总 论
绪论
机械设计概论
绪 论
一、引言
二、本课程的性质与研究对象
三、本课程研究的内容、特点和任务
一、引言
1、机械工程与科学是一门古老的学科
机械工程与科学是一门古老的学科，它将人们从繁重的体力
劳动中解放出来。
在古代人类使用 杠杆, 滚子, 绳轮 和 凸轮 等简单工具，后来
逐渐发明了 指南针, 地动仪, 纺织机 和 蒸汽机 等许多机械。
经过 18世纪第一次工业革命，以及当今世界以知识经济为特
征的产业革命的推动，人类又发明了 电子计算机, 数控机
床, 人造卫星 和 火星探测仪 等高新技术产品。
2、机械工业在国民经济中起着重要作用
机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的主要标
志之一。
以机械科学为基础的 制造业 是一个 国家的支柱产业,是社
会的财富，也是国家富强和国防稳固的基础。据报道，
美国约 60%的财富来源于制造业，日本约 50%的国民生产
总值是由制造业创造的。
据统计,80年代我国制造业的产值占工业总产值的 1/4强。
目前已达到 38%以上。
3、机械工业的主要任务
研究, 设计 和 发展新的机械装备及仪器,以适应当前和将来
的社会需要。
各个产业和工程领域 要求机械及其系统性能优良，以便提高
能源、材料、劳动和设备的利用率，减少对环境的污染，
提高安全性、可靠性和寿命；要求机械及其系统与电子技
术相结合，提高自动化程度，提高生产线柔性，以便适应
多品种、小批量、常变化的新生产方式。
4、机械设计的地位与作用
①经济竞争归根结底是设计和制造能力竞争
工业化国家的财富 60— 80%是制造业创造的
制造是将科技转化为财富的最后环节
各发达国家重新重视制造业
② 机械制造业生产管理模式的转变
③ 制造业市场竞争围绕 TQCSF 展开
④ 竞争的焦点之一是设计
成功的设计赢得了市场
设计是科技成果转化为生产力的纽带
设计是引进技术实现国产化的重要环节
没有现代化设计就没有现代化产品
⑤ 设计在生产中的地位
设计是影响产品技术与经济指标的关键
现代企业三部分
开发设计
制造
市场销售
将核心工作放在本企业，两头在内，中间在外
二、本课程的性质与研究对象
1、课程的性质
机械设计是培养学生具有机械设计能力的技术基础课。在机械
各类专业教学培养计划中是主干课程。本课程在教学内容方
面着重基本知识、基本理论和基本方法，在培养实践能力方
面重视设计构思、创新意识和设计技能的培养。
本课程的主要任务是培养学生：
· 掌握通用机械零件的设计原理、方法和机械设计的一
般规律，具有设计一般机械的能力；
· 初步具有一定机械系统方案优化及决策的能力与素质；
· 培养创新意识，树立正确的设计思想；
· 具有应用标准、规范、手册、图册及 CAD软件等技术资
料和实用软件的能力；
· 对机械设计的新发展有所了解。
2、研究对象
机械 机构 (mechanism)：传递与变换运动和力的可动装臵
机器 (machine)：转换机械能，或用机械能作功。
机械的发展过程,
天然工具 → 简单机器 → 工业革命 → 现代机器
如,火车发展
蒸汽机车 → 内燃机车 → 电力机车 → 高速列车 → 磁浮列车（常导
→ 高温超导）
轿车发展
红旗 → 桑塔纳、捷达、奥迪 → 别克、本田、帕萨特
三、本课程研究的内容、特点和任务
1、内容
研究普通工作条件下，一般尺寸参数的通用零件的设计理
论与方法 。
具体内容,
①总论：机械设计中带有共性的问题，有关设计的理论和
原则；
②联接零件：螺纹联接、键及花键联接等；
③传动零件：带、链、齿轮、蜗杆传动等；
④轴系部分：轴、轴承等；
⑤其它部分：弹簧、箱体、变速器等。
2、特点
性质,以通用零件为核心，论述设计理论及方法的一门设计
性 技术基础课 。
特点,综合运用已学知识，制图、力学、金属学（材料及工
艺）和公差配合等。
①综合性较强；
②实践性；
③逻辑性较差。
3、任务
? 培养学生掌握通用零件的设计原理、方法和机械设计
的一般规律；
? 树立正确的设计思想，了解国家当前的有关技术经济
政策；
? 具有使用标准、规范、手册、图册及查阅资料的能力；
? 掌握典型零件的实验方法，获得实验技能的基本训练；
? 了解机械设计的新发展。
机械设计概论
机械设计的基本要求和一般程序
机械零件的工作能力和计算准则
机械零件的疲劳强度
机械设计新发展
摩擦、磨损及润滑概述
设计问题的综合性
社会学
心理学
经济学
科学技术 工艺性 造型艺术
机械设计
§ 1 机械设计的基本要求和一般程序
1.1 机械设计的基本要求
,使用功能的要求
,经济性要求
? ?三化? --标准化、系列化、通用化
? 劳动保护要求
? 可靠性要求
? 其它专业要求
1.2 机械设计的一般程序及设计人员的素质要求
计划阶段
方案设计
技术设计
技术文件的编制
试制、试验、鉴定、生产
信
息
反
馈
、
修
改
机械零件
设计的内容
分析工作原理 类型选择 受力分析
改进与发展
结果分析与设计 简化模型
失效分析
建立计算准则
2.1 机械零件的主要失效形式和工作能力
1、机械零件的主要失效形式
失效 零部件不能满足工作要求称为 失效。
机
械
零
件
的
主
要
失
效
形
式
整体断裂, 拉，压，弯，扭
零件表面的破坏, 磨损、腐蚀、接触疲劳
破坏正常工作条件引起的失效, 打滑，共振，胶合
过大的残余应力, 加工，热处理
§ 2 机械零件的工作能力和计算准则
2、机械零件的工作能力
零件不发生失效的安全工作限度称为工作能力。对载荷而言
的工作能力称为承载能力。有时，零件工作能力是针对变
形、速度、温度或压力而言的安全工作限度。
机械零件设计的基本要求,
? 避免在预期寿命期内 失效 的要求（强度、刚度、耐磨性、
振动稳定性、可靠性等）
? 结构工艺性的要求
? 经济性要求
? 质量小的要求
? 可靠性要求
2.2 机械零件的计算准则
设计准则 计算公式 失效形式 典型零部件
强度准则 ?? ? lim /S 断裂、疲劳
破坏、残余
变形
轴、齿轮,带
轮等
刚度准则 y ? [y ] 弹性变形 轴、蜗杆等
寿命准则 满足额定寿
命
腐蚀、磨
损、疲劳
滚动轴承等
振动稳定性 0,85f >f
p
或
1,15f< f
p
共振产生的
工作失常
滚动轴承、
齿轮、滑动
轴承
可靠性准则 R=N/N
0
2.3 机械零件的设计方法
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。
名义载荷（ F,P,T）：力学公式计算出的载荷。
但：由于载荷作用的不平稳性、分布的不均匀性等
因素,实际载荷大于名义载荷。 —— 载荷系数 K
∴ 计算载荷 (Fc,Pc,Tc)=载荷系数 × 名义载荷
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
两种计算方法：
a）设计计算：直接求出危险截面尺寸 A。
][?
FA ?
b）校核计算：其他方法初步设计 → 验算。
5）画零件图。
2、经验设计
根据 经验关系式,用 类比 的方法所进行的设计。
如,箱体,传动件个各结构要素等
3、模型实验设计
把初步设计的零、部件或机器作成 小模型 或 小尺寸样机
进行实验。
如：飞机、桥梁的风洞实验。
? ???? ?? AF
§ 3 机械零件的疲劳强度
强度准则 是设计机械零件的最基本准则，即 。
强度问题,
静应力强度,通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次
数小于 103的通用零件，均按静应力强度进行设计。（材料力学范畴）
变应力强度,在变应力作用下，零件产生疲劳破坏。
疲劳破坏定义,金属材料试件在交变应力作用下，经过长时间的试验而
发生的破坏。
疲劳破坏的特征,
1）零件的最大应力在远小于静应力的强度极限时，就可能发生破坏；
2）即使是塑性材料，在没有明显的塑性变形下就可能发生突然的脆性
断裂。
疲劳破坏的原因,材料内部的缺陷、加工过程中的刀痕或零件局部的应
力集中等导致产生了微观裂纹，称为裂纹源，在交变应力作用下，随
着循环次数的增加，裂纹不断扩展，直至零件发生突然断裂。
Slim
?? ?
3.1 应力的分类
静应力,应力的大小和方向不随时间而变化或变化缓慢的应力。
零件相应的失效形式为塑性变形或断裂。
交变应力,应力的大小和方向随时间作周期性变化的应力。零
件相应的失效形式为疲劳破坏。
例,
常见变应力及其基本变化规律
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
2
2
:
m i nm ax
m i nm ax
m ax
m i n
??
?
??
?
?
?
a
m
r
关系
变应力参数
O
σ
t
σ max
σ min
σ m
σ a
σ max — 最大应力
σ min — 最小应力
σ m — 平均应力
σ a — 应力幅
r — 变应力循环特性
对称循环变应力
σm= 0 r = -1
σmin= 0 r = 0
脉动循环变应力
例,火车轮轴、双向转动
的齿轮轮齿的弯曲应力
例,单向转动的齿轮轮齿
的弯曲应力
非对称循环变应力
-1< r < 0
0 < r < 1
t
O
σ
r＝ +1 静应力
变应力参数不随时间改变的变应力称为 稳定变应力 ；
变应力参数随时间改变的变应力称为 不稳定变应力 。
随机变应力
可看作循环变应力的 特例 ！例：
定滑轮轴、自行车前轮轴的弯
曲应力。
σ m=σ max= σ min
t
O
σ
3.2 疲劳曲线
材料的疲劳性能是通过试验来测定的。在材料的标准试件上加
上一定循环特性 r（通常是对称循环）的等幅变应力，通过
试验，记录出在不同最大应力下引起试件疲劳破坏所经历
的应力循环次数 N。
材料的疲劳曲线（ σ-N曲线）
σr
O N
C
D
ND
σ rN σ r∞
σrN
σr∞ 无限寿命疲劳极限
持久疲劳极限
对应于应力循环次数 N
时的弯曲疲劳极限
ND 分界转折点
水平直线段 N > ND 无限寿命区
曲线段 N ≤ N D 有限寿命区
mrrN NN 0?? ?
有限寿命（为 N）
时的疲劳极限
m — 随应力状态而不同的指数
N
Nr K?? ?
CNN mrmrN ?? 0??
σ r
— 循环基数
ND =106~25× 107
0
A′
D′ G′
C45° 45°
σ
0/
2
σ 0/ 2
σ S
σ m
σ a
O
σ a
σ -1
O
σ m
σ S
3.3 材料的极限应力线图
Sam ???? ???m ax
A′
D′ G′
C
σ 0/ 2
σ S
σ m
σ a
O
A
D G
?
??
Ke 11 ?? ?
?
?K2 0
e
K
1
1
?
?? ???
?
??
Ke 11 ?? ?
Smeae ??? ????
meeaee K ???
??
?
?
????? ?? 11
0
0121 ? ????
??
?? ???? ?KKe
?
?? ??kK ?
3.4 零件的极限应力线图
meaeK ???? ?? ????? 1或
3.5 单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算
步骤,
①根据零件载荷及结构情况，求 σ min,σ max及 σ a,σ m，
并将其标在零件的极限应力线图中，如图 2.6中 M,N点；
②求该工作应力点的零件疲劳极限 σ ′max。
SS ca ????
m a x
m a xl i m ????
说明
应遵循与工作应力变化规律相一致的原则，一般工作应力有三
种变化情况：
r=C（机器中转轴的应力状态）；
σ m=C（加载振动弹簧）；
σ min=C（受轴向力的紧螺栓联接）。
但通常采用 r=C来进行疲劳强度计算。
③建立计算安全系数的计算公式，进行计算。
1,r=C的情况
当 r=C时，找出一个与工作应力变化规律相同的极限应力。
直线 OM′1方程：
直线 AG方程：
联解可求出 σ ′ae,σ ′me，于是 M′1点的零件极限应力
Crr
m
a ???????? 11
m i nm a x
m i nm a x ?? ????
m
a
me
ae ???? ???
meaeK ???? ?? ????? 1
则
（ 疲劳强度计算公式 ）
当工作应力点 N处于 OGC区时：
ma
meae K ???
?????
?? ?
?????? ? m a x1m a x
SKS
maca
?????? ? ??? ?????
??
1
m a x
m a xl i m
S?? ??m a x ma ??? ??m a x
SS
ma
S
ca ???
???
??
?
?
?
?
?
m a x
m a xl i m
2,σm=C的情况
联解直线 MM′2和 AG方程，可得 M′2点的坐标 σ ′ae,σ ′me，于是
M′2点的零件极限应力
则
? ?
?
?? ??????
K
K m
meae
???????? ? 1
m a x
? ?? ? S
K
KS
am
mca ???????? ? ?? ???????
?
??1
m a x
m a xl i m
3,σmin=C的情况
说明：
①具体设计零件时，如果难于确定应力可能变化的规律，
在实践中往往采用 r=C时的公式；
②对于剪切变应力，只需把以上各公式中的正应力符号 σ
改为切应力符号 τ 即可；
e e
b
F
s
d
F
例题,铆钉联接，两块
钢板材料均为 Q215，
F=500000N，
求,各部分尺寸。
M P ap
M P a
M P a
400
180
200
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
解,分析失效方式及计算公式
1 钉剪切
2 板挤压
3 板拉断
4 板边剪切
? ? ? ?
? ? ? ?
? ? ? ?
? ? ? ????
???
???
?
?
?
?
?
s
d
eF
d
es
F
sdbF
dbs
F
p
dsF
p
sd
F
p
d
F
d
F
)
2
(2
4
)
2
(2
)(
3
)(
2
4
2
1
4
2
????
?
?
????
?
?
???
?
?
????
F1= F2= F3= F4= F5 = F
由 1,d=18.8 取 d为 18
由 2,S=6.6 取 S为 7
由 3,b=54.7 取 b为 55
由 4,e= 29.3 取 e为 30
‘ 等强度原则’
§ 4 机械设计新发展
1、基础理论：深化、扩展 — 学科交叉与整合
（摩擦学、弹性流体动力润滑理论、断裂力学）
2、静态设计 → 机械系统 ? 动态设计 ?
3、新设计方法：
优化设计
可靠性设计
逆向设计
工业设计等。
4、设计技术发展：人工 → 计算机辅助设计（ CAD）
AutoCAD,SolidEdge,UG,SolidWork,ProE等。
5、机械产品本身的转折：传统机械 → 机电一体化、智能化。
§ 5 摩擦、磨损及润滑概述
1、摩擦（润滑状态）
干摩擦,表面间无润滑剂或保护膜的纯金属间的摩擦；
边界摩擦,表面被吸附在表面的边界膜隔开；
混合摩擦,
流体摩擦,表面被流体完全隔开。
.21
m i n
21
m i n
表面轮廓算术平均偏差、
表面间最小油膜厚度；
膜厚比
——
———
aa
aa
RR
h
RR
h
?
??
1??
5~1??
5??
边界摩擦, 表面被吸附在表面的边界膜隔开；
1??
按边界膜形成机理，边界膜分为：
物理吸附膜：润滑剂中脂肪酸的极性分子吸附在
吸附膜 金属表面而形成；
化学吸附膜：润滑剂中分子受化学键作用而吸附
在金属表面形成；
反应膜 —— 润滑剂中以原子形式存在的 S,Al,P元素与金
属反应生成化合物，在金属表面形成的薄膜。反
应膜具有较高的熔点，比吸附膜稳定。
3,润滑
润滑油的主要指标,粘度、油性、极压性
1）动力粘度
牛顿粘性定律：在流体中任意点处的切应力均与该处流体的
速度梯度成正比。
v=0
v=V
v
x
y
y
v
?
??? ??
力粘度。比例常数，即流体的动
速度梯度；流体垂直于运动方向的
力；流体单位面积上的切应
__
__
__
?
?
y
v
?
?
2）运动粘度：动力粘度与同温度下该液体密度的比值
3）条件粘度：利用某种规格的粘度计，通过测定润滑油穿过
规定孔道的时间来进行计量的粘度。
油性 （润滑性）：润滑油中的极性分子吸附在金属表面而形
成物理吸附边界膜的性能；
极压性,润滑油中加入含硫、氯、磷的化合物（极压添加
剂），在金属表面生成化学反应边界膜的性能。
sm /2??? ?
润滑脂的主要指标
① 针入度,重 1.5N的锥体，于 25° C恒温下 5s后刺入的深度；
② 滴点,在规定的加热条件下，润滑脂从标准测量杯的孔口
滴下第一滴时的温度。
流体润滑原理
流体动压润滑,两相对运动的摩擦表面借助于相对速度
而产生的粘性流体膜来平衡外载荷；
弹性流体动压润滑,高副接触中，接触应力使表面产生
局部弹性变形，在接触区形成弹性流体
动力润滑状态；
流体静压润滑,将加压后的流体送入摩擦表面之间，利
用流体静压力来平衡外载荷。
流体动压润滑
楔形效应
绪论
机械设计概论
绪 论
一、引言
二、本课程的性质与研究对象
三、本课程研究的内容、特点和任务
一、引言
1、机械工程与科学是一门古老的学科
机械工程与科学是一门古老的学科，它将人们从繁重的体力
劳动中解放出来。
在古代人类使用 杠杆, 滚子, 绳轮 和 凸轮 等简单工具，后来
逐渐发明了 指南针, 地动仪, 纺织机 和 蒸汽机 等许多机械。
经过 18世纪第一次工业革命，以及当今世界以知识经济为特
征的产业革命的推动，人类又发明了 电子计算机, 数控机
床, 人造卫星 和 火星探测仪 等高新技术产品。
2、机械工业在国民经济中起着重要作用
机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的主要标
志之一。
以机械科学为基础的 制造业 是一个 国家的支柱产业,是社
会的财富，也是国家富强和国防稳固的基础。据报道，
美国约 60%的财富来源于制造业，日本约 50%的国民生产
总值是由制造业创造的。
据统计,80年代我国制造业的产值占工业总产值的 1/4强。
目前已达到 38%以上。
3、机械工业的主要任务
研究, 设计 和 发展新的机械装备及仪器,以适应当前和将来
的社会需要。
各个产业和工程领域 要求机械及其系统性能优良，以便提高
能源、材料、劳动和设备的利用率，减少对环境的污染，
提高安全性、可靠性和寿命；要求机械及其系统与电子技
术相结合，提高自动化程度，提高生产线柔性，以便适应
多品种、小批量、常变化的新生产方式。
4、机械设计的地位与作用
①经济竞争归根结底是设计和制造能力竞争
工业化国家的财富 60— 80%是制造业创造的
制造是将科技转化为财富的最后环节
各发达国家重新重视制造业
② 机械制造业生产管理模式的转变
③ 制造业市场竞争围绕 TQCSF 展开
④ 竞争的焦点之一是设计
成功的设计赢得了市场
设计是科技成果转化为生产力的纽带
设计是引进技术实现国产化的重要环节
没有现代化设计就没有现代化产品
⑤ 设计在生产中的地位
设计是影响产品技术与经济指标的关键
现代企业三部分
开发设计
制造
市场销售
将核心工作放在本企业，两头在内，中间在外
二、本课程的性质与研究对象
1、课程的性质
机械设计是培养学生具有机械设计能力的技术基础课。在机械
各类专业教学培养计划中是主干课程。本课程在教学内容方
面着重基本知识、基本理论和基本方法，在培养实践能力方
面重视设计构思、创新意识和设计技能的培养。
本课程的主要任务是培养学生：
· 掌握通用机械零件的设计原理、方法和机械设计的一
般规律，具有设计一般机械的能力；
· 初步具有一定机械系统方案优化及决策的能力与素质；
· 培养创新意识，树立正确的设计思想；
· 具有应用标准、规范、手册、图册及 CAD软件等技术资
料和实用软件的能力；
· 对机械设计的新发展有所了解。
2、研究对象
机械 机构 (mechanism)：传递与变换运动和力的可动装臵
机器 (machine)：转换机械能，或用机械能作功。
机械的发展过程,
天然工具 → 简单机器 → 工业革命 → 现代机器
如,火车发展
蒸汽机车 → 内燃机车 → 电力机车 → 高速列车 → 磁浮列车（常导
→ 高温超导）
轿车发展
红旗 → 桑塔纳、捷达、奥迪 → 别克、本田、帕萨特
三、本课程研究的内容、特点和任务
1、内容
研究普通工作条件下，一般尺寸参数的通用零件的设计理
论与方法 。
具体内容,
①总论：机械设计中带有共性的问题，有关设计的理论和
原则；
②联接零件：螺纹联接、键及花键联接等；
③传动零件：带、链、齿轮、蜗杆传动等；
④轴系部分：轴、轴承等；
⑤其它部分：弹簧、箱体、变速器等。
2、特点
性质,以通用零件为核心，论述设计理论及方法的一门设计
性 技术基础课 。
特点,综合运用已学知识，制图、力学、金属学（材料及工
艺）和公差配合等。
①综合性较强；
②实践性；
③逻辑性较差。
3、任务
? 培养学生掌握通用零件的设计原理、方法和机械设计
的一般规律；
? 树立正确的设计思想，了解国家当前的有关技术经济
政策；
? 具有使用标准、规范、手册、图册及查阅资料的能力；
? 掌握典型零件的实验方法，获得实验技能的基本训练；
? 了解机械设计的新发展。
机械设计概论
机械设计的基本要求和一般程序
机械零件的工作能力和计算准则
机械零件的疲劳强度
机械设计新发展
摩擦、磨损及润滑概述
设计问题的综合性
社会学
心理学
经济学
科学技术 工艺性 造型艺术
机械设计
§ 1 机械设计的基本要求和一般程序
1.1 机械设计的基本要求
,使用功能的要求
,经济性要求
? ?三化? --标准化、系列化、通用化
? 劳动保护要求
? 可靠性要求
? 其它专业要求
1.2 机械设计的一般程序及设计人员的素质要求
计划阶段
方案设计
技术设计
技术文件的编制
试制、试验、鉴定、生产
信
息
反
馈
、
修
改
机械零件
设计的内容
分析工作原理 类型选择 受力分析
改进与发展
结果分析与设计 简化模型
失效分析
建立计算准则
2.1 机械零件的主要失效形式和工作能力
1、机械零件的主要失效形式
失效 零部件不能满足工作要求称为 失效。
机
械
零
件
的
主
要
失
效
形
式
整体断裂, 拉，压，弯，扭
零件表面的破坏, 磨损、腐蚀、接触疲劳
破坏正常工作条件引起的失效, 打滑，共振，胶合
过大的残余应力, 加工，热处理
§ 2 机械零件的工作能力和计算准则
2、机械零件的工作能力
零件不发生失效的安全工作限度称为工作能力。对载荷而言
的工作能力称为承载能力。有时，零件工作能力是针对变
形、速度、温度或压力而言的安全工作限度。
机械零件设计的基本要求,
? 避免在预期寿命期内 失效 的要求（强度、刚度、耐磨性、
振动稳定性、可靠性等）
? 结构工艺性的要求
? 经济性要求
? 质量小的要求
? 可靠性要求
2.2 机械零件的计算准则
设计准则 计算公式 失效形式 典型零部件
强度准则 ?? ? lim /S 断裂、疲劳
破坏、残余
变形
轴、齿轮,带
轮等
刚度准则 y ? [y ] 弹性变形 轴、蜗杆等
寿命准则 满足额定寿
命
腐蚀、磨
损、疲劳
滚动轴承等
振动稳定性 0,85f >f
p
或
1,15f< f
p
共振产生的
工作失常
滚动轴承、
齿轮、滑动
轴承
可靠性准则 R=N/N
0
2.3 机械零件的设计方法
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。
名义载荷（ F,P,T）：力学公式计算出的载荷。
但：由于载荷作用的不平稳性、分布的不均匀性等
因素,实际载荷大于名义载荷。 —— 载荷系数 K
∴ 计算载荷 (Fc,Pc,Tc)=载荷系数 × 名义载荷
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
两种计算方法：
a）设计计算：直接求出危险截面尺寸 A。
][?
FA ?
b）校核计算：其他方法初步设计 → 验算。
5）画零件图。
2、经验设计
根据 经验关系式,用 类比 的方法所进行的设计。
如,箱体,传动件个各结构要素等
3、模型实验设计
把初步设计的零、部件或机器作成 小模型 或 小尺寸样机
进行实验。
如：飞机、桥梁的风洞实验。
? ???? ?? AF
§ 3 机械零件的疲劳强度
强度准则 是设计机械零件的最基本准则，即 。
强度问题,
静应力强度,通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次
数小于 103的通用零件，均按静应力强度进行设计。（材料力学范畴）
变应力强度,在变应力作用下，零件产生疲劳破坏。
疲劳破坏定义,金属材料试件在交变应力作用下，经过长时间的试验而
发生的破坏。
疲劳破坏的特征,
1）零件的最大应力在远小于静应力的强度极限时，就可能发生破坏；
2）即使是塑性材料，在没有明显的塑性变形下就可能发生突然的脆性
断裂。
疲劳破坏的原因,材料内部的缺陷、加工过程中的刀痕或零件局部的应
力集中等导致产生了微观裂纹，称为裂纹源，在交变应力作用下，随
着循环次数的增加，裂纹不断扩展，直至零件发生突然断裂。
Slim
?? ?
3.1 应力的分类
静应力,应力的大小和方向不随时间而变化或变化缓慢的应力。
零件相应的失效形式为塑性变形或断裂。
交变应力,应力的大小和方向随时间作周期性变化的应力。零
件相应的失效形式为疲劳破坏。
例,
常见变应力及其基本变化规律
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?
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?
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2
2
:
m i nm ax
m i nm ax
m ax
m i n
??
?
??
?
?
?
a
m
r
关系
变应力参数
O
σ
t
σ max
σ min
σ m
σ a
σ max — 最大应力
σ min — 最小应力
σ m — 平均应力
σ a — 应力幅
r — 变应力循环特性
对称循环变应力
σm= 0 r = -1
σmin= 0 r = 0
脉动循环变应力
例,火车轮轴、双向转动
的齿轮轮齿的弯曲应力
例,单向转动的齿轮轮齿
的弯曲应力
非对称循环变应力
-1< r < 0
0 < r < 1
t
O
σ
r＝ +1 静应力
变应力参数不随时间改变的变应力称为 稳定变应力 ；
变应力参数随时间改变的变应力称为 不稳定变应力 。
随机变应力
可看作循环变应力的 特例 ！例：
定滑轮轴、自行车前轮轴的弯
曲应力。
σ m=σ max= σ min
t
O
σ
3.2 疲劳曲线
材料的疲劳性能是通过试验来测定的。在材料的标准试件上加
上一定循环特性 r（通常是对称循环）的等幅变应力，通过
试验，记录出在不同最大应力下引起试件疲劳破坏所经历
的应力循环次数 N。
材料的疲劳曲线（ σ-N曲线）
σr
O N
C
D
ND
σ rN σ r∞
σrN
σr∞ 无限寿命疲劳极限
持久疲劳极限
对应于应力循环次数 N
时的弯曲疲劳极限
ND 分界转折点
水平直线段 N > ND 无限寿命区
曲线段 N ≤ N D 有限寿命区
mrrN NN 0?? ?
有限寿命（为 N）
时的疲劳极限
m — 随应力状态而不同的指数
N
Nr K?? ?
CNN mrmrN ?? 0??
σ r
— 循环基数
ND =106~25× 107
0
A′
D′ G′
C45° 45°
σ
0/
2
σ 0/ 2
σ S
σ m
σ a
O
σ a
σ -1
O
σ m
σ S
3.3 材料的极限应力线图
Sam ???? ???m ax
A′
D′ G′
C
σ 0/ 2
σ S
σ m
σ a
O
A
D G
?
??
Ke 11 ?? ?
?
?K2 0
e
K
1
1
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?
??
Ke 11 ?? ?
Smeae ??? ????
meeaee K ???
??
?
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????? ?? 11
0
0121 ? ????
??
?? ???? ?KKe
?
?? ??kK ?
3.4 零件的极限应力线图
meaeK ???? ?? ????? 1或
3.5 单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算
步骤,
①根据零件载荷及结构情况，求 σ min,σ max及 σ a,σ m，
并将其标在零件的极限应力线图中，如图 2.6中 M,N点；
②求该工作应力点的零件疲劳极限 σ ′max。
SS ca ????
m a x
m a xl i m ????
说明
应遵循与工作应力变化规律相一致的原则，一般工作应力有三
种变化情况：
r=C（机器中转轴的应力状态）；
σ m=C（加载振动弹簧）；
σ min=C（受轴向力的紧螺栓联接）。
但通常采用 r=C来进行疲劳强度计算。
③建立计算安全系数的计算公式，进行计算。
1,r=C的情况
当 r=C时，找出一个与工作应力变化规律相同的极限应力。
直线 OM′1方程：
直线 AG方程：
联解可求出 σ ′ae,σ ′me，于是 M′1点的零件极限应力
Crr
m
a ???????? 11
m i nm a x
m i nm a x ?? ????
m
a
me
ae ???? ???
meaeK ???? ?? ????? 1
则
（ 疲劳强度计算公式 ）
当工作应力点 N处于 OGC区时：
ma
meae K ???
?????
?? ?
?????? ? m a x1m a x
SKS
maca
?????? ? ??? ?????
??
1
m a x
m a xl i m
S?? ??m a x ma ??? ??m a x
SS
ma
S
ca ???
???
??
?
?
?
?
?
m a x
m a xl i m
2,σm=C的情况
联解直线 MM′2和 AG方程，可得 M′2点的坐标 σ ′ae,σ ′me，于是
M′2点的零件极限应力
则
? ?
?
?? ??????
K
K m
meae
???????? ? 1
m a x
? ?? ? S
K
KS
am
mca ???????? ? ?? ???????
?
??1
m a x
m a xl i m
3,σmin=C的情况
说明：
①具体设计零件时，如果难于确定应力可能变化的规律，
在实践中往往采用 r=C时的公式；
②对于剪切变应力，只需把以上各公式中的正应力符号 σ
改为切应力符号 τ 即可；
e e
b
F
s
d
F
例题,铆钉联接，两块
钢板材料均为 Q215，
F=500000N，
求,各部分尺寸。
M P ap
M P a
M P a
400
180
200
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
解,分析失效方式及计算公式
1 钉剪切
2 板挤压
3 板拉断
4 板边剪切
? ? ? ?
? ? ? ?
? ? ? ?
? ? ? ????
???
???
?
?
?
?
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s
d
eF
d
es
F
sdbF
dbs
F
p
dsF
p
sd
F
p
d
F
d
F
)
2
(2
4
)
2
(2
)(
3
)(
2
4
2
1
4
2
????
?
?
????
?
?
???
?
?
????
F1= F2= F3= F4= F5 = F
由 1,d=18.8 取 d为 18
由 2,S=6.6 取 S为 7
由 3,b=54.7 取 b为 55
由 4,e= 29.3 取 e为 30
‘ 等强度原则’
§ 4 机械设计新发展
1、基础理论：深化、扩展 — 学科交叉与整合
（摩擦学、弹性流体动力润滑理论、断裂力学）
2、静态设计 → 机械系统 ? 动态设计 ?
3、新设计方法：
优化设计
可靠性设计
逆向设计
工业设计等。
4、设计技术发展：人工 → 计算机辅助设计（ CAD）
AutoCAD,SolidEdge,UG,SolidWork,ProE等。
5、机械产品本身的转折：传统机械 → 机电一体化、智能化。
§ 5 摩擦、磨损及润滑概述
1、摩擦（润滑状态）
干摩擦,表面间无润滑剂或保护膜的纯金属间的摩擦；
边界摩擦,表面被吸附在表面的边界膜隔开；
混合摩擦,
流体摩擦,表面被流体完全隔开。
.21
m i n
21
m i n
表面轮廓算术平均偏差、
表面间最小油膜厚度；
膜厚比
——
———
aa
aa
RR
h
RR
h
?
??
1??
5~1??
5??
边界摩擦, 表面被吸附在表面的边界膜隔开；
1??
按边界膜形成机理，边界膜分为：
物理吸附膜：润滑剂中脂肪酸的极性分子吸附在
吸附膜 金属表面而形成；
化学吸附膜：润滑剂中分子受化学键作用而吸附
在金属表面形成；
反应膜 —— 润滑剂中以原子形式存在的 S,Al,P元素与金
属反应生成化合物，在金属表面形成的薄膜。反
应膜具有较高的熔点，比吸附膜稳定。
3,润滑
润滑油的主要指标,粘度、油性、极压性
1）动力粘度
牛顿粘性定律：在流体中任意点处的切应力均与该处流体的
速度梯度成正比。
v=0
v=V
v
x
y
y
v
?
??? ??
力粘度。比例常数，即流体的动
速度梯度；流体垂直于运动方向的
力；流体单位面积上的切应
__
__
__
?
?
y
v
?
?
2）运动粘度：动力粘度与同温度下该液体密度的比值
3）条件粘度：利用某种规格的粘度计，通过测定润滑油穿过
规定孔道的时间来进行计量的粘度。
油性 （润滑性）：润滑油中的极性分子吸附在金属表面而形
成物理吸附边界膜的性能；
极压性,润滑油中加入含硫、氯、磷的化合物（极压添加
剂），在金属表面生成化学反应边界膜的性能。
sm /2??? ?
润滑脂的主要指标
① 针入度,重 1.5N的锥体，于 25° C恒温下 5s后刺入的深度；
② 滴点,在规定的加热条件下，润滑脂从标准测量杯的孔口
滴下第一滴时的温度。
流体润滑原理
流体动压润滑,两相对运动的摩擦表面借助于相对速度
而产生的粘性流体膜来平衡外载荷；
弹性流体动压润滑,高副接触中，接触应力使表面产生
局部弹性变形，在接触区形成弹性流体
动力润滑状态；
流体静压润滑,将加压后的流体送入摩擦表面之间，利
用流体静压力来平衡外载荷。
流体动压润滑
楔形效应
