机械设计基本原理

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。
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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）
二 设计准则（从以下三方面研究设计准则）
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：
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、
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
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§1－3 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
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：
动范围（ 、、F 、v …a…l）（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。 6)必须定量估算各零部件的强度、刚度、失效特征及可
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§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；
◆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
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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)等寿命设计理论（日本汽车）
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有固有的内在规律需要揭示。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。
（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）
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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……
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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。 经常要改写公式的表达形式使之更直观和便于计算；
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◆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
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
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第一章 序言
§1－1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,
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，机械设计准则可有以下9种：
(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)
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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向力)
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。
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第二章 设计准则及设计原理 §2－1设计准则
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
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◆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
一 机械设计目标
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。
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2)必须定量估算构件上所受载荷的种类、大小和相对变
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
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g)腐蚀失效，包括：
◆直接化学腐蚀
◆电化学腐蚀
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◆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、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
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）
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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）
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
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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。
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§2－2 几种典型的设计原理简介
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。
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(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、光学、化学现象。
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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
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。)
1 等强度原理 通过几何形状设计和选择材料，力求构件中主
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。
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）
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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。