机械零件设计概论

用σlim 表示
材料某个机械性能极限值
许用应力（ allowable stress ） 计算应力允许达到的
用[ σ ]表示
最大值
3. 安全系数（ safety factor ） 极限应力与许
安全系数 用应力的比值
S
?
? lim [? ]
安全系数计算值 极限应力与计 算应力的比值
引入安全系数的原因：
2
σ min
变应力的循环特性 :
σ
-1 ----对称循环变应力
r = σmin = -01 ≤ -r--≤-脉+动1循环变应力
σ max
+1 ----静应力
σ=常数
σ
Tσa
σa
σmax o
σmin σm
静应力是变应力的特例
σ
r =+1
σmax
r = -1 σa
σmin
σa
to
o
t
σ σmax
r =0 σa σa
▲ 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 ;
不管脆性材料或塑性材料，
▲ 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂 ;
▲ 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。
▲ 断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。
1、疲劳曲线
σ
应力σ与应力循环次数 N 之间
的关系曲线称为： 疲劳曲线
[ σ ] = σs S
脆性材料：取强度极限 σB 作为极限应力 ,许用应力为：
[ σ ] = σB
S
变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。 表面光滑
疲劳断裂过程：
▲零件表层产生微小裂纹；
▲随着循环次数增加，微裂
纹逐渐扩展； ▲当剩余材料不足以承受载
荷时，突然脆性断裂。
表面粗糙
疲劳断裂是与应力循环次数 (即使用寿命 )有关的断裂。 疲劳断裂具有以下特征：
如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为
失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 原因。对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件
强度条件： 计算应力 < 许用应力；
刚度条件： 变形量 < 许用变形量； 防止失效的判定条件是：
计算量 < 许用量 ----工作能力计算准则。
一、 基本概念 1. 载荷（load）
作用在零件上的外力
公称载荷（ nominal load ） 按理论力学方法计
用Fn、Mn、Tn表示
算出来的载荷
计算载荷（ calculated load ） 考虑动力参数、工
用Fca、Mca、Tca表示
作阻力的变动而计
≥ S Sca
?
? lim ? ca
① 应力计算时的载荷不精确性；
② 力学模型与实际状况的差异；
③ 材料机械性能的不均匀性；
④ 零件使用场合的重要性。
9.2.2 材料的疲劳特性
一、应力的种类
静应力: σ=常数
变应力: σ随时间变化
平均应力 :
σm
=
σ max
+ 2
σ min
应力幅:
σa
=
σ max
编制技术文件
9.2 机械零件的主要失效形式和工作能力
9.2.1机械零件的主要失效形式 机械零件的失效： 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。
零件的失效形式 : ① 断裂; ② 过大的弹性变形或塑性变形 ; ③ 工作表面损伤失效（腐蚀、磨损和接触疲劳）； ④ 发生强烈的振动；联接的松弛 ; 摩擦传动的打滑等。 失效并不简单地等同于零件的破坏。
max
??
2
min
?
200 ? 100 2
?
150
? 200
?a
50 0 ? min
-100
? max
?a
Leabharlann Baidu
?m
t
注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由 静载荷产生
σ
a
t
0
10
静应力下的许用应力
静应力下，零件材料的破坏形式： 断裂或塑性变形
塑性材料，取屈服极限 σS 作 为极限应力 ,许用应力为：
σm
to
σmin
t
循环变应力
对称循环变应力
脉动循环变应力
例1 已知：? max=200N/mm 2，r =－0.5，求：? min、? a、? m。
解：
? min ? r ?? max ? ? 0.5 ? 200 ? ? 100
?m
?
? max
? ? min
2
?
200 ? 100 2
?
50
?
a
?
?
机械设计应满足的基本要求：①功能要求 ②可 靠性与安全性要求 ③经济性要求 ④社会性要求 ⑤其它特殊要求 。
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。
9.2.2 机械设计的一般设计程序 产品规划 概念设计 构形设计
技术审定和产品鉴定
σ
1]
=
εσ βσ-1 kσ S
当应力是 脉动循环变化时，许用应力为：
[
σ0
]
=
εσ βσ 0 kσ S
σ0 为材料的 脉动循环疲劳极限， S为安全系数。以上各 系数均可机械设计手册中查得。 以上所述为“无限寿命” ，
有限寿命时，用 σ-1N代入得：
由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试
σ-1N
验表明，当 N>N0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循
环时试件将不会断裂。
当N >N0 时,试件将不会断裂。O
N
σ-1 N
N0
N0 ----循环基数
N0 对应的应力称为： 疲劳极限
用σ-1表示材料在对称循环应力下的 弯曲疲劳极限。
当N<N0 时, 有近似公式：
Fca ? KFn
算出的载荷
K—载荷系数（工况系数）
2. 应力（stress）
按材料力学公式求出 的作用在零件剖面上
工作应力（ working stress ） 的应力
计算应力（ calculated stress ）
按一定的强度理论求
用 σ ca 表示
出的与单向拉伸同等
作用的应力
极限应力（ ultimate stress ）
第九章 机械零件设计概论
9.1 机械设计的基本要求和一般设计程序 9.2 机械零件的主要失效形式和工作能力 9.3 机械零件的设计准则和一般设计步骤 9.4 机械零件的材料及选择 9.5 摩擦、磨损与润滑 9.6 机械零件的结构工艺性及标准化
9.1 机械设计的基本要求和一般设计程序
9.1.1 机械设计的基本要求
σ
m -1
N
N
=
σ
m -1
N
0
=
C
对应于 N
的弯曲疲劳极限： σ-1N
= σ-1 m
N0 N
2、许用应力
在变应力，应取材料的 疲劳极限 作为极限应力。同
时还应考虑零件的 切口和沟槽 等截面突变、 绝对尺寸
和表面状态等影晌，为此引人应力集中系数 kσ、尺寸
系数εσ和表面状态系数 β等。 当应力是对称循环 变化时，许用应力为： [