机械零件设计概论
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机械设计基础第9章机械零件设计概论(六-1)
▲ 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。
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。
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。
机械零件设计概论
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。 3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。
各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标 和机械设计手册中查得。
选用原则： 优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。
将零件的型式、规格、实验方法 、质量鉴定及标号等标准化，在 机械制造中具有重大意义。设计人员在设计时如无特殊要求，就应 当采用国家标准。
（二）机械零件设计中的标准化
零件的标准化，就是通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检 验方法、设计方法、制图要求等，制定出各种各样的大家共同遵守 的标准。 1、标准化的内容 标准化工作包括三方面的内容，即标准化、系列化和通用化，简称 为机械产品的“三化”。 1）、标准化 是指对机械零件种类、尺寸、结构要素、材料性质、检验方法、公 差配合和制图规范等制定出相应的标准，供设计、制造时共同遵照 使用。 2）、系列化 将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制 成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。 3）、通用化 将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现 互换。
（三）、我国标准化的分类
标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准
代号为 ISO
GB J号) －××××(为 批准年代) 强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。
推荐性国家标准：代号为GB／T ××××－××××，这类标准 占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这 些国标，以期取得事半功倍的效果。
1.退火 退火是将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后工件随 炉温缓慢冷却。退火可消除因锻造、焊接等产生的内应力，降低硬 度以改善切削加工性能。
机械设计概论4机械零件的主要失效形式和计算准则一
5、零部件装配工艺性
6、零部件维修工艺性
机械零件设计中的标准化
标准化、系列化、通用化
机械设计
一、传统设计方法
第1 章
机械设计概论
12
1.7 机械设计方法及其新发展 1、理论设计 1）根据使用要求，选择零件的类型和结构。 2）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。 3）选择适当的材料。 4）根据零件工作能力准则，确定零件的主要尺寸
机械设计
第1 章
机械设计概论
2
1.2 机器设计的一般程序 机械设计是一个创新与借鉴相结合的过程，一般程序如下：
计划阶段 方案设计 技术设计 试制、试验、鉴定、生产 信 息 反 馈 、 修 改
技术文件的编制
机械设计
第1 章
机械设计概论
3
减速器设计
机械设计
第1 章
机械设计概论
4
1.3 机械零件设计的基本要求及一般步骤
5）选用高效率设备，减少动力、燃料消耗。
机械设计
3、可靠性要求
第1 章
机械设计概论
1
机器的可靠度（R)：在规定的工作期限内和规定的工 作条件下，无故障完成规定功能的概率。 提高机器可靠度的关键是提高其组成零部件的可靠度 4、劳动保护和环境保护要求 1）操作者的操作安全，减轻操作者的劳动强度 2）改善操作者及机器的环境 5、其它要求 产品的特殊要求、造型要求、清洁能源、材料等
机械设计
第1 章
机械设计概论
6
机械设计
二、设计准则
第1 章
机械设计概论
7
1、强度准则
强度：零件抵抗断裂、塑变、疲劳破坏的能力。 方法： 1） [ ] 或 [ ]
[ ]
杨可桢《机械设计基础》章节题库(机械零件设计概论)【圣才出品】
第9章机械零件设计概论一、选择题1．对于受循环变应力作用的零件，影响疲劳破坏的主要因素是（）。
A．最大应力B．平均应力C．应力幅【答案】C2．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。
A．应力幅B．平均应力C．应力幅和平均应力【答案】A3．零件的形状、尺寸、结构、精度和材料相同时，磨削加工的零件与精车加工的零件相比，其疲劳强度（）。
A．较高B．较低C．相同【答案】A【解析】磨削加工与精车加工相比，后者的表面质量不如前者，而表面质量越高，零件的疲劳强度越高，因此，磨削加工的零件，其疲劳强度比精车加工高。
4．下列四种叙述中，（）是正确的。
A．应变力只能由变载荷产生B．静载荷不能产生应变力C．变应力是由静载荷产生的D．变应力是由变载荷产生，也有可能由静载荷产生【答案】D【解析】例如，心轴工作时，受到径向静载荷作用，弯曲应力就是对称循环变化的变应力。
5．绘制塑性材料的简化的极限应力图时，所必需的已知数据是（）。
A．B．C．D．【答案】A6．零件的工作安全系数为（）。
A ．零件的极限应力比许用应力B ．零件的极限应力比零件的工作应力C ．零件的工作应力比许用应力D ．零件的工作盈利比零件的极限应力【答案】A【解析】lim []S σσ=。
7．影响零件疲劳强度的综合影响系数（K ）D 或（Kr ）D 与（ ）等因素有关。
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【解析】由公式σσD σ()k k βε=或ττD τ()k k βε=可以得出结论。
σk 、τk 是有效应力集中系数，σε、τε是尺寸系数，β是表面状态系数。
8．已知45钢调质后的力学性能为：，等效系数σψ为（ ）。
A ．1.6B ．2.2C ．0.24D ．0.26【答案】C 【解析】根据等效系数计算公式：10σ02σσψσ--=。
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。
机械零件设计概论
机械零件设计概论9.1机械零件设计概述机械零件由于某种缘故不能正常工作时，称为失效。
在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为工作能力。
通常此限度对载荷而言，因此适应上又称为承载能力。
零件的失效可能由于：断裂或塑性变形；过大的弹性变形；工作表面的过度磨损或损害；发生强烈的振动；联接的放松；摩擦传动的打滑等。
机械零件尽管有多种可能的失效形式，但归纳起来最要紧的为强度、刚度、耐磨性、稳固性和温度的阻碍等几个方面的问题。
关于各种不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件。
设计机械零件时，常依照一个或几个可能发生的要紧失效形式，运用相应的判定条件，确定零件的形状和要紧尺寸。
机械零件的设计常按下列步骤进行：1)拟定零件的运算简图。
2)确定作用在零件上的载荷。
3)选择合适的材料。
4)依照零件可能显现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的形状和要紧尺寸。
应当注意，零件尺寸的运算值一·般并不是最终采纳的数值，设计者还要依照制造零件的工艺要求和标准、规格加以圆整。
5)绘制工作图并标注必要的技术条件。
以上所述为设计运算。
在实际工作中，也常采纳相反的方式─—校核运算，这时先参照实物（或图纸）和体会数据，初步拟定零件的结构和尺寸，然后再用有关的判定条件进行验算。
还应注意，在一样机器中，只有一部分零件是通过运算确定其形状和尺寸的，而其余的零件则仅依照工艺要求和结构要求进行设计。
9.2 机械零件的强度在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷称为名义载荷。
然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入载荷系数K（有时只考虑工作情形的阻碍，则用工作情形系数K A）的方法来估量这些因素的阻碍。
载荷系数与名义载荷的的乘积，称为运算载荷。
按照名义载荷用力学公式求得的应力，称为名义应力，按照运算载荷求得的应力，称为运算应力。
当机械零件按强度条件判定时，比较危险截面处的运算应力（σ、τ）是否小于零件材料的许用应力([σ]、[τ])。
机械设计基础课件第8章 机械零件设计概论
二、机械设计的一般程序 1、机器设计的一般程序
市场调 研
可行性 研究
设 计 任 务 书
原理 方案 设计
技术 设计
试制 试验
定
装配图、 样
出
零件图、 机
最
技术文
评
佳
件
价
方
改
案
进ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
小批生 投 产试销 产
考核
产
工艺
品
性收
销
集用
售
户意
见
1、强度准则
零件在载荷作用下抵抗破坏的能力
2、刚度准则
[ ] lim S
[ ] lim St
B(B) 脆性材料 lim(lim)S (S )塑性材料
Y (Y )疲劳极限
零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力
y [y]
y——可以是挠度、偏转角或扭转角
3、耐磨性准则 作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力
p [p ] p v pv
4、振动和噪声准则
fp0.8f5,
fp1.1f5
机械设计基础
第8章 机械零件设计概论
讲授人：邓英剑
§8-1 机械设计的基本要求及设计程序
一、机械设计的基本要求
1、对机械设计的要求 a) 对机器使用功能方面的要求 b) 对机器经济性的要求
2、对机械零件设计的基本要求 a) 在预定工作期限内正常、可靠地工作，保证机器 的 各种功能 b) 要尽量降低零件的生产、制造成本
4、复合材料
二、机械零件材料选用的原则
1、使用要求 2、工艺要求 3、经济性要求
§8-4 机械零件的结构设计工艺性及标准化
一、机械零件的结构设计工艺性
第1章机械零件设计概论
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
§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
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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
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：
≥ 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
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
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
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：
[ 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：
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。
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
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：
max
??
2
min
?
200 ? 100 2
?
150
? 200
?a
50 0 ? min
-100
? max
?a
?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：
σ
m -1
Nபைடு நூலகம்
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： [
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 ）
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：
▲ 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
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
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：
≥ 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
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
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
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：
[ 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：
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。
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
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：
max
??
2
min
?
200 ? 100 2
?
150
? 200
?a
50 0 ? min
-100
? max
?a
?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：
σ
m -1
Nபைடு நூலகம்
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： [
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 ）
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：
▲ 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