第9章 机械零件设计概论
§9－1 机械零件设计的基本准则和一般步骤
§9－2 机械零件的疲劳强度
§9－3 机械制造常用材料及其选择
§9－4 机械零件的工艺性及标准化
§9－1 机械零件设计的基本准则和一般步骤
机械设计应满足的要求：
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。
机械零件的失效：
机械零件由于某种原因丧失正常工作能力时，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。
一、机械零件设计的基本准则
零件的失效形式:
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。
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
失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度
等原因。
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。
1. 强度
判 定条件：
[σ]、[τ]-----许用应
力[Sσ] 、[Sτ] -----许用安全系数
σlim、τlim -----极限应力。
机械零件的强度可分为体积强度和表面强度两种。
1）体积强度
体积强度是抵御断裂和过大塑性变形的能力。
极限应力的选择：
1）静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形
塑性材料，取屈服极限σS 、τS作为极限应力
脆性材料：取强度极限σb、τb 作为极限应力
2）变应力下，零件无论是塑性材料还是脆性材料，其
损坏形式是疲劳断裂，因此常用材料的疲劳极限作为
极限应力。
2）表面强度 分为表面挤压强度和表面接触强度
表面接触强度是指两个零件
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，通常此面积甚小而表层产
生的局部应力却很大，这种应力
称为接触应力。
表面挤压强度是指面接触的两零件，受载后接触
面间产生挤压应力，应力分布在接触面不太深的表层，
挤压应力过大时，零件表面被压溃。
判定条件：
b
Fn
σH
σH
ρ1
Fn
b
ρ2
σH
σH
判定条件：
初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹裂纹的扩展与断裂
油
金属剥落出现小坑
后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降
低了承载能力、引起振动和噪音。
如齿轮、凸轮、滚动轴承等。
机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，
在载荷重复作用下，首先在表层内约20μm处产生初始
疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将
产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片
状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑 ，这种现象
称为疲劳点蚀。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 。
失效形式常表现为：疲劳点蚀
2.刚度
指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。
判定条件：
y、[y]——零件的变形量和许用变形量
θ、[θ ]——零件的转角和许用转角
φ、[φ ]——零件的扭角和许用扭角
3. 机械零件的耐磨性
运动副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形状。零件抗磨
损的能力称为耐磨性。
磨损↑ →间隙↑、精度↓、 效率↓、 振动↑、冲击↑、 噪音↑
据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。
实用耐磨计算是限制运动副的压强p，即:
p ≤ [p] [p]由实验或同类机器使用经验确定
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 f p v 。在摩擦系数一定的情况
下，可将 p v 值与许用的 [p v] 值进行比较。即:
p v ≤ [p v ]
4.振动稳定性准则
在设计时应避免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相等或成整数倍。
二、机械零件设计的步骤：
1)根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构;
5) 绘制工作图并标注必要的技术条件，编写说明书。
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 ; 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谁、规格加以圆整
一、应力的种类
o t
σ
σ=常数
σmax
脉动循环变应力
σm
静应力: σ=常数 变应力: σ随时间变化
平均应力: 应力幅:
T
σmax σmin
σa
σa
σm
循环变应力
o t
σ
变应力的循环特性
:
σmax
σmin σa
σa
对称循环变应力
o t
σ
----脉动循环变应力
----对称循环变应力 -1
= 0
+1 ----静应力
o t
σ
σa
σa
σmin
静应力是变应力的特例
§9－2 机械零件的疲劳强度
二、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) 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;
3) 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果；它的初期现象是
在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷
时，就突然断裂。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
疲劳断裂是与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂。
不管脆性材料或塑性材料，
4) 疲劳断面明显分为两
个区域，即表面光滑的疲
劳发展区和表面粗糙的脆
性断裂区。
三、疲劳曲线
NO
σrN
σ-1
N0
σ-1N
N
由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试
验表明，当 N>N0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循
环时试件将不会断裂。
疲劳极限σrN与循环次数N 之
间的关系曲线称为：疲劳曲线
当N≥N0 时,σrN不再随N的增大而降低，此时的疲劳极
限用σr表示。 N0 ----循环基数
当N<N0 时, 有近似公式：
对应于N 的疲劳极限：
用σ-1表示材料在对称循环应力下的疲劳极限。
1）无限寿命区
σr
2）有限寿命区
kN----寿命系数 m----寿命指数
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
1）静应力下，塑性材料的零件：S =～１.5
塑性较差的铸钢件：S =1.５～２.5
S↑
典型机械的 S 可通过查表求得。 无表可查时，按
以下原则取：
→ 零件尺寸大，结构笨重。
S↓→ 可能不安全。
２）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：
S =3～4
3）变应力下， S =～
材料不均匀，或计算不准时取： S =～
§9－3 机械制造常用材料及其选择
机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等 。
一、金属材料
1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。
2.钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、
耐酸钢等)、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。
铸铁
常用金
属材料
钢
铜合金
----含碳量>2%
----含碳量≤ 2%
铁碳合金
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。
选用原则：
优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。
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。
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9-2 常用材料的相对价格
材 料 种 类 规 格 相对价格
热轧圆刚
碳素结构钢Q235 （φ 33~42） 1
铸 件
优质碳素钢 （φ 29~50） ~
合金结构钢（φ 29~50） ~
滚动轴承钢（φ 29~50） 3
合金工具钢（φ 29~50） 3~20
4Cr9Si2耐热钢（φ 29~50） 5
灰铸铁铸件
碳素钢铸件
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
3.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。
零件毛坯获取方法：辗压、铸造。
应用：应用范围广泛。
种类
青铜
黄铜
轴承合金（巴氏合金）
-含锡青铜、不含锡青铜
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、传动带、密封圈、
轮胎、绝缘材料等。
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，如耐蚀性、绝热
性、绝缘性、耐磨性等，所以近年来在机械制造中其
应用日益广泛。
3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。
选材因素：
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。
用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。
零件材料
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，应尽量缩减
材料的品种。
表9-1 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% mm
Q215 335-410 215 31
碳素
结构钢
Q235 375-460 235 26 d≤ 16
Q275 490-610 275 20
20 410 245 25 优质碳素
结构钢
35 530 315 20 d≤ 25
45 600 355 16
35 SiMn 883 735 15 d≤ 25
合金
结构钢
40Cr 981 785 9 d≤ 25
20CrMnTi 1079 834 10 d≤ 15
60Mn 981 785 8 d≤ 80
ZG270-500 500 270 18
铸 钢 ZG310-570 570 310 15 d≤100
ZG42SiMn 600 380 12
HT150 145 -- --
灰铸铁 HT200 195 -- --
HT250 240 -- --
壁厚
10~20
QT400-15 400 250 15
球墨铸铁 QT500-7 500 320 7
QT600-3 600 370 3
壁厚
30~200
§9－4 机械零件的工艺性及标准化
一、工艺性
零件设
计要求
使用要求----具备所要求的工作能力；
制造要求----制造工艺可行，成本低；
零件工艺性良好的标志：
在具体的生产条件下，零件要便于加工且费用低。
工艺性的基本要求：
1) 毛坯选择合理
制备方法
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。
应用于大批量生产。
用型材
焊接
锻造
铸造
冲压
2) 结构简单合理
▲最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面及其组合；
▲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的提高和表面粗糙度的降低而急剧增加。
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。
二、标准化
内容：
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：标准化是在经济、技术、科学及管理等社会实
践中，对重复事务和概念，通过制定、发布和实施标
准，以获得最佳秩序和效益。
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。
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。
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。
优先数系数
优先数系是国际上统一的数值分级制度，是一种无
量纲的分级系数，适用于各种量值的分级。在确定产品
的参数或参数系列时，应该最大限度采用。
产品的主要参数如：型号、直径、转速、承载量和
功率等按优先数系形成系列，便于组织生产和降低成本，
以实现产品的标准化和系列化。
优先数系是一个以公比为：qr= 10 的十进等比级数，r
GB321-80规定了四个优先数系的基本系列：
R5 : q5= 10 ≈ 5
R10 : q10= 10 ≈
10
R20 : q20= 10 ≈
20
R40 : q40= 10 ≈
40
优先数系的基本系列
R5
R10
R40
R20
优先数----表中任意一个数值。
大于10的优先数，可将表数值分别乘以10、100、1000 。
