针对失效形式：零件表面破坏 典型零部件：齿轮、轴承、链等
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
六、振动稳定性准则

共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变化频 率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急 剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等 振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值
三、机械零件设计过程

零件设计时的共性： 受力分析、 失效形式 设计准则、 设计计算
工作原理、结构、 类型、应用场合

过程： 1、拟订零件的设计简图 2、确定载荷的大小及位置 3、选择材料 4、根据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数 5、绘制零件工作图
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
七、耐热性准则
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
一、机械零件常见失效形式
失效：丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指 破坏 常见主要失效形式有： 断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂 表面点蚀：工作表面片状剥落 强度问题 塑性变形：零件发生永久性变形 过大弹性变形 刚度问题 表面破坏 耐磨性问题 过大振动和噪声、过热等
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
四、材料选择原则

使用要求：使用环境、载荷性质、结构、重要程度... 工艺要求：零件及其毛坯的形状、批量、加工方法... 经济要求：材料价格结合加工费用、材料利用率...
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
6-5 机械零件的工艺性和标准化
一、工艺性
50 kN

机械设计基础——机械零件设计和计算概论
三、强度准则

机械零件工作能力的最基本准则 强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力 强度准则：工作应力≤许用应力 σ≤ [σ] 或 τ≤ [τ]
正应力： [ ]
lim S
lim S
极限应力
剪应力： [ ]

典型零部件：轴、蜗杆等
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
五、耐磨性准则

耐磨性：零件抗磨损的能力 磨损是相当复杂的物理化学过程 影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑 剂的化学性质和物理性质等 具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲 蚀磨损、微动磨损 耐磨性准则： P
针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形
典型零部件：轴、齿轮、 带轮等
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
四、刚度准则

刚度：材料抵抗弹性变形的能力 刚度准则：实际变形量≤许用变形量 倾角条件：θ≤[θ]
弯曲刚度：挠度条件： y ≤[y]
扭曲刚度：扭角条件：j ≤ [j]

针对失效形式：过大的弹性变形
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
二、热处理方法
1 2 3 4 5 退火 正火 淬火 回火 表面热处理
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
热处理比较
1 退火

温度 保温
降低硬度、提高韧性、细化晶粒、 消除内应力
用于处理低中碳钢，代替低中碳钢 的退火。提高硬度，增加韧性， 易 于切削，减少应力


针对失效形式：高温引起的润滑不良、蠕变

典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
6-3 许用应力和安全系数
一、载荷
二、应力
三、极限应力
四、许用应力和安全系数
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
一、载荷

载荷：作用于零件上的力或力矩 工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷
加热
退火(炉冷) 淬火 正火(空冷) 回火 时间
2 正火

3 淬火（蘸火）

提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火
4 回火


消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性 低温回火：高强度、高硬度及良好的耐磨性 中温回火：高弹性、硬度中等 高温回火：强度、塑性、韧性都较好(调质——淬火+高温回火)
机 械 零 件
通用 零件
联接件：螺栓、键、花键 支承件：轴、轴承
其它：联轴器、弹簧、机架
专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴,飞机螺旋桨
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
二、机械零件设计基本要求
1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能 2、工作可靠，在预定的工作期限内不能失效 3、经济性要求
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
表面热处理

表面热处理：表面增硬，芯部韧 表面淬火法（火焰加热、感应加热…）
化学热处理（渗碳、氮化、氰化...）
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
三、材料力学性能指标
强度：

D
弹性极限： P
B
p
C S
E
抗拉强度： B
B
屈服强度： S(0.2)

有限寿命区 无限寿命区

rN
N
N0
r
N

各种材料的r可从有关手册中查取
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
四、许用应力和安全系数
lim [ ] S
lim [ ] S
许用应力
极限应力

许用应力：设计零件时 所依据的条件应力
安全系数

安全系数↑→许用应力↓→结构笨重 安全系数↓→许用应力↑→不够安全

灰口铸铁
与材料性能有关
脆性材料取强度极限B(B)

B
玻璃钢
e
D
B p C S B E

塑性材料取屈服极限 S(S)
A
e
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
2 变应力下的极限应力

疲劳极限：依据防疲劳断裂的准 则确定 材料经过N0次应力循环不发生破 坏的应力最大值r(r)
这些标准在机械手册中可以查到，我们应学会查手册
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
6-5 机械零件公差与配合
一、公差

公差系列
等级：1－18级，1级最高。
常用4－13级，一般自由公差12－13级，加工件6－9级。
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
许用应力确定
1 查许用应力表

根据实践经验制成表格选取
2 部分系数法 S=S1S2S3

S1：计算载荷和应力准确性系数（1~1.5) S2：材料的均匀系数（铸铁:1.5~2.5,钢:1.2~1.5） S3：零件重要性系数（1~1.5)
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
五、机械零件现代设计方法


优化设计：
模拟设计：
CAD/CAM
有限元 优化与仿真结合
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
6-2 机械零件的工作能力准则
一、机械零件常见失效形式
二、工作能力准则 三、强度准则 四、刚度准则 五、耐磨性准则
六、振动稳定性准则

n
F

例如轴可能的失效形式：
断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
二、工作能力准则




工作能力：不失效条件下零件的安全工作限度 这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又 常称为“承载能力” 如： 吊钩最大起重量——50 kN 工作能力或承载能力——50 kN 工作能力准则：衡量零件工作能力的指标 对零件设计，针对其主要失效形式选择适 合的工作能力准则进行设计 具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准 则、振动稳定性准则、耐热性准则


名义载荷：理想工作条件下的载荷
计算载荷：作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷

计算载荷=K ×名义载荷
载荷系数
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
二、应力


静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力 变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力 变应力：稳定变应力（随时间作周期性）、不稳定变应 力（非周期性循环变应力）
A
e
硬度：




HBS:布氏硬度 硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般HBS<450 HRC:洛氏硬度 120º 金刚石锥体，载荷150kgf,不能测硬、脆的薄层零件 HV:维氏硬度 136 º 金刚石四角锥体，载荷小，5-30kgf 三种硬度单位之比较： HV(维氏) ≈ HBS(布氏)；HRC(洛氏)×10 ≈ HBS
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
第6章 机械零件设计和计算概论
6-1 机械零件设计概述
6-2 机械零件的工作能力准则 6-3 许用应力和安全系数 6-4 常用材料及其选择 6-5 机械零件的工艺性和标准化
基本要求: 掌握零件常见的失效形式和设计准则 掌握许用应力、安全系数的概念及确定方法 了解零件的常用材料及性能
r
t

max min m 2
min max
r 1 ~ 1
机械设计基础——机械零件设计和计算概论
静应力


m
应力表达： +1（ +1 ） 最大应力: max 最小应力: min 应力幅: a
t
平均应力: m
循环特征: r
max min m
对称循环变应力

应力表达： 1（ 1 ） 最大应力: max 最小应力: min 应力幅: a