第一章 绪论、机械设计总论

第一章 绪论

“战神”GTR 的心脏：VR38DETT

1-1 机械与机械设计在社会发展中的作用

机器是用来代替人们体力和部分脑力劳动的工具，机器通过将能量、物料和信息等进行传递或转换来为人类做各种有用功。

现代的机器，正朝着自动化、智能化、性能更高以及与人类更加和谐的方向发展。

1-2 机械设计课程的内容、性质与任务

机器的基本组成要素是机械零件

研究对象：一般尺寸常用工作参数通用零件

研究内容：介绍整台机器机械部分设计的基本知识，重点讨论一般尺寸和常用工作参数下的通用零件的设计，包括基本设计理论和方法、相关标准和技术资料等

机械设计课程（包括它的相关教学环节）的主要任务是培养学生以下方面的能力：

1. 具有正确的设计思想并勇于创新探索

2. 掌握通用零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，进而具有综合运用所学的知识，研究改进或开发新的零、部件及设计简单的机械装置的能力

3. 具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力

4. 掌握典型机械零件的试验方法，获得试验技能的基本训练

5. 了解国家当前的有关技术经济政策，并对机械设计的新发展有所了解

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机械设计总论

2-1 机器的组成

原动机部分

驱动整部机器完成预定功能的动力源

将其他形式的能量转换为可以利用的机械能

传动部分

完成运动形式、运动及动力参数转变

执行部分

用来完成机器预定功能的组成部分

测控系统

辅助系统

润滑、显示、照明等

2-2 设计机器的一般程序

计划阶段

对所要设计的机器仅有一个模糊的概念

方案设计阶段

技术设计阶段

1. 机器的运动学设计

2. 机器的动力学计算

   • 载荷表现形式：功率 $P$ 或 力 $F$ / 力矩 $T$
   • 名义载荷、计算载荷

3. 零件的工作能力设计

4. 部件装配草图及总装配草图的设计

5. 主要零件的校核

纸上装配

技术文件编制阶段

计算机在机械设计中的应用

2-3 对机器的主要要求

使用功能要求

经济性要求

劳动保护和环境保护要求

寿命与可靠性的要求

可靠度 $R$ ：在规定的使用时间（寿命）内和给定的环境条件下机器能够正常工作的概率

其他专用要求

2-4 机械零件的主要失效形式

整体断裂

强度极限

过大的残余变形

屈服极限

零件的表面破坏

腐蚀、磨损、接触疲劳

破坏正常工作条件引起的失效

2-5 设计机械零件时应满足的基本要求

避免在预定寿命期内失效的要求

1. 强度

2. 刚度

3. 寿命

结构工艺性要求

经济性要求

质量小的要求

可靠性要求

2-6 机械零件的设计准则

强度准则

$$\sigma \leq \frac{\sigma_{\lim}}{S}$$

刚度准则

$$y \leq [y]$$

寿命准则

影响寿命的主要因素：腐蚀、磨损、接触疲劳

振动稳定性准则

振动稳定性：在设计时要使机器中受激振作用的各零件的固有频率与激振源的频率错开

$$0.85 f > f_p$$

$$1.15 f < f_p$$

$f$ 代表零件固有频率，$f_p$ 代表激振源的频率

可靠性准则

浴盆曲线：失效率曲线

平均寿命：

• 对不可修复的零件，指其失效前的平均工作时间，MTTF（mean time to failures）

• 对于可修复的零件，指其平均故障间隔时间，MTBF（mean time between failures）

2-7 机械零件的设计方法

理论设计

$$\sigma \leq \frac{\sigma_{\lim}}{S}$$

$$\frac{F}{A} \leq \frac{\sigma_{\lim}}{S}$$

字母符号	含义
$F$	作用于拉杆上的外载荷
$A$	拉杆横截面面积
$\sigma_{\lim}$	拉杆材料的极限应力
$S$	设计安全系数（简称安全系数）

设计计算：能通过简单的力学模型进行设计的零件

校核计算：结构复杂，应力分布较复杂，但又能用现有的应力分析方法（以强度为设计准则时）或变形分析方法（以刚度为设计准则时）进行计算的场合

经验设计

模型试验设计

费时、昂贵，只用于特别重要的设计中

2-8 机械零件设计的一般步骤

1. 根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构

2. 根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷

3. 根据零件的类型、结构和所受载荷，分析零件可能的失效形式，从而确定零件的设计准则

4. 根据零件的工作条件及对零件的特殊要求（例如高温或在腐蚀性介质中工作等），选择适当的材料

5. 根据设计准则进行有关的计算，确定零件的基本尺寸

6. 根据工艺性及标准化等原则进行零件的结构设计

7. 细节设计完成后，必要时进行详细的校核计算，以判定结构的合理性

8. 画出零件的工作图，并写出计算说明书

2-9机械零件的材料及其选用

机械零件常用的材料

• 金属材料

• 高分子材料

• 陶瓷材料

• 复合材料

机械零件材料的选择原则

1. 载荷、应力的大小和性质

2. 零件的工作情况

3. 零件的尺寸及质量

4. 零件结构的复杂程度及材料的加工可能性

5. 材料的经济性

6. 材料的供应状况

2-10 机械零件设计中的标准化

零件的标准化：通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、制图要求等，制定出各类大家共同遵守的标准

系列化：对于同一产品，为了符合不同的使用条件，在同一基本结构或基本尺寸条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品，称为不同的系列

2-11 机械现代设计方法简介

1. 从静态设计到动态设计的转化

2. 从定性分析到定量分析的转化

3. 从常规设计到可靠性设计的转化

4. 从一般性设计到优化设计的转化

5. 从串行设计到并行设计的转化

6. 从宏观分析到微观分析的转化

7. 从离散性分析到系统性分析的转化

8. 从人工设计到自动化设计的转化