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1、第一章机械设计概述12 机器的构成及其功能结构一 、机器的构成机器一般可视为主要由原动机、工作机、传动装置、控制系统及一些辅助装置等部分构成,如图11.原动机：是驱动整个机器以完成预定功能的动力源.一般来说，它是把其它形式的能量转换为机械能。原动机的动力输出绝大多数呈旋转运动的状态，输出一定的转矩.工作机:是用来完成机器预定功能的组成部分.一部机器可以只有一个执行部分，也可以把机器的功能分解成好几个执行部分。传动装置：用来连接原动机部分和执行部分,它将原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数。例如：把旋转运动转换为直线运动；高转速变为低转速；小转矩变为大转矩
2、等。二 、功能分析功能分析是机械设计的基本出发点,进行机械产品的设计，首先必须进行功能分析,明确功能要求,设计出机器的功能结构图，然后再进行各个阶段的设计.只有这样，才能不受现有结构的束缚，形成新的设计构思,提出创造性的设计方案。不同机器的功能结构图是不同的，甚至总功能要求相同，也可以设计出不同方案的功能结构图,因此，设计者应能从多种可行方案中选出较优者，并以此为依据,进行机械系统各个阶段的设计。 三、机器实例内燃机车高速列车加工中心机械手汽车船舶胶印机水压机飞机压路机起重机减速器表11机器实例1-3机械设计的概念和特点 一、机械设计的概念设计具有广泛的含义，一般认为,设计是根据市场需求,对技
3、术系统、零部件、工艺方法等进行计划和决策的过程。从市场需求出发，通过构思、计划和决策,确定机械产品的功能、原理方案、技术参数和结构等，并把设想变为现实，这样一种技术实践活动的过程，就是机械设计。 二、机械设计的过程机械设计工作阶段的划分,不同的国家，甚至不同企业均不尽相同，大致上可分为计划阶段、原理方案设计阶段、结构方案设计阶段、总体设计阶段、施工设计阶段和试制、生产、销售阶段等，每个阶段的大致内容和目标如图12所示。图1-2机械产品设计过程的一般模式三、机械设计的特点1、特点1） 机械设计中认知过程的渐变性产品设计是一个从抽象到具体的演化过程。设计者在设计过程中，不断丰富和完善产品的设计信息
4、，直到完成整个产品的设计。产品设计是一个逐步求精和细化的过程。产品设计是一个反复修改和迭代的过程，在此过程中，设计者需要不断的修改某些设计参数和结构,以达到最终的设计要求。 2) 设计过程中设计管理的复杂性产品开发过程管理要求能够对整个产品开发过程从需求分析、概念设计、直到最终设计完成进行组织、协调和控制，并且能够对每一个阶段所需要的设备、工具、人员等进行分配、组织和管理。3） 设计过程中以市场需求为导向的必要性 产品设计与制造的目的是为了满足市场的需求，因此，用户的满意程度是衡量产品优劣的重要指标.注重市场调查和预测，明确市场需要什么,是设计师经常关心的问题。4) 设计过程中增强社会环境意识
5、、建立可持续发展观念的必要性2、创新和优化(1） 创新1） 机械设计的核心是创新 在机械设计中必须突出创新的原则,通过直觉、推理、组合等途径，探求创新设计的原理方案和结构，做到有所发明，有所创造，有所前进。2) 产品设计创新的方向 一是能满足大范围当前需求的产品创新；二是研究开发具有重要技术进步，且为我所独有、技术含量高、在市场上具有竞争力的新产品.3） 产品技术创新的主要类型第一种是无重要新技术，但在形式上有所创新；第二种是含有重要的高新技术，使产品的竞争力有新的、更重要的提高；第三种是有完全创新的功能.4） 创造性思维创造性思维使人们突破各种约束,在一切领域内开创新的局面。创造性思维具有独
6、创性 、连动性、多向性和综合性的特点。（2）优化在通常情况下，满足约束条件的机械问题的解都不是唯一的,而是存在多种可行方案.因此需从诸多可行方案中进行优化设计，得到最优解。作为设计人员必须对择优问题予以高度重视。优化方法的发展过程如下：1） 基于经验的优化设计是原始的优化,或被动的自然优化。其质量取决于专家经验的多少和经验的可靠程度。2) 基于计算机的枚举寻优用计算机计算出各种可行方案，结合人工判断寻优。3） 基于数学规划的寻优方法是定量的优化方法,适合于解决机械设计中的参数优化问题。4） 工程优化和人工智能优化能解决不少数学规划方法不能胜任的工程优化问题。 3、机械设计中的产品成本问题好的设
7、计不但要技术先进，制造可行，操作方便，而且要经济合理。所谓经济合理，其核心就是降低产品的成本。可以说，产品成本的高低,在产品设计的阶段就基本上确定了,因此,降低产品成本，永远是设计人员的一项主要任务，是机械设计领域中的一个永恒的技术经济问题.设计人员进行产品设计时，必须牢固地树立经济效益的观念，对每一个零部件进行功能成本分析,确定合理的技术指标和成本目标。4、机械设计中的可持续发展问题1） 所设计的产品应符合国家科技政策和国家科技发展规划的目标:要设计出具有竞争力的先进产品，还应很好的了解国家不同时期的科技政策和科技发展规划;2） 所设计的产品应符合减少三废对环境污染的要求；3) 所设计的产品
8、应符合人机系统安全、可靠的要求；4） 所设计的产品应有利于提高生产力；5) 资源的合理利用。第二章机械设计中的约束分析 主要内容1、机械设计中的主要约束:经济约束、社会约束和技术约束.2、机械设计中的强度问题：载荷及应力、静应力作用下的强度问题、变应力作用下的强度问题及接触应力.3、机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题 基本要求1、了解机械设计的主要约束。2、掌握静强度计算中的强度理论的概念和公式；了解疲劳曲线与极限应力曲线的来源、意义和用途，能绘制零件的极限应力简化线图;学会单向变应力的强度计算方法与双向变应力的强度校核方法；了解机械零件接触疲劳强度及其计算公式。3、扼要地了解各类摩擦的机理、物
9、理特性及其影响因素;初步了解磨损的一般规律及各种磨损机理、物理特性和影响因素；了解润滑的作用. 重点难点1、载荷与应力的分类；2、强度准则、零件在变应力作用下的极限应力和安全系数的计算;3、表面接触疲劳强度。21 概述机械设计的基本特征之一是约束性。机械设计的主要任务,就是要在由各种约束组成的边界条件内(或称之为设计空间”内），寻找能满足预定功能和性能要求的最优设计方案.机械设计中的约束主要有：经济方面的约束、社会方面的约束和技术方面的约束。一、技术性能约束技术性能：包括产品的功能、制造和运行状况在内的一切性能，既指静态性能，也指动态性能。例如,产品所能传递的功率、效率、使用寿命、强度、刚度、
10、抗摩擦、磨损性能、振动稳定性、热特性等。技术性能约束：是指相关的技术性能必须达到规定的要求。振动会产生额外的动载荷和变应力,尤其是当其频率接近机械系统或零件的固有频率时，将发生共振现象，这时，振幅将急剧增大，有可能导致零件甚至整个系统的迅速损坏。振动性稳定约束：限制机械系统或零件的相关振动参数，如固有频率、振幅、噪声等在规定的允许范围之内.热特性：机器工作时的发热性能.可能会导致热应力、热应变，甚至会造成热损坏.热特性约束：限制各种相关的热参数(如热应力、热应变、温升等)在规定范围之内。二、标准化约束与机械产品设计有关的主要标准大致有：概念的标准化：设计过程中所涉及的名词术语、符号、计量单位等
11、。实物形态的标准化：对产品、零部件、原材料、设备及能源等的结构形式、尺寸、性能等,都应按统一的规定选用。方法的标准化:与生产技术有关的操作方法、测量方法、试验方法等都应按相应规定实施。技术文件的标准化:在产品设计过程中，需要形成的各种技术文件等，都应按相应的规定执行.标准化约束：在设计的全过程中的所有行为,都要满足上述标准化的要求.三、可靠性约束可靠性：产品或零部件在规定的使用条件下，在预期的寿命内能完成规定功能的概率.可靠性约束:是指所设计的产品、部件或零件应能满足规定的可靠性要求。四、安全性约束机器的安全性包括：零件安全性：指在规定外载荷和规定时间内零件不发生如断裂、过度变形、过度磨损和不
12、丧失稳定性等等。整机安全性:指机器保证在规定条件下不出故障,能正常实现总功能的要求.工作安全性：指对操作人员的保护,保证人身安全和身心健康等等。环境安全性：指对机器的周围环境和人不造成危害和污染。安全性约束:是指所设计的机器应能满足上述诸方面的限制。2-2机械设计中的强度问题一、载荷和应力1、载荷机器工作时所出现的载荷是力和力矩。载荷根据其性质可分为静载荷和变载荷。静载荷：载荷的大小或方向不随时间变化或变化极缓慢的；变载荷：载荷大小或方向随时间变化的.机械零部件上所受的载荷还可分为：工作载荷、名义载荷和计算载荷。工作载荷：机械正常工作时所受的实际载荷.名义载荷：按原动机的功率计算求得的载荷。通
13、常由下式求得： （N。m) 式中： P为原动机的功率（kW)； n为原动机的额定转速(r/min）； i为由原动机到所计算零件之间的总传动比；是由原动机到所计算零件之间传动链的总效率。计算载荷：考虑零部件工作过程中还要承受附加载荷，从而对名义载荷(力F或转矩T）进行修正而得到的近似载荷。通常由下式求得：,式中: K为载荷系数;2、应力载荷作用在零件上将产生应力。根据其性质可分为：静应力：不随时间而变或随时间缓慢变化的应力；变应力:不断地随时间而变的应力。大多数机械零部件都是处于变应力状态下工作的。2-3 机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题一、机械中的摩擦1、摩擦的定义和分类摩擦:两个接触表面作相
14、对运动或有相对运动趋势时，在表面间会产生抵抗相对运动的阻力的自然现象。根据摩擦副的表面润滑状态，摩擦可分为干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦.干摩擦:表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦；边界摩擦：表面间被极薄的润滑膜所隔开,且摩擦性质与润滑剂的粘度无关而取决于两表面的特性和润滑油油性的摩擦；流体摩擦：表面间的润滑膜把摩擦副完全隔开，摩擦力的大小取决于流体分子内部摩擦力的摩擦；混合摩擦：摩擦副处于干摩擦、边界摩擦和流体摩擦混合状态时的摩擦。a）干摩擦b）边界摩擦 c）液体摩擦d)混合摩擦图25摩擦状态2、机械设计中摩擦约束的实质摩擦具有二重性：一方面,摩擦是有利的；此时摩擦约束条件是：摩擦必须足够大，即摩擦系数或摩擦力矩或摩擦力应大于规定的许用值，以保证机器工作的可靠性；另一方面，摩擦是有害的，会带来能量损耗、工作温度上升，还会产生振动和噪声；
