机械零件设计基础
机械设计基础第9章机械零件设计概论(六-1)
一）强度准则
强度准则是指零件中的应力不得超过许用值。
即： σ ≤ σlim
σlim ----材料的极限应力
脆性材料：σlim = σB (强度极限)
延伸率 < 5％
塑性材料：σlim = σS (屈服极限) 延伸率 > 5％
为了安全起见，引入安全系数S，得：
B
如齿轮、凸轮、滚动轴承等。
潘存云教授研制
潘存云教授研制
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。
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
▲使用功能要求 ▲经济性要求 ▲劳动保护要求 ▲可靠性要求 ▲其它专用要求
机器的可靠度——指在规定的使用时间内和预定的环 境下机器能够正常工作的概率。
机器由于某种故障而不能完成预定的功能称为失 效，它是随机发生的，其原因是零件所受的载荷、环 境温度、零件本身物理和机械性能等因素是随机变化 的。为了提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零 件性能两个方面使其变化尽可能小。
▲使用功能要求 ▲经济性要求 ▲劳动保护要求 ▲可靠性要求 ▲其它专用要求
其它专用要求——针对不同机器所特有的要求。例如： 1)对机床有长期保持精度的要求； 2)对飞机有质量小，飞行阻力小而运载能力大的要求；
3)对流动使用的机器有便于安装和拆卸的要求；
4)对大型机器有便于运输的要求等等。
《机械设计基础》教案
《机械设计基础》教案一、教学目标1. 知识与技能：（1）了解机械设计的基本原理和方法；（2）掌握机械零件的主要参数和选型依据；（3）熟悉机械系统的运动分析和动力分析；（4）能够运用机械设计软件进行简单的机械设计。
2. 过程与方法：（1）通过案例分析，培养学生的创新意识和解决问题的能力；（2）利用模拟实验和实际操作，提高学生的动手能力和实践能力；（3）采用小组讨论和课堂讲解，培养学生的团队协作和沟通能力。
3. 情感态度与价值观：（1）培养学生对机械设计的兴趣和热情；（2）增强学生对机械工程领域的认同感和责任感；（3）培养学生追求卓越、精益求精的职业精神。
二、教学内容第1课时：机械设计概述1. 机械设计的意义和任务2. 机械设计的过程和方法3. 机械设计师的要求和素质第2课时：机械零件的设计方法1. 机械零件的设计原则2. 机械零件的选材和加工3. 机械零件的强度计算和校核第3课时：机械系统的运动分析1. 机械系统的自由度和平衡条件2. 机械系统的运动学分析3. 机械系统的动力学分析第4课时：机械系统的动力分析1. 机械系统的动力源和动力传递2. 机械系统的负载分析和计算3. 机械系统的动力性能优化第5课时：机械设计实例分析1. 机械设计案例介绍2. 机械设计案例分析3. 机械设计案例总结和启示三、教学资源1. 教材：《机械设计基础》2. 辅助材料：PPT课件、教学图样、设计软件教程3. 实验设备：机械设计实验台、测量工具、模拟实验器材四、教学过程1. 导入：通过展示实际机械产品，引发学生对机械设计的兴趣，激发学习动机。
2. 讲解：结合PPT课件和教材，讲解本节课的重点内容，引导学生主动思考和提问。
3. 案例分析：分析机械设计实例，让学生了解机械设计的过程和方法，培养学生的创新意识和解决问题的能力。
4. 实践操作：安排学生进行模拟实验或实际操作，巩固所学知识，提高学生的动手能力和实践能力。
5. 小组讨论：组织学生进行小组讨论，分享学习心得和设计思路，培养学生的团队协作和沟通能力。
机械零件设计的基本准则与步骤
机械零件设计的基本准则与步骤引言机械零件设计是机械工程中非常重要的一环。
它涉及到零件的功能、结构、材料、加工工艺等方面的考虑。
在设计过程中，遵循一定的准则和步骤可以提高设计的效率和质量。
本文将介绍机械零件设计的基本准则与步骤，以帮助工程师们更好地完成机械零件的设计工作。
一、机械零件设计准则在进行机械零件设计时，需要考虑以下准则：1. 功能性机械零件的设计首先要满足其预定的功能要求。
因此，在设计之初，需要明确该零件的功能需求，并结合整个机械系统的工作原理和要求，确定该零件所承担的功能角色。
在设计过程中，要时刻关注功能性需求，确保设计的零件能够准确、可靠地完成其预定的功能。
2. 结构合理性机械零件的结构设计要合理，即要考虑零件的外形、尺寸、连接方式、布置等因素。
要尽量使结构简单、紧凑，减少零件的数量和体积。
此外，还要注意结构之间的配合与协调，确保零件可以良好地配合使用。
3. 强度与刚度机械零件在运行过程中会承受一定的载荷，因此要保证设计的零件具有足够的强度和刚度，以防止因载荷引起的变形、断裂等失效问题。
在设计过程中，需要进行强度和刚度的计算与分析，以确定合适的材料选择和尺寸设计。
4. 可靠性与安全性机械零件设计要确保零件的可靠性与安全性。
可靠性是指零件在规定条件下连续正常工作的能力，而安全性则是指零件在工作过程中不会产生意外事故或造成人员伤害的能力。
因此，在设计过程中，需要充分考虑零件的耐久性、稳定性、故障率等因素，并遵循相关的安全标准和规范。
5. 经济性机械零件的设计还要考虑经济性。
设计师应该在保证零件功能和质量的前提下，力求减少材料、加工和使用成本，提高设计的经济效益。
在设计过程中，需要综合考虑成本与性能的平衡，选择合适的材料、工艺和加工方式。
二、机械零件设计步骤在进行机械零件设计时，可以按照以下步骤进行：1. 确定设计要求首先，明确机械零件的功能要求以及所处的工作环境和使用条件。
了解零件的工作原理和特点，分析其受力情况和运动要求。
第九章 机械零件设计基础
题9—3 已知某合金钢的σ-1= 370 MPa,σs = 880 MP ɑ,σ0= 625 MPa 。
（1） 试按比例绘制此材料（试件）的σm -σa 简化极限应力图； （2） 设此试件受σmax = 300 MPa,σmin = -120 Mpa的变应力作用，试用所绘制的极限应力图求出该试件在这种情况下的极限应力σr 。
解答：1．选比例尺⎪⎭⎫⎝⎛=μσmm MPa 10绘制试件的简化疲劳极限应力图（题解1—8图）。
题解1—8图2．求试件的应力参数（σm 、σa 、γ），并在简化疲劳极限应力图中标出试件的工作点N （σm ，σa ）的位置。
40300120MPa 210MPa 2120300290MPa MPa 21203002max min .min max a min max m -=-=σσ=γ=+=σ-σ=σ=-=σ+σ=σ3．求极限应力σr ：连ON 并将其延长交极限应力线图AD 于M ′点，可得M ′的坐标为（140，350）。
σr =σm ′+σa ′=（140+350）MPa = 490 MPa题9—4 一受转矩T 作用的单向回转轴，轴材料为中碳钢，τ-1=230MP a ,τS= 390 MP a , Ψτ =0.05，现知该轴某危险截面处的直径d = 50 mm ，该截面处的疲劳强度综合影响系数（K τ）D =τττβεK =3.07，轴的转速n =955 r/min ，若要求安全系数S τ=2.0，试求此时该轴能传递的最大功率P 。
DG （880，0）题解9—3图解题分析：根据题意，单向回转的轴，其截面受脉动循环变应力，即：τa =τm =τ/2。
解答：轴危险截面处的安全系数（P198,10-12）为：S τ =m a D K τψττττ+-)(1=)2/()2/()(1τψττττ+-D k = 2.0故可求得轴危险截面处的剪应力： τ = ττψτ+-D K )(1=05.007.3230+ MPa = 73.72MPa∵ τ = W T = 16//1055.936d nP π⨯⨯ ∴ 该轴能传递的最大功率： P = 636310559169555073.721055916⨯⨯⨯⨯π⨯=⨯⨯⨯π⨯τ..n d kW = 180.94 kW题9—6某材料受弯曲变应力作用，其力学性能为： ,MPa 3501=σ-9=m ，60105⨯=N 。
机械零件设计基础
充分了解设计流程和方法，包括概念设计、 详细设计和验证。
常用的机械零件及其设计要点
• 轴、齿轮和联轴器的设计要点 • 承载结构件（如轴承和支撑）的设计要点 • 连接件（如螺栓和销钉）的设计要点 • 密封件（如垫片和密封圈）的设计要点
机械零件设计中的常见问题
1 尺寸和公差
2 材料选择
确定适当的尺寸和公差范围，以确保零件 的可制造性和装配性。
选择适合特定应用的材料，考虑强度、耐 久性和成本等因素。
3 加工工艺
4 功能和性能
选择合适的加工方法，优化成本和生产效 率。
确保零件的设计满足所需的功能和性能要 求。
机械零件设计案例分析
1
案例分析 1
设计一个承载能力高、重量轻的机械
案例分析 2
2
零件。
设计一个具有高精度和稳定性的齿轮
传动系统。
3
案例分析 3
机械零件设计基础
深入了解机械零件设计的基础知识，包括设计概述、重要性、基本原理以及 设计流程。
机械零件设计基础
设计概述
机械零件设计是机械工程中至关重要的一部 分，涉及到各种复杂的机械元件。
基本原理
零件设计需要考虑受力分析、材料选择、制 造工艺等因素。
重要性
良好的零件设计能确保机械系统的可靠性、 效率和安全性。
设计一个可靠、易于维护的连接件系 统。
机械设计基础概述
机械工程
机械设计是机械工程的核心领 域之一，涵盖了从初始概念到 最终生产的整个过程。
技术绘图
技术绘图是机械设计不可或缺 的一部分，用来传达设计意图 和规范。
三维建模
通过使用专业软件进行三维建 模，能够更好地可视化和验证 设计。
机械设计零件基础知识点
机械设计零件基础知识点机械设计是机械工程学科的核心内容之一，它涉及到各种机械零件的设计、制造和应用。
在机械设计中，掌握零件的基础知识是非常重要的，下面将介绍一些机械设计零件的基础知识点。
一、螺纹连接螺纹连接是机械设计中常用的一种连接方式，它具有良好的拆卸性和可靠性。
常见的螺纹连接包括螺母和螺杆的连接、螺栓和螺孔的连接等。
在螺纹连接中，需要掌握螺纹的基本参数，如螺纹直径、螺距、螺纹类型等，以确保连接的牢固性。
二、轴承轴承是机械设备中常用的零件，它可以承受轴的旋转或者往复运动，并且能够减少摩擦和传递力量。
轴承的种类繁多，常见的有滚动轴承、滑动轴承等。
在选择和设计轴承时，需要考虑载荷、转速、工作环境等因素，以满足机械设备的使用要求。
三、齿轮齿轮是机械传动中常见的零件，它能够实现不同轴的动力传递和变速。
根据齿轮的啮合方式，可以分为直齿轮、斜齿轮、锥齿轮等。
在设计齿轮时，需要注意齿轮的模数、齿数、齿轮啮合角等参数，以确保传动的平稳性和高效性。
四、弹性元件弹性元件是机械设计中常见的零件，它能够储存和释放能量，起到减震、缓冲和联接的作用。
常见的弹性元件包括弹簧、橡胶制品等。
在选择和设计弹性元件时，需要考虑载荷、变形量、工作环境等因素，以满足机械设备的使用要求。
五、密封件密封件是机械设计中用于防止液体、气体或粉尘泄漏的零件，常见的有O型圈、油封等。
在选择和设计密封件时，需要考虑压力、温度、介质等因素，以确保有效的密封效果。
六、连接件连接件是机械设计中用于连接和固定零件的零件，常见的有螺栓、钉子、销子等。
在选择和设计连接件时，需要考虑承载力、连接方式、工作环境等因素，以确保连接的牢固性和稳定性。
七、紧固件紧固件是机械设计中用于紧固零件的零件，常见的有螺母、螺栓、螺钉等。
在选择和设计紧固件时，需要考虑紧固力、螺纹类型、工作环境等因素，以确保紧固的可靠性。
以上是机械设计零件的一些基础知识点，掌握了这些知识，将有助于进行机械设计的工作。
(完整版)机械设计基础知识点整理
1、机械零件常用材料：普通碳素结构钢（Q屈服强度）优质碳素结构钢（20平均碳的质量分数为万分之20）、合金结构钢（20Mn2锰的平均质量分数约为2%）、铸钢（ZG230-450屈服点不小于230，抗拉强度不小于450）、铸铁（HT200灰铸铁抗拉强度）2、常用的热处理方法：退火（随炉缓冷）、正火（在空气中冷却）、淬火（在水或油中迅速冷却）、回火（吧淬火后的零件再次加热到低于临界温度的一定温度，保温一段时间后在空气中冷却）、调质（淬火+高温回火的过程）、化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗）3、机械零件的结构工艺性：便于零件毛坯的制造、便于零件的机械加工、便于零件的装卸和可靠定位4、机械零件常见的失效形式：因强度不足而断裂；过大的弹性变形或塑性变形；摩擦表面的过度磨损、打滑或过热；连接松动；容器、管道等的泄露；运动精度达不到设计要求5、应力的分类：分为静应力和变应力。
最基本的变应力为稳定循环变应力，稳定循环变应力有非对称循环变应力、脉动循环变应力和对称循环变应力三种6、疲劳破坏及其特点：变应力作用下的破坏称为疲劳破坏。
特点：在某类变应力多次作用后突然断裂；断裂时变应力的最大应力远小于材料的屈服极限；即使是塑性材料，断裂时也无明显的塑性变形。
确定疲劳极限时，应考虑应力的大小、循环次数和循环特征7、接触疲劳破坏的特点：零件在接触应力的反复作用下，首先在表面或表层产生初始疲劳裂纹，然后再滚动接触过程中，由于润滑油被基金裂纹内而造成高压，使裂纹扩展，最后使表层金属呈小片状剥落下来，在零件表面形成一个个小坑，即疲劳点蚀。
疲劳点蚀危害：减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，使其承载能力降低，并引起振动和噪声。
疲劳点蚀使齿轮。
滚动轴承等零件的主要失效形式8、引入虚约束的原因：为了改善构件的受力情况（多个行星轮）、增强机构的刚度（轴与轴承）、保证机械运转性能9、螺纹的种类：普通螺纹、管螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹10、自锁条件：λ≤ψ即螺旋升角小于等于当量摩擦角11、螺旋机构传动与连接：普通螺纹由于牙斜角β大，自锁性好，故常用于连接；矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹因β小，传动效率高，故常用于传动12、螺旋副的效率：η=有效功/输入功=tanλ/tan（λ+ψv）一般螺旋升角不宜大于40°。
机械设计第五版李建工答案
机械设计第五版李建工答案机械及机械零件的设计基础一、填空题1．在零件强度设计中，当载荷作用次数此时，可按______条件进行设计计算，而当载荷作用次数>此时，则应当按______条件进行设计计算。
[国防科技大学2002年]【答案】静强度；疲劳强度查看答案【解析】当载荷的作用次数次，零件发生破坏的主要原因为静强度不够。
因此，设计是需要按静强度条件进行设计计算；当载荷的作用次数次，零件发生破坏的原因为疲劳强度不够。
因此，设计时需要按疲劳强度条件进行设计计算。
2．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]【答案】静载荷；最大应力、最小应力、平均应力、应力幅、应力循环特性查看答案二、选择题1．由试验知，有效应力集中，绝对尺寸，表面质量和表面强化只对零件的______有影响。
[中南大学2005研]A．应力幅B．平均应力C．应力幅和平均应力【答案】A查看答案【解析】有效应力集中，绝对尺寸，表面质量和表面强化只对零件的应力幅有影响。
2．受稳定径向载荷的一转轴，轴截面产生的弯曲应力为______应力。
[武汉理工大学2004研]A．静B．对称循环变C．脉动循环变D．非对称循环变【答案】B查看答案【解析】轴截面的弯矩是不变的，但随着轴的转动，拉压应力区则变化。
所以对于一点来说，轴截面的弯曲应力是正负变化的，故为对称循环变应力。
3．影响零件疲劳强度的综合影响系数或与______等因素有关。
[华东理工大学2005研]A．零件的应力集中、加工方法、过载B．零件的应力循环特性、应力集中、加载状态C．零件的表面状态、绝对尺寸、应力集中D．零件的材料、热处理方法、绝对尺寸【答案】C查看答案【解析】影响疲劳极限的因素：应力集中、绝对尺寸、表面状态。
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三、强度准则
载荷在零件内引起的应力不应超过允许的限度，该限度 称为许用应力。
[ ]
[ ] lim
[S ]
[ ]
[ ] lim
[S ]
S [S ]
S
lim
S [S ]
S
lim
（一）静强度
1、塑性材料零件的静强度 极限应力为屈服点 s 、 s
1）简单应力条件下
[ ]
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
潘存云教授研制
-1 = r min 0
+1 max
T
σ
σa
σ 潘存a云教授研制
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
▲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
σB
AB C
m rN
N
=
C ( N C
≤N
≤ND)
σrN 潘存云教授研制 σr
D点以后的疲劳曲线呈 N=1/4 103 104 N 一水平线，代表着无限寿命 区 。式中m称为寿命指数， 其值与受载方式和材质有关。
D N0≈107 N
由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个 循环次数N0(称为循环基数)，N0与材质有关。σr称为循
当循环应力参数（ σm，σa ）落在OA’G’C以内 时，表示不会发生疲劳破坏。 σa
当应力点落在OA’G’C以外 时，一定会发生疲劳破坏。
A’
D’ G’
σ-1 σ0 /2
而正好落在A’G’C折线上
潘存云教授研制
时，表示应力状况达到疲 劳破坏的极限值。
程为
4潘5存˚ 云教σ授研’a制 45˚
1 a m
O
AＧ’直线上任意点代表了一定
循环特性时的疲劳极限。
σ0 /2 σ’m σS
Cσm σ’a
CＧ’直线上任意点N’ 的坐标为（σ’m ，σ’a ）
由三角形中两条直角边相等可求得 CＧ’直线的方程为
'max a m s
说明CＧ’直 线上任意点的最大应力达到了屈服极限应
潘存云教授研制
显然该值为强度极限σB 。
t
在AB段，应力循环次数
<103 σmax变化很小，可以近似 看作为静应力强度。
BC段，N=103~104，随着N ↑ → σmax ↓ ,疲劳现象明显。 因N较小，特称为 低周疲劳。
实践证明，机械零件的疲劳 σmax
大多发生在CD段。 该段可用下式方程描述
第十三章 机械零件设计基础
§13-1 机械零件的计算准则 §13-2 摩擦学设计基础 §13-3 机械零件材料选用原则 §13-4 机械零部件的标准化
§13-1 机械零件的计算准则
一、机械零件的失效及其类型
失效
机械零件丧失了规定的功能或达不到设计要求的标准。
工作能力 计算准则
在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的 标准。
▲ 断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙
二、 —N疲劳曲线
σmax
用参数σmax表征材料的疲 σB A B C
劳极限，通过实验，可得出如
图所示的疲劳曲线。称为：
潘存云教授研制
—N疲劳曲线
在原点处，对应的应力 N=1/4 103 104
N
循环次数为N=1/4，意味着在 σ
加载到最大值时材料被拉断。
第二十三章 联轴器、离合器等
第二十四章 弹簧
第二十六章 轴系及轮类零件的设计
滑动轴承实验；轴系结构设计实验
本课程所涉及的先修课程
工程制图：设计的图形表达 工程材料：非金属材料、金属材料及热处理 机械制造基础：冷加工工艺，热加工工艺 互换性与技术测量：解决精度设计问题 理论力学：涉及力分析与计算问题 材料力学：涉及强度分析问题 机械原理：解决机械的方案设计问题
针对各种不同的失效形式得到的判定零件工作 能力的条件。
二、机械零件的计算准则
▲ 强度准则
——确保零件不发生断裂破坏或过大的 塑性变形，是最基本的设计准则， 分为静强度和疲劳强度
▲ 刚度准则 ——确保零件不发生过大的弹性变形
▲ 振动稳定性准则 ——高速运转机械的设计应注重 此项准则
▲ 可靠性准则 ——当计及随机因素影响时，仍应确 保上述各项准则
[ ]
2）复合应力条件下
2 B
4
2 T
S S S
2 B
4
2 T
2、脆性材料零件的静强度 极限应力为强度极限 b 、 b
1）简单应力条件下
[ ]
[ ]
2）复合应力条件下
1 2
B
2 B
4
2 T
S
2 b
S
B
2 B
4
2 T
3、挤压强度
P
F A
[ P ]
（二）疲劳强度
环特性r下的疲劳极限。
疲劳极限曲线
m rN
N
C
m rN
N
m r
N
0
kN
m
N0 N
寿命因子
rN kN r
三、等寿命疲劳曲线
材料的疲劳极限曲线也 可用特定的应力循环次数N σa 下，极限应力幅与平均应力 之间的关系曲线来表示，特 σ-1 称为等寿命曲线。
实际应用时常有两种简化方法。
σa
σa
σS
σm
σ
r =+1
r =-1
σmax
σa
tＯ
σm潘in存云教授研σ制a
σ=常数
Ｏ
t
σ
r =0
σmax
σa
σ 潘存云教授研制 a
tＯ
σm σmin
t
循环变应力
对称循环变应力 脉动循环变应力
变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。 疲劳断裂过程：
表面光滑
▲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
σ-1
潘存云教授研制
σS 简化曲线之一
σ-1
潘存云教授研制
45˚
σm
σS
σm
简化曲线之二
简化等寿命曲线（极限应力线图）：Βιβλιοθήκη 对称循环 σm=0σa
脉动循环 σm=σa =σ0 /2
已知A’(0，σ-1) D’ (σ0 /2，σ0 /2)两点坐
A’
D’ G’
N’
σ-1 σ0 /2
标，求得A’Ｇ’直线的方
章
第十三章 第十四章 第十五章 第十六章 第十七章 第十八章
主要内容
节
机械零件设计基础 螺纹连接 轴毂连接 螺旋传动 带传动和链传动 齿轮传动
学 时（26+4）
3 6 3 1 6 7
机器的功能与系统方案分析实验
2
机械传动性能测试实验
2
第十九章
蜗杆传动
第二十章
轴的设计计算
第二十一章 滚动轴承
第二十二章 滑动轴承