第二章 机械零件设计概论

机械零件制作郭智勇▲使用功能要求§2-1设计机械零件满足的基本要求使用功能要求----机器应具有预定的使用功能。这主要靠正确地选择机器的工作原理，正确地设计或选用能够全面实现功能要求的执行机构、传动机构和原动机，以及合理地配置必要的辅助系统来实现。----在满足预期功能的前提下，要求性能好、效率高、成本低，造型美观，在预定使用期限内要安全可靠，操作方便、维修简单。具体要求如下：▲经济性要求▲劳动保护要求▲可靠性要求▲其它专用要求经济性要求----机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，设计机器时就要全面综合地进行考虑。设计制造的经济性表现为机器的成本低，使用经济性表现为高生产率，高效率，低能耗，以及低的管理和维护费用等。▲使用功能要求▲经济性要求▲劳动保护要求▲可靠性要求▲其它专用要求提高设计和制造经济性指标的主要途径有:1）采用先进的现代设计方法(CAD)，使设计参数最优化,达到尽可能精确的计算结果,保证机器足够的可靠性。2）最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零、部件。3）尽可能采用新技术、新工艺、新结构和新材料。4）合理地组织设计和制造过程。5）力求改善零件的结构工艺性，使其用料少、易加工、易装配。1）合理地提高机器的机械化和自动化水平，以期提高机器的生产率。提高使用经济性指标的主要途径有:2）选用高效率的传动系统，尽可能减少传动的中间环节，以期降低能源消耗。3）适当地采用防护及润滑，以延长机器的使用寿命。4）采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象。1)要使机器的操作者方便和安全。因此设计时要按照人机工程学的观点布置各种按钮、手柄，使操作方式符合人们的心理和习惯。同时，设置完善的安全装置、报警装置、显示装置等。2）改善操作者及机器的环境。所设计的机器应符合劳动保护法规的要求。降低机器运转时的噪声水平，防止有毒、有害介质的渗漏，对废水、废气和废液进行治理。▲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。▲使用功能要求▲经济性要求▲劳动保护要求▲可靠性要求▲其它专用要求机械零件的失效：机械零件由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。例如：发生强烈的振动；联接的松弛;摩擦传动的打滑等。§2-2机械零件的主要失效形式和设计准则整体断裂;过大的残余变形;工作表面的过度磨损或损伤;破坏正常的工作条件;零件的失效形式如轴、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机械零件失效的实例：齿轮轮齿折断轴承内圈破裂轴承外圈塑性变形轮齿塑性变形齿面接触疲劳轴瓦磨损失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因。统计结果显示：断裂仅占4.79%;腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%。--主要失效原因。设计机械零件时应满足的基本要求避免在预定寿命期内失效的要求结构工艺性要求经济性要求质量小的要求可靠性要求机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。设计的结构应便于加工和装配。零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。应降低零件发生故障的可能性（概率）。

机械零件的计算准则▲强度准则▲刚度准则设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：▲寿命准则▲振动稳定性准则▲可靠性准则---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。----确保零件不发生过大的弹性变形。---通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。----高速运转机械的设计应注重此项准则。----当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。强度准则是指零件中的应力不得超过许用值。一、强度准则即：σ

≤

σlimσlim----材料的极限应力脆性材料：σlim=σB(强度极限)塑性材料：σlim=σS(屈服极限)为了安全起见，引入安全系数S，得：σ

≤

σlim/S或σ

≤[σ]S为大于1的数，S过大，虽安全但浪费材料；S过小，虽节省材料，但趋于危险。----许用应力二、刚度准则----是指零件在力作用下的弹性变形量不得超过许用值。即：y

≤[y]

三、寿命准则影响零件使用寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲劳，前两者还没有成熟的计算方法，工程中通常是求出使用寿命时的疲劳极限作为计算的依据。四、振动稳定性准则保证机器中受激振零件的固有频率与激振源的频率错开，即要求：0.85f>fp或1.15f<fp如果不满足条件，可采取如下措施：▲改变零件及系统刚性；▲增减支承；▲调整支承的位置；▲隔离激振源；▲采用阻尼元件以减小零件的振幅。五、可靠性准则可靠度的定义：对件数为N0的一批零件进行试验，经过时间t之后有N件仍能正常工作，则该零件在该试验环境条件下工作时间t的可靠度定义为：R=N

/N0若t↑→R

↓→N↓----R是时间的函数。若在时间t+dt内，又有dN个零件失效，则dt内零件的失效的比率定义为：---失效率“-”表示dN的增大将使N减少。分离变量并积分得：即：零件可靠度的另一个指标是两次失效之间的平均无故障时间m（MTBF），m与λ的关系为:M=1/λ六、耐热性准则

机械零部件由于外部或内部的原因，有的工作在室温以上。在高的温度下会引起摩擦副胶合、材料强度降低、热变形或润滑剂迅速氧化等后果而使零件失效。因此，对可能产生较高温升的零部件应进行温升计算，以限制其工作温度。必要时可采用冷却措施。黑色金属有色金属铸铁钢金属材料一、常用材料低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)合金钢(1Cr18）…灰铸铁(TH300)球墨铸铁(QT500-5)…§2-3机械零件材料的选用原则铝合金(LY12)铜合金(ZCuSn10P1)铸铁--灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。黑色金属有色金属铸铁钢金属材料一、常用材料低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)合金钢(1Cr18）…灰铸铁(TH300)球墨铸铁(QT500-5)…§2-3机械零件材料的选用原则铝合金(LY12)铜合金(ZCuSn10P1)钢--低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢、结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、铸钢等。特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。钢的选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。钢制零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。应用：应用范围极其广泛。表2-1常用材料的相对价格材料种类规格相对价格热轧圆钢碳素结构钢Q235（φ33~42）1铸件优质碳素钢（φ29~50）1.5~1.8合金结构钢（φ29~50）1.7~2.5滚动轴承钢（φ29~50）3合金工具钢（φ29~50）3~204Cr9Si2耐热钢（φ29~50）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价格便宜且供应充分我国资源丰富

黑色金属有色金属铸铁钢金属材料低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)合金钢(1Cr18）…灰铸铁(TH300)球墨铸铁(QT500-5)…铝合金(LY12)铜合金(ZCuSn10P1)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。青铜黄铜轴承合金（巴氏合金）-含锡青铜、不含锡青铜零件毛坯获取方法：辗压、铸造。应用：应用范围广泛。高分子材料复合材料陶瓷非金属材料---塑料、橡胶、合成纤维。---强如钢、轻如铝、硬如金刚石。--强度高、弹性模量大、质量轻。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。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。

▲载荷及应力的大小和性质▲零件的工作情况▲零件的结构及加工性▲材料的经济性▲零件的尺寸及重量二、机械零件材料的选用原则适用于制作机械零件的材料种类非常之多，在设计机械零件时，如何从各种各样的材料中选择出合适的材料，是一项受多方面因素所制约的复杂的工作。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。

选材的一般原则脆性材料----只适用于制造在静载荷下工作的零件；1.载荷及应力的大小和性质2.零件的工作情况--指零件所处的环境特点、工作温度、摩擦磨损程度等。这方面的因素主要是从强度观点来考虑的，应在充分了解材料的机械性能的前提下来进行选择。金属材料的性能一般可以通过热处理加以提高和改善，因此，要充分利用热处理手段来发挥材料的潜力。对于常用的调质钢，由于其回火温度的不同，可得到机械性能不同的毛坯。塑性材料----适用于在有冲击情况下工作的零件。▲在湿热环境下工作的零件，其材料应具有良好防腐蚀能力，可选用不锈钢、铜合金等。零件的尺寸及质量的大小与材料的品种及毛坯制取方法有关。3.零件的尺寸及重量▲两配合零件的线性膨胀系数不能相差过大，一面在温度变化时产生过大热应力或使配合松动，另一方面要考虑材料机械性能随温度而变化的情况。▲零件在工作中可能发生磨损的表面，应提高其表面硬度，增加耐磨性，因此应选择淬火钢、渗碳钢、氮化钢。▲用铸造材料制造毛坯时，一般可以不受尺寸及质量大小的限制；▲而用锻造材料制造毛坯时，则须注意锻压机械及设备的生产能力。▲应尽可能选用强重比大的材料，以便减小零件的尺寸和质量。▲材料的加工费用;5.材料的经济性选材时还应考虑到当时当地材料的供应状况。为了简化供应和贮存的材料品种，对于小批制造的零件，应尽可能地减少同一部机器上使用的材料品种和规格。6.材料的供应状况材料的经济性主要表现在以下几方面：

▲材料本身的相对价格;▲材料的利用率;▲采用组合结构;▲节约稀有材料。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。为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量减少一台机器所用材料的品种。表2-2常用钢铁材料的牌号及力学性能材料力学性能试件尺寸类别牌号强度极限σB屈服极限σS延伸率%mmQ215335-41021531碳素结构钢Q235375-46023526d≤16Q275490-610275202041024525优质碳素结构钢3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金结构钢40Cr9817859d≤2520CrMnTi107983410d≤1560Mn9817858d≤80ZG270-50050027018铸钢ZG310-57057031015d≤100ZG42SiMn60038012HT150145----灰铸铁HT200195----HT250240----壁厚10~20QT400-1540025015球墨铸铁QT500-75003207QT600-36003703壁厚30~200一、钢铁材料1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、特殊性能铸铁。2.钢：铸钢、变形钢。铸铁钢铁钢特种合金粉末冶金材料----含碳量>2%特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。机械零件常用材料详解----含碳量<2%铸钢铸钢主要用于制造承受重载、形状复杂的大型零件。特点：铸钢的力学性能接近变形钢，与灰铸铁比较，其减振性较差，熔点较高，铸造收缩率较大，容易出现气孔，故铸造性不如铸铁。(2)变形钢碳素结构钢、低合金高强度结构钢、合金结构钢、弹簧钢、工具钢、轴承钢、不锈钢、耐热钢等。是机械零件应用最广泛的材料二、非铁金属材料特点：如减摩性、耐蚀性、耐热性、导电性等。应用：在一般机械制造中，可用它们作承载、耐磨、减摩和耐蚀材料，也用做装饰材料。机械制造采用的非铁金属材料有：铜合金、铝合金、钛合金和轴承合金三、粉末冶金材料按材质分：铁基、铜基、镍基、不锈钢基、钛基和铝基粉末冶金材料。按用途分：结构材料、减摩材料、摩擦材料、多孔材料。1．粉末冶金结构材料具有高强度、高硬度和韧性好等特点，并有良好的耐蚀、密封性和耐磨性。主要用于传动齿轮、汽车和冰箱压缩机零件等。2．粉末冶金减摩材料承载能力高，摩擦因数低，具有良好的自润滑性、耐高温性和耐磨性。摩擦时不伤配副件，噪声较低。主要用于制作轴承、含油轴承等。3．粉末冶金摩擦材料摩擦因数大而稳定，耐短时高温，耐磨，导热性好，抗胶合能力强，摩擦时不伤配副件，主要用于制作离合器片、制动器片等。4．粉末冶金多孔材料综合性能优良，对孔隙的形态、大小、分布及孔隙度均可控制。主要用来制作过滤，减振和消音元件，以及催化、止火、电极、热交换和人造骨等制品。四、有机高分子材料

1．工程塑料密度小、容易加工，可用注塑成型法制成各种形状复杂、尺寸精确的零件。但是导热性差。通常用工程塑料作减摩、耐蚀、耐磨、绝缘、密封和减振材料。塑料分为热塑性塑料和热固性塑料。

2．橡胶橡胶分为天然橡胶和合成橡胶两大类特点：弹性高、弹性模量低。在机械制造中橡胶主要用作密封、减振元件,传动带,轮胎等。五、无机非金属材料结构陶瓷有氧化物、氮化物、碳化物、硼化物陶瓷等。具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、难加工等特性，用来制造轴承、模具、活塞环、气阀座、密封件、挺杆等零件。功能陶瓷电功能陶瓷，磁功能陶瓷，光功能陶瓷，生物和化学功能陶瓷等。它们都是为某一特殊功能要求而采用的材料。１.工程陶瓷

2．炭石墨材料强度不高，但密度低、耐高温、耐化学腐蚀、有自润滑性，在机械工业中广泛用作密封圈、活塞环、轴承、电刷、热交换器等。3．聚合物混凝土是用高分子树脂代替水泥作粘合剂的混凝土。特点：具有高的强度，良好的抗化学药品腐蚀的性能(优于不锈钢)，减振和消声能力是灰铸铁的7倍，具有良好的耐磨性和电绝缘性。这种材料是金属加工机床底座的理想材料六、复合材料复合材料是由两种或两种以上材料，即基体材料和增强材料复合而成的一类多相材料。根据基体材料来分：金属基、聚合物基和陶瓷基复合材料；根据增强材料形状分：有颗粒复合材料、纤维复合材料和层迭复合材料；根据使用目的分：有结构复合材料和功能复合材料。特点：a.比强度和比模量高。比强度高的材料能承受高的应力；比模量高象征材料轻而刚度大；b.抗疲劳性能好。c.减振性能好。材料内大量界面对振动有反射吸收作用。d.高温性能好。二、结构工艺性要求零件工艺性良好的标志----在具体的生产条件下，零件要便于加工而加工费用又很低。工艺性的基本要求：1)毛坯选择合理制备方法：选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。2)结构简单合理▲最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合；▲尽量减少加工面数和加工面积；3)合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下，尽量采用较低的精度和表面质量。▲尽量采用标准件；▲增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、螺纹、键、齿轮模数等）的数量；4)尽量减小零件的加工量

▲毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。

▲尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进工艺满足上述要求。欲设计出工艺性良好的零件，设计者必须虚心向工艺技术人员和一线工人学习，在实践中积累经验。1)产品品种规格的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。定义：标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。2)零部件的通用化将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现互换；3)产品质量标准化要保证产品产品质量合格和稳定，就必须做好设计、加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。§2-3机械零件设计中的标准化基本特征：统一、简化。意义：1)制造上可以实现专业化大批量生产，既可提高产品质量，又能降低成本；2)设计方面可减少设计工作量；3)管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。标准化是组织社会化大生产的重要手段，是实施科学管理的基础，也是对产品设计的基本要求之一。通过标准化的实施，以获得最佳的社会经济成效。标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准代号为：ISOGBJB、HBQB推荐性标准（GB/T）----鼓励企业自愿采用。标准性质强制标准（GB）----必须强制执行；作为设计人员，要求必须熟悉现行的相关标准，学会查询和使用标准资料。无论设计何种产品，必须遵循相关标准。强制性国家标准：代号为GB××××(为标准序号)－××××(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。机械设计的过程第二节

机械设计的过程和方法机械设计的方法一、机械设计的过程设计的类型适应性设计开发性设计参数化设计工作原理主体结构功能

三者中至少应该有一项是首创的开发性设计三者中至少应该有一项是首创的实例照相机

数码照相机手机上的照相机工作原理功能

主体结构老式照相机

数码照相机

手机上的照相机单缸洗衣机

双缸洗衣机

普通车床

工作原理功能

主体结构立式车床

三者中至少应该有一项是首创的实现自主创新，拥有自主自主知识产权主要依靠开发性设计。创新性最强、过程最完整。对现有的机械进行局部的修改或增补。不改变机械的基本结构、只改变机械功能的范围、机械的尺度和参数。设计的类型适应性设计开发性设计参数化设计工作原理主体结构功能三者中至少应该有一项是首创的

提出设计任务（市场需求，用户委托，主管部门下达）

可行性研究（重大问题应召开论证会）编制设计任务书计划阶段提出机械的工作原理（通过调查研究和必要的分析，还可能需要进行原理性试验）提出几种机械系统运动方案（进行必要的运动学设计，一般是初步的、粗略的）确定出最佳总体方案（经过分析、对比和评价，作出决策）方案设计阶段运动学分析与设计工作能力分析与设计动力学分析与设计结构设计装配图和零件图的绘制技术设计阶段

通过试制和试验，发现问题，加以改进，修改某一部分设计结果。试制试验阶段

收集用户反馈意见，研究使用中发现的问题，进行改进。收集市场变化的情况，为可能提出新的设计计划准备资料。投产以后返回二、机械设计的方法常规设计方法现代设计方法工业革命以来力学和材料科学的发展运动学分析与设计动力学分析与设计工作能力的分析与设计产生的时代：产生的基础：基本内容：产生的时代：产生的基础：20世纪下半页计算机的发明与快速发展方案设计

运动学分析与设计动力学分析与设计

零件工作能力设计结构设计

创造性主要依靠经验，通过类比方法进行主要依赖于设计者的灵感有系统的理论方法，但往往只能近似满足运动学要求受到计算手段的制约，分析较简单。常将复杂问题简化，得出近似公式或经验公式。一般按静载荷计算，引入动载系数常采用类比的方法常规设计方法有如下不足：

方案设计过分依赖设计者个人的经验和水平；

一般满足于获得一个可用方案，而不是最佳方案；

受计算手段的限制，简化假定较多，影响了设计质量；

设计工作周期长、效率低，不能满足市场竞争激烈、产品更新速度加快的新形势。

尽管现代设计方法已经兴起，但常规设计目前仍被广泛应用。设计者应该首先掌握常规设计方法，才能进一步学习现代设计方法。本课程的内容主要是介绍常规设计方法。现代设计方法计算机辅助设计机械设计专家系统优化设计动态设计可靠性设计创造性设计

近数十年来，社会需求呈现多样化的趋势，产品更新速度加快。如果设计速度慢，就会贻误商机，造成不可弥补的经济损失。计算机辅助设计

（Computer-AidedDesign,CAD)计算绘图工作量太大有的计算工作量大到根本无法用手工方法计算的程度。图样总数可能达到数百、数千张。繁琐的重复性工作

提高设计速度成为设计方法革新的最主要的目标。

优越性：提高效率，缩短设计周期，加快产品更新换代，增强市场竞争能力。给出多个方案，供设计者比较、选择，确定最佳方案。从繁琐的重复性工作中解脱出来，将时间和精力集中到创造性的工作上。计算机辅助设计运算快速准确存储量大逻辑判断功能强辅助设计者进行设计机械设计专家系统

（ExpertSystem）

计算机辅助设计在上世纪90年代的新发展。

专家系统是一种计算机程序，它使计算机具有学习、推理、决策和创造等智能行为，并能够在专家的水平上工作。CAD机械设计活动

数值计算型的工作（计算与绘图）

符号推理型的工作（方案设计、结构设计）

专家系统

优化设计（OptimalDesign）可行方案与最优方案最优，就是使某一项指标达到最小（如重量）或最大（如效率）。机械设计的问题一般都较复杂，求最小值或最大值的问题并不是用微分方法求极值就能简单地予以解决的。数学领域的分支——数学规划理论，提供了很多求优的数值方法，这些方法都以在计算机上进行的大量的数值叠代计算为基础。为了采用这些优化方法，就需要将具体设计问题的物理模型转化为一个数学模型。、

高速化推动了机械动力学的发展。

精密化要求机械的实际运动尽可能与期望运动相一致。在分析误差时必须尽可能地计入各种因素的影响。振动和噪声过大，则会影响车辆的舒适性并污染环境。

动态设计：考虑机械的动态载荷和系统的动特性，以动力学分析为基础来设计机械。

需要在计算机上用数值叠代算法求解微分方程。所以，动态设计在计算机获得普遍应用后才能发展起来。动态设计

(DynamicDesign)可靠性设计（ReliabilityDesign）将概率论、数理统计引入机械设计中而形成的一种设计技术。

将物理量都视为按某种规律分布的随机变量，用概率统计的方法确定零、部件的主要参数和尺寸，使机械满足所提出的可靠性指标。

二次世界大战期间，美国由于飞行故障而损失的飞机比被击落的飞机多1.5倍。应航天计划的需要，兴起在上世纪60年代的美国。

可靠性设计已应用于从宇宙飞船到家用电器的广阔领域。创造性设计（CreativeDesign）利用人类已有的科技成果，充分发挥设计者的创造力，设计出新机构和新机械产品的设计过程。几千年来，机械的发明依靠的是能工巧匠和专家学者的灵感和创造性的思维。如何产生灵感？如何进行创造性的思维？在历史的长河中，这些智慧的火花是零散的而非系统的，多种多样的而非单一的。对历史上大量发明构思的过程进行了分析和归纳，总结出一些进行创造性思维的方法，形成了“创造学”。创造性设计，特指以创造学理论为基础进行机械创新的方法。现代设计方法计算机辅助设计机械设计专家系统优化设计动态设计可靠性设计创造性设计2-5机械零件的强度§1材料的疲劳特性

§2机械零件的疲劳强度计算§3机械零件的抗断裂强度§4机械零件的接触强度一、应力的种类otσσ=常数脉动循环变应力r=0静应力:σ=常数变应力:σ随时间变化平均应力:应力幅:循环变应力变应力的循环特性:对称循环变应力r=-1----脉动循环变应力----对称循环变应力-1=0+1----静应力σmaxσmTσmaxσminσaσaσmotσσmaxσminσaσaotσotσσaσaσminr=+1静应力是变应力的特例§1材料的疲劳特性

变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。▲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;▲

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。不管脆性材料或塑性材料，▲零件表层产生微小裂纹；疲劳断裂过程：▲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。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：▲

断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。表面光滑表面粗糙σmaxN二、

s－N疲劳曲线用参数σmax表征材料的疲劳极限，通过实验，可得出如图所示的疲劳曲线。称为：

s－N疲劳曲线104C在原点处，对应的应力循环次数为N=1/4，意味着在加载到最大值时材料被拉断。显然该值为强度极限σB。B103σtσBAN=1/4

在AB段，应力循环次数<103σmax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。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)，用N0及其相对应的疲劳极限σr来近似代表ND和σr∞。σmaxNσrN0≈107CDσrNNσBAN=1/4

D点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区其方程为：

实践证明，机械零件的疲劳大多发生在CD段。可用下式描述：于是有：104CB103CD区间内循环次数N与疲劳极限srN的关系为：式中，sr、N0及m的值由材料试验确定。试验结果表明在CD区间内，试件经过相应次数的边应力作用之后，总会发生疲劳破坏。而D点以后，如果作用的变应力最大应力小于D点的应力（σmax<σr），则无论循环多少次，材料都不会破坏。CD区间-----有限疲劳寿命阶段D点之后----无限疲劳寿命阶段高周疲劳σmaxNσrN0≈107CσBAN=1/4

104CB103DσrNNσaσm应力幅平均应力σaσmσSσ-1σaσmσSσ-1材料的疲劳极限曲线也可用在特定的应力循环次数N下，极限应力幅之间的关系曲线来表示，特称为等寿命曲线。简化曲线之一简化曲线之二三、等寿命疲劳曲线实际应用时常有两种简化方法。σSσ-145˚

σaσmσS45˚

σ-1O简化等寿命曲线（极限应力线图）：已知A’(0，σ-1)

D’(σ0/2，σ0/2)两点坐标，求得A‘Ｇ’直线的方程为：AＧ’直线上任意点代表了一定循环特性时的疲劳极限。对称循环：σm=0A’脉动循环：σm=σa=σ0/2说明CＧ‘直线上任意点的最大应力达到了屈服极限应力。σ0/2σ0/245˚

D’σ’mσ’aCＧ’直线上任意点N’的坐标为（σ’m，σ’a）由∆中两条直角边相等可求得

CＧ’直线的方程为：σ’aG’CN’σaσmσS45˚

σ-1G’Cσ0/2σ0/245˚

D’CG’A’O而正好落在A’G’C折线上时，表示应力状况达到疲劳破坏的极限值。

对于碳钢，yσ≈0.1~0.2，对于合金钢，yσ≈0.2~0.3。公式中的参数yσ为试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定：当应力点落在OA’G’C以外时，一定会发生疲劳破坏。

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。材料σSσ-1D’A’G’Cσaσmo§2机械零件的疲劳强度计算一、零件的极限应力线图由于材料试件是一种特殊的结构，而实际零件的几何形状、尺寸大小、加工质量及强化因素等与材料试件有区别，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。定义弯曲疲劳极限的综合影响系数Ｋσ

：在不对称循环时，Ｋσ是试件与零件极限应力幅的比值。σ-1\Ｋσσ0/2Ｋσσ0/2Ｋσ零件的对称循环弯曲疲劳极限为：σ-1e

设材料的对称循环弯曲疲劳极限为：σ-1

45˚

DAG45˚

σ-1e零件σaσmoσSσ-1D’A’G’Cσ-1\ＫσAG45˚

σ-1e45˚

D直线AＧ的方程为：直线CＧ的方程为：σ’ae---零件所受极限应力幅；σ’me---零件所受极限平均应力；yσe---零件受弯曲的材料特性；

弯曲疲劳极限的综合影响系数Ｋσ反映了：应力集中、尺寸因素、表面加工质量及强化等因素的综合影响结果。其计算公式如下：其中：kσ----有效应力集中系数；βσ----表面质量系数；εσ----尺寸系数；βq----强化系数。CG对于切应力同样有如下方程：其中的系数：kτ

、ετ

、βτ

、βτ与kσ、εσ、βσ、βq相对应；教材附表3-1~3-11详细列出了零件的典型结构、尺寸、表面加工质量及强化措施等因素对弯曲疲劳极限的综合影响

。下面列举了部分图表。σaσmoσSσ-1D’A’G’Cσ-1\Ｋσσ0/2Ｋσσ0/2Ｋσ45˚

DAG45˚

σ-1e有效应力集中系数kσ

ασατ

1.00.80.60.40.2400600800100012001400

σB/Mpaβσ精车粗车未加工磨削抛光钢材的表面质量系数βσ

表面高频淬火的强化系数βq

7~201.3~1.630~401.2~1.57~201.6~2.830~401.5~5试件种类试件直径/mm

无应力集中

有应力集中

NM二、单向稳定变应力时的疲劳强度计算进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的σmax及σmin确定平均应力σm与应力幅σa，然后，在极限应力线图的