第1篇　总　论

第1章　机械设计概论

1.1　复习笔记

一、课程性质和任务

1．机器、机械、器械和仪器

（1）机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料或信息。

（2）机械是机器和机构的总称。

（3）用来进行物料传递和变换的机器，通常称为器械、装置或设备，如过滤装置等。

（4）用来进行信息传递和变换的机器，通常称为仪器，如测量仪等。

2．机械零件和部件

（1）机械零件（简称零件）是指组成机器的不可拆的基本单元，如螺钉、键、带等。

（2）部件是指为完成同一使命在结构上组合在一起（可拆或不可拆）并协同工作的零件，如联轴器、轴承、减速器等。

3．通用零件和专用零件

（1）通用零件是指各种机器中普遍使用的零件。

（2）专用零件是指只在一定类型的机器中使用的零件，如汽轮机中的叶片，纺织机中的织梭、纺锭等。。

4．标准件和易损件

（1）标准件是指经过优选、简化、统一，并给以标准代号的零件和部件。

（2）易损件是指在正常运转过程中容易损坏，并在规定期限内必须更换的零件或部件。

5．机械系统

任何机械系统都是由“输入量——技术系统——输出量”所构成，输入量可以是能量、物料或信息，技术系统的职能是联接输入量和输出量并完成功能的转变。复杂的机械系统可以按不同的目标分解为若干主系统、分系统、子系统。

二、设计机器的基本原则和设计程序

1．设计机器时应满足的要求

在能胜任对机器提出的功能要求（或工作职能）的前提下，同时满足使用方便、安全可靠、经济合理、外形美观等各项要求，并希望能做到体积小、重量轻、能耗少、效率高。

（1）在使用方面，机器应能在给定的工作期限内具有高的工作可靠性，并能始终正常工作。

（2）在经济方面，应从机器费用、产品制造成本等多种因素中综合衡量，以能获得最大经济效益的方案为最佳设计方案。

（3）机器外观造型应比例协调、大方，给人以时代感、美感、安全感。色彩要和产品功能相应。

（4）限制噪声分贝数已成为评定机器质量的指标之一。为了降低噪声，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，采取各种降低噪声的措施。

2．设计方法

（1）内插式设计

在两个现有设计方案中作内插式设计是一般机器常用的设计方法。类比设计、相似设计都属于内插式设计范畴。

（2）外推式设计

和内插式设计不同，外推部分处于未知领域，外推式设计必须慎重对待，对外推领域要做好技术开发研究、理论探讨和科学实验工作。

（3）开发性设计

应用新原理、新技术设计新型技术装备的工作称为开发性设计。功能设计和结构设计是开发性设计的核心。

图1-1  新产品开发设计程序

3．设计程序

新产品从提出任务到投放市场的全部程序要经过四个阶段（如图1-1所示）：调查决策阶段、研究设计阶段、试制阶段、投产销售阶段。

（1）调查决策阶段

①调查项目：工作原理及其应用成果；有关技术情报和专利；用户意见和要求；市场供销和竞争等。

②拟订新产品开发计划书，内容包括：调查结果分析；设计方案构思和建议；新技术、新工艺、新结构的采用；投资、成本、价格和利润；日程安排等。在设计开始阶段，构思方案应多样化，以便从中选取最佳的设计方案。

（2）研究设计阶段

研究设计阶段应在决策后开始，一般分两步进行。

①功能设计研究，称为前期开发，主要任务是解决技术中的关键问题。

②新产品的技术设计，称为后期开发，应绘出总装配图、部件装配图、零件工作图、各种系统图以及详细的计算说明书。计算内容包括动力计算、运动计算、功率确定、强度计算以及刚度计算等。

以上各部分内容常需互相配合、交叉进行。

（3）试制阶段

样机试验完成以后，应进行全面技术经济评价，以决定设计方案是否可用或需要修改。即使是可用的方案，亦需作适当修改，使设计达到最佳化。

（4）方案修改阶段

需要修改的方案，应检查数学、物理模型是否符合实际，必要时，改进模型后重新进行试验，甚至重新设计。

（5）销售服务阶段

开展销售服务工作，如传授正确使用方法、规定免费保修期限、定期跟踪检查、健全索赔制度等，这对于进一步完善产品设计，提高产品可靠度，萌生新的设计构思，开发新产品都有积极意义。

4．技术经济评价

（1）技术评价

技术评价用技术价值x表示

∑P为评定总分数；∑P_max为满分总分数。∑P=∑P_max时，x=1表示技术价值最高。一般认为x值在0.8以上是很好的方案，在0.6以下不合要求。

（2）经济评价

经济评价用经济价值y表示

若H=H₁，则y=1，表示经济价值最高。理想制造费用建议取为允许制造费用[H]的70％。因允许制造费用通常应低于销售费用，故若H=[H]，即y=0.7时仍然有利可图。

（3）技术经济对比图

技术经济对比图如图1-2所示，图中任何一点代表一种设计方案的技术价值和经济价值。S点是理想的设计方案，线上各点是技术价值与经济价值相等的设计方案。靠近线且愈近S的点，其设计方案愈近理想。

图1-2  技术经济对比图

（4）提高技术经济价值的措施

①进一步改善和简化设计，减少零件数目，提高标准化、通用化程度；

②采用廉价材料；

③改善毛坯、零件加工、装配等工艺性，合理选择精度、公差和配合以及其他技术条件；

④改善生产、经营管理制度。

在以上四方面中，改善设计最为重要。

三、机械零件设计概述

1．设计机械零件时应满足的要求

（1）工作可靠

需要根据可能发生的失效，确定零件在强度、刚度、振动稳定性、耐磨性、温升等方面必须满足的条件。

（2）成本低廉

从设计和制造两方面着手。设计时应正确选择材料，合理规定公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性。

2．设计步骤

（1）确定载荷

根据机器的具体运转情况和简化的计算方案，确定零件的载荷。

①名义载荷

名义载荷是指根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷，如力F、功率P、转矩T。其是机器在平稳工作条件下作用在零件上的载荷。

②计算载荷

计算载荷是指载荷系数K与名义载荷的乘积，如F_e=KF，P_e=KP，T_e=KT。机械零件常按计算载荷进行计算。

（2）选择零件材料

根据材料的力学性能、物理性质、经济因素及供应情况等选择零件的材料。

（3）确定零件主要尺寸

根据零件工作能力准则，确定零件的主要尺寸，并加以标准化或圆整。

（4）绘制零件工作图

根据确定的主要尺寸并结合结构上和工艺上的要求，绘制零件工作图。

（5）审查零件工作图

零件工作图是制造零件的依据，故应对其进行严格的检查，以提高工艺性，避免差错，造成浪费。

3．设计计算和校核计算

（1）设计计算

先根据零件的工作情况和选定的工作能力准则拟定出安全条件（如许用应力、许用变形等），用计算方法求出零件危险截面的尺寸，然后根据结构与工艺要求和尺寸协调的原则，使结构进一步具体化。

（2）校核计算

先参照已有实物、图纸和经验数据初步拟定零件的结构布局和有关尺寸，然后根据工作能力准则核验危险截面是否安全。

（3）条件性计算

实质上是合理的简化计算。当计算所涉及的问题过于复杂、内在规律不能完全掌握时，根据充分的试验数据作些合理的假设和简化时常是必要的。条件性计算虽然不够精确，但计算结果也具有一定的可靠性。

（4）优化设计

先建立能反映设计变量与工作性能关系的数学模型，然后在给定的约束条件下，每改变一组设计变量即可构成一种设计方案，经过若干次计算机运算，可从中选择最佳的设计方案。

4．标准化、系列化、通用化

标准化、系列化、通用化通称“三化”。采用“三化”的重要意义是：

（1）减轻设计工作量，以便把主要精力用在关键零部件的设计工作上；

（2）便于安排专门工厂采用先进技术大规模地集中生产标准零部件，有利于合理使用原材料、保证产品质量和降低制造成本；

（3）减少技术过失的重复出现；

（4）增大互换性，便于维修工作；

（5）有利于增加产品品种，扩大生产批量，达到产品的优质、高产和低消耗等。

四、结构设计与设计检查

1．结构设计中的问题

（1）注意功能的合理配置和布局。

（2）尽量采用比较短的传动链和比较简单的结构。

（3）科学地划分部件。

（4）零件间力的平衡，力流的合理传递与闭锁。

（5）系统或零件本身的等强度设计。

（6）变形协调原理的应用及其计算。

（7）斜面或楔在增压或自锁机构中的应用及其计算。

（8）预加载荷或预应力的原理、应用及其计算。

（9）卸载的原理和应用。

（10）自平衡、自保护、自张紧、自密封等自助原则的应用。

（11）稳定性原则的应用。

（12）考虑与强度因素有关的结构改善措施。

（13）考虑与热因素有关的结构设计。

（14）考虑与摩擦磨损因素有关的结构设计。

（15）考虑与腐蚀因素有关的结构设计。

2．设计检查中的问题

（1）设计方案是否最简单和最容易实现。

（2）和同类产品相比，新产品在构思上有何新意和独到之处。

（3）产品功能是否能满足用户的需要，有无多余功能或不足，能否再简化或合并，如作适当修改是否有扩大功能的潜力。

（4）运动链可否再短一些，有无多余的运动。

（5）可否再作一些变更，省略或合并一些零件。某些零件可否改用标准件或借用通用件来替代。在零件数目中标准件占多大比例。

（6）零件毛坯的选择是否与生产批量相适应。

（7）材料品种是否过多，可否再作归并。有无特殊要求的材料，如何解决。

（8）总体尺寸是否紧凑，重量是否有所降低。

（9）零件加工表面能否进一步减少、合并或省略。

（10）零件加工是否易于装卡，是否需用专门的工装、卡具、刀具、量具等。

（11）有无要求特种加工的零件，如何解决。

（12）规定的零件公差、配合精度、粗糙度等是否要求过严，能否适当放宽仍能满足使用要求。

（13）哪些零件需要严格控制加工质量，如何保证加工精度。

（14）装配时是否需要专用的组装工具。

（15）装配、维修、更换易损件是否方便。

（16）润滑系统的安排是否妥善和便于管理。

（17）发生操作错误时有无联锁、保险装置；不正常运动时有无预警或安全保护措施；发生事故时有无紧急制动装置。

（18）操纵机器是否方便、省力、舒适、合乎人体生理要求。测量、监视、控制仪表装置等是否布置在操作者的视野之内。

（19）产品造型是否美观、大方、有时代感。

（20）对产品设计作何总评价，属于豪华型还是普及型。

五、设计人员的素质

1．要有高度的责任心；

2．要有法律观念和道德观念；

3．要有不断创新和改革的意愿与气质；

4．要有善于学习和不断进取的精神。

六、机械设计的新发展

1．基础理论得到进一步深化和扩展

研究问题由宏观方面转向微观方面，如摩擦学研究摩擦表面间的物理和化学性质，进一步探索薄层摩擦副的机理和计算问题。

2．由静态设计向以多种零件的综合或整机系统为对象的动态设计方向扩展

3．出现新的设计方法

如优化设计、可靠性设计、系统设计、设计方法学、价值工程、造型设计等。

4．某些设计方法如优化设计、有限元等得以应用

在机械设计中，还应用计算机进行程序设计、自动设计、计算机绘图、人—机对话、建立程序库和数据库等先进设计手段。这些内容统称为计算机辅助设计（CAD）。

5.CAD技术正向规模大、知识广、层次深、智能化等方面发展

除了具有一般的数值计算、绘图等功能外，还具有逻辑推理、分析综合、方案构思、决策等功能，其中还包括专家的知识和丰富经验。

6．传统的机械产品正面临新的转折

机电一体化是当今世界掌握高技术国家的发展方向，实质上是机械与电子、强电与弱电、软件与硬件、控制与信息等多种技术的有机结合，其产品具有技术先进，结构简单，工作精度高，易于实现自动化或半自动化操作，调整维修方便，产品更新换代快等特点。

7．科学技术的开发应用需要实验验证及足够的设计数据

机械设计的实验研究技术，在微观、动态的精密测量，在自动控制和监测、数据采集和处理等方面都已取得很大的进步。由于实验和理论的相互促进，对问题的认识进一步得到深化，从而促使设计水平进一步提高。