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1、第一章第一章 机械设计概论机械设计概论 本章介绍机械的组成、机械设计的基本概念、机械设计的一般过程和主要内容、机械设计准则和机械产品开发等与图样有关的设计知识，是零件构形设计、图样绘制和阅读的基础。 1-1 机械的组成机械的组成 人类为了满足生产和生活的需要，设计和制造了类型繁多、功能各异的机械。机械是执行机械运动的装置，用来变换能量或传递物料，如内燃机、电动机、洗衣机、机床、汽车、起重机、各种食品机械等。 一、机械的组成 一、机械的组成 从机械最基本的特征入手，分析机械组成的基本规律后可以发现，虽然机械产品的种类繁多，形状大小差别很大，用途、性能、构造、工作原理各不相同，但是从最简单的千斤顶
2、到复杂的现代化机床，总可以按功能分为原动机、传动机构和工作机构三个组成部分，另外还包括控制系统和辅助系统，如润滑、显示、照明等，如图 1-1 所示。 原动机传动机构执行机构控制系统辅助系统（如润滑、照明、显示等） 图 1-1 机械的组成 1原动机 原动机部分是驱动整部机器以完成预定功能的动力源。通常一部机器只用一个原动机，复杂的机器也可能有好几个动力源。一般地说，它们都是把其它形式的能量转换为可以利用的机械能。常用的原动机有电动机、内燃机等。原动机一般已有定型产品，设计时只需根据工作要求和使用条件选择适当的型号即可。 2执行机构 执行机构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
3、行机构（例如压路机的压辊） ，也可以把机器的功能分解成好几个执行机构（例如桥式起重机的卷筒、吊钩部分执行上下吊放重物的功能， 小车行走部分执行横向运送重物的功能， 大车行走部分执行纵向运送重物的功能） 。执行机构的设计问题将在有关的专业课程中研究。 3传动机构 传动机构是将原动机输出的运动和能量传递给执行机构的中间联系环节，其主要作用是改变运动的速度或转变运动的形式。原动机（如电动机、内燃机等）通常只具有固定的运动形式和速度，执行机构则因其功能各异而存在各种不同的运动形式和速度，而传动机构则将原动机的高转速、小扭矩转换成执行机构需要的较低速度和较大的力或力矩，因此，大多数机械设备都有传动部分。
4、传动部分是机械的重要组成部分，机械的工作性能、外廓尺寸、重量和成本等，在一定程度上都直接与传动部分有关，而且，传动部分在机械中所占的比重很大，并有较大的通用性。 常见的传动机构有齿轮传动、带传动、链传动、曲柄连杆机构等。传动机构包括除执行机构之外的绝大部分可运动零部件。机器不同，传动机构可以相同或类似，传动机构是各种不同机器具有共性的部分。 4控制系统 控制系统是用来操纵机械的启动、制动、换向、调速等运动，控制机械的压力、温度、速度等工作状态的机构系统。它包括各种操纵器和显示器。人通过操纵器来控制机器；显示器可以把机械的运行情况适时反馈给人，以便及时、准确地控制和调整机械的状态，以保证作业任务
5、的顺利进行并防止事故发生。 以汽车为例，发动机（汽油机或柴油机）是汽车的原动机；离合器、变速箱、传动轴和差速器组成传动部分；车轮、悬挂系统及底盘（包括车身）是执行部分；方向盘和转向系统、排挡杆、刹车及其踏板、离合器踏板及油门组成控制系统；油量表、速度表、里程表、润滑油温度表及蓄电池电流表、电压表等组成显示系统；后视镜、车门锁、雨刮器及安全装置等为其他辅助装置；前后灯及仪表盘灯组成照明系统；转向信号灯及车尾红灯组成信号系统等。 下面简单分析两个实例。 图 1-2 为复杂摆动式颚式破碎机的示意图。如图所示，在电动机上装有小带轮，偏心轴上装有大带轮，电动机通过带传动减速后带动偏心轴旋转。动颚上部的孔
6、套在偏心轴上，轴孔的几何中心为 O，偏心轴的旋转中心为 O。肘板两端分别与机架的动颚形成活动连接。偏心轴旋转时，驱使动颚做复杂摆动。当动颚靠近定颚时，加入两颚之间(破碎腔)的矿石受到挤压和劈裂作用而被破碎；在动颚离开定颚的过程中，被破碎了的矿石靠自重落下，经排矿石口排出。 按组成部分划分，电动机为原动部分，胶带传动装置为传动部分，定颚与动颚系统(属曲柄摇杆机构)为工作部分。 图 1-2 颚式破碎机 图 1-3 所示为简易化铁炉用的上料机（除去料车和滑轮外，它的主体部分电动机 1、制动器3、减速器 4、联轴器 2、5、卷筒 6 等合在一起又常称为卷扬机，常作为通用机械用于其他场合） 。电动机 1
7、 通过联轴器 2 带动减速器 4 中的齿轮，把电动机输出转速减低；再通过联轴器 5 带动卷筒6 转动；卷筒又通过钢丝绳 7 绕过滑轮 8，牵动料车 9 在斜桥 10 上移动，从而将冶炼原料提升到炉口并倾倒入炉内。位于电动机和减速器之间的联铀器 2 上的制动器 3，能使料车运行到终点时或在工作中突然断电时，快速停车。 图 1-3 简易化铁炉用上料机 简易化铁炉用上料机的机构运动简图如图 1-4 所示。从组成上看，电动机就是它的原动部分，减速器及钢丝绳卷筒系统（包括制动器）为传动部分，由钢丝绳牵引的料车为工作部分。 图 1-4 简易化铁炉用上料机的机构运动简图 以上仅从机械各部分所完成的功能分析了
8、机械的组成，这只是对机械的宏观认识。对于设计和使用机械来说，更为重要的是认识机械的结构、制造和运动特性。因此，还必须从机械的结构、制造和运动角度来进一步分析。 二、零件和部件二、零件和部件 深入研究机械组成的细节，可以发现任何一台机器都是由一定数量的基本元件组成的，即它有一定的形状、大小和重量，由一定的材料按预定的要求制造而成，并按预定的方式装配连接起来，彼此保持一定的相对关系，并能实现某种运动。 如果从结构和制造的角度来分析，任何机器都是由若干零件所组成的。 1零件 机器中每一个单独加工的单元体称为零件。它是组成机器的最基本的实体。零件按其在机器中所起的作用分为通用零件和专用零件两大类。 通
9、用零件是指在各种机械中都能用到的零件。它在普通条件下工作(即不是高温、低温、高速、高压)而且具有同一功能，如齿轮、链轮、蜗轮、轴、壳体、螺栓、螺钉、螺母等。 专用零件是指在特定机械中才能用到的，并且能表征此种机械特点的零件，如飞机上的螺旋桨、内燃机上的曲轴、汽轮机上的叶片、农业机械上的犁样、纺织机械上的纺锭等。 不同的零件具有不同的结构形状和加工要求。 2部件 由零件装配成机器时，往往根据不同的“组合”要求和工艺条件，把零件分成若干装配单元，这种按工艺条件划分的装配单元称为部件。每个部件中包含若干个零件，各零件间有确定的相对位置。部件中的零件可能实现某种相对运动，也可能相对静止，它们为完成同一
10、功用而协同工作。部件按其功用的不同也可分为连接部件、支撑部件、传动部件等。 有少数零件在装配成机器时，不属于任何部件而单独作为一个装配单元与其他部件一起直接装配在机器上。 所以，从结构和制造的角度来看，机器由若干零、部件组成，其中部件由若干零件组成，即： 机器的原动机、传动机构、执行机构三部分，根据其不同的功能要求，各自包含有不同的零、部件。以图 1-3 所示的上料机为例，它包含了下列一些部件：电动机、联轴器、制动器、减速器、钢丝绳卷筒部件、滑轮、料车等。此外，还包含一个作为单独装配单元的机架零件。而这些部件中又各自包含着不同数量的零件。如料车部件中包含车体、前后车轴、车轮、连接件（如螺栓等）
11、等零件。 三、机构和构件三、机构和构件 机器的功能，主要由其组成部分的运动规律和运动形式所决定。如果抛开其结构和形态仅从运动的角度来分析，机器实际上是由若干能完成确定运动的机构组成的。而每一个机构又是由若干个运动单元构件组成的。 1构件 构件是组成机构的最基本的运动单元。从研究机器的运动角度来看，并不是所有的零件都能单独地影响机器的运动，常常由于结构和制造上的需要，把若干个零件刚性地连在一起，作为一个整体而运动。这个刚性整体显然只构成一个运动单元，称之为构件。当然，一个不与其它任何零件刚性连接的单独零件，也可成为一个基本的“运动”单元，可称为最简单的构件。简言之，凡彼此之间没有相对运动，而与其
12、他零件之间可以有相对运动的零件或零件的组合，称为构件。构件与零件的区别在于：构件是运动的基本单元，而零件是加工单元。 根据上述分析可知，构件可包含一个或若干个零件，例如图 1-2 所示的颚式破碎机中，偏心轴机器 部件 零件 单独作为装配单元的零件 和安装在它上面的带轮、飞轮、键等工作时作为一个整体作旋转运动，它们彼此之间没有相对运动，所以它们组成的整体为一个构件。又如图 1-3 所示的上料机中的滑轮，就是单独由一个零件构成的运动单元，是最简单的构件。 2运动副 机器中的每一个构件，至少必须与另一个构件相连接。两构件之间能产生某些相对运动的活动连接称为运动副。 两构件形成运动副，总是通过点、线、
13、面的接触来实现的。通过点、线接触所形成的运动副统称为高副；通过面接触形成的运动副称为低副。从运动形式来区分，凡构件间仅能作相对转动的运动副称为回转副；仅能做相对移动的运动副称为移动副；仅能作相对螺旋运动（既有转动又沿转动轴线移动）的运动副称为螺旋副。 3机构 满足机器三个特征中的前两条，即：人为实体的组合且实体之间又具有确定的相对运动时就成为一个机构。机构中固定不动的构件称为机架。可见，任何机构都是由许多构件组成的，各构件之间又互相联系，并具有完全确定的相对运动。 从运动特性角度来讲，任何一台机械设备都是由若干机构组成的（至少包含一个机构） 。正是由于不同的机构和不同的组合方式，使不同的机械具
14、有不同的功能。图 1-2 所示的颚式破碎机是由三角带传动机构和连杆等工作机构组成的。当电动机轴以一定的转速旋转时，偏心轴、动颚和肘板等构件各作确定的相对运动，同时由电动机提供能源，经动颚、定颚而作机械功，完成破碎石功能。 1-2 机械设计的过程和主要内容机械设计的过程和主要内容 一台机器从着手设计到正常使用，要经过收集资料、研究分析、设计、试制、试验、改进设计、正式投产和运行考核等一系列过程，大致包括以下几个阶段：计划阶段、方案设计阶段、技术设计阶段和样机试制等阶段，其设计的一般过程如表 1-1 所示。 一、计划阶段一、计划阶段 在计划阶段中，应对所设计机器的需求情况做充分的调查研究和分析；通
15、过分析，进一步明确机器应具有的功能，并为以后的决策提出由环境、经济、加工以及时限等各方面所确定的约束条件，在此基础上，明确地写出设计任务的全面要求及细节，最后形成设计任务书，作为本阶段的总结。设计任务书大体上应包括：机器的功能，经济性及环保性的估计，制造要求方面的大致估计，基本使用要求，以及完成设计任务的预计期限等。 表 1-1 机器设计的一般过程 设计阶段 工作步骤 阶段目标 计 划 设计任务书 方案设计 提出原理性的设计方案原理图或机构运动简图 技术设计 总体设计草图及部件装配草图，并绘制出零件图、 部件图及总装图 样机试制 定型样机 提出任务 分析对机器的需求 确定任务要求评价机器功能分
16、析提出可能的解决方案 组合几种可能的方案 决策选定方案 评价明确构形要求结构化 选择材料、决定尺寸 决策确定结构形状及尺寸零件设计部件设计总体设计样机试制 二、方案设计与机构简图二、方案设计与机构简图 机器的方案设计就是要确定机器的运动方案、零部件配置方案、总体布局方案和外观造型。其中为实现某些功能，或预期的运动规律的运动方案设计又是总体设计的主要内容，它决定了机器的性能、可靠性和经济性。 在机器运动方案设计中，分析和表达机构或机构的运动情况及受力情况时，需要画出其运动简图。因为机构的运动只与机构的组成及运动副的形式和位置有关，所以可以抛开构件的具体形状与结构，用一些简单的线条和规定的图形符号
17、，将其传动系统、构件间的相互关系和运动特性等反映运动本质的内容表达出来。 这样绘制出来的简图称为机构运动简图 （有时也称为机构简图） 。 图 1-2b、图 1-4 等所示即为相应机器的机构运动简图。 具体地说，机构运动简图要反映出机构和构件的数目、各构件间的运动副型式、固定构件（机架）的位置及主要几何参数、主动构件的运动方向、各运动副的位置（用一定比例画出）等。机构运动简图的特点是它简明扼要地表达了机器的工作原理、运动传递关系、基本构件及其相互联系。所以，无论对于认识一个外形结构比较复杂的机器，还是表达一个设计、革新方案来说，机构运动简图都是必不可少的工具。 绘制机构运动简图的关键是：根据运动
18、特征，从实际机器的复杂外形结构中进行科学的抽象，同时要正确地运用规定的图形符号。在机械制图国家标准中，规定了常用机构和构件的机构运动简图符号，其部分内容摘录于表 1-2 中。 表 1-2 常用机构运动简图符号（GB/T4460-1984 摘录） 名称 符号 名称 符号 凸轮机构 （直动从动件盘形凸轮） 径向滑动轴承 径向接触滚动轴承 棘轮机构 （外啮合） 单向止推滑动轴承 轴向接触滚动轴承 槽轮机构 （外啮合） 向心角接触滚动轴承 联轴器 弹性联轴器 带传动 （V 带） 螺杆传动 （整体螺母） 圆柱齿轮传动 （外啮合） 圆柱齿轮传动 （内啮合） 圆柱蜗杆传动 齿轮齿条传动 压缩弹簧 拉伸弹簧
19、锥齿轮传动 装在支架上的电动机 由表 1-2 可以看出，大多数通用零件及由其组成的构件、运动副等，都有规定符号，绘制机构运动简图时可以直接采用。某些专用零件（主要是工作机构部分）没有规定符号，绘制机构运动简图时，用最简单的线条，绘制出它们必要的外形轮廓或表示该工作机构工艺动作的图线即可。 绘制机械的机构运动简图，一般可按如下步骤进行： （1）分析运动情况。首先要把原动部分、传动部分和工作部分区分清楚。找出固定构件（机架）和主动构件，然后由主动构件（即原动部分）开始，沿运动传递路线，分析各构件间相对运动的性质及它们之间所形成的运动副种类。 （2）量出反映各运动副间相对位置的尺寸。例如回转副之间轴
20、心线的距离等。 （3）选择视图。通常选用平行于构件运动平面的平面作为投影面，多数情况下用一个视图即可表达清楚，必要时可补充其他视图。 以图 1-3 所示的上料机为例来说明绘制机构运动简图的过程。 （1）分析运动情况，明确整个传动系统中各构件间的连接关系。 （2）量取与运动有关的几何尺寸。 （3）选择机构简图的主视图。因为上料机的工艺动作是料车提升上料，所以应选择与料车、斜桥的对称平面相垂直的方向作为主视图的投影方向，画出主视图，如图 1-4 所示。 （4）按照传动过程逐步绘制出机构运动简图。为了表达主视图上未能表达清楚的电动机减速器卷筒之间的关系，加画俯视图的局部（如图 1-4 下方所示） 。
21、 有时为了表达某个机构的运动情况和构件间的几何关系，只需绘制出该机构的机构简图，而且图形还可进一步简化。例如，当把动颚看作是连杆机构的连杆进行运动或受力分析时，则机构简图可如图 1-5 所示。 图 1-5 颚式破碎机机构简图 三、技术设计三、技术设计 1、零件设计的步骤 当机器的总体布置和运动方案确定后，总体方案设计阶段就完成了，设计进入技术设计（或称详细设计）阶段，即进行零件的设计。零件的设计应该满足工作可靠、结构工艺性好和经济性好等要求。 机械零件的设计步骤随着零件种类的不同和设计计算方法的不同，具体的设计步骤也不同，一般可按下列步骤进行： （1）选择类型。即零件设计方案的选择。可根据使用
22、条件、载荷性质及尺寸大小选择零件的类型。 （2）受力分析。 通过受力分析求出作用在零件上载荷的方向、 大小及性质， 以便进行设计计算。 （3）选择材料。根据零件工作条件及受力情况，选择合适的材料及热处理方式，并确定其许用应力。 （4）确定计算准则。根据失效分析，确定零件的设计计算准则。 （5）理论设计计算。由设计准则得到的一些设计或校核计算公式确定零件的主要几何尺寸及参数。如螺栓的小径、齿轮的齿数与模数等。 （6）结构设计。结构设计即将零件的功能转化为具体结构的设计过程。设计中应考虑零件的强度、刚度、加工及装配工艺性等要求，符合尺寸小、重量轻和结构简单等原则。结构设计是零件设计中最重要的内容之
23、一。 （7）绘制零件工作图。工作图必须符合制图标准，尺寸要齐全并标注必要的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度及技术条件。 （8）编写设计计算说明书。将设计计算资料整理成简单的设计计算说明书，作为一种技术文件备查。 2、零件设计应满足的要求 零件的形状、大小、材质和制造精度等，必须由部件或机械的总体要求来确定。零件的形状和大小是否合理，材质和制造精度是否适当，最终都要以部件或机械能否满足预定的技术经济指标为评定的依据。为此，在设计机械零件时，应首先从工作能力和经济性这两个主要方面来满足机器总体对它提出的要求。 （1）零件必须满足工作能力的要求 零件的工作能力是指在不发生失效（零件失去了正常工作的能力
24、）条件下的安全工作限度。零件的失效形式可能有许多种，但主要有断裂或塑性变形、过大的弹性变形、工作表面的过度磨损或损伤、接触表面点蚀、发生强烈的振动、温升过高使零件产生过大的热变形、热应力或破坏正常的润滑油膜等。因此，在设计零件时必须满足以下一些主要的工作能力指标： 1）强度 指零件在外力作用下抵抗破坏的能力，它是设计一切机器时的最基本要求。 2）刚度 指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不足，产生过大的弹性变形，会影响机器的正常工作（如机床主轴刚度不足，会影响零件的加工精度） 。 实践证明，凡满足刚度要求的零件，一般来说，强度总是没有问题的。 3）寿命 指零件能够正常工作的时间
25、。影响零件工作寿命的主要因素有三：是有相对运动的零件的磨损；二是在变应力工作条件下零件的疲劳（即疲劳强度问题） ；三是高温情况下机械零件过大的热变形和蠕变。 4）减振性 一般情况下，机械或零件的振幅是很小的，但当其自振频率和外力的变动频率相符或接近时就要发生共振，这时，振幅将急剧增大，能在短期内导致零件的破坏，这种情况必须避免。 以上要求并非在任何零件设计过程中都需进行判定，而是根据零件的具体工作情况，按其可能发生的一种或几种主要失效形式，运用相应的设计准则，确定零件的主要尺寸和形状，从而满足其相应的工作能力要求。在设计时，对于不同的失效形式，要建立不同的承载能力判别式，但其基本原则是相同的。
26、具体的计算公式将在材料力学中进行详细的介绍，今后对每类零件还要分别介绍，此处不再赘述。 （2）零件必须满足经济性的要求 设计和制造机械零件时应最大限度地考虑其经济性，即要求成本低、生产率高以及维护费用低等。为了改善和提高其经济指标，主要考虑以下几方面： 1）工艺性 零件必须具有良好的结构工艺性和制造工艺性，以使其在一定的生产规模和生产条件下，能以最少的加工费用制造出合乎技术要求的零件。同时要在满足工作能力要求的前提下，使零件具有尽可能简单的几何形状，避免盲目地提高零件的加工精度及表面质量要求，并尽可能避免采用复杂的加工方法。 2）合理地选择原材料 应根据实际需要和供货可能来选择材料，使其既能满
27、足使用要求，又尽可能地降低成本。要注意推广使用各种非金属材料，如塑料、尼龙等。 3）标准化、通用化、系列化 在不同类型、不同规格的各种机器中，有相当多的零部件是相同的，将这些零部件加以标准化，并按尺寸不同加以系列化，设计者就毋须重复设计。通用化是指系列之内或跨系列的产品之间尽量采用同一结构和尺寸的零部件，以减少企业内部的零部件种数，从而简化生产管理和获得较高的经济效益。只有当采用标准零件、标准结构要素、标准参数和尺寸确实不能满足使用要求时，才允许设计非标准零件或采用非标准的结构、尺寸与参数。标准化、系列化、通用化也是评定产品的指标之一。 （3）零件的设计过程和方法 在满足上述要求的前提下，机械
28、零件的设计工作大体分为两个过程：即构形过程和计算过程。 所谓构形过程，就是根据部件对零件所提出的运动要求和连接条件，按照零件在部件中的依存关系，合理地确定零件的形状和若干相对尺寸，即通常所说的结构设计，其主要工作内容是通过绘图来完成的。 所谓计算过程，就是根据运动关系和强度（包括刚度、寿命、稳定性）条件，通过计算来确定零件的一些主要尺寸和某些重要部位的形状。当然，这两个过程是相辅相成，互相渗透的。计算是构形的依据，构形又影响着计算。 进行机械零件设计时，按照构形和计算这两个过程的不同程序，存在着两种方法： 第一种方法是“先计算后构形” 。其步骤为：拟定零件的计算简图；确定作用在零件上的计算载荷
29、；选择适宜的材料；根据零件可能出现的失效形式，选用相应的设计准则进行计算以确定零件的主要形状和主要尺寸，然后再确定其他尺寸；最后，绘出零件图样并标注必要的技术要求。这里所进行的计算通常称之为设计计算。 第二种方法是“先构形后计算” 。其步骤是：先参照实物（或图纸）和经验数据，初步拟定零件的结构形状和尺寸；然后再用有关的设计准则进行验算和修改；最后确定零件的全部尺寸并完成零件的图样。此时所进行的计算过程，一般称之为校核计算。 应当指出： “先构形后计算”是设计常规设备或进行技术革新时应用较为广泛的方法。这种借类比的方法先构形后校核计算的设计，简便可靠，可以避免繁琐的计算过程，是一种非常实用和有效
30、的设计方法，但是它往往受到被类比机械的限制。弥补的办法是对类比产品和零件进行深入的调查、分析，作到心中有数，从而可在原有基础上进一步改进和提高。本教材将以这种设计方法为重点加以讨论。 1-3 机械设计的基本准则机械设计的基本准则 机械零件不发生失效时的安全工作限度称为零件的工作能力。对载荷而言，零件的工作能力也可称为零件的承载能力。同一种零件可能会发生不同的失效形式，对于不同的失效形式就有不同的工作能力。例如，轴的失效可能由于疲劳断裂，也可能由于过大的弹性变形。前者取决于轴的疲劳强度，而后者则取决于轴的刚度。显然，起决定作用的是工作能力的较小者。 用计算的方法来保证零件有足够的工作能力，从而避
31、免失效，是常用的机械设计方法。计算依据的条件称为设计准则。常用的机械设计准则有： 1、强度准则 强度是指零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及某些表面损伤的能力。为了保证零件具有足够的强度，计算时应使其在载荷作用下零件危险截面或工作表面的工作应力不超过零件的许用应力，其表达式为 Smin= （11） 式中，min为极限应力，按零件的工作条件和材料的性质取值，对受静应力的脆性材料，如铸铁受拉伸取抗拉极限；对受静应力的塑性材料取屈服极限；对受变应力的零件取疲劳极限。S 为安全系数，考虑各种偶然或难以精确分析的因素的影响。 满足强度要求的另一种表达方式是使零件工作时的实际安全系数 S 不小于零件的许用
32、安全系数S，即 SS （12） 一般来讲，各种零件都应满足一定的强度要求，因而强度准则是零件设计最基本的准则。 2、刚度准则 刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。为了保证零件具有足够的刚度，设计时应使零件在载荷作用下产生的弹性变形量 y（广义地代表任何形式的弹性变形量）小于或等于许用变形量y，其表达式为 yy （13） 弹性变形量可用各种求变形量的理论或实验方法确定，而许用变形量则应随不同的使用场合，按理论或经验来确定其合理的数值。 3、寿命准则 影响零件寿命的主要失效形式是磨损、疲劳和腐蚀，它们的产生机理、发展规律及对零件寿命的影响是完全不同的，应分别加以考虑。 耐磨性是指零件在载荷
33、作用下抵抗磨损的能力。由于磨损类型众多，产生的机理还未完全搞清，影响的因素也很复杂，所以目前尚无公认的能够进行定量计算的方法。通常为了保证零件具有良好的耐磨性，应运用摩擦学原理设计零件的结构，选定摩擦副的材料和热处理、表面状态、油品等。同时，给予合理而充分的润滑，以延长零件的使用寿命。 关于疲劳，通常是求出零件在预定使用寿命时的疲劳极限作为计算的依据。疲劳寿命的计算准则常采用式（12）的形式。 迄今为止，还未能提出实用有效的腐蚀寿命计算方法，因而也无法列出腐蚀的计算准则。 4、振动稳定性准则 振动稳定性是指高速机器抵抗失稳的能力。高速机器容易产生振动，振动会使零件承受额外的交变应力，使零件过早
34、地疲劳断裂，同时产生较大的噪声。当周期性载荷的作用频率 fp等于或接近于机械系统的固有频率 f 时，就会发生共振。这时，零件的振幅将急剧增大，这种现象称为失去振动稳定性。共振将导致零件甚至整个系统在短期内破坏，这种情况必须避免。因此，对于高速机器应进行振动分析和计算，以确保机器的振动稳定性。相应的计算准则为 fp0.85f 或 fp1.15f （14） 5、散热性准则 当两个零件表面之间发生相对运动时，由于摩擦会产生热量。如果发热过高或散热不良，就可能使零件温度过度升高，破坏正常的润滑条件，甚至导致两个金属表面粘着发生胶合。要满足散热性准则，应对发热较大的零件（如蜗杆传动、滑动轴承等）进行热平
35、衡计算。 6、可靠性准则 机械零件的失效具有随机性，故重要的零件在规定的工作期限内要满足规定的可靠度。 可靠度是可靠性的性能指标。 零件的可靠度是指一批完全相同的零件（如有 N0个） ，在一定的工作条件下进行实验，如在经过时间 t 后，还有 Ns个正常工作，有 Nf个损坏了，则这批零件在该工作条件下能正常工作达到时间t 的可靠度 R 为 00001NNNNNNNRffs= （15） 我们称0NNFf=为零件的失效概率（即不可靠度） ，它与可靠度的和为 1。 按可靠性理论，机器是零件的串联、并联或混联系统。系统的可靠度取决于零件的可靠度。如各个零件是统计独立的，串联系统的可靠度是各个零件可靠度的
36、乘积，即 =niisRR1 （i=1，2，3，n） （16） 式中，Rs是系统的可靠度；Ri是各个零件的可靠度。可靠度是小于 1 的数，故串联系统的可靠度小于任一零件的可靠度，且零件越多，可靠度越低。 并联系统的失效概率为各个零件失效概率的乘积，可靠度为 =niisFR11 （i=1，2，3，n） （17） 式中，Fi为各个零件的失效概率。可见，并联系统失效概率低于任一零件的失效概率，因此，其可靠度高于任一零件的可靠度。 为了提高系统可靠度，在设计时可采取下列措施： （1）在满足机器性能要求的前提下，力求结构简单，零件数目少； （2）尽可能采用有可靠度保证的标准件； （3）安全系数要留有余地；
37、 （4）增加重要环节的备用系统； （5）合理规定维修期等。 1-4 机械产品开发机械产品开发 一、机械产品开发的基本原则一、机械产品开发的基本原则 机械产品开发是一项系统工程，因而整个机械产品开发的总的原则，就是要实现系统工程的目标，即实现机械产品开发系统整体的综合优化（主要是好的经济效益，还应包括好的社会效益和环境效益） 。为此，还应遵循以下一些具体的原则。 1、社会需求原则 任何机械产品要发展，其前提是社会对该产品的需求。若社会不需要，就失去了其存在的价值。所以，机械产品开发应把社会需求作为第一基本原则。 2、技术优先原则 国内外企业在产品开发的激烈竞争中，历经无数次的成功与失败之后，得到
38、了这企业在竞争中取胜的法宝：在技术上要取得优势。只有在技术上有优势，才能在产品质量上胜人一筹，并且成本比人家的也低，这样就能使你的产品无论在质量或价格上，都能竞争过你的对手而立于不败之地。 值得注意的是，任何一个企业总有自己的长处与短处，除了不断地开发技术外，还要扬长避短，利用自己某些方面的技术特点加以发挥与开发，也可以在产品上形成优势。 3、快速开发原则 对企业来说，开发新产品除了保证质量之外，还要注意速度。由于社会竞争激烈，某种新产品的开发可能同时在几个企业内进行，若开发速度慢，被其他企业抢先开发并先行占领市场的话，后来的企业将很难有竞争力。另一方面，新产品的“新”是有阶段与时间性的，如开
39、发时间过长，可能又有更新的一代产品行将问世甚至已经问世， 使你的新产品刚研制出来就成为了落后的淘汰产品。 4、经济效果原则 产品的形成过程，既是物质财富的创造过程，又是活劳动和物化劳动的消耗过程。因此开发的产品既要技术上先进，又要经济上合理。对企业来说，应当在开发新产品时输入最小的劳动和物质能源的消耗，获取最大的有用价值和利润，这就是新产品开发的经济原则。 5、良性循环原则 所谓产品开发的良性循环，是指产品能正常地更新换代，也就是说，企业开发新产品要有连续性。企业要保证产品开发的良性循环，就要采取这样的措施，即在第一代新产品投入生产的同时，已有第二代新产品在小试，并且开始第三代产品的规划，这种
40、“吃一，看二，眼观三”的策略，有利于保证企业新产品一代接一代，一个系列接一个系列地投入到市场。使企业经常处于生产先进和产品适销对路的良性循环之中。至于何种产品在什么时候开始更新换代，在什么时候投入研制与试销，这主要取决于市场的情形及对市场需求的分析判断。 二、机械产品开发策略二、机械产品开发策略 新产品开发的策略是根据企业的经营目标与实力，并在市场调查和技术调查的基础上制定的。新产品开发不但要考虑新产品的发展方向、类型和品种，而且还要考虑新、名产品的协调和换代以及现有市场和新市场的开拓等问题。 1、产品寿命周期策略 根据产品寿命周期理论，研究和预测产品寿命长短及其发展趋势，相应地可以采取如下策
41、略： （1）改进产品的质量、性能、包装、实用性，或扩大其用途、降低成本和价格等方法，以延长产品寿命周期。 （2）作好产品的更新换代，保持销售的增长势头，力争在现有产品进入衰退期之前将新产品投入市场，以免使市场销售出现空白区，即在生产一代产品的同时，要更新一代，研制一代，预研一代。 2、进攻防御策略 新产品开发决策中采取进攻策略，又称抢先策略。其目的是为了使企业保持技术上的领先地位，或者为了在技术上赶上和超过领先的企业。在新产品开发方面采取进攻策略的企业，一般都有较强的科研开发能力，肯冒风险，有雄厚的财力，国外这些企业每年支出的研究与开发费用相当于销售额的 5左右。这些企业研制的新产品在技术上是
42、先进的，靠新产品占领的市场不会轻易的被竞争对手夺走。这种策略尽管代价昂贵，并有风险，但与成功以后带来的巨大利益相比还是可取的。 防御策略又称紧跟策略。企业并不投资抢先研制新产品，而是市场出现成功的新产品时，就立即进行仿造或加以改进。这种策略的优点是：不需要长期大量投资来从事应用或基础研究；对处于萌芽状态的新产品可加以改进，消除其缺陷而后来居上。但采取这种策略必须具备以下条件：企业有高水平的技术情报专家，能迅速及时地掌握其他企业的研究动向和成果；企业有高效率的研制新产品的能力，行动迅速，能不失时机地解决别人尚未考虑到或未解决的问题；研制的新产品与技术要没有侵权行为。 3、最低成本策略 一种产品能
43、占领广大市场的诀窍在于产品的实用性、质量及价格上。在实用性与质量相当的情况下，产品价格具有最大的竞争优势。决定产品价格的主要因素就是产品的成本，产品成本越低，越有打价格战的本钱。 三、机械产品开发方式三、机械产品开发方式 机械产品开发是一项艰巨的任务，既要有先进的技术水平，又要有正确的决策和现代管理水平。要在机械产品开发中少冒风险，还得要考虑供应市场的适应性和及时性，故必须研究机械产品开发应采取的开发方式。一般说来，机械产品开发方式有技术引进方式、改进现有产品方式和创新研制方式等几种。 1、技术引进方式 技术引进又叫技术输入，从其基本涵义来说，是指引进世界各国取得的先进科技成果为我所用。它是技
44、术引进方通过一定的途径，采用某种方式，以一定的条件从技术输出方取得所需的技术，它是技术买方和卖方的一种合作。 按照技术存在的形态分，技术引进的方式有引进硬件技术和引进软件技术两种；按照技术引进的渠道来看，有贸易渠道方式和非贸易渠道方式；前者如许可证贸易、技术咨询和服务、合作研究和合作生产等，后者如科学技术人员交流、派遣留学生、聘请专家讲学、交流资料和情报等。 2、改进现有产品方式 改进现有产品方式是指采用改进现行产品的质量、开发新的用途或改进工艺生产路线等方式来达到提高产品竞争能力的目的，因此又称为技术改造。 采用该方式可依靠企业现有设备和技术力量，因此具有开发费用低，把握性大和速度快等优点。
45、该方式一般以本企业现有产品为基础，根据用户对产品的新要求，采用改善性能，变换结构，增加功能等措施，形成改进型的新产品和产品系列。 技术改造主要包括增加产品产量的技术改造、增加品种的技术收造、提高产品质量的技术改造、降低成本的技术改造、资源综合利用的技术改造和环境保护方面的技术改造等方式。 3、创新研制方式 创新研制在国外称为进攻型策略，它是开发新产品的根本和源泉，从产品开发的长远规划上考虑，任何企业都应当研究和注意这一开发方式。创新研制是一项系统工程，需要企业组织力量，从市场需求与容量的调查研究入手，从产品原理、结构、性能与生产工艺等方面进行研究，设计制造出具有独创特征的新产品。在研制机械产品
46、时，除了要进行产品本身的技术和工艺先进性的研究开发外，还要考虑到生态与环境污染问题，不能只顾眼前的利益，而破坏可持续发展的生态环境。 开发创新型机械产品有利于产品的更新换代，有利于企业形成技术上的优势。但是，采用创新研制方式，要求企业在技术力量和能力投资上要有雄厚的实力。此外，研制开发新型产品的风险性大，需要高明的预测与决策技术。但如果某种有竞争能力的产品一旦开发成功，企业就可以建立起自己的信誉，能抢先占领市场，并为企业带来巨大的经济效益。 复习思考题 1. 机械由哪几部分组成？ 2. 零件、部件、机构和构件的概念各是什么？ 3. 机械设计包括哪些设计过程？ 4. 常用的机械设计准则有哪些？ 5. 机械产品开发的基本原则有哪些？ 6. 机械产品的开发策略有哪些？ 7. 机械产品的开发方式有哪几种？
