第一章机械设计概述

平均应力：
m
m
ax min
2
对称循环:σm=
0;
σa=σmax
应
力
幅：
a
m
ax m
2
in脉动循环:σm=σa=σmax
/
2
注意： 变载荷 → 变应力 静载荷 → 静应力 或？变应力
静载荷产生变应力
第三节 机械零件的失效形式
机械零件由于某些原因不能正常工作，称为失效。 一、断裂
零件在外载荷作用下，由于 某一危险截面上的应力超过零件 的强度极限时所发生的断裂或当 零件在循环变应力的作用下危险 截面所发生的疲劳断裂。
品、纺织、造纸机器不得污染产品等。
二、机械设计的一般程序 确定设计任务 拟定总体方案 总体结构设计 零部件设计 鉴定和评价
第二节 载荷与应力分析
一、载荷分析
1、载荷形式
集中力F（N） 转矩T（Nm） 弯矩M（Nm） 功率P（W）
2、载荷分类
按载荷与时间 的关系分类
静载荷
不随时间变化或变化 缓慢的载荷
承受工作载荷的能力 有足够的强度、刚度。 保持使用性能的能力 在工作环境下长期工作，能保持原来 的形状、尺寸、精度；耐腐蚀、高温、潮湿等。 其他要求 如重量轻、美观等。
2、满足工艺性要求
在满足使用要求的前提下，要考虑机械零件的毛坯制造（铸 造、锻压、焊接、冷冲压等）、热处理、机械加工和修理方便、 以及便于回收利用等，选择零件的材料。还应注意到，不同的复 杂程度、尺寸、加工批量，对加工方法和材料的选择有很大的影 响。还要考虑本单位具有的加工条件和外单位协作的可能性。
对于疲劳寿命，通常是求出零件在预定使用寿 命时的疲劳极限作为计算的依据。疲劳寿命的计算 准则常采用 S≥[S] 的形式。
迄今为止，还未能提出实用有效的腐蚀寿命计算 方法，因而也无法列出腐蚀的计算准则。 四、振动稳定性准则
振动稳定性是指高速机器抵抗失稳的能力。 计算准则为 fp＜0.85 f 或 fp＞1.15 f fp——周期性载荷的作用频率； f——机械系统的固有频率。
标准化工作实际上包括3方面内容，即标准化、系 列化和通用化。系列化是指在同一基本结构下，规定 若干个规格尺寸不同的产品，形成产品系列，以满足 不同的使用条件。通用化是指在同类型机械系列产品 内部或在跨系列的产品之间，采用同一结构和尺寸的 零部件，使有关的零部件特别是易损件，最大限度地 实现互通互换。
在机械结构设计过程中，要充分考虑以下各方 面的基本要求。
功能要求 使用要求 结构工艺性要求 人机学要求
功能要求
机械零件结构设计就是将原理设计方案具体化， 即构造一个能够满足功能要求的三维实体零部件。概 括地讲，各种零件的结构功能主要有承受载荷、传递 运动和动力以及保证或保持有关零部件之间的相对位 置或运动轨迹关系等。功能要求是结构设计的主要依 据和必须满足的要求。当具有两种以上功能要求时， 应分清主次，在优先满足主要功能的前提下，尽量满 足其他功能要求。
其表达式为
[]lim
S
——零件危险截面或工作表面上的工作应力；
[]——许用应力；
lim——极限应力，对受静应力的脆性材料，如铸
铁受拉伸取抗拉极限；对受静应力的塑性材料取
屈服极限；对受变应力的零件取疲劳极限 ；
S——安全系数，考虑各种偶然或难以精确分析的
因素的影响。
另一表达方式
S≥[S]
[S]——许用安全系数
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。
腐蚀 金属表面与周围的介质发生的电化学或化学 侵蚀的现象。
滚动轴承滚道的疲劳点蚀
齿轮齿面接触疲劳点蚀
滚动轴承外圈滚道的磨损
轴瓦的磨损
四、破坏正常工作条件引起的失效
例如： V带传动当传递的有效圆周力大于摩擦力的极
限值时将发生打滑失效； 高速转动的零件当其转速与系统的固有频率相
一致时会发生共振，以致引起断裂失效； 液体润滑的滑动轴承当润滑油膜被破坏时将发
标准化带来的优越性表现为：
能减轻设计工作量，缩短设计周期，有利于设计人员 将主要精力用于关键零部件的设计上。
便于建立专门工厂采用最先进的技术大规模地生产标 准零部件，有利于合理使用原材料、节约能源、降低 成本、提高质量和可靠性、提高劳动生产率。
增大互换性，便于维修。 便于产品改进，增加产品品种。 采用与国际标准一致的国家标准，有利于产品走向国 际市场。
•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。
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。
本章结束
第五节 机械零件的材料选择
材料选择是机械设计中的重要环节。机械零件 的材料对其性能、加工方法、经济性等都有很大的 影响。随着工程实际对现代机器和零件要求的不断 提高，以及各种新材料的不断出现，合理选择零件 材料已成为提高零件质量、降低成本的重要手段。
一、机械零件的常用材料
金属材料
黑色金属
铁 ：灰铸铁、球墨铸铁… (如：TH300 QT500-5)
功能要求
能实现机器的预定功能，并在预定环境条件 和工作期限内可靠地工作。
经济性要求 要求设计、制造和使用机器的费用少，并且
效率高。
操作方便 运行安全
要求设计的机器操作简便、省力；必要时可 安装安全防护和保险装置；尽可能降低机器 的噪声；美化机器的外观造型等，并应妥善 处理人和机器间的各个联系环节。
其它特殊要求 如巨型机器要便于安装、拆卸和运输；食
σ=常数
应最平力大小均 O
t
O
t
应幅力
非对称循环变应力
静应力
2、变应力主要参数
循环特性系数： r
min max
——表示应力变化的情况
对称循环— r = −1； 脉动循环— r = 0；
非对称循环— r≠ 0 且 | r | ≠ 1; 静应力— r = +1
用σr 表示循环特征为 r 的变应力。如 σ-1、σ0等
三、寿命准则
影响零件寿命的主要失效形式是磨损、疲劳和腐 蚀，它们的产生机理、发展规律及对零件寿命的影响 是完全不同的，应分别加以考虑。
耐磨性是指零件在载荷作用下抵抗磨损的能力。 目前尚无公认的能够进行定量计算的方法。通常 为了保证零件具有良好的耐磨性，应运用摩擦学原理 设计零件的结构，选定摩擦副的材料和热处理、表面 状态、油品等。同时，给予合理而充分的润滑，以延 长零件的使用寿命。
钢 ：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢…
(如：08F 45
60 1Cr18Ni9）
有色金属 ： 铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1)…
高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维
非金属材料 陶 瓷:
强如钢、轻如铝、硬如金刚石
复合材料: 强度高、弹性模量大、质量轻
二、选择材料的原则 1、满足机械零件的使用要求
变载荷 随时间变化的载荷
在设计计算中，零件上的载荷还分为： •工作载荷 机械正常工作时所受的实际载荷 。 •名义载荷 根据额定功率用力学公式计算出的作用在 零件上的载荷。 •计算载荷 考虑零部件工作过程中载荷随时间作用的 不均匀性、载荷在零件上分布的不均匀性及其他影响 零件受载等因素，而对名义载荷进行修正而得到的近 似载荷。 •常用载荷系数K（K=K1K2…）来考虑这些因素的综 合影响。载荷系数K与名义载荷的乘积即为计算载荷。
机械设计
第一节 机械设计的基本要求和一般程序 第二节 载荷与应力分析 第三节 机械零件的失效形式 第四节 机械零件的计算准则 第五节 机械零件的材料选择 第六节 机械结构设计的基本要求 第七节 机械零件的标准化
第一章
机械设计概述
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第一节 机械设计的基本要求和一般程序
一、设计机器应满足的基本要求
二、应力分析 1、应力分类
按应力与时间 的关系分类
静应力
不随时间变化或变 化缓慢的应力
变应力 随时间变化的应力
循环变应力 随时间按一定规律变化的变应力
σ
σ
σmax σmin
σa σm
σa σmax
最应大小力 O
t
应幅力
对称循环变应力
O
脉动循环变应力
σ
σ
最 平 应大 均 力 应幅力
t
σm σa
σmin σmax
生胶合失效等。
第四节 机械零件的计算准则
机械零件不发生失效时的安全工作限度称为零件 的工作能力。对载荷而言零件的工作能力也可称为零 件的承载能力。
用计算的方法来保证零件有足够的工作能力，从 而避免失效，是常用的机械设计方法。计算依据的条 件称为计算准则。
一、强度准则
强度是指零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形 及某些表面损伤的能力。
使用要求 对于承受载荷的零件，为保证零件在规定的使用
期限内正常地实现其功能，在结构设计中应使零部件 的结构受力合理，降低应力，减少变形，以利于提高 零件的强度、刚度和延长使用寿命。
结构工艺性要求 机器及其组成零件要能最经济地制造和装配，应
具有良好的结构工艺性。机器的成本主要取决于制造 费用，因此工艺性与经济性是密切相关的。通常应从 以下几个方面考虑结构工艺性。
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。
五、散热性准则 当两个零件表面之间发生相对运动时，会由于
摩擦产生热量。如果生热过高或散热不良，就可能 使零件温度过度升高，破坏正常的润滑条件，甚至 导致两个金属表面粘着发生胶合。要满足散热性准 则，应对发热较大的零件（如蜗杆传动、滑动轴承 等）进行热平衡计算。
六、可靠性准则
零件的可靠度是指一批完全相同的零件（如有
3、满足经济性要求
在选择材料时，不仅要考虑材料的价格，而 且要考虑其加工成本，废品率等。还要考虑供应 问题，如所需材料的规格、尺寸是否能够及时得 到。
第六节 机械结构设计的基本要求
结构设计是机械设计的基本内容之一，也是设计 过程中涉及问题最多、工作量最大的环节。它在产品 的形成过程中起着十分重要的作用。
如：螺栓百度文库断裂
齿轮轮齿断裂实例
二、过大的变形
机械零件在载荷作用下工作时，可能发生过大的 弹性变形或由于零件上的应力超过材料的屈服极限产 生残余塑性变形。
齿轮齿面塑形变形
轴承外圈塑性变形
三、表面损伤
表面疲劳（亦称点蚀） 零件表面在接触变应力长 期作用下产生微粒剥落的现象。
磨损（主要指磨粒磨损） 两个接触零件表面在相 对运动过程中表面物质丧失或转移的现象。
若各个零件是统计独立的，串联系统的可靠度 是各个零件可靠度的乘积，即
n
RS Ri i1
(i1,2, ,n)
式中，RS是系统的可靠度；Ri是各个零件的可靠度。 可靠度是小于1的数，故串联系统的可靠度小于任一
零件的可靠度，且零件越多，可靠度越低。
并联系统的失效概率为各个零件失效概率的乘 积，可靠度为