第9章机械零件设计概论_2.pptx
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机械零件相关设计概论讲义
材料
种类规格
相对价格
热轧圆刚 铸件
碳素结构钢Q235 （φ 33~42） 优质碳素钢 （φ 29~50） 合金结构钢（φ 29~50） 滚动轴承钢（φ 29~50） 合金工具钢（φ 29~50） 4Cr9Si2耐热钢（φ 29~50）
灰铸铁铸件 碳素钢铸件
铜合金、铝合金铸件
1 1.5~1.8 1.7~2.5
常用金 属材料
铸铁 ----含碳量>2% 钢 ----含碳量≤ 2% 铜合金
铁碳合金
1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。
特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。 较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本 低廉。 应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。 2.钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、
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：
m 1N
N
m1N0
C
对应于N
的弯曲疲劳极限： 1N
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
5) 绘制工作图并标注必要的技术条件。
§9－2 机械零件的强度
名义载荷-----在理想的平稳工作条件下作用在零件上 的载荷。 然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入
名义应力-----按名义载荷计算所得之应力。
载荷系数K----考虑各种附加载荷因素的影响。 计算载荷-----载荷系数与名义载荷的乘积。
静应力: σ =常数 变应力: σ随时间变化
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
机械零件设计概论(PPT21页)
根据化学成分
碳素钢 合金钢：18CrMnMo、20Cr、20CrMnTi等
铸钢：ZG270 500、ZQ42SiMn
铜合金
非金属：橡胶、塑料、 皮革、木材、纸板、棉 、丝等
2. 材料的选择：使用要求、工艺要求、经济要求
§6-6 公差与配合、表面粗糙度和优先数系
1. 公差与配合
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.10.2420.10.24Saturday, October 24, 2020
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。12:28:0212:28: 0212:2810/24/2020 12:28:02 PM
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.10.2412:28:0212:28O ct-2024-Oct-20
好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。下 午12时28分2秒 下午12时28分 12:28: 0220.10.24
一马当先，全员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.10.2420.10.2412: 2812:28:0212: 28:02Oct-20
牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。2020年10月24日 星期六12时28分2秒Saturday, October 24, 2020
★机械零件设计的一般步骤:
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； 5、绘制工作图并标注必要的技术条件。 注意:
1、通过设计计算出的零件尺寸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；
1、极限尺寸:
2、公差： 3、公差带： 4、配合：
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
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
机械零件设计概论
机械零件的失效： 机械零件曲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。
如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带
断裂或塑性变形;
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
过大的弹性变形;
2
变应力的循环特性:
σ
-1 = r min 0
+1 max
T
σ
σa
σa
σmax σmin σm o
----对称循环变应力 ----脉动循环变应力
----静应力
静应力是变应力的特例
σ
r =+1
σmax
σmin to
σa σa
σ=常数
o
t
σ
σmax
σa
σa
σm
t o σmin
t
循环变应力
对称循环变应力 r =-1
材料
种类规格
相对价格
碳素结构钢Q235 （φ 33~42）
1
优质碳素钢 （φ 29~50）
热轧圆滚合钢动金轴结承构钢钢（（φφ292~95~05）0）
合金工具钢（φ 29~50） 4Cr9Si2耐热钢（φ 29~50）
1.5~1.8 1.7~2.5
3 3~20
5
灰铸铁铸件 碳素铸钢件铸件
铜合金、铝合金铸件
磨损↑ →间隙↑、 精度↓、效率↓、振动↑、 冲击↑、噪音↑
据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。
磨损的主要类型 ：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。
《机械设计基础》第9章 机械零件设计概论
主要是加工后在零件表面留下的微细而凹凸不平的刀痕。
三、优先数系：是用来使型号、直径、转速、承载量和
功率等量值得到合理的分级。有四种基本系列：R5、 R10、 R20、 R40。
§9－7 机械零件的工艺性及标准化 一、工艺性
工艺性的基本要求： 1) 毛坯选择合理 2) 结构简单合理 3) 合理的制造精度和表面粗糙度 4) 尽量减小零件的加工量
有限寿命区
无限寿命区
N
N0
N
图9-3 疲劳曲线
有限寿命区：
m 1N
N
m 1
N
0
C
有限寿命区
无限寿命区
1N 1
1N
1 m
N0 N
O
N
N0
图9-3 疲劳曲线
N
C为常数；m为随应力状态而不同的幂指数， 如钢制零件弯曲时：m=9。
4、许用应力
在变应力下，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
二、标准化
标准化的内容: 1)产品品种规格的系列化 2)零部件的通用化 3)产品质量标准化
小结：
1.了解机械零件设计的步骤 2.掌握载荷及应力的分类、零件的失效形式 3.了解常用材料的应用及选择
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。
二、研究机械零件的一般步骤
1、分析零件结构、工作原理、特点和应用场合； 2、零件的工作情况分析（运动分析和动力分析）； 3、零件的失效分析及材料的选择（硬度、刚度、热处理）； 4、确定零件的工作能力准则； 5、计算（确定）零件的主要参数和尺寸; 6、 绘制零件工作图（尺寸、公差、技术要求、粗糙度）。
三、优先数系：是用来使型号、直径、转速、承载量和
功率等量值得到合理的分级。有四种基本系列：R5、 R10、 R20、 R40。
§9－7 机械零件的工艺性及标准化 一、工艺性
工艺性的基本要求： 1) 毛坯选择合理 2) 结构简单合理 3) 合理的制造精度和表面粗糙度 4) 尽量减小零件的加工量
有限寿命区
无限寿命区
N
N0
N
图9-3 疲劳曲线
有限寿命区：
m 1N
N
m 1
N
0
C
有限寿命区
无限寿命区
1N 1
1N
1 m
N0 N
O
N
N0
图9-3 疲劳曲线
N
C为常数；m为随应力状态而不同的幂指数， 如钢制零件弯曲时：m=9。
4、许用应力
在变应力下，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
二、标准化
标准化的内容: 1)产品品种规格的系列化 2)零部件的通用化 3)产品质量标准化
小结：
1.了解机械零件设计的步骤 2.掌握载荷及应力的分类、零件的失效形式 3.了解常用材料的应用及选择
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。
二、研究机械零件的一般步骤
1、分析零件结构、工作原理、特点和应用场合； 2、零件的工作情况分析（运动分析和动力分析）； 3、零件的失效分析及材料的选择（硬度、刚度、热处理）； 4、确定零件的工作能力准则； 5、计算（确定）零件的主要参数和尺寸; 6、 绘制零件工作图（尺寸、公差、技术要求、粗糙度）。
机械零件设计概论 ppt课件
机械零件设计概论
1
前言 机械零件设计概述
机械零件的强度 机械制造中常用材料及其选择 公差与配合、表面粗糙度和优先数列
机械零件的工艺性及标准化
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
非金属材料如塑料、橡胶等 。
一、金属材料
常用金属 材料
铸铁 含碳量>2% 钢 含碳量≤ 2% 铜合金
铁碳合金
1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。
特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减 震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。
应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。
•当σmax、σmin均维持常数→稳定交变应力 •当σmax和σmin的数值随时间而改变→不稳定的变应力
2.交变应力的特征及典型的交变应力
交变应力－随时间作周期性变化的应力
平均应 m 力 ma2 x： min
应力幅 a： ma2 xmin
16
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。具有以下特征：
失效形式→ 强度、刚度、振动稳定性、耐磨性、温度等。
准则：根据各种失效形式而定。但常根据一个或几个主要失 效形式确定。
10
1、强度准则
失效形式
计算准则
1. 整 体
静应→整体 力 破坏
整体断裂(脆性材料) 过大的残余变形
强
（塑性材料）
B S
静 强
S S 度
度 变应力 →疲劳破坏 →疲劳断裂 (塑、脆性材料)
1
前言 机械零件设计概述
机械零件的强度 机械制造中常用材料及其选择 公差与配合、表面粗糙度和优先数列
机械零件的工艺性及标准化
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
非金属材料如塑料、橡胶等 。
一、金属材料
常用金属 材料
铸铁 含碳量>2% 钢 含碳量≤ 2% 铜合金
铁碳合金
1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。
特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减 震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。
应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。
•当σmax、σmin均维持常数→稳定交变应力 •当σmax和σmin的数值随时间而改变→不稳定的变应力
2.交变应力的特征及典型的交变应力
交变应力－随时间作周期性变化的应力
平均应 m 力 ma2 x： min
应力幅 a： ma2 xmin
16
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。具有以下特征：
失效形式→ 强度、刚度、振动稳定性、耐磨性、温度等。
准则：根据各种失效形式而定。但常根据一个或几个主要失 效形式确定。
10
1、强度准则
失效形式
计算准则
1. 整 体
静应→整体 力 破坏
整体断裂(脆性材料) 过大的残余变形
强
（塑性材料）
B S
静 强
S S 度
度 变应力 →疲劳破坏 →疲劳断裂 (塑、脆性材料)
第9章机械零件设计概论new
油
武汉科技学院专用
裂金纹属初的剥始扩落疲展出劳与现裂断小纹裂坑
由弹性力学可知，应力为：
Fn
H
11
Fn •
1 2
b
1 12
1
2 2
E1
E2
ρ1
σH
σH
b
令 : 12 E 2E1E2 代入化简得 :
ρ2
1 2
E1 E2
Fn
H
1
• FnE
2 (1 2 ) b
0.418
Fn E
b
ρ1 ρ2
如齿轮、凸轮、滚动轴承等机械零件，都是通过很 小的接触面积传递载荷的，因此他们的承载能力不 仅取决于整体强度，还取决于接触表面的接触强 度。。
武汉科技学院专用
§9－3 机械零件的接触强度
机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的， 在载荷重复作用下，首先在表层内约20μm处产生初 始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹 中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈 小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑 ，这 种现象称为疲劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触 面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能 力，并引起振动和噪声 。 接触强度的失效形式常表现为：疲劳点蚀
却的热处理方法。主要用来消除内应力、降低硬度，便于切削。
正火：将钢加热到一定温度，保温一定时间后，空冷或风冷的热
处理方法。可消除内应力，降低硬度，便于切削加工；对一般零 件，也可作为最终热处理，提高材料的机械性能。
武汉科技学院专用
二、静应力下的许用应力
淬火：将钢加热到一定温度，保温一定时间后，浸入到淬火介质
而后冷却下来，以调整和改善钢性能的一种热处理操作。回火可 武以汉科降技学院低专用脆性，消除或减少内应力。
武汉科技学院专用
裂金纹属初的剥始扩落疲展出劳与现裂断小纹裂坑
由弹性力学可知，应力为：
Fn
H
11
Fn •
1 2
b
1 12
1
2 2
E1
E2
ρ1
σH
σH
b
令 : 12 E 2E1E2 代入化简得 :
ρ2
1 2
E1 E2
Fn
H
1
• FnE
2 (1 2 ) b
0.418
Fn E
b
ρ1 ρ2
如齿轮、凸轮、滚动轴承等机械零件，都是通过很 小的接触面积传递载荷的，因此他们的承载能力不 仅取决于整体强度，还取决于接触表面的接触强 度。。
武汉科技学院专用
§9－3 机械零件的接触强度
机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的， 在载荷重复作用下，首先在表层内约20μm处产生初 始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹 中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈 小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑 ，这 种现象称为疲劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触 面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能 力，并引起振动和噪声 。 接触强度的失效形式常表现为：疲劳点蚀
却的热处理方法。主要用来消除内应力、降低硬度，便于切削。
正火：将钢加热到一定温度，保温一定时间后，空冷或风冷的热
处理方法。可消除内应力，降低硬度，便于切削加工；对一般零 件，也可作为最终热处理，提高材料的机械性能。
武汉科技学院专用
二、静应力下的许用应力
淬火：将钢加热到一定温度，保温一定时间后，浸入到淬火介质
而后冷却下来，以调整和改善钢性能的一种热处理操作。回火可 武以汉科降技学院低专用脆性，消除或减少内应力。
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第9章 机械零件设计概论
§9－1 机械零件设计概论 §9－2 机械零件的强度 §9－3 机械零件的接触强度 §9－4 机械零件的耐磨性 §9－5 机械制造常用材料及其选择 §9－6 公差与配合、表面粗糙度和优先数系 §9－7 机械零件的工艺性及标准化
中南大学专用
作者： 潘存云教授
§9－1 机械零件设计概论
中南大学专用
作者： 潘存云教授
四、安全系数 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响 S↑ → 零件尺寸大，结构笨重。 S↓ → 可能不安全。 典型机械的 S 可通过查表求得。 无表可查时，按 以下原则取：
1）静应力下，塑性材料的零件：S =1.2～１.5 铸钢件：S =1.５～２.5
２）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁： S =3～4
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：
m 1N
N
m 1
NHale Waihona Puke 0C对应于N
的弯曲疲劳极限： 1N
1 m
N0 N
中南大学专用
作者： 潘存云教授
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
]
s
S
脆 作为性极材限料应：力取强,许度用极应限力σ为B ：[
]
B
S
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;
不管脆性材料或塑性材料，
2) 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;
3) 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。它的初期现象是
失效形式常表现为：疲劳点蚀
机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的， 在载荷重复作用下，首先在表层内约20μm处产生初始 疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将 产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片 状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑 ，这种现象
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：[
1 ]
k S
1
当应力是脉动循环变化时，许用应力为：[
0
]
k S
0
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： [ 1]
1
k S
m
N0 N
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，直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷
时，就突然断裂。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
疲劳断裂是与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂。
中南大学专用
作者： 潘存云教授
3）变应力下，
S =1.3～1.7
材料不均匀，或计算不准时取： S =1.7～2.5
中南大学专用
作者： 潘存云教授
§9－3 机械零件的接触强度
若两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后，
由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表
层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。
这时零件强度称为接触强度。 如齿轮、凸轮、滚动轴承等。
的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标谁、规格加以圆整
5) 绘制工作图并标注必要的技术条件。
中南大学专用
作者： 潘存云教授
§9－2 机械零件的强度
名义载荷-----在理想的平稳工作条件下作用在零件上 的载荷。 然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入
名义应力-----按名义载荷计算所得之应力。
载荷系数K----考虑各种附加载荷因素的影响。 计算载荷-----载荷系数与名义载荷的乘积。
计算应力-----按名义载荷计算所得之应力： σ、τ
强度判 定条件：
[ ] [ ]
其中
[
]
lim
S
[ ] lim
S
[σ]=、[τ]-----许用应力 S-----安全系数
σlim、τ lim -----极限应力，由实验方法测定。
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。 机械零件设计的步骤：
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 ; 注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用
静应力是变应力的特例
σ
r =+1
σmax
σmin to
σa σa
σ=常数
o
t
σ
σmax
σa
σa
σm
t o σmin
t
循环变应力
中南大学专用
对称循环变应力 r =-1
脉动循环变应力
r =0
作者： 潘存云教授
二、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 作为性极材限料应，力取屈,许服用极应限力σ为S ：[
如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带
断裂或塑性变形;
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
过大的弹性变形;
零件的失效形式: 工作表面的过度磨损或损伤;
发生强烈的振动；联接的松弛;
中南大学专用
摩擦传动的打滑等。
作者： 潘存云教授
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
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
由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试 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
σ-1N
N
σ-1
N N0
N0 ----循环基数
N0 对应的应力称为：疲劳极限
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。
机械零件的失效： 机械零件曲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。
中南大学专用
作者： 潘存云教授
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:
m
max
min
2
应力幅:
a
max
min
2
变应力的循环特性:
σ
-1 = r min 0
+1 max
T
σ
σa
σa
σmax σmin σm o
----对称循环变应力 ----脉动循环变应力
----静应力
§9－1 机械零件设计概论 §9－2 机械零件的强度 §9－3 机械零件的接触强度 §9－4 机械零件的耐磨性 §9－5 机械制造常用材料及其选择 §9－6 公差与配合、表面粗糙度和优先数系 §9－7 机械零件的工艺性及标准化
中南大学专用
作者： 潘存云教授
§9－1 机械零件设计概论
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作者： 潘存云教授
四、安全系数 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响 S↑ → 零件尺寸大，结构笨重。 S↓ → 可能不安全。 典型机械的 S 可通过查表求得。 无表可查时，按 以下原则取：
1）静应力下，塑性材料的零件：S =1.2～１.5 铸钢件：S =1.５～２.5
２）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁： S =3～4
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：
m 1N
N
m 1
NHale Waihona Puke 0C对应于N
的弯曲疲劳极限： 1N
1 m
N0 N
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作者： 潘存云教授
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
]
s
S
脆 作为性极材限料应：力取强,许度用极应限力σ为B ：[
]
B
S
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;
不管脆性材料或塑性材料，
2) 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;
3) 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。它的初期现象是
失效形式常表现为：疲劳点蚀
机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的， 在载荷重复作用下，首先在表层内约20μm处产生初始 疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将 产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片 状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑 ，这种现象
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：[
1 ]
k S
1
当应力是脉动循环变化时，许用应力为：[
0
]
k S
0
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： [ 1]
1
k S
m
N0 N
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，直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷
时，就突然断裂。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
疲劳断裂是与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂。
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3）变应力下，
S =1.3～1.7
材料不均匀，或计算不准时取： S =1.7～2.5
中南大学专用
作者： 潘存云教授
§9－3 机械零件的接触强度
若两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后，
由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表
层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。
这时零件强度称为接触强度。 如齿轮、凸轮、滚动轴承等。
的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标谁、规格加以圆整
5) 绘制工作图并标注必要的技术条件。
中南大学专用
作者： 潘存云教授
§9－2 机械零件的强度
名义载荷-----在理想的平稳工作条件下作用在零件上 的载荷。 然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入
名义应力-----按名义载荷计算所得之应力。
载荷系数K----考虑各种附加载荷因素的影响。 计算载荷-----载荷系数与名义载荷的乘积。
计算应力-----按名义载荷计算所得之应力： σ、τ
强度判 定条件：
[ ] [ ]
其中
[
]
lim
S
[ ] lim
S
[σ]=、[τ]-----许用应力 S-----安全系数
σlim、τ lim -----极限应力，由实验方法测定。
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。 机械零件设计的步骤：
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 ; 注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用
静应力是变应力的特例
σ
r =+1
σmax
σmin to
σa σa
σ=常数
o
t
σ
σmax
σa
σa
σm
t o σmin
t
循环变应力
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对称循环变应力 r =-1
脉动循环变应力
r =0
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二、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 作为性极材限料应，力取屈,许服用极应限力σ为S ：[
如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带
断裂或塑性变形;
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
过大的弹性变形;
零件的失效形式: 工作表面的过度磨损或损伤;
发生强烈的振动；联接的松弛;
中南大学专用
摩擦传动的打滑等。
作者： 潘存云教授
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
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
由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试 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
σ-1N
N
σ-1
N N0
N0 ----循环基数
N0 对应的应力称为：疲劳极限
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。
机械零件的失效： 机械零件曲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。
中南大学专用
作者： 潘存云教授
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:
m
max
min
2
应力幅:
a
max
min
2
变应力的循环特性:
σ
-1 = r min 0
+1 max
T
σ
σa
σa
σmax σmin σm o
----对称循环变应力 ----脉动循环变应力
----静应力