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1、 参考书目1）机械分析与机械设计 （美） A.H.伯尔2）材料与设计 杨杰章 编译3）机械概率设计 （美） E.B.豪根4）德国技术准则设计技术之四5）工程设计学 （徳） 帕尔 毛谦徳译第一章 序言11设计理论的概念在自然科学和技术科学之间可以划出一条明显的界线。自然科学研究领域主要是寻求揭示自然规律和相应的研究分 析方法，从而在不同的自然科学领域形成了与该领域相对应 的理论和方法（如：数学、化学、物理、天文学、力学 ）。技术科学是应用科学，在已揭示的自然科学规律和相应 理论基础上，解决人类自身生存和发展所面对的各种要求和 需求的一门科学。它也有相应的理论和方法作为支撑,有固有的内在规律需要揭
2、示。技术科学的发展受到自然科学 发展的推动和影响(当然也受到社会科学的影响)。 技术科学的核心往往是设计。而此处所讲的设计是广义的，不仅涉及商品的设计,而且包括实验分析仪器,装置（民 用，军事）,大型工程项目,征服自然和宇宙的工具、手段和 方法，所以设计是一门科学，同样有其内在的规律和所需遵 循的原则。我们将设计科学中相关的内容(知识)上升到理论 高度,使其更清晰和条理化，所以引出设计理论和设计原理的 概念。研究设计的内在规律和相应的方法就构成设计理论。 设计理论和其他学科的理论一样要服务于设计实践,并在设计 实践中得到完善和提高。1-2 机械设计理论 一 定义机械设计理论是研究机械设计的内涵
3、及其内在规律的一门学科(它将人们对机械设计的感性认识上升到理性 认识)。机械设计将涉及四方面的知识:1)经典科学(例:数学、物理学等)；2)技术科学（机械学、材料学、制造学）；3)实用工程理论（工程力学，材料力学）；4)社会学和美学；（机械设计理论涉及范围广，我们可以从不同的角度去归纳和总结）二 机械设计理论的分类 1）从工程角度可分为：工程分析理论确定变量的种类和数量、材料性能、物理参数和数学常数。建立工程各主要过程的静、动状态数学 模型。如：运动过程（静止、启动、加速、制动）、振动规 律、能量传递过程、物料流程工程设计理论在设计人员的直接参与下，确定工程系统的主要设计参数的种类，在初步预测
4、初始条件，边界条件 和载荷条件的情况下，预测系统性能，优化设计参数，即根 据一般的性能预测系统的特殊性能（如：强度分析和动态分 析）2）从设计角度可分为：参数优化理论结构形状优化理论（有限元法、能量法）最优设计方法（三次设计法、系统分析法、动态设计法、创新设计法）科学设计过程（研究设计的规律和所遵循的思维过程）评价和决策理论（主要用于方案设计和成果鉴定）3）从强度设计角度可分为：等强度设计理论（临界强度设计理论）疲劳强度设计理论（包括机械疲劳和热疲劳）4)从失效分析角度可分为：a)力和温度引起的弹性变形失效（弹性变形量达到干扰机器实现其功能的情况。）b)屈服失效（塑性变形达到干扰机器完满实现功
5、能的情况。）c)曲面变形失效（两接触曲面间静态力产生局部屈服，使表面一定范围内产生不连续的现象。如轴承 滚道点蚀；汽车吊工作时液压支撑。）d)塑性断裂失效（塑性变形达到断裂程度）e)脆性断裂失效（弹性变形达到原子键破裂程度）f)疲劳失效。包括：高周疲劳 ；低周疲劳 ；热疲劳交变温度场引起的失效表面疲劳滚动接触表面因开裂、点蚀、脱落引起失效。冲击疲劳反复冲击载荷引起的疲劳裂纹的产生和扩展腐蚀疲劳腐蚀和疲劳交互作用微振疲劳高频微振动引起所交变载荷和交变应作用引起裂纹产生和发展g)腐蚀失效，包括：直接化学腐蚀电化学腐蚀晶间腐蚀选取腐蚀固态合金中某一元素被过滤掉引起腐蚀空泡腐蚀气蚀氢腐蚀氢气泡、氢脆、
6、氢侵袭生物腐蚀应力腐蚀h)磨损失效接触表面质点逐渐被磨掉，尺寸变化而发生失效。可分为：粘附磨损局部高压使粗糙接触点产生冷焊现象。随运动而引起的塑性变形，粗糙接触点破 裂，导致局部金属磨掉（脱落）磨粒磨损表面疲劳磨损变形磨损冲击磨损微振磨损（港务局端环经向表面与曲轨间的磨损）i)冲击失效动载或冲击载荷引起应力和变形，使构件功能失效。可分为：冲击断裂冲击变形冲击磨损冲击疲劳j)蠕变失效（曲轨伸长、螺栓防松）k)高温蠕变断裂l)应力松弛m)热冲击n)胶合失效o)辐射损伤部件受辐射而改变了材料的性能，使其功能失效 5)从设计寿命角度a)无限设计寿命理论（雷达）b)有限设计寿命理论（飞机）c)等寿命设计
7、理论（日本汽车）d)临界设计寿命设计理论（安全保护作用）6)从安全性、可靠性角度a)安全系数法b)可靠性设计理论7)人机关系协调理论13 机械设计理论研究状况和发展趋势目前机械设计处于半经验半理论设计阶段，不完全成熟，还需要进一步研究设计的内在规律和特征。设计的发展趋势是：设计由静态走向动态；由单参数走向多参数；由安全走向可靠； 方案设计由单解走向多解， 最终设计将走向自动化和智能化，所以设计理论将趋于完善 。总之，设计理论的发展受到相关学科理论的发展影响；受到设计手段和设计方法的影响。所以机械设计理论是多学 科理论的综合体在设计领域内的应用。第二章 设计准则及设计原理21设计准则一 机械设计
8、目标设计目标建立能满足功能要求、经济合理和具有规定可靠性指标的技术系统。(满足上述设计目标，需要做哪些工作呢？)1)必须提出一种初步设计概念(功能原理设计，如潜望镜)以适应预期的功能要求，并满足经济要求和使用要求。2)必须定量估算构件上所受载荷的种类、大小和相对变动范围（ 、 、 、 ）（从宏观上看）3)对机械进行系统分析（传动、动力、执行、工作头、控制、辅助系统）和载荷定量估算（重力、径向力、轴向力、扭、弯、剪、冲、惯性力）4)根据机械性能、物理性能、设计性能要求，以及经济性、可靠性等方面限制和约束条件，选择各零部件的 材料和热处理方法。5)必须使用统计的方法描述载荷特性和材料的主要强度特性
9、。6)必须定量估算各零部件的强度、刚度、失效特征及可靠性指标。7)必须描述系统的总体强度、破坏特征及可靠性指标。8)在上述估算和描述的基础上，对零部件从使用要求和经济性两方面进行优化设计。（参数优化，几何形状优化）1 从科学分析和创造性设计角度，设计人员应遵循以下设计准则：1)创造性地利用所需要的物理性能，同时控制不需要的物理性能在规定的范围内。二 设计准则（从以下三方面研究设计准则）(为设计一台符合使用要求的、满足特定功能的机器，应综合考虑许多自然规律及构成机器的各零部件的材料性能 。如：挠性、重力、强度、刚度、惯性力、浮力、离心力、 斜面原理、杠杆原理、摩擦、粘度、热膨胀等，以及电学、 光
10、学、化学现象。机械物理性能一般都具有两重性：一种性能在某一场合是可利用的有益的，而在另一场合下则可能是有害的。如： 摩擦在摩擦离合器上需要增大摩擦力，而该离合器的支撑轴 承上则需要摩擦力越小越好；(热膨胀)轴与轴承内环采用热 装，冷却时可以得到预紧力，而轴承的内、外环和滚动体间 不应温差变化而抱死。设计时应创造性地利用和控制所需的 物理性能，而同时将不需要的物理性能减小到最低限度。)2)判别功能载荷及其意义对任何一个零部件都应分析它的功能载荷是什么？附加载荷是什么？(如：斜齿轮)要充分考虑它们的影响。例如：安装有高速涡轮的轴上要承受扭拒和交变工作载荷或疲劳载荷，但由于环境、设计及选材问题，可能
11、有其它 附加载荷。如：冲击载荷、活动载荷、不共面载荷产生的惯 性力矩和静不定载荷。设计中应确定在一个工作循环中，多 种载荷的最不利的组合，从而设计和选择关键零件，如轴和 轴承。 3)充分估计和预测意外载荷(例：螺栓安装时的偏心载荷；不同心的两轴用刚性联轴器连接时产生的附加力；振动载荷；两相配合零件热膨胀 不协调产生的约束力以及安装和运输当中产生的附加力)4)创造性地利用载荷条件，即利用或消除不利载荷影响。(例：曲轴平衡问题，盘式摩擦制动器的摩擦片为偶数；同一轴上相邻斜齿轮，螺旋角的调整可使轴向力为零 ；行星传动均载机构；厚油膜均载；轴承部件中一侧 轴承可轴向移动，可减少装配误差和热膨胀产生的轴
12、 向力) 5)合理设计零部件各位置的应力分布和刚度，最大限度减少设置重量。(应用应变能分布密度，进行几何形状优化)(承受交变或脉动载荷的零件，要注意引起应力集中的 部位的设计。如圆角、螺纹、小孔及配合面。如取煤机主轴的设计采用无键联接；必要时关键部位采用局部表面强化处理；承受单向载荷的构件如压力容器、弹簧、旋转圆盘、吊钩等，可在工作载荷方向施加预应力（预紧应力和残 余应力），可以降低工作时的应力幅值； 轴承支撑处要有足够的刚度，以减少变形引起啮合和铰 接误差， 例：钢绞线减速器；尽量采用空心箱体结构，可提高刚度） 6)应用基本公式求相应的结构尺寸和有关参数时，要注意公式的准确性和误差范围。经常
13、要改写公式的表达形式使之更直观和便于计算； 对具体问题作简化处理，以便应用上述公式或者对公式的应用条件作基本假设，这可能带来误差。例如1：齿轮轮齿的弯曲强度计算公式可用悬臂梁的公式分析，带来一定的误差，必须引入修正系数。 7)根据性能组合选择材料(即综合考虑材料性能)(所谓性能组合是指：选择材料时，不仅要考虑强度、硬度 和重量，还要考虑抗冲击性、抗疲劳性、电化学特性、抗腐蚀性和抗高低温性能以及制造性能，如：加工性能、冷变形性、可焊接性、对热处理温度的敏感性及光洁度等)8)改进功能原理设计，以适应制造工艺和降低成本。如：齿轮成型工艺。9）保证零件在装配中能准确定位、不发生干涉。 2 从学科种类，
14、机械设计准则可有以下9种：1)符合力学要求的结构设计准则2)符合工艺要求的结构设计准则3)符合材料要求的结构设计准则4)符合装配要求的结构设计准则5)符合防腐要求的结构设计准则6)符合公差要求的结构设计准则7)符合支撑要求的结构设计准则8)符合安全要求的结构设计准则9)符合美学要求的结构设计准则 3 从结构方案设计角度设计原则可分为三类：1）明确： 产品功能明确，工作原理明确，使用工况和应力状态明确，技术文件表达明确。2）简单：功能和结构的一一对应关系清晰3）安全，可靠：设计安全技术、使用安全技术和预防安全技术。22 几种典型的设计原理简介1 等强度原理 通过几何形状设计和选择材料，力求构件中
15、主要承载区应力状态相同或应力幅值相近(可充分发挥材料强度潜力)2 合理力流原理(力流广义的力传递的路线)1)力线在构件中不会中断和消失2)在结构设计中，力求避免力线密度增加和力线突然转向(力线转向与其密度改变是相关的)3)按改善构件上力线密集强度来设计构件结构。如：轴肩圆角。3 短程力传动原理 力线传递的路线是使构件变形量趋于最 小的路线（弹性范围内），所以弹性范围内，力和变形 之间的关系是线性的，该系统为保守系。所以选择不同 的传力路线，可以改变刚度。拉压弯曲扭转。 4变形协调原理 结构设计时,应力求相互作用的构件相对变形量减小,或变形方向一致(以三翻车机端环结构与梁，曲轨与托轮间接触状态为
16、例) 5 力平衡原理 构件(机构)工作时,要输入主参量(F、M、T、S、v、a)，同时有相关的伴生副参量(F、M、 T、S、v、a) 产生。(伴生的副参量一般对总功能或主要功能的实现是有害的)。设计上要设法平衡掉副参量的 影响，或者将副参量的影响转化为对总功能有益的参量 。 6 任务分配原理 a)功能和功能载体的关系：一种功能对应一个功能载体( 结构简单，便于优化)，多种功能对应一个功能载体( 结构复杂，精度要求高)例如：箱体类构件b)功能不同的任务分配：(相互抵触（矛盾）的功能，分别由不同构件来实现)c)功能相同的任务分配(分流汇流传动)例：行星传动、多点啮合柔性传动7自助原理（自加强，自平衡，自保护）结构功能的总效应由两部分组成（叠加）：1)主参量引起的原始作用效应2)伴生副参量引起的辅
