機械設(shè)計概論課件

機械設(shè)計基礎(chǔ)概論

我們從今天開始要學(xué)習(xí)一門新的課程，課程的名稱叫“機械設(shè)計基礎(chǔ)”。首先，我們需要先對這門課程加以簡要介紹，主要闡述三個問題，即：通過本課程的學(xué)習(xí)我們將學(xué)到什么？為什么要學(xué)習(xí)這門課程？如何才能學(xué)好這門課程？也就是“學(xué)什么？”、“為什么學(xué)？”、“如何學(xué)？”這三個問題，使同學(xué)們對本課程有一個大概的了解?，F(xiàn)在我們先講述第一個問題，即“學(xué)什么？”，也就是第一節(jié)。

第一節(jié)機械設(shè)計基礎(chǔ)研究的對象和內(nèi)容

1．1本課程的研究對象我們這門課程稱作“機械設(shè)計基礎(chǔ)”，顧名思義本課程研究的對象是“機械”，而研究的內(nèi)容則是有關(guān)機械的一些基本理論和設(shè)計方法問題。從總體上來看，內(nèi)容上包含有機械原理和機械設(shè)計兩個部分，對這兩個部分進行整合就成為我們的這一門課程《機械設(shè)計基礎(chǔ)》。然而什么是“機械”呢？本課程研究的有關(guān)機械的基本理論又包括哪些具體內(nèi)容呢？在這里我們首先要熟悉本課程的幾個基本名詞和概念。a.機械：機械是機器與機構(gòu)的總稱；為了了解機械那么首先就需要了解什么是機器和機構(gòu)

b.機器：機器是具有確定運動的構(gòu)件的組合體，它用來轉(zhuǎn)換能量，改變或傳遞物料和處理信息，以代替和減輕人的體力和腦力勞動。

那么就需要了解什么是機器和機構(gòu)。c.機構(gòu)：機構(gòu)是實現(xiàn)傳遞機械運動和動力或改變機械運動形式的構(gòu)件組合體。例如我們在工程上或生活中常見的齒輪機構(gòu)、連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、螺旋機構(gòu)、帶傳動和鏈傳動機構(gòu)等等。在長期的生產(chǎn)實踐中，人們?yōu)榱烁纳苿趧訌姸?，提高勞動生產(chǎn)率，創(chuàng)造和發(fā)展了各種機械機器的種類很多，根據(jù)其用途不同，可以分為：動力機器（如電動機、內(nèi)燃機、發(fā)電機等）、加工機器（如機床、紡織機、包裝機等）、運輸機器（如汽車、拖拉機、輸送機等）和信息處理機器（如計算機、機械積分儀、記帳機等）。一部機器都是由若干個機構(gòu)組合而成，共同聯(lián)合工作而實現(xiàn)預(yù)定的工作要求的，如圖1-1所示的牛頭刨床。牛頭刨床的工作過程是：電動機通電后開始工作，帶動齒輪機構(gòu)、導(dǎo)桿機構(gòu)、刀具運動以及工作臺運動，最終實現(xiàn)工件的刨削工作。圖1-1

又如圖所示1－2所示的內(nèi)燃機，它由氣缸體（機架）、曲軸、連桿、活塞、進氣閥、排氣閥、推桿、凸輪及齒輪等所組成。當燃氣推動活塞作往復(fù)運動時，通過連桿使曲軸作連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而將燃氣的熱能轉(zhuǎn)換成曲軸的機械能。為了保證曲軸的連續(xù)轉(zhuǎn)動，通過齒輪、凸輪、推桿和彈簧等的作用，按一定的運動規(guī)律啟閉閥門，以輸入燃氣和排除廢氣。

圖1－2內(nèi)燃機通過對該機構(gòu)分析，我們可以發(fā)現(xiàn)它主要有三種機構(gòu)組成：1）由機架、曲軸、連桿和活塞組成的曲柄滑塊機構(gòu)，它將活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為曲軸的連續(xù)運動；2）由機架、凸輪和推桿構(gòu)成的凸輪機構(gòu)，它將凸輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的往復(fù)運動；3）由機架、齒輪構(gòu)成的齒輪機構(gòu)，其作用是改變轉(zhuǎn)速的大小和方向。從大的方面看，機器由三個部分所組成，即原動部分、傳動部分和執(zhí)行部分。伴隨著科技的發(fā)展，一個重要的趨勢就是各個學(xué)科領(lǐng)域之間的相互滲透和融合。如今在機械工程領(lǐng)域，自動控制、電子技術(shù)和計算機技術(shù)等地應(yīng)用日益廣泛和深入，因此從某種意義上來說：現(xiàn)代的機械系統(tǒng)應(yīng)該是機電一體化的系統(tǒng)。一個現(xiàn)代化的機械系統(tǒng)包括四個方面，即：原動機、傳動裝置、執(zhí)行機構(gòu)和控制系統(tǒng)。原動機的功能是用來接受外部能源，通過轉(zhuǎn)換而自由運行（轉(zhuǎn)），為機械系統(tǒng)提供動力輸入（多數(shù)情況下是旋轉(zhuǎn)運動），例如電動機將電能轉(zhuǎn)換為機械能、發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能、內(nèi)燃機將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機械能等等。傳動部分由原動機驅(qū)動，用于將運動機的運動形式、運動及動力參數(shù)（如速度、轉(zhuǎn)矩等）進行變換，改變?yōu)閳?zhí)行部分所需的運轉(zhuǎn)形式，從而使執(zhí)行部分實現(xiàn)預(yù)期的生產(chǎn)職能。雖然機器的種類很多，在我們的生活中普遍存在、發(fā)揮著各不相同的作用，這些機器的具體構(gòu)造也各不相同，但從機械的組成分析，又有共同點，它們都是由一些典型的零件和機構(gòu)所組成。所有這些機器都具有三個共同的基本特征：1．機器都是由一系列構(gòu)件（也稱運動單元體）組成；2．組成機器的各構(gòu)件之間都具有確定的相對運動；3．機器均能轉(zhuǎn)換機械能或完成有用的機械功；機器的種類繁多，其構(gòu)造、性能和用途各不相同,但從機器的組成分析，它們都是由一些典型的機構(gòu)和零件所組成.機構(gòu)是實現(xiàn)傳遞機械運動和動力或改變機械運動形式的構(gòu)件組合體。例如我們在工程上或生活中常見的齒輪機構(gòu)、連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、螺旋機構(gòu)、帶傳動和鏈傳動機構(gòu)等等。機構(gòu)雖然有許多種類，用途各有不同，但它們都有與機器前兩個特征相同的特征。由上述分析可知，機構(gòu)是機器的重要組成部分，用以實現(xiàn)機器的動作要求。一部機器可能只包含有一個機構(gòu)，也可由若干個機構(gòu)所組成。

機器與機構(gòu)的根本區(qū)別在于，機構(gòu)的主要職能是傳遞運動和動力，而機器的主要職能除傳遞運動和動力外，還能轉(zhuǎn)換機械能或完成有用的機械功。組成機械的相對運動的單元體稱為構(gòu)件，可以是一個零件，也可以是由幾個零件組成的剛性結(jié)構(gòu)。構(gòu)件與零件的根本區(qū)別在于：構(gòu)件是運動的單元體，而零件是制造的單元體。這些自由分散的零件，一旦按照一定的方式和規(guī)則組合到一部機器中，它們就成為機器上不可或缺的一部分，發(fā)揮著各自的作用。特別是一些關(guān)鍵零部件，決定著整個機器的性能。在各種機械中普遍使用的零件稱為通用零件，如螺釘、軸、軸承、齒輪等。只在某種機器中使用的零件稱為專用零件，如活塞、曲軸、葉片等?！?.2本課程的研究內(nèi)容本課程主要闡述機械設(shè)計的一般原則和程序主要內(nèi)容和應(yīng)滿足的基本要求，機械零件的一般設(shè)計準則和工作能力，常用工程材料等；機械的組成、常用的機械傳動以及通用的聯(lián)接零件，軸系零件的工作原理、特點和基本設(shè)計方法或選用原則。雖然我們的學(xué)習(xí)是分散進行，而且只能選擇極少數(shù)典型例子來學(xué)習(xí)，但不能把它們看作是分散孤立的，要牢記它們都是為機器整體的要求服務(wù)的，要能夠透過典型看到一般，透過分散想到整體的要求，牢固樹立工程的觀點?！?.3本課程的研究任務(wù)機械設(shè)計基礎(chǔ)是一門機械類及近機械類專業(yè)（例如我們的機電技術(shù)教育專業(yè)）進入專業(yè)課學(xué)習(xí)前必修的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，研究各類機械共同特性的基礎(chǔ)知識，目的是培養(yǎng)學(xué)生具有一定設(shè)計能力的技術(shù)基礎(chǔ)課程。它主要是在我們學(xué)習(xí)過高等數(shù)學(xué)、普通物理、理論力學(xué)等理論基礎(chǔ)課之后，將理論和實際機械相結(jié)合來探討機械內(nèi)部基本規(guī)律的基礎(chǔ)性理論課程。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和生產(chǎn)過程的機械化、自動化水平的提高，任何一個行業(yè)領(lǐng)域都在廣泛的使用機械。對于工程技術(shù)人員來說，必將遇到機械設(shè)備的使用、維護、管理等問題，需要創(chuàng)造出大量結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)良的新型機械設(shè)備充實和裝備各行業(yè)；需要更新改造現(xiàn)有機械設(shè)備，以期合理地使用，發(fā)揮其潛力。這就要求我們必須了解和具備一定的機械方面的知識。本課程所學(xué)內(nèi)容是研究現(xiàn)有機械運動、工作性能和設(shè)計、發(fā)明新機械的知識基礎(chǔ)。它對機械類及近機械類各專業(yè)的專業(yè)課學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計乃至將來參加實際工作都有直接的和長遠的意義，起著非常重要的作用。通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)達到的基本要求是：1）掌握機構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理、運動特性和機械動力學(xué)的知識，初步具備確定機械運動方案、分析和設(shè)計基本機構(gòu)的能力；2）掌握通用機械零件的工作原理、特點、選用和設(shè)計計算的基本知識，具備設(shè)計一般簡單機械的能力；3）具備運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊等有關(guān)技術(shù)資料的能力。本課程涉及的知識面較廣同時又偏重于應(yīng)用，所以需要我們能夠綜合應(yīng)用許多先修課程的知識，學(xué)習(xí)時重視理論聯(lián)系實際，重視基本技能的訓(xùn)練，注意分析問題和解決問題的方法。一方面要著重搞清基本概念，理解基本原理，掌握機構(gòu)分析和設(shè)計的基本方法；另一方面也要要注意這些原理和方法在機械工程上實際應(yīng)用的范圍和條件。

具體而言就是：1）強化搞清基本概念：本課程的特點之一就是名詞概念多，我們要牢記這些基本概念不僅僅是簡單的名詞定義，它對課程的學(xué)習(xí)、認識、理解有著非常重要的作用，有時就是直接利用基本概念來分析、解決問題，以及進行機構(gòu)的分析和設(shè)計。因此，對所涉及到的基本概念不能死記硬背，要結(jié)合圖形進行理解記憶，必須重點搞清其含義和指導(dǎo)意義。

2）深化理解基本原理：對課程中涉及到的機構(gòu)結(jié)構(gòu)理論、機構(gòu)分析的運動學(xué)和動力學(xué)理論、齒輪嚙合、加工及其傳動理論、機械速度波動及調(diào)節(jié)原理、機械平衡理論等，要充分理解搞懂，要能夠正確應(yīng)用這些理論。并要善于用理論及其公式證明問題和解決問題，使之更有說服力。3）牢牢掌握基本研究方法：課程中各種基本設(shè)計方法，以及機構(gòu)組合、變異、演化方法等是本門課程使用的基本研究方法，應(yīng)牢牢掌握并善于用其解決工程實際問題。

4）逐步樹立工程觀點：機械設(shè)計基礎(chǔ)是一門理論性和實踐性都比較強的技術(shù)基礎(chǔ)課，研究對象和內(nèi)容就是工程實際上常用的機械及其相關(guān)知識，學(xué)習(xí)過程中應(yīng)把基本原理和方法與研究的實際機構(gòu)和機器密切聯(lián)系起來。善于用所學(xué)的知識觀察和分析所遇到的各種機構(gòu)和機器。在附加一定條件下，可將一些比較復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化為比較簡單的問題，注意各種理論和方法的應(yīng)用條件和范圍，正確而靈活的運用。同時要注意，在實際工作中，有些需要嚴格的理論分析，有些則采用實驗、試湊、近似等簡化方法，解決工程實際問題可以有幾種方法，其所得結(jié)果也往往不唯一，有時也不要求十分精確。因此，樹立工程觀點，培養(yǎng)綜合分析、判斷、決策能力，和嚴肅認真的科學(xué)態(tài)度是十分重要的，對所有這些方法都要給予足夠的重視?！?.4機械設(shè)計發(fā)展簡介機械設(shè)計的歷史可以追溯到人類開始制造和使用工具的初期；在經(jīng)歷了直覺設(shè)計、經(jīng)驗設(shè)計、半經(jīng)驗半理論設(shè)計的漫長演變歷程后，到20世紀70年代隨著計算機科學(xué)與技術(shù)地迅猛發(fā)展，利用計算機來完成技術(shù)設(shè)計的有關(guān)分析、計算和繪圖作業(yè)的計算機輔助設(shè)計（CAD）逐漸得到開發(fā)應(yīng)用。而本課程的學(xué)習(xí)正是開發(fā)和應(yīng)用計算機CAD軟件所必須得重要知識之一。此外，有限元分析和機械優(yōu)化設(shè)計則是機械CAD的兩大支撐技術(shù)。在機械CAD發(fā)展的同時，人們不滿足僅僅利用計算機來代替人工分析、計算和繪圖，而試圖在機械設(shè)計的全過程中發(fā)揮計算機的效能，于是出現(xiàn)了協(xié)助技術(shù)人員進行工藝設(shè)計的CAPP，以及將人工智能應(yīng)用于方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計以及工藝設(shè)計的專家系統(tǒng)，以實現(xiàn)自動化、智能化；

進而又提出將設(shè)計、制造及生產(chǎn)管理等應(yīng)用計算機加以集成化的計算機制造系統(tǒng)（CIMS），現(xiàn)已獲得初步成效。另一方面，工程設(shè)計方法學(xué)的研究也得到重視和長足的進展，如系統(tǒng)化設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、人機工程以及可靠性設(shè)計等；近年來隨著對知識經(jīng)濟的認識和對創(chuàng)造性的高度重視，機械創(chuàng)新設(shè)計已經(jīng)稱為一個重要研究方向。所以，在學(xué)習(xí)本課程的同時，應(yīng)密切關(guān)注有關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展動向和最新成果，才可能適應(yīng)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展和激烈的國際市場競爭。第二節(jié)機械設(shè)計基本要求和一般程序§2.1機械設(shè)計的重要性從某種意義上說，機械設(shè)計水平的高低可以說是衡量一個國家技術(shù)發(fā)展水平的尺度。90年代末，美國就提出了“為競爭的優(yōu)勢而設(shè)計”（DesigningforCompetitiveAdvantage)的口號。也有人說“21世紀將是設(shè)計的世紀”。面向國際市場的競爭必須依靠產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)，而人們手中最重要的武器就是“設(shè)計”。

20世紀后期所形成的全球經(jīng)濟一體化格局，預(yù)示著21世紀在世界范圍內(nèi)的經(jīng)濟和技術(shù)競爭將會更加激烈。對于包括機械制造在內(nèi)的制造業(yè)來說，這種競爭就具體體現(xiàn)在產(chǎn)品上，即要求：產(chǎn)品上市快（T）、質(zhì)量高（Q）、成本低（C）、服務(wù)好（Ｓ），從而才能占領(lǐng)市場。而這些要求在很大程度上就取決于產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和效率。對于機械設(shè)計來說，就是適應(yīng)市場的需求，以最短的設(shè)計周期，拿出功能強、經(jīng)濟性好、便于使用于維護的產(chǎn)品。機械設(shè)計在機器制造業(yè)起著十分重要的作用，往往機械產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟性能和競爭力就在于設(shè)計質(zhì)量的好壞。據(jù)統(tǒng)計分析，雖然機械產(chǎn)品成本中的約80％是制造費用，設(shè)計成本只占5％左右，而就是這5％的設(shè)計活動決定著70～80％的產(chǎn)品成本。而機械制造業(yè)是一個國家自立于世界的標志，是國家財政收入的主要創(chuàng)造者，其產(chǎn)值占到國民產(chǎn)值得80%左右。所以，作為機電專業(yè)的學(xué)生必須努力學(xué)習(xí)，掌握機械設(shè)計的基本原理、方法和技能，只有這樣才能成為國家的有用之才，才能肩負起我國工業(yè)振興的重任?！?.2機械設(shè)計一般過程機械設(shè)計過程一般包括四個階段，即：1）明確任務(wù)階段；2）方案設(shè)計階段；3）技術(shù)設(shè)計階段；4）施工設(shè)計階段。1）明確任務(wù)階段在實際工作中，我們知道有各種各樣的、用途各不相同的機器。但是，所有這些機器的設(shè)計過程都有一個共同的特點，即都是從提出設(shè)計任務(wù)開始的。而設(shè)計任務(wù)的提出主要是依據(jù)工作和生產(chǎn)的需要。設(shè)計任務(wù)一般是以任務(wù)書的形式下達的，其中明確規(guī)定有：機器的用途、主要性能參數(shù)范圍、工作環(huán)境條件、特殊要求、生產(chǎn)批量、預(yù)期成本、完成期限、承制單位等內(nèi)容。一般是由主管單位、用戶提出。任務(wù)書的要求決定了設(shè)計工作的內(nèi)容、質(zhì)量和水平。例如，批量和用途直接決定加工手段、成本等內(nèi)容，同時也必須考慮承制單位的加工能力。2）方案設(shè)計階段設(shè)計部門和設(shè)計人員首先要認真研究任務(wù)書，在全面明確上述要求后，在調(diào)查研究、分析資料的基礎(chǔ)上，擬訂設(shè)計計劃，按照下述的步驟進行設(shè)計：（1）機器工作原理選擇;（2）機器的運動設(shè)計;（3）機器的動力設(shè)計（1）機器工作原理選擇工作原理是實現(xiàn)預(yù)期職能的基本依據(jù)。我們聽說過“條條道路通羅馬”的話，實現(xiàn)同樣的預(yù)期職能，可以采用不同的工作原理、方法和途徑。所以，在研制新機器時，應(yīng)結(jié)合具體情況提出多種不同的工作原理，通過全面分析比較，從中選擇最滿意的一種。例如采煤，可以使用風(fēng)鎬，也可以使用高壓水柱沖擊煤層開采，也可以采用割煤機進行開采等。（2）機器的運動設(shè)計就是根據(jù)上一步確定的機器工作原理，確定機器執(zhí)行部分的運動規(guī)律。例如牛頭刨床，要求工作行程要慢、而返回行程要快。這一步主要依據(jù)我們前面所述的機械原理知識來完成。這里，必須同時考慮選擇適當?shù)脑瓌訖C，妥善考慮和設(shè)計機械的傳動部分實現(xiàn)方法，并考慮運動參數(shù)調(diào)整的必要性于可能性。

（3）機器的動力設(shè)計根據(jù)機器的工作原理和運動設(shè)計結(jié)果，按照機器的總體性能要求，根據(jù)其運動特性、工作阻力、速度、傳動效率等，計算機器所需的驅(qū)動功率，進行運動機的選擇。同時也要考慮調(diào)節(jié)于控制的必要性于可能性，也可以利用機械原理和電工學(xué)知識來完成。3）技術(shù)設(shè)計階段主要是依據(jù)原動機的特性和運轉(zhuǎn)特性或根據(jù)零部件的工作載荷進行設(shè)計，一般采用前一種方法，選擇設(shè)計出各零部件。在工作原理確定之后的工作，就是將前面選定的設(shè)計方案通過必要的分析計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計，用圖面（裝配圖、零件圖等）及技術(shù)文件的形式來加以具體表示。包括：運動設(shè)計、動力分析、整體布局、零件結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、精度和其它參數(shù)的確定以及必要的強度和剛度計算等。反映在實際工作的成果——圖紙上，大體可以分為四個步驟：（一）總體設(shè)計階段：根據(jù)工作原理繪制機器的機構(gòu)運動簡圖，這是圖紙設(shè)計的第一階段。在這個階段，要考慮各個機構(gòu)主要零件的大體位置。同時，為了擬訂機器的總體布置，需要分析比較各種可能的傳動方案。（二）結(jié)構(gòu)設(shè)計階段：考慮和決定各部分的相對位置和聯(lián)接方法，零件的具體形狀、尺寸、安裝等一系列問題，把機構(gòu)運動簡圖變成具體的裝配圖（或結(jié)構(gòu)圖），這是圖紙設(shè)計的第二個階段。（三）零件設(shè)計階段：裝配圖只確定了機器的總體尺寸、各個零部件的相對位置及配合關(guān)系，而沒有反映出各個零件的全部尺寸、結(jié)構(gòu)等。零件設(shè)計階段就是把機器的所有零件（標準件除外）拆分出來，繪制成零件圖，為加工提供依據(jù)。（四）技術(shù)文件制定：完成圖紙滯后，必須完成一系列的技術(shù)文件，應(yīng)包括各種明細表、系統(tǒng)圖、設(shè)計說明書和使用說明書等。4）施工設(shè)計階段（工藝設(shè)計）本階段是將設(shè)計與制造聯(lián)接起來的重要環(huán)節(jié)，即規(guī)劃零件的制造工藝流程，確定工藝參數(shù)、檢測手段、夾具、模具設(shè)計等工作。這些屬于機制工藝學(xué)課程的內(nèi)容。由于在很大程度上取決于經(jīng)驗、依賴于實踐經(jīng)驗，所以計算機輔助工藝設(shè)計（CAPP）未能像機械CAD一樣獲得突破性進展和廣泛應(yīng)用。一個完整的設(shè)計過程不但包含以上四個階段，還包括制造、裝配、試車、生產(chǎn)等所有環(huán)節(jié)，對圖紙和技術(shù)文件進行完善和修改，直到定型投入正式生產(chǎn)的全過程。實際工作中，上述的幾個階段是交叉反復(fù)進行的。隨著計算機輔助設(shè)計、計算機仿真技術(shù)、三維圖形技術(shù)以及虛擬裝配制造技術(shù)的迅速發(fā)展，機械設(shè)計方法有了極大的變革，借助這些技術(shù)我們可以極大地降低設(shè)計和試制成本，提高產(chǎn)品的競爭力?！?.3機械設(shè)計的基本要求一）機器應(yīng)該滿足的基本要求1．使用性要求（實現(xiàn)預(yù)定的功能，滿足運動和動力性能的要求）（功能性要求）機器必須能夠保證在預(yù)定壽命期間內(nèi)，按照規(guī)定的技術(shù)條件順利而有效地實現(xiàn)全部預(yù)期職能的要求，不能失效。它是設(shè)計的最基本的出發(fā)點。這是依靠正確選擇機器的工作原理、機構(gòu)類型、機械傳動系統(tǒng)方案，以及正確設(shè)計零部件的機構(gòu)組合來保證。2．經(jīng)濟性要求這是一個綜合性指標，表現(xiàn)在設(shè)計制造和使用兩個方面。提高設(shè)計制造的經(jīng)濟性的途徑有三條：1）使產(chǎn)品系列化、標準化、通用化；2）運用現(xiàn)代化設(shè)計制造方法；3）科學(xué)管理。提高使用經(jīng)濟性的途徑有四條：1）提高機械化、自動化水平；2）提高機械效率；3）延長使用壽命；4）防止無意義的損耗。3．安全性要求有三個含義：1）設(shè)備本身不因過載、失電以及其它偶然因素而損壞；2）切實保障操作者的人身安全（勞動保護性）；3）不會對環(huán)境造成破壞。勞動保護性有三個方面：1）提高操作安全性，在外露的旋轉(zhuǎn)部件應(yīng)添加安全罩，某些需要的地方需設(shè)立安全報警裝置，例如煤氣、鍋爐等；2）降低體力及腦力損耗，從操作力、過程的復(fù)雜程度、操縱數(shù)目等方面進行考慮；例如在具有集中潤滑的大型設(shè)備中，采用如圖所示的聯(lián)鎖裝置，以降低操作者的精神負擔(dān)。3）改善操作環(huán)境，增加操作的舒適性，例如乘座的振動、機器外觀的色彩搭配等等。4．工藝性要求這包含兩個方面1）裝配工藝性2）零件加工工藝性。在不影響工作性能的前提下，應(yīng)使機構(gòu)盡可能地簡化，力求用簡單的機構(gòu)裝置取代復(fù)雜的裝置去完成同樣的職能，便于拆裝，盡量使用標準件。零件的結(jié)構(gòu)合理，很好的處理設(shè)計與制造的矛盾，滿足加工制造的需要。5．可靠性要求隨著機械系統(tǒng)日益復(fù)雜化、大型化、自動化及集成化，要求機械系統(tǒng)在預(yù)定的環(huán)境條件下和壽命期限內(nèi)，具有保持正常工作狀態(tài)的性能，這就稱為可靠性。6．其它特殊要求針對某一具體的機器，都有一些特殊的要求。例如：飛機結(jié)構(gòu)重量要輕、食品等機械、紡織機械等不得對產(chǎn)品造成污染等。二）機械零件設(shè)計的基本準則及一般步驟1、設(shè)計機械零件的基本要求機械零件的設(shè)計，必須依據(jù)其在機器中的作用及工作情況，滿足強度、剛度、壽命、工藝性、可靠性以及某些特殊的要求的一部分或全部內(nèi)容。具體有以下幾個方面：1）在預(yù)定壽命期限內(nèi)不失效——設(shè)計準則

機械零件應(yīng)某種原因不能正常工作的現(xiàn)象稱為失效。機械零件的主要失效形式有斷裂、表面破壞（腐蝕、磨損和接觸疲勞等）、過量殘余變形和正常工作條件的破壞。維避免這些失效，設(shè)計中需要考慮以下幾個問題。a.強度要求

零件在工作時，在額定的工作條件下，既不發(fā)生任何形式的破壞，也不產(chǎn)生超過容許限度的殘余變形，能保證機器的正常運轉(zhuǎn)和工作，我們就認為該零件滿足了強度要求。強度不足是零件在工作中斷裂或過量殘余變形的直接原因。

零件的強度分為體積強度和表面接觸強度。零件在載荷作用下，如果產(chǎn)生的應(yīng)力在較大的體積內(nèi)，則這種應(yīng)力狀態(tài)下的零件強度稱為體積強度（簡稱強度，即平常我們所說的強度）。若兩個零件在受載前后由點接觸或線接觸變?yōu)樾”砻娣e接觸，且其表面產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力（稱為接觸應(yīng)力），這時零件的強度稱為表面接觸強度（簡稱接觸強度）。在設(shè)計中，除了部分受力較小或形狀復(fù)雜無法計算的零件靠經(jīng)驗、實驗確定外，大多數(shù)重要零件都是利用強度條件式來校核的（材料力學(xué)中的相關(guān)強度理論）。若零件的強度不夠，就會出現(xiàn)整體斷裂，表面接觸疲勞或塑性變形等失效而喪失工作能力，所以設(shè)計零件時必須滿足強度要求。其設(shè)計準則是：

<[]=其中: ——稱作計算應(yīng)力；[]——稱作許用抗拉應(yīng)力P——拉力載荷；F——面積尺寸；——極限應(yīng)力；S——安全系數(shù)其含義是：零件中的應(yīng)力應(yīng)當小于或等于其許用應(yīng)力[]才能滿足強度要求。該公式由于是用來校核零件的初定剖面F是否滿足強度要求的，所以稱為校核公式。要注意的是：如果零件剖面上承受的載荷是剪載荷，分別可以用剪應(yīng)力和許用剪應(yīng)力[]等代入上面的式中進行計算。可以看出：強度準則就是把對零件起損傷作用的一方（例如載荷和應(yīng)力）與零件對損傷起抵抗作用的一方進行比較來判斷零件強度的。通過上面的強度條件式，可以發(fā)現(xiàn)，提高零件強度的措施有：1）增大零件危險剖面的尺寸、合理設(shè)計剖面形狀，以增大剖面面積的慣性矩；2）采用高強度材料，對材料進行提高強度及降低內(nèi)應(yīng)力的熱處理，控制加工工藝以減小或消除微觀缺陷等；3）力求降低零件上的載荷，例如減小軸的支承跨距以降低作用在其上的彎矩，采用減振結(jié)構(gòu)以降低沖擊載荷等；4）妥善設(shè)計零件結(jié)構(gòu)以降低應(yīng)力集中程度等。b.剛度要求在機器工作時，有時機器并沒有破壞，但是由于零件的變形而導(dǎo)致機器的失效或不能正常的工作或完成預(yù)定的工作任務(wù)。這就是剛度失效。對于這類情況，我們不但要求進行強度的計算，同時要進行剛度的計算。零件的剛度要求是指工作時，零件所產(chǎn)生的彈性變形不超過規(guī)定的限度。剛度的計算是利用剛度條件式來判定的。針對彈性變形的二種情況（彎曲和扭轉(zhuǎn)），剛度條件式分別為：或；有時也可以直接利用剛度要求來進行設(shè)計，一般來說滿足剛度要求的零件都滿足強度要求。剛度分為兩類：體積剛度和表面接觸剛度。上面所述的剛度都屬于體積剛度。兩個比較粗糙的接觸表面，在大的壓力作用下，接觸表面的微觀凸峰將會被壓平，就會引起兩零件的相對位置發(fā)生超過容許限度的變化，就產(chǎn)生不能滿足接觸剛度的情況。在設(shè)計時也應(yīng)該給予充分的注意。

提高零件整體剛度的原則措施有：1）適當增加零件的剖面尺寸；2）合理設(shè)計零件的剖面形狀；3）合理添置加強筋，采用多支點結(jié)構(gòu)；4）提高零件接觸表面的加工精度或經(jīng)適度跑合，以降低表面粗糙度；5）適當增大接觸面積，以降低單位壓力等。c.壽命要求壽命要求就是要求零件在預(yù)定工作期間保持正常工作而不致報廢。主要是針對那些在變應(yīng)力下工作和工作時受到磨損或腐蝕的零件提出的。

提高零件壽命的措施主要有：1）妥善設(shè)計零件結(jié)構(gòu)以降低應(yīng)力集中程度；2）采用精加工或表面強化處理以提高零件工作表面的質(zhì)量；3）合理選擇摩擦副配對材料、潤滑劑與潤滑方法以提高零件抗磨損能力；4）選用耐腐蝕材料制造在腐蝕介質(zhì)中工作的零件；5）利用熱處理提高零件材料的機械性能或利用滾壓、噴丸等工藝使零件表面產(chǎn)生有利的殘余預(yù)應(yīng)力等等。d.振動性和噪聲要求隨著機械向高速發(fā)展和人們對環(huán)境舒適性要求的提高，對機械振動和噪聲的要求也越來越高。當機械或零件的固有振動頻率等于或接近受激振源作用所引起的強迫振動頻率時，將產(chǎn)生共振。這不但影響機器的正常工作，甚至?xí)斐善茐男允鹿?。因此，對于高速機械應(yīng)該進行振動分析和計算，采取降低振動和噪聲的措施。具體來說，并不是每一類型的零件都需要進行所有上述的計算，而是從實際載荷的工作條件出發(fā)，分析其主要的失效形式，再確定其計算準則，必要時再按其它要求進行校核。例如，機床主軸，首先根據(jù)剛度確定尺寸，再校核其強度、振動穩(wěn)定性。2)工藝性要求所謂機械零件的結(jié)構(gòu)工藝性，是指在一定生產(chǎn)條件下，能夠方便經(jīng)濟地制造和裝配，即零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)使之易于加工。工藝性要求也是零件設(shè)計的重要內(nèi)容之一，必須要從生產(chǎn)批量、材料、毛坯制作、加工方法、裝配過程等方面進行全面的考慮。由于制造費用一般要占產(chǎn)品成本的80％以上，所以工藝性的好壞直接影響著零件的經(jīng)濟性。有人說：一個好的設(shè)計人員應(yīng)該首先是一個工藝師。3）經(jīng)濟性要求零件的經(jīng)濟性要求就是要用最低的成本和最少的工時制造出滿足技術(shù)要求的零件。我們在進行設(shè)計時，必須時刻牢記，要從降低材料消耗、盡可能利用廉價材料代替昂貴的材料、盡可能多使用標準件等等方面入手，努力提高經(jīng)濟性指標。4）可靠性零件可靠性的概念與機械系統(tǒng)可靠性相似，并且用零件的可靠度來衡量。零件可靠度定義為：在預(yù)定的環(huán)境條件下和使用時間（壽命）內(nèi)，零件能夠正常工作而不會失效的概率（可能性）。5）標準化機械設(shè)計中的標準化是指對零件的特征參數(shù)及其結(jié)構(gòu)尺寸、檢驗方法和制圖的規(guī)范化要求。機械零件設(shè)計的標準分為國家標準（GB）、部頒標準（如JB、YB等）和企業(yè)標準等三級，這些標準（特別是國家和有關(guān)部頒標準）是在機械設(shè)計中必須嚴格遵守的。此外，進出口產(chǎn)品一般還應(yīng)符合國際標準化組織制定的國際標準（ISO）。習(xí)慣上，又把零件的標準化、通用化和系列化稱作“三化”。這是縮短產(chǎn)品設(shè)計周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量合生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的重要途徑。6）其它要求設(shè)計機械零件時，在滿足上述的前提下還應(yīng)力圖減小質(zhì)量，減小材料消耗和慣性載荷，對于行走機械可以增大其有效的工作能力，從而提高經(jīng)濟效益。此外，對于一些專門用途或在特殊環(huán)境下工作的機械零件，還需要考慮諸如耐高溫或低溫、耐腐蝕、表面裝飾和造型應(yīng)美觀等要求。2、機械零件設(shè)計的一般步驟1）根據(jù)零件的使用要求（如功率、轉(zhuǎn)速等），選擇零件的類型及結(jié)構(gòu)型式，并擬定計算簡圖。2）分析作用在零件上的載荷（拉、壓力，剪切力）。3）根據(jù)零件的工作條件，按照相應(yīng)的設(shè)計準則，確定許用應(yīng)力。4）分析零件的主要失效形式，按照相應(yīng)的設(shè)計準則，確定零件的基本尺寸。5）按照結(jié)構(gòu)工藝性、標準化的要求，設(shè)計零件的結(jié)構(gòu)及其尺寸。6）繪制零件的工作圖，擬定必要的技術(shù)條件，編寫計算說明書。在實際工作中，有時采用與上述設(shè)計步驟相反的校核計算：即先參照已有的實物或圖樣，根據(jù)經(jīng)驗采用類比法來初步確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸；再根據(jù)載荷應(yīng)力分析來確定有關(guān)設(shè)計準則，并驗算零件中的工作應(yīng)力（或計算應(yīng)力）是否小于或等于許用應(yīng)力，或者驗算其安全系數(shù)是否大于或等于許用安全系數(shù)。第三節(jié)許用應(yīng)力和安全系數(shù)

載荷是指構(gòu)件或零件工作時所承受的外力。根據(jù)載荷性質(zhì)不同，可以分為靜載荷和變載荷兩類。不隨時間變化的或變化很小的載荷稱為靜載荷，在靜載荷作用下產(chǎn)生的不隨時間變化或變化很小的應(yīng)力稱為靜應(yīng)力（如圖1－4所示）。如鍋爐中的壓力、擰緊螺栓引起的應(yīng)力等。大小和方向隨時間而變化的載荷稱為變載荷。在變載荷作用下產(chǎn)生的隨時間變化的應(yīng)力稱為變應(yīng)力（例如齒輪傳動中輪齒的應(yīng)力）。典型的有：非對稱循環(huán)變應(yīng)力、對稱循環(huán)變應(yīng)力和脈動循環(huán)變應(yīng)力三類。圖1－5如圖1－5所示，穩(wěn)定變應(yīng)力的最大應(yīng)力為最小應(yīng)力為其平均應(yīng)力和應(yīng)力幅分別為：圖1－5最小應(yīng)力與最大應(yīng)力之比稱為循環(huán)特征r，即：由上述可知，變應(yīng)力參數(shù)共有五個，即：、、r、、。已知其中兩個參數(shù)便可以求出其余參數(shù)。而循環(huán)特征參數(shù)r可以用來表示變應(yīng)力的變化情況。圖1－6圖1－5圖1－7機械零件中的變應(yīng)力多數(shù)情況下可以按照對稱循環(huán)（r=—1）或脈動循環(huán)（r＝0）來處理。例如：轉(zhuǎn)軸中的彎曲應(yīng)力可以看作對稱循環(huán)（r=—1），單向轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸中的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力r＝0；而一般情況下是—1<r<1。由于靜應(yīng)力的分析和設(shè)計比較簡單一點，而變應(yīng)力的處理則相對麻煩，所以一般在機械設(shè)計中只要能夠滿足工程的應(yīng)用，常常將那些應(yīng)力（或載荷）變化幅度不大和變化次數(shù)較少的情況也近似地按靜應(yīng)力來處理，以簡化計算。3.2零件的極限應(yīng)力1、靜應(yīng)力下的極限應(yīng)力在靜應(yīng)力作用下工作的機械零件，其取決于零件的失效形式。對于脆性材料制成的零件應(yīng)防止發(fā)生斷裂，通常取材料的強度極限作為極限應(yīng)力；當采用塑性材料制成零件時，應(yīng)防止產(chǎn)生過大的塑性變形，通常取材料的屈服極限作為極限應(yīng)力，即＝。2、變應(yīng)力下的極限應(yīng)力在變應(yīng)力下長期工作的零件，其取決于材料的疲勞斷裂，而疲勞斷裂是一種損傷積累，它會在遠低于強度極限的應(yīng)力下，突然斷裂而無明顯得塑性變形，這時的應(yīng)力稱為疲勞極限應(yīng)力（和稱為持久極限）。如圖1-8所示，表示應(yīng)力和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N之間關(guān)系的疲勞曲線。從圖中可以看出，應(yīng)力越小，零件材料經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)也就越多。對于一般的鐵碳合金來說，當循環(huán)次數(shù)N超過某一N0值以后，曲線趨于水平。此時，疲勞極限不再隨N地增加而降低，N0稱作循環(huán)基數(shù)，對應(yīng)于N0的應(yīng)力稱為材料的持久極限在對稱循環(huán)（r=—1）應(yīng)力作用下，取其作為極限應(yīng)力；在脈動循環(huán)（r＝0）應(yīng)力作用下，取其持久極限作為極限應(yīng)力。NN0σ－1Nσ－1圖1－83、許用應(yīng)力和安全系數(shù)設(shè)計安全系數(shù)S是為了考慮一系列不定因素而取定的一個大于1的常數(shù)。在設(shè)計規(guī)范中都給出了S的范圍。同時，需要注意，不同的行業(yè)會有不同的要求，必須將行業(yè)的要求與通用的方法結(jié)合起來進行選擇。選擇安全系數(shù)時，應(yīng)該根據(jù)材料、工作條件、應(yīng)力計算等方面進行綜合考慮。如果沒有規(guī)范可以參考，一般情況下可?。篠=1.25～4。也可以按照下表來選?。旱谒墓?jié)機械制造常用材料及選擇原則機械零件所用的材料是多種多樣的，有鋼、鑄鐵、有色合金和非金屬材料等。但是金屬材料，尤其是黑色金屬材料，應(yīng)用的最為廣泛?！?.1常用材料簡介1）鋼a）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：這類鋼按供應(yīng)條件分主要有甲、乙兩類，機械制造中則使用甲類。供應(yīng)時只按機械性能，使用時不作熱處理，主要用于制造一般機械零件和工程結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。b）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：具有較好的機械性能，可以使用熱處理在較大范圍內(nèi)提高機械性能，應(yīng)用最為廣泛。常用于制造要求較高的螺栓、扳手、齒輪、凸輪等。c）合金結(jié)構(gòu)鋼：由于碳素結(jié)構(gòu)鋼在某些特殊的地