机械设计基础

第1章 绪论 　　1.1 机器的组成 　　人类在长期的生活和生产实践中，为了代替或减轻劳动、改善劳动条件、提高生产效率，设计和制造出了各种各样的机器。在工业生产和人们的衣、食、住、行等日常生活中，都离不开各种类型的机器。国民经济各部门使用机器的程度是衡量一个国家社会生产力发展水平的重要标志。 　　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。比如电动机将电能转换为机械能，起重机用于起吊搬运物料，照相机用于变换和传递信息。 　　任何一台机器都是由许多机械零件组合而成的，即零件是组成机器的不可拆的基本单元。为实现某种功能而组合在一起进行协同工作的零件组合，称作部件，比如滚动轴承、联轴器、减速器等。根据使用情况，机械零部件可分为两大类：一是在各种机器中普遍使用的零部件，称为通用零部件，如齿轮、键、带、螺栓、螺母等；二是只在一定类型机器中使用的零部件，称为专用零部件，如内燃机的曲轴、汽轮机的叶片等。某些零件固连在一起构成没有相对运动的刚性组合，成为机器中独立的运动单元，称作构件。零件与构件的区别为：零件是制造的基本单元，构件是运动的基本单元。 　　从运动的角度来分析，可以认为机器是由若干机构组成的。每个机构包含若干构件，各构件之间具有确定的相对运动。比如图 1-1所示的单缸内燃机，包括曲柄滑块机构(曲轴 1、连杆 2、活塞 3)、齿轮机构(齿轮 5和齿轮 6)和凸轮机构(凸轮 7、挺杆 8)等机构。 　　按功能划分，一台完整的机器通常包括四个基本组成部分：动力部分、传动部分、执行部分和控制部分。动力部分又称作原动机，是机器工作的动力来源，应用*广的为电动机和内燃机。执行部分是机器直接从事工作的部分。通常，很少有机器将原动机和执行部分直接相连，而需要通过传动部分(又称传动装置)进行运动转换。传动装置的作用包括：①改变转速(如减速、增速、变速等)；②改变运动形式，原动机一般做等速回转运动，而执行部分可能做往复直线运动、摆动、间歇运动等；③实现动力分配，有的机器中可能包含多个执行部分，需要由传动装置实现各执行部分间的动力分配。近年来，随着物联网、人工智能等信息技术的飞速发展，控制部分在机器工作中起着越来越重要的作用。此外，为了使机器更好地工作，通常还需要增加润滑、照明、显示等辅助部分。 　　机械是机器和机构的总称。“机械设计基础”课程主要研究机械中的常用机构和通用零部件的工作原理、结构特点及设计计算方法。 　　图 1-1 单缸内燃机 1-曲轴；2-连杆；3-活塞；4-气缸体； 5-小齿轮； 6-大齿轮；7-凸轮； 8-挺杆 　　1.2 机械应满足的基本要求及机械设计的一般程序 　　1.2.1 机械应满足的基本要求 　　除一些特殊机械外，大多数机械产品应满足以下几个方面的要求。 　　1．使用功能要求 　　机器首先应满足其预期的使用功能要求，如其工作部分的运动形式、速度、运动精度和平稳性、需要传递的功率以及使用上的某些特定要求等。 　　2．安全可靠性要求 　　机器在其设计寿命期内应可靠地工作，不发生各种损坏和失效(定期维护和更换易损件除外)。随着技术的发展，机器的功能越来越先进，结构越来越复杂，可能发生故障的环节越来越多。对于重要的机器，需要通过可靠性设计来确定其工作的可靠度。机器工作中应该有对操作人员的防护措施，以保证人身安全和身体健康。 　　3．经济性要求 　　机器的经济性体现在三个方面：设计制造成本低、使用消耗小、维护费用低。提高经济性的具体措施主要如下。 　　(1)采用先进的现代设计方法，尽可能应用优化设计、并行设计、 CAD技术、虚拟样机技术等设计方法和技术，优化产品结构参数、提高设计效率、降低设计成本。 　　(2)机器设计过程中要注意“三化”，即零件标准化、部件通用化、产品系列化。“三化”可同时提高产品设计、制造和维护等方面的经济性。 　　(3)机器生产过程中尽可能采用自动化生产设备，以及新工艺、新技术和新材料。 　　(4)运用工业工程的相关理论和方法对机器的生产流程进行合理的组织规划。 　　(5)通过选用高效率的传动系统和摩擦学设计，降低机器的使用消耗。 　　4．环境保护要求 　　机器在生产和使用过程中要确保不致造成环境污染，应当尽可能降低噪声水平和二氧化碳的排放，所产生的废气、废液、有害物质等必须进行有效治理，以满足环境保护法规的相关要求。 　　1.2.2 机械设计的一般程序 　　机械设计是一个创造过程，需要将创新与借鉴相结合。一个机械产品的设计要注意创新，否则，就难有市场竞争优势。同时，机械设计过程中应借助前人的设计经验，查阅相关设计资料和手册，以提高设计效率。 　　机械设计的一般程序包括：调查计划、研究设计、试制和批量投产等几个阶段。 　　1．调查计划阶段 　　机械设计是一项有预定目标的活动，其设计任务往往来自于市场需求。开展研究设计之前，首先需要进行调查研究，收集市场上同类或近似机械产品的工作原理、技术经济指标、用户意见和要求、市场供销与竞争形势、技术发展趋势等信息，明确所设计机械产品的用途、功能、主要技术指标和参数范围、预期的成本范围等。然后在调查研究的基础上，拟定产品开发计划书，内容包括：调查结果分析、机器功能、新技术的应用与发展、经济性和环保性分析、计划安排等。 　　2．研究设计阶段 　　研究设计分为总体设计和技术设计两步。 　　总体设计是根据开发计划书中提出的机器功能进行功能分析，确定出功能参数，然后提出解决方案，包括：执行部分的运动和阻力；原动机类型和功率；传动系统的选择，运动和动力计算，确定各级传动比和各轴的转速、转矩和功率等。上述各部分都会有多种选择，可得到技术上可行的若干方案。要从技术、经济及环保等方面进行综合评价，选出*佳方案。 　　技术设计的目的是通过结构设计绘制零件工作图、部件装配图和总装图，并编制设计说明书。设计时需根据总体设计的要求，通过强度、刚度、可靠性等方面的计算，确定机械系统中各零部件的材料、形状、参数尺寸、加工和装配等具体参数和要求。在技术设计过程中，要注意现代设计方法和工具的运用，比如优化设计、有限元分析、计算机辅助设计、可靠性设计、虚拟样机技术等，可大大提高设计效率和设计质量。 　　3．试制阶段 　　试制阶段是根据设计图纸加工制造出物理样机，然后进行样机试验，测试各项性能指标是否达到设计要求，以及零部件强度、刚度、运转精度、振动稳定性、噪声等方面的性能，对设计错误和不妥之处进行修改。需要指出的是，样机试验和设计修改可能需要反复进行。特别是一些隐性设计问题，在短期试验中不会表现出来，比如某些汽车在销售一两年后，才暴露出安全隐患，而进行“召回”。 　　4．批量投产阶段 　　批量投产阶段是在通过样机试验和设计修改后进行的正式生产，需要注意生产工艺、生产效率等方面的问题，以降低生产成本。在产品投放市场后，要做好售后服务，注意用户反馈和市场变化，为产品的进一步改进设计提供依据。 　　上述机械设计的一般程序为传统的产品开发模式，其设计过程逐步推进，是串行的。设计阶段，由于得不到制造、试验及售后服务所反馈的信息，或设计人员在设计零部件时没有充分考虑制造、装配过程中所必须处理的约束和软、硬件的资源限制，因此，常出现设计者设计出来的零部件虽能满足产品性能要求但却不能制造，或制造成本很高，使得在后续过程中不得不反复修改设计，导致产品的开发周期长、成本高、产品质量难以保证等问题。 　　基于上述原因， 20世纪 80年代，美国提出了并行工程的思想，即要求产品开发人员在设计阶段就综合考虑产品全生命周期(从概念形成到产品报废)中制造、装配、检验、质量、维护、可靠度、环境、回收等各环节的影响，通过各环节的并行集成，缩短产品开发周期，降低产品成本，提高产品质量。并行工程的实施需要组织管理技术、过程重构技术、协调管理与协同工作环境、 DFX(Design For X)技术、产品数据管理技术、质量功能配置技术等关键技术的支撑。 　　1.3 机械零件设计概述 　　1.3.1 机械零件的失效与设计准则 　　1．机械零件的失效 　　机械零件在预定的时间内丧失正常工作能力的现象，称作失效。机械零件常见的失效形式有以下几种。 　　1)断裂 　　机械零件在受到外载荷作用时，如果危险截面的应力超过了强度极限就会发生过载断裂。当零件在交变应力下长期工作时，则可能发生疲劳断裂，比如齿轮轮齿根部的折断、滚动轴承保持架的破裂等。 　　2)塑性变形 　　当零件受到的应力超过材料的屈服极限时，零件会产生塑性变形，从而失去原有的几何尺寸和形状，使机器不能正常工作，比如在低速重载下工作的软齿面齿轮就可能发生齿面塑性变形失效。 　　3)零件表面破坏 　　零件的表面破坏有磨损、接触疲劳和腐蚀等形式。磨损是指两个接触表面在相对运动过程中表层材料不断丧失和转移的现象。在接触交变应力作用下长期工作的零件，其表面可能发生点状剥落，即接触疲劳破坏。在潮湿空气或其他腐蚀介质下工作的零件，其表面可能发生腐蚀现象。 　　4)破坏正常工作条件引起的失效 　　某些零件必须在特定条件下才能正常工作，如果破坏了这些**条件，则将发生不同类型的失效。比如带传动传递载荷过大导致了打滑、螺纹连接工作中发生了松动、机床主轴弹性变形过大、高速回转零件出现剧烈振动等，这些情况下零件都没有被破坏，但机器却无法正常工作，故都属于失效。因此，零件的失效并不一定发生破坏。 　　2．机械零件的设计准则 　　机械零件在工作中必然会受到一定的载荷作用，这些载荷欲使零件发生失效，同时零件可通过自身的材料、结构反抗失效。机械零件的设计需要按照一定的设计准则来进行，以确保零件反抗失效的能力大于载荷欲使零件失效的趋势。常用的设计准则有强度、刚度、可靠性、振动稳定性和耐热性准则。 　　1)强度准则 　　强度是机械零件抵抗断裂、塑性变形或表面疲劳破坏的能力。强度准则是指零件中的*大工作应力不超过许用应力，它是零件设计计算*基本的准则，其表达式为 　　(1-2) 　　式中，σ、τ分别为零件工作时的正应力和切应力；[σ]、[τ]分别为零件的许用正应力和许用切应力；σlim、τlim分别为材料的极限正应力和极限切应力，其值与材料性质及受载情况有关（在静应力作用下工作的塑性材料零件，极限应力取屈服极限 σs、τs；在静应力作用下工作的脆性材料零件，极限应力取强度极限 σb、τb；在交变应力作用下工作的零件，许用应力取对应循环特性下的疲劳极限）；sσ、sτ为保证零件工作时具有一定强度裕度而设定的安全系数，其取值可查相关手册。运用理论力学知识，在理想状态下对零件进行受力分析所得到的载荷，称为零件所受的名义载荷。在进行强度计算时，必须考虑机器实际运转时其他附加载荷的影响，使用计算载荷。计算载荷是名义载荷与载荷系数的乘积。 　　2)刚度准则 　　刚度是指零件受载时抵抗弹性变形的能力。零件刚度不足，将改变零件的位置和形状，从而影响机器的正常工作。刚度准则要求零件工作时的弹性变形量不超过许用变形量，一般表达式为 　　(1-3) 　　(1-4) 　　或 　　(1-5) 　　式中，y、θ和 φ分别为零件工作时的挠度、偏转角和扭转角； [y]、[θ]和[φ]分别为零件的许用挠度、许用偏转角和许用扭转角。 　　当零件刚度不足时，可从材料、结构及装配等角度采取措施来提高其刚度，但同类材料的弹性模量相差不大，故用昂贵的合金钢替代普通碳钢并不能有效提高零件的刚度。 　　3)可靠性准则 　　一批满足强度和刚度要求的相同零件，即使在设计的工况条件下和设计寿命内工作，并非所有