一部顺应中国制造2025智能装备新要求、技术先进、数据可靠的现代化机械设计工具书，从新时代机械设计人员的实际需求出发，追求现代感，兼顾实用性、通用性，准确性，涵盖了各种常规和通用的机械设计技术资料，贯彻了新的国家及行业标准，推荐了国内外先进、智能、节能、通用的产品。

《现代机械设计手册》第一版自2011年3月出版以来，赢得了机械设计人员、工程技术人员和高等院校专业师生广泛的青睐和好评，荣获了2011年全国优秀畅销书（科技类）。同时，因其在机械设计领域重要的科学价值、实用价值和现实意义，《现代机械设计手册》还荣获2009年国家出版基金资助和2012年中国机械工业科学技术奖。

《现代机械设计手册》第一版出版距今已经8年，在这期间，我国的装备制造业发生了许多重大的变化，尤其是2015年国家部署并颁布了实现中国制造业发展的十年行动纲领中国制造2025，发布了针对中国制造2025的五大工程实施指南，为机械制造业的未来发展指明了方向。在国家政策号召和驱使下，我国的机械工业获得了快速的发展，自主创新的能力不断加强，一批高技术、高性能、高精尖的现代化装备不断涌现，各种新材料、新工艺、新结构、新产品、新方法、新技术不断产生、发展并投入实际应用，大大提升了我国机械设计与制造的技术水平和国际竞争力。《现代机械设计手册》第二版最重要的原则就是紧密结合中国制造2025国家规划和创新驱动发展战略，在内容上与时俱进，全面体现创新、智能、节能、环保的主题，进一步呈现机械设计的现代感。鉴于此，《现代机械设计手册》第二版被列入了十三五国家重点出版物规划项目。

在本版手册的修订过程中，我们广泛深入机械制造企业、设计院、科研院所和高等院校进行调研，听取各方面读者的意见和建议，最终确定了《现代机械设计手册》第二版的根本宗旨：一方面，新版手册进一步加强机、电、液、控制技术的有机融合，以全面适应机器人等智能化装备系统设计开发的新要求；另一方面，随着现代机械设计方法和工程设计软件的广泛应用和普及，新版手册继续促进传动设计与现代设计的有机结合，将各种新的设计技术、计算技术、设计工具全面融入传统的机械设计实际工作中。

《现代机械设计手册》第二版共6卷35篇，它是一部面向中国制造2025，适应智能装备设计开发新要求、技术先进、数据可靠、符合现代机械设计潮流的现代化的机械设计大型工具书，涵盖现代机械零部件及传动设计、智能装备及控制设计、现代机械设计方法及应用三部分内容，具有以下六大特色。

1.权威性。《现代机械设计手册》阵容强大，编、审人员大都来自设计、生产、教学和科研第一线，具有深厚的理论功底、丰富的设计实践经验。他们中很多人都是所属领域的知名专家，在业内有广泛的影响力和知名度，获得过多项国家和省部级科技进步奖、发明奖和技术专利，承担了许多机械领域国家重要的科研和攻关项目。这支专业、权威的编审队伍确保了手册准确、实用的内容质量。

2.现代感。追求现代感，体现现代机械设计气氛，满足时代要求，是《现代机械设计手册》的基本宗旨。现代二字主要体现在：新标准、新技术、新材料、新结构、新工艺、新产品、智能化、现代的设计理念、现代的设计方法和现代的设计手段等几个方面。第二版重点加强机械智能化产品设计（3D打印、智能零部件、节能元器件）、智能装备（机器人及智能化装备）控制及系统设计、数字化设计等内容。

（1）零件结构设计等篇进一步完善零部件结构设计的内容，结合目前的3D打印（增材制造）技术，增加3D打印工艺下零件结构设计的相关技术内容。

机械工程材料篇增加3D打印材料以及新型材料的内容。

（2）机械零部件及传动设计各篇增加了新型智能零部件、节能元器件及其应用技术，例如滑动轴承篇增加了新型的智能轴承，润滑篇增加了微量润滑技术等内容。

（3）全面增加了工业机器人设计及应用的内容：新增了工业机器人系统设计篇；智能装备系统设计篇增加了工业机器人应用开发的内容；机构篇增加了自动化机构及机构创新的内容；减速器、变速器篇增加了工业机器人减速器选用设计的内容；带传动、链传动篇增加并完善了工业机器人适用的同步带传动设计的内容；齿轮传动篇增加了RV减速器传动设计、谐波齿轮传动设计的内容等。

（4）气压传动与控制液压传动与控制篇重点加强并完善了控制技术的内容，新增了气动系统自动控制、气动人工肌肉、液压和气动新型智能元器件及新产品等内容。

（5）继续加强第5卷机电控制系统设计的相关内容：除增加工业机器人系统设计篇外，原机电一体化系统设计篇充实扩充形成智能装备系统设计篇，增加并完善了智能装备系统设计的相关内容，增加智能装备系统开发实例等。

传感器篇增加了机器人传感器、航空航天装备用传感器、微机械传感器、智能传感器、无线传感器的技术原理和产品，加强传感器应用和选用的内容。

控制元器件和控制单元篇和电动机篇全面更新产品，重点推荐了一些新型的智能和节能产品，并加强产品选用的内容。

（6）第6卷进一步加强现代机械设计方法应用的内容：在3D打印、数字化设计等智能制造理念的倡导下，逆向设计数字化设计等篇全面更新，体现了智能工厂的全数字化设计的时代特征，增加了相关设计应用实例。

增加绿色设计篇；创新设计篇进一步完善了机械创新设计原理，全面更新创新实例。

（7）在贯彻新标准方面，收录并合理编排了目前最新颁布的国家和行业标准。

3.实用性。新版手册继续加强实用性，内容的选定、深度的把握、资料的取舍和章节的编排，都坚持从设计和生产的实际需要出发：例如机械零部件数据资料主要依据最新国家和行业标准，并给出了相应的设计实例供设计人员参考；第5卷机电控制设计部分，完全站在机械设计人员的角度来编写注重产品如何选用，摒弃或简化了控制的基本原理，突出机电系统设计，控制元器件、传感器、电动机部分注重介绍主流产品的技术参数、性能、应用场合、选用原则，并给出了相应的设计选用实例；第6卷现代机械设计方法中简化了繁琐的数学推导，突出了最终的计算结果，结合具体的算例将设计方法通俗地呈现出来，便于读者理解和掌握。

为方便广大读者的使用，手册在具体内容的表述上，采用以图表为主的编写风格。这样既增加了手册的信息容量，更重要的是方便了读者的查阅使用，有利于提高设计人员的工作效率和设计速度。

为了进一步增加手册的承载容量和时效性，本版修订将部分篇章的内容放入二维码中，读者可以用手机扫描查看、下载打印或存储在PC端进行查看和使用。二维码内容主要涵盖以下几方面的内容：即将被废止的旧标准（新标准一旦正式颁布，会及时将二维码内容更新为新标准的内容）；部分推荐产品及参数；其他相关内容。

4.通用性。本手册以通用的机械零部件和控制元器件设计、选用内容为主，主要包括机械设计基础资料、机械制图和几何精度设计、机械工程材料、机械通用零部件设计、机械传动系统设计、液压和气压传动系统设计、机构设计、机架设计、机械振动设计、智能装备系统设计、控制元器件和控制单元等，既适用于传统的通用机械零部件设计选用，又适用于智能化装备的整机系统设计开发，能够满足各类机械设计人员的工作需求。

5.准确性。本手册尽量采用原始资料，公式、图表、数据力求准确可靠，方法、工艺、技术力求成熟。所有材料、零部件和元器件、产品和工艺方面的标准均采用最新公布的标准资料，对于标准规范的编写，手册没有简单地照抄照搬，而是采取选用、摘录、合理编排的方式，强调其科学性和准确性，尽量避免差错和谬误。所有设计方法、计算公式、参数选用均经过长期检验，设计实例、各种算例均来自工程实际。手册中收录通用性强、标准化程度高的产品，供设计人员在了解企业实际生产品种、规格尺寸、技术参数，以及产品质量和用户的实际反映后选用。

6.全面性。本手册一方面根据机械设计人员的需要，按照基本、常用、重要、发展的原则选取内容，另一方面兼顾了制造企业和大型设计院两大群体的设计特点，即制造企业侧重基础性的设计内容，而大型的设计院、工程公司侧重于产品的选用。因此，本手册力求实现零部件设计与整机系统开发的和谐统一，促进机械设计与控制设计的有机融合，强调产品设计与工艺技术的紧密结合，重视工艺技术与选用材料的合理搭配，倡导结构设计与造型设计的完美统一，以全面适应新时代机械新产品设计开发的需要。

经过广大编审人员和出版社的不懈努力，新版《现代机械设计手册》将以崭新的风貌和鲜明的时代气息展现在广大机械设计工作者面前。值此出版之际，谨向所有给过我们大力支持的单位和各界朋友表示衷心的感谢！



主编

第28篇 疲劳强度设计

第1章机械零部件疲劳强度与寿命

1.1零部件疲劳失效与疲劳寿命28-3

1.1.1疲劳失效及其特点28-3

1.1.2机械零部件常见疲劳失效形式28-3

1.1.3疲劳设计准则28-3

1.1.3.1名义应力准则28-3

1.1.3.2局部应力应变准则28-4

1.1.3.3损伤容限设计准则28-4

1.1.3.4多轴疲劳准则28-4

1.2疲劳载荷28-4

1.2.1循环应力28-4

1.2.2循环计数法28-5

1.2.3载荷谱编制28-6

1.2.3.1累积频数曲线28-7

1.2.3.2载荷谱编制28-7

1.2.3.3应用举例28-8

1.3材料疲劳性能28-8

1.4疲劳损伤累积效应与法则28-9

1.4.1线性疲劳累积损伤（Miner）法则28-9

1.4.2相对Miner法则28-10

1.5平均应力修正28-10



第2章疲劳失效影响因素与提高疲劳强度的措施

2.1应力集中效应28-11

2.1.1应力分布及材料对应力集中的敏感性28-11

2.1.2理论应力集中系数28-11

2.1.3有效应力集中系数28-12

2.1.3.1带台肩圆角的机械零件的有效应力集中系数28-12

2.1.3.2带沟槽的机械零件的有效应力集中系数28-14

2.1.3.3开孔的机械零件的有效应力集中系数28-17

2.1.3.4其他常用零件的有效应力集中系数28-18

2.2尺寸效应28-22

2.3表面状态效应28-24

2.3.1表面精度影响28-24

2.3.2表面强化效应28-24

2.4载荷影响28-26

2.4.1载荷类型影响28-26

2.4.2载荷频率影响28-26

2.4.3平均应力影响28-27

2.5环境因素28-29

2.5.1腐蚀环境28-29

2.5.1.1载荷频率的影响28-29

2.5.1.2腐蚀方式的影响28-30

2.5.1.3腐蚀介质的影响28-30

2.5.1.4结构尺寸与形状的影响28-30

2.5.2温度的影响28-32

2.5.2.1低温的影响28-32

2.5.2.2高温的影响28-33

2.6提高零件疲劳强度的方法28-43

2.6.1合理选材28-43

2.6.2材料改性28-43

2.6.3改进结构28-43

2.6.4表面强化28-45

2.6.4.1表面喷丸28-45

2.6.4.2表面辊压28-46

2.6.4.3内孔挤压28-48

2.6.4.4表面化学热处理28-48

2.6.4.5表面淬火28-51

2.6.4.6表面激光处理28-51



第3章高周疲劳强度设计方法

3.1材料的常规疲劳性能数据28-53

3.1.1材料疲劳极限28-53

3.1.2材料的S-N曲线28-60

3.1.3疲劳安全系数28-74

3.2无限寿命设计28-77

3.2.1单向应力状态下的无限寿命设计28-77

3.2.1.1计算公式28-77

3.2.1.2设计实例28-78

3.2.2复杂应力状态下的无限寿命设计28-79

3.2.3连接件的疲劳寿命估算应力严重系数法28-79

3.3有限寿命设计28-81

3.3.1计算公式28-81

3.3.2寿命估算28-81

3.3.3设计实例28-81

3.4频域疲劳寿命分析方法28-82

3.4.1随机过程基本理论28-82

3.4.1.1信号傅里叶变换28-82

3.4.1.2信号采样定理28-83

3.4.1.3平稳随机过程28-83

3.4.1.4平稳随机过程谱参数28-84

3.4.2频域疲劳寿命分析方法28-84

3.4.2.1窄带随机载荷疲劳寿命分析28-84

3.4.2.2宽带随机载荷疲劳寿命分析28-84

3.4.3算例28-84



第4章低周疲劳强度设计方法

4.1材料低周疲劳性能28-86

4.2循环应力-应变曲线28-88

4.2.1滞回线28-88

4.2.2循环硬化与循环软化28-89

4.2.3循环应力-应变曲线28-89

4.3应变-寿命曲线28-92

4.3.1应变-寿命方程28-92

4.3.2四点法求应变-寿命曲线28-94

4.3.3通用斜率法28-95

4.4低周疲劳的寿命估算28-95

4.4.1直接法28-95

4.4.2裂纹形成寿命估算方法28-96

4.4.2.1局部应力-应变分析28-97

4.4.2.2裂纹形成寿命估算方法28-99

4.4.2.3设计实例28-100



第5章裂纹扩展寿命估算方法

5.1应力强度因子与断裂韧性28-103

5.1.1应力强度因子28-103

5.1.2断裂韧度28-103

5.2裂纹扩展特性与裂纹扩展速率28-112

5.2.1裂纹扩展过程28-112

5.2.2裂纹扩展门槛值Kth28-113

5.2.3裂纹扩展速率da／dN28-115

5.3疲劳裂纹扩展寿命估算方法28-126

5.4算例28-126

5.5损伤容限设计28-127

5.5.1损伤容限设计概念28-127

5.5.2损伤容限设计的内容28-128

5.5.2.1确定关键件28-128

5.5.2.2材料选择28-128

5.5.2.3结构细节设计的控制28-129

5.5.3结构设计28-129

5.5.4缺陷假设28-130

5.5.4.1初始裂纹尺寸28-130

5.5.4.2连续损伤假设28-130

5.5.4.3剩余结构损伤28-131

5.5.4.4使用中检查后损伤假设28-131

5.5.5剩余强度28-131

5.5.5.1剩余强度概念28-131

5.5.5.2多途径传力结构剩余强度曲线28-132

5.5.6损伤检查28-134

5.5.6.1可检查度28-135

5.5.6.2检查能力评估方法28-135

5.5.6.3检查间隔28-137



第6章疲劳试验与数据处理

6.1疲劳试验机28-140

6.1.1疲劳试验机的种类28-140

6.1.2疲劳试验加载方式28-140

6.1.3疲劳试验控制方式28-140

6.1.4疲劳试验数据采集28-141

6.2疲劳试样及其制备28-141

6.2.1试样28-141

6.2.1.1光滑试样28-141

6.2.1.2缺口试验28-142

6.2.1.3低周疲劳试样28-142

6.2.1.4疲劳裂纹扩展试样28-143

6.2.2试样制备28-144

6.2.2.1取样28-144

6.2.2.2机械加工28-145

6.2.2.3热处理28-146

6.2.2.4测量、探伤与储存28-146

6.3疲劳试验方法28-146

6.3.1S-N曲线试验28-146

6.3.1.1单点试验法28-146

6.3.1.2成组试验法28-147

6.3.2疲劳极限试验28-148

6.3.3ε-N曲线试验28-149

6.3.4应力-应变曲线试验28-150

6.3.5裂纹扩展速率（da/dN曲线）试验28-151

6.3.6断裂韧性试验28-151

6.4疲劳试验数据处理28-152

6.4.1可疑观测值的取舍28-152

6.4.2S-N曲线拟合28-153

6.4.3ε-N曲线拟合28-154

6.4.4应力-应变曲线拟合28-155

6.4.5da/dN曲线拟合28-155

6.4.6断裂韧性试验数据处理28-157



参考文献28-159



第29篇 可靠性设计

第1章机械失效与可靠性

1.1机械零部件的典型失效形式29-3

1.1.1静载失效29-3

1.1.2疲劳失效29-3

1.1.3腐蚀失效29-3

1.1.4磨损失效29-3

1.1.5冲击失效29-4

1.1.6振动失效29-4

1.2可靠性及其指标29-4

1.2.1产品质量29-4

1.2.2产品的可靠性29-4

1.2.3产品可靠性与全寿命周期费用29-4

1.2.4寿命均值与方差29-5

1.2.5平均无故障工作时间29-5

1.2.6产品寿命分布与可靠度29-6

1.2.7失效率29-6

1.2.8可靠寿命与特征寿命29-8

1.2.9维修度29-8

1.2.10有效度29-8



第2章可靠性设计流程

2.1可靠性目标及其分解29-9

2.2可靠性设计流程29-9

2.3各设计阶段的可靠性内容29-10

2.3.1方案设计阶段29-10

2.3.2系统设计阶段29-10

2.3.3详细设计阶段29-11

2.3.4设计评审阶段29-11



第3章可靠性数据及其统计分布

3.1可靠性数据采集29-12

3.1.1可靠性设计与评估数据要求29-12

3.1.2可靠性数据来源及采集29-12

3.2可靠性数据统计的内容及方法29-12

3.2.1可靠性数据统计内容29-12

3.2.2可靠性数据统计流程29-13

3.3载荷分布与强度分布29-13

3.3.1正态分布29-13

3.3.2极值分布29-14

3.3.3次序统计量及其分布29-15

3.4载荷作用次数分布及故障次数分布29-15

3.4.1二项分布29-15

3.4.2泊松(Poisson)分布29-15

3.5寿命分布29-16

3.5.1指数分布29-16

3.5.2威布尔(Weibull)分布29-16

3.5.3对数正态分布29-17



第4章故障模式、影响及危害度分析

4.1基本概念与方法步骤29-19

4.1.1基本概念29-19

4.1.2FMECA的层次与分析过程29-19

4.1.3FMECA的实施步骤29-20

4.2危害度分析29-21

4.2.1风险优先数29-21

4.2.2危害度矩阵图29-22

4.2.3综合评分法29-22

4.3FMECA应用示例29-23



第5章故障树分析

5.1基本概念与基本符号29-33

5.1.1故障树基本概念29-33

5.1.2故障树基本符号29-34

5.1.3割集与路集29-35

5.2故障树建树与分析方法29-35

5.2.1建立故障树的方法与步骤29-35

5.2.2故障树定性分析29-36

5.2.3故障树定量分析29-37

5.3故障树分析实例29-39



第6章机械系统可靠性设计

6.1系统可靠性设计内容29-46

6.2系统可靠性模型29-46

6.2.1串联系统可靠性模型29-46

6.2.1.1传统模型29-46

6.2.1.2精确模型29-47

6.2.2并联系统可靠性模型29-47

6.2.2.1传统模型29-47

6.2.2.2精确模型29-48

6.2.3串-并联系统可靠性模型29-48

6.2.4并-串联系统可靠性模型29-48

6.2.5表决系统可靠性模型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综合评分分配法29-51

6.3.5动态规划分配法29-52

6.3.5.1串联系统29-52

6.3.5.2并联系统29-53

6.4可靠性预测实例29-53



第7章机构可靠性设计

7.1机构可靠性模型及评价指标29-56

7.1.1机构可靠性建模方法29-56

7.1.2机构工作过程分解29-56

7.1.3机构功能可靠性29-57

7.2曲柄滑块机构运动可靠性29-57

7.2.1机构运动误差29-57

7.2.2理想状态下机构运动关系29-58

7.2.3机构可靠性模型29-58

7.2.3.1考虑尺寸误差的计算模型29-58

7.2.3.2考虑运动副间隙误差的计算模型29-60



第8章零件静强度可靠性设计

8.1基本原理29-62

8.1.1安全系数与可靠性参数29-62

8.1.2可靠性设计计算基本原理29-62

8.2应力分布和强度分布影响因素29-64

8.2.1载荷29-64

8.2.2材料性能29-64

8.2.3制造工艺29-64

8.2.4几何形状及尺寸29-64

8.3随机变量函数均值和标准差计算方法29-64

8.3.1计算分布参数的矩方法29-64

8.3.2常用随机变量函数均值与标准差公式29-65

8.4零件可靠度计算的应力-强度干涉模型29-65

8.4.1应力-强度干涉模型29-65

8.4.2载荷多次作用下的可靠性模型29-66

8.5静强度可靠性设计29-67

8.5.1零件静强度可靠性设计的主要内容与步骤29-67

8.5.2静强度可靠性设计举例29-68

8.6断裂可靠性设计29-68

8.6.1断裂力学的基本概念29-68

8.6.2断裂可靠性设计29-69

8.7可靠性设计计算的蒙特卡罗法29-70

8.7.1蒙特卡罗法求解可靠度的原理29-70

8.7.2随机数的产生29-70

8.7.3随机变量抽样方法29-70

8.7.4应用举例发动机轮盘可靠性仿真29-70

8.8典型机械零件可靠性设计举例29-71

8.8.1螺纹连接可靠性设计29-71

8.8.2过盈连接的可靠性设计29-74



第9章零部件疲劳及磨损可靠性设计

9.1零部件疲劳强度可靠性设计29-76

9.1.1疲劳强度可靠性设计基本原理29-76

9.1.2平均应力效应29-76

9.1.3疲劳强度可靠性设计计算29-76

9.2疲劳强度可靠性递推算法29-77

9.3随机恒幅循环载荷疲劳可靠度的统计平均算法29-78

9.4磨损可靠性29-78

9.4.1磨损的基本概念29-78

9.4.2给定寿命下的磨损可靠度计算29-79

9.4.3给定磨损可靠度时的可靠寿命计算29-80



第10章可靠性评价

10.1零件可靠性评价29-81

10.1.1复杂载荷工况可靠性评价29-81

10.1.2强度退化规律29-81

10.1.3存在强度退化时的可靠性模型29-82

10.1.4离散化的可靠性模型29-82

10.2系统可靠性评价29-84

10.2.1系统可靠性评价方法29-84

10.2.2行星齿轮系可靠度计算29-84



第11章可靠性试验与数据处理

11.1可靠性试验29-86

11.1.1可靠性试验类型29-86

11.1.2可靠性试验数据类型29-86

11.2可靠性数据分布类型检验29-87

11.2.12检验法29-87

11.2.2K-S检验法29-88

11.2.3回归分析检验法29-89

11.3参数估计29-91

11.3.1矩估计29-91

11.3.2极大似然估计29-91

11.4指数分布假设检验与参数估计29-91

11.4.1拟合性检验29-91

11.4.2参数估计29-92

11.5正态分布统计检验与参数估计29-93

11.5.1拟合性检验29-93

11.5.2正态分布参数估计29-94

11.6非参数估计方法29-95

11.6.1基于完全寿命数据的可靠性估计29-95

11.6.2基于截尾寿命数据的可靠性估计29-97



附录

附录Ⅰ可靠性标准29-99

Ⅰ-1中国国家可靠性标准29-99

Ⅰ-2中国电子行业可靠性标准29-101

Ⅰ-3中国机械行业可靠性标准29-101

附录Ⅱ概率分布表29-102

Ⅱ-1标准正态分布表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函数表29-111



参考文献29-113