时间间隔内破坏的比
率 f(t)定义为: 式中 f(t)称为失效率,负号表示 dN 的增大将使 N 减小。分离变量并积分，得：
机械零件计算的管理分析准则设计.pptx
2．表面破坏
表面磨粒磨损、胶合、疲劳点蚀、腐蚀磨损、表面压溃、表面塑性流动等
3．变形量过大
弹性变形 塑性变形
4．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地工作。如带传动和摩擦 轮传动，高速转动的零件
▪ 同一种零件发生失效的形式可能有数种
齿轮的失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿 面或齿体塑性变形、齿轮其他部分的破坏 ▪ 主要失效形式将由零件的材料、具体的结构及工作条件等决定
▪ 工作能力
零件不发生失效时的安全工作的限度 ▪ 同一种零件可能有数种不同的失效形式，显然，起决定作用的将是承载
能力中的较小值
二、机械零件的计算准则
▪ 计算准则——用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据
▪ 常用的计算准则有：
1．强度准则
强度是零件在载荷作用下抵抗整体断裂、表面接触疲劳及塑性变形的 能力
2．刚度准则
[ ]
[
]
刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力
y [y]
3．寿命准则
影响零件寿命的主要失效形式：腐蚀、磨损、疲劳
腐蚀寿命、磨损寿命 没有提出实用有效的或通行的定量计算的方法
▪ 第Ⅱ段：正常使用阶段 失效的发生是随机性的，失效率则表现为一常数
▪ 第Ⅲ段：损坏阶段 由于长时间的使用而使零件发生磨损、疲劳等原因，使失效率急剧增加
第二节 静应力下机械零件的强度计算
一、载荷及应力的分类
1．载荷的分类
▪ 静载荷
大小和方向不随时间变化或变化缓慢的载荷
▪ 变载荷
随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷
•平均应力：
m
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
机械零件设计和计算准则
机械零件设计和计算准则引言在机械工程领域，设计和计算是极为重要的环节。
机械零件的设计需要考虑诸多因素，如强度、刚度、耐久性等，以确保零件能够在特定工况下正常运行。
本文将探讨机械零件设计和计算的准则，帮助读者更好地理解和应用这些准则。
1. 设计准则机械零件设计的准则是基于工程经验和理论分析，旨在满足特定的功能和性能要求。
下面列举了一些常见的设计准则：•强度要求：根据使用环境和受力情况，确定零件的最小强度要求，以确保零件不会发生过度变形或破坏。
•刚度要求：在设计中考虑零件的变形和振动，使其满足特定的刚度要求，以保持其形状和运动的稳定性。
•材料选用：根据零件的要求和工作环境的特点，选择合适的材料，以满足强度、耐磨性和耐腐蚀性等要求。
•加工性和可制造性：设计中要考虑零件的加工复杂度和制造成本，避免过于复杂或不易加工的结构，提高零件的可制造性。
2. 计算准则在机械零件设计中，计算是评估和验证设计方案的关键步骤。
下面介绍了一些常见的计算准则：2.1 强度计算•应力计算：根据受力情况和零件的几何形状，计算零件上的应力分布，判断其是否满足强度要求。
•强度边界：确定零件的强度边界，即材料的屈服强度或破坏强度，确保零件在任何情况下都不会超过该边界。
2.2 刚度计算•变形计算：根据受力情况和零件的几何形状，计算零件的变形量，判断其是否满足刚度要求。
•振动计算：根据零件的质量和刚度，以及其工作环境的振动频率和幅度，计算零件的振动状况，确保运动的稳定性和正常工作。
2.3 耐久性计算•疲劳寿命计算：根据零件的应力分布和材料的疲劳性能，计算零件的疲劳寿命，以判断其是否满足使用寿命要求。
•腐蚀和磨损计算：根据工作环境的特点，计算零件的腐蚀和磨损情况，以确定材料的耐久性和维护准则。
3. 工具和软件为了实施机械零件的设计和计算，工程师可以使用各种工具和软件。
下面列举了一些常用的工具和软件：•CAD软件：用于设计和绘制机械零件的三维模型，如SolidWorks、AutoCAD等。
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）
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
第一章机械设计概述
N0个），在一定的工作条件下进行实验，如在经过 时间t后，还有Ns个正常工作，有Nf个损坏了，则 这批零件在该工作条件下能正常工作达到时间t的
可靠度R为
RNs N0Nf 1Nf
N0 N0
N0
我们称F=Nf/N0为零件的失效概率（即不可靠度）， 它与可靠度的和为1。
按可靠性理论，机械是零件的串联、并联或混 联系统。系统的可靠度取决于零件的可靠度。
n
RS1－Fi (i1,2, ,n) i1
式中，Fi为各个零件的失效概率。可见，并联系统 失效概率低于任一零件的失效概率，因此，其可靠 度高于任一零件的可靠度。
为了提高系统可靠度，在设计时可采取下列 措施： •在满足机器性能要求的前提下，力求结构简单， 零件数目少； •尽可能采用有可靠度保证的标准件； •安全系数要留有余地； •增加重要环节的备用系统； •合理规定维修期等。
•应使零件形状简单合理。 •适应生产条件和规模。 •合理选用毛坯类型。 •便于切削加工。 •便于装配和拆卸。 •易于维护和修理。
人机学要求 在结构设计中必须考虑安全问题，应优先采用具
有直接（本身）安全作用的结构方案。此外应使结构 造型美观，操作舒适，有利于环境保护。
第七节 机械零件的标准化
机械零件的标准化，就是对零件的尺寸、结构要 素、材料性能、检验方法、设计方法、制图要求等， 制定出各种大家共同遵守的标准。
一般来讲各种零件都应满足一定的强度要求， 因而强度准则是零件设计最基本的准则。
二、刚度准则
刚度指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。
其表达式为
y≥[y]
y——弹性变形量； [y]——许用变形量。
弹性变形量可用各种求变形量的理论或实验方 法确定，而许用变形量则应随不同的使用场合，按 理论或经验来确定其合理的数值。
机械零件设计和计算准则
机械零件设计和计算准则机械零件是机械设备中的一个重要组成部分，其设计和计算的准则对于机械设备的使用性能、安全性等方面起着重要的作用。
下面，我将详细介绍机械零件设计和计算的准则。
1.强度准则机械零件的强度是指其抵抗外力、外载荷作用下变形和损坏的能力。
在机械零件的设计和计算中，必须遵循强度准则，确保零件能够承受预期的载荷，并保持其稳定的工作状态。
强度计算通常包括静态强度计算和疲劳强度计算两个方面。
静态强度计算是通过分析零件在预期荷载作用下的受力情况，考虑到弯曲、剪切、压缩、拉伸等不同载荷形式，来判断零件是否能够满足强度要求。
常用的方法包括理论计算、有限元分析等。
疲劳强度计算是考虑到零件在循环载荷下的疲劳寿命，避免因长期受到变化载荷的影响而导致零件的疲劳破坏。
疲劳强度计算通常采用S—N 曲线法或极限理论等方法。
2.常规尺寸准则机械零件的设计应符合常规尺寸准则，即遵循标准尺寸和公差范围的要求。
常规尺寸准则的目的是确保零件的互换性和可制造性。
在机械零件的设计中，应尽量使用标准尺寸和公差，减少特殊尺寸和特殊公差的使用，以降低成本和提高生产效率。
同时，还需考虑零件的装配性和可维修性，确保零件在使用过程中的可靠性和稳定性。
3.材料选择准则机械零件的材料选择是保证零件强度和使用寿命的重要因素。
在材料选择时，需要考虑以下准则：（1）强度和硬度：材料的强度和硬度要与零件的强度要求相匹配，以保证零件在工作状态下不会变形或破坏。
（2）耐磨性：机械零件在使用过程中会受到磨损的影响，因此选择具有良好耐磨性的材料能够延长零件的使用寿命。
（3）耐腐蚀性：机械零件在一些特殊环境下可能接触到腐蚀介质，因此选择具有良好耐腐蚀性的材料可以保证零件在恶劣环境下的使用寿命。
（4）成本和可加工性：材料的成本和可加工性也是选择的重要考虑因素，需要综合考虑零件的使用要求和生产成本。
4.可靠性准则机械零件的可靠性是指零件在使用过程中不发生故障或失效的能力。
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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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
计算载荷=K ×名义载荷
载荷系数
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
二、应力
静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力 变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力 变应力：稳定变应力（随时间作周期性）、不稳定变应力 （非周期性循环变应力）
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
五、机械零件现代设计方法
优化设计：
模拟设计：
CAD/CAM
有限元 优化与仿真结合
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
6-2 机械零件的工作能力准则
一、机械零件常见失效形式
二、工作能力准则 三、强度准则 四、刚度准则 五、耐磨性准则
六、振动稳定性准则
针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形
典型零部件：轴、齿轮、 带轮等
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
四、刚度准则
刚度：材料抵抗弹性变形的能力 刚度准则：实际变形量≤许用变形量 倾角条件：θ≤[θ]
弯曲刚度：挠度条件： y ≤[y]
扭曲刚度：扭角条件：j ≤ [j]
针对失效形式：过大的弹性变形
三、机械零件设计过程
零件设计时的共性： 受力分析、 失效形式 设计准则、 设计计算
工作原理、结构、 类型、应用场合
过程： 1、拟订零件的设计简图 2、确定载荷的大小及位置 3、选择材料 4、根据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数 5、绘制零件工作图
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
机 械 零 件
通用 零件
联接件：螺栓、键、花键 支承件：轴、轴承
其它：联轴器、弹簧、机架
专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴,飞机螺旋桨
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
二、机械零件设计基本要求
1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能 2、工作可靠，在预定的工作期限内不能失效 3、经济性要求
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
四、机械零件传统设计方法
理论设计(半经验设计)：
尺寸
校核计算
强度条件(或刚度) 设计计算
强度条件(或刚度)
类比设计： 与已有的同类产品进行比较来设计新产品。这种方法在 工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠 经验设计： 根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，缺 乏创新 模型实验设计： 用于大型、复杂零件的设计
m
稳定变应力：对称循环变应力、 脉动循环变应力、非对称循环变 应力
max min
t
t
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
应力参数
m
max min
以正应力为例 最大应力: max= m+a 最小应力: min 应力幅: a max min a 2 平均应力: m 循环特征: r
振动稳定性准则：0.85f >fp 或 1.15f<fp 针对失效形式：共振产生的工作失常
典型零部件：轴等
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
七、耐热性准则
高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、 附加热应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间 的间隙，降低精度等 耐热性准则：工作温度低于许用值
n
F
例如轴可能的失效形式：
断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
二、工作能力准则
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” 如： 吊钩最大起重量——50 kN 工作能力或承载能力——50 kN 工作能力准则：衡量零件工作能力的指标 对零件设计，针对其主要失效形式选择适 合的工作能力准则进行设计 具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准 则、振动稳定性准则、耐热性准则
针对失效形式：零件表面破坏 典型零部件：齿轮、轴承、链等
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
六、振动稳定性准则
共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变化频 率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急 剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等 振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值
典型零部件：轴、蜗杆等
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
五、耐磨性准则
耐磨性：零件抗磨损的能力 磨损是相当复杂的物理化学过程 影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑 剂的化学性质和物理性质等 具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲 蚀磨损、微动磨损 耐磨性准则： P
50 kN
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
三、强度准则
机械零件工作能力的最基本准则 强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力 强度准则：工作应力≤许用应力 σ≤ [σ] 或 τ≤ [τ]
正应力： [ ]
lim S
lim S
极限应力
剪应力： [ ]
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
6-1 机械零件机械零件设计概述
一、机械零件分类 二、机械零件设计基本要求 三、机械零件设计过程 四、机械零件传统设计方法
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
一、机械零件分类
机器：机械、机构的总称
构件——运动的单元 零件——制造的单元 传动件：齿轮、蜗杆、带、链
针对失效形式：高温引起的润滑不良、蠕变
典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
6-3 许用应力和安全系数
一、载荷
二、应力
三、极限应力
四、许用应力和安全系数
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
一、载荷
载荷：作用于零件上的力或力矩 工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷
七、耐热性准则
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
一、机械零件常见失效形式
失效：丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指 破坏 常见主要失效形式有： 断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂 表面点蚀：工作表面片状剥落 强度问题 塑性变形：零件发生永久性变形 过大弹性变形 刚度问题 表面破坏 耐磨性问题 过大振动和噪声、过热等
r
t
max min m 2