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一部順應中國制造2025智能裝備新要求、技術先進、數據可靠的現代化機械設計工具書，從新時代機械設計人員的實際需求出發，追求現代感，兼顧實用性、通用性，準確性，涵蓋了各種常規和通用的機械設計技術資料，貫徹了新的國家及行業標準，推薦了國內外先進、智能、節能、通用的產品。

《現代機械設計手冊》第一版自2011年3月出版以來，贏得了機械設計人員、工程技術人員和高等院校專業師生廣泛的青睞和好評，榮獲了2011年全國優秀暢銷書（科技類）。同時，因其在機械設計領域重要的科學價值、實用價值和現實意義，《現代機械設計手冊》還榮獲2009年國家出版基金資助和2012年中國機械工業科學技術獎。

《現代機械設計手冊》第一版出版距今已經8年，在這期間，我國的裝備制造業發生了許多重大的變化，尤其是2015年國家部署并頒布了實現中國制造業發展的十年行動綱領中國制造2025，發布了針對中國制造2025的五大工程實施指南，為機械制造業的未來發展指明了方向。在國家政策號召和驅使下，我國的機械工業獲得了快速的發展，自主創新的能力不斷加強，一批高技術、高性能、高精尖的現代化裝備不斷涌現，各種新材料、新工藝、新結構、新產品、新方法、新技術不斷產生、發展并投入實際應用，大大提升了我國機械設計與制造的技術水平和國際競爭力。《現代機械設計手冊》第二版最重要的原則就是緊密結合中國制造2025國家規劃和創新驅動發展戰略，在內容上與時俱進，全面體現創新、智能、節能、環保的主題，進一步呈現機械設計的現代感。鑒于此，《現代機械設計手冊》第二版被列入了十三五國家重點出版物規劃項目。

在本版手冊的修訂過程中，我們廣泛深入機械制造企業、設計院、科研院所和高等院校進行調研，聽取各方面讀者的意見和建議，最終確定了《現代機械設計手冊》第二版的根本宗旨：一方面，新版手冊進一步加強機、電、液、控制技術的有機融合，以全面適應機器人等智能化裝備系統設計開發的新要求；另一方面，隨著現代機械設計方法和工程設計軟件的廣泛應用和普及，新版手冊繼續促進傳動設計與現代設計的有機結合，將各種新的設計技術、計算技術、設計工具全面融入傳統的機械設計實際工作中。

《現代機械設計手冊》第二版共6卷35篇，它是一部面向中國制造2025，適應智能裝備設計開發新要求、技術先進、數據可靠、符合現代機械設計潮流的現代化的機械設計大型工具書，涵蓋現代機械零部件及傳動設計、智能裝備及控制設計、現代機械設計方法及應用三部分內容，具有以下六大特色。

1.權威性。《現代機械設計手冊》陣容強大，編、審人員大都來自設計、生產、教學和科研第一線，具有深厚的理論功底、豐富的設計實踐經驗。他們中很多人都是所屬領域的知名專家，在業內有廣泛的影響力和知名度，獲得過多項國家和省部級科技進步獎、發明獎和技術專利，承擔了許多機械領域國家重要的科研和攻關項目。這支專業、權威的編審隊伍確保了手冊準確、實用的內容質量。

2.現代感。追求現代感，體現現代機械設計氣氛，滿足時代要求，是《現代機械設計手冊》的基本宗旨。現代二字主要體現在：新標準、新技術、新材料、新結構、新工藝、新產品、智能化、現代的設計理念、現代的設計方法和現代的設計手段等幾個方面。第二版重點加強機械智能化產品設計（3D打印、智能零部件、節能元器件）、智能裝備（機器人及智能化裝備）控制及系統設計、數字化設計等內容。

（1）零件結構設計等篇進一步完善零部件結構設計的內容，結合目前的3D打印（增材制造）技術，增加3D打印工藝下零件結構設計的相關技術內容。

機械工程材料篇增加3D打印材料以及新型材料的內容。

（2）機械零部件及傳動設計各篇增加了新型智能零部件、節能元器件及其應用技術，例如滑動軸承篇增加了新型的智能軸承，潤滑篇增加了微量潤滑技術等內容。

（3）全面增加了工業機器人設計及應用的內容：新增了工業機器人系統設計篇；智能裝備系統設計篇增加了工業機器人應用開發的內容；機構篇增加了自動化機構及機構創新的內容；減速器、變速器篇增加了工業機器人減速器選用設計的內容；帶傳動、鏈傳動篇增加并完善了工業機器人適用的同步帶傳動設計的內容；齒輪傳動篇增加了RV減速器傳動設計、諧波齒輪傳動設計的內容等。

（4）氣壓傳動與控制液壓傳動與控制篇重點加強并完善了控制技術的內容，新增了氣動系統自動控制、氣動人工肌肉、液壓和氣動新型智能元器件及新產品等內容。

（5）繼續加強第5卷機電控制系統設計的相關內容：除增加工業機器人系統設計篇外，原機電一體化系統設計篇充實擴充形成智能裝備系統設計篇，增加并完善了智能裝備系統設計的相關內容，增加智能裝備系統開發實例等。

傳感器篇增加了機器人傳感器、航空航天裝備用傳感器、微機械傳感器、智能傳感器、無線傳感器的技術原理和產品，加強傳感器應用和選用的內容。

控制元器件和控制單元篇和電動機篇全面更新產品，重點推薦了一些新型的智能和節能產品，并加強產品選用的內容。

（6）第6卷進一步加強現代機械設計方法應用的內容：在3D打印、數字化設計等智能制造理念的倡導下，逆向設計數字化設計等篇全面更新，體現了智能工廠的全數字化設計的時代特征，增加了相關設計應用實例。

增加綠色設計篇；創新設計篇進一步完善了機械創新設計原理，全面更新創新實例。

（7）在貫徹新標準方面，收錄并合理編排了目前最新頒布的國家和行業標準。

3.實用性。新版手冊繼續加強實用性，內容的選定、深度的把握、資料的取舍和章節的編排，都堅持從設計和生產的實際需要出發：例如機械零部件數據資料主要依據最新國家和行業標準，并給出了相應的設計實例供設計人員參考；第5卷機電控制設計部分，完全站在機械設計人員的角度來編寫注重產品如何選用，摒棄或簡化了控制的基本原理，突出機電系統設計，控制元器件、傳感器、電動機部分注重介紹主流產品的技術參數、性能、應用場合、選用原則，并給出了相應的設計選用實例；第6卷現代機械設計方法中簡化了繁瑣的數學推導，突出了最終的計算結果，結合具體的算例將設計方法通俗地呈現出來，便于讀者理解和掌握。

為方便廣大讀者的使用，手冊在具體內容的表述上，采用以圖表為主的編寫風格。這樣既增加了手冊的信息容量，更重要的是方便了讀者的查閱使用，有利于提高設計人員的工作效率和設計速度。

為了進一步增加手冊的承載容量和時效性，本版修訂將部分篇章的內容放入二維碼中，讀者可以用手機掃描查看、下載打印或存儲在PC端進行查看和使用。二維碼內容主要涵蓋以下幾方面的內容：即將被廢止的舊標準（新標準一旦正式頒布，會及時將二維碼內容更新為新標準的內容）；部分推薦產品及參數；其他相關內容。

4.通用性。本手冊以通用的機械零部件和控制元器件設計、選用內容為主，主要包括機械設計基礎資料、機械制圖和幾何精度設計、機械工程材料、機械通用零部件設計、機械傳動系統設計、液壓和氣壓傳動系統設計、機構設計、機架設計、機械振動設計、智能裝備系統設計、控制元器件和控制單元等，既適用于傳統的通用機械零部件設計選用，又適用于智能化裝備的整機系統設計開發，能夠滿足各類機械設計人員的工作需求。

5.準確性。本手冊盡量采用原始資料，公式、圖表、數據力求準確可靠，方法、工藝、技術力求成熟。所有材料、零部件和元器件、產品和工藝方面的標準均采用最新公布的標準資料，對于標準規范的編寫，手冊沒有簡單地照抄照搬，而是采取選用、摘錄、合理編排的方式，強調其科學性和準確性，盡量避免差錯和謬誤。所有設計方法、計算公式、參數選用均經過長期檢驗，設計實例、各種算例均來自工程實際。手冊中收錄通用性強、標準化程度高的產品，供設計人員在了解企業實際生產品種、規格尺寸、技術參數，以及產品質量和用戶的實際反映后選用。

6.全面性。本手冊一方面根據機械設計人員的需要，按照基本、常用、重要、發展的原則選取內容，另一方面兼顧了制造企業和大型設計院兩大群體的設計特點，即制造企業側重基礎性的設計內容，而大型的設計院、工程公司側重于產品的選用。因此，本手冊力求實現零部件設計與整機系統開發的和諧統一，促進機械設計與控制設計的有機融合，強調產品設計與工藝技術的緊密結合，重視工藝技術與選用材料的合理搭配，倡導結構設計與造型設計的完美統一，以全面適應新時代機械新產品設計開發的需要。

經過廣大編審人員和出版社的不懈努力，新版《現代機械設計手冊》將以嶄新的風貌和鮮明的時代氣息展現在廣大機械設計工作者面前。值此出版之際，謹向所有給過我們大力支持的單位和各界朋友表示衷心的感謝！



主編

第28篇 疲勞強度設計

第1章機械零部件疲勞強度與壽命

1.1零部件疲勞失效與疲勞壽命28-3

1.1.1疲勞失效及其特點28-3

1.1.2機械零部件常見疲勞失效形式28-3

1.1.3疲勞設計準則28-3

1.1.3.1名義應力準則28-3

1.1.3.2局部應力應變準則28-4

1.1.3.3損傷容限設計準則28-4

1.1.3.4多軸疲勞準則28-4

1.2疲勞載荷28-4

1.2.1循環應力28-4

1.2.2循環計數法28-5

1.2.3載荷譜編制28-6

1.2.3.1累積頻數曲線28-7

1.2.3.2載荷譜編制28-7

1.2.3.3應用舉例28-8

1.3材料疲勞性能28-8

1.4疲勞損傷累積效應與法則28-9

1.4.1線性疲勞累積損傷（Miner）法則28-9

1.4.2相對Miner法則28-10

1.5平均應力修正28-10



第2章疲勞失效影響因素與提高疲勞強度的措施

2.1應力集中效應28-11

2.1.1應力分布及材料對應力集中的敏感性28-11

2.1.2理論應力集中系數28-11

2.1.3有效應力集中系數28-12

2.1.3.1帶臺肩圓角的機械零件的有效應力集中系數28-12

2.1.3.2帶溝槽的機械零件的有效應力集中系數28-14

2.1.3.3開孔的機械零件的有效應力集中系數28-17

2.1.3.4其他常用零件的有效應力集中系數28-18

2.2尺寸效應28-22

2.3表面狀態效應28-24

2.3.1表面精度影響28-24

2.3.2表面強化效應28-24

2.4載荷影響28-26

2.4.1載荷類型影響28-26

2.4.2載荷頻率影響28-26

2.4.3平均應力影響28-27

2.5環境因素28-29

2.5.1腐蝕環境28-29

2.5.1.1載荷頻率的影響28-29

2.5.1.2腐蝕方式的影響28-30

2.5.1.3腐蝕介質的影響28-30

2.5.1.4結構尺寸與形狀的影響28-30

2.5.2溫度的影響28-32

2.5.2.1低溫的影響28-32

2.5.2.2高溫的影響28-33

2.6提高零件疲勞強度的方法28-43

2.6.1合理選材28-43

2.6.2材料改性28-43

2.6.3改進結構28-43

2.6.4表面強化28-45

2.6.4.1表面噴丸28-45

2.6.4.2表面輥壓28-46

2.6.4.3內孔擠壓28-48

2.6.4.4表面化學熱處理28-48

2.6.4.5表面淬火28-51

2.6.4.6表面激光處理28-51



第3章高周疲勞強度設計方法

3.1材料的常規疲勞性能數據28-53

3.1.1材料疲勞極限28-53

3.1.2材料的S-N曲線28-60

3.1.3疲勞安全系數28-74

3.2無限壽命設計28-77

3.2.1單向應力狀態下的無限壽命設計28-77

3.2.1.1計算公式28-77

3.2.1.2設計實例28-78

3.2.2復雜應力狀態下的無限壽命設計28-79

3.2.3連接件的疲勞壽命估算應力嚴重系數法28-79

3.3有限壽命設計28-81

3.3.1計算公式28-81

3.3.2壽命估算28-81

3.3.3設計實例28-81

3.4頻域疲勞壽命分析方法28-82

3.4.1隨機過程基本理論28-82

3.4.1.1信號傅里葉變換28-82

3.4.1.2信號采樣定理28-83

3.4.1.3平穩隨機過程28-83

3.4.1.4平穩隨機過程譜參數28-84

3.4.2頻域疲勞壽命分析方法28-84

3.4.2.1窄帶隨機載荷疲勞壽命分析28-84

3.4.2.2寬帶隨機載荷疲勞壽命分析28-84

3.4.3算例28-84



第4章低周疲勞強度設計方法

4.1材料低周疲勞性能28-86

4.2循環應力-應變曲線28-88

4.2.1滯回線28-88

4.2.2循環硬化與循環軟化28-89

4.2.3循環應力-應變曲線28-89

4.3應變-壽命曲線28-92

4.3.1應變-壽命方程28-92

4.3.2四點法求應變-壽命曲線28-94

4.3.3通用斜率法28-95

4.4低周疲勞的壽命估算28-95

4.4.1直接法28-95

4.4.2裂紋形成壽命估算方法28-96

4.4.2.1局部應力-應變分析28-97

4.4.2.2裂紋形成壽命估算方法28-99

4.4.2.3設計實例28-100



第5章裂紋擴展壽命估算方法

5.1應力強度因子與斷裂韌性28-103

5.1.1應力強度因子28-103

5.1.2斷裂韌度28-103

5.2裂紋擴展特性與裂紋擴展速率28-112

5.2.1裂紋擴展過程28-112

5.2.2裂紋擴展門檻值Kth28-113

5.2.3裂紋擴展速率da／dN28-115

5.3疲勞裂紋擴展壽命估算方法28-126

5.4算例28-126

5.5損傷容限設計28-127

5.5.1損傷容限設計概念28-127

5.5.2損傷容限設計的內容28-128

5.5.2.1確定關鍵件28-128

5.5.2.2材料選擇28-128

5.5.2.3結構細節設計的控制28-129

5.5.3結構設計28-129

5.5.4缺陷假設28-130

5.5.4.1初始裂紋尺寸28-130

5.5.4.2連續損傷假設28-130

5.5.4.3剩余結構損傷28-131

5.5.4.4使用中檢查后損傷假設28-131

5.5.5剩余強度28-131

5.5.5.1剩余強度概念28-131

5.5.5.2多途徑傳力結構剩余強度曲線28-132

5.5.6損傷檢查28-134

5.5.6.1可檢查度28-135

5.5.6.2檢查能力評估方法28-135

5.5.6.3檢查間隔28-137



第6章疲勞試驗與數據處理

6.1疲勞試驗機28-140

6.1.1疲勞試驗機的種類28-140

6.1.2疲勞試驗加載方式28-140

6.1.3疲勞試驗控制方式28-140

6.1.4疲勞試驗數據采集28-141

6.2疲勞試樣及其制備28-141

6.2.1試樣28-141

6.2.1.1光滑試樣28-141

6.2.1.2缺口試驗28-142

6.2.1.3低周疲勞試樣28-142

6.2.1.4疲勞裂紋擴展試樣28-143

6.2.2試樣制備28-144

6.2.2.1取樣28-144

6.2.2.2機械加工28-145

6.2.2.3熱處理28-146

6.2.2.4測量、探傷與儲存28-146

6.3疲勞試驗方法28-146

6.3.1S-N曲線試驗28-146

6.3.1.1單點試驗法28-146

6.3.1.2成組試驗法28-147

6.3.2疲勞極限試驗28-148

6.3.3ε-N曲線試驗28-149

6.3.4應力-應變曲線試驗28-150

6.3.5裂紋擴展速率（da/dN曲線）試驗28-151

6.3.6斷裂韌性試驗28-151

6.4疲勞試驗數據處理28-152

6.4.1可疑觀測值的取舍28-152

6.4.2S-N曲線擬合28-153

6.4.3ε-N曲線擬合28-154

6.4.4應力-應變曲線擬合28-155

6.4.5da/dN曲線擬合28-155

6.4.6斷裂韌性試驗數據處理28-157



參考文獻28-159



第29篇 可靠性設計

第1章機械失效與可靠性

1.1機械零部件的典型失效形式29-3

1.1.1靜載失效29-3

1.1.2疲勞失效29-3

1.1.3腐蝕失效29-3

1.1.4磨損失效29-3

1.1.5沖擊失效29-4

1.1.6振動失效29-4

1.2可靠性及其指標29-4

1.2.1產品質量29-4

1.2.2產品的可靠性29-4

1.2.3產品可靠性與全壽命周期費用29-4

1.2.4壽命均值與方差29-5

1.2.5平均無故障工作時間29-5

1.2.6產品壽命分布與可靠度29-6

1.2.7失效率29-6

1.2.8可靠壽命與特征壽命29-8

1.2.9維修度29-8

1.2.10有效度29-8



第2章可靠性設計流程

2.1可靠性目標及其分解29-9

2.2可靠性設計流程29-9

2.3各設計階段的可靠性內容29-10

2.3.1方案設計階段29-10

2.3.2系統設計階段29-10

2.3.3詳細設計階段29-11

2.3.4設計評審階段29-11



第3章可靠性數據及其統計分布

3.1可靠性數據采集29-12

3.1.1可靠性設計與評估數據要求29-12

3.1.2可靠性數據來源及采集29-12

3.2可靠性數據統計的內容及方法29-12

3.2.1可靠性數據統計內容29-12

3.2.2可靠性數據統計流程29-13

3.3載荷分布與強度分布29-13

3.3.1正態分布29-13

3.3.2極值分布29-14

3.3.3次序統計量及其分布29-15

3.4載荷作用次數分布及故障次數分布29-15

3.4.1二項分布29-15

3.4.2泊松(Poisson)分布29-15

3.5壽命分布29-16

3.5.1指數分布29-16

3.5.2威布爾(Weibull)分布29-16

3.5.3對數正態分布29-17



第4章故障模式、影響及危害度分析

4.1基本概念與方法步驟29-19

4.1.1基本概念29-19

4.1.2FMECA的層次與分析過程29-19

4.1.3FMECA的實施步驟29-20

4.2危害度分析29-21

4.2.1風險優先數29-21

4.2.2危害度矩陣圖29-22

4.2.3綜合評分法29-22

4.3FMECA應用示例29-23



第5章故障樹分析

5.1基本概念與基本符號29-33

5.1.1故障樹基本概念29-33

5.1.2故障樹基本符號29-34

5.1.3割集與路集29-35

5.2故障樹建樹與分析方法29-35

5.2.1建立故障樹的方法與步驟29-35

5.2.2故障樹定性分析29-36

5.2.3故障樹定量分析29-37

5.3故障樹分析實例29-39



第6章機械系統可靠性設計

6.1系統可靠性設計內容29-46

6.2系統可靠性模型29-46

6.2.1串聯系統可靠性模型29-46

6.2.1.1傳統模型29-46

6.2.1.2精確模型29-47

6.2.2并聯系統可靠性模型29-47

6.2.2.1傳統模型29-47

6.2.2.2精確模型29-48

6.2.3串-并聯系統可靠性模型29-48

6.2.4并-串聯系統可靠性模型29-48

6.2.5表決系統可靠性模型29-48

6.3可靠性分配29-49

6.3.1等分配法29-49

6.3.2再分配法29-49

6.3.3比例分配法29-50

6.3.4綜合評分分配法29-51

6.3.5動態規劃分配法29-52

6.3.5.1串聯系統29-52

6.3.5.2并聯系統29-53

6.4可靠性預測實例29-53



第7章機構可靠性設計

7.1機構可靠性模型及評價指標29-56

7.1.1機構可靠性建模方法29-56

7.1.2機構工作過程分解29-56

7.1.3機構功能可靠性29-57

7.2曲柄滑塊機構運動可靠性29-57

7.2.1機構運動誤差29-57

7.2.2理想狀態下機構運動關系29-58

7.2.3機構可靠性模型29-58

7.2.3.1考慮尺寸誤差的計算模型29-58

7.2.3.2考慮運動副間隙誤差的計算模型29-60



第8章零件靜強度可靠性設計

8.1基本原理29-62

8.1.1安全系數與可靠性參數29-62

8.1.2可靠性設計計算基本原理29-62

8.2應力分布和強度分布影響因素29-64

8.2.1載荷29-64

8.2.2材料性能29-64

8.2.3制造工藝29-64

8.2.4幾何形狀及尺寸29-64

8.3隨機變量函數均值和標準差計算方法29-64

8.3.1計算分布參數的矩方法29-64

8.3.2常用隨機變量函數均值與標準差公式29-65

8.4零件可靠度計算的應力-強度干涉模型29-65

8.4.1應力-強度干涉模型29-65

8.4.2載荷多次作用下的可靠性模型29-66

8.5靜強度可靠性設計29-67

8.5.1零件靜強度可靠性設計的主要內容與步驟29-67

8.5.2靜強度可靠性設計舉例29-68

8.6斷裂可靠性設計29-68

8.6.1斷裂力學的基本概念29-68

8.6.2斷裂可靠性設計29-69

8.7可靠性設計計算的蒙特卡羅法29-70

8.7.1蒙特卡羅法求解可靠度的原理29-70

8.7.2隨機數的產生29-70

8.7.3隨機變量抽樣方法29-70

8.7.4應用舉例發動機輪盤可靠性仿真29-70

8.8典型機械零件可靠性設計舉例29-71

8.8.1螺紋連接可靠性設計29-71

8.8.2過盈連接的可靠性設計29-74



第9章零部件疲勞及磨損可靠性設計

9.1零部件疲勞強度可靠性設計29-76

9.1.1疲勞強度可靠性設計基本原理29-76

9.1.2平均應力效應29-76

9.1.3疲勞強度可靠性設計計算29-76

9.2疲勞強度可靠性遞推算法29-77

9.3隨機恒幅循環載荷疲勞可靠度的統計平均算法29-78

9.4磨損可靠性29-78

9.4.1磨損的基本概念29-78

9.4.2給定壽命下的磨損可靠度計算29-79

9.4.3給定磨損可靠度時的可靠壽命計算29-80



第10章可靠性評價

10.1零件可靠性評價29-81

10.1.1復雜載荷工況可靠性評價29-81

10.1.2強度退化規律29-81

10.1.3存在強度退化時的可靠性模型29-82

10.1.4離散化的可靠性模型29-82

10.2系統可靠性評價29-84

10.2.1系統可靠性評價方法29-84

10.2.2行星齒輪系可靠度計算29-84



第11章可靠性試驗與數據處理

11.1可靠性試驗29-86

11.1.1可靠性試驗類型29-86

11.1.2可靠性試驗數據類型29-86

11.2可靠性數據分布類型檢驗29-87

11.2.12檢驗法29-87

11.2.2K-S檢驗法29-88

11.2.3回歸分析檢驗法29-89

11.3參數估計29-91

11.3.1矩估計29-91

11.3.2極大似然估計29-91

11.4指數分布假設檢驗與參數估計29-91

11.4.1擬合性檢驗29-91

11.4.2參數估計29-92

11.5正態分布統計檢驗與參數估計29-93

11.5.1擬合性檢驗29-93

11.5.2正態分布參數估計29-94

11.6非參數估計方法29-95

11.6.1基于完全壽命數據的可靠性估計29-95

11.6.2基于截尾壽命數據的可靠性估計29-97



附錄

附錄Ⅰ可靠性標準29-99

Ⅰ-1中國國家可靠性標準29-99

Ⅰ-2中國電子行業可靠性標準29-101

Ⅰ-3中國機械行業可靠性標準29-101

附錄Ⅱ概率分布表29-102

Ⅱ-1標準正態分布表29-102

Ⅱ-22分布表29-103

Ⅱ-3t分布表29-105

Ⅱ-4F分布表29-106

Ⅱ-5函數表29-111



參考文獻29-113