第1章機械設計概論

提示：

本章闡述機器、機構等概念，簡述機械設計的要求、一般過程及具體設計的有關問題。

扼要地介紹現代機器的特征及其設計思想和方法。

基本要求：

掌握機器、機構及其組成，特別是機器及機構的特征；掌握機械設計的基木要求和一

般過程；了解方案設計、機械零部件設計的要求及內容；掌握機械零部件設計計算準則、

標準化及材料選用；了解現代機器的特征及其設計思想和方法。

1.1.1機器、機構及其結構組成

機械是各類機器的通稱。它是人類改造自然、發展進步的主要工具。在日常生活和工

作中，我們接觸到很多機器。如摩托車、機器人、汽車等。

構件：機器的種類繁多、外形萬變、用途各異。但從機器的結構組成、機械運動的特

點進行分析，這些不同的機器都是由能產生相對運動的單元體的組合而成，這些單元體稱

為構件。

機構：具有特定結構形狀和運動特征的構件組合稱為機構。

機器組成示例：（內燃機）

各機構的功能：

曲柄滑塊機構：將活塞的往復移動轉化為曲軸的連續轉動

齒輪機構：實現轉動的傳遞

凸輪機構：將凸輪的轉動變換為頂桿的往復移動。

帶傳動機構：將曲軸的轉動傳遞給凸輪軸

綜合：通過上述三個機構的協調工作便能將燃氣的熱能轉換為曲柄轉動的機械能。

結論：機器是由各種機構組成的C一部機器可能由多種機構組成，如上述的內燃機就

是由曲柄滑塊機構、齒輪機構和凸輪機構、帶傳動機構等組合而成；也可能僅由一個最簡

單的機構組成，如電動機就是只包含一個由定子和轉子所組成的雙桿回轉機構。

機器的共同特征：

從上述例子以及對其他不同機器的分析可以得到機器的共同特征：

（1）它們都是人們根據某種使用要求而設計創造的一種裝置。

（2）它們必須執行確定的機械運動。

（3）用于完成包括機械力、運動和能量轉換等動力學任務。

相對于機器而言，機構主要反映機器的機械運動傳遞和運動形式轉換的特征。

構件和零件：

零件：

從制造和裝配的觀點看，機器是由許多獨立加工、獨立裝配的單元體所組成，這些單

元體稱為零件。

一個構件可以是一個零件，如圖中的曲軸：

但往往由于結構、工藝等方面的原因，構件可由幾個零件所組成，這些零件被剛性地

連接在一起成為一個運動整體。圖示的連桿就是由單獨加工的連桿體、連桿頭、軸瓦和、

軸套、螺栓、螺母、開口銷等零件組成的一個剛性構件，各個零件之間沒有相對運動。

機構的廣義化：

需要指出：隨著科學技術的的進步，組成機構的構件已不能都簡單地作為剛體處理，

某些構件可以是撓性的或彈性的；有時侯液體、氣體及電磁也參與實現機械運動的傳遞和

變換。

部件：在工程中，常常把組成機器的某一部分的零件組合體稱為部件，如減速器、變

速器、聯軸器、離合器、制動器等。這些部件用以完成特定的工作，企業往往把它們獨立

加工裝配。

1.1.2機器的功能組成

作為一部完整的機器，僅具有上述的機械部分是不夠的，它不能完成預期的工作。從

功能和系統的角度來看，機器一般主要由五部分組成，如圖所示。

(1)動力系統

動力系統包拈動力機及其配套裝置.；它的功能是向機器提供運動和動力，是機械系統

的動力源。如圖的電動機。另外還有內燃機、液壓馬達、氣馬達、液壓缸、氣缸及電磁驅

動等。

傳動系統

（2）執行系統

執行系統包括執行機構和執行構件，它的功能是驅動執行構件按給定的運動規律運動,

實現預期的工作。執行系統一般處于機械系統的末端，執行構件直接與工作對象接觸。執

行系統可以只包含一個執行機構和多個執行構件，如上圖所示的曲柄沖壓機，其曲柄、連

桿、滑塊及沖頭組成曲柄滑塊機構為沖壓執行機構，滑塊及沖頭是執行構件。

執行系統也可以由幾個執行機構組成，如圖中的自動曲柄沖壓機，其執行機構除曲柄

滑塊機構外，還有由氣缸及推料頭組成的送料機構，它們配合完成沖壓-送料工作。

(3)傳動系統

傳動系統是把動力系統的運動和力傳遞給執行系統的中間裝置。如圖中的齒輪和皮帶

輪都是將電機輸出的運動和力傳遞給曲柄沖壓機構。

(4)操縱系統和控制系統

操縱系統和控制系統都是為了使動力系統、傳動系統、執行系統彼此協調工作，并準

確可靠地完成整機功能的裝置。

操縱系統：多指通過人工操作以熨現上述要求的裝置。如圖A中的離合器是通過由連桿

等構件組成的踏板機構控制其離合，實現傳動的接入和分離。另外還有起動、制動(如圖

A中的制動器)、變速、換向等裝置。

控制系統:是指通過人工操作或測量元件獲得的控制信號，經由控制器，使控制對象改變其

工作參數或運行狀態而實現上述要求的裝置。如圖中的電磁鐵，電控換向閥和電控箱等組

成了控制系統，協調沖壓、送料等動作配合，實現自動化操作。

（5）框架支撐系統及其他的輔助系統

框架支撐系統：包括基礎件（如床身、底座、立柱等）和支撐構件（如支架、箱體

等）。它用于安裝和支承動力系統、傳動系統和操作系統等，如圖A和圖B中的機身。

機器各部分的位置精度、運動精度及機器的承載能力等主要依靠框架支撐系統來保證,

該系統是機械系統中必不可少的部分。

此外，根據機械系統的功能要求，還有一些輔助系統，如潤滑、冷卻、顯示、照明等。

2現代機器及其主要特征

（1）現代機器及其組成

隨著伺服驅動技術、檢測傳感技術、自動控制技術、信息處理技術、材料及精密機械

技術、系統總體技術的飛速發展，使傳統機械在產品結構和生產系統結構等方面發生了質

的變化，形成了一個嶄新的現代機械工業。現代機器已經成為一個以機械技術為基礎，以

電子技術為核心的高新技術綜合系統。

現代機器的定義：由計算機信息網絡協調與控制的、用于完成包括機械力、運動和能

量轉換動力學任務的機械和(或)機電部件相互聯系的系統。

這個定義突出計算機在現代機器中的協調控制的核心作用，同時也強調了現代機器的

主要功能仍然是執行機械運動、完成有用功和能量的轉換。

現代機器的組成

焊接機器人就是典型的現代機器，它的執行系統是操作機，該系統可以實現六個

獨立的回轉運動，完成焊接操作。驅動系統按動力源的不同可分為電動、液動或氣動，其

驅動機為電動機、液壓馬達、液壓缸、氣缸及氣馬達。傳動系統可以是齒輪傳動、諧波傳

動、帶傳動和鏈傳動等。也可以將上述驅動機直接與執行系統相連。控制系統是控制器，

它由計算機硬件、軟件和一個專用電路組成。框架支撐系統是機座。另外還有焊接電源裝

置等C焊接機器人由計算機協調控制操作機的機械運動，用于完成各種焊接T作C

(2)現代機器的主要特征

現代機器是由機械技術與電子技術有機結合的一個全新系統。它與傳統機器比較，具

有以下主要特征：

功能增加柔件提舟

如機械加工中心就可以將多臺普通機床上的多道工序在一次裝夾中完成。只要

改變控制器的控制程序就能改變加工工序等，完成不同的工作。并且還有自動

檢測、自動診斷、自動保護及自動顯示等功能。改變了普通機床的功能單一、

操作復雜等缺點，實現了多功能化和柔性化。

結構諭化改善件能

I由于控制技術、驅動技術、檢測傳感技術及精變機械技術等的發展，現代機器

的傳動系統和執行系統荏結構上得以大大的簡化.因此，現代機械的性能得到

很大的改善，主要有：體積減小、重量減輕、精度提高、改善了工作可靠性和

穩定性、延長了機器的壽命等。如一臺微機控制的精密插齒機，其機械零、部

件比普通插齒機減少了30%,精度提高了一個數量級。

［效率提島成木好低

如上述的焊接機器人再配置變位機（工作臺）等就組成了焊接工作站。該工作站

可以24小時連續自動焊接，提高了生產率，降低了成本。

必須強調指出：在現代機器中機械系統是不可缺少的重要組成部分，機械系統和電子

系統在不同的場合具有不同的優勢。因此，現代機器要求綜合考慮機、電、硬、軟等方面

的特性，使系統各部分合理匹配，實現整體的最佳化。

1.2機械設計概述

L2.1機械設計的基本要求

機械設計的最終目的是為市場提供優質高效、價廉物美的機械產品，在市場競爭中取

得優勢，贏得用戶，取得良好的經濟效益。

產品的質量和經濟效益取決于設計、制造和管理的綜合水平，而產品設計則是關鍵。

沒有高質量的設計，就不可能有高質量的產品；沒有經濟觀念的設計者，決不可能設計出

性能價格比好的產品。據統計，產品質量事故，約有50%是設計不當造成的；產品的成本

60M70%取決于設計。因此，在機械產品設計中，特別強調和重視從系統的觀點出發，合理

地確定系統的功能；重視機電技術的有機結合，注意新技術、新工藝及新材料等的采用；

努力提高產品的可靠性、經濟性及保證安全性。以下簡述機械設計應滿足的基本要求。

1滿足社會需求

2可靠性的要求

3經濟性要求

4安全性要求

1滿足社會需求

機械產品的設計總是以社會需求為前提，一項產品的性能應盡量滿足用戶的需求。

沒有需求就沒有市場，也就失去了產品存在的價值和依據。社會的需求是變化的，不同時

期、不同地點、不同的社會環境就會有不同的市場行情和需求。產品應不斷的更新改進，

適應市場的變化；否則就會滯銷、積壓，造成浪費，影響企業的經濟效益，嚴重時甚至導

致企業的倒閉。所以，設計師必須確立市場觀念，以社會需求和為用戶服務作為最基本的

出發點。

所謂需求，就是對功能的需求，用戶購買產品就是購買產品的功能。產品的功能是與

技術、經濟等因素密切相關的。通常隨著功能的增加，產品的成本也隨之上升。所以設計

師就必須進行市場調查和用戶訪問，查清市場當前的需求和預測今后的需求，然后對產品

進行功能分析，遵循保證基本功能、滿足使用功能，剔除多余的功能、增加新穎功能、恰

到好處地利用功能原則，提高功能價值，降低實現成本，力求提高產品的競爭力

2可靠性的要求

可靠性是指產品在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能的能力。這里所指的〃

產品〃可以是零件、部件等，也可以是整機系統。〃規定條件〃是指對產品進行可靠性考核時

所規定的使用條件和環境條件，包括載荷狀況、工作制度、應力、強度、濕度、粉塵及腐

蝕等，也包括操作規程、維修方法等。〃規定時間〃是指對產品可靠性考核是所規定的時間,

包括運行時間、應力循環次數、行駛的里程等C〃規定功能〃是指對產品考核的具體功能，

產品規定功能的喪失稱為失效，對可修復產品的失效也稱為故障。

可靠性是衡量產品質量的一個重要指標，提高產品可靠性的最有效的方法是進行可靠

性設計。設計者應從整機系統出發，對可能發生的故障和失效進行預測和分析，采取相應

的預防措施；對整機系統可靠性有關鍵影響的另部件應進行可靠性分析和設計。衡量產品

可靠性的指標有很多，機械產品常用的可靠性指標主要有可靠度R、失效概率F及失效率

人等。

機械設計的基本要求

可靠度R：指產品在規定的條件下和規定的時間內（壽命）完成規定功能而不發生故

障或失效的概率，0WRW1。

失效概率F:指在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能時發生故障或失效的

概率。失效概率也稱不可靠度，0WFW1。因為失效和不失效是對立事件，所以F=l-R。

失效率入：是指產品工作到某一時刻后，在單位時間內發生失效或故障的概率，失效

率也稱為故障率。機械產品典型的故障率曲線如圖1.7所示，因其形狀象浴盆，故常稱為

浴盆曲線。根據故障率的變化趨勢，通常將故障分為初期、穩定期（偶發）及耗損期。

■H時間

累績的動健無命.

雄修仁的功傕左命

初期故障通常是由機器中某些可靠性較差的另部件引起的，也可由設計中的不當或制造裝

配中的缺陷引起。

穩定期故障主要由一些偶發因素引起，如操作不當、運行條件的突然變化、過載及另部

件的偶然性缺陷等，所以又稱為偶發故障。

功能壽命（有效壽命）指偶發性故障所對應的運行時間，它是產品能有效工作的時間

耗損期故障另部件因老化、磨損、疲勞等原因，故障率顯著上升，這時機器的效率下降,

生產率降低，意味著機器正常壽命的終結。

在穩定期，機器如能得到良好的維修，及時更換磨損、疲勞及老化的另部件則整機系統的

故障率顯著下降，功能壽命得以延長。因此，在設計階段就應考慮機器的易維修性，使機

器易于檢查、發現和排除故障，為了便于維修，整機系統的薄弱環節（易損件等）盡量作

成獨立部件或采用標準件、通用件，并設計成容易拆卸和更換的結構等。

\經姓假而

偶發故障’故障率卜好

0一系統的功能先命，

紂修元的功能壽命

3經濟性要求

提高產品的經濟性，既是增加產品市場競爭力、贏得用戶的需要，也是節約社會勞動、

提高社會效益的需要。提高產品的經濟性是以壽命周期成本最低為目標的。

壽命周期成本是指產品從規劃、設計、制造、使用直至報廢的整個壽命周期內所支出

費用的總和。

壽命周期成本二生產成本+使用成本

生產成本二直接成本+間接成本

直接成木主要包括研究與設計、材料及采購，加工和裝配等與生產直接有關的各項成

本；

間接成本主要包括管理、銷售、廣告、公用事業、保險福利、研究開發及利息等各項非直

接生產環節的支出分攤到該產品的成本。

銷售價格:生產成本+利潤+稅金

使用成本包括運行成本和維修成本。機械產品通常是壽命周期較長的耐用消費品，其使用

費用累積額可能相當可觀。

。、

維保率生等計

案，短類

方易效件設

命果縮動

理及造條構

壽低結、傳作結

島原計制率與

產能本計工和

成設產常

功設及計

產的生通

的高式設

生確高率

佳提方案

、精提效滑

。最，方

少能，的潤在

面到術

耗可配統、。

方得技裝系

兒能盡類關

選造易動

下、到制種有

篩達、傳

-'高的數

-以進

I。。

化率，工劑參

有先。件率

優效化加滑及

要，是料部效

有優易澗構

主思別材另的

期具最、、結

周慮構特新少的統

木，數，況構

木命考新和料化系

本成成卷下參術狀機

成購度創用行

配提計構用滑、

計采本木配角過技結通執

設及裝成成七前設M其潤型

的A及和

究料和信打通的使C新使擦類

研M加雄運計，/、，化統

,,...求，D摩的

”bcde設上A藝

要法C性列徑系、構。

究從礎方工藝系。動

研性性用途態機施

，基、耗傳

濟靠造應新工的性行措

“：性的、化能于

經可制地的性的執的

徑濟析術準低決

的和。計能構。濟面與率

途經分設技結標降取

造求點可本經表率效

的的能代新件用、要

制要特盡。成修作效高

性造功現用部采率主

濟和制能的。本產維工的提

計品的采另地和效率

_功性性成生、統慮

?.歲經和

WT.—?產地度的效

設足濟進靠造高低用式系考

品計成能限品的

高滿經先可制提降使形行分

產設完可大產器

提在好用的計力，高構執充

高高在盡最高機

、案良采器設努期提結；應

提1提、、、、、提

方低周2、關，

）等）機））））

1該修2證降34產51型有時

2）合理地確定機器的經濟壽命

機器的壽命分為以下三種：

功能壽命機器從開始使用至其主要功能喪失而報廢所經歷的時間；

技術壽命機器從開始使用至因技術落后而被淘汰所經歷的時間；

經濟壽命機器從開始使用至繼續使用其經濟效益顯著變差所經歷的時間。

在科學技術高速發展的時代，機器的經濟壽命、技術壽命大大短于功能壽命。按成本最低

的觀點，機器更新的最佳時間應由其經濟壽命確定。在設計中單純追求長壽命是不恰當的,

應合理地確定機器的經濟壽命。

3）提高維修的經濟性

維修能延長機器的使用壽命，是保證良好的技術狀況及正常運行的技術措施，但必須

以付出一定的維修費用及停機費用為代價。因此，以盡可能少的維用換取盡可能多的使用

經濟效益，是機器進行維修的原則。

4安全性要求

機器的安全性包括兩方面：

（1）機器執行預期功能的安全性，即機器運行時系統本身的安全性，如滿足必要的強度、

剛度、穩定性、耐磨性等要求。因此，在設計時必須按有關規范和標準進行設計計算。另

外，為了避免機器由于意外原因造成故障或失效，常需要配置過我保護、安全互鎖等裝置。

如為了保證傳動系統在過載時不致損壞，常在傳動鏈中設置安全離合器或安全銷。又如，

為保證機器安全運行，離合器與制動器必須設計成互鎖結構，即離合器與制動器不能同時

工作。

（2）人-機-環境系統的安全性

機器是為人類服務的，同時它又在一定的環境中工作，人、機、環境三者構成一個特的系

統。機器工作時不僅機器本身應具有良好的安全性，而且對使用機器的人員及周圍的環境

也應有良好的安全性。安全性包括兩方面的內容。

I）?療動安個

為了保陵操作人員的安全，應在機器的醒目位置標明有關安全方面的警告，尤其機器運

行時可能對人體造成飭害的危險部位，實行切實有效的保護。例如采用防護罩、安全擋

飯等，把危險部位同人體隔離開。對人體易誤入的危險區域，必須設置保安裝置、報警

裝置等。

r2）環境保護’

所設計的機器應符合環境保護法現及標準，如"三廢"治理、除塵、防爆、防火、防毒及

歌聲控制等方面的要求.

在滿足安全性要求的基礎上，在設計上應以人為主體協調處理好人、機、環境三者的關

系，力求產品功能完善，造型色彩大方宜人，人-機接口親切、方便，要對人類的生存

環境得到保護和改善。

在滿足安全性要求的基礎上，在設計上應以人為主體協調處理好人、機、環境二者的

關系，力求產品功能完善，造型色彩大方宜人，人-機接口親切、方便，要對人類的生存環

境得到保護和改善

1.2.2機械設計的類型

機械設計是一項創造性勞動，同時也是對已有成功經驗的繼承過程。根據實際情況的

不同可以分成三種類型：

開發性設計機械產品的工作原理和具體結構等完全未知的情況下，應用成熟的科學技術或

經過實驗證明是可行的新技術，開發設計新產品，這是一種完全創新的設計。

適應性設計對現有機械產品的工作原理、設計方案不變的前提下，僅作局部變更或增加附

加功能，在結構上作相應調整，使產品更能滿足使用要求。

變形設計機械產品的工作原理和功能結構不變，為了適應工藝條件或使用要求，改變產品

的具體參數和結構。

1.2.3機械設計的一般過程

機械產品設計的過程是一個復雜的過程，不同類型的產品、不同類型的設計，其產品

的設計過程不盡相同。產品的開發性設計過程大致包括規劃設計、方案設計、技術設計、

施工設計及改造設計等三個階段,如圖示。

1規劃設計

1）市場調查

在明確任務的基礎上，廣泛的開展市場調查。其內容主要包括用戶對產品的功能、技

術性能、價位、可維修性及外觀等具體要求；國內外同類產品的技術經濟情報；現有產品

的銷售情況及該產品的預測；原材料及配件供應情況；有關產品可持續發展的有關政策、

法規等。

2）可行性分析

針對上述技術、經濟、社會等各方面的情報進行詳細分析并對開發的可能性進行綜合

研究，提出產品開發的可行性報告，報告一般包括以下內容：

（1）產品開發的必要性，市場需求預測；

（2）有關產品的國內外水平和發展趨勢；

（3）預期達到的最低目標和最高目標，包括設計技術水平、經濟、社會效益等；

（4）在現有條件下開發的可能性論述及準備采取的措施；

（5）提出設計、，藝等方面需要解決的關鍵問題；

（6）投資費用預算及項1=1的進度、期限等.

3）技術任務書

技術任務書下達對開發產品的具體設計要求，它是產品設計、制造、試制等評價決策

的依據，也是用戶評價產品優劣的尺度之一。

技術任務書的具體內容主要包括：

（1）產品功能、技術性能、規格及外型要求；

（2）主要物理、力學參數、可靠性、壽命要求；

（3）生產能力與效率的要求；

（4）環境適應性與安全保護要求；

（5）經濟性要求；

（6）操縱、使用維護要求；

（7）設計進度要求。

2方案設計

市場需求的滿足是以產品功能來體現的。實現產品功能是產品設計的核心，體現同一

功能的原理方案可以是多種多樣的。因此，這一階段就是在功能分析的基礎上，通過創新

構思、優化篩選，取得較理想的功能原理方案。產品功能原理方案的好壞，決定了產品的

性能和成本，關系到產品的水平和競爭力，它是這一設計階段的關鍵。

方案設計包括產品功能分析、功能原理求解、方案的綜合及評價決策，最后得到最佳

功能原理方案。對于現代機械產品來說，其機械系統（傳動系統和執行系統）的方案設計

往往表現為機械運動示意圖（機械運動方案圖）和機械運動簡圖的設計。

3技術設計

技術設計的任務是將功能原理方案得以具體化，成為機器及其零部件的合理結構。在

此階段要完成產品的參數設計（初定參數、尺寸、材料、精度等）、總體設計（包括總體

布置圖、傳動系統圖、液壓系統圖、電氣系統圖等）、結構設計、人機工程設計、環境系

統設計及造型設計等，最后得到總裝配草圖。

4施工設計

施工設計工作內容包括由總裝草圖分拆冬件圖，進行零部件設計，繪制事件工作圖、

部件裝配圖；最后繪制總裝圖；編制技術文件，如設計說明書、標準件及外購件明細表、

備件和專用工具明細表等。

5改進設計

改進設計包括樣機試制、測試、綜合評價及改進，以及工藝設計、小批生產、市場銷

售及定型生產等環節。

根據設計任務書的各項要求，對樣機測試，發現產品在設計、制造、裝配及運行中的

問題，細化分析問題。在此基礎上，對方案、整機、另部件作出綜合評價，對存在的問題

和不足加以改進。

工藝設計包括兩方面的內容：

1)制定零件制造與裝配工藝，設計與生產批量相適應的工藝裝備及專用設備。

2)標準化、系列化檢查，盡量采用標準化、系列化、通用化的另部件，所有文檔資料符

合標準化的要求。

通過小批生產及市場銷售反饋對產品設計、工藝設計及牛.產規模實踐考核，在進一步

完善的基礎上，進入定型生產。

必須強調指出，整個機械設計的過程的是復雜的，反復進行的。在某一階段發現問題,

必須回到前面的有關階段進行并行設計。因此，整個機械設計的過程是一個不斷反復、不

斷修改、不斷完善的過程，以期逐漸接近最佳結果。

1.3方案設計和機械零部件設計簡述

機械系統的方案設計和機械零部件設計是機械設計過程的重要內容，是決定機械產品

質量、水平、性能和經濟效益的關鍵。

1.3.1方案設計的主要內容及要求

L方案設計的主要內容

機械系統方案設計包括以下幾項內容：

⑴功能原理設計根據產品所要實現的功能，提出一些工作原理方案及相應的工藝動作構

思，這一過程就是功能原理設計。

⑵機械運動原理方案設計根據功能原理方案設計中提出的工藝動作過程及各動作的運動

規律要求，選擇若干種類型的機構，用一定的順序把它們組合成一個機構系統，該系統能

合理地、可靠地完成上述工藝動作過程，機械運動原理方案設計又稱為機構的型綜合。

⑶機械運動簡圖設計根據各工藝動作的運動規律和運動協調條件，確定機械運動方案中

各機構的運動尺寸。上述表達機構系統各機構結構形式、相互間聯接情況及運動尺寸的圖

就是機械運動簡圖。機械運動簡圖設計又稱為機構的尺度綜合。

2.方案設計的基本要求

根據機械設計的基本要求，在方案設計階段應滿足的主要要求是：

(1)運動要求機構系統應滿足I藝動作提出的運動形式、運動規律、運動協調性及運動精

度等要求。

⑵動力要求機構系統的動力參數應滿足機械的T作要求，具有機械效率高、速度波動小、

平衡精度高、沖擊振動小等良好的動力特征。

⑶經濟性要求機構系統應滿足機構結構組成簡單、布局合理、易加工制造、使用維修方

便等要求。

另外，機構系統工作穩定可靠、操作方便、環境的適應性也都是不可忽視的要求。

1.3.2機械零部件設計概述

1.設計的主要內容和要求

機械零部件設計是機械設計的重要組成部分，機械運動方案中的機構和構件只有通過

零部件設計才能得到用于加工的零件工作圖和部件裝配圖，同時它也是機械總體設計的基

礎。機械零部件設計的主要內容包括：根據運動方案設計和總體設計的要求，明確零部件

的工作要求、性能、參數等，選擇零部件的結構構形、材料、精度等，進行失效分析和工

作能力計算，畫出零件圖和部件裝配圖。

機械產品整機應滿足的要求是由零部件設計所決定的，機械零部件設計應滿足的要求為：

①工作能力要求具體有強度、剛度、壽命、耐磨性、耐熱性、振動穩定性及精度等；

②工藝性要求加工、裝配具有良好的工藝性及維修方便；

③經濟性要求主要指生產成本要低。

此外，還要滿足噪聲控制、防腐性能、不污染環境等環境保護要求和安全要求等。以

上要求往往互相牽制，需全面綜合考慮。

2.零件的失效形式和計算準則

機械零件由于各種原因不能正常工作而失效，其失效形式很多，主要有斷裂、表而壓

碎、表面點蝕、塑性變形、過度彈性變形、共振、過熱及過度磨損等。

為了保證零件能正常工作，在設計零件時應首先進行零件的失效分析，預估失效的可能性,

采取相應措施，其中包括理論計算，計算所依據的條件稱為計算準則，常用的計算準則有:

⑴強度準則強度是機械零件抵抗斷裂、表面疲勞破壞或過大塑性變形等失效的能力。強

度要求是保證機械零件能正常工作的基本要求，其典型的計算公式為

OW［。］=。lin/s(MPa)

式中：。-零件的工作正應力

［。］-材料的許用正應力

。必-材料的極限正應力

s-安全系數

⑵剛度準則剛度是指零件在載荷的作用下，抵抗彈性變形的能力。剛度準則要求零件在

載荷作用下的彈性變形y在許用的極限值［y］之內，其表達式為y＜［y］c

⑶振動穩定性準則對于高速運動或剛度較小的機械，在工作時應避免發生共振。振動穩

定性準則要求所設計的零件的固有頻率E。應與其丁作時所受激振源的頻率E錯開.

當時,要求&Q1.15&

當。＜&時，要求乙＜0.859

(4)耐熱性準則機械零部件在高溫工作條件下，由于過度受熱，會引起潤滑油失效、氧化、

膠合、熱變形、硬度降低等問題，使零件失效或機械精度降低。因此，為了保證零部件在

高溫下正常工作，應合理設計其結構及合理選擇材料，必要時須采用水冷或氣冷等降溫措

施。

⑸耐磨性準則耐磨性是指相互接觸并運動零件的工作表面抵抗磨損的能力。當零件過度

磨損后，將改變其結構形狀和尺寸，削弱其強度，降低機械精度和效率，以致零件失效報

廢。因此，機械設計時應采取措施，力求提高零件的耐磨性。

關于磨損的計算，目前尚無簡單可靠的理論公式，常采用條件性計算。一是驗算比壓

P不超過許用值[p],以保證工作面不致因油膜破壞而產生過度磨損；二是對滑動速度v比

較大的摩擦表面，為防止膠合破壞，要限制單位接觸表面上單位時間產生的摩擦功不能過

大。當摩擦系數f為常數時，可驗算PV值不超過許用值[pv]。其表達式為

pW[p](MPa)

pv^[pv](MPa)

(6)可靠性準則機械系統的可靠性是靠零件的可靠性要求來保證的。對于重要的機械

零件要求計算其可靠度R,并作為可靠性的指標。其一般表達式為

R=NS/No=l-Nf/No

式中：川-在一定的工作條件下和在規定時間t(壽命)內實驗零件總數，

式-正常工作零件數，

M-失效零件總數，No^+Nfo

3.機械零件的設計計算

機械零件的主要尺寸常常需要通過理論計算確定。理論設計計算是根據零件的結構特

點和工作情況，將它合理簡化成一定的物理模型，運用理論力學、材料力學、流體力學、

摩擦學、熱力學、機械振動學等理論或利用這些理論推倒出設計公式、實驗數據進行設計。

理論設計計算可分為設計計算和校核計算兩種。

⑴設計計算按設計公式直接求得零件的有關主要尺寸。

⑵校核計算已知零件各部分的尺寸，用設計公式校核它是否滿足有關的設計計算準則。

為了使設計計算的結果更符合實際，應該多方面參考過去成功的設計和實踐積累的經

驗關系式、統計數據等。對于一些大型、結構復雜的重要零件，必要時還可以進行模型實

驗或實物實驗。

4.機械零部件的標準化

在機械設計中應盡可能地遵循標準化的原則C機械產品標準化的內容包括標準化、系

列化和通用化等三方面，簡稱機械產品的〃三化〃。

標準化是對機械零件的種類、尺寸、結構要素、材料性能、檢驗方法、設計方法、公

差配合及制圖規范等制定出相應的標準，供設計、制造及修配中共同遵照使用。如螺栓、

螺母、墊圈等的標準化。

系列化是指產品按主要參數分檔，形成一定系列的產品，這樣可用較少規格的產品滿

足不同的需要，如圓柱齒輪減速器系列，系列化是標準化的重要組成部分。

通用化是對不同規格的同類產晶或不同類產晶，在設計中盡量采用相同的零件或部件,

如幾種類型不同的轎車可以采用相同的輪胎。通用化是廣義的標準化。

標準化的意義表現為：

⑴能以最先進的方法對用途廣泛的零件進行專業化的大規模生產，以提高質量，降低

成本。

⑵可以減輕設計工作量、縮短設計周期，提高設計質量及降低設計費用。

⑶具有互換性，便于維修更換。

我國現行標準分為國家標準（GB）、行業標準（如川、YB等）及企業標準等三個等級。

標準又分為必須執行（如制圖標準、螺紋標準等）和推薦使用（如直徑標準等）兩種。為

了便于國際間的交流與合作，我國的國家標準現已盡可能地靠攏、符合和采用國際標準

（ISO）o

L3.3機械零件的材料選用原則

機械零件所用的材料足各種各樣的，即使同一種零件也可以選擇不同的材料。因此，

如何選擇零件的材料是零件設計的重要一環。以下提出材料選用的主要原則，供設計時考

慮。

L滿足零件的使用要求

機械零件的使用要求主要有以下幾點：

（1）零件承受工作載荷的能力，主要從載荷的特點、強度、及剛度等方面考慮；

（2）零件的工作條件（運動速度等）及工作環境（溫度、潮濕、腐蝕等）；

（3）耐磨性、壽命、可靠性等要求；

（4）零件尺寸和質量的要求。

設計零件應以零件承受工作載荷的能力為主，綜合考慮其他因素，合理地選擇材料。

如零件受力較大且有較大的沖擊載荷，工作速度較高、可靠性要高，而且要求零件的尺寸較

小、重量較輕，應采用高演度合金鋼制造，并要熱處理及精加丁.

2.滿足零件的工藝性要求

在熟悉材料的工藝性的前提下，根據零件的結構復雜程度、尺寸大小、生產批量的大

小、毛坯制造及機械加工的特點，分析比較，合理選擇機械零件的材料。對于結構復雜、

尺寸大的零件，因難以鍛造，宜采用鑄造或焊接，所選的材料必須具有良好的鑄造工藝性

（液態流動性、收縮率、偏析及縮孔等），或焊接工藝性（可焊性、焊縫裂紋的傾向性等），

同時零件的結構要適應鑄造或焊接的要求。需要鍛造的零件必須考慮材料的延展性、熱脆

性等。鑄造、模鍛、沖壓等適用于零件的大批量生產，焊接、自由鍛使用于單件或小批量

生產。對于需切削加工的零件要考慮材料的宜切削性能及己切削表面的粗糙度等。

熱處理對改善材料的機械性能有很大的作用，必須根據零件的使用要求、尺寸大小、

結構復雜程度及工藝要求，合理選擇材料及熱處理工藝。

3.滿足經濟性要求

材料的經濟性主要從以下幾個方面考慮：

（1）材料的相對價格：同樣能滿足使用要求的前提下，應采用價格相對低的材料；

（2）考慮不同材料的加工（毛坯制造、機械加工及熱處理等）成本；

（3）采用局部品質的原則，如蝸輪的齒圈用銅合金，輪芯采用鑄鐵或碳鋼：

（4）材料的利用率，如采用無切削或少切削的材料及工藝；

（5）考慮材料的供應狀況及儲運成本。

1.4現代機械設計思想和方法簡介

1.4.1傳統機械設計的局限性

機械設計是人類為了實現某種預期的目標而進行的一種創造性活動。傳統機械設計的

特點是：以長期經驗積累為基礎，通過力學、數學建模及試驗等所形成的經驗公式、圖表、

標準及規范作為依據，運用條件性計算或類比等方法進行設計。傳統設計在長期運用中得

到不斷的完善和提高，目前在大多數情況下仍然是有效的設計方法。

局限性

①方案設計時憑借設計者有限的直接經驗或間接經驗，通過計算、類比分析等，以收

斂思維方式，過早地確定方案。這種方案設計既不充分又不系統，不強調創新，因此很難

得到最優方案。

②零部件設計中，僅對重要的零部件根據簡化的力學模型或經驗公式進行靜態的或

近似的設計計算，其他零部件只作類比設計，與實際工況有時相差較遠，難免造成失誤。

③傳統設計偏重于考慮產品自身的功能的實現，忽略人一機一環境之間關系的重要

性C

④傳統設計采用手工計算、繪圖，設計的準確性差、工作周期長、效率低。

1.4.2現代機械設計思想

近30年來，由于科學和技術迅速發展，特別是計算機技術和信息技術的發展和應用，

給機械產品設計和制造帶來革命性的變化。另一方面，隨著社會進步和人類文明的發展，

對現代機械產品設計已不能僅考慮產品本身，而且還要充分考慮對系統和環境的影響；不

僅考慮當前，還需考慮長遠發展.

總之，在機械設計已進入現代設計階段，它要求在繼承和發展傳統設計的基礎上，將

自然科學、技術科學、社會科學及藝術科學等有關知識有機的融合在一起，形成一門嶄新

的設計知識體系。以下概略地介紹現代機械設計思想和方法。

1.創新思維和方法

創造力和創造力的開發

設計的本質是創造和革新。現代機械設計強調創新設計，要求在設計中更充分地發揮

設計者的創造力，利用最新科技成果，在現代設計理論和方法的指導下，設計出更具有競

爭力的新穎產品。

創造力設計者的創造力是多種能力、個性和心理特征的綜合表現，它包括觀察能

力、記憶能力、想象能力、思維能力、表達能力、自控能力、文化修養、理想信念、意志

性格、興趣愛好等因素。其中想象能力和思維能力是創造力的核心，它是將觀察、記憶所

得信息有控制地進行加工變換，創造表達出新成果的整個創造活動的中心。

創造力的開發創造力的開發可以從培養創新意識、提高創新能力和素質、加強創

新實踐等方面著手。設計者不是把設計工作當成例行公事，而是時刻保持強烈的創新愿望

和沖動，掌握必要創新方法，加強學習和鍛煉，自覺開發創造力，成為一個符合現代設計

需要的創新人才。

創新思維法則：

創新思維創造力的核心是創新思維。創新思維是一種最高層次的思維活動，它是

建立在各類常規思維基礎上的。人腦在外界信息激勵下，將各種信息重新綜合集成，產生

新的結果的思維活動過程就是創新思維。

創新思維的主要特征思維方法的多樣性、開放性，思維過程跳躍性、潛意識的自

覺性，思維結果的頓悟性、新穎性和獨特性。

機械設計的過程是創新的過程C設計者應打破常規思維的慣例，追求新的功能原理、

新方案、新結構、新造型、新材料、新工藝等，在求異和突破中體現創新。

根據創新思維過程的分析，總結出如下的創新思維法則（原理），在設計中主動運用,

提高創新設計能力。

?以后虧扁遍遍一一一~3

分析與源合思維法則就是在明確創新對象的問題、要求及任務等的基礎上，首先對問題進行分析，對于復雜

問題，要將耳分解為邏輯層次與關系清晰的各級子問題，分別加以分析研究，梳理出問題的本質，求得各個子問

題的解。然后通過綜合，求得總體解。分析與媒合的過程往往是交叉的、反復進行的過程，借助各種評價手段，

最終涔到最優解，該思雄法則是典型的邏輯思維型創新思雄.

機械系統方案設計是典型的分析與蹤合思維法則的應用.以該思維法則形成功能分析與綜合的創造性設計框架，

在融入下述各種創新思維法則，實現方案的創新設計，詳見23章.

「力夯港拓初礪廠^~一口

發散思維又稱輻射思維或求異思維等.它是以欲解決的問題為中心，思維者打破常規，從不同方向，多角

度、多層次地考慮問題，求出多種答案的思維方式.例如，若提出,將兩零件聯結在一起"的問題，常規的辦法有

螺紋聯結、焊接、膠接、柳技等，但運用發散思維思考，可以得到利用電磁力、摩擦力、壓差或真空、綁縛、冷

凍等方法.發散思維是創造性思維的主要形式之一，在技術創新和方案設計中具有重要的意義。

收斂思維又稱集中思維或求同思維。它以某研究對象為中心，將眾多的思路指向該中心，得出現存條件下解決問

題的最佳方案的思維方式.收斂思維是挑選設計方案的富用思維方法和形式。

發散與收斂思維法則強調兩種忠雄形式的辯證統一，強調二者有效結合的創新思維內涵。一個好的設討創新要通

過多次發散、收斂的循環才能形成。

說后通畫蘇^^一"一口

對應是確定類比的對象，聯想則把類比對象的某些特征引導到現實的的創新任務中.類比對象距離常規思維

越遠，越容易激發新思路，實現新發現，該思維法則是創新人才的重要思維特征。例如：飛機的發明是受到鳥在

天上飛的對應聯想啟發；聯恿動物夜視機制發明紅外夜視裝置；用噴物的莖桿結構類比輕型結構等.

，4行而虧冰廊，而一一）

分解與組合思維法則是指將已知事物分解或將若干已知事物彼此犯合的創新思維方式.在發明創造中充滿這兩

類實例，例如：制冷系統與送風系統分解，成為分體空調；電話聽信與主機分離，成為子母式電話機。相反，將制

冷系統與逆向制熱系統組合，產生冷暖空調；電視與電話犯合，成為可視電話.

分解與組合是對立統一的思維法則，二者相輔相成，有時產生1+1>2的效果。如將機床按功能模塊分解成獨立

模塊，然后將模塊組合就形成組合機床、模塊化機床，以適應現代制造業的需要。

換元又稱為替換或代替，對創造發明而言，換元是用一事物代替另一事物，通過代替事物去研究被代替事

物，使常規方法難以解決的問題得到解決.例如，為了應對地球臭氫層日益嚴重的破壞，對空調、冰箱等制冷設

備所采用的氟鋰晶制冷劑將逐步禁止使用，用無氟制冷劑替代，就是換元思維的產物。

移植是把某一研究對象的概念、原理和方法等運用到另一對象的思維方法。例如，把遺傳學中的遺傳篁法的

觀念移植到優化理論中，在機械設計中得到廣泛應用.

換元與移植思維方法的兼合運用是機械產品創新重要手段，在原理、方案、結構、材料等設計環節綜合運用

該原理，可以產生重大創新成果.如旋轉活塞式發動機的發明，是將旋轉運動原理移植到發動機，用三角活塞代

替往復運動活塞，實現燃氣能量的變換，這一發明粽合地運用了換元與移植