第一章 机械设计绪论

机械设计教材：

濮良贵等编，机械设计，西北工业大学，高等教育出版社，第八版，2006）（张有忱等编，机械设计，化学工业出版社，2011（35元，当当网28元））

张莉彦等编，机械设计综合课程设计，化学工业出版社，2012（25元，当当网19.8元）教学学时：58实验：6学分：4机械设计教研室伍先安

wuxa@

电话：135221689554.时间、地点：机实1101，装1101~1106

周一1、2节(1-18)电101周四3、4、5节(12-18)电101安全1101~1102，,机械1105~1107课程设计（16~19） 周一3、4节(1-14)电101周三1、2节(1-14)科1015.考核方式：本课程采用形成性考核（平时作业、考勤、期中考试等）和期末考试相结合的方式。形成性考核主要包括平时作业、考勤、期中考试，占总成绩的20%。期末考试成绩占总成绩的80%。考核形式：闭卷试卷题型：填空、选择、简答、分析、计算、结构等根据《国务院办公厅关于2013年部分节假日安排的通知》，中秋节：9月19日至21日放假调休，共3天。9月22日（星期日）上班。国庆节：10月1日至7日放假调休，共7天。9月29日（星期日）、10月12日（星期六）上班。机械11级课程安排少2学时10月2日(星期三)、10月7日(星期一)缺两次课装备11级10月7日(星期一)缺一次课第一篇总论学习要求：1．

明确机械设计在国民经济建设中的重要作用2．

弄清零件在机械设计中的地位3．

了解本课程的内容、性质、特点与先后课程之间的关系，以及相应的学习方法，对整个课程获得一个概况学习重点：1．

机器的主体及其基本组成要素和机械零件的分类，机械零件和机器的关系2．

本课程的内容、性质和任务第一至四章，即绪论，机械设计总论，机械零件的强度，摩擦、磨损及润滑等第一章绪论1-1机械工业在国民经济建设中的作用

机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的主要标志之一。使用机器能够大大提高劳动生产率和改善劳动条件，在国民经济建设中起着主导和决定性的作用。通过大量设计制造和广泛使用各种各样先进机器，能大大加强促进国民经济发展的力度，加速我国社会主义现代化建设。2011年中国机械工业总产值增长二成五2011年中国机械工业累计实现工业总产值16.89万亿元.

目前，我国工程机械销售量和销售额已经双双超越美国、日本、德国位居世界第一位;我国工程机械自给率从“十五”期间的70%左右，提高到目前的80%以上，逐步实现从制造到创造的跨越。包括装载机、挖掘机、汽车起重机、压路机、叉车、推土机、混凝土机械等一大批工程机械产品产量跃居世界首位，我国成为了真正的世界工程机械制造大国。机械工业的快速发展以及庞大的市场规模，为紧固件行业提供了广阔的发展空间。

据介绍，2011年中国机械工业增加值同比增长二成五，高于全国工业平均增速1.2个百分点，但增速比上年回落6个百分点。增加值总额在全国工业中所占比重为一成九，仍居各主要工业行业首位。

在2011年列入快报统计的120种主要机械产品中，有102种产品的产量实现增长，占统计产品数的八成五。期间，汽车产销分别为1842万辆和1851万辆，同比分别增长0.84%和2.45%，产销增速为近13年来新低。

此外，2011年中国机械工业累计实现进出口总额6312亿美元，同比增长二成三，增速较上年同期回落13.55个百分点。（来源：中国新闻网）

2012年中国机械工业现状据国家统计局统计，2012年我国机械工业累计实现工业总产值和销售产值18.41万亿元、18.04万亿元，同比分别增长12.64%和12.54%。(2012年全年国内生产总值51.93万亿元，按可比价格计算，比上年增长7.8%)

一、产业规模跃居世界首位。2009年跃居世界第一，成为全球机械制造第一大国。

二、装备保障能力显著增强

电力装备方面：已能基本满足国内需求，技术水平和产品产量已经进入世界前列。 冶金矿山设备方面，可自主提供年产1000万吨级钢铁企业用常规流程的成套设备;年产2000万吨级露天矿、年产60～70万吨级金属矿、年产600万吨级井下煤矿、年处理400万吨级选煤厂、年处理300万吨级选矿厂、日产4000～10000吨级熟料干法工艺水泥厂成套装备。

石化通用设备方面，30万吨/年合成氨设备已实现国产化;百万吨乙烯装置所需的关键“三机”(裂解气压缩机、丙烯压缩机和乙烯压缩机)及多股流低温冷箱已研制成功;6万立方米/时等级大型空分设备已实现国产化并出口，正在研制8.5万立方米/时空分设备;石油钻机已由9000米升级到12000米，达到了世界领先水平。

2012年我国汽车产销量再次突破纪录，蝉联世界第一.汽车产销双双突破1900万辆，增速都超过了4%.1~11月，全国汽车累计产、销量分别为1748万辆和1749万辆.自主品牌乘用车的销售比重已提高到46%，其中自主品牌轿车的销售比重占31%。

大型施工机械方面：2000吨履带起重机、500吨全路面起重机、72米臂架混凝土输送泵车、直径11.22米的泥水平衡盾构机等特大型工程机械研制完成。

农业机械方面：除少数高端产品尚需进口外，国产农机已基本能满足国内农业的需求。

工作母机方面：大型、精密、高速数控机床以及为之配套的数控系统和功能部件进步很快，数控机床自给率达到60%，开发出了五轴联动龙门加工机床、五轴联动叶片加工中心、五轴落地式数控镗铣床、七轴联动重型立式车铣复合加工机床、超精密加工机床、柔性制造系统及大型冲压自动生产线;自主研发的数控系统可靠性明显提高，平均无故障时间达到2万小时。

大型铸锻件方面：我国30万、60万千瓦火电机组高中压转子国内市场满足率已提高到60%左右，低压转子国内市场满足率已提高到45%，发电机大轴国内市场满足率已提高到30%，掌握了超超临界火电机组转子制造技术并实现批量生产;100万千瓦级三代核电设备成套大型锻件已研制成功，压力壳、蒸发器、主管道等具有代表性的关键锻件的技术攻关已相继取得突破。可见，中国装备制造业：制造大国，向制造强国，创造强国转变还有很长一段路要走。

1、自主创新能力不够。中国国际专利仅相当于美国的九分之一，日本的五分之一和德国的三分之一。因此，必须有效地推进以企业为核心的自主创新能力，力争在局部领域实现技术创新的有效突破，为产业进入高端领域赢得先机。

2、自主品牌建设不强。目前，我国产品出口以低附加值和低技术含量产品为主，自主品牌产品出口占比很小，具有国际影响力的著名品牌还十分缺乏。

3、大企业的国际竞争力不强。中国许多工业行业产量居世界第一，但是分散在许多企业中，缺少具有国际竞争力的大企业、大集团。

4、生产效率和效益不高。我国制造业增加值为22.6%，与美国和日本相比分别低23%和22%。

5、生产型服务业发展滞后，对制造业优化升级支撑不够。当前，我国生产性服务业占服务业的比重为39.3%，分别较美国和韩国低24和22个百分点。总体上，我国制造业仍处于全球价值链的中低端。

根据中国央行数据，截至2012年末，中国广义货币供应量(M2)余额达到人民币97.42万亿元，居世界第一，接近全球货币供应总量的四分之一，是美国的1.5倍，比整个欧元区的货币供应量（约75.25万亿元人民币）多出不只一个英国全年的供应量（2012年为19.97万亿元人民币）。国家外汇储备余额3.31万亿美元

当前的问题是，从银行体系大量流出的货币有部分进入了实体经济，而更多的是流向了各种资产，尤其是房地产市场。当大量货币流向房地产时，不仅会让国内住房市场投机炒作盛行，房价不断推高，让货币快速流出的风险在房地产市场快速聚积，也会直接让整个物价水平全面上升而影响居民的实际生活。如果管理层对此不密切关注并调整相应政策，那么货币过度泛滥将严重影响中国经济持续稳定发展。

2012年全年国内生产总值51.93万亿元，按可比价格计算，比上年增长7.8%.

1、美国:15.83万亿美元,实际增长率为2.2%

2、中国:

8.3万亿美元,

实际增长率为7.8%

3、日本:

5.3万亿美元,

实际增长率为1.7%

4、德国:

3.4万亿美元,

实际增长率为0.7%

狭义的货币M1，是指流通中的现金加银行的活期存款。这里的活期存款仅指企业的活期存款；而广义货币M2，则是指M1再加上居民储蓄存款和企业定期存款。

2013年上半年机械工业运行情况国家统计局统计，1—6月机械工业增加值同比增长9.2%，比上年同期加快0.2个百分点。中国机械工业联合会执行副会长蔡惟慈说，这表明机械工业今年上半年基本延续了此前止跌趋稳的向好势头。预计全年行业经济运行速度有望略高于去年，产销同比增速将在12%左右，利润增速将在8%左右，出口或与去年大体相当。（一季度GDP增速7.7%，上半年GDP增速7.6%）表明机械工业止跌趋稳的还有行业效益的回升。年初，机械工业效益曾上涨乏力，一季度利润同比增速仅为6.38%。进入二季度，行业利润增速回升有所加快，1—6月累计实现利润总额6001亿元，在上年低基数的基础上增长12.58%，增速同比加快10.64个百分点。其中，主营业务收入利润率为6.35%，基本保持平稳。企业亏损面逐月缩小。与此同时，重点企业订货情况也由上年的持续负增长，转为微幅上升。1—6月机械工业重点联系企业累计订货额同比增长3.78%，比一季度加快3.46个百分点，且近3个月来增速都保持在3.5%以上。然而，受需求不足影响，产品价格却在下降。到6月，机械产品累计价格指数已连续18个月低于100%，并仍在下滑。在142种产品中，有82种产品出厂价格同比下降。此外，出口形势也比较严峻。1—6月累计机械产品出口总额为1753亿美元，同比增长1.51%，增速较年初回落7.76个百分点。上半年中有3个月的当月出口额同比下降，6月当月同比下降4.63%。

1-6月产品产量增长差异较大。呈现出与消费关系密切的产品普遍好于投资类的产品，如与消费关系密切的农机产品、汽车中的乘用车、仪器仪表均好于投资类的产品增长，相反典型的投资类产品如机床、工程机械、重型机械、发电设备大幅回落。当前机械工业经济运行中存在的问题从经济运行情况看，当前机械工业经济运行中的主要问题是，需求不旺、产能过剩、成本上升的问题仍较突出，盈利能力下降。（一）需求不旺，重点企业累计订货虽有回升，但仍不理想。目前国产低端产品需求大幅减少，高端产品尚未取得实质性的突破，还需要依靠进口补给，中端市场份额在流失，都是造成企业订货不足的原因。（二）价格持续低迷（三）资金压力较大（四）成本上升压力加大（五）由于部分用户项目推迟启动，致使用户延期提货（六）重型机械工业困难比较大（七）产能过剩带来的竞争加剧1-2机器的基本组成要素一．基本组成要素一部现代化机器中，常包含机械、电气、液压、气动、润滑、冷却、控制、监测等系统的部分和全部，但机器的主体，仍然是它的机械系统。机器由一个或几个机构组成，每个机构由许多零件组成。所以，机器的基本组成要素是机械零件。机器和机械零件，是整体和局部的关系。突出亮点是外延扩张降温、创新日趋升温、市场倒逼转型二．机械零件的分类

通用零件：在各种机械中普遍使用的零件：如螺钉、齿轮等专用零件：特定类型的机械中使用的零件：如汽轮机中的叶片、内燃机的曲轴等部件：为实现某一功能，将一些零件组成一整体，称为部件，如汽车中的变速箱、离合器等要设计出一台很好的机器，必须很好地设计或选择它的零件；而每个零件的设计或选择，是和整台机器的要求分不开的。如果不从机器的全局出发，任何一个零件都是不可能正确地设计和选择出来的。1-3本课程的内容、性质和任务

简要介绍关于整台机器设计的基本知识基础上，重点讨论一般尺寸和参数的通用零件，包括它们的基本设计理论和方法，以及有关技术资料的应用等一.具体内容：总论部分—机器及零件设计的基本原则，设计计算理论，材料选择，结构要求，摩擦、磨损、润滑等方面的基本知识联接部分—螺纹联接，键、花键联接，销联接，焊接，铆接传动部分—带传动，链传动，齿轮传动，蜗杆传动等轴系部分—滑动轴承，滚动轴承，联轴器与离合器，轴等其它部分—弹簧，减速箱等二.本课程的性质从理论性课程过渡到结合工程实际的设计性课程，从基础课程过渡到专业课程。机械工程类专业的一门主干技术基础课。通过学习上述基本内容去掌握有关的设计规律和技术措施，从而具有设计一切通用零件、部件和某些专用零、部件的能力。三．主要任务培养同学们：

1.树立正确的设计思想勇于创新探索、实事求是等精神

2.掌握通用机械零件的设计原理，方法和机械设计的一般规律，具有设计机械传动装置和简单的机械的能力。

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实验方法，获得实验技能的基本

5了解国家当前的有关经济政策，对机械设计的新发展有所了解

机械设计是指机械装置的实体设计，涉及零件的应力、强度的分析计算、材料的选择、结构设计，考虑加工工艺性、标准化及经济性、环境保护等。机械设计结果的表现形式为：机械工程图、说明书和计算机程序。四学习方法

1本课程内容特点关系多——诸多先修课程关系密切

本课程所涉及的先修课程有：工程材料：非金属材料，金属材料及热处理。工程制图：设计的图形表达。机械制造基础：冷加工工艺，热加工工艺。公差配合与技术测量：解决精度设计问题。理论力学：解决力分析与动力计算。材料力学：解决强度分析问题。机械原理：解决机械的方案设计。

门类多——各类零件，各有特点，设计方法各异要求多——强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、经济性等公式多——计算（强度、刚度、寿命、热平衡等），解析式，半解析式，经验、半经验的及定义式图形多——结构、分析、原理、示意、曲线图、标准、经验数表表格多——手册、图册、标准、规范等

实践性强─不仅读懂书就行，要多联系实际，要注重实践性环节。

无重点─又都是重点，设计工作必须详尽，细小的疏忽也会导致严重事故。

设计问题无统一答案─更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维。第三节3注意处理好几个关系

零件的设计与选用

──零件设计的两个主要途径。

性能要求与经济性

──永远是一对矛盾，应学会合理地解决这一对矛盾。

经验设计与现代设计

──二者均重要，前者是后者的基础。

具体的设计方法与一般的设计能力

──前者是学习的形式，后者是学习的目的。

设计计算与结构设计

──设计决非只是计算，同学更应重视结构设计的学习。学习方法机械设计室一门实践性很强的设计性课程，除了努力学好教材外，还要认真学好各个实践性教学环节的内容，并注意把主要精力用于钻研零件的结构、选材、制法、标准、规范、适用场合、工作情况、受力及应力分析、失效形式、设计准则、设计方法与步骤，以及可能出现的问题和对策。而对公式的推导、经验数据的取得，某些曲线的来历等，只作一般的了解。第二章机械设计总论

学习要求：1.从总体上建立机器设计，尤其机械零件设计的总括性的概念。即从机器的总体要求出发，引出对机械零件的要求，根据零件的失效形式，拟定出设计准则，选择材料后，按一定的步骤，用理论设计或经验设计的方法，设计出机械零件2.掌握对机器和机械零件的基本要求：提高机器总体效益；避免失效学习重点：

机械零件设计的内容（机械零件的要求，失效形式，设计准则，设计方法，设计步骤，选材）难点：1各节内容要从总体上及它们的相互关系上予以理解，了解各节之间在逻辑上的相互关系

2本章内容非常原则而不具体2-1机器的组成

组成：原动机部分，传动部分，执行部分原动机部分（动力源）：蒸汽机及内燃机，电动机和热力机——动力运动形式：旋转运动、转矩液压马达或泵——直线运动、推（拉）力执行部分：用来完成机器预定功能的组成部分。可以是一个或几个执行部分传动部分：把原动机的运动形式、运动和动力参数转变为执行部分所需要的运动形式、运动和动力参数现代机器还包括控制部分和辅助部分。以汽车为例：原动机——发动机（柴油机或汽油机）传动部分——离合器、变速箱、传动轴、差速器等执行部分——车轮、悬挂系统及底盘（包括车身）控制系统——方向盘和转向系统、排挡杆、刹车及其踏板、离合器踏板、油门显示系统——油表，速度表、润滑油温度、蓄电池电流表、电压表等辅助系统——后视镜、车门锁、刮雨器等照明系统——前后灯、仪表盘灯信号系统——转向信号灯、车尾红灯等2-2设计机器的一般程序机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。计划阶段（设计任务的提出，功能、经济性、可行性分析，形成设计任务书）机器设计程序如图机构运动简图设计任务书绘制零件图、装配图方案设计阶段（功能分析，方案分析）：设计成败的关键执行部分的工作原理的选择不同，选择不同的执行方案N2；原动部分的方案可以有多种方案N1；传动部分的方案更复杂N3对几个可行方案从技术，经济（设计制造、使用），可靠性，环保等进行综合评价技术设计（结构设计）阶段进行运动学，动力学的设计；零件工作能力的设计、校核；零件图、装配图的设计；编写技术说明书2-3对机器的主要要求一.使用功能要求（正确选择机器的工作原理，正确设计或选择能够全面实现功能的执行、传动机构和原动机、合理地配置必要的辅助系统等）经济性要求机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，设计机器时就要全面综合地进行考虑。设计制造的经济性表现为机器的成本低，使用经济性表现为高生产率，高效率，低能耗，以及低的管理和维护费用等设计制造经济性，使用经济性

提高设计制造经济性指标途径

1）采用先进的现代设计方法，使设计参数最优化,达到尽可能精确的计算结果,保证机器足够的可靠性。

2）最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零、部件。

3）尽可能采用新技术、新工艺、新结构和新材料。

4）合理地组织设计和制造过程。

5）力求改善零件的结构工艺性，使其用料少、易加工、易装配。四.可靠性要求（可靠度）其它专用要求对不同的机器，还有一些为该机器所特有的要求。例如：对机床有长期保持精度的要求；对飞机有质量小，飞行阻力小而运载能力大的要求；对流动使用的机器有便于安装和拆卸的要求；对大型机器有便于运输的要求等等。提高使用经济性指标途径

1）合理地提高机器的机械化和自动化水平，以期提高机器的生产率。

2）选用高效率的传动系统，尽可能减少传动的中间环节，以期降低能源消耗。

3）适当地采用防护及润滑，以延长机器的使用寿命。

4）采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象。劳动保护和环境保护要求要使机器的操作者方便和安全改善操作者和机器的环境2-4机械零件设计的一般步骤确定设计准则包括校核选择零件的类型和结构条理清晰，语言简明，数字正确，格式统一，并附有必要的结构草图和计算草图。重要的引用数据，要注明来源处区；重要的计算结果，要写出简短的结论2-5机械零件的主要失效形式1．整体断裂：零件外载荷作用下危险截面的断裂；变应力作用下的疲劳断裂，如螺栓的断裂，齿轮齿根部的折裂等2．过大的残余变形：作用在零件上的应力超过屈服极限，如机床上夹持定位零件的过大的残余变形，会降低加工精度齿轮轮齿断裂齿轮齿面塑形变形轴瓦磨损3．零件的表面破坏：如腐蚀（发生在金属表面的一种点化学或化学侵蚀现象。使金属表面产生锈蚀，零件表面遭到破坏）、磨损（两个接触表面在相对运动过程中发生表面材料的脱落或转移的现象）和接触疲劳（零件表面长期受到接触变应力的作用而产生裂纹或微粒剥落的现象）。随工作时间的延续而发生的失效形式齿面接触疲劳4．破坏正常工作条件引起的失效：有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作。如滑动轴承（在完整的润滑油膜时），润滑油膜破坏，将发生过热、胶合、磨损等形式的失效；带传动（传递的有效圆周力小于临界摩擦力时）发生打滑失效等2-6设计机械零件时应满足的基本要求一.避免在预定寿命期内失效的要求刚度：零件在工作时所产生的弹性变形不超过允许的极限，满足刚度要求。对机床主轴、导轨等，还必须作刚度计算。整体变形刚度和表面接触刚度。提高整体刚度措施：增大截面尺寸或截面的惯性矩；缩短支承跨距或多支点结构强度：零件在工作过程中发生断裂或不允许的残余变形属于强度不足。具有适当的强度是设计零件时必须满足的最基本要求提高零件的强度措施：材料，尺寸（大，形状），热处理，制造精度，配置3.寿命：零件正常工作延续的时间。影响零件寿命的主要因素有：材料的疲劳，腐蚀以及接触表面的磨损

二结构工艺要求从毛坯制造、机械加工过程和装配等环节综合考虑三经济性要求零件本身的生产成本耗费少（钱财，制造时间及人工消耗）四质量小的要求节约材料；对运动零件，减小惯性载荷五可靠性要求在规定的使用时间内和预定的环境条件下，零件能够正常地完成其功能的概率，称为可靠度

2-7机械零件的设计准则1强度准则：零件工作中的应力不得超过允许的极限应力如：强度极限，疲劳极限，屈服极限等设计准则的确定与零件的失效形式密切联系2刚度准则：零件在载荷作用下的弹性变形量小于或等于机器工作性能所允许的极限值寿命准则：影响寿命主要因素：腐蚀、磨损和疲劳腐蚀和磨损还相应的寿命准则；疲劳寿命是求出使用寿命时的疲劳极限来作为计算依据（第三章）四振动稳定性准则机器中存在着很多周期性变化的激振源。如：齿轮的啮合，滚动轴承中的振动等。如果零件本身的固有频率与激振源的频率重合或整数倍，零件会发生共振，使零件破坏或机器工作情况失常等准则：使零件的固有频率与激振源的频率错开

可靠性准则（可靠度，平均寿命MTTF，MTBF）产品的可靠度是时间的函数，用概率来表示如有一大批某种零件，件数为N0，在t时间后仍有N件在正常工作，可靠度为:R=N/N0

用失效率表示为：失效率与时间关系曲线称为浴盆曲线早期失效阶段：一般为产品试车跑合阶段。失效率由开始很高的数值急剧下降到某一稳定的数值。原因是由于材料缺陷、制造工艺缺陷、检查差错等引起。在出厂前进行严格的测试，查找失效原因，并采取各种措施发现和纠正缺陷，使失效率下降且逐渐趋于稳定。正常使用阶段：失效率基本保持不变。失效的主要原因是产品中无法排除的缺陷，故障的发生是随机的。失效率低且稳定，是产品的最佳运转状态时期。损坏阶段：产品的失效率急剧上升。主要原因是产品的磨损、疲劳、老化等。一般来说，系统的效率降低、生产率下降，意味着产品正常使用寿命的结束。在到达损坏阶段前及时维修或更换某些易损件，可延长产品的使用寿命。2-8机械零件的设计方法

（常规）一.理论设计根据长期总结出来的设计理论和实验数据进行的设计设计计算：多用于能通过简单的力学模型进行设计的零件设计校核：多用于结构复杂，应力分布较复杂，又能用现有的应力（强度）/变形（刚度）分析法进行计算的场合根据零件工作情况，选定设计准则，计算零件的主要尺寸和参数。如拉杆先按其他办法拟定出零件的主要尺寸和参数，然后根据计算准则校核零件是否安全。如拉杆经验设计根据对某类零件已有的设计与使用经验而归纳出的经验关系式所进行的设计。主要使用于使用要求变动不大而结构形状已典型化的零件。如箱体、机架等模型实验设计对尺寸巨大而结构很复杂的重要零件，尤其是一些重型整体机械零件。采用模型实验设计（做成小模型）这种设计方法费时、昂贵，一般只用于特别重要的设计中2-9机械零件的材料及其选用

材料的选择是机械零件设计中非常重要的环节。材料的合理选择成为提高零件质量、降低成本的重要手段一机械零件常用的材料金属材料：黑色金属（钢铁）和有色金属高分子材料、陶瓷材料、复合材料二机械零件材料的选择原则：包括

1.载荷、应力的大小和性质静载荷：选用脆性材料冲击载荷：选用塑性材料

2.零件的工作情况湿热环境：选用防锈和耐腐蚀材料：不锈钢、铜合金工作温度：高温，选用耐热材料滑动摩擦工作