基本要求：理解机械零件设计的基本要求、机械
零件的工作能力、计算准则、材料选
择的一般要求；了解机械零件的工艺
性、公差与配合及其标准的意义。
重 点：机械零件的工作能力和整体强度；机
械零件的接触强度。
第九章 机械零件设计概论
机械零件的失效形式,破坏性失效和非破坏性失效
1、断裂或塑性变形
2、过大的弹性变形
3、磨损
4、强烈的振动
5、其他：联接的松弛；摩擦传动的打滑等
§ 9-1 机械零件设计概述
★ 机械零件设计应满足的基本要求,工作可靠、成本低廉。
★ 机械零件的失效,由于某种原因不能正常工作的现象。
载荷 —— 称为承载能力
磨损 —— 称为耐磨性
振动 —— 称为稳定性
★ 机械零件的工作能力,在不发生失效的条件下，零件所能
安全工作的限度。
§ 9-1 机械零件设计概述
★ 机械零件设计应满足的基本要求,工作可靠、成本低廉。
★ 机械零件的失效,由于某种原因不能正常工作的现象。
★ 机械零件设计的计算准则,计算量 ≤许用量
例如：强度判定条件：工作应力 ≤许用应力
刚度判定条件：变形量 ≤许用变形量
§ 9-1 机械零件设计概述
★ 机械零件的工作能力,在不发生失效的条件下，零件所能
安全工作的限度。
★ 机械零件设计应满足的基本要求,工作可靠、成本低廉。
★ 机械零件的失效,由于某种原因不能正常工作的现象。
★ 机械零件设计的一般步骤,
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；
5、绘制工作图并标注必要的技术条件。
1、通过设计计算出的零件尺寸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；
2、在一般机器设计中，只有一部分零件是通过计算确定其形状和
尺寸的，而其余的零件则仅根据工艺要求和结构要求进行设计 ；
3、设计工作是一个反复进行的过程，经过多次修改方案，改变设
计参数，才能得到比较合理的结果。
注意,
?计算准则,
?载荷,作用在零件上的 外力或外力矩。
?载荷的类型：
名义载荷：
计算载荷：
在理想的平稳工作条件下作用在零件
上的载荷。
§ 6-2 机械零件的强度
? ? ? ?
? ? ? ?
S
S
lim
lim
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，
，
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动载荷
静载荷
计算载荷 =K× 名义载荷
载荷系数
m a x
m i n
m i nm a x
a
m i nm a x
m
2
2
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r循环特性
应力幅
平均应力
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m in
a
mm inm ax
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非周期性变应力
脉动循环
非对成性循环
对称循环
周期性变应力
变应力
静应力
应力种类,1
不随时间变化的应力。
随时间变化的应力。
具有周期性的变应力 。
m a x
m i n
m i nm a x
a
m i nm a x
m
2
2
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平均应力
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am inm a x
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非周期性变应力
脉动循环
非对成性循环
对称循环
周期性变应力
变应力
静应力
应力种类,1
m a x
m i n
m i nm a x
a
m i nm a x
m
2
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平均应力
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非周期性变应力
脉动循环
非对成性循环
对称循环
周期性变应力
变应力
静应力
应力种类,1
m a x
m i n
m i nm a x
a
m i nm a x
m
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应力幅
平均应力
0
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m a x
m i n
m a x
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m i nm a x
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非周期性变应力
脉动循环
非对成性循环
对称循环
周期性变应力
变应力
静应力
应力种类,1
? ? Sm i n?? ?
塑性材料 σS脆性材料 B
?
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变应力下的许用应力
静应力下的许用应力
许用应力,2
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变应力下的安全系数
脆性材料
塑性材料
静应力下的安全系数
安全系数,3
5.2~5.1
5.1~2.1
?
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S
S
或
4~3?S
5.2~7.17.1~3.1 ?? SS 或
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非周期性变应力
脉动循环
非对成性循环
对称循环
周期性变应力
变应力
静应力
应力种类,1
变应力下的许用应力
★ 变应力下零件的失效形式,疲劳断裂
★ 疲劳断裂 特征：
1、疲劳断裂的最大应力＜材料的屈服极限；
2、疲劳断口均表现为无明显塑性变形；
3、断口上明显地有两个区域：光滑区、粗糙区；
4、疲劳断裂是损伤的积累的结果。
★ 疲劳曲线
1、应力越小，能经受的循环次数越多。
应力循环基数应力循环 N次时，
材料的疲劳极限。
材料的持久疲劳极限
的幂指数。－－不随应力状态变化
－－常数；
的疲劳极限；－－对应于循环次数式中,－
m
C
NN
1?
2、疲劳曲线的左半部（ N≤N0），可
用下列方程表示：
CNN mm N ?? ?? 011 ??
对应于循环次数 N的弯曲疲劳极限：
★ 许用应力
对称循环：
脉动循环,
Sk ?
? ???? 1
1 ][
?
? ?
Sk ?
? ???? 0
0 ][ ?
应力集中系数尺寸系数表面状态系数
mN
N
N 0
11 ?? ? ??
机械零件在载荷重
复作用下，首先在表层
内产生初始疲劳裂纹，
然后裂纹逐渐扩展，
（如有润滑油，则被挤
进裂纹中产生高压，使
裂纹加快扩展）最终使
表层金属呈小片状剥落
下来，而在零件表面形
成一些小坑。
后果,1、损坏零件的光滑表面；
2、减小了接触面积，降
低承载能力 ;
3、引起振动和噪声 。
1,失效形式：疲劳点蚀
§ 6-3 机械零件的接触强度
2,接触应力的计算
由弹性力学知，当两个轴
线平行的圆柱体相互接触并受
压时，其接触面积为一狭长矩
形，最大接触应力发生在接触
区中线上，其值为,
2
2
2
1
2
1
21n
H
11
11
EE
b
F
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?
?
??
－－材料的弹性模量。
－－材料的泊松比；
－－曲率半径；
载荷；－－作用在圆柱体上的
－－接触长度；
－－最大接触应力；式中：
E
F
b
n
H
?
?
?
1,失效形式：疲劳点蚀
§ 6-3 机械零件的接触强度
1,失效形式：疲劳点蚀
2,接触应力的计算
2
2
2
1
2
1
21n
H
11
11
EE
b
F
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机械零件的接触强度
3,接触疲劳强度的判定条件 ? ? ? ?
H
limH
HHH S
???? ??,
。，一般取接触应力许用安全系数
对于钢，经验公式：
疲劳极限；实验测得的材料的接触式中：
1
M P a 70H B S76.2
H
H l i m
H l i m
??
??
??
S
?
?
1,磨损：运动副中, 摩擦表面物质不断损失的现象 。
2,耐磨性：零件抗磨损的能力称 。
3,计算准则：
在预定使用期限内, 零件的磨损量不超过允许值 。
5,耐磨性计算
?
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?
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腐蚀磨损
疲劳磨损（点蚀）
粘着摩损（胶合）
磨粒磨损
、分类：4
??
?
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][
][
pvpv
pp
§ 6-4 机械零件的耐磨性
2,材料的选择：使用要求、工艺要求、经济要求
§ 6-5 机械制造常用材料及其选择
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、丝等皮革、木材、纸板、棉非金属：橡胶、塑料、
铜合金
、铸钢：
等、、合金钢：
碳素钢
根据化学成分
％）～高碳钢（含碳量：
％）～中碳钢（含碳量：
）低碳钢（含碳量：
根据含碳量
工具钢、特殊钢
等、普通：
等、、、优质：
结构钢
根据用途分
钢
等；、％）：铸铁（含碳量
金属
常用材料
Z Q 4 2 S i M n5 0 0Z G 2 7 0
2 0 C rM n T i2 0 C r1 8 C rM n M o
0, 70, 5 5 %
0, 50, 3 %
0, 2 5 %
Q 2 7 5 Q 2 3 5
45201510
15Q T 4 0 0H T 2 0 02
1.
机器在装配时，零件可不经任何修配、加工及
调整，就能装成机器，并完全符合规定的使用
性能要求。按照这种原则生产的零件、部件或
机器。
1,公差与配合
1.1 互换性
§ 6-6 公差与配合、表面粗糙度和优先数系
1.2 互换性的意义
1.3 公差与配合的基本术语
1、极限尺寸,
2、公差：
3、公差带：
4、配合：
允许尺寸变化的两个界限值，其中较大的
为最大极限尺寸；较小的为最小极限尺寸。 两个允许的极限尺寸之差。上下偏差的两条直线所限定的区域。同一基本尺寸的孔与轴的配合。
?
?
?
?
?
过渡配合
过盈配合
间隙配合
配合种类
??
?
基轴制
基孔制配合制度
互换性的意义：
在各种机器和仪器中的齿轮、滚动轴承等都具有互换性。当它们损
坏时，就能够迅速地用新的替换，缩短修理时间，节约修理费用，保证
机器工作的连续性和持久性，提高机器的使用率。
我们熟悉的灯泡, 自行车, 缝纫机, 钟表等中的零部件一但损坏,
之所以能很快更换新的, 就是因为它们具有互换性 。
对影响范围大的重要设备及军用品的修复，零部件具有互换性的意
义就更大。
机械零件的几何形体通常是通过加工得到的。 然而任何加工方法都
不可能把零件加工得绝对准确，在尺寸、形状和相互位置这三个方总是
存在着一定的加工误差。欲保证其几何精度，就必须将加工误差控制在
一定的范围内。
▲ 把零件的几何参数值规定在允许范围内的变动量 —— 称为公差
▲ 互换性的实现，其设计与制造必须实现标准化
零件表面的微观几何形状误差。是加工后在零件表面
留下的微细而凸凹不平的刀痕，是加工表面上具有较小间
距和峰谷所组成的微观几何形状特性。
1、对摩擦和磨损的影响；
2、对工作精度的影响；
3、对配合性质的影响；
4、对疲劳强度的影响；
5、对耐腐蚀性的影响。
2,表面粗糙度
2.1 表面粗糙度对零件使用性能的影响：
2.2 表面粗糙度的评定
轮廓算术平均偏
差 Ra,
?? l xylR 0a d1
?
?
? n
i
iynR
1
a
1近似为：
2.3 表示方法
3,优先数系,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。
1、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；
2、在设计方面可减少设计工作量，缩短设
计周期；
3、在管理维修方面，可减少库存量和便于
更换损坏的零件。
指以制订标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过程。
§ 6-7 机械零件的工艺性及标准化
?
?
?
?
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表面粗糙度规定适当的制造精度及
结构简单合理
毛坯选择合理
工艺性,1
2,标准化
1.2 标准化意义
1.1 定义
?
?
?
?
?
?
?
企业标准
地方标准
行业标准
国家标准
标准的分类 3,1
?
?
?
推荐性
强制性
小结：
1,机械零件应满足的要求是具有足够的工作能力, 经济效益高和使用维
护方便等 。 由于各种机械零件的工作情况和失效形式不同, 其工作能
力和计算准则也不同 。 通常强度 （ 特别是疲劳强度 ） 是零件应满足的
基本要求 。
2,在设计机械零件的过程中, 必须注意提高经济效益 。 为此：
1） 合理地选择材料, 应满足使用, 工艺和经济三方面的要求；
2） 保证良好的工艺性以减少制造费用；
3） 尽可能符合标准化的要求以简化设计和降低成本 。
3,设计机械零件对, 必须使计算和结构设计相结合 。 要了解有关零件结
构工艺性的要求, 逐步熟悉结构设计的基本要求 。
4,要了解标准化及其意义, 须学会查阅和运用我国目前使用的有关标
准, 手册和图册等资料 。
5,对于计算公式必须理解其根据和适用条件而不要乱套公式, 并了解
公式中各个参数对设计的影响及其选择原则 。
6、经验公式和经验数据只要求了解它们的依据和各参数之间的关系。
思考题
1,解释下列名词的意义：工作能力, 承载能力, 名义载荷,
计算载荷, 名义应力, 计算应力, 极限应力, 疲劳极限,
许用应力, 安全系数 。
2,设计机械零件应满足哪些要求？
3,机械零件的失效形式主要有哪些？
4,在强度计算中, 机械零件的许用应力应如何确定；极限
应力应如何选择?
5,机械制造中常用材料的选用原则如何?
6,有关零件工艺性的要求有哪些?
7,标准化的意义如何?
零件的工作能力、计算准则、材料选
择的一般要求；了解机械零件的工艺
性、公差与配合及其标准的意义。
重 点：机械零件的工作能力和整体强度；机
械零件的接触强度。
第九章 机械零件设计概论
机械零件的失效形式,破坏性失效和非破坏性失效
1、断裂或塑性变形
2、过大的弹性变形
3、磨损
4、强烈的振动
5、其他：联接的松弛；摩擦传动的打滑等
§ 9-1 机械零件设计概述
★ 机械零件设计应满足的基本要求,工作可靠、成本低廉。
★ 机械零件的失效,由于某种原因不能正常工作的现象。
载荷 —— 称为承载能力
磨损 —— 称为耐磨性
振动 —— 称为稳定性
★ 机械零件的工作能力,在不发生失效的条件下，零件所能
安全工作的限度。
§ 9-1 机械零件设计概述
★ 机械零件设计应满足的基本要求,工作可靠、成本低廉。
★ 机械零件的失效,由于某种原因不能正常工作的现象。
★ 机械零件设计的计算准则,计算量 ≤许用量
例如：强度判定条件：工作应力 ≤许用应力
刚度判定条件：变形量 ≤许用变形量
§ 9-1 机械零件设计概述
★ 机械零件的工作能力,在不发生失效的条件下，零件所能
安全工作的限度。
★ 机械零件设计应满足的基本要求,工作可靠、成本低廉。
★ 机械零件的失效,由于某种原因不能正常工作的现象。
★ 机械零件设计的一般步骤,
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；
5、绘制工作图并标注必要的技术条件。
1、通过设计计算出的零件尺寸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；
2、在一般机器设计中，只有一部分零件是通过计算确定其形状和
尺寸的，而其余的零件则仅根据工艺要求和结构要求进行设计 ；
3、设计工作是一个反复进行的过程，经过多次修改方案，改变设
计参数，才能得到比较合理的结果。
注意,
?计算准则,
?载荷,作用在零件上的 外力或外力矩。
?载荷的类型：
名义载荷：
计算载荷：
在理想的平稳工作条件下作用在零件
上的载荷。
§ 6-2 机械零件的强度
? ? ? ?
? ? ? ?
S
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不随时间变化的应力。
随时间变化的应力。
具有周期性的变应力 。
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周期性变应力
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静应力
应力种类,1
变应力下的许用应力
★ 变应力下零件的失效形式,疲劳断裂
★ 疲劳断裂 特征：
1、疲劳断裂的最大应力＜材料的屈服极限；
2、疲劳断口均表现为无明显塑性变形；
3、断口上明显地有两个区域：光滑区、粗糙区；
4、疲劳断裂是损伤的积累的结果。
★ 疲劳曲线
1、应力越小，能经受的循环次数越多。
应力循环基数应力循环 N次时，
材料的疲劳极限。
材料的持久疲劳极限
的幂指数。－－不随应力状态变化
－－常数；
的疲劳极限；－－对应于循环次数式中,－
m
C
NN
1?
2、疲劳曲线的左半部（ N≤N0），可
用下列方程表示：
CNN mm N ?? ?? 011 ??
对应于循环次数 N的弯曲疲劳极限：
★ 许用应力
对称循环：
脉动循环,
Sk ?
? ???? 1
1 ][
?
? ?
Sk ?
? ???? 0
0 ][ ?
应力集中系数尺寸系数表面状态系数
mN
N
N 0
11 ?? ? ??
机械零件在载荷重
复作用下，首先在表层
内产生初始疲劳裂纹，
然后裂纹逐渐扩展，
（如有润滑油，则被挤
进裂纹中产生高压，使
裂纹加快扩展）最终使
表层金属呈小片状剥落
下来，而在零件表面形
成一些小坑。
后果,1、损坏零件的光滑表面；
2、减小了接触面积，降
低承载能力 ;
3、引起振动和噪声 。
1,失效形式：疲劳点蚀
§ 6-3 机械零件的接触强度
2,接触应力的计算
由弹性力学知，当两个轴
线平行的圆柱体相互接触并受
压时，其接触面积为一狭长矩
形，最大接触应力发生在接触
区中线上，其值为,
2
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H
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－－材料的弹性模量。
－－材料的泊松比；
－－曲率半径；
载荷；－－作用在圆柱体上的
－－接触长度；
－－最大接触应力；式中：
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1,失效形式：疲劳点蚀
§ 6-3 机械零件的接触强度
1,失效形式：疲劳点蚀
2,接触应力的计算
2
2
2
1
2
1
21n
H
11
11
EE
b
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机械零件的接触强度
3,接触疲劳强度的判定条件 ? ? ? ?
H
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HHH S
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。，一般取接触应力许用安全系数
对于钢，经验公式：
疲劳极限；实验测得的材料的接触式中：
1
M P a 70H B S76.2
H
H l i m
H l i m
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S
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1,磨损：运动副中, 摩擦表面物质不断损失的现象 。
2,耐磨性：零件抗磨损的能力称 。
3,计算准则：
在预定使用期限内, 零件的磨损量不超过允许值 。
5,耐磨性计算
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腐蚀磨损
疲劳磨损（点蚀）
粘着摩损（胶合）
磨粒磨损
、分类：4
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pvpv
pp
§ 6-4 机械零件的耐磨性
2,材料的选择：使用要求、工艺要求、经济要求
§ 6-5 机械制造常用材料及其选择
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、丝等皮革、木材、纸板、棉非金属：橡胶、塑料、
铜合金
、铸钢：
等、、合金钢：
碳素钢
根据化学成分
％）～高碳钢（含碳量：
％）～中碳钢（含碳量：
）低碳钢（含碳量：
根据含碳量
工具钢、特殊钢
等、普通：
等、、、优质：
结构钢
根据用途分
钢
等；、％）：铸铁（含碳量
金属
常用材料
Z Q 4 2 S i M n5 0 0Z G 2 7 0
2 0 C rM n T i2 0 C r1 8 C rM n M o
0, 70, 5 5 %
0, 50, 3 %
0, 2 5 %
Q 2 7 5 Q 2 3 5
45201510
15Q T 4 0 0H T 2 0 02
1.
机器在装配时，零件可不经任何修配、加工及
调整，就能装成机器，并完全符合规定的使用
性能要求。按照这种原则生产的零件、部件或
机器。
1,公差与配合
1.1 互换性
§ 6-6 公差与配合、表面粗糙度和优先数系
1.2 互换性的意义
1.3 公差与配合的基本术语
1、极限尺寸,
2、公差：
3、公差带：
4、配合：
允许尺寸变化的两个界限值，其中较大的
为最大极限尺寸；较小的为最小极限尺寸。 两个允许的极限尺寸之差。上下偏差的两条直线所限定的区域。同一基本尺寸的孔与轴的配合。
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过渡配合
过盈配合
间隙配合
配合种类
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基轴制
基孔制配合制度
互换性的意义：
在各种机器和仪器中的齿轮、滚动轴承等都具有互换性。当它们损
坏时，就能够迅速地用新的替换，缩短修理时间，节约修理费用，保证
机器工作的连续性和持久性，提高机器的使用率。
我们熟悉的灯泡, 自行车, 缝纫机, 钟表等中的零部件一但损坏,
之所以能很快更换新的, 就是因为它们具有互换性 。
对影响范围大的重要设备及军用品的修复，零部件具有互换性的意
义就更大。
机械零件的几何形体通常是通过加工得到的。 然而任何加工方法都
不可能把零件加工得绝对准确，在尺寸、形状和相互位置这三个方总是
存在着一定的加工误差。欲保证其几何精度，就必须将加工误差控制在
一定的范围内。
▲ 把零件的几何参数值规定在允许范围内的变动量 —— 称为公差
▲ 互换性的实现，其设计与制造必须实现标准化
零件表面的微观几何形状误差。是加工后在零件表面
留下的微细而凸凹不平的刀痕，是加工表面上具有较小间
距和峰谷所组成的微观几何形状特性。
1、对摩擦和磨损的影响；
2、对工作精度的影响；
3、对配合性质的影响；
4、对疲劳强度的影响；
5、对耐腐蚀性的影响。
2,表面粗糙度
2.1 表面粗糙度对零件使用性能的影响：
2.2 表面粗糙度的评定
轮廓算术平均偏
差 Ra,
?? l xylR 0a d1
?
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? n
i
iynR
1
a
1近似为：
2.3 表示方法
3,优先数系,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。
1、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；
2、在设计方面可减少设计工作量，缩短设
计周期；
3、在管理维修方面，可减少库存量和便于
更换损坏的零件。
指以制订标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过程。
§ 6-7 机械零件的工艺性及标准化
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表面粗糙度规定适当的制造精度及
结构简单合理
毛坯选择合理
工艺性,1
2,标准化
1.2 标准化意义
1.1 定义
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企业标准
地方标准
行业标准
国家标准
标准的分类 3,1
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推荐性
强制性
小结：
1,机械零件应满足的要求是具有足够的工作能力, 经济效益高和使用维
护方便等 。 由于各种机械零件的工作情况和失效形式不同, 其工作能
力和计算准则也不同 。 通常强度 （ 特别是疲劳强度 ） 是零件应满足的
基本要求 。
2,在设计机械零件的过程中, 必须注意提高经济效益 。 为此：
1） 合理地选择材料, 应满足使用, 工艺和经济三方面的要求；
2） 保证良好的工艺性以减少制造费用；
3） 尽可能符合标准化的要求以简化设计和降低成本 。
3,设计机械零件对, 必须使计算和结构设计相结合 。 要了解有关零件结
构工艺性的要求, 逐步熟悉结构设计的基本要求 。
4,要了解标准化及其意义, 须学会查阅和运用我国目前使用的有关标
准, 手册和图册等资料 。
5,对于计算公式必须理解其根据和适用条件而不要乱套公式, 并了解
公式中各个参数对设计的影响及其选择原则 。
6、经验公式和经验数据只要求了解它们的依据和各参数之间的关系。
思考题
1,解释下列名词的意义：工作能力, 承载能力, 名义载荷,
计算载荷, 名义应力, 计算应力, 极限应力, 疲劳极限,
许用应力, 安全系数 。
2,设计机械零件应满足哪些要求？
3,机械零件的失效形式主要有哪些？
4,在强度计算中, 机械零件的许用应力应如何确定；极限
应力应如何选择?
5,机械制造中常用材料的选用原则如何?
6,有关零件工艺性的要求有哪些?
7,标准化的意义如何?
