9.1重点内容提要 9.1.1教学基本要求 本章简明扼要地介绍了机械零件设计计算中遇到的共性问题，涉及到机械设计中的许用常用概念和基 础知识。 1.了解机械零件设计的基本要求和设计步骤。 2.掌握机械零件强度计算中载荷、应力的种类及相应的强度设计准则，能正确地进行强度计算。 3.了解接触强度及其设计准则。 4.了解机械零件磨损的主要类型、耐磨性设计准则。 5.掌握机械制造常用材料及其选择原则 6.掌握零件尺寸公差与配合、表面相糙度的概念和应用，了解优先数系及优先数。 7.了解机械零件工艺性的基本要求及标准化的概念。 9.1.2机械零件设计概述 机械设计应满足的要求是：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。概括地说是：工作可靠、成本低廉。 机械零件的设计步骤：①拟定零件的计算简图：②确定作用在零件上的载荷：③选择合适的材料： ④根据零件可能出现的主要失效形式，选用相应的设计计算准则，确定零件的形状和主要尺寸；⑤绘制工 作图并标注必要的技术条件。 机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。零件的失效形式很多：因强度不够发生断裂或塑 性变形；因刚度不够而产生过大的弹性变形：因耐磨性不足或润滑不良而使工作表面过度磨损或损伤；或 因长细比（也称柔度）过大稳定性不足而发生失稳；：也还可能因失去振动稳定性而发生强烈的振动（或共 振)、联接的松弛、摩擦传动的打滑等。归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响 等几个方面的问题。 当然，因当明确的是，同一零件在不同的条件下会发生不同的失效形式。这就要求它们具有足够的强 度和刚度、良好的耐磨性、耐热性和振动稳定性。对于不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件 但概括起来均可表示为：计算量≤许用量。这种为防止失效而制定的判定条件，称为工作能力计算准则。 9.1.3机械零件的强度 1.载荷 名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷称为名义载荷。名义载荷是利用工程力学公式 求得的载荷。 计算载荷：考虑各种附加载荷、比较接近实际的载荷。是载荷系数（或工作情况系数）与名义载荷的乘 积。 2.应力 名义应力：用材料力学公式按名义载荷求得的应力。 计算应力：用材料力学公式按计算载荷求得的应力。 机械设计中强度计算用计算应力。但是在复杂的应力状态下工作的零件，应根据材料力学中所述的强 度理论确定其强度条件。 按时间和应力之间的关系又可分为静应力和变应力。不随时间变化的应力称为静应力：随时间变化的
9.1 重点内容提要 9.1.1 教学基本要求 本章简明扼要地介绍了机械零件设计计算中遇到的共性问题，涉及到机械设计中的许用常用概念和基 础知识。 1. 了解机械零件设计的基本要求和设计步骤。 2．掌握机械零件强度计算中载荷、应力的种类及相应的强度设计准则，能正确地进行强度计算。 3．了解接触强度及其设计准则。 4．了解机械零件磨损的主要类型、耐磨性设计准则。 5．掌握机械制造常用材料及其选择原则。 6．掌握零件尺寸公差与配合、表面粗糙度的概念和应用，了解优先数系及优先数。 7．了解机械零件工艺性的基本要求及标准化的概念。 9.1.2 机械零件设计概述 机械设计应满足的要求是：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。概括地说是：工作可靠、成本低廉。 机械零件的设计步骤：①拟定零件的计算简图；②确定作用在零件上的载荷；③选择合适的材料； ④根据零件可能出现的主要失效形式，选用相应的设计计算准则，确定零件的形状和主要尺寸；⑤绘制工 作图并标注必要的技术条件。 机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。零件的失效形式很多：因强度不够发生断裂或塑 性变形；因刚度不够而产生过大的弹性变形；因耐磨性不足或润滑不良而使工作表面过度磨损或损伤；或 因长细比（也称柔度）过大稳定性不足而发生失稳；也还可能因失去振动稳定性而发生强烈的振动（或共 振）、联接的松弛、摩擦传动的打滑等。归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响 等几个方面的问题。 当然，因当明确的是，同一零件在不同的条件下会发生不同的失效形式。这就要求它们具有足够的强 度和刚度、良好的耐磨性、耐热性和振动稳定性。对于不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件 但概括起来均可表示为：计算量≤许用量。这种为防止失效而制定的判定条件，称为工作能力计算准则。 9.1.3 机械零件的强度 1．载荷 名义载荷： 在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷称为名义载荷。名义载荷是利用工程力学公式 求得的载荷。 计算载荷： 考虑各种附加载荷、比较接近实际的载荷。是载荷系数（或工作情况系数）与名义载荷的乘 积。 2．应力 名义应力：用材料力学公式按名义载荷求得的应力。 计算应力：用材料力学公式按计算载荷求得的应力。 机械设计中强度计算用计算应力。但是在复杂的应力状态下工作的零件，应根据材料力学中所述的强 度理论确定其强度条件。 按时间和应力之间的关系又可分为静应力和变应力。不随时间变化的应力称为静应力；随时间变化的
应力称为变应力：具有周期性的变应力称为循环变应力。表征变应力的特征参数有：最大应力·“、最 小应力0恤.平均应力.=oa+oa）/2、应力幅。=(ca-0a)2和应力循环特性"=0恤fom。 对称循环变应力的循环特性Y=一1，特点是：·=一c“。 脉动循环变应力的循环特性？=0，特点是：·“=0， 静应力可看作是特殊的变应力，”=1，特点是：c=c“=c-。 3.机械零件的强度条件 强度是指机械零件在整体或表面上的应力不得超过允许的限度。前者称为整体强度，后者称为表面接 触强度。 机械零件整体强度条件为零件危险截面的计算应力·不大于零件材料的许用应力[问]： a<[ (9-1) (1)静应力下，对于塑性材料制成的零件，主要损坏形式为塑性变形，按不发生塑性变形条件进行强度 计算，其极限应力口为零件材料的屈服极限·：，许用应力： 号号 (9-2) S:安全系数。零件发生塑变后，会影响零件的正常工作，但不会引起重大事故，所以安全系数 取值可小些，一般取=1.25：对于望性较差或铸钢取=1，~2,5，或按相关安全系数表格选取。 (2)静应力下，对于脆性材料制成的零件，主要损坏形式为断裂，按不发生断裂条件进行强度计算，极 限应力“为零件材料的强度极限口▣，许用应力： 号号 (9-3) S:安全系数。零件的断裂可能引起重大的损失甚至人生事故，故安全系数取值较大，一般取 S=3~4,或按相关的安全系数表格选取。 (3)变应力下，无论是塑性材料还是脆性材料，主要损坏形式都是疲劳断裂，其极限应力·为疲劳极 限。并号引入有效应力集中系数。、尺寸系数“。、表面状态系数8，以分别考虑截面突变、绝对尺寸 和表面状态等对极限应力的影响。 对称循环变应力(Y=-)的疲劳极限用：1表示；脉动循环变应力(？=0)的疲劳极限用~表 示无限寿命下零件的许用应力分别为： []= .8c-4 kS (9-4) [a]=5oRa k. (9-5) 循环N次的有限寿命下，疲劳极限应力用FW、“v表示，其许用应力分别为：
应力称为变应力；具有周期性的变应力称为循环变应力。表征变应力的特征参数有：最大应力 、最 小应力 、平均应力 、应力幅 和应力循环特性 。 对称循环变应力的循环特性 ，特点是： 。 脉动循环变应力的循环特性 ，特点是： 。 静应力可看作是特殊的变应力， ，特点是： 。 3．机械零件的强度条件 强度是指机械零件在整体或表面上的应力不得超过允许的限度。前者称为整体强度，后者称为表面接 触强度。 机械零件整体强度条件为零件危险截面的计算应力 不大于零件材料的许用应力 ： （9-1） （ 1）静应力下，对于塑性材料制成的零件，主要损坏形式为塑性变形，按不发生塑性变形条件进行强度 计算，其极限应力 为零件材料的屈服极限 ，许用应力： （9-2） ：安全系数。零件发生塑变后，会影响零件的正常工作，但不会引起重大事故，所以安全系数 取值可小些，一般取 ；对于塑性较差或铸钢取 ，或按相关安全系数表格选取 。 （ 2）静应力下，对于脆性材料制成的零件，主要损坏形式为断裂，按不发生断裂条件进行强度计算，极 限应力 为零件材料的强度极限 ，许用应力： （9-3） ：安全系数。零件的断裂可能引起重大的损失甚至人生事故，故安全系数取值较大，一般取 ，或按相关的安全系数表格选取。 （ 3）变应力下，无论是塑性材料还是脆性材料，主要损坏形式都是疲劳断裂，其极限应力 为疲劳极 限。并引入有效应力集中系数 、尺寸系数 、表面状态系数 ，以分别考虑截面突变、绝对尺寸 和表面状态等对极限应力的影响。 对称循环变应力（ ）的疲劳极限用 表示；脉动循环变应力（ ）的疲劳极限用 表 示.无限寿命下零件的许用应力分别为： （9-4） （9-5） 循环 次的有限寿命下，疲劳极限应力用 、 表示，其许用应力分别为：
la]-aMa-w kaS (9-6) [a]=5aBw k.S (9-7) S:安全系数。可取8=1.32.5，或按相关安全系数表格选取。 疲劳断裂的特征：①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；②疲 劳裂口表现为无明显塑性变形的突然脆性断裂；③疲劳断裂是损伤的积累。 疲劳断裂是微裂纹扩展到一定程度后，发生的突然断裂，与循环次数N(也称为寿命)密切相关。 图9.1表示在对称循环(”=一1)变应力下，其循环次数W与断裂的循环应力·，之间的关系曲线，称 为疲劳曲线。 有限寿命L无限寿命 N 图9.1 对应于循环基数的应力称为材料的疲劳极限·1；对应于任意循环次数 (N,)的应力称为有限寿 N. -1w=6-1 命为N的疲劳极限c-…。它们之间有如下关系： N (9-8) 9.1.4机械零件的接触强度 若两零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，产生较大的局部应 力，这种应力称为接触应力。机械零件的接触应力通常是变应力，经多次循环，在零件表层形成疲劳点蚀 失效。滚动轴承和齿轮等零件常因接触疲劳点蚀而失效。接触应力·“按弹性力学的赫兹公式计算： 本-+1- 8,(9-9) 对于钢或铁可简化为： 0a=0.418, (9-10) 接触强度条件： cg≤[a](9-11) 许用应力：
（9-6） （9-7） ：安全系数。可取 ，或按相关安全系数表格选取。 疲劳断裂的特征：①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；②疲 劳裂口表现为无明显塑性变形的突然脆性断裂；③疲劳断裂是损伤的积累。 疲劳断裂是微裂纹扩展到一定程度后，发生的突然断裂，与循环次数 （也称为寿命）密切相关。 图 9.1表示在对称循环( )变应力下,其循环次数 与断裂的循环应力 之间的关系曲线，称 为疲劳曲线。 图 9.1 对应于循环基数 的应力称为材料的疲劳极限 ；对应于任意循环次数 的应力称为有限寿 命为 的疲劳极限 。它们之间有如下关系： (9-8) 9.1.4 机械零件的接触强度 若两零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，产生较大的局部应 力，这种应力称为接触应力。机械零件的接触应力通常是变应力，经多次循环，在零件表层形成疲劳点蚀 失效。滚动轴承和齿轮等零件常因接触疲劳点蚀而失效。接触应力 按弹性力学的赫兹公式计算： (9-9) 对于钢或铁可简化为： (9-10) 接触强度条件： (9-11) 许用应力：
toul=u SH(9-12) 相接触两零件的接触应力大小是相同有，但由于两零件的材料及热处理工艺不同，其许用接触应力一 般不相同。 9.1.5机械零件的耐磨性 摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。零件抗磨损的能力称为耐磨性。磨损的主要类型有：①磨粒 磨损：在摩擦过程中，外界硬质颗粒或摩擦表面的凸峰起摩擦表面材料脱落的现象；②粘着磨损（胶 合)：由于摩擦表面不平，在相对滑动和一定载荷作用下，接触点处发生塑性流动，甚至引发摩擦表面局 部软化或熔化，导致接触区粘着、摩擦表面擦伤或撕脱现象。③疲劳磨损（点蚀）：在滚动或兼有滑动和 滚动的摩擦表面，在受到重复接触应力下，在零件表面形成的小坑现象；④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的磨损。 耐磨性条件：限制摩擦表面的压强，相对速度较高时，还应限制单位时间单位接触面积的发热量。 pp] (9-15) m≤[wJ] (9-14) 9.1.6机械制造常用材料及其选择 机械设计中零件常用材料有黑色金属、有色金属和非金属，其中以黑色金属的铸铁、钢和有色金属中 的铜合金最为常用。 1.铸铁：含碳量大于2%的铁碳合金。最常用的铸铁是灰铸铁（如HT150、HT200、HT250等）和球 墨铸铁(QT400-15、QT500-7等)。铸铁的液态流动性好，可铸成复杂的零件，但性脆，不易辗压和 锻造。铸铁的减振性、耐磨性、切削性能良好，且成本低廉。 2.钢：含碳量小于2%的铁碳合合金。钢具有较高的韧性和塑性，可用锻造、冲压、焊接或铸造、切削 等方法制造各种零件，其零件的强度高，并可通过热处理方法改善其机械力学性能和加工性能。 按照用途可分为结构钢、工具钢和特种钢。 机械零件常用的钢有碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。 碳素结构钢：含碳量小于0.25%的钢称为低碳钢：含碳量在0.3%~0.5%的钢称为中碳钢；含碳量在 0.55%~0.7%的钢称为高碳钢。低碳钢的强度低、塑性好，具有良好的可焊性，且通过渗碳淬火可提高 零件表面硬度：中碳钢具有较好的综合机械性能，强度较高，又有一定的塑性的韧性。高碳钢且有很高的 强度和弹性。碳素结构钢又分为普通碳素结构钢如(Q235、Q275等)和优质碳素结构钢（如35,45 等)· 合金结构钢：加入一些合金元素的钢称为合金钢。具有优良的综合机械性能，用来制造重要的机械零件。 常用的合金钢有35SiMn、40Cr、65Mn等。 铸钢：铸钢的可铸性好，但比铸铁的流动性差，主要用于制造大型机械零件，常用的铸钢有ZG270- 500、ZG42SiMn等。 3.铜合金：主要有青铜（含锡青铜和不含锡青铜）和黄铜。青铜的流动性、减磨性和抗腐蚀性较好，可 用于辗压、铸造。 4.非金属材料：主要有橡胶、塑料等。 机械设计中，选择零件材料的原则是：满足使用要求和工艺要求的前提下，经济最优
(9-12) 相接触两零件的接触应力大小是相同有，但由于两零件的材料及热处理工艺不同，其许用接触应力一 般不相同。 9.1.5 机械零件的耐磨性 摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。零件抗磨损的能力称为耐磨性。磨损的主要类型有：①磨粒 磨损：在摩擦过程中，外界硬质颗粒或摩擦表面的凸峰引起摩擦表面材料脱落的现象；②粘着磨损（胶 合）：由于摩擦表面不平，在相对滑动和一定载荷作用下，接触点处发生塑性流动，甚至引发摩擦表面局 部软化或熔化，导致接触区粘着、摩擦表面擦伤或撕脱现象。③疲劳磨损（点蚀）：在滚动或兼有滑动和 滚动的摩擦表面，在受到重复接触应力下，在零件表面形成的小坑现象；④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的磨损。 耐磨性条件：限制摩擦表面的压强，相对速度较高时，还应限制单位时间单位接触面积的发热量。 (9-15) (9-14) 9.1.6 机械制造常用材料及其选择 机械设计中零件常用材料有黑色金属、有色金属和非金属，其中以黑色金属的铸铁、钢和有色金属中 的铜合金最为常用。 1．铸铁：含碳量大于2%的铁碳合金。最常用的铸铁是灰铸铁（如HT150、HT200、HT250等）和球 墨铸铁（QT400-15、QT500-7等）。铸铁的液态流动性好，可铸成复杂的零件，但性脆，不易辗压和 锻造。铸铁的减振性、耐磨性、切削性能良好，且成本低廉。 2．钢：含碳量小于2%的铁碳合合金。钢具有较高的韧性和塑性，可用锻造、冲压、焊接或铸造、切削 等方法制造各种零件，其零件的强度高，并可通过热处理方法改善其机械力学性能和加工性能。 按照用途可分为结构钢、工具钢和特种钢。 机械零件常用的钢有碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。 碳素结构钢：含碳量小于 0.25%的钢称为低碳钢；含碳量在0.3%～0.5%的钢称为中碳钢；含碳量在 0.55%～0.7%的钢称为高碳钢。低碳钢的强度低、塑性好，具有良好的可焊性，且通过渗碳淬火可提高 零件表面硬度；中碳钢具有较好的综合机械性能，强度较高，又有一定的塑性的韧性。高碳钢且有很高的 强度和弹性。碳素结构钢又分为普通碳素结构钢如（Q235、Q275等）和优质碳素结构钢（如35,45 等）. 合金结构钢：加入一些合金元素的钢称为合金钢。具有优良的综合机械性能，用来制造重要的机械零件。 常用的合金钢有 35SiMn、40Cr、65Mn等。 铸钢：铸钢的可铸性好，但比铸铁的流动性差，主要用于制造大型机械零件，常用的铸钢有ZG270- 500、ZG42SiMn等。 3．铜合金：主要有青铜（含锡青铜和不含锡青铜）和黄铜。青铜的流动性、减磨性和抗腐蚀性较好，可 用于辗压、铸造。 4．非金属材料：主要有橡胶、塑料等。 机械设计中，选择零件材料的原则是：满足使用要求和工艺要求的前提下，经济最优
9.1.7公差与配合、表面粗糙度和优先数系 1.尺寸公差与配合 零件的尺寸不可能做得绝对精确，但必须介于两个允许的极限尺寸之间，这两个极限尺寸之差称为公 差。一般用零线表示基本尺寸的位置，由代表上、下偏差的两条直线所限定的区域称为公差带。国标规 定，孔与轴的公差带位置各有28个，用字母表示；公差等级20个，用数字表示。如H7表示孔的公差带 为H,公差等级为7：k8表示轴的公差带为k,公差等级为8。机械制造中常用的公差等级为4~11级。精 密零件的尺寸公差等级用4、5，重要零件的公差等级用6、7，中等精度零件用8、9，低精度零件用 10、11. 同一基本尺寸的孔与轴的结合称为配合。根据孔和轴的公差带相对位置，配合分为三大类：间隙配合 (孔大轴小)、过渡配合（可能是间隙、可能是过盈）、过盈配合（孔小轴大）。配合制度有基孔制和基 轴制两种。基子孔制是指孔是基准孔，下偏差为零，靠改变轴的公差带实现不同配合特性。基轴制是指轴是 基准轴，上偏差为零，靠改变孔的公差带实现不同配合特性。工程中主要采用基孔制，但特殊情况下必须 采用基轴制，如轴承座孔与滚动轴承的配合。 2.表面粗糙度 表面粗糙度是指零件微观凹凸不平度。任何加工方法都会在零件表面留下刀痕，使表面凹凸不平，具 有一定的粗糙度。评定粗糙度的参数之一是轮廓算术平均偏差值尺。偏差值凡越小，表示凹凸不平度越 小，零件表面越光洁。常用的R值为0.8~12.5。 3.优先数系 优洗数系是用来使量值如直径、转速等得到合理的分级。国标规定的优洗数系有四种基本系列：必 系列（公比1.6）、R10系列（公比12.5）R20(公比1.12)R40(公比1.06)，系列中的任何一个 数值均称为优先数。 9.1.8机械零件的工艺性及标准化 1.机械零件的工艺性 机械零件便于加工且加工成本低，就称此零件具有良好的工艺性。在零件设计阶段就必须注意零件的 工艺性。有关工艺性的基本要求有：①毛坯选择合理；②结构简单合理：③恰 当的精度和表面粗糙度。 2.标准化 标准化的含义：品种规格的系列化、零部件通用化、质量标准化。 标准化的意义：在制造上可以实行专业化大批量生产，既可提高产品质量又可降低成本；在设计方面可降 低设计成本；在管理维修方面可减少存量和便于更换损坏的零件。 具体标准有国际标准、国家标准、行业标准、地方标准和企业标准
9.1.7 公差与配合、表面粗糙度和优先数系 1．尺寸公差与配合 零件的尺寸不可能做得绝对精确，但必须介于两个允许的极限尺寸之间，这两个极限尺寸之差称为公 差。一般用零线表示基本尺寸的位置，由代表上、下偏差的两条直线所限定的区域称为公差带。国标规 定，孔与轴的公差带位置各有 28个，用字母表示；公差等级20个，用数字表示。如H7表示孔的公差带 为H，公差等级为7；k8表示轴的公差带为k，公差等级为8。机械制造中常用的公差等级为4～11级。精 密零件的尺寸公差等级用4、5，重要零件的公差等级用6、7，中等精度零件用8、9，低精度零件用 10、11。 同一基本尺寸的孔与轴的结合称为配合。根据孔和轴的公差带相对位置，配合分为三大类：间隙配合 （孔大轴小）、过渡配合（可能是间隙、可能是过盈）、过盈配合（孔小轴大）。配合制度有基孔制和基 轴制两种。基孔制是指孔是基准孔，下偏差为零，靠改变轴的公差带实现不同配合特性。基轴制是指轴是 基准轴，上偏差为零，靠改变孔的公差带实现不同配合特性。工程中主要采用基孔制，但特殊情况下必须 采用基轴制，如轴承座孔与滚动轴承的配合。 2．表面粗糙度 表面粗糙度是指零件微观凹凸不平度。任何加工方法都会在零件表面留下刀痕，使表面凹凸不平，具 有一定的粗糙度。评定粗糙度的参数之一是轮廓算术平均偏差值 。偏差值 越小，表示凹凸不平度越 小，零件表面越光洁。常用的 值为0.8～12.5 。 3．优先数系 优先数系是用来使量值如直径、转速等得到合理的分级。国标规定的优先数系有四种基本系列： 系列（公比1.6）、 系列（公比12.5） （公比1.12） （公比1.06） 。系列中的任何一个 数值均称为优先数。 9.1.8 机械零件的工艺性及标准化 1．机械零件的工艺性 机械零件便于加工且加工成本低，就称此零件具有良好的工艺性。在零件设计阶段就必须注意零件的 工艺性。有关工艺性的基本要求有：①毛坯选择合理；②结构简单合理；③恰 当的精度和表面粗糙度。 2．标准化 标准化的含义：品种规格的系列化、零部件通用化、质量标准化。 标准化的意义：在制造上可以实行专业化大批量生产，既可提高产品质量又可降低成本；在设计方面可降 低设计成本；在管理维修方面可减少存量和便于更换损坏的零件。 具体标准有国际标准、国家标准、行业标准、地方标准和企业标准
