第2章　机械设计总论
2.1　复习笔记
一、机器
1．机器的组成
（1）基本组成
①原动机部分：驱动整部机器完成预定功能的动力源；
②执行部分：用来完成机器预定功能的组成部分；
③传动部分：把原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数的问题。

（2）附加组成：控制系统和辅助系统。

图2-1
2．设计机器的一般程序
根据长期以来的设计经验，一部机器的设计程序可归纳为如表2-1所示。

表2-1 设计机械的一般程序
3．设计机器应满足的要求
（1）使用功能要求：正确的选择机器的工作原理，正确地设计或选用能够全面实现功能要求的执行机构、传动机构和原动机，以及合理地配置必要的辅助系统来实现。

（2）经济性要求：设计制造的经济性表现为机器成本低，使用的经济性表现为高生产率，高效率，较少地消耗能源、原材料和辅助材料，以及低的管理和维护费用。

（3）劳动保护和环境保护要求：①要使所设计的机器符合劳动保护法规定的要求；
②要把环境保护提高到一个重要的位置。

（4）寿命与可靠性的要求：机器的可靠度是指在规定的使用时间（寿命）内和规定
的环境条件下机器能够正常工作的概率；机器由于某种故障而不能完成其预定的功能称为失效。

二、机械零件
任何机器的主体都是它的机械系统，机械系统总是由一些机构组成，而机构又是由许多零件组成。

所以，机器的基本组成要素是机械零件。

按照使用情况将机械零件分为通用零件和专用零件两类。

1．机械零件的失效形式
（1）整体断裂：由于危险截面上的应力超过零件的强度极限，或由于零件的变应力超过其疲劳极限而造成的失效。

如齿轮轮齿根部的折断。

（2）过大残余变形：由于作用于零件上的应力超过其材料的屈服极限而引起过大的变形量，使零件不能正常工作。

（3）零件的表面破坏：零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳，如齿轮齿面磨损、疲劳点蚀等。

（4）破坏正常工作条件引起的失效：有些机械零件只有在一定的工作条件下才能正常工作，如果这些必备的工作条件被破坏，就将导致零件的失效。

如带传动，其工作条件是有效圆周力小于临界摩擦力，否则将会产生打滑的失效。

2．设计机械零件时应满足的基本要求
（1）避免在预定寿命期内失效的要求
组成机器的所有零件必须具有相应的工作能力，否则就会失效。

为此，机械零件应具有足够的强度、刚度和规定的寿命。

①强度是指零件抵抗断裂、过大的残余变形和表面接触疲劳的能力。

提高机械零件强度的措施：
a．采用强度高的材料；
b．使零件具有足够大的横截面积尺寸；
c．合理地设计零件的截面形状，以增大截面的惯性矩；
d．采用热处理和化学处理方法，以提高材料的力学性能；
e．提高运动零件的制造精度，以降低工作时的动载荷；
f．合理地配置机器中各零件的相互位置，以降低作用于零件上的载荷等。

②刚度是指零件抵抗弹性变形的能力，分为整体变形刚度和表面接触刚度两种。

提高零件的整体刚度的措施：
a．增大零件横截面积或增大截面的惯性矩；
b．缩短支承跨距或采用多支点结构，以减小挠曲变形等。

提高接触刚度的措施：
a．增大贴合面以降低压力；
b．采用精加工以降低表面不平度等。

③寿命是指零件正常工作延续的时间。

影响零件寿命的因素主要包括：材料的疲劳、材料的腐蚀以及相对运动零件接触表面的磨损等三个方面。

（2）结构工艺性要求
零件具有良好的结构工艺性，即要求零件便于加工、便于装配、费用低等。

零件的结构工艺性不仅与毛坯制造、机械加工、装配要求有关，而且与零件的材料、生产批量、生产设备条件等有关。

零件的结构设计对零件的结构工艺性具有决定性的影响。

（3）经济性要求
经济性要求就是要降低零件的生产成本，通常采取的措施有：
①采用轻型的零件结构以降低材料消耗；
②采用少余量或无余量的毛坯或简化结构以减少加工工时；
③采用工艺性良好的结构以减少加工和装配费用；
④采用廉价材料代替贵重材料；
⑤采用组合结构代替整体结构；
⑥尽量采用标准化的零部件取代特殊加工的零部件等。

（4）质量小的要求
设计时应力求减小零件质量，这样不但节约材料，便于运输，降低成本，还可以减小运动零件的惯性，改善机器的动力性能。

（5）可靠性要求
机器是由许多零件组成的，因而机器的可靠性取决于机械零件的可靠性。

为了提高零件的可靠性，应当使工作条件和零件性能的随机变化尽可能小，并在使用中加强维护和对工作条件进行监测。

3．机械零件的设计准则
（1）强度准则
强度准则是最基本的设计准则，是指零件中的应力不得超过允许的限度。

对一次断裂来讲，应力不超过材料的强度极限；对于疲劳破坏来讲，应力不超过零件的疲劳极限；对残余变形来讲，应力不超过材料的屈服极限。

其代表性表达式为
σσ≤
lim
考虑到各种偶然性或难以精确分析的影响，要除以设计安全系数S ，即为许用应力，
[]σ表达为[]
lim
=S σσσ≤（2）刚度准则
零件在载荷作用下产生的弹性变形量y 小于或等于机器工作性能所允许的极限值
(即许用变形量)，则称满足了刚度要求。

其表达式为
[]y []
y y ≤（3）寿命准则
影响寿命的主要因素：腐蚀、磨损和疲劳是三个不同范畴的问题，它们各自发展过程的规律完全不同。

迄今为止，还没有提出实用有效的腐蚀寿命、磨损寿命的定量计算方法，因而不拟讨论。

对于疲劳寿命，通常是以求出使用寿命的疲劳极限或额定载荷来作为计算的依据。

（4）振动稳定性准则
振动是指机械零件发生周期性的弹性变形现象。

所谓的振动稳定性，是指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。

令表示零件的固有频率，f 表示激振源的频率，则通常应保证如下的条件
p f 或0.85p f f > 1.15p
f f <如果不能满足上述条件，则可用改变零件及系统的刚性，改变支撑位置，增加或减少辅助支承等办法来改变的大小。

此外，提高回转件的动平衡精度，采用隔振元件把激振f 源与零件隔离，或者增加阻尼以减小受激振动零件的振幅等措施，都可以改善零件的振动稳定性。

（5）可靠性准则。