机械设计（第2版普通高等教育十三五规划教材）

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第1篇 机械设计总论
　　第1章 绪论
　　1.1 机器与机械零件的基本概念
　　机械是人类进行物质生产的重要工具，是实现现代化生产的基础，也是衡量社会生产力的重要标志。关于机械的定义，古今中外有不少具有一定影响力的版本，广泛接受的一种表述是:机械是机器和机构的总称。而我们日常生活中经常谈到的机器一般是指用来执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料或信息。用来进行物料传递和变换的机器一般又称作器械、装置或设备，像过滤装置、分离设备、蒸汽锅炉、热交换器、搅拌装置等均属于这类。用来进行信息传递和变换的机器通常称为仪器，像各种测量仪器、电视机、电脑、录像机、控制和监视仪器等均属于此类。
　　一台完整的机器一般由三部分构成，即动力机、传动装置和工作机。其中动力机是机器的驱动部分，是动力的提供者，它将各种不同形式的能量(如电能、液能、气能、热能、化学能等)通过某种过程转变为机械能，然后提供给机器。常见的动力机有电动机、蒸汽机、汽轮机、内燃机等。传动装置是一种在一定空间中传递能量并同时实现某些其他作用的装置。它的作用主要包括能量的分配、转速的改变、运动形式的改变等。工作机是直接实现规定功能、完成生产任务的部分，它的主要结构形式完全取决于机器本身的用途。
　　机械零件是指组成机器的不可拆的基本单元，比如螺栓、螺钉、键、带、齿轮、轴、弹簧、销等。所谓部件是指由若干个零件构成的一个特定的功能单元，比如滚动轴承、滑动轴承、联轴器、离合器等。
　　机械零件分为通用零件和专用零件，所谓通用零件是指在各种机器中广泛使用的零件；所谓专用零件是指只在某一类特定的机器中使用的零件。
　　所谓机械系统是指由许多机器、装置、监控仪器等组成的大型工业系统，或由零件、部件等组成的机器。
　　设计是为了实现某种工程目的而进行的创造性过程，机械设计课程是培养机械工程类专业学生初步掌握设计机械零件和一般机器能力的一门专业基础课程。
　　1.2 机械设计的要求和设计程序
　　机械设计的内容十分广泛，包括应用新的原理或新的概念，开发创造新的机器，改进现有机器或再设计。机械设计是生产机械产品的第一道工序，设计质量的髙低，将直接关系到机械产品的技术水平和经济效益。机械设计对于国民经济的发展具有很重要的意义。工业产品的核心是设计，一般认为，设计阶段成功与否决定了机械产品性能高低的设计一个机器时首先应满足功能要求。在此基础上还要考虑满足使用方便、安全可靠、环保、经济合理、外形美观、体积小、质量轻、能耗小、效率高等多种要求。
　　满足功能要求，就是所设计的机器能在规定的工作条件下、规定的工作寿命内执行预定的各项功能。这主要靠科学合理地设计机器的工作原理、正确地设计机械零部件来加以保证，确保机器中的零件具有足够的强度、刚度、耐磨性和振动稳定性等。
　　满足经济性要求，就是在满足功能要求的前提下，从机器费用、产品制造成本、产品的维修等多种因素中综合衡量，选择最佳设计方案，以获得最大的经济效益。
　　在设计机器的过程中还要考虑安全问题，避免发生设备和人身事故，例如，外露运转的零部件应该加装安全罩，设置保险装置消除误操作或过载引起的危险，对操作按钮的设计和布置应考虑易于辨认和操作等。
　　机器的外观造型目前也越来越受到人们的重视，设计时应考虑造型的比例协调大方、有时代感、美感、安全感。色彩要与产品的功能具有关联性。例如，消防、起重、救护机械要用鲜艳醒目色，从而产生紧迫感、预警感。食品机械以浅色为主色调，给人以卫生、安静感。军用器械要用保护色，给人安全感。
　　噪声也是机械设计过程必须加以考虑的问题，限制噪声分贝数值已经成为衡量机器性能的重要指标之一。降低噪声，首先要分析产生噪声的原因，然后从设计、工艺、材料等因素着手，采取措施进行噪声的降低。
　　此外，对于一些特殊的机器还有其他一些具体的要求。如运动式机器有质量轻、体积小的要求；食品机械、纺织机械有防止污染的要求；大型机械要考虑如何运输、拆卸和安装等。
　　然而，上述各项要求在实际设计中有时会出现矛盾的现象，在设计时要考虑抓住主要要求、兼顾其他一些要求进行设计。例如，煤矿机械、起重机械、冶金机械以安全为主，加工设备(如机床、铣床等)以性能为主，一般不重要的机械以成本为主等。
　　1.机械设计的方法
　　机械设计的方法大体上有三种不同的类型：
　　1)内插式设计
　　这种设计是在现有的两种或两种以上的方案中进行综合，这是最为常用的一种设计方法。在进行这种方法设计时一般巳经有一些现成的经验，产品可以借鉴和类比，其实就是对原有的设计原理进行归纳、综合，只要精心设计、认真进行一些改进，加上少量的实验研究，就有把握完成设计，取得成功。
　　2)外推式设计
　　在进行设计时，有一些设计经验可以借鉴，但这些经验只是局部性的，存在一定的未知部分，依靠经验无法完成整个设计，需要进行外推研究，即通过理论探讨、实验研究进行外推部分的开发研究。
　　3)开发性设计
　　有些设计完全没有任何可以借鉴的成功经验，需要应用新原理、新技术进行开发性设计研究。这时要运用基础理论知识进行有关的功能设计和结构设计。
　　2.机械设计的过程
　　机械设计的过程应按照一定的程序进行，否则不仅影响最终设计出来的产品的质量，而且设计效率不高.严格地说，机械设计没有固定不变的程序，但一般来说，对于一个新产品的机械设计过程大致可以分为如下几个主要阶段：
　　1)调査研究、制定开发计划书
　　由用户提出要求，用户和设计人员通过讨论、调查分析，共同制订开发计划书。内容包括产品的国内外现状、用途、功能、基本结构形式、主要设计参数、动力源形式、技术经济指标、成本和利润要求、计划进度等。
　　2)初步设计阶段
　　这一阶段要确定主要的结构形式，进行机构、零部件的初步设计，对于一些无成功经验可以借鉴的部分，要通过进行模型试验研究和技术分析，验证原理的可行性、可靠性，发现存在的问题，并探索解决的方法。这一阶段最终要通过分析、计算，绘制出必要的结构草图。
　　3)绘制装配图和零部件图
　　在上一阶段工作的基础上，根据对零件的功能要求、加工工艺要求，将零件的形状、尺寸、机械安装尺寸、配合公差等全部确定下来，并绘制出整机的装配图，在此基础上绘制出所有的零件图，编制技术文件和设计说明书，并不断审核和修改，最终定稿。
　　4)样机试制和技术经济评价
　　对设计图纸进行全面的审核和改进之后，开始进行样机加工制作，装配完成后进行样机试验，对出现的问题进行分析、改进，然后进行全面的技术和经济性评价，和开发计划书进行比对，研究进一步提高综合性能的方法和措施。
　　5)产品定型、投放市场
　　在样机达到要求的基础上，进行产品的定型设计，开始小批量生产，投放市场，接受用户反馈信息，进行进一步完善，之后方可进行批量生产、定型产品，需要说明的是，上述设计过程的各个阶段互相关联，当其中一个阶段发现问题时，必须进行返回修改。整个设计过程是一个不断修改、返工、不断完善的优化过程。另外，在有些设计中，并非经过上述设计过程的所有步骤，有时可以根据具体情况跳过某一个步骤，这要根据实际情况进行操作。
　　1.3 机械零件的设计要求和设计过程
　　机器是由机械零件构成的，机械零件的设计是开发机械产品的基础和关键，设计出来的零件首先要满足功能要求，同时工作要可靠、成本低。设计时耍根据可能发生的失效形式，确定零件在强度、刚度、振动稳定性、耐磨性、温度等各方面必须满足的条件，根据这些条件建立零件工作能力判断的准则，这些准则又是对机械零件尺寸进行计算和确定的依据，机械零件设计的一般过程为：
　　1)确定零件的载荷
　　根据零件的工作情况，进行计算方案的简化，建立计算数学模型，根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷(称作名义载荷）6考虑到实际载荷随时间作用的不均匀性、载荷在零件上分布的不均勻性及其他影响零件受力情况等因素的综合影响，引人载荷系数K(或称作工作情况系数)对名义载荷进行修正。可以得到计算载荷(名义载荷与载荷系数的乘积），计算载荷是对机械零件进行计算的依据。
　　2)选择零件的材料
　　根据零件的工作要求和工作条件，考虑材料的力学性质、物理性质、经济因素及供应情况等选择零件的材料。
　　3)确定零件的尺寸
　　根据零件的工作能力准则，计算确定零件的主要尺寸，考虑加工要求、装配要求、拆卸要求、标准化要求等，对尺寸进行确定和圆整。
　　4)零件图绘制
　　根据确定的主要尺寸，并结合结构和工艺上的要求，绘制零件的工作图，标注必要的技术要求。零件工作图是制造零件的依据，应严格检查，尽量避免差错。
　　1.4 零件的计算方法和标准化原理
　　机械零件设计的计算方法一般有两种，设计计算和校核计算a设计计算是根据零件所受到的载荷，运用相应的计算准则，计算出零件危险截面的最小尺寸，然后根据结构与工艺要求，使结构尺寸进一步具体化。所谓校核计算是参照巳有实物、图纸和经验数据，预先初步拟定零件的结构布局和尺寸，然后根据有关计算准则核验危险截面是否处于安全状态。在进行校核计算时，由于零件的尺寸、结构、甚至加工状态都巳经确定，可以在计算过程中加以考虑，计算的结果较为精确。这种充分考虑各种有关因素的校核计算也常常称为精确的校核计算。以往人们在进行校核计算时，只能对一些形状和受力方式都比较简单的零件进行精确计算，但随着计算机技术的发展，有限元分析技术的出现，对复杂零部件的精确计算巳经变得容易实现。
　　这里需要说明的是，目前在机械设计中，不论是设计计算还是校核计算，在计算过程中需要对某些复杂的现象作出适当的简化，例如，以集中力代替实际上的分布载荷、以点支承代替实际上的面支承、以恒定的摩擦系数代替变化的摩擦系数等。这样一些假设的引人就使得所进行的机械零件的计算带有了条件性。所以，实际的机械零件的计算一般是一种条件性计算，即一种合理的简化计算。这种条件性计算虽然在精确性上受到限制，但如果计算过程在合理的假设范围内进行，计算结果仍然具有较髙的可信性，完全可以满足工程实际的要求。
　　这里还要特别强调的是，本教材介绍的机械零件设计方法，是以传统的疲劳强度计算方法为依据的，即在不产生裂纹的前提下进行的设计，是一种“安全一寿命”的设计思想。但由于在实际使用中有时无法避免裂纹的存在，近年来又发展了一种新的设计理论——断裂力学理论，产生了一种新的设计方法“破损一安全”的设计概念，该设计方法是允许零件在工作中产生裂纹，但对裂纹疲劳扩展的过程进行研究，掌握其发展规律，确保在规定的寿命范围内不发生断裂失效。
　　机械零件的设计不能完全依赖于理论计算，对于复杂的零件，有时需要通过模型试验或实物试验进行确定。要成为一名合格的设计者，应该将理论与实践经验进行有效的结合。本教材中所介绍的许多计算公式、设计理论是进行零件设计的基础，不仅应该弄清楚它们的由来和应用，而且应该通过这些公式和理论，掌握各参数之间的相互关系，了解改变这些参数对零件性能的影响过程。但在实际设计中，设计者除了计算以外，还耍结合结构、制造、安装、测试、调试、维修等多方面的因素综合进行尺寸的最终确定，设计出来的零件尺寸往往大于理论计算的尺寸。此外，有时也会出现难以用计算方法确定的情况，这时就需要依据设计和生产经验来进行零件尺寸的确定，实际经验对一个成功的设计者来说十分重要，只有不断地积累设计经验才能不断提高设计水平。
　　任何一个机械零件的设计过程，往往都是一个不断改进和完善的过程，是一个优化的过程。从20世纪80年代以来，出现了以计算机技术为基础的机械优化设计，通过建立设计的目标函数，确定约束条件，通过对特定的算法进行计算机编程求解，可以获得约束条件下的最优值，大大加快了设计的优化过程。