第 9章 机械零件设计概论
§ 9-1 机械零件设计概述
§ 9-2 机械零件的强度
§ 9-3 机械零件的接触强度§ 9-4 机械零件的耐磨性
§ 9-5 机械制造常用材料及其选择
§ 9-6 公差与配合、表面粗糙度和优先数系
§ 9-7 机械零件的工艺性及标准化
§ 9－ 1 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
修简单和造型美观等。
? 机械零件由于某种原因不能正常工作（ 完不成规定的功能或达
不到设计要求的性能 ） 时，称为 失效 。破坏是失效，但失效并
不单纯意味着破坏。
? 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 。此限度 对载荷而言 时，又称为 承载能力 。
? 机械零件可能的失效形式归纳起来主要有以下几种：
? 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
伤；发生强烈的振动；联接的松弛；摩擦传动的打滑 等。
? 当周期性干扰力的频率与轴的自振频率相等或接近时，就会发
生共振，导致振幅急剧增大，这种现象称为失去振动稳定性。
共振可能在短期内使零件损坏，所以对于重要的、特别是高速
运转的轴，还应验算其振动稳定性。
? 机械零件虽然有多种可能的失效形式，但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。
? 对于各种不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件。
这种 为防止失效而制定的判定条件,通常称为工作能力 计算准
则 。
? 机械零件的设计准则有
1) 强度准则
? 强度准则是指零件中的应力不得超过允许的限度, 即许用应力，
用公式表示为 ? ? ? ?
? ? ? ?
S
S
lim
lim
?
?????
?
?????
2) 刚度准则
? 指零件在载荷作用下产生的弹性变形量不大于允许值, 用公
式表示为 ? ?
? ?
? ???
?
?
?
???
???
? yy
3) 寿命准则
要求零件在预期工作期限内，能正常工作而不失效 。 影响
寿命的主要因素是：腐蚀、磨损和疲劳。
4) 振动稳定性准则
? 在设计时应使机器中受激振作用的各个零件的自激振动频率
与激振源的频率错开 。通常应保证
fp<0.85f 或 fp<1.15f
5) 可靠性准则
? 机械零件的可靠性用可靠度表示。 可靠度是指零件在规定的
时间内，在规定的使用条件下完成规定功能的概率 。如有 NT
个零件在规定的工作条件下使用，在 t时刻后仍有 NS个零件能
正常工作，则此零件在该工作条件下工作 t时间的可靠度为
T
S
N
NR ?
? 机械零件的设计常按下列步骤进行；
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失效形式，选用相应的判定条件，确定
零件的形状和主要尺寸。
? 应当注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值，
设计者还要根据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。
§ 9－ 2 机械零件的强度
? 载荷 —— 进行强度计算所依据的、作用于零件上的外力 F、弯
矩 M、扭矩 T以及冲击能量等，统称为载荷。
? 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 。
? 考虑机器运转时动力参数的不稳定，工作阻力变化等原因，使
零件受到各种附加载荷而引入的影响系数 称为 载荷系数 K 。
? 载荷系数与名义载荷的乘积,称为 计算载荷 。
? 按照名义载荷用力学公式求得的应力,称为 名义应力 。
? 按照计算载荷求得的应力,称为 计算应力 。
? 利用强度准则判断零件的强度常用的方法有：
① 应力法
? 应力法是判断危险截面处的最大应力 (σ, τ )是否小于或等于
许用应力 ([σ ],[τ ])。 计算公式为
? ? ? ?
? ? ? ?
）（ 19
lim
lim
?
?
?
?
?
?
?
?????
?
?????
S
S
② 安全系数法
? 安全系数法是判断危险截面处的实际安全系数 (Sσ, Sτ )是否大
于或等于许用安全系数 ([Sσ ],[Sτ ])。 计算公式可写成
? ?
? ??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
??
SS
SS
lim
lim
一、应力的种类
? 静应力 —— 不随时间变化的应力 (图 9-1a)。
? 变应力 —— 随时间变化的应力 。
? 循环变应力 —— 随时间作有周期性变化的应力 。 图 9-1b所示为一
般的非对称循环变应力, 图中 T为应力循环周期 。
? 由图可知, 变应力的平均应力 σm及应力幅 σa分别为
）（ 29
2
2
m i nm a x
m i nm a x
?
?
?
?
?
?
???
??
???
??
a
m
循环特性 —— 变应力的最小应力与最大应力之比,用 r表示，它可用
来描述变应力的变化情况。
max
min
?
??r
对称循环变应力 —— 循环特性 r＝ -1的循环变应力, (图 9-1c )，其
σa=σmax=-σmin,σm=0。
脉动循环变应力 —— 循环特性 r=0的循环变应力, (图 9-1d )，其
σa=σm=σmax/2,σmin=0 。
静应力可看作变应力的特例，其 σmax=σmin,循环特性 r=+1。
当 -1<r<+1，并且 r≠0时，称为非 对称循环变应力 (图 b)。
注意, 零件在静载荷作用下不一定产生静应力 。
? 对于用脆性材料制成的零件．应取强度极限 σB作为极限应力，其
许用应力为
? ? ）（ 49 ???? S B
对于组织均匀的脆性材料，如淬火后低温回火的高强度钢。还应
考虑应力集中的影响。
? ? ）（ 39 ???? S S
二、静应力下的许用应力
静应力下，零件材料有两种损坏形式：断裂或塑性变形。
对于塑性材料，可按不发生塑性变形的条件进行计算。这时取材
料的屈服极限 σS作为极限应力，故许用应力为
三,变应力下的许用应力
? 变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。
? 疲劳断裂具有以下特征：
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) 不存在宏观的、明显的塑性变形迹象，是脆性突然断裂；
3) 疲劳断裂是损伤的积累，在循环应力多次反复作用下产生。
4) 对材料的组成、零件的形状、尺寸、表面状态、使用条件和外
界环境等地非常敏感。
? 总之，疲劳破坏的最突出特点是 发生突发性、高度局部性以及
对各种缺陷的敏感性 。
? 右图所示为轴的弯曲
疲劳断裂的断口，微
裂纹常起始于应力最
大的断口周边上。在
断口上明显地有两个
区域：一个是在变应
力重复作用下裂纹两
边相互摩擦形成的表
面 光滑的疲劳区 ；一
个是最终发生跪性断
裂的表面 粗糙的断裂
区 。
? 疲劳断裂不同于一般静力断裂。它是损伤到一定程度后，即裂
纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂、所以疲劳断裂与应
力循环次数（即使用期限或寿命）密切相关。
1,疲劳曲线
? 表示应力 σ 与应力循环次数 N之间的关系曲线 称为 疲劳曲线,如
图 9-3所示。从图中可以看出，应力越小，试件能经受的循环次
数就越多。
当循环次数 N超过某一数值 N0以后，
曲线趋向水平，即可以认为在, 无
限次, 循环时试件将不会断裂。 N0
称为 循环基数,对应于 N0的应力称
为材料的 疲劳极限 。
? 通常用 σ -l表示材料在对称循环变应力下的弯曲疲劳极限。
? 疲劳曲线的左半部（ N＜ N。 ），可近似地用下列方程式表示：
）（ 59011 ????? ?? CNN mm N
利用上式可以求得在一定循环特性的变应力作用下，任意循环
次数 N时的疲劳极限
rNmrrN KN
N ????? 0
对称循环变应力作用下，任意循环次数 N时的疲劳极限为
）（ 69011 ???? ?? mN NN
2,许用应力
? 变应力下，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响，
为此引入有效应力集中系数 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，无限寿命下的许用应力为
? ? )79(11 ??????
?
??
? Sk
当应力是脉动循环变化时，无限寿命下的许用应力为
? ? )89(00 ??????
?
?
Sk
四、安全系数
? 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响。如果安全系数定
得过大将使结构笨重；如定得过小，又可能不够安全。
? 在各个不同的机械制造部门，通过长期生产实践，都制订有适合
本部门的安全系数（或许用应力）的表格。使用时可以从中查表
选取所需的安全系数（或许用应力）。
有限寿命下的许用应力分别为
对称循环变应力时
脉动循环变应力时
? ? )79(11 ???????
?
??
? Sk
N
N
? ? )89(00 ???????
?
?
Sk
N
N
? 当没有专门的表格时，可参考下述原则选择安全系数：
1) 静应力下，塑性材料以屈服极限为极限应力。由于塑性材料可
以缓和过大的局部应力，故可取安全系数 S=1.2~1.5；对于塑
性较差的材料或铸钢件可取 S=1.5~2.5。
2) 静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，这时应取较大的
安全系数。例如，对于高强度钢或铸铁件可取 S=3~4。
3) 变应力下，以疲劳极限作为极限应力，可取 S=1.3~1.7；若材
料不够均匀、计算不够精确时可取 S=1.7~2.5。
§ 9-3 机械零件的接触强度
? 若零件受载时是在较大的体积内产生应力，这种应力状态下的零
件强度 称为 整体强度
? 若两个零件在受载前是点接触或线接触，受载变形后，其表层产
生很大的局部应力,这种应力称为 接触应力 。这时零件强度称为
接触强度 。
? 具有一定曲面的两物体在压力下互相接触时，在接触处产生的应
力便是接触应力 。
? 承受接触应力的零件的承载能力不仅取决于整体强度，还取决于
表面的接触强度。
? 机械零件的接触应力通常
是随时间作周期性变化的
接触变应力，在载荷重复
作用下，零件表面发生 疲
劳点蚀 破坏，（图 9-7）。
零件发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，
因而也降低了承载能力，并引起振动和噪声。
两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时，接触应力分布如 图 9-
8所示，最大接触应力发生在接触区中线上，其值由赫兹 (H.Hertz)
公式 计算
? 对于钢或铸铁，取
μ1=μ2 =μ=0.3，则上
式简化为：
)99(
11
11
2
2
2
1
2
1
21 ?
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21
及
，EEE 1211
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)109(418.012 1 2 ????????? b EFb EF nnH ）（
? 零件受接触变应力作用时 接触强度条件 为
σH≤[σH] 而 [σH] = σlim/SH (9-11)
? 式中 σlim为由实验测得的材料的接触疲劳极限，若两零件的硬
度不同时，常以较软零件的接触疲劳极限为准。由 图 9-8可看
出,接触应力具有上下对等、左右对称及稍离接触区中线即
迅速降低等特点 。由于接触应力是局部性的应力，且应力的
增长与载荷 Fn不成直线关系，而要缓慢得多 [见式 (9-9)]，故安
全系数 SH可取为等于或稍大于 1。
§ 9-4 机械零件的耐磨性
? 运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象 称为 磨损 。磨损会
逐渐改变零件尺寸和摩擦表面状态。 零件抗磨损的能力 称为
耐磨性 。除非运动副摩擦表面为一层润滑剂所隔开而不直接
接触，否则磨损总是难以避兔的。但是只要磨损速度稳定缓
慢，零件就能保持一定寿命。所以，在预定使用期限内，零
件的磨损量不超过允许值时，就认为是正常磨损。
? 出现剧烈磨损时，运动副的间隙增大，能使机械的精度丧失，
效率下降，振动、冲击和噪声增大。这时应立即停车检修、
更换零件。
? 据统计，约有 80％的损坏零件是因磨损而报废的。
1,磨粒磨损
? 硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸峰，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，也可能是外界的尘土杂质等。磨损面间的硬粒，
能使表面材料脱落而留下沟纹。
2,粘着磨损（胶合）
? 当摩擦表面接触时，由于表面不平，实际上只有部分峰顶接
触。在有相对运动和一定载荷作用下，接触处压强极高，能
使材料产生塑性流动。若接触处发生粘着，滑动时会使接触
表面材料由一个表面转移到另一个表面,这种现象称为 粘着
磨损 （ 胶合 ）。
? 所谓 材料转移 是指 接触表面擦伤和撕脱，严重时摩擦表面能
相互咬死 。
3,疲劳磨损（点蚀）
? 在滚动或兼有滑动和滚动的高副中，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
点蚀 。
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,称为 腐蚀磨损 。
? 实用耐磨计算是限制运动副的压强 p，即
p≤[p] (9-12)
? 式中 [p] 是由实验或同类机器使用经验确定的许用压强。
? 相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间单位接触面积
的发热量 fpv。在摩擦系数一定的情况下，可将 pv值与许用 [pv]
值进行比较，即
pv ≤[pv] (9-13)
§ 9-5 机械制造常用材料及其选择
一、金属材料
1,铸铁
? 铸铁和钢都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。
含碳量小于 2％的铁碳合金称为钢，含碳量大于 2％的称为铸
铁。
? 铸铁具有适当的易熔性，良好的液态流动性，因而可铸成形
状复杂的零件 。此外，它的 减震性、耐磨性、切削性（指灰
铸铁）均较好且成本低廉,因此在机械制造中应用甚广。常
用的铸铁有：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。
其中 灰铸铁和球墨铸铁是脆性材料，不能进行辗压和锻造 。
2,钢
? 钢具有高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善其力
学性能和加工性能 。钢制零件的毛坯可用锻造、冲压、焊接
或铸造等方法取得，因此其应用极为广泛。
? 按照用途，钢可分为结构钢、工具钢和特殊钢。
? 结构钢 用于制造各种机械零件和工程结构的构件 ； 工具钢 主
要用于制造各种刃具、模具和量具； 特殊钢 用于制造在特殊
环境下工作的零件 。
? 按照化学成分，钢又可分为碳素钢和合金钢。
? 碳素钢的性质主要取决于含碳量，含碳量越高则钢的强度越
高，但塑性越低 。
? 为了改善钢的性能，特意加入了一些合金元素的钢 称为 合金钢 。
1) 碳素结构钢 这类钢的含碳量一般不超过 0.7％。
? 含碳量低于 0.25％的 低碳钢,它的 强度极限和屈服极限较低，
塑性很高，且具有良好的焊接性,适于冲压、焊接。
? 含碳量在 0.1％ ~0.2％的低碳钢还用以制作渗碳的零件。 通过渗
碳淬火可使零件表面硬而耐磨，心部韧而耐冲击 。如果要求有
更高强度和耐冲击性能时，可采用低碳合金钢。
? 含碳量在 0.3％ ~0.5%的 中碳钢,它的 综合力学性能较好，既有
较高的强度，又有一定的塑性和韧性,常用作受力较大的螺栓、
螺母、键、齿轮和轴等零件。
? 含碳量在 0,55％ ~0.7％的 高碳钢, 具有高的强度和弹性,多
用来制作普通的板弹簧、螺旋弹簧或钢丝绳等。
2) 合金结构钢
? 钢中添加合金元素的作用在于改善钢的性能 。
? 应当注意，合金钢的优良性能不仅取决于化学成分，而且在
更大程度上取决于适当的热处理。
3) 铸钢
? 铸钢的液态流动性比铸铁差，所以用普通砂型铸造时，壁厚
常不小于 10mm。铸钢件的收缩率比铸铁件大，故铸钢件的
圆角和不同壁厚的过渡部分均应比铸铁件大些。
? 选择钢材时，应在满足使用要求的条件下，尽量采用价格便
宜供应充分的碳素钢，必须采用合金钢时也应优先选用我国
资源丰富的硅、锰、硼、钒类合金钢。
? 常用钢铁材料的力学性能见表 9-1。
3,铜合金
? 铜合金有青铜与黄铜之分。 黄铜是铜和锌的合金，并含有少
量的锰、铝、镍等，它具有很好的塑性及流动性，故可进行
辗压和铸造 。 青铜可分为含锡青铜和不含锡青铜两类，它们
的减摩性和抗腐蚀性均较好，也可辗压和铸造 。此外，还有
轴承合金（或称巴氏合金），主要用于制作滑动轴承的轴承
衬。
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,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。
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，近年来在机械制造中其应用日益广泛。
? 以木屑、石棉纤维等作填充物，用热固性树脂压结而成的塑
料 称为 结合塑料 。
? 以布、石棉、薄木板等层状填充物为基体，用热固性树脂压结
而成的塑料 称为 层压塑料,可用来制作无声齿轮、轴承衬和摩
擦片等。
? 在机械制造中也常用到其他非金属材料。
? 设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题。
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。这就要求设计者
在材料和工艺等方面具有广泛的知识和实践经验。
? 为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。
§ 9-6 公差与配合、表面粗糙度和优
先数系
一、公差与配合
? 机器是由零件装配而成的。大规模生产要求零件具有互换性，以
便在装配时不需要选择和附加加工，就能达到预期的技术要求．
? 零件的互换性要求保证零件的尺寸、几何形状和相对位置以及表
面粗糙度的一致性。就零件尺寸而言，它不可能做得绝对精确，
但 零件尺寸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 。互换性要求建立标准化的公差与配合制度。我国
的公差与配合采用国际公差制。
? 如图 9-10所示,设计给定的尺寸 称为 基本尺寸 。零线代表基本
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 。 同一基本尺寸的孔与轴的结合 称为 配合 。
? 根据公差带的相对位置，配合分为间隙配合、过渡配合和过盈
配合三大类。间隙配合的孔比轴大，用于动联接，如轴颈与滑
动轴承孔。过盈配合的孔比轴小，用于静联接。如火车车轮与
轴。过渡配合可能具有间隙，也可能具有过盈，用于要求具有
良好同轴性而又便于装拆的静联接，如齿轮与轴。
? 国家标准规定，孔与轴的公差带位置各有 28个，分别用大写和
小写拉丁字母表示。大写字母表示孔公差带和小写字母表示轴
公差带。 20个公差等级（即尺寸精度等级），用阿拉伯数字表
示。数字越小，精度越高。
? 机械制造中最常用的公差等级是 4~11级。
? 配合制度有基孔制和基轴制两种。 基孔制的孔是基准孔，其
下偏差为零，代号为 H，而各种配合特性是靠改变轴的公差
带来实现的（图 9-11）。 基轴制的轴是基准轴，其上偏差为
零，代号为 h,而各种配合特性是靠改变孔的公差带来实现的。
? 为了减少加工孔用的刀具品种,工程中广泛采用基孔制 。
? 特例,光轴与具有不同配合特性的零件相配合时采用基轴制；
滚动轴承外径与轴承孔配合时采用基轴制 。
二、表面粗糙度
? 表面粗糙度 是 指零件表面的微观几何形状误差 。它主要是加工
后在零件表面留下的微细而凸凹不平的刀痕。
? 表面粗糙度的评定参数之一是轮廓算术平均偏差 Ra，它是指在
取样长度 l内，被测轮廓上各点至轮廓中线偏距绝对值的算术平
均值（图 9-12），即
xylR la d1 0??
? 近似为 ?
?
? n
i
ia ynR
1
1
表 9-3列出了供优先选用的表面粗糙度 Ra值及与其对应的加工
方法。
三、优先数系
? 优先数系是用来使型号、直径、转速、承载量和功率等量值
得到合理的分级 。这样可便于组织生产和降低成本。
? GB321— 80规定的优先数系有四种基本系列，即 R5, R10、
R20,R40系列，其公比分别为 1.6,1.25,1.12,1.06。
? 优先数系中任何一个数值 称为 优先数 。
? 优先数和优先数系是一种科学的数值制度，在确定量值的分
级时，必须最大限度地采用上述优先数及优先数系。
§ 9-7 机械零件的工艺性及标准化
一、工艺性
? 在具体生产条件下，如所设计的机械零件便于加工而加工费
用又很低, 则这样的零件 就称为 具有良好的工艺性 。
? 有关工艺性的基本要求是；
1) 毛坯选择合理
? 机械制造中毛坯制备的方法有：直接利用型材、铸造、锻造、
冲压和焊接等。毛坯的选择与具体的生产技求条件有关，一
般取决于生产批量、材料性能和加工可能性等。
2) 结构简单合理
? 设计零件的结构形状时，最好采用最简单的表面及其组合，
同时还应当尽量使加工表面数目最少和加工面积最小。
3) 规定适当的制造精度及表面粗糙度
? 零件的加工费用随着精度的提高而增加，尤其在精度较高的
情况下，这种增加极为显著。因此，在没有充分根据时，不
应当追求高的精度。同理，零件的表面粗糙度也应当根据配
合表面的实际需要，作出适当的规定。
? 欲设计出工艺性良好的零件，设计者就必须与工艺技术员工
相结合并善于向他们学习。此外，在金属工艺学课程和手册
中也都提供了一些有关工艺性的基本知识，可供参考。
二、标准化
? 标准化 是 指以制订标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过
程 。就工业产品标准化而言，它是指对产品的品种、规格，
质量、检验或安全、卫生要求等制订标准并加以实施。
? 产品标准化本身包括系列化、通用化、标准化三个方面的含
义。
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，以较少的品
种规格满足用户的广泛需要；
2) 零部件的通用化 —— 将同一类型或不同类型产品中用途结构
相近似的零部件，经过统一后实现通用互换；
3) 产品质量标准化 —— 产品质量是一切企业的“命根子”，要
保证产品质量合格和稳定就必须做好设计、加工工艺、装配
检验。甚至包装储运等环节的标准化。这样，才能在澈烈的
市场竟争中立于不败之地。
? 对产品实行标准化具有重大的意义；在制造上可以实行专业
化大量生产，既可提高产品质量又能降低成本；
? 在设计方面可减少设计工作量；在管理维修方面，可减少库
存量和便于更换损坏的零件。
? 按照标准的层次，我国的标准分为国家标准、行业标准、地
方标准和企业标准四级。
? 按照标准实施的强制程度，标准又分为强制性（ GB)和推荐性
（ GB/T)两种。
? 为了增强在国际市场的竞争能力，我国鼓励积极采用国际标
准和国外先进标准。
返回目录
§ 9-1 机械零件设计概述
§ 9-2 机械零件的强度
§ 9-3 机械零件的接触强度§ 9-4 机械零件的耐磨性
§ 9-5 机械制造常用材料及其选择
§ 9-6 公差与配合、表面粗糙度和优先数系
§ 9-7 机械零件的工艺性及标准化
§ 9－ 1 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
修简单和造型美观等。
? 机械零件由于某种原因不能正常工作（ 完不成规定的功能或达
不到设计要求的性能 ） 时，称为 失效 。破坏是失效，但失效并
不单纯意味着破坏。
? 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 。此限度 对载荷而言 时，又称为 承载能力 。
? 机械零件可能的失效形式归纳起来主要有以下几种：
? 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
伤；发生强烈的振动；联接的松弛；摩擦传动的打滑 等。
? 当周期性干扰力的频率与轴的自振频率相等或接近时，就会发
生共振，导致振幅急剧增大，这种现象称为失去振动稳定性。
共振可能在短期内使零件损坏，所以对于重要的、特别是高速
运转的轴，还应验算其振动稳定性。
? 机械零件虽然有多种可能的失效形式，但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。
? 对于各种不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件。
这种 为防止失效而制定的判定条件,通常称为工作能力 计算准
则 。
? 机械零件的设计准则有
1) 强度准则
? 强度准则是指零件中的应力不得超过允许的限度, 即许用应力，
用公式表示为 ? ? ? ?
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2) 刚度准则
? 指零件在载荷作用下产生的弹性变形量不大于允许值, 用公
式表示为 ? ?
? ?
? ???
?
?
?
???
???
? yy
3) 寿命准则
要求零件在预期工作期限内，能正常工作而不失效 。 影响
寿命的主要因素是：腐蚀、磨损和疲劳。
4) 振动稳定性准则
? 在设计时应使机器中受激振作用的各个零件的自激振动频率
与激振源的频率错开 。通常应保证
fp<0.85f 或 fp<1.15f
5) 可靠性准则
? 机械零件的可靠性用可靠度表示。 可靠度是指零件在规定的
时间内，在规定的使用条件下完成规定功能的概率 。如有 NT
个零件在规定的工作条件下使用，在 t时刻后仍有 NS个零件能
正常工作，则此零件在该工作条件下工作 t时间的可靠度为
T
S
N
NR ?
? 机械零件的设计常按下列步骤进行；
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失效形式，选用相应的判定条件，确定
零件的形状和主要尺寸。
? 应当注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值，
设计者还要根据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。
§ 9－ 2 机械零件的强度
? 载荷 —— 进行强度计算所依据的、作用于零件上的外力 F、弯
矩 M、扭矩 T以及冲击能量等，统称为载荷。
? 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 。
? 考虑机器运转时动力参数的不稳定，工作阻力变化等原因，使
零件受到各种附加载荷而引入的影响系数 称为 载荷系数 K 。
? 载荷系数与名义载荷的乘积,称为 计算载荷 。
? 按照名义载荷用力学公式求得的应力,称为 名义应力 。
? 按照计算载荷求得的应力,称为 计算应力 。
? 利用强度准则判断零件的强度常用的方法有：
① 应力法
? 应力法是判断危险截面处的最大应力 (σ, τ )是否小于或等于
许用应力 ([σ ],[τ ])。 计算公式为
? ? ? ?
? ? ? ?
）（ 19
lim
lim
?
?
?
?
?
?
?
?????
?
?????
S
S
② 安全系数法
? 安全系数法是判断危险截面处的实际安全系数 (Sσ, Sτ )是否大
于或等于许用安全系数 ([Sσ ],[Sτ ])。 计算公式可写成
? ?
? ??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
??
SS
SS
lim
lim
一、应力的种类
? 静应力 —— 不随时间变化的应力 (图 9-1a)。
? 变应力 —— 随时间变化的应力 。
? 循环变应力 —— 随时间作有周期性变化的应力 。 图 9-1b所示为一
般的非对称循环变应力, 图中 T为应力循环周期 。
? 由图可知, 变应力的平均应力 σm及应力幅 σa分别为
）（ 29
2
2
m i nm a x
m i nm a x
?
?
?
?
?
?
???
??
???
??
a
m
循环特性 —— 变应力的最小应力与最大应力之比,用 r表示，它可用
来描述变应力的变化情况。
max
min
?
??r
对称循环变应力 —— 循环特性 r＝ -1的循环变应力, (图 9-1c )，其
σa=σmax=-σmin,σm=0。
脉动循环变应力 —— 循环特性 r=0的循环变应力, (图 9-1d )，其
σa=σm=σmax/2,σmin=0 。
静应力可看作变应力的特例，其 σmax=σmin,循环特性 r=+1。
当 -1<r<+1，并且 r≠0时，称为非 对称循环变应力 (图 b)。
注意, 零件在静载荷作用下不一定产生静应力 。
? 对于用脆性材料制成的零件．应取强度极限 σB作为极限应力，其
许用应力为
? ? ）（ 49 ???? S B
对于组织均匀的脆性材料，如淬火后低温回火的高强度钢。还应
考虑应力集中的影响。
? ? ）（ 39 ???? S S
二、静应力下的许用应力
静应力下，零件材料有两种损坏形式：断裂或塑性变形。
对于塑性材料，可按不发生塑性变形的条件进行计算。这时取材
料的屈服极限 σS作为极限应力，故许用应力为
三,变应力下的许用应力
? 变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。
? 疲劳断裂具有以下特征：
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) 不存在宏观的、明显的塑性变形迹象，是脆性突然断裂；
3) 疲劳断裂是损伤的积累，在循环应力多次反复作用下产生。
4) 对材料的组成、零件的形状、尺寸、表面状态、使用条件和外
界环境等地非常敏感。
? 总之，疲劳破坏的最突出特点是 发生突发性、高度局部性以及
对各种缺陷的敏感性 。
? 右图所示为轴的弯曲
疲劳断裂的断口，微
裂纹常起始于应力最
大的断口周边上。在
断口上明显地有两个
区域：一个是在变应
力重复作用下裂纹两
边相互摩擦形成的表
面 光滑的疲劳区 ；一
个是最终发生跪性断
裂的表面 粗糙的断裂
区 。
? 疲劳断裂不同于一般静力断裂。它是损伤到一定程度后，即裂
纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂、所以疲劳断裂与应
力循环次数（即使用期限或寿命）密切相关。
1,疲劳曲线
? 表示应力 σ 与应力循环次数 N之间的关系曲线 称为 疲劳曲线,如
图 9-3所示。从图中可以看出，应力越小，试件能经受的循环次
数就越多。
当循环次数 N超过某一数值 N0以后，
曲线趋向水平，即可以认为在, 无
限次, 循环时试件将不会断裂。 N0
称为 循环基数,对应于 N0的应力称
为材料的 疲劳极限 。
? 通常用 σ -l表示材料在对称循环变应力下的弯曲疲劳极限。
? 疲劳曲线的左半部（ N＜ N。 ），可近似地用下列方程式表示：
）（ 59011 ????? ?? CNN mm N
利用上式可以求得在一定循环特性的变应力作用下，任意循环
次数 N时的疲劳极限
rNmrrN KN
N ????? 0
对称循环变应力作用下，任意循环次数 N时的疲劳极限为
）（ 69011 ???? ?? mN NN
2,许用应力
? 变应力下，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响，
为此引入有效应力集中系数 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，无限寿命下的许用应力为
? ? )79(11 ??????
?
??
? Sk
当应力是脉动循环变化时，无限寿命下的许用应力为
? ? )89(00 ??????
?
?
Sk
四、安全系数
? 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响。如果安全系数定
得过大将使结构笨重；如定得过小，又可能不够安全。
? 在各个不同的机械制造部门，通过长期生产实践，都制订有适合
本部门的安全系数（或许用应力）的表格。使用时可以从中查表
选取所需的安全系数（或许用应力）。
有限寿命下的许用应力分别为
对称循环变应力时
脉动循环变应力时
? ? )79(11 ???????
?
??
? Sk
N
N
? ? )89(00 ???????
?
?
Sk
N
N
? 当没有专门的表格时，可参考下述原则选择安全系数：
1) 静应力下，塑性材料以屈服极限为极限应力。由于塑性材料可
以缓和过大的局部应力，故可取安全系数 S=1.2~1.5；对于塑
性较差的材料或铸钢件可取 S=1.5~2.5。
2) 静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，这时应取较大的
安全系数。例如，对于高强度钢或铸铁件可取 S=3~4。
3) 变应力下，以疲劳极限作为极限应力，可取 S=1.3~1.7；若材
料不够均匀、计算不够精确时可取 S=1.7~2.5。
§ 9-3 机械零件的接触强度
? 若零件受载时是在较大的体积内产生应力，这种应力状态下的零
件强度 称为 整体强度
? 若两个零件在受载前是点接触或线接触，受载变形后，其表层产
生很大的局部应力,这种应力称为 接触应力 。这时零件强度称为
接触强度 。
? 具有一定曲面的两物体在压力下互相接触时，在接触处产生的应
力便是接触应力 。
? 承受接触应力的零件的承载能力不仅取决于整体强度，还取决于
表面的接触强度。
? 机械零件的接触应力通常
是随时间作周期性变化的
接触变应力，在载荷重复
作用下，零件表面发生 疲
劳点蚀 破坏，（图 9-7）。
零件发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，
因而也降低了承载能力，并引起振动和噪声。
两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时，接触应力分布如 图 9-
8所示，最大接触应力发生在接触区中线上，其值由赫兹 (H.Hertz)
公式 计算
? 对于钢或铸铁，取
μ1=μ2 =μ=0.3，则上
式简化为：
)99(
11
11
2
2
2
1
2
1
21 ?
??
?
??
?
?
?
?
??
EE
b
F n
H
令
?????
111
21
及
，EEE 1211
21
??
)109(418.012 1 2 ????????? b EFb EF nnH ）（
? 零件受接触变应力作用时 接触强度条件 为
σH≤[σH] 而 [σH] = σlim/SH (9-11)
? 式中 σlim为由实验测得的材料的接触疲劳极限，若两零件的硬
度不同时，常以较软零件的接触疲劳极限为准。由 图 9-8可看
出,接触应力具有上下对等、左右对称及稍离接触区中线即
迅速降低等特点 。由于接触应力是局部性的应力，且应力的
增长与载荷 Fn不成直线关系，而要缓慢得多 [见式 (9-9)]，故安
全系数 SH可取为等于或稍大于 1。
§ 9-4 机械零件的耐磨性
? 运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象 称为 磨损 。磨损会
逐渐改变零件尺寸和摩擦表面状态。 零件抗磨损的能力 称为
耐磨性 。除非运动副摩擦表面为一层润滑剂所隔开而不直接
接触，否则磨损总是难以避兔的。但是只要磨损速度稳定缓
慢，零件就能保持一定寿命。所以，在预定使用期限内，零
件的磨损量不超过允许值时，就认为是正常磨损。
? 出现剧烈磨损时，运动副的间隙增大，能使机械的精度丧失，
效率下降，振动、冲击和噪声增大。这时应立即停车检修、
更换零件。
? 据统计，约有 80％的损坏零件是因磨损而报废的。
1,磨粒磨损
? 硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸峰，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，也可能是外界的尘土杂质等。磨损面间的硬粒，
能使表面材料脱落而留下沟纹。
2,粘着磨损（胶合）
? 当摩擦表面接触时，由于表面不平，实际上只有部分峰顶接
触。在有相对运动和一定载荷作用下，接触处压强极高，能
使材料产生塑性流动。若接触处发生粘着，滑动时会使接触
表面材料由一个表面转移到另一个表面,这种现象称为 粘着
磨损 （ 胶合 ）。
? 所谓 材料转移 是指 接触表面擦伤和撕脱，严重时摩擦表面能
相互咬死 。
3,疲劳磨损（点蚀）
? 在滚动或兼有滑动和滚动的高副中，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
点蚀 。
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,称为 腐蚀磨损 。
? 实用耐磨计算是限制运动副的压强 p，即
p≤[p] (9-12)
? 式中 [p] 是由实验或同类机器使用经验确定的许用压强。
? 相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间单位接触面积
的发热量 fpv。在摩擦系数一定的情况下，可将 pv值与许用 [pv]
值进行比较，即
pv ≤[pv] (9-13)
§ 9-5 机械制造常用材料及其选择
一、金属材料
1,铸铁
? 铸铁和钢都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。
含碳量小于 2％的铁碳合金称为钢，含碳量大于 2％的称为铸
铁。
? 铸铁具有适当的易熔性，良好的液态流动性，因而可铸成形
状复杂的零件 。此外，它的 减震性、耐磨性、切削性（指灰
铸铁）均较好且成本低廉,因此在机械制造中应用甚广。常
用的铸铁有：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。
其中 灰铸铁和球墨铸铁是脆性材料，不能进行辗压和锻造 。
2,钢
? 钢具有高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善其力
学性能和加工性能 。钢制零件的毛坯可用锻造、冲压、焊接
或铸造等方法取得，因此其应用极为广泛。
? 按照用途，钢可分为结构钢、工具钢和特殊钢。
? 结构钢 用于制造各种机械零件和工程结构的构件 ； 工具钢 主
要用于制造各种刃具、模具和量具； 特殊钢 用于制造在特殊
环境下工作的零件 。
? 按照化学成分，钢又可分为碳素钢和合金钢。
? 碳素钢的性质主要取决于含碳量，含碳量越高则钢的强度越
高，但塑性越低 。
? 为了改善钢的性能，特意加入了一些合金元素的钢 称为 合金钢 。
1) 碳素结构钢 这类钢的含碳量一般不超过 0.7％。
? 含碳量低于 0.25％的 低碳钢,它的 强度极限和屈服极限较低，
塑性很高，且具有良好的焊接性,适于冲压、焊接。
? 含碳量在 0.1％ ~0.2％的低碳钢还用以制作渗碳的零件。 通过渗
碳淬火可使零件表面硬而耐磨，心部韧而耐冲击 。如果要求有
更高强度和耐冲击性能时，可采用低碳合金钢。
? 含碳量在 0.3％ ~0.5%的 中碳钢,它的 综合力学性能较好，既有
较高的强度，又有一定的塑性和韧性,常用作受力较大的螺栓、
螺母、键、齿轮和轴等零件。
? 含碳量在 0,55％ ~0.7％的 高碳钢, 具有高的强度和弹性,多
用来制作普通的板弹簧、螺旋弹簧或钢丝绳等。
2) 合金结构钢
? 钢中添加合金元素的作用在于改善钢的性能 。
? 应当注意，合金钢的优良性能不仅取决于化学成分，而且在
更大程度上取决于适当的热处理。
3) 铸钢
? 铸钢的液态流动性比铸铁差，所以用普通砂型铸造时，壁厚
常不小于 10mm。铸钢件的收缩率比铸铁件大，故铸钢件的
圆角和不同壁厚的过渡部分均应比铸铁件大些。
? 选择钢材时，应在满足使用要求的条件下，尽量采用价格便
宜供应充分的碳素钢，必须采用合金钢时也应优先选用我国
资源丰富的硅、锰、硼、钒类合金钢。
? 常用钢铁材料的力学性能见表 9-1。
3,铜合金
? 铜合金有青铜与黄铜之分。 黄铜是铜和锌的合金，并含有少
量的锰、铝、镍等，它具有很好的塑性及流动性，故可进行
辗压和铸造 。 青铜可分为含锡青铜和不含锡青铜两类，它们
的减摩性和抗腐蚀性均较好，也可辗压和铸造 。此外，还有
轴承合金（或称巴氏合金），主要用于制作滑动轴承的轴承
衬。
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,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。
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，近年来在机械制造中其应用日益广泛。
? 以木屑、石棉纤维等作填充物，用热固性树脂压结而成的塑
料 称为 结合塑料 。
? 以布、石棉、薄木板等层状填充物为基体，用热固性树脂压结
而成的塑料 称为 层压塑料,可用来制作无声齿轮、轴承衬和摩
擦片等。
? 在机械制造中也常用到其他非金属材料。
? 设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题。
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。这就要求设计者
在材料和工艺等方面具有广泛的知识和实践经验。
? 为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。
§ 9-6 公差与配合、表面粗糙度和优
先数系
一、公差与配合
? 机器是由零件装配而成的。大规模生产要求零件具有互换性，以
便在装配时不需要选择和附加加工，就能达到预期的技术要求．
? 零件的互换性要求保证零件的尺寸、几何形状和相对位置以及表
面粗糙度的一致性。就零件尺寸而言，它不可能做得绝对精确，
但 零件尺寸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 。互换性要求建立标准化的公差与配合制度。我国
的公差与配合采用国际公差制。
? 如图 9-10所示,设计给定的尺寸 称为 基本尺寸 。零线代表基本
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 。 同一基本尺寸的孔与轴的结合 称为 配合 。
? 根据公差带的相对位置，配合分为间隙配合、过渡配合和过盈
配合三大类。间隙配合的孔比轴大，用于动联接，如轴颈与滑
动轴承孔。过盈配合的孔比轴小，用于静联接。如火车车轮与
轴。过渡配合可能具有间隙，也可能具有过盈，用于要求具有
良好同轴性而又便于装拆的静联接，如齿轮与轴。
? 国家标准规定，孔与轴的公差带位置各有 28个，分别用大写和
小写拉丁字母表示。大写字母表示孔公差带和小写字母表示轴
公差带。 20个公差等级（即尺寸精度等级），用阿拉伯数字表
示。数字越小，精度越高。
? 机械制造中最常用的公差等级是 4~11级。
? 配合制度有基孔制和基轴制两种。 基孔制的孔是基准孔，其
下偏差为零，代号为 H，而各种配合特性是靠改变轴的公差
带来实现的（图 9-11）。 基轴制的轴是基准轴，其上偏差为
零，代号为 h,而各种配合特性是靠改变孔的公差带来实现的。
? 为了减少加工孔用的刀具品种,工程中广泛采用基孔制 。
? 特例,光轴与具有不同配合特性的零件相配合时采用基轴制；
滚动轴承外径与轴承孔配合时采用基轴制 。
二、表面粗糙度
? 表面粗糙度 是 指零件表面的微观几何形状误差 。它主要是加工
后在零件表面留下的微细而凸凹不平的刀痕。
? 表面粗糙度的评定参数之一是轮廓算术平均偏差 Ra，它是指在
取样长度 l内，被测轮廓上各点至轮廓中线偏距绝对值的算术平
均值（图 9-12），即
xylR la d1 0??
? 近似为 ?
?
? n
i
ia ynR
1
1
表 9-3列出了供优先选用的表面粗糙度 Ra值及与其对应的加工
方法。
三、优先数系
? 优先数系是用来使型号、直径、转速、承载量和功率等量值
得到合理的分级 。这样可便于组织生产和降低成本。
? GB321— 80规定的优先数系有四种基本系列，即 R5, R10、
R20,R40系列，其公比分别为 1.6,1.25,1.12,1.06。
? 优先数系中任何一个数值 称为 优先数 。
? 优先数和优先数系是一种科学的数值制度，在确定量值的分
级时，必须最大限度地采用上述优先数及优先数系。
§ 9-7 机械零件的工艺性及标准化
一、工艺性
? 在具体生产条件下，如所设计的机械零件便于加工而加工费
用又很低, 则这样的零件 就称为 具有良好的工艺性 。
? 有关工艺性的基本要求是；
1) 毛坯选择合理
? 机械制造中毛坯制备的方法有：直接利用型材、铸造、锻造、
冲压和焊接等。毛坯的选择与具体的生产技求条件有关，一
般取决于生产批量、材料性能和加工可能性等。
2) 结构简单合理
? 设计零件的结构形状时，最好采用最简单的表面及其组合，
同时还应当尽量使加工表面数目最少和加工面积最小。
3) 规定适当的制造精度及表面粗糙度
? 零件的加工费用随着精度的提高而增加，尤其在精度较高的
情况下，这种增加极为显著。因此，在没有充分根据时，不
应当追求高的精度。同理，零件的表面粗糙度也应当根据配
合表面的实际需要，作出适当的规定。
? 欲设计出工艺性良好的零件，设计者就必须与工艺技术员工
相结合并善于向他们学习。此外，在金属工艺学课程和手册
中也都提供了一些有关工艺性的基本知识，可供参考。
二、标准化
? 标准化 是 指以制订标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过
程 。就工业产品标准化而言，它是指对产品的品种、规格，
质量、检验或安全、卫生要求等制订标准并加以实施。
? 产品标准化本身包括系列化、通用化、标准化三个方面的含
义。
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，以较少的品
种规格满足用户的广泛需要；
2) 零部件的通用化 —— 将同一类型或不同类型产品中用途结构
相近似的零部件，经过统一后实现通用互换；
3) 产品质量标准化 —— 产品质量是一切企业的“命根子”，要
保证产品质量合格和稳定就必须做好设计、加工工艺、装配
检验。甚至包装储运等环节的标准化。这样，才能在澈烈的
市场竟争中立于不败之地。
? 对产品实行标准化具有重大的意义；在制造上可以实行专业
化大量生产，既可提高产品质量又能降低成本；
? 在设计方面可减少设计工作量；在管理维修方面，可减少库
存量和便于更换损坏的零件。
? 按照标准的层次，我国的标准分为国家标准、行业标准、地
方标准和企业标准四级。
? 按照标准实施的强制程度，标准又分为强制性（ GB)和推荐性
（ GB/T)两种。
? 为了增强在国际市场的竞争能力，我国鼓励积极采用国际标
准和国外先进标准。
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