机械设计基础 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

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

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

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。

• 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

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。

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）。

§6-2 机械零件的强度
•计算准则 :
， lim
S
， lim
S
•载荷：作用在零件上的 外力或外力矩。
•载荷的类型：动静载载荷荷
名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件 上的载荷。 载荷系数
计算载荷： 计算载荷=K×名义载荷
不随时间变化的应力。
静 应 力
对 称 循 环
1.应
－－曲率半径；
－－材料的泊松比；
E－－材料的弹性模量。
机械零件的接触强度
1. 失效形式：疲劳点蚀 2. 接触应力的计算
H
11
Fn
1 2
b 1 12 1 22
E1
E2
3. 接触疲劳强度的判定条件 HH，HS H H lim
式 中 Hl： i m实 验 测 得疲 的劳 材极 料限 的； 接
对 于 钢 ，H 经 li m2.验 7H 6公 B 7S式 0M： Pa
§6-3 机械零件的接触强度
1. 失效形式：疲劳点蚀
2. 接触应力的计算
由弹性力学知，当两个轴
线平行的圆柱体相互接触并受
压时，其接触面积为一狭长矩
形，最大接触应力发生在接触
区中线上，其值为:
H
11
Fn
1 2
b 1 12 1 22
E1
E2
式中：
－－
H
最大接触应力；
b－－接触长度；
Fn－－作用在圆柱体上载 的荷；
期
性
变应 非力 对 脉 动
成 循
性 环
循
环
非 周 期 性 变 应 力
平均应力
m
max
min 2
应力幅
a

第一章 概论
§1.1 机械、机器、机构及其组成 §1.2 本课程的内容、性质的任务 §1.3 机械设计的基本要求和设计 过程 §1.4 机械零件的工作能力及其计算准则 §1.5 机械零件的载荷、应力和许用应力 §1.6 机械零件的材料的选用原则 §1.7 机械设计的新发展
1.1 机械、机器、机构及组成
1.6 机械制造常用材料及其选择
3、铜合金
青铜 — 含锡青铜、不含锡青铜 种类： 黄铜 — 铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍 轴承合金（巴氏合金） 特点：良好的塑性和液态流动性； 良好的减摩性和抗腐蚀性。 零件毛坯获取方法：辗压、铸造。 应用：应用范围广泛。
二、非金属材料
1、橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。
4) 腐蚀磨损
在滚动或兼有滑动和滚动的高副申，如凸轮、齿轮等，受载时材料表层有很大的 接触应力。当载荷重复作用时，常会出现表层金属呈小片状剥落，而在零件表面 形成小坑，这种现象称为疲劳磨损或疲劳点蚀。 在摩擦过程申，与周围介质发生化学反应 或电化学反应的磨损，称为腐蚀磨
静应力是变应力的特例 1.5 机械零件的载荷、应力和许用应力
零件工作表面出现疲劳破坏或过度磨损 零件的弹性变形过大 零件发生强烈振动
2) 衡量零件工作能力的指标： 强度、刚度、抗磨性、耐热性、振动稳定性
1.4 机械零件的工作能力及其计算准则
三、机械零件的计算准则
强度计算准则 (整体强度和表面强度)： [ ] 刚度计算准则； 抗磨性计算准则：
[ ]
1.1 机械、机器、机构及组成
机 器
进气阀3 制造角度:由若干个机械零件装配面成的 。 运动角度:由若干个可以相对运动的构件组装而成的。
结构角度:由机构组成的，而机构则是由一些能相对 独立运动的构件组成的。 排气阀4

潘存云教授研制
注1意2 ：——两综零合件曲率之半间径;的接触应力
1 2 大小相等，方向相反。
σ σ 即： = E

2 E1 E2 E1 E2
——综合弹性模量; E1、 E2 圆柱体H的1弹性模H量2。
分别为两
接触疲劳强度的判定条件为：
H [ H ],
而[
H
]

H lim
初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹裂纹的扩展与断裂金属剥落出现小坑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20m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渡劳点蚀
第9章 机械零件设计概论
▲当剩余材料不足以承受载 荷时，突然脆性断裂。
潘存云教授研制
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：
▲ 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。
§9-1 机械零件设计概述 §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 极限与配合、表面粗糙度和优先数系 §9-7 机械零件的工艺性及标准化
§9-1 机械零件设计概述
一、机械设计的基本要求
具体要求如下： ▲使用功能要求
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

载荷和应力3
对称循环应力 r = -1、 m＝0
脉动循环应力 r=0、 min＝0
静应力 r=1
静应力只能由静载荷产生，变应力可能由变载荷或静载荷产生。
σ 0
a σ t 0
a
t
在变应力下，零件的主要失效形式为：疲劳破坏
另外，应力还分为
名义应力：根据名义载荷求得的应力 计算应力：根据计算载荷求得的应力
—→解决办法：合理设计 —→反抗失效＞失效
（一）基本概念
1、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，习惯上又称为承载能力。 2、设计准则：设计机械零件时，保证其工作能力而不发 生失效所依据的基本准则称为设计准则
（二）主要的设计准则 1、强度准则 • 机械零件工作能力的最基本准则
• 最大应力: max
• 最小应力: min • 应力幅: a • 平均应力: m • 循环特征: r
min 0
a m
r0
m t
max
2
静应力
• 应力表达： +1（ +1 ）
（1）按是否随时间变化，载荷分为：
静载荷
变载荷 由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。
（2）按是否考虑动载荷的影响，载荷分为：
名义载荷：理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷 计算载荷＝载荷系数K×名义载荷 载荷系数K：用于计入在实际工作中受到的各种动载荷 的影响。 额定载荷： 由原动机的额定功率推算出的载荷。
可靠度即零件在规定的使用条件下和在规定的使用时 内能安全或正常工作的概率。 可靠性准则就是要求所设计零件的工作可靠度不 小于规定值。
三、机械零件设计的一般步骤

Fn -------作用在圆柱体上的载荷;
Fn
b
12 -----综合曲率半径; 1 2
E
2E1E2 E1 E2
-----综合弹性模量; E1、 E2 圆柱体的弹性模量。
分别为两
接触疲劳强度的判定条件为：
H[H] , 而 [H]SH H lim
9－4 机械零 件的耐磨性
运动副摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。磨损会逐渐改 变零件尺寸和摩擦表面形状。零件抗磨损的能力称为耐磨性。
2) 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;
不管脆性材料或塑性材料，
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。
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;
摩擦传动的打滑等。
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。 机械零件设计的步骤：
3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。 选材因素： 设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题设计者应根据零件的用途、工作条件
和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。

滚动轴承钢（φ 29~50） 3
合金工具钢（φ 29~50） 3~20
4Cr9Si2耐热钢（φ 29~50） 5
灰铸铁铸件 0.85
碳素钢铸件 1.7
铜合金、铝合金铸件 8~10
3.铜合金
-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍
特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。
当应力是对称循环变化时，许用应力为：
当应力是脉动循环变化时，许用应力为：
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。
有限寿命时，用σ-1N代入得：
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
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
20 410 245 25
优质碳素结构钢
35 530 315 20 d≤ 25
零件毛坯获取方法：辗压、铸造。
应用：应用范围广泛。
种类
青铜
黄铜
轴承合金（巴氏合金）
-含锡青铜、不含锡青铜
二、非金属材料
1. 橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。
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。
碳素 结构钢
Q235 375-460 235 26 d≤ 16
Q275 490-610 275 20
§9－5 机械制造常用材料及其选择
一、金属材料
1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。