《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第二版）》為普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，同時(shí)為普通高等教育機(jī)械類國(guó)家級(jí)特色專業(yè)系列規(guī)劃教材之一。
《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第二版）》以培養(yǎng)學(xué)生基本的機(jī)械設(shè)計(jì)能力和現(xiàn)代設(shè)計(jì)意識(shí)為目的，根據(jù)編者多年來(lái)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)課程的基本內(nèi)容進(jìn)行整合，以實(shí)用為原則，適當(dāng)刪去部分內(nèi)容，增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容，以及現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法方面的知識(shí)。《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第二版）》共18章，分為四篇。第一篇導(dǎo)論，主要介紹關(guān)于機(jī)械和機(jī)械設(shè)計(jì)的基本概念；第二篇機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，主要介紹機(jī)械運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、機(jī)械零部件工作能力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)；第三篇機(jī)構(gòu)與機(jī)械傳動(dòng)，主要介紹常用的機(jī)構(gòu)和機(jī)械傳動(dòng)及其設(shè)計(jì)，以及機(jī)械動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)；第四篇連接件和軸系零部件，主要介紹螺紋連接、聯(lián)軸器、離合器、軸和軸承的設(shè)計(jì)與選用。
《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第二版）》可作為高等院校機(jī)械類各專業(yè)的教材，也可作為相近專業(yè)有關(guān)課程的參考用書(shū)，并可供有關(guān)工程技術(shù)人員參考。
陳曉南、楊培林主編的《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第2版）》共18章，分為四篇。第一篇導(dǎo)論，主要介紹關(guān)于機(jī)械和機(jī)械設(shè)計(jì)的基本概念；第二篇機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，主要介紹機(jī)械運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、機(jī)械零部件工作能力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)；第三篇機(jī)構(gòu)與機(jī)械傳動(dòng)，主要介紹常用的機(jī)構(gòu)和機(jī)械傳動(dòng)及其設(shè)計(jì)，以及機(jī)械動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)；第四篇連接件和軸系零部件，主要介紹螺紋連接、聯(lián)軸器、離合器、軸和軸承的設(shè)計(jì)與選用。
陳曉南、楊培林、陳鋼、龐宣明
第二版前言
第一版前言
第一篇 導(dǎo)論
第1章 緒論
1.1 機(jī)械的組成
1.2 本課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務(wù)
第2章 機(jī)械設(shè)計(jì)概述
2.1 概述
2.2 機(jī)器的功能分析及功能原理設(shè)計(jì)
2.3 機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和程序
2.4 機(jī)械設(shè)計(jì)中的常用設(shè)計(jì)方法
思考題與習(xí)題
第二篇 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)
第3章 機(jī)械運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)與分析基礎(chǔ)
3.1 概述 第二版前言
第一版前言
第一篇 導(dǎo)論
第1章 緒論
1.1 機(jī)械的組成
1.2 本課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務(wù)
第2章 機(jī)械設(shè)計(jì)概述
2.1 概述
2.2 機(jī)器的功能分析及功能原理設(shè)計(jì)
2.3 機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和程序
2.4 機(jī)械設(shè)計(jì)中的常用設(shè)計(jì)方法
思考題與習(xí)題
第二篇 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)
第3章 機(jī)械運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)與分析基礎(chǔ)
3.1 概述
3.2 機(jī)構(gòu)的組成
3.3 平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
3.4 平面機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算
3.5 平面機(jī)構(gòu)的速度瞬心
思考題與習(xí)題
第4章 機(jī)械零部件工作能力設(shè)計(jì)計(jì)算基礎(chǔ)
4.1 概述
4.2 作用在零件上的載荷
4.3 機(jī)械零件中的應(yīng)力
4.4 機(jī)械零件的工作能力設(shè)計(jì)及材料選用原則
4.5 機(jī)械零件的強(qiáng)度和剛度
4.6 機(jī)械零件的振動(dòng)穩(wěn)定性
4.7 摩擦、磨損和潤(rùn)滑簡(jiǎn)介
思考題與習(xí)題
第5章 機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
5.1 概述
5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
5.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素
思考題與習(xí)題
第三篇 機(jī)構(gòu)與機(jī)械傳動(dòng)
第6章 平面連桿機(jī)構(gòu)
6.1 概述
6.2 平面連桿機(jī)構(gòu)的基本形式及演化
6.3 平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性
6.4 平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)
思考題與習(xí)題
第7章 凸輪機(jī)構(gòu)
7.1 概述
7.2 凸輪機(jī)構(gòu)的類型和應(yīng)用
7.3 從動(dòng)件的幾種常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律
7.4 盤(pán)形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)
7.5 凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸設(shè)計(jì)
思考題與習(xí)題
第8章 齒輪傳動(dòng)
8.1 概述
8.2 齒廓嚙合基本定律
8.3 漸開(kāi)線齒廓
8.4 漸開(kāi)線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪及其嚙合傳動(dòng)
8.5 漸開(kāi)線齒輪的加工方法及齒輪變位的概念
8.6 齒輪傳動(dòng)的失效形式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及材料選擇
8.7 齒輪傳動(dòng)的計(jì)算載荷
8.8 直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算
8.9 漸開(kāi)線斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)
8.10 錐齒輪傳動(dòng)
8.11 齒輪的結(jié)構(gòu)
思考題與習(xí)題
第9章 蝸桿傳動(dòng)
9.1 概述
9.2 普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)與幾何尺寸計(jì)算
9.3 蝸桿傳動(dòng)的工作情況分析
9.4 蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)
思考題與習(xí)題
第10章 輪系
10.1 概述
10.2 定軸輪系及其傳動(dòng)比計(jì)算
10.3 周轉(zhuǎn)輪系及其傳動(dòng)比計(jì)算
10.4 混合輪系及其傳動(dòng)比計(jì)算
10.5 輪系的功用
10.6 行星輪系的效率計(jì)算
10.7 周轉(zhuǎn)輪系各輪齒數(shù)的確定
10.8 其他行星齒輪傳動(dòng)簡(jiǎn)介
思考題與習(xí)題
第11章 帶傳動(dòng)
11.1 概述
11.2 V帶和帶輪
11.3 帶傳動(dòng)的工作情況分析
11.4 帶傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算
11.5 普通V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
11.6 V帶的使用和維護(hù)
11.7 同步帶傳動(dòng)簡(jiǎn)介
思考題與習(xí)題
第12章 其他傳動(dòng)類型簡(jiǎn)介
12.1 概述
12.2 棘輪機(jī)構(gòu)
12.3 槽輪機(jī)構(gòu)
12.4 不完全齒輪機(jī)構(gòu)
12.5 液壓傳動(dòng)簡(jiǎn)介
12.6 氣壓傳動(dòng)簡(jiǎn)介
12.7 電力拖動(dòng)簡(jiǎn)介
思考題與習(xí)題
第13章 機(jī)構(gòu)的組合與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
13.1 概述
13.2 機(jī)構(gòu)的組合方式
13.3 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例
思考題與習(xí)題
第14章 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)
14.1 概述
14.2 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析原理
14.3 機(jī)械系統(tǒng)的速度波動(dòng)及其調(diào)節(jié)
14.4 剛性回轉(zhuǎn)構(gòu)件的平衡
思考題與習(xí)題
第四篇 連接件和軸系零部件
第15章 螺紋連接
15.1 概述
15.2 螺紋連接的基本知識(shí)
15.3 螺紋連接的預(yù)緊和防松
15.4 螺紋連接的強(qiáng)度計(jì)算
15.5 螺栓連接設(shè)計(jì)
思考題與習(xí)題
第16章 軸
16.1 概述
16.2 軸的工作能力計(jì)算模型
16.3 軸的設(shè)計(jì)
思考題與習(xí)題
第17章 軸承
17.1 概述
17.2 滑動(dòng)軸承的類型和典型結(jié)構(gòu)
17.3 滑動(dòng)軸承軸瓦結(jié)構(gòu)
17.4 滑動(dòng)軸承的工作能力計(jì)算
17.5 其他滑動(dòng)軸承簡(jiǎn)介
17.6 滾動(dòng)軸承的主要類型、特點(diǎn)及其代號(hào)
17.7 滾動(dòng)軸承的類型選擇
17.8 滾動(dòng)軸承的工作情況分析
17.9 滾動(dòng)軸承的額定載荷與壽命
17.10 滾動(dòng)軸承的靜載荷計(jì)算
17.11 軸承裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
思考題與習(xí)題
第18章 聯(lián)軸器與離合器
18.1 概述
18.2 聯(lián)軸器
18.3 離合器
思考題與習(xí)題
參考文獻(xiàn)
第1章 緒 論
1.1 機(jī)械的組成
“機(jī)械”、“機(jī)器”、“機(jī)構(gòu)”這些名詞大家都不陌生。在日常生活與工作中，人們幾乎天天都會(huì)接觸到各種各樣的機(jī)器或機(jī)械，如汽車、洗衣機(jī)、縫紉機(jī)、電動(dòng)機(jī)、機(jī)床等。機(jī)械的應(yīng)用極大地減輕了人們的體力勞動(dòng)，提高了生產(chǎn)率并改善了勞動(dòng)條件。機(jī)械的發(fā)展及應(yīng)用水平也已成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平和現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志之一。
但什么是機(jī)械？什么是機(jī)器或機(jī)構(gòu)？它們都有何特征？如何定義？它們之間有什么不同？這就是本章要介紹的內(nèi)容。
機(jī)器是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，用來(lái)變換或傳遞能量、物料或信息，它是人類在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中逐步創(chuàng)造并發(fā)展起來(lái)的。現(xiàn)代機(jī)器，盡管它們的結(jié)構(gòu)形式不同、性能和用途不一，但從其組成、運(yùn)動(dòng)及功能轉(zhuǎn)換關(guān)系看，都具有下列三個(gè)共同特征：
（1）它們都是若干人為實(shí)體的組合。
（2）各實(shí)體之間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
（3）能用來(lái)代替人們的勞動(dòng)去實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與其他形式能之間的轉(zhuǎn)換或做有用的機(jī)械功。而僅具備以上（1）、（2）兩個(gè)特征的則稱為“機(jī)構(gòu)”。機(jī)器與機(jī)構(gòu)的主要區(qū)別就在于：機(jī)器具有運(yùn)動(dòng)和能量（而且總包含有機(jī)械能）的轉(zhuǎn)換，而機(jī)構(gòu)只有運(yùn)動(dòng)的變換。
顯然，機(jī)器是由機(jī)構(gòu)組成的。機(jī)構(gòu)是機(jī)器的運(yùn)動(dòng)部分，是剔除了與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的因素而抽象出來(lái)的運(yùn)動(dòng)模型，它主要用于研究機(jī)器運(yùn)動(dòng)，是機(jī)械學(xué)上的一個(gè)術(shù)語(yǔ)。一臺(tái)機(jī)器可以包含一個(gè)機(jī)構(gòu)或幾個(gè)機(jī)構(gòu)。功用不同的機(jī)器可以具有同樣的主要機(jī)構(gòu)。例如，圖1-1所示的單缸內(nèi)燃機(jī)和圖1-2所示的沖床機(jī)，它們的主體機(jī)構(gòu)都是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)又是由構(gòu)件組成，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)的基本單元體。
一部機(jī)器往往包含有機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)、潤(rùn)滑、控制等部分，各部分各司其責(zé)，使機(jī)器協(xié)調(diào)地工作。但就其功能而言，一般由四個(gè)部分組成，即驅(qū)動(dòng)部分、傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分、協(xié)調(diào)控制部分，如圖1-3所示。
驅(qū)動(dòng)部分是機(jī)器的動(dòng)力源，最常見(jiàn)的動(dòng)力源有電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等。執(zhí)行部分是機(jī)器中用來(lái)產(chǎn)生規(guī)定動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)機(jī)器預(yù)定功能的部分。傳動(dòng)部分是機(jī)器中將驅(qū)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給執(zhí)行部分的中間環(huán)節(jié)，利用傳動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)參數(shù)及動(dòng)力參數(shù)的改變，如把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本�運(yùn)動(dòng)、高轉(zhuǎn)速變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速、小轉(zhuǎn)矩變?yōu)榇筠D(zhuǎn)矩等。協(xié)調(diào)控制部分是通過(guò)機(jī)器中信息的傳遞、加工處理和反饋對(duì)機(jī)器進(jìn)行控制的部分。由于近代機(jī)器的功能日益復(fù)雜、精度越來(lái)越高，協(xié)調(diào)控制部分在其中的作用就顯得尤為重要。
另一方面，從制造角度來(lái)說(shuō)機(jī)器又是由機(jī)械零件組成的。所以，機(jī)械零件是機(jī)器的組成要素和制造單元。機(jī)械零件一般又分為通用零件和專用零件。廣泛應(yīng)用于各種不同類型機(jī)器中的機(jī)械零件稱為通用零件，如螺釘、齒輪等。只用于某些特定機(jī)器中的機(jī)械零件稱
圖1-1 單缸內(nèi)燃機(jī)圖1-2 沖壓機(jī)1-機(jī)架；2-曲柄；3-連桿；4-滑塊1-機(jī)架；2-曲柄；3-連桿；4-滑塊
圖1-3 機(jī)器的組成
為專用零件，如汽輪機(jī)的葉片、內(nèi)燃機(jī)的活塞等。在通用零件中，具有標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)的零件或部件又稱為標(biāo)準(zhǔn)件。為完成同一使命，在結(jié)構(gòu)上組合在一起并協(xié)調(diào)工作的一組零件稱為部件，如聯(lián)軸器、離合器等。
若撇開(kāi)機(jī)器在做功和轉(zhuǎn)換能量方面的作用，僅從結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)來(lái)看，機(jī)器與機(jī)構(gòu)并無(wú)區(qū)別。因此，習(xí)慣上用“機(jī)械”一詞作為機(jī)器與機(jī)構(gòu)的總稱。但機(jī)械與機(jī)器在用法上略有不同：機(jī)器常用來(lái)指一個(gè)具體的概念，如內(nèi)燃機(jī)、拖拉機(jī)等；而機(jī)械則常用在更廣泛、更抽象的意義上，如機(jī)械化、機(jī)械工業(yè)等。
1.2 本課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務(wù)
作為機(jī)械設(shè)計(jì)的入門(mén)課程，本課程主要介紹機(jī)械設(shè)計(jì)的基本理論和技術(shù)，研究機(jī)械設(shè)計(jì)中常用機(jī)構(gòu)和通用零件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法等。在常用機(jī)構(gòu)中，主要討論了連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、輪系和間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；在通用零件中，主要研究了常見(jiàn)的機(jī)械傳動(dòng)、常用的連接、軸系零部件等。此外，還介紹了機(jī)械動(dòng)力學(xué)方面的基礎(chǔ)知識(shí)。
由此可見(jiàn)，“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”是一門(mén)培養(yǎng)學(xué)生具有一定機(jī)械設(shè)計(jì)能力的技術(shù)基礎(chǔ)課程。通過(guò)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)（包括它的全部教學(xué)環(huán)節(jié)），可使學(xué)生著重掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的基本知識(shí)、基本理論、基本方法和基本技能，并為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下必要的基礎(chǔ)。
第2章 機(jī)械設(shè)計(jì)概述
2.1 概 述
“機(jī)械設(shè)計(jì)”具有豐富的內(nèi)涵，不同時(shí)期對(duì)設(shè)計(jì)的理解也不盡相同。一般認(rèn)為，機(jī)械設(shè)計(jì)是根據(jù)市場(chǎng)需求對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的功能、原理方案、技術(shù)參數(shù)等進(jìn)行規(guī)劃和決策，并將結(jié)果以一定形式（如圖紙、計(jì)算說(shuō)明書(shū)、計(jì)算機(jī)軟件等）加以描述和表達(dá)的過(guò)程。設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低，將直接關(guān)系到機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益，因而設(shè)計(jì)在機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中起著關(guān)鍵性的作用。
早期的設(shè)計(jì)，僅僅是工匠在頭腦中的構(gòu)思而已，所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單。隨著社會(huì)及生產(chǎn)的發(fā)展，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，發(fā)展到用圖紙表達(dá)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)結(jié)果，并按圖紙制造產(chǎn)品。這時(shí)，設(shè)計(jì)工作在整個(gè)機(jī)器的制造過(guò)程中才具有相對(duì)獨(dú)立的性質(zhì)，可以利用圖紙對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析和改進(jìn)，也可以按圖紙進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。圖紙的出現(xiàn)推動(dòng)了設(shè)計(jì)工作的發(fā)展。
19世紀(jì)至20世紀(jì)初，隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，與機(jī)械設(shè)計(jì)有關(guān)的一些基礎(chǔ)理論與技術(shù)，如理論力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)、公差與技術(shù)測(cè)量、機(jī)械制圖等，逐漸發(fā)展成為獨(dú)立的學(xué)科。綜合應(yīng)用這些學(xué)科而逐漸形成的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，稱為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。
近幾十年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，相應(yīng)地發(fā)展了一系列先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論與方法，如優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）、虛擬設(shè)計(jì)等，這些統(tǒng)稱為現(xiàn)代設(shè)計(jì)。它的出現(xiàn)使得機(jī)械設(shè)計(jì)更加科學(xué)、更加精確和更加完善。目前現(xiàn)代設(shè)計(jì)的理論與方法已日趨成熟，并在設(shè)計(jì)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。
機(jī)械設(shè)計(jì)可以是應(yīng)用新的原理或概念開(kāi)發(fā)新的機(jī)器，也可以是在已有機(jī)器的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)或作局部的改進(jìn)。
機(jī)器正常工作的前提是組成機(jī)器的各個(gè)零件能正常工作。由于某些原因機(jī)械零件不能在預(yù)定的條件下和規(guī)定的期限內(nèi)正常工作時(shí)，稱為失效。由于具體工作條件和受載情況的不同，機(jī)械零件可能出現(xiàn)不同的失效形式，即使是同類零件，也可能出現(xiàn)不同的失效形式。例如，機(jī)器中的軸，可能由于疲勞斷裂而失效，也可能由于過(guò)大的彈性變形，使軸所支承的零件不能處于機(jī)器中的正確位置而失效。
機(jī)械零件在一定工作條件下抵抗失效的能力，稱為工作能力。針對(duì)各種失效形式，機(jī)械零件有各種相應(yīng)的工作能力。機(jī)械設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一就是要保證機(jī)械零件有足夠的工作能力。
如前所述，機(jī)械設(shè)計(jì)是根據(jù)市場(chǎng)需求，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的功能、原理方案、技術(shù)參數(shù)等進(jìn)行規(guī)劃和決策的過(guò)程。不同的機(jī)械由于其功能、結(jié)構(gòu)形式、用途及工作條件的不同，其設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)方法及步驟也會(huì)有所不同。盡管如此，機(jī)械設(shè)計(jì)仍有其固有的規(guī)律和特點(diǎn)，必須滿足一些共同的基本要求，遵循一些基本的原則和程序。因此，要想科學(xué)合理地進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，就必須掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的一些基本知識(shí)和一般規(guī)律，如機(jī)器的功能分析、功能原理設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和程序、機(jī)械零件材料的選用原則、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)、機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作能力設(shè)計(jì)等。
2.2 機(jī)器的功能分析及功能原理設(shè)計(jì)
2.2.1 機(jī)器的功能分析
功能是機(jī)器的核心和本質(zhì)，是機(jī)器為滿足用戶需求所必須具有的“行為”或必須完成的任務(wù)。從某種意義上講，可以認(rèn)為“用戶購(gòu)買的不是機(jī)器本身，而是機(jī)器所具有的功能”。因此在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)該考慮的是要實(shí)現(xiàn)什么功能和如何實(shí)現(xiàn)所需的功能。
機(jī)器是實(shí)現(xiàn)某種“功能”的裝置。一臺(tái)機(jī)器所能完成的功能，稱為機(jī)器的總功能。例如，挖掘機(jī)的總功能是“取運(yùn)物料”，減速器的總功能是“傳遞扭矩和變換速度”。
總功能可以分解成若干個(gè)分功能，如挖掘機(jī)的總功能可分解為獲取物料、運(yùn)送物料等分功能，如圖2-1所示。因此從功能的觀點(diǎn)來(lái)看，機(jī)器是由多個(gè)分功能構(gòu)成的系統(tǒng)，它們的協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)了機(jī)器的總功能。
圖2-1 挖掘機(jī)的功能分解
分功能還可以繼續(xù)分解，一直分解到能找到原理解法的分功能為止。能找到原理解法的分功能稱為功能元。功能元與一定的功能載體相對(duì)應(yīng)，功能載體是實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能的技術(shù)實(shí)體。例如，“鏟斗”、“推壓”、“回轉(zhuǎn)”等分功能就是挖掘機(jī)的功能元，“鏟斗”的功能載體可以是“正鏟斗”、“反鏟斗”、“抓斗”等。
設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品時(shí)，很難根據(jù)總功能立即設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的功能載體。所以功能分解的主要目的是將總功能分解為較簡(jiǎn)單的分功能或功能元，以便找出相應(yīng)的功能載體。?5?
在分析和確定所設(shè)計(jì)機(jī)器的總功能和分功能時(shí)，要應(yīng)用抽象化的方法。通過(guò)抽象，一方面可以更深刻、更正確、更全面地反映所設(shè)計(jì)機(jī)器的功能；另一方面也有利于抓住設(shè)計(jì)問(wèn)題的本質(zhì)，擺脫傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和框架，開(kāi)闊思路，獲得更為滿意的設(shè)計(jì)方案。例如，把軸承的功能抽象為“在相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)表面間傳遞力”，就可以得到機(jī)械的、流體的、電磁的等不同工作原理和不同結(jié)構(gòu)形式的軸承。
2.2.2 功能原理設(shè)計(jì)
在完成機(jī)器的功能分析后，下一步要針對(duì)機(jī)器的功能構(gòu)思其工作原理。這種主要針對(duì)功能的原理性設(shè)計(jì)，稱為功能原理設(shè)計(jì)。功能原理設(shè)計(jì)應(yīng)首先對(duì)各個(gè)功能元求解，然后將各個(gè)功能元的解綜合，形成能實(shí)現(xiàn)機(jī)器總功能的原理方案。
功能元求解就是要尋找能實(shí)現(xiàn)功能元的原理方案或結(jié)構(gòu)方案。功能元求解首先應(yīng)根據(jù)一定的科學(xué)原理（如力學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)等）確定能實(shí)現(xiàn)功能元的技術(shù)原理，然后按照技術(shù)原理來(lái)選擇或構(gòu)思功能載體。可只用簡(jiǎn)圖或示意圖來(lái)表示所構(gòu)思的功能載體，不必考慮其具體結(jié)構(gòu)、材料和制造工藝等細(xì)節(jié)問(wèn)題。功能載體以它所具有的某種特性（運(yùn)動(dòng)特性、幾何特性、物理化學(xué)特性等）來(lái)實(shí)現(xiàn)某一特定的功能。
功能元求解時(shí)，要始終明確功能是本質(zhì)，而采用什么樣的原理、何種功能載體只是形式。只要本質(zhì)不變，形式可以各種各樣。既然人們購(gòu)買的是產(chǎn)品所具有的功能，那么在保證實(shí)現(xiàn)功能的前提下，可以采用不同的原理、不同的功能載體來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的功能。因此求解功能元時(shí)要應(yīng)用“發(fā)散”思維，進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思，力求提出較多的解法供比較選優(yōu)。
利用形態(tài)學(xué)矩陣將各個(gè)功能元的解進(jìn)行綜合就可以得到能實(shí)現(xiàn)機(jī)器總功能的多個(gè)原理方案。所謂形態(tài)學(xué)矩陣，就是用矩陣的形式列出各功能元及各功能元的解（功能載體）。表2-1就是在求得各功能元的解（功能載體）后，得出的挖掘機(jī)形態(tài)學(xué)矩陣。
表2-1 挖掘機(jī)形態(tài)學(xué)矩陣
功能元 功能元的解 （功能載體）
1 2 3 4
鏟斗 正鏟斗 反鏟斗 抓斗
推壓 齒條 鋼絲繩 油缸
提升 油缸 繩索
回轉(zhuǎn) 內(nèi)齒輪傳動(dòng) 外齒輪傳動(dòng) 液輪
運(yùn)送物料 履帶 輪胎 邁步式 軌道-車輪
能量轉(zhuǎn)化 柴油機(jī) 汽油機(jī) 電動(dòng)機(jī) 液壓馬達(dá)
能量傳遞與分配 齒輪箱 油泵 鏈傳動(dòng) 帶傳動(dòng)
制動(dòng) 帶式制動(dòng) 閘瓦制動(dòng) 片式制動(dòng) 圓錐形制動(dòng)
變速 液壓式 齒輪式 液壓-齒輪式
用形態(tài)學(xué)矩陣進(jìn)行方案綜合，就可以得到多種原理方案。例如，由表2-1所示的挖掘機(jī)形態(tài)學(xué)矩陣，可得3×3×2×3×4×4×4×4×3＝41472個(gè)原理方案。在眾多的原理方案中，應(yīng)去除那些技術(shù)上明顯不適用或不可行的方案，保留可行的方案。在剩余的可行方案中，再進(jìn)行評(píng)價(jià)與決策，最終定出較為理想的方案。?6?
2.3 機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和程序
2.3.1 機(jī)器設(shè)計(jì)的基本要求及程序
1.機(jī)器設(shè)計(jì)的基本要求
盡管各種機(jī)器的性能、用途及結(jié)構(gòu)形式不同，但在設(shè)計(jì)時(shí)均應(yīng)滿足以下的基本要求。1）功能要求如前所述，功能是機(jī)器的核心和本質(zhì)。因此設(shè)計(jì)的機(jī)器首先應(yīng)能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，并
能在規(guī)定工作條件下和規(guī)定工作期限內(nèi)正常運(yùn)行。2）可靠性要求機(jī)器由許多零件及部件組成，機(jī)器的可靠性取決于零部件的可靠性。可靠性用可靠度來(lái)
衡量。機(jī)器的零部件越多，其可靠度越低。為了保證機(jī)器的可靠度，當(dāng)組成機(jī)器的零部件越
多時(shí)，對(duì)每個(gè)零部件的可靠度要求也就越高。因此，在設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)應(yīng)盡量減少零部件數(shù)目。3）經(jīng)濟(jì)性要求機(jī)器的成本包括設(shè)計(jì)、加工、裝配、材料、使用、維護(hù)等各環(huán)節(jié)的成本。設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)器
成本的影響很大，統(tǒng)計(jì)分析表明機(jī)器成本的80%由設(shè)計(jì)所決定。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全面考慮以上各環(huán)節(jié)的成本，以提高機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)，可通過(guò)以下措施提高機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性。
（1）采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段（如CAD、有限元分析、并行設(shè)計(jì)等）。這樣，一方面可以得到盡可能精確的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，并能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；另一方面可盡量減少設(shè)計(jì)中的反復(fù)，從而縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本。
（2）最大限度地采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化的零部件。
（3）采用新技術(shù)、新工藝、新材料和新結(jié)構(gòu)。
（4）改善零部件的結(jié)構(gòu)工藝性，使其易于加工、裝配和維護(hù)，并能節(jié)約材料。
（5）采用合理的潤(rùn)滑方式及密封裝置，從而延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命。
（6）提高運(yùn)動(dòng)副及傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，以降低能源消耗。
（7）提高機(jī)器的自動(dòng)化水平，以提高機(jī)器的生產(chǎn)率。4）操作方便和安全要求設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)，應(yīng)根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理使人機(jī)關(guān)系協(xié)調(diào)，力求操作方便、省力、舒適，
最大限度地減少腦力和體力消耗；降低機(jī)器噪聲，防止有害介質(zhì)的泄漏，減少環(huán)境污染；力求維護(hù)方便并降低維護(hù)費(fèi)用；設(shè)置必要的安全防護(hù)裝置，確保機(jī)器運(yùn)行時(shí)的人身安全和機(jī)器自身的安全。
5）造型、色彩要求
運(yùn)用工業(yè)設(shè)計(jì)的方法，對(duì)機(jī)器進(jìn)行造型和色彩設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)人、機(jī)器和環(huán)境的完美協(xié)調(diào)。機(jī)械產(chǎn)品的造型和色彩設(shè)計(jì)，直接影響到產(chǎn)品的銷售和競(jìng)爭(zhēng)力，是機(jī)械設(shè)計(jì)中一個(gè)不容忽視的環(huán)節(jié)。
2.機(jī)器設(shè)計(jì)的一般程序
機(jī)器設(shè)計(jì)有其固有的規(guī)律和特點(diǎn)。為提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，機(jī)器設(shè)計(jì)應(yīng)按照一定的程序來(lái)進(jìn)
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