《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課件第1章

第1章總論1.1“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的研究

1.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般步驟1.3現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論及方法簡(jiǎn)介1.4機(jī)械零件的常用材料及鋼的

熱處理概念習(xí)題

1.1“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的研究對(duì)象和內(nèi)容1.1.1機(jī)械的組成機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的研究對(duì)象是機(jī)械，而機(jī)械是機(jī)構(gòu)與機(jī)器的總稱。在現(xiàn)代生活、工作和生產(chǎn)中，種類繁多的機(jī)器得到廣泛的使用，如電動(dòng)機(jī)、汽車、內(nèi)燃機(jī)、紡織機(jī)、起重機(jī)、縫紉機(jī)、洗衣機(jī)、照相機(jī)和計(jì)算機(jī)等。根據(jù)它們的組成、運(yùn)動(dòng)和功能的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行概括和抽象，機(jī)器可定義如下：機(jī)器是一種根據(jù)人類使用要求而設(shè)計(jì)，用來完成給定工作過程并具有確定機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，可以用來變換或傳遞能量、物料和信息。根據(jù)機(jī)器的工作類型不同，一般可以分為動(dòng)力機(jī)器、工作機(jī)器和信息機(jī)器三類。如電動(dòng)機(jī)或內(nèi)燃機(jī)是用來變換能量的，屬于動(dòng)力機(jī)器；金屬切削機(jī)床是用來變換物料狀態(tài)的，起重運(yùn)輸機(jī)是用來傳遞物料的，它們都屬于工作機(jī)器；照相機(jī)或計(jì)算機(jī)是用來變換信息的，屬于信息機(jī)器。如圖1-1所示為單缸四沖程內(nèi)燃機(jī)，它是由氣缸體1、活塞2、氣門桿3、連桿4、凸輪軸5、曲軸6等組成的?；钊耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)通過連桿變?yōu)榍S的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。凸輪和頂桿是用來啟/閉進(jìn)氣閥和排氣閥的。齒輪用來保證進(jìn)、排氣閥和活塞之間形成有一定節(jié)奏的動(dòng)作。圖1-1內(nèi)燃機(jī)如圖1-2所示為一個(gè)具有六個(gè)自由度，可用于點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)的工業(yè)機(jī)器人。它由腰部1、大臂2、小臂3、手腕4～6、機(jī)座7等組成。其中腰部1作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；大臂2、小臂3與腰部一起確定末端執(zhí)行器在空間的位置；通過手腕4、5和6的俯仰、擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，確定末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接或搬運(yùn)作業(yè)位置和姿態(tài)的控制。從以上兩個(gè)實(shí)例以及日常生活中所接觸過的其他機(jī)器可以看出，雖然各種機(jī)器的構(gòu)造、用途和性能各不相同，但是從它們的組成、運(yùn)動(dòng)確定性以及功能關(guān)系來看，都具有以下幾個(gè)共同的特征：

(1)它們都是由各種材料做成的制造單元(通常稱為零件)經(jīng)裝配而成的各個(gè)運(yùn)動(dòng)單元(通常稱為構(gòu)件)的組合體。圖1-2工業(yè)機(jī)器人

(2)組成它們的各個(gè)運(yùn)動(dòng)單元之間都具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。(3)能夠完成有用的機(jī)械功或轉(zhuǎn)換機(jī)械能與電能。只具有前兩個(gè)特征的構(gòu)件組合，通常稱為機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)由構(gòu)件組成，而且具有一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。因此，構(gòu)件是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的基本單元。通常，一臺(tái)完善的現(xiàn)代化機(jī)器具有4個(gè)組成部分，即原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。原動(dòng)機(jī)可將其他形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，如內(nèi)燃機(jī)、蒸汽機(jī)、電動(dòng)機(jī)等；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如齒輪、絲杠等；執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器的功能，如機(jī)床的刀架、機(jī)器人的手爪等；控制系統(tǒng)則用于保證機(jī)器各組成部分之間的工作協(xié)調(diào)，以及與外部其他機(jī)器或原動(dòng)機(jī)之間的協(xié)調(diào)，例如，用各種傳感器收集機(jī)器內(nèi)、外部的信息，輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，并向機(jī)器各部分發(fā)出指令，使之協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作，從而達(dá)到提高工作質(zhì)量和生產(chǎn)效率以及降低能耗的目的。1.1.2基本術(shù)語

1．構(gòu)件機(jī)器中的運(yùn)動(dòng)單元體稱為構(gòu)件。構(gòu)件可以是一個(gè)零件，如實(shí)心式齒輪、帶輪、蝸桿等，也可以是若干個(gè)零件的剛性組合結(jié)構(gòu)，如圖1-3所示的連桿，由連桿體1、連桿蓋2、軸瓦3、螺栓4、螺母5和軸套6等零件組成。這些零件分別加工制造，然后裝配成連桿。這時(shí)它是一個(gè)運(yùn)動(dòng)整體，組成構(gòu)件的連桿體、連桿蓋、軸瓦、螺栓、軸套之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

2．零件及部件

1)零件組成機(jī)械的基本制造單元稱為零件，如機(jī)械中的軸、齒輪(整體式)、螺釘、螺母、鍵等。圖1-3連桿

2)部件為完成同一功能在結(jié)構(gòu)上組合在一起，協(xié)同工作的零件的總成稱為部件。如機(jī)械中的聯(lián)軸器、減速器、滾動(dòng)軸承等。機(jī)械中的零、部件通常又分為兩大類：一類是在各種機(jī)器中都普遍使用的零、部件，稱為通用機(jī)械零、部件，如齒輪、滾動(dòng)軸承等；另一類是只在某些特定類型的機(jī)器中才使用的零、部件，稱為專用機(jī)械零、部件，如內(nèi)燃機(jī)的曲軸、農(nóng)業(yè)機(jī)械的犁鏵、汽輪機(jī)的葉片等。本書只介紹通用機(jī)械零、部件的有關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)容。

3．標(biāo)準(zhǔn)件經(jīng)過優(yōu)選、簡(jiǎn)化、統(tǒng)一，并給以標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)的零件和部件稱為標(biāo)準(zhǔn)零、部件。如螺栓、螺母、鍵、滾動(dòng)軸承、聯(lián)軸器等都是標(biāo)準(zhǔn)件。1.1.3本課程的主要內(nèi)容“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，它主要是研究機(jī)器中常用機(jī)構(gòu)和通用零件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基本設(shè)計(jì)原理和計(jì)算方法等。內(nèi)容主要包括：工程力學(xué)基礎(chǔ)、平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及其自由度、凸輪機(jī)構(gòu)、平面連桿機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)、輪系、帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)及其他結(jié)構(gòu)；螺紋聯(lián)接、軸與軸轂聯(lián)接、軸承、聯(lián)軸器與離合器；平衡和調(diào)速；機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論及方法等。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能綜合運(yùn)用先修課程的知識(shí)(如機(jī)械制圖、金屬工藝學(xué)等)，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置方面得到初步訓(xùn)練，也為進(jìn)一步學(xué)習(xí)專業(yè)課和今后從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作打下基礎(chǔ)。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)達(dá)到以下基本要求：

(1)掌握機(jī)構(gòu)的組成、運(yùn)動(dòng)特性，具有初步分析和設(shè)計(jì)常用機(jī)構(gòu)的能力，對(duì)機(jī)械動(dòng)力學(xué)的一些基本知識(shí)有所了解。

(2)掌握通用機(jī)械零件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)計(jì)算和維護(hù)等知識(shí)，具有初步設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置的能力。

(3)具有運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)及查閱有關(guān)技術(shù)資料的能力。

(4)獲得實(shí)驗(yàn)技能的初步訓(xùn)練。1.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般步驟1.2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求雖然不同的機(jī)械其功能和外形都不相同，但它們的設(shè)計(jì)基本要求大體是相同的。機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求可以歸納為以下幾個(gè)方面。

1．功能要求滿足機(jī)器預(yù)定的工作要求，如機(jī)器工作部分的運(yùn)動(dòng)形式、速度、運(yùn)動(dòng)精度和平穩(wěn)性、需要傳遞的功率以及某些使用上的特殊要求(如耐高溫、防潮等)。

2．安全可靠性要求

(1)使整個(gè)技術(shù)系統(tǒng)和零件在規(guī)定的外載荷和規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)能正常工作而不發(fā)生斷裂、過度變形、過度磨損，不喪失穩(wěn)定性。

(2)能實(shí)現(xiàn)對(duì)操作人員的防護(hù)，保證人身安全和身體健康。(3)對(duì)于技術(shù)系統(tǒng)的周圍環(huán)境和人不致造成污染和危害，同時(shí)要保證機(jī)器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。

3．經(jīng)濟(jì)性在整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期中，必須把產(chǎn)品設(shè)計(jì)、銷售及制造三方面作為一個(gè)系統(tǒng)工程來考慮，用價(jià)值工程理論指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，正確使用材料，采用合理的結(jié)構(gòu)尺寸和工藝，以降低產(chǎn)品的成本。設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)和零部件時(shí)，應(yīng)盡可能標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化，以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低制造成本。

4．其他要求要求機(jī)械系統(tǒng)外形美觀，便于操作和維修。此外，還必須考慮有些機(jī)械由于工作環(huán)境和要求不同，而對(duì)設(shè)計(jì)提出的某些特殊要求，如食品衛(wèi)生條件、耐腐蝕、高精度要求等。1.2.2機(jī)械設(shè)計(jì)的一般步驟機(jī)械設(shè)計(jì)就是建立滿足功能要求的技術(shù)系統(tǒng)的創(chuàng)造性過程。機(jī)械設(shè)計(jì)的一般步驟如圖1-4所示。

1．明確設(shè)計(jì)任務(wù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一項(xiàng)為實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)而進(jìn)行的有目的的活動(dòng)，因此，正確地決定設(shè)計(jì)目標(biāo)(任務(wù))是產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功的基礎(chǔ)。明確設(shè)計(jì)任務(wù)即定出技術(shù)系統(tǒng)的總體目標(biāo)和各項(xiàng)具體的技術(shù)要求，這是設(shè)計(jì)、優(yōu)化、評(píng)價(jià)、決策的依據(jù)。圖1-4機(jī)械設(shè)計(jì)的一般步驟明確設(shè)計(jì)任務(wù)包括分析所設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)的用途、功能、各種技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)和參數(shù)范圍以及預(yù)期的成本范圍等，并對(duì)同類或相近產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、同類產(chǎn)品的不完善性、用戶的意見和要求、目前的技術(shù)水平以及發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行認(rèn)真調(diào)查研究，收集材料，以進(jìn)一步明確設(shè)計(jì)任務(wù)。

2．總體設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)是根據(jù)機(jī)器要求進(jìn)行功能設(shè)計(jì)研究?？傮w設(shè)計(jì)包括確定工作部分的運(yùn)動(dòng)和阻力，選擇原動(dòng)機(jī)的種類和功率，選擇傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力計(jì)算，確定各級(jí)傳動(dòng)比和各軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率?？傮w設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到機(jī)械的操作、維修、安裝、外廓尺寸等要求，確定機(jī)械系統(tǒng)各主要部件之間的相對(duì)位置關(guān)系及相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，以及“人—機(jī)—環(huán)境”之間的合理關(guān)系?？傮w設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的制造和使用都有很大的影響，為此，常需做出幾個(gè)方案加以分析、比較，通過優(yōu)化求解得出最佳方案。

3．技術(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)又稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高可靠性、降低成本的重要工作。其任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)的要求，確定機(jī)械系統(tǒng)各零部件的材料、形狀、數(shù)量、空間相互位置、尺寸、加工和裝配，并進(jìn)行必要的強(qiáng)度、剛度、可靠性設(shè)計(jì)，若有幾種方案時(shí)，需進(jìn)行評(píng)價(jià)決策，最后選擇最優(yōu)方案。技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮加工條件、現(xiàn)有材料、各種標(biāo)準(zhǔn)零部件、相近機(jī)器的通用件等。技術(shù)設(shè)計(jì)還需繪制總裝配圖、部件裝配圖，編制設(shè)計(jì)說明書等。因此，技術(shù)設(shè)計(jì)是從定性到定量、從抽象到具體、從粗略到詳細(xì)的設(shè)計(jì)過程。

4．樣機(jī)試制樣機(jī)試制階段是通過樣機(jī)制造、樣機(jī)試驗(yàn)，檢查機(jī)械系統(tǒng)的功能及整機(jī)、零部件的強(qiáng)度、剛度、運(yùn)轉(zhuǎn)精度、穩(wěn)定性、噪聲等方面的性能，隨時(shí)檢查及修正設(shè)計(jì)圖紙，以更好地滿足設(shè)計(jì)要求。

5．批量生產(chǎn)批量生產(chǎn)階段是根據(jù)樣機(jī)試驗(yàn)、測(cè)試、鑒定所暴露出來的問題，進(jìn)一步修正設(shè)計(jì)，以保證完成系統(tǒng)功能，同時(shí)驗(yàn)證各工藝的正確性，以提高生產(chǎn)率，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程是智力活動(dòng)過程，它體現(xiàn)了設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)新思維活動(dòng)，設(shè)計(jì)過程是逐步逼近解答方案并逐步完善的過程。因此，設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)設(shè)計(jì)過程要有全局觀點(diǎn)，不能只考慮設(shè)計(jì)對(duì)象本身的問題，而要把設(shè)計(jì)對(duì)象看做一個(gè)系統(tǒng)，處理“人—機(jī)—環(huán)境”之間的關(guān)系。

(2)善于運(yùn)用創(chuàng)造性思維和方法，注意考慮多方案解，避免解答的局限性。

(3)設(shè)計(jì)的各階段應(yīng)有明確的目標(biāo)，注意各階段的評(píng)價(jià)和優(yōu)選，以求出既滿足功能要求又有最大實(shí)現(xiàn)可能的方案。

(4)要注意反饋及必要的工作循環(huán)。解決問題要遵循由抽象到具體，由局部到全面，由不確定到確定的過程。1.3現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論及方法簡(jiǎn)介1.3.1現(xiàn)代設(shè)計(jì)的概念

1．設(shè)計(jì)人類在改造自然的歷史長河中不斷地進(jìn)行設(shè)計(jì)活動(dòng)。設(shè)計(jì)是復(fù)雜的思維過程，設(shè)計(jì)過程蘊(yùn)涵著創(chuàng)新和發(fā)明的機(jī)會(huì)。設(shè)計(jì)是根據(jù)客觀的需求，發(fā)揮人們的創(chuàng)造性思維，將指定的任務(wù)轉(zhuǎn)化為滿足該任務(wù)要求的技術(shù)系統(tǒng)的一種活動(dòng)。設(shè)計(jì)不只是圍繞產(chǎn)品圖紙和有關(guān)文件進(jìn)行的一系列工作，其目的是將預(yù)定的目標(biāo)，經(jīng)過一系列規(guī)劃與分析決策，產(chǎn)生一定的信息(文字、數(shù)據(jù)、圖形)，形成設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)是把各種先進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的一種手段，是先進(jìn)生產(chǎn)力的代表，反映了社會(huì)的生產(chǎn)力水平。

2．傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)即常規(guī)設(shè)計(jì)，分為初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)三個(gè)步驟。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)往往采用類比法、經(jīng)驗(yàn)法、模仿法，它的思維方式是收斂式思維，多是利用設(shè)計(jì)手冊(cè)中的有關(guān)數(shù)據(jù)，采用較大安全系數(shù)，強(qiáng)調(diào)零部件計(jì)算。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法的優(yōu)點(diǎn)是比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)費(fèi)用低廉。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)面向的問題偏重于技術(shù)?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)是將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)法、類比法設(shè)計(jì)提高到邏輯的、理性的、系統(tǒng)的新設(shè)計(jì)方法，是在靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行動(dòng)態(tài)多變量的最優(yōu)化?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)既是體現(xiàn)了更高層次的學(xué)科，又是方法科學(xué)?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)主要面向功能目標(biāo)，將技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)環(huán)境因素結(jié)合在一起統(tǒng)籌考慮，把設(shè)計(jì)作為系統(tǒng)工程對(duì)待，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)造能力的開發(fā)，注重綜合分析的設(shè)計(jì)，重視設(shè)計(jì)方案的選擇，考慮對(duì)多種方案的評(píng)價(jià)，其思維方式是發(fā)散型的思維?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)是學(xué)科綜合化、統(tǒng)一化在方法科學(xué)上的一次突破，它是一門新興的交叉學(xué)科?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)比較，有下列幾個(gè)特征：

(1)系統(tǒng)性。把設(shè)計(jì)對(duì)象看做一個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)考慮系統(tǒng)與外界的聯(lián)系，用系統(tǒng)工程概念進(jìn)行分析和綜合，通過功能分析、系統(tǒng)綜合等方法，力求系統(tǒng)整體最優(yōu)，使人機(jī)之間的功能相互協(xié)調(diào)。

(2)創(chuàng)造性?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)創(chuàng)造能力開發(fā)和充分發(fā)揮人的創(chuàng)造性，重視原理方案的設(shè)計(jì)、開發(fā)和創(chuàng)新產(chǎn)品。今天的科學(xué)技術(shù)已經(jīng)高度發(fā)展，創(chuàng)新往往是在已有技術(shù)基礎(chǔ)上的綜合。有的新產(chǎn)品是根據(jù)別人的研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果而設(shè)計(jì)的，有的是博采眾長，加以巧妙地組合。

(3)綜合性。在設(shè)計(jì)過程中，綜合考慮與分析市場(chǎng)需求、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、使用、銷售等各方面的因素；綜合運(yùn)用優(yōu)化及系統(tǒng)工程、可靠性理論、價(jià)值工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科的知識(shí)，探索多種解決設(shè)計(jì)問題的科學(xué)途徑。

(4)程式性。研究設(shè)計(jì)的一般進(jìn)程，包括一般設(shè)計(jì)戰(zhàn)略和用于設(shè)計(jì)各個(gè)具體部分的戰(zhàn)術(shù)方法。要求設(shè)計(jì)者從產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)到試驗(yàn)、試制，按步驟、有計(jì)劃地進(jìn)行設(shè)計(jì)。1.3.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)和范疇現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是現(xiàn)代廣義設(shè)計(jì)和分析科學(xué)方法學(xué)的簡(jiǎn)稱，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)質(zhì)上是科學(xué)方法論在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。冠以“現(xiàn)代”二字是為強(qiáng)調(diào)以引起重視，其實(shí)有些方法也并非是現(xiàn)代的。經(jīng)分析，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法可歸納為下列具有普遍意義的方法：

(1)信息論方法，如信息分析法、技術(shù)預(yù)測(cè)法等，它們是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的前提。

(2)系統(tǒng)論方法，如系統(tǒng)分析法、人機(jī)工程等。

(3)控制論方法，如動(dòng)態(tài)分析法等。

(4)優(yōu)化論方法，如優(yōu)化設(shè)計(jì)等，它是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的目標(biāo)。

(5)對(duì)應(yīng)論方法，如相似設(shè)計(jì)等。

(6)智能論方法，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算等。(7)壽命論方法，如可靠件設(shè)計(jì)和價(jià)值工程等。

(8)離散論方法，如有限元及邊界元方法等。

(9)模糊論方法，如模糊評(píng)價(jià)和決策等。

(10)突變論方法，如創(chuàng)造性設(shè)計(jì)等，它是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)。

(11)藝術(shù)論方法，如藝術(shù)造型等。1.3.3現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介

1．優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的重要內(nèi)容之一，它以數(shù)學(xué)規(guī)劃為理論基礎(chǔ)，以電子計(jì)算機(jī)為工具，在充分考慮各種設(shè)計(jì)約束的前提下，尋求滿足某些預(yù)定目標(biāo)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。優(yōu)化設(shè)計(jì)建立在最優(yōu)化數(shù)學(xué)理論和現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)之上，其任務(wù)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)確定工程設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。近年來，優(yōu)化設(shè)計(jì)和其他一些設(shè)計(jì)方法結(jié)合起來，形成了新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。例如，優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)結(jié)合形成可靠性優(yōu)化方法。

2．機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，將影響零件工作的設(shè)計(jì)變量，如載荷、應(yīng)力、強(qiáng)度、壽命、安全系數(shù)、環(huán)境因素等，都視為確定的單值變量，而事實(shí)上這些設(shè)計(jì)變量具有不確定性，屬多值變量(離散變量)。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，存在一定的安全隱患，故引入安全系數(shù)，使σ＜［σ］，但這種方法不夠精確，有一定的經(jīng)驗(yàn)性和盲目性。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)則將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法視為單值而實(shí)際上是多值的設(shè)計(jì)變量，作為某一分布規(guī)律的隨機(jī)變量，并用概率統(tǒng)計(jì)方法設(shè)計(jì)符合產(chǎn)品可靠性指標(biāo)要求的零、部件和整機(jī)的主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸。以滾動(dòng)軸承的選擇計(jì)算為例，手冊(cè)中的額定動(dòng)載荷C是指某一失效率(可靠度為0.9)下的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值，如果所設(shè)計(jì)的機(jī)械對(duì)可靠性要求高(可靠度＞0.9)，則必須按可靠性要求進(jìn)行選擇計(jì)算。理論和實(shí)踐表明，機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)是在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了可靠性特殊技術(shù)的一種新型設(shè)計(jì)方法。目前，可靠性觀點(diǎn)和方法已成為質(zhì)量保證、安全性保證、產(chǎn)品責(zé)任預(yù)防等不可缺少的依據(jù)和手段，也是技術(shù)人員掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法所必須掌握的重要內(nèi)容之一。

3．計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(簡(jiǎn)稱CAD)是在設(shè)計(jì)中，利用計(jì)算機(jī)幫助設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)計(jì)算和繪圖的技術(shù)。采用CAD，可將先進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)引入設(shè)計(jì)過程，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)最優(yōu)化和自動(dòng)化。

CAD的內(nèi)容很多，如優(yōu)化設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)繪圖、有限元分析和概念設(shè)計(jì)等。在CAD過程中，計(jì)算機(jī)要進(jìn)行信息加工、管理和交換，即在設(shè)計(jì)者以初步構(gòu)思、判斷、決策的基礎(chǔ)上，由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)庫中的設(shè)計(jì)資料進(jìn)行查詢，根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行計(jì)算、分析及優(yōu)化，并將初步結(jié)果顯示出來，使人機(jī)交互，進(jìn)行反復(fù)修改，最后經(jīng)設(shè)計(jì)人員確認(rèn)，在自動(dòng)繪圖機(jī)上打印出設(shè)計(jì)結(jié)果。隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，CAD已逐步實(shí)用化，用于各個(gè)行業(yè)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，目前正朝著智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。

4．有限元分析法傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)通用零件的計(jì)算都是將實(shí)際結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為某一種計(jì)算模型，并采用經(jīng)典力學(xué)的方法計(jì)算(其誤差用安全系數(shù)考慮)。對(duì)于某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算精確性要求高的零件，經(jīng)典力學(xué)則難以計(jì)算，而采用有限元分析法便能夠得到圓滿的解答。有限元分析法(簡(jiǎn)稱有限元法)是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中不可缺少的重要手段，其應(yīng)用已涉及機(jī)械工程、土木工程、機(jī)構(gòu)學(xué)、地質(zhì)力學(xué)、熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)等眾多領(lǐng)域，幾乎適用于所有連續(xù)介質(zhì)和場(chǎng)的問題，成為科研、工程設(shè)計(jì)必不可少的數(shù)值分析工具。目前，有限元法已發(fā)展成為科學(xué)技術(shù)中一種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算工具，其應(yīng)用十分廣泛。在機(jī)械工程中，凡計(jì)算零部件的應(yīng)力、變形、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定性分析等，都可采用有限元法，如齒輪、軸、軸承、螺栓、活塞、連桿、壓力容器、箱體等的應(yīng)力、變形和動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算以及潤滑問題等。其具體作用是實(shí)現(xiàn)機(jī)械零、部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)，作為結(jié)構(gòu)分析的工具，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的合理化。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，采用有限元法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，人們不再需要花精力編寫程序，可選擇現(xiàn)有的各種商品化軟件，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助網(wǎng)格劃分、前處理、輸入節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和單元聯(lián)接信息，并可利用良好的人機(jī)對(duì)話和鮮明的視覺效果進(jìn)行工作。

5．創(chuàng)新設(shè)計(jì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)是指在設(shè)計(jì)中，工程技術(shù)人員通過自己的創(chuàng)造性思維，采用新技術(shù)、新原理和新手段，設(shè)計(jì)出新穎獨(dú)特的產(chǎn)品。顯然，創(chuàng)新設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)的靈魂。有關(guān)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容，將在本書第14章詳述。1.4機(jī)械零件的常用材料及鋼的熱處理概念1.4.1機(jī)械零件的常用材料機(jī)械制造的常用材料主要是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬合金和非金屬材料。

1.鋼鋼是指碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2%的鐵碳合金，也是機(jī)械零件中應(yīng)用最廣的材料，具有較好的強(qiáng)度、韌性、塑性等性能，并可通過熱處理來改善力學(xué)性能和加工性能。鋼制零件的毛坯可由鍛造、輾軋、沖壓、焊接或鑄造等方法獲得。鋼的種類繁多，其分類方法有五種：按用途分為結(jié)構(gòu)鋼和特殊鋼；按化學(xué)成分分為碳鋼和合金鋼；按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多少分為低碳鋼(碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.25％)、中碳鋼(碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25％~0.5%)、高碳鋼(碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5％)；按質(zhì)量分為普通鋼和優(yōu)質(zhì)鋼；按煉鋼時(shí)的脫氧程度和鋼錠中氣孔存在的情況分為鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼。鋼的命名和牌號(hào)，往往用幾種分類的組合形式或用漢語拼音字母加數(shù)字表示。

1)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼按性能又分四個(gè)等級(jí)，用A、B、C和D表示；而F、Z、b和TZ分別表示沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。通常表示符號(hào)為Z和TZ時(shí)可以省略。例如，普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的標(biāo)記：Q235-A·F，其中“Q”是屈服點(diǎn)的“屈”字的漢語拼音字頭；235表示σS＝235MPa，其值為16mm直徑(或厚度)的鋼材的試驗(yàn)值；A表示A級(jí)；F表示沸騰鋼。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼用作焊接件、拉桿、鉚釘?shù)取?/p>

2)優(yōu)質(zhì)碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼的牌號(hào)是用碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬分?jǐn)?shù)表示的，如25、45和55號(hào)鋼分別表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25％、0.45％和0.55%。低碳鋼強(qiáng)度不高、可淬性不好，只能用作強(qiáng)度不高的鍛件和焊接件或經(jīng)表面滲碳處理后用做表面耐磨、內(nèi)部抗沖擊的零件(如軸、齒輪等)；中碳鋼可淬火和正火處理，用作較重要的軸和齒輪等；高碳鋼可淬性更好，可以獲得更高的表面硬度和強(qiáng)度，用作高強(qiáng)度的齒輪、曲軸和彈簧等。

3)合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中摻入適當(dāng)?shù)暮辖鹪匾睙挾傻?。如錳(Mn)能提高材料的強(qiáng)度和韌性；鉬(Mo)的作用類似于錳，而影響更大；鎳(Ni)可提高材料的強(qiáng)度而不降低韌性；硅(Si)可提高材料的彈性和耐磨性，但會(huì)降低韌性；鉻(Cr)能提高材料的硬度和耐磨性；釩(V)能提高材料的強(qiáng)度和韌性。合金元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%者稱為低合金鋼，高于5%者稱為高合金鋼。合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)采用“數(shù)字＋合金元素符號(hào)＋數(shù)字”的方法表示。例如25CrMoV，其中，“25”表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬分?jǐn)?shù)，即平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25％；合金元素符號(hào)后的數(shù)字表示該元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)的百分?jǐn)?shù)，若平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.5％，其后則不標(biāo)數(shù)字，若平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥1.5％、≥2.5％、≥3.5％……，則以2、3、4……表示。對(duì)于有害元素硫、磷含量較低(ωS≤0.02％、ωP≤0.03％)的優(yōu)質(zhì)合金鋼，則在鋼號(hào)最后加A，例如60Si2CrVA。合金鋼的熱處理工藝性好，但價(jià)格高,對(duì)應(yīng)力集中較敏感。

4)特殊鋼具有特殊物理性能和化學(xué)性能的鋼為特殊鋼，如不銹鋼、耐酸鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等，應(yīng)用時(shí)可由材料手冊(cè)中選擇。5)鑄鋼機(jī)械中形狀復(fù)雜、尺寸較大、機(jī)械性能要求較高的機(jī)械零件可用鑄鋼制造，其牌號(hào)前冠以字母ZG。對(duì)于碳素鑄鋼，在ZG后加兩組數(shù)字表示它的屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度，例如ZG230-450，表示該鑄鋼的屈服點(diǎn)為230MPa，抗拉強(qiáng)度為450MPa。對(duì)于合金鑄鋼，則只在合金鋼牌號(hào)前面加“ZG”，例如ZG35SiMn。鑄鋼的鑄造性比灰鑄鐵差，故鑄鋼件的壁厚、連接處的圓角和過渡部分的尺寸均應(yīng)比灰鑄鐵的稍大。

2.鑄鐵碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%的鐵碳合金稱為鑄鐵，鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性和韌性較差，無法進(jìn)行鍛造，但它的抗壓強(qiáng)度較高，具有良好的鑄造性、切削加工性和減摩性等，而且價(jià)格低廉，常用于制造承受壓力的基礎(chǔ)零件或形狀復(fù)雜、對(duì)機(jī)械性能要求不高的機(jī)械零件。常用的鑄鐵有灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵三種?；诣T鐵牌號(hào)前加有“HT”，而后面的數(shù)字為其強(qiáng)度極限值；球墨鑄鐵的牌號(hào)前加有“QT”，而后面的數(shù)字為其強(qiáng)度極限值和延伸率?？慑戣T鐵的牌號(hào)前加有“KT”，而后面的數(shù)字為其強(qiáng)度極限值和延伸率?；诣T鐵中的碳主要以片狀石墨形式存在，因斷口呈灰色而得名。灰鑄鐵是制造機(jī)械零件的主要鑄造材料，常用于制造帶輪、輕載低速大齒輪、機(jī)座和箱體等。球墨鑄鐵因所含石墨成球狀而得名，其力學(xué)性能接近于低碳鋼，常用來替代鋼，制造曲軸等需承受沖擊載荷且形狀復(fù)雜的零件。

3.有色金屬合金有色金屬合金具有一些特殊性能，如高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐蝕性和減摩性等，因而成為現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中不可缺少的材料。但有色合金稀少，價(jià)格昂貴，只有需要滿足特殊要求時(shí)才予以采用。機(jī)械零件常用的有色金屬材料主要有銅、鋁基合金和軸承合金等。

4.非金屬材料工程塑料、橡膠、皮革、陶瓷、木材、石材等都是非金屬材料。工程塑料具有重量輕、絕緣、耐熱、耐蝕、耐磨、注塑成型方便等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到廣泛的應(yīng)用。橡膠除具有彈性，能緩沖吸振外，還具有耐磨、絕緣等性能，多用于制造膠帶、密封墊圈、輪胎和減振零件等。1.4.2材料的選擇在機(jī)械設(shè)計(jì)中選擇材料是一個(gè)重要問題。設(shè)計(jì)者在選擇材料時(shí)，應(yīng)充分了解材料的性能和適用條件，并考慮零件的使用、工藝和經(jīng)濟(jì)性等要求。

1.使用要求為保證機(jī)械零件不失效，根據(jù)載荷作用情況，對(duì)零件尺寸的限制和零件重要程度，對(duì)材料提出強(qiáng)度、剛度、彈性、塑性、沖擊韌性、阻尼性和吸振性等力學(xué)性能方面的相應(yīng)要求。同時(shí)，由于零件工作環(huán)境等其他需求，對(duì)材料可能還有密度、導(dǎo)熱性、抗腐蝕性、熱穩(wěn)定性等物理性能和化學(xué)性能方面的要求。

2.工藝要求選擇零件材料時(shí)必須考慮到加工制造工藝的影響。鑄造毛坯應(yīng)考慮材料的液態(tài)流動(dòng)性、產(chǎn)生縮孔或偏析的可能性等；鍛造毛坯應(yīng)考慮材料的延展性、熱脆性和變形能力等；焊接零件應(yīng)考慮材料的可焊性和產(chǎn)生裂紋的傾向等；對(duì)進(jìn)行熱處理的零件應(yīng)考慮材料的可淬性、淬透性及淬火變形的傾向等；對(duì)于切削加工的零件應(yīng)考慮材料的易切削性、切削后能達(dá)到的表面粗糙度和表面性質(zhì)的變化等。

3.經(jīng)濟(jì)性從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，在滿足性能要求的前提下，應(yīng)盡可能選用價(jià)廉的材料，以降低材料費(fèi)用。另外還應(yīng)綜合考慮生產(chǎn)批量等因素的影響，如大量生產(chǎn)宜用鑄造毛坯，單件生產(chǎn)采用焊接件，可以降低制造費(fèi)用。1.4.3鋼的熱處理概念為了充分發(fā)揮鋼材的潛力，提高機(jī)械零件的工作能力，通常機(jī)械中大多數(shù)零件都要進(jìn)行熱處理。鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下加熱到一定溫度，進(jìn)行必要的保溫，然后采用不同的冷卻速度，以改變鋼及其合金的組織結(jié)構(gòu)，從而得到所需性能的工藝方法。熱處理在提高機(jī)器性能方面具有十分重要的作用。常用的熱處理方法有退火、正火、淬火、回火及表面熱處理等。

1.退火退火是將鋼加熱到一定溫度(對(duì)45鋼一般在830～860℃)，保溫一段時(shí)間，然后隨爐冷卻的熱處理方法，其目的是消除材料內(nèi)部組織應(yīng)力和降低硬度，以利于切削加工；提高塑性和韌性；改善組織，為進(jìn)一步熱處理做好準(zhǔn)備。

2.正火正火的方法與退火相似，但正火時(shí)鋼是在空氣中冷卻。由于正火的冷卻速度比退火快，鋼的硬度和強(qiáng)度較高，但消除內(nèi)應(yīng)力不如退火徹底。正火時(shí)鋼在爐外冷卻，不占用設(shè)備，生產(chǎn)率較高，故低碳鋼大多采用正火代替退火(但對(duì)中碳鋼一般不用正火代替)。對(duì)一般要求的零件，正火常用于提高其機(jī)械性能，且正火后不再進(jìn)行其他熱處理。

3.淬火淬火是將鋼加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后在水或油中快速冷卻的一種熱處理方法。淬火后，鋼的硬度急劇增加，但存在很大的內(nèi)應(yīng)力，脆性也相應(yīng)增加。淬火的主要目的是提高材料的硬度，以提高零件的耐磨性及疲勞強(qiáng)度。

4.回火回火是將淬火鋼重新加熱到某一低于臨界溫度的溫度，保溫一段時(shí)間，然后冷卻下來的熱處理方法(一般在空氣中冷卻)。回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火三種。低溫回火的加熱溫度為150~250℃，淬火鋼經(jīng)低溫回火后，可以減小內(nèi)應(yīng)力和脆性，仍能保持淬火鋼的高硬度和耐磨性，適用于刀具、量具等工具；中溫回火的加熱溫度為350~450℃，淬火鋼經(jīng)中溫回火后，提高了彈性，但