第二章机械设计概述
机械是人类进行生产和生活的主要体力劳动工具。随着生产技术的不断发展和人民生活水平的日益提高，机械产品品种和门类日益增多，例如，各种各样的金属切削机床、仪器仪表、工程机械、重型机械、轻工机械、纺织机械、食品包装机械、石油化工机械、产品加工机械、交通运输机械、海洋作业机械、钢铁成套设备、发电设备以及办公设备、家用电器、儿童玩具等等。在现代社会，人们运用各种类型的机械，以改善劳动条件，提高劳动生产率和产品质量。同时，随着经济的发展，人们也运用越来越多的机械，以提高自身的生活质量。可以说，国民经济各部门及人类自身生活中使用机械的程度，是整个社会发展水平的重要标志之一。
机械工程是在西方工业革命后形成系统的技术科学，从明代我国逐步引进了此技术，但是至今我们在机械设计方面不属于世界先进行列。主要问题是：1、缺乏技术价值观念。2、缺乏大量技术实践。3、教学与工厂实际脱离，把机械技术变成了读书，缺乏对机械技术的全面实践，培养的人不能动手，不会设计真实东西。
工业设计师应当是通才。从专业要求看，必须了解机械工艺、材料、成本等方面的内容，理解工程师的思维方式，才能够较顺利设计产品。
此课程主要培养学生在机械技术和设计方面的职业思维方式和行为方式，对机械产品有实际经验，通过拆装实验，讨论，解决实际产品设计，从中了解设计过程。
照传统说法，一切机器都可分为三部分，动力源、传动和执行机构。一切机器的作用不外两点，一是利用能量来代替微弱的人力、畜力，另一则用机器的运动来代替人手的动作。虽然两者都是为了减轻劳动，可是它们发展的历史却很不一样。能源开发是近代的成就，应该说由水车开始，而且从历史眼光看其发展并不能说很快，一般是量变。用机器运动来代替手工动作则历史长得多，而且进步也比较大。只要比较一下上古制作陶器的陶车和近代在人的大脑中进行外科手术的机器人便清楚了。这可能是因为能源开发虽然艰巨，其目标却是单一的。用机器运动代替人工劳动，目的是多种多样的，随着人类生活的发展而不断变化。因此形成很多复杂的行业。
到底机器的哪部分是用来产生代替人手的动作呢?事实上这和传统的原则性的说法略有不同。倘若机器要执行的动作非常简单，则动力源一传动一执行这划分还是对的。但近代机器常常极其复杂，对它要求的动作也非常精细而且复杂。这种精细复杂的运动，通常要从传动中获得。这就使机器的传动部分和执行部分的界限模糊了，同时也使传动成为更复杂的技术。表面上好像很简单的问题，做起来可能会很困难。在这里提及一个历史上的例子：当瓦特设计他的蒸汽机时，他需要一个直线运动来带动阀门。从表面看这是—个很简单的问题，在今天用一个导轨便成了。但在那时的加工设备和润滑技术，还不能制出导轨，而须用连杆。但瓦特想不出这样一种连杆，便要求格拉斯哥大学的数学家们帮忙，但数学家们也想不出。后来事情传开了，竟发现全世界的数学家都解决不了这问题。瓦特只得用了一个近似的直线机构。这问题直到瓦特死后几十年，才由一位法国数学家解决了。这一事实说明了在机器上对传动机构要求之高和问题解决之难。只要机器还在使用，传动机构也必然要继续发展。
各种各样的机械是国民经济许多部门及其他领域的重要装备。随着科学技术和工业生产的发展，对机械产品不时提出新要求，除了优质、高效、低能耗、低廉价格之外，突出的课题是性能优越的、适应高精尖发展的机械功能。一般地说，机械设备均为实现某种工艺动作过程，或者实现生产过程与操作自动化。在新形势下，必须致力搞好创新设计，不断推出新产品来抢占市场，满足客观需求。机械的创新设计的着重点是机构设计，也就是机械运动方案设计。机构系统设计的核心，是选择灵巧的工艺动作过程、满意地达到特定的机械功能要求。机构系统的开发、设计，机构的选用和它们的巧妙组合，就是为了实现特定的机械功能。机构系统设计的好坏，直接影响机械产品的性能、效率、成本，因此愈来愈为人们重视。
不言而喻，产品设计是决定产品性能、质量、水平和经济效益的重要环节。随着市场经济的不断发展，商品竞争必然愈来愈剧烈。一个产品是否具有市场竞争能力，在很大程度上取决于产品的设计。产品设计如有闪失，则常常是属于根本性的问题，对产品生产、市场竞争的贻误，可能会造
成灾难性后果。因此，必须高度重视设计，尽心尽力搞好设计。
§2.1 机器、机构与机械的基本概念
机械设计的研究对象是机器和机构。那么什么是“机器”和“机构”呢?
机器这个概念，在18世纪工业革命以后，得以逐步充实和完善。随着科学技术的飞跃发展，特别是70年代末、80年代初兴起的世界范围的新技术革命，对于机器的设计与制造具有深刻和广泛的影响，“机器”的含义相应逐渐在更新与变化。对于现代机器，由于广泛采用机电一体化，可以把机器定义为：机器是一种具有操纵控制系统的、作机械运动的装置，它用来变换能量、物料和信息，以代替或减轻人的体力劳动和脑力劳动。在这个定义中，物料是指被加工的对象、被搬运的重物。根据机器用途的不同，我们又可把机器分为动力机器、加工机器和信息机器。
动力机器是把任何一种能量变换成机械能，或者把机械能变换成其他形式的能量。例如，内燃机、压气机、涡轮机、电动机、发电机等等都属于动力机器。
加工机器的用途是完成有用的机械功或搬运物品。例如，金属切削加工机床、轧钢机、织布机、缝纫机、包装机、汽车、机车、飞机、起重机、输送机等等都是。
信息机器是用来获得和变换信息。如果信息是以数字形式表示的，则该信息机器就称为计数机或计算机。计数机有计算器、机械式积分仪、记账机等。打字机、绘图仪等等也是属于信息机器。对于实现数学运算的电子计算机（指CPU、控制器、运算器和内存等），由于它并没有机械运动的存在，从机构学的观点来看，电子计算机不能算是机器，但计算机整机中的软盘驱动器、硬盘（驱动器）、光盘驱动器、电源风扇、CPU风扇等仍包含有机械运动，需要相应的传动机构去完成各种运动要求。
在这里，必须指出的是机器与其他装置(或设备)的主要不同点：机器一定要作机械运动，并用机械运动来实现能量、物料和信息的变换。
凡是在没有人的直接参与下，能完成能量、物料和信息的整个变换过程的机器，称为自动机。自动机中的各个机械动作，一般都采用各种各样的机构来完成的。
完成一定工艺过程的自动机群，通过自动运输装置联接起来，可组成自动线。
机器，特别是自动机，在正确使用的情况下，能减轻人的劳动、提高生产率和保证高质量地完成工作过程。
随着各种各样新机构的出现，“机构”的定义也应有所变化。以前人们认为机构只能由刚体所组成（狭义机构），现在已经把液体和气体都认为直接参与机械运动的变换，同时把在特定条件下的可变形体和挠性体参与机械运动的变换（广义机构）。因此，机构可以定义为：机构是用作把一个或几个刚体的运动变换成其他刚体所需的运动的机械装置。如果液体或气体也参与运动的变换，这种机构就相应地称为液动机构或气动机构。
从对各种各样机器的分析可以看出，各个机器的主要组成部分都是各种机构。一部比较复杂的、完整的机器，可能包含多种类型的机构。例如，内燃机由曲柄滑块机构、凸轮机构和齿轮机构组成的。但是，简单的机器，也可能只包含一种机构，例如，手工送料的冲床就是由曲柄滑块机构单一机构构成的。
一部机器，特别是自动机，由于要实现较为复杂的工艺动作过程，往往有较多的各种类型的机构来组成的。近年来，随着机电一体化的广泛应用，一部机器中的机构数目和复杂程度都有下降的趋势，但是从机器必须实现某一工艺动作过程来看，机构还是大多数机器的最重要部分。此外，在仪器、设备和日常用具中，也大量用到各种机构；因此，研究机构的结构和设计受到了机械设计人员的重视。
各种类型的机器，尽管它们的用途、结构和性能不相同，但都有如下三个共同的特征：
（1）它们都是人为的实物组合；
（2）它们各部分之间具有确定的相对运动；
（3）在工作时能代替或减轻人类的劳动，或完成有用的机械功，或转换机械能。
作为机构，只具备机器的前两个特征，而不能完成有用的机械功或转换机械能。
为了简化叙述，人们常常用“机械”一词作为“机构”和“机器”的总称。
图0—1所示的内燃机即为常见通用机械
之一，它由气缸体(连同机架)、活塞、连杆、
曲轴、齿轮、凸轮、进气阀推杆和排气阀推杆
等组成。燃烧的气体膨胀时推动活塞，通过连
杆推动曲轴转动。转动的曲轴通过齿轮带动凸
轮轴控制进气与排气，同时输出机械能。内燃
机工作时能将燃气的热能转变为曲轴旋转的
机械能，因此，它是一台典型的机器。
能够将其它形式的能量转换为机械能的
机器称为原动机，如电动机、内燃机、涡轮机
等。能够利用机械能来完成有用功，或者能将
机械能转变为其它形式能量的机器统称为工
作机，如金属切削机床、起重机，空气压缩机
等。
在图0—1所示的内燃机中，为了将热能
转换为机械能，必须依靠各个最基本的组合体
的协调动作。这些最基本的组合体就是机构。
图中凸轮4、进气阀2的推杆与气缸体1组成
一凸轮机构；凸轮5、排气阀3的推杆与气缸
体1也组成一凸轮机构；活塞11(称为滑块)、
连杆10、曲轴8(称为曲柄)与气缸体1组成曲
柄滑块机构；齿轮7、6和气缸体1组成齿轮
机构。
机构是由各个具有确定相对运动的运动单元所组成的。这些运动单元称为构件。构件可以是单一的零件，也可以是几个零件组成的刚性整体。例如齿轮、轴和键这三个零件可联接成一个构件。构件和零件的区别是。构件是运动的单元，而零件是制造的单元。在各种机械设备中都会用到的零件，称为通用零件，如螺栓、键、轴承、齿轮等。只是在某些机械设备中用到的零件，称为专用零件，如活塞、曲轴等。
§2.2 机械设计概述
一、设计基本概念
设计一词的英语为Design，它源于拉丁语Designar，由De（记下）与Signare（符号、记号、图形等）两词组成。因此，“设计”的最初含义是将符号、记号、图形之类记下来的意思。随着生产的发展和科学技术的进步，设计的内涵不断向深度和广度发展，设计的含义愈来愈深刻和愈来愈先进。
设计是人类改造自然的基本活动之一，设计是复杂的思维过程，设计过程蕴含着创新和发明的机会。设计的目的是将预定的目标，经过一系列规划与分析决策，产生一定的信息（文字、数据、图形），形成设计，并通过制造，使设计成为产品，造福人类。
设计过程是指明确设计任务到编制技术文件所进行的整个设计工作的流程。一般来说，整个设计过程可分为明确设计任务要求、原理方案设计、技术设计、施工设计四个主要阶段。
现代设计是过去设计活动的延伸和发展。随着设计实践经验的积累，生产和科技的飞速发展，使设计思想、理论、方法和手段得到不断的丰富、充实和发展，促进了传统设计方法的变革，使现代设计方法随之产生。现代设计方法使机械产品的设计工作发生了质的变化，促进了机械产品的改进、更新、升级、换代速度的加快。
机械产品的设计由于情况不同可以有三类不同的设计：
1．开发性设计：在工作原理、结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，设计出过去没有过的新型机械。这是一种完全创新的设计。
2．适应性设计：在原理方案基本保持不变的前提下，对产品作局部的变更或设计一个新部件，使产品在质和量方面更能满足使用要求。
3．变型设计：在工作原理和功能结构都不变的情况下，变更现有产品的结果配置和尺寸，使之适应于更多的容量的要求。这里的容量含义很广，如功率、转矩、加工对象的尺寸、速比范围等等。
在机械产品设计中，开发性设计目前还占少数，为了充分发挥现有机械产品的潜力，适应性设计和变型设计就显得格外重要。但是，作为一个设计人员，不论从事哪一类设计，都应该在“创新”上下功夫。“创新”可以使开发性设计、适应性设计和变型设计别具一格，耳目一新。市场竞争的日益加剧，设计人员必须把新产品的开发放在重要位置上，使产品不断更新、技术储备更加增强，这样才能在市场竞争中立于不败之地。
二、机械设计发展情况
人类的设计工作大致经历了三个阶段：
(一)直觉设计阶段
为了有效地从事生产、抵御野兽的侵害和其他部落的掠夺，人们发明了弓箭、杠杆、辘轳、轮车、风车、水力机械、畜力机械等等。那时人们只是从自然现象中得到启示，或是全凭直观感觉来设计制作工具和机械。一般只知道这些工具和机械能够省力、提高工效，但不知其所以然。直觉设计往往带有一定的盲目性。
(二)经验设计阶段
自17世纪数学与力学的结合以后，人们开始运用经验数学公式来解决设计中的一些问题，如材料和结构件的应力和强度计算等。18世纪工业革命后，机器的创造发明层出不穷。19世纪科技发展更是促进设计工作的发展。这阶段设计的特点是主要依靠个人的才能和经验，运用一些基本设计计算理论借助类比、模拟和试凑等设计方法来进行的。一般来说，经验设计只能满足基本的功能要求，但在成本、性能、质量诸方面都可能有很大的局限性。这一阶段的产品完善周期一般很长，一个产品从发明到实际应用，往往需要几十年甚至上百年的改进演变过程。
(三)半理论半经验设计阶段
本世纪初，图纸设计法替代了试凑法，大大提高了设计效率和设计质量，减少了设计中的浪费。这个阶段由于加强了设计基础理论和各种专业机械产品设计机理的研究，从而为设计提供了数据、图表和手册等；由于加强了关键零部件的设计研究，大大提高了设计速度和成功率；由于加强了“三化”研究，即零件标准化、部件通用化、产品系列化，进一步提高了设计的速度和质量，降低了产品的成本。这样也可以使设计减少盲目性，增加合理性。
但是，这一阶段的设计还缺乏系统化的观点，尚无创新开发的办法和综合优化的思想。因此，它还没有完全摆脱经验设计的局面。
三、现代设计方法的产生
如上所述，现代设计是过去设计活动的延伸和发展。50年代后期到60年代初期，由于电子计算机日渐广泛的采用、设计方法学和创造方法学的迅速发展以及科学技术的进步，使人们在掌握事物的客观规律与人的思维规律的同时，运用有关科学、技术原理进行复杂的、甚至在这以前认为不可能的计算和设计，从而机械产品的设计工作发生了质的变化。大约于本世纪六十年代末期，在机械产品设计领域中，国际上相继出现了一系列新兴学科分支，主要有设计方法学、优化设计、价值工程、计算机辅助设计(CAD)、可靠性设计、工业艺术造
型设计、模块化设计、反求工程；有限元法、机械动态设计等等；还有不少新的设计方法，如相似性设计、系统化设计、人机学、模态设计、动态设计、疲劳设计等等。其中不少技术已日趋成熟，并得到广泛应用。人们把国际上新崛起的有关设计的新兴学科称为现代设计。
现代设计在设计指导思想、设计对象、设计方法和设计手段都有着显著特点和先进性。从设计指导思想来看，它由过去的经验、类比方法提高到逻辑的、理性的、系统的新设计方法；从设计对象上来看，它考虑了人、机、环境的相互协调，从而发挥产品的最大潜力或提高系统的有效性；从设计方法上来看，它广泛采用CAD、优化设计、可靠性设计、工业艺术造型设计、创造性设计，使设计的水平有一个质的飞跃；从设计手段上来看，它充分采用电子计算机进行计算、自动绘图和数据库管理等。这样大大提高了设计的准确性、稳定性和设计效率，并且使修改设计十分方便。设计思想、设计方法、设计工具。
现代设计方法在机械运动简图设计中的应用，必然会使这项设计摆脱经验、类比设计的局面，能在较短的时间内得到一个较为理想的机械运动简图。
四、机械设计的一般进程
机械设计过程并没有一个通用的固定的顺序，而须按具体情况确定。机械设计的一般进程，可分为产品规划、方案设计、详细设计和改进设计四个阶段。下面探讨其各阶段的设计任务。
(一)产品规划阶段
在产品规划阶段的中心任务包括：确定设计目的（需求分析、市场预测）和设计思想，可行性分析，确定设计参数及制约条件，最后给出详细的设计任务书（或要求表），作为设计、评价和决策的依据。
产品开发是从需求识别开始的。优秀的设计人员应该具有敏锐的预感能力，在市场竞争形势中，分析出社会的需要，并抢在市场需要前完成产品的开发和试制工作。需求有两种：一种为显需求，即人们都知道的需求；另一种是隐需求，即人们还没有意识到的、但客观存在的那种需求。设计人员的任务，不仅仅去不断改进、提高那些满足人们显需求的产品，更重要的是要去开发那些满足人们隐需求的产品。
需求：发现现有产品中存在的问题（普遍性问题和难点性问题），包括产品功能、性能质量、数量等的具体要求；竞争对手在技术、经济方面的优缺点；现有产品的销售情况等等。
对产品开发中的重大问题，经过技术、经济、社会各方面条件的详细分析和对开发可能性的综合研究，提出产品开发的可行性报告，报告一般包括以下内容：
(1)产品开发的必要性，市场需求预测；
(2)有关产品的国内外水平和发展趋势；
(3)预期达到的最低目标和最高目标，包括设计水平、技术、经济、社会效益等；
(4)提出设计、工艺等方面需要解决的关键问题；
(5)在现有条件下开发的可能性论述及准备采取的措施；
(6)预算投资费用及项目的进度、期限。
(二)方案设计阶段
市场需求的满足或适应，是以产品的功能来体现的。产品功能与产品设计是因果关系，但又不完全相同。体现同一功能的产品，可以多种多样。因此这一阶段就是在功能分析的基础上，通过创新构思、探赜索隐、优化筛选，取得较理想的功能原理方案。对于机械产品来说，机械运动示意图(机械运动方案图)和机械运动简图的设计就是方案设计阶段的主要内容。产品功能原理方案的好坏，决定着产品性能和成本，关系到产品水平及竞争能力，是这一设计阶段的关键。
方案设计阶段要完成产品功能分析、功能原理求解和评价决策得到最佳功能原理方案，也就是初步完成机械运动方案的设计，为进一步进行机械运动简图设计打下基础。
(三)详细设计阶段
将表述功能原理的机械运动简图使之实现功能原理方案，须得予以具体化，成为机器及
其零部件的合理结构，这是详细设计阶段的任务。因此，要完成产品总体设计、部件和零件设计、全部生产图纸，并编制设计说明书等有关技术文件。在此阶段中，零部件的结构形状、装配关系、材料选择、尺寸大小、加工要求、表面处理、总体布置等设计合理与否，对产品的技术性能和经济指标都有着直接的影响。为此，设计人员应注意：
(1)零部件设计必须满足其设计功能要求；
(2)要考虑功能的合理分配和零件结构形状的合理设计；
(3)从便于制造加工和降低成本考虑，力求零件结构形状简单，加工面少，材料利用率高；
(4)常用零件尽可能标准化、通用化、组合化；
(5)总体设计还应满足总功能、人机工程、造型美学、包装和运输等方面的要求。
详细设计的步骤一般由总装草图分拆成部件、零件草图，经审核无误后，再由零件工作图、部件图绘制出总装图。
最后还要编制技术文件，如设计说明书，标准件、外购件明细表，备件、专用工具明细表等等。
(四)改进设计阶段
试制产品根据试验、使用、鉴定中所暴露的问题，进一步从设计上完善相应的技术和效能，以确保产品质量。这是改进设计阶段的主要任务，是整个设计过程中不可分割的一部分，决不允许可有可无。通过这一阶段的工作，产品的效能、可靠性和经济性提高之后，产品就更具有生命力。
总之，按上述一般进程有步骤地设计对提高设计质量有较好的效果。
五、机械设计的基本要求
一个产品，只有在技术性能、经济指标、整体造型、操作使用和可维修性等方面得到统筹兼顾、协调一致等得以满足，这样的设计才是合理的，才会受到用户的欢迎。因此，如何拟定机械设计的要求，是产品设计中一个重要的前提。
(一)拟定设计要求的原则与方法
设计要求拟定的一般原则是：详细而明确，合理而又先进。详细就是尽可能列出全部设计要求，编制出一份设计要求明细表；明确就是对设计要求尽可能定量化。合理就是对设计要求的提出要适度、要实事求是；先进就是与国内外同类产品相比，产品的功能或技术性能、经济指标方面具有一定的领先优势。
设计要求定量化方法，视具体产品的情况而定。有些产品可依据国际标准、国家标准或专业标准来确定；有些可通过直接计算而得；有些可通过统计法、类比法、估算法、试验法等来确定。
(二)设计要求
设计要求可分为主要要求和次要要求。主要要求是指直接关系到产品的功能、性能、技术经济指标的那些要求，次要的要求是指间接关系到产品质量的那些要求。
1．主要要求
(1)功能要求：即产品的功用。可以从人机功能分配、价值工程原理和技术可行性等三方面来分析。
(2)适应性要求：即对作业对象的特征、工作状况、环境条件等工况发生变化的适应程度。
(3)性能要求：即指产品所具有的工作特征。
(4)生产能力要求：是指产品在单位时间内所能完成工作量的多少。
(5)可靠性要求：是指产品在规定使用条件下，在预期使用寿命内能完成规定功能的概率。
(6)使用寿命：是指正常使用条件下，因磨损等原因引起产品技术性能、经济指标下降在允许范围内而无需大修的延续工作的期限。
(7)效率的要求：是指输入量的有效利用程度。
(8)使用经济性要求：是指单位时间内生产的价值与同时间内使用费用的差值。
(9)成本要求。
(10)人机工程学要求。
(11)安全防护、自动报警要求。
(12)与环境适应的要求。
(13)运输、包装的要求。
2．其他设计要求：为了保证实现主要设计要求而提出的要求。主要有：
(1)强度、刚度要求。
(2)制造工艺要求。
(3)零件加工技术要求。
(4)各作业动作间的协调配合要求。
以上的各项设计要求对于各种产品设计都是适用的。但是，某一具体的产品设计，所涉及的设计要求的内容，其主次轻重是不同的。设计人员应作具体分析，以拟订出祥细、明确、合理而又先进的设计要求。在拟定设计要求时，要着重考虑人、机、材料、成本，一般就简称为四个“M”(Man，Machine，Material，Money)。对于机械设计的可靠性、适用性与完善性的考虑，一般可以归结为：保证功能要求与适当使用寿命下的不断降低成本。
六、机械设计的原则和法规
在机械设计过程中，还应遵循一些基本的原则和法规，以确保设计的质量，杜绝不应有的浪费。
(一)基本原则
对于设计过程中普遍适用的基本原则，现简述如下：
1．需求原则：产品的功能要求来自于需求。产品要满足客观的需求，这是一切设计最基本的出发点。不考虑客观需要会造成产品的积压和浪费。客观需求是随着时间、地点的不同而发生变化的，这种变化了的需求是设计升级换代产品的依据。客观需求有显需求和隐需求之分，显需求的发展可导致产品的不断改进、升级、更新、换代；隐需求的开发会导致创造发明，形成新颖的产品。
2．信息原则：设计过程中的信息主要有市场信息、科学技术信息、技术测试信息和加工工艺信息等。设计人员应全面、充分、正确和可靠地掌握与设计有关的各种信息。用这些信息来正确引导产品规划、方案设计与详细设计，并使设计不断改进提高。
3．创新原则：设计人员的大胆创新，有利于冲破各种传统观念和惯例的束缚，创造发明出各种各样原理独特、结构新颖的机械产品。
4．系统原则：每个机械产品都可以看作一个待定的技术系统，设计产品就是由系统论的方法来求出功能结构系统，通过分析、综合与评价决策，使产品达到综合最优。
5．收敛原则：为了寻求一个崭新的产品，在构思功能原理方案时，采用发散思维；为了得到一个新型产品，则必须综合多种信息，实行收敛思维。在发散思维基础上进行收敛思维，通常都会取得很好效果。
6．优化原则：这是属于广义优化，包括方案择优、设计参数优化、总体方案优化。也就是高效、优质、经济地完成设计任务。
7．继承原则：将前人的成果，有批判地吸收，推陈出新，加以发扬，为我所用，这就是继承原则。设计人员悟性地掌握继承原则，可以事半功倍进行创新设计，可以集中主要精力去解决设计中的主要问题。
8．效益原则：设计中必须讲求效益，既要考虑技术经济效益，又要考虑社会效益。
9．时间原则：加快设计研制时间，以利抢先占领市场。同时，在设计时，要预测产品研制阶段内同类产品可能发生的变化，保证设计的产品投入市场后不至于沦为过时货。
10．定量原则：在方案评选、造型技术美学、产品技术性能、经济效益等等的评价，都
尽量采用科学的定量方法。
11．简化原则：在确保产品功能前提下，应力求设计出的产品简化，以降低产品成本，并仍确保质量。在产品初步设计阶段和改进设计阶段，尤应突出运用这个基本原则。
12．审核原则：要实现高效、优质、经济地设计，必须对每一项设计步序的信息，随时进行审核，确保每一步做到正确无误，竭力提高产品设计质量。
设计的基本原则是过去设计经验的科学总结，可以帮助在设计中少走弯路，提高质量。对于设计的基本原则，设计人员还可根据情况的发展变化和自己的经验不断加以补充、完善。
(二)基本法规
设计过程中还必然会涉及一些基本法规，例如各种标准、政策和法令。设计人员对此必须十分熟悉，并在设计中加以贯彻执行。
1．标准化：与设计有关的标准有如下：
(1)概念的标准化：即各种名词术语、符号内容、计量单位等等的标准化。
(2)实物形态的标准化：即产品及其零部件的结构型式及其尺寸、性能、性质等的统一规定或标准。例如各种标准零件、通用部件，在设计时应查照有关机械设计手册，凡有标准的均应按标准来设计。
(3)方法的标准化：即对生产技术有关的设计方法、操作方法、测量方法、试验方法、抽样验收方法、成本核算方法等等的统一规定。
(4)程序的标准化：即对设计程序、加工步骤等等的统一规定。
标准化的水平，是衡量一个国家的生产技术水平和管理水平的尺度之一，是衡量设计现代化程度的一个重要标志。
2．政策与法令：设计人员除了精通本身的业务外，还应熟悉国家有关的政策法令，并在设计中认真贯彻执行。与没计有关的许多政策、法令，例如原材料与能源方面的政策；对某些企业、产品的优惠政策；企业的技术改造政策；技术与设备的引进政策；海关法；商品检验法；专利法；食品卫生法；环境保护法；技术协议和同法等等。对于出口产品，还要了解和遵循国际标准或有关国家的法规。
机械设计概论复习题 一、判断题： Y 1、当材料的循环次数超过其循环基数No时，材料进入无限寿命区。 N 2、材料的极限应力图可用于分析该材料在不同循环特征系数下的应力极限。 Y 3、材料的极限应力图可用于分析该材料所制零件在不同循环特征系数下应力极限。 N 4、为提高螺栓的疲劳强度，可以加大螺栓直径。 Y 5、阶梯轴轴肩处采用圆角过渡可提高轴类零件的疲劳强度。 N 6、材料允许的循环次数越多，其对应疲劳极限应力越大。 Y 7、当转动的零件上受静载荷作用时，其上也可能产生变应力。Y 8、机械零件的计算分为设计计算和校核计算，两种计算的目的都是为了防止机械零件在正常使用期限内发生失效。 Y 9、影响零件疲劳强度的综合影响系数Kσ及零件尺寸、应力集中、表面状态等因素有关。 二、选择题 1、寿命系数应用于AC。 A.稳定变应力疲劳强度计算 B.规律性不稳定变应力疲劳强度计算 C.静应力疲劳强度计算 D.静强度计算 E.其它
2、表示材料受B载荷作用的疲劳极限。 A.静 B.对称循环 C.脉冲循环 D.其它 3、表示D之间关系曲线叫疲劳曲线。 A、应力和时间t B、应力幅和平均应力 C、疲劳极限和应循环次数N D、疲劳极限和应力循环次数 4、表示B之间关系的曲线叫极限应力曲线 A、应力σ和时间t B、应力幅σa和平均应力 C、疲劳极限和应循环次数N D、疲劳极限和应力循环次数 5、为变应力的循环特性。 6、机器寿命长，其B也长。 A、磨合阶段 B、稳定磨损阶段 C、磨合+稳定磨损阶段 7、按弯扭合成强度条件计算轴的应力时，公式中折合系数α是考虑D。 A、材料抗弯及抗扭的性能不同； B、强度理论的要求； C、轴的结构设计要求； D、弯曲应力和扭转切应力的循环特性不同 8、四个结构及性能相同的零件甲、乙、丙、丁，若承受最大应力的值相等，而应力的应力比r分别为+1、0、-0.5、-1，则其中最易发
机械设计的发展历史 摘要：设计必须科学化，这意味着要科学的阐述客观设计过程及其本质，分析与设计有关的领域及其单位，在这些基础上，科学的安排设计过程，使用科学的方法和手段进行设计。同时也要求设计人员不仅有丰富的专业知识，而且要掌握先进的设计理论，设计方法及设计手段，科学的进行设计工作，这样才能及时得到符合要求的产品。 关键词：机械设计、古代机械设计、近代机械设计、现代机械设计 主要内容： 1 机械设计发展的三个阶段 机械设计的发展史按时间来分，可分为三个阶段，分别是：从古代社会到17世纪为机械设计起源和古代机械设计阶段，由17世纪至第二次世界大战结束为近代机械设计，第二次世界大战结束直到现在为现代设计阶段。如果按其内容来分，可分为：直觉设计阶段，经验设计阶段和理论设计阶段。两种划分是一一对应的，是从不同角度来划分机械设计的发展史。每一个阶段在设计理论，方法和制造工艺方面都有明显的特色。下面就按时间来划分，把机械设计发展史划分为三个阶段来论述。 1.1 第一阶段：机械设计起源和古代机械设计 我国近代的考古发现了一些传说和记载，在浙江余姚河姆渡，河南郑裴李岗等遗址中都发现了七八千年以前制造相当精致的农具如石铲等。我国古代经书中，对古代使用，制造机械的情况有许多记载。《周易》“黄帝，尧，舜氏作，刳木为舟，剡木为楫，剡楫之力以济不通”，“断木为杵，掘地为舀”。可见，在4000多年前，我国古代已经发明了车，船，农具和许多生活用具。在《周易》第47卦“困”的卦辞中有“困于金车”，金车指用铜装饰起来的豪华马车。清代学者章诚说“六经皆史”，在我国古代文献中随处可以见机械产品与人民生活密切的联系，在我国春秋战国时代的著作《道德经》中有“三十辐共一毂，像日月也”的说法，而在秦陵发掘出来的二号铜车马，车融会贯通就有30个车辐。虽然据统计，当时的车每个车轮用30个轮辐，但是对轮辐的数目已经有了一定的规则。此外，我国古代在武器，纺织机械船舶等方面也有许多发明，到秦汉时期我国机械设计和制造已经达到相当高的技术水平，在当时世界上处于领先地位，在世界机械工程史上占有十分重要的的地位。 在我国古代，机械发明，设计者与制造者是统一的。有许多著名的人物，他们的成果代表了当时我国的机械的设计水平。唐代的时候我国与许多国家开展了经济，文化和科学技术的交流，与东南亚，南亚，阿拉伯，非洲东海岸贸易频繁，对中国和世界其他的一些国家有很大影响。由于贸易的发展，要求商品增加，从而改进生产设备，使机械设计有了很大的发展，造纸，纺织，农业，矿业，陶瓷，印染，兵器等都有了新的进展，机械设计水平也提高了一大步，宋代沈括的著作《梦溪笔谈》记载了当时的许多科学成就，反映了当时的科学水平。世界其它的国家也有不少机械的成果。但这些设计多是凭设计者的经验完成的缺乏必要的，有一定精度的理论的计算。 1.2 近代机械设计 17世纪欧洲的航海，纺织，钟表等工业的兴起，提出了许多技术部题，1644年英国组成了“哲学学院”，德国成立了实验研究会和柏林学会，1666年，法国，意大利也成立了研究机构。在这些机构中工作的意大利人伽里略（1564~1642）发表了自由落体定律，惯性定律，抛物体运动，还进行过梁的弯曲实验；英国人牛顿提出了到家动的三大定律，1688年，他提出
机械设计答案 第1章机械设计概论 1－2 设计机器时应满足哪些基本要求？ 答：1、功能要求 满足机器预定的工作要求，如机器工作部分的运动形式、速度、运动精度和平稳性、需要传递的功率，以及某些使用上的特殊要求（如高温、防潮等）。 2、安全可靠性要求 （1）使整个技术系统和零件在规定的外载荷和规定的工作时间内，能正常工作而不发生断裂、过度变形、过度磨损、不丧失稳定性。 （2）能实现对操作人员的防护，保证人身安全和身体健康。 （3）对于技术系统的周围环境和人不致造成危害和污染，同时要保证机器对环境的适应性。 3、经济性 在产品整个设计周期中，必须把产品设计、销售及制造三方面作为一个系统工程来考虑，用价值工程理论指导产品设计，正确使用材料，采用合理的结构尺寸和工艺，以降低产品的成本。设计机械系统和零部件时，应尽可能标准化、通用化、系列化，以提高设计质量、降低制造成本。 4、其他要求 机械系统外形美观，便于操作和维修。此外还必须考虑有些机械由于工作环境和要求不同，而对设计提出某些特殊要求，如食品卫生条件、耐腐蚀、高精度要求等。 1－4 机械零件的计算准则与失效形式有什么关系？常用的设计准则有哪些？它们各针对什么失效形式？ 答：在设计中，应保证所设计的机械零件在正常工作中不发生任何失效。为此对于每种失效形式都制定了防止这种失效应满足的条件，这样的条件就是所谓的工作能力计算准则。它是设计机械零件的理论依据。 常用的设计准则有： 1、强度准则：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。 2、刚度准则：确保零件不发生过大的弹性变形。 3、寿命准则：通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。 4、振动稳定性准则：高速运转机械的设计应注重此项准则。
第1章练习作业题 1. 单项选择 1-1 按照系统的观点，可将生产定义为使生产（③）转变为生产财富并创造效益的输入输出系统。 ①对象②资料③要素④信息 1-2 度量生产过程效率的标准是（④）。 ①产量②产值③利润④生产率 1-3 制造从广义上可理解为（②）生产。 ①连续型②离散型③间断型④密集型 1-4 精良生产是对（④）公司生产方式的一种描述。 ①波音②通用③三菱④丰田 1-5 在先进的工业化国家中，国民经济总产值的约（③）来自制造业。 ① 20% ② 40% ③ 60% ④ 80% 1-6 在机械产品中，相似件约占零件总数的（③）。 ① 30% ② 50% ③ 70% ④ 90% 1-7 零件分类编码系统是用（③）对零件有关特征进行描述和识别的一套特定的规则和依据。 ①文字②数字③字符④字母 1-8 成组技术按（④）组织生产。 ①产品②部件③零件④零件组 1-9 CIM是（②）和生产技术的综合应用，旨在提高制造型企业的生产率和响应能力。 ①高新技术②信息技术③计算机技术④现代管理技术 1-10 并行工程是对产品及（④）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。 ①零件②设备③工艺装备④相关过程 1-11 实行并行工程的企业多采用（③）的组织形式。 ①直线式②职能式③矩阵式④自由式 1-12 在多变的市场环境下，影响竞争力的诸要素中（①）将变得越来越突出。 ①时间②质量③成本④服务
2. 多项选择 2-1 生产要素包括（①②③④）和生产信息。 ①生产对象②生产资料③能源④劳动力 2-2 21世纪机械制造业发展趋向是（①②③）智能化和清洁化。 ①自动化②柔性化③集成化④批量化 2-3 专业化协作与扩散生产的形式有（①②③）等。 ①组织各种专业化基础零部件生产厂②组织专业化毛坯生产厂 ③实行工艺性协作④实行主机装配协作 2-4 机械零件之间的相似性主要表现在（②③④）等几方面。 ①零件名称相似性②零件结构特征相似性③零件材料特征相似性④零件制 造工艺相似性 2-5 采用生产流程分析法划分零件组的优点是（②④）。 ①无须编制零件工艺规程②可保证同一零件组内的零件的工艺相似性③可由 零件编码直接划分零件组④可在划分零件组的同时形成机床组 2-6 成组生产单元按其规模、自动化程度和机床布置形式，可分为（①②③）和成组柔性制造系统等几种类型。 ①成组单机②成组单元③成组流水线④成组刚性自动线 2-7 产品、部件、零件标准化的内容包括（①②④）。 ①名称标准化②结构标准化③材料标准化④零部件标准化 2-8 CIMS功能模型中质量信息系统包括（①②④）等。 ① CAI ② CAT ③ CAE ④ CAQC 2-9 实施并行工程可以（①③④）等。 ①缩短产品开发周期②减少制造工作量③降低产品制造成本④减少工程变更次数 2-10 并行工程在产品设计过程中必须同时考虑下游的（①②）过程。 ①制造②支持③销售④使用 2-11 敏捷制造的通讯基础结构包括（①②③④）等。 ①建立大范围的信息传输网络②建立统一的产品信息模型③建立企业信息模 型和管理信息模型④制定信息传输标准 2-12 敏捷制造的特征有（①②③）。 ①快捷的需求响应②动态的组织形式③集成的制造资源④稳定的人员编制
中国机械发展史 摘要：如果说书籍是人类精神文明进步的阶梯，那么机械无疑是人类物质文化前进的动力。作为有五千年历史的大国，中国是世界上机械发展最早的国家之一。中国的机械工程技术不但历史悠久，而且成就十分辉煌，不仅对中国的物质文化和社会经济的发展起到了重要的促进作用，而且对世界技术文明的进步做出了重大的贡献。 关键词：发展史、传统机械、近代机械、现代机械 我国机械的发展大致可以分为三种：早期的传统机械；中期的近代机械；发展至今的现代机械。 传统机械方面，我国在很长一段时期内都领先于世界。到了近代由于特别是从18世纪初到19世纪40年代，由于经济社会等诸多原因，我国的机械行业发展停滞不前，在这100多年的时间里正是西方资产阶级政治革命和产业革命时期，机械科学技术飞速发展，远远超过了中国的水平。这样，中国机械的发展水平与西方的差距急剧拉大，到十九世纪中期已经落后西方一百多年。 一、传统机械 传统机械发展这一时期是中国机械发展的第一个时期，然而石器的使用标志着这一时期的开始。青铜器的出现，铁器的使用标志着我国传统机械的发展进入了一个新的时期。唐宋时期我国传统机械发展进入一个高水平发展的时期。 石器时代：初期出现了磨制的石器，弓箭等一些简单的机械制造。到新石器时代对石器的选择、切割、磨制和钻孔等有了更高的要求，以及出现了桔槔、辘轳等复合机械工具和原始纺织机、制陶转轮等较复杂的机械，这都反映了这一阶段机械的发展水平有了显著的提高。但这一时期在动力方面只有人力、畜力等并用。在材料方面多以石质材料为主发展为以木、铜质材料为主。 商周时期：这一时期青铜冶铸技术达到了高潮。青铜器的出现标志着一种新的机械技术和制造工艺的诞生。到商中期已广泛使用分铸法等先进工艺，体现出机械工程的不断进步。并且这一时期机械在结构方面由简单工具发展为复合工具和较为复杂的机械。在原理方面从杠杆、尖劈等原理的利用发展为对惯性、摩擦、弹性和重力等原理的利用。在制造工艺方面经历了由石器制造工艺向铜器和其他机械工艺的转变。这充分说明在这一时期中国传统机械技术已经形成并有了
机械设计习题集(新) 第1章机械设计概论 思考题 1. 什么是部件？什么是零件？什么是构件？什么是通用零件？什么是专用零件？机械设计 课程研究的是哪类零件？从哪几个方面来研究这类零件？ 2. 机械设计应满足哪些基本要求？机械零件设计应满足哪些基本要求？ 3. 机械设计的一般步骤是怎样的？ 第2章机械零件的工作能力和计算准则 一、填空题 1. 在压力作用下，以点、线相接触的两物体在接触处产生的应力称为应力。 2. 零件在变应力作用下的强度计算属于强度计算，它不同于静强度计算。 3. 零件的计算载荷与名义载荷的关系是。 4. 零件的名义载荷是指载荷。 5. 零件的实际载荷与计算载荷的差异对零件的强度影响，将在中考虑。 二、简答与思考题 1. 解释下列名词：静载荷、变载荷、稳定循环变载荷、动载荷、工作载荷、额定载荷、计算 载荷、静应力、变应力、疲劳及疲劳极限。静载荷是否一定产生静应力？变载荷是否一定产生变应力？ 2. 什么是变应力的循环特性r？对于静应力、脉动循环变应力和对称循环变应力，其r值各等 于多少？ 3. 在一定的循环特性r下工作的金属试件，其应力循环次数与疲劳极限之间有怎样的内在联 系？怎样区分试件的无限工作寿命和有限工作寿命？怎样计算在有限寿命下工作的试件的疲劳极限？ 4. 两个曲面形状的金属零件相互压紧，其表面接触应力的大小由哪些因素确定？如果这两个 零件的材料、尺寸都不同，其相互接触的各点上彼此的接触应力值是否相等？ 三、计算题 1. 图示为对心直动滚子从动件凸轮机构。从动件顶端承受压力F=12kN。当压力角α达到最大 值αmax=250时，相应的凸轮轮廓在接触点上的曲率半径为R=75mm。已知：滚子半径r=15mm，凸轮与滚子的宽度b=20mm；两者材料的弹性模量和泊松比均为E=2.1×105Mpa和μ=0.3； 许用接触应力[ζ]H=1500Mpa。试校核凸轮与滚子的表面接触强度。
机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主要的因素。机械设计的努力目标是：在各种限定的条件(如材料、加工能力、理论知识和计算手段等)下设计出最好的机械，即做出优化设计。 优化设计需要综合地考虑许多要求，一般有：最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低消耗和最少环境污染。那么，如何成为一名优秀的机械设计师？应该储备哪些知识？具备怎样的素质呢？小编特为您奉上一位资深机械设计师难得的经验与感悟。 机械设计所要了解的周边知识以及所要具备的观察视角 1、熟练翻阅机械设计手册 对于标准件以及常用件的一些技术特征要了熟于心。比如要清楚各类轴承，带传动，链传动，齿轮传动，丝杠传动，蜗轮蜗杆等的使用场合，使用方式，以及相关的技术特征。对于具体应用时的选型计算则可对照设计手册的图表和公式进行具体确定。 2、知道N家常用件供应商并熟练翻阅其产品样本 现在机械设计趋向于模块化，对于机械设备制造工厂的整体技术要求更侧重于对于一些配件和部件的组装应用。比如台湾HIWIN，日本THK，德国FAG，FESTO。对于此，要做到当你在设计某个零件或部件或要完成某个动作或功能的时候必须得知道目前是否有专业的厂商在生产或提供能实现某个部位的功能要求的成熟的零配件。 3、熟悉原材料情况 比如你要知道目前市场上有卖的冷轧或热轧铁板以及各类型材的规格尺寸，有经验的工程师往往都会知道你安排给采购的单子往往到最后是会变得面目全非的。因为在钢材市场，普遍存在变薄，变窄，变短这些情况，采购买回来的东西往往是和你坐办公室根据设计手册里选出来的相关数据存在比较大的折扣。 4、深度了解各类常用机床的结构原理和性能特点
第 0 章 机械设计概述
0-1 机械设计概述 一、机械定义一、机械定义（机构+ 机器） 具有确定相对运动的构件组合 能实现能量转换或作有用功 机械的作用：改善劳动条件、提高生产效率、提高产品质量
0-1机械设计概述 二、机械的组成 二、机械的组成原动机工作机 传动装置控制系统抽象：制造角度（机械设 计）零件:制造单元具体 ：运动角度（机械原理）构件:运动单元零件—构件—机械（机构、机器）
三 、机械设备应满足的要求 4. 操作、维护方便； 5. 造型美观； 6. 运输方便 等。 3. 制造、运行费用低； 1. 使用要求--完成预定功能，生产率高 ；2. 安全可靠、寿命足够； 0-1机械设计概述 三、机械设备应满足的要求
四 、机械设计一般程序明确设计目的、要求拟定系统组成、方案选择确定原动机功率、零件运动动力参数、零件参数设计、系统总装图设计考虑结构、公差工艺要求， 绘装配图、零件工作图 调试测试控制功能 0-1机械设计概述 四、机械设计一般程序 设计任务分析 方案设计 技术设计 施工设计控制系统设计调试仿真分析、修改设计、工程试 验 定型产品设计
0-1机械设计概述 五、课程的内容与特点 五、课程的内容、任务、特点 阐述机械设计的共性问题 研究通用机械设计的理论、方法通用零件的工作原理、设计方法、标准规范等。内容：工作特点、失效形式、设计准则、参数选择、结构设计、整机应用 机械零件设计基础知识—共性基础理论 联接件：螺纹联接、键联接、轴毂联接…… 传动件：齿轮、蜗杆、带、链…… 支撑件：轴、轴承（滚动、滑动）…… 其 他：联轴器、离合器、弹簧……
第二章机械设计概述 机械是人类进行生产和生活的主要体力劳动工具。随着生产技术的不断发展和人民生活水平的日益提高，机械产品品种和门类日益增多，例如，各种各样的金属切削机床、仪器仪表、工程机械、重型机械、轻工机械、纺织机械、食品包装机械、石油化工机械、产品加工机械、交通运输机械、海洋作业机械、钢铁成套设备、发电设备以及办公设备、家用电器、儿童玩具等等。在现代社会，人们运用各种类型的机械，以改善劳动条件，提高劳动生产率和产品质量。同时，随着经济的发展，人们也运用越来越多的机械，以提高自身的生活质量。可以说，国民经济各部门及人类自身生活中使用机械的程度，是整个社会发展水平的重要标志之一。 机械工程是在西方工业革命后形成系统的技术科学，从明代我国逐步引进了此技术，但是至今我们在机械设计方面不属于世界先进行列。主要问题是：1、缺乏技术价值观念。2、缺乏大量技术实践。3、教学与工厂实际脱离，把机械技术变成了读书，缺乏对机械技术的全面实践，培养的人不能动手，不会设计真实东西。 工业设计师应当是通才。从专业要求看，必须了解机械工艺、材料、成本等方面的内容，理解工程师的思维方式，才能够较顺利设计产品。 此课程主要培养学生在机械技术和设计方面的职业思维方式和行为方式，对机械产品有实际经验，通过拆装实验，讨论，解决实际产品设计，从中了解设计过程。 照传统说法，一切机器都可分为三部分，动力源、传动和执行机构。一切机器的作用不外两点，一是利用能量来代替微弱的人力、畜力，另一则用机器的运动来代替人手的动作。虽然两者都是为了减轻劳动，可是它们发展的历史却很不一样。能源开发是近代的成就，应该说由水车开始，而且从历史眼光看其发展并不能说很快，一般是量变。用机器运动来代替手工动作则历史长得多，而且进步也比较大。只要比较一下上古制作陶器的陶车和近代在人的大脑中进行外科手术的机器人便清楚了。这可能是因为能源开发虽然艰巨，其目标却是单一的。用机器运动代替人工劳动，目的是多种多样的，随着人类生活的发展而不断变化。因此形成很多复杂的行业。 到底机器的哪部分是用来产生代替人手的动作呢?事实上这和传统的原则性的说法略有不同。倘若机器要执行的动作非常简单，则动力源一传动一执行这划分还是对的。但近代机器常常极其复杂，对它要求的动作也非常精细而且复杂。这种精细复杂的运动，通常要从传动中获得。这就使机器的传动部分和执行部分的界限模糊了，同时也使传动成为更复杂的技术。表面上好像很简单的问题，做起来可能会很困难。在这里提及一个历史上的例子：当瓦特设计他的蒸汽机时，他需要一个直线运动来带动阀门。从表面看这是—个很简单的问题，在今天用一个导轨便成了。但在那时的加工设备和润滑技术，还不能制出导轨，而须用连杆。但瓦特想不出这样一种连杆，便要求格拉斯哥大学的数学家们帮忙，但数学家们也想不出。后来事情传开了，竟发现全世界的数学家都解决不了这问题。瓦特只得用了一个近似的直线机构。这问题直到瓦特死后几十年，才由一位法国数学家解决了。这一事实说明了在机器上对传动机构要求之高和问题解决之难。只要机器还在使用，传动机构也必然要继续发展。 各种各样的机械是国民经济许多部门及其他领域的重要装备。随着科学技术和工业生产的发展，对机械产品不时提出新要求，除了优质、高效、低能耗、低廉价格之外，突出的课题是性能优越的、适应高精尖发展的机械功能。一般地说，机械设备均为实现某种工艺动作过程，或者实现生产过程与操作自动化。在新形势下，必须致力搞好创新设计，不断推出新产品来抢占市场，满足客观需求。机械的创新设计的着重点是机构设计，也就是机械运动方案设计。机构系统设计的核心，是选择灵巧的工艺动作过程、满意地达到特定的机械功能要求。机构系统的开发、设计，机构的选用和它们的巧妙组合，就是为了实现特定的机械功能。机构系统设计的好坏，直接影响机械产品的性能、效率、成本，因此愈来愈为人们重视。 不言而喻，产品设计是决定产品性能、质量、水平和经济效益的重要环节。随着市场经济的不断发展，商品竞争必然愈来愈剧烈。一个产品是否具有市场竞争能力，在很大程度上取决于产品的设计。产品设计如有闪失，则常常是属于根本性的问题，对产品生产、市场竞争的贻误，可能会造
第1章机械设计概论 思考题 1. 什么是部件？什么是零件？什么是构件？什么是通用零件？什么是专用零件？机械设计课程研究的是哪 类零件？从哪几个方面来研究这类零件？ 2. 机械设计应满足哪些基本要求？机械零件设计应满足哪些基本要求？ 3. 机械设计的一般步骤是怎样的？ 第2章机械零件的工作能力和计算准则填空题 1. 在压力作用下，以点、线相接触的两物体在接触处产生的应力称为应力。 2. 零件在变应力作用下的强度计算属于强度计算，它不同于静强度计算。 3. 零件的计算载荷与名义载荷的关系是。 4. 零件的名义载荷是指载荷。 5. 零件的实际载荷与计算载荷的差异对零件的强度影响，将在中考虑。 二、简答与思考题 1. 解释下列名词：静载荷、变载荷、稳定循环变载荷、动载荷、工作载荷、额定载荷、计算载荷、静应 力、变应力、疲劳及疲劳极限。静载荷是否一定产生静应力？变载荷是否一定产生变应力？ 2. 什么是变应力的循环特性r？对于静应力、脉动循环变应力和对称循环变应力，其r值各等于多少？ 3. 在一定的循环特性r下工作的金属试件，其应力循环次数与疲劳极限之间有怎样的内在联系？怎样区分 试件的无限工作寿命和有限工作寿命？怎样计算在有限寿命下工作的试件的疲劳极限？ 4. 两个曲面形状的金属零件相互压紧，其表面接触应力的大小由哪些因素确定？如果这两个零件的材料、 尺寸都不同，其相互接触的各点上彼此的接触应力值是否相等？ 三、计算题 1. 图示为对心直动滚子从动件凸轮机构。从动件顶端承受压力F=12kN。当压力角α达到最大值αmax=250 时，相应的凸轮轮廓在接触点上的曲率半径为R=75mm。已知：滚子半径r=15mm，凸轮与滚子的宽度b=20mm；两者材料的弹性模量和泊松比均为E=2.1×105Mpa和μ=0.3；许用接触应力[σ]H=1500Mpa。试校核凸轮与滚子的表面接触强度。
《机械设计基础》课程习题 集 系部： 适用专业： 制定人： 审核人： 系（部）
《机械设计基础》课程习题集 第一章机械设计概论 一、填空题。 1、机械零件最常见的失效形式有_______,_______,_______,_______,。 2、机械没计的“三化”指__________,__________,__________。 3、强度是指零件在载荷作用下抵抗__________的能力，强度可分为__________和__________。 4、刚度是指受载后抵抗__________的能力。 5、机械零件丧失预定功能或者预定功能指标降低到许用值以下的现象，为__________。 二、选择题。 1、机械设计这门学科，主要研究（）的工作原理、结构和设计计算方法。 A、各类机械零件和部件 B、通用机械零件和部件 C、专用机械零件和部件 D、标准化的机械零件和部件 2、设计一台机器包括以下几项工作:a、零件设计;b、总体设计;c、技术设计，它们进行的顺序大休上是( )。 A、acb B、bac C、bca D、cba 3、下列零件的失效形式中，不属于强度问题。 A、螺栓断裂 B、齿轮的齿面发生疲劳点蚀 C、蜗杆轴产生过大的弯曲变形 D、滚动轴承套圈的滚道上被压出深深的凹坑 4、在设计机械零件时，对摩擦严重的一些零件，要考虑其散热性，主要是由于（）。 A、在高温下将产生蠕变现象，出现较大塑性变形 B、材料的机械性能下降，可能造成零件因强度不够而失效 C、下产生较大的热变形，影响正常工作 D、升高后，破坏了正常润滑条件，从而使零件发生胶合 5、我国国家标准的代号是（）。 A、GC B、KY C、GB D、ZB 三、是非题。 1、机器的各部分之间具有确定的相对运动，在工作时能够完成有用的机械功或实现能般的转换。 2、机构的各部分之间具有确定的相对运动，所以机器与机构只是说法不同而己。 3、由于强度不够引起的破坏是零件失效中最常见的形式。 4、表面失效主要有疲劳点浊、磨损和腐蚀等，表面失效后通常会增加零件的摩擦，使尺寸发生变化，最终导致零件的报废。 5、刚度足指零件受载后抵抗弹性变形的能力。在机械没计中，零件在载荷作用下产生的弹性变形从应大于或等于机器工作性能允许的极限值。 四、简答题。
机械设计的发展史 20100313 哈工程 摘要：如果说书籍是人类精神文明进步的阶梯，那么机械无疑是人类物质文化前进的动力。而机械设计则是机械发展过程中必不可少的一个环节。设计必须科学化，这意味着要科学的阐述客观设计过程及其本质，分析与设计有关的领域及其单位，在这些基础上，科学的安排设计过程，使用科学的方法和手段进行设计，这样才能及时得到符合要求的产品。 关键字：机械设计、古代机械设计、近代机械设计、现代机械设计、展望 “设计"的最初含义是将符号，记号的意思。随着生产的发展和科技的进步，设计的内涵不断向深度和广度发展，设计的含义愈来愈深刻和愈来愈先进。机械设计是人类改造自然的基本的活动之一，是复杂的思维过程，过程中蕴含着创新和发明的机会。 机械设计的发展史按时间来分，可分为三个阶段，分别是：从古代社会到17世纪为机械设计起源和古代机械设计阶段，由17世纪至第二次世界大战结束为近代机械设计，第二次世界大战结束直到现在为现代设计阶段。如果按其内容来分，可分为：直觉设计阶段，经验设计阶段和理论设计阶段。两种划分是一一对应的，是从不同角度来划分机械设计的发展史。每一个阶段在设计理论，方法和制造工艺方面都有明显的特色。下面论述一下机械设计发展史的三个阶段及中国机械发展。 一、机械设计发展史的三个阶段 第一阶段机械设计起源和古代机械设计 我国近代的考古发现了一些传说和记载，在浙江余姚河姆渡，河南郑裴李岗等遗址中都发现了七八千年以前制造相当精致的农具如石铲等。我国古代经书中，对古代使用，制造机械的情况有许多记载。《周易》“黄帝，尧，舜氏作，刳木为舟，服牛乘马，引以致远”。可见，在4000多年前，我国古代已经发明了车，船，农具和许多生活用具。在我国古代文献中随处可以看见机械产品和人民生活密切联系。此外，我国古代在武器，纺织机械船舶等方面也有许多发明，到秦汉时期我国机械设计和制造已经达到相当高的技术水平，在当时世界上处于领先地位，在世界机械工程史上占有十分重要的地位。 在我国古代，机械发明，设计者与制造者是统一的。有许多著名的人物，他们的成果代表了当时我国的机械的设计水平。唐代的时候我国与许多国家开展了经济，文化和科学技术的交流，与东南亚，南亚，阿拉伯，非洲东海岸贸易频繁，对中国和世界其他的一些国家有很大影响。由于贸易的发展，要求商品增加，从而改进生产设备，使机械设计有了很大的发展，造纸，纺织，农业，矿业，陶瓷，印染，兵器等都有了新的进展，机械设计水平也提高了一大步，宋代沈括的著作《梦溪笔谈》记载了当时的许多科学成就，反映了当时的科学水平。在国外，这一时期以16世纪达芬奇的创造活动为顶点，由于作为机械设计的基础知识—力学尚未成熟，因此这一阶段设计最高水平就是达芬奇所构想的齿轮，螺旋，而中国的记里鼓车和秦代出现的齿轮传动则比达芬奇更早的达到这个水平。世界其他的国家也有不少的机械成果，但这些设计多是凭设计者的经验完成的，缺乏必要的，要有一定精度的理论的计算。
《机械设计基础课程》习题 第1章机械设计基础概论 1-1 试举例说明机器、机构和机械有何不同？ 1-2 试举例说明何谓零件、部件及标准件？ 1-3 机械设计过程通常分为几个阶段？各阶段的主要内容是什么？ 1-4 常见的零件失效形式有哪些？ 1-5 什么是疲劳点蚀？影响疲劳强度的主要因素有哪些？ 1-6 什么是磨损？分为哪些类型？ 1-7 什么是零件的工作能力？零件的计算准则是如何得出的？ 1-8 选择零件材料时，应考虑那些原则？ 1-9 指出下列材料牌号的含义及主要用途：Q275 、40Mn 、40Cr 、45 、ZG310－570 、QT600－3。 第2章现代设计方法简介 2-1 简述三维CAD系统的特点。 2-2 试写出优化设计数学模型的一般表达式并说明其含义。 2-3 简述求解优化问题的数值迭代法的基本思想。 2-4 优化设计的一般过程是什么？ 2-5 机械设计中常用的优化方法有哪些？ 2-6 常规设计方法与可靠性设计方法有何不同？ 2-7 常用的可靠性尺度有那些？ 2-8 简述有限元法的基本原理。 2-9 机械创新设计的特点是什么？ 2-10 简述机械创新设计与常规设计的关系。 第3章平面机构的组成和运动简图 3-1 举实例说明零件与构件之间的区别和联系。 3-2 平面机构具有确定运动的条件是什么? 3-3 运动副分为哪几类？它在机构中起何作用？ 3-4 计算自由度时需注意那些事项？ 3-5 机构运动简图有何用途？怎样绘制机构运动简图？ 3-6 绘制图示提升式水泵机构的运动简图，并计算机构的自 由度。 3-7 试绘制图示缝纫机引线机构的运动简图，并计算机构的 自由度。 3-8 试绘制图示冲床刀架机构的运动简图，并计算机构的自 由度。 3-9 试判断图a、b、c所示各构件系统是否为机构。若是，
机械设计及其理论的前沿和动态发展 第一部分机械设计发展概述 一、机械设计学科形成历史 专为工业生产所运用、具有明显的技术特征,而又形成体系的机械设计, 在18世纪工业革命以后的一段时间才被确立起来。英国人斯密顿（Seaton,J）,对纽可门(Newcomen,T),发明的各种功率的蒸汽机进行了系统分析,写出许多实验报告,并整理出一套计算公式；瓦特（Watt,J）,就是在他工作的基础上,先后于1756年和1782年研制出新一代的蒸汽机。机械设计经历了反复多次的失败,才逐步积累了技术经验,奠定了科学的基础,形成完整的体系。 两百多年前的个体手工劳动的生产方式，现在已由大规模的机械化、自动化生产所代替。过去，产品的质量和性能，完全依赖于劳动者个人的经验和手艺，而现在已经可以做到由电子计算机对生产过程进行自动的适应性控制，使得产品成量好、成本低。人类在自己的生产活动中,不断地总结经验和’采用最新的科学技术来推动生产向前发展同时，在发展生产的过程中，又不断向科学技术提出新课题。这一切必然反映于机械设计发展过程。 二、机械设计的形成阶段 第一阶段，设计公式进行的经典设计阶段。机械工业生产主要在欧美各国进行，设计主要是依据经典设计公式的组合进行。力学各分支的发展，加上在机械制造中积累的丰富经验,为机械设计的实验、试验和理论研究奠定了基础，确立了基本观念，形成了基本体系，也
做了不少基础性的工作。 第二阶段，以经验为主的实验设计，第二次世界大战中和战后(1940一1960 年) 。是机械工业在数量方面扩大生产的时代，主要在美国。这一阶段的机械设计，主要是通过实机或模型试验获得基本数据，然后以此进行设计。机械设计可分为机能设计和强度设计两大方面。以强度设计为例，它应兼顾三个方面内容: （1）以弹性力学为基础的弹性设计；（2）以屈曲等塑性破坏为对象的极限设计；（3）基于安全寿命预测、许用损伤限度等的疲劳设计。 第三阶段，以静态解析为主的理论设计，这个阶段(1960-1980年)是机械设计由实验设计转入理论设计的发展阶段。1960年以后,在机械生产数量增加的同时，要求提高产品质量，改进机械性能，出现了应用液压技术、电子技术等系列设计。 第四阶段，以动态解析为主的理论设计，进入20世纪80年代，由于机械生产日益向高速、高效、精密、轻量化和自动化的方向发展, 产品结构日趋复杂，对机械的工作性能也要求越来越高。为使机械安全可靠地工作，其结构系统必须具有良好的静、动特性。另一方面，人们的环境保护意识增强，机械振动和噪声损害操作者的身心健康，成为亟待解决的社会问题。为此，由静态解析为主的设计开始向动态解析转移，以满足机械静、动特性和低振动、低噪声的要求。 第二部分现代机械设计技术 机械设计是机械工程的重要组成部分,是决定机械性能的最主要的因素。现代设计技术主要包括：优良性能设计基础技术、竞争优势创
机械设计方法的发展历程 ……………………. 摘要: 本文阐述了机械设计方法发展的几个阶段,将机械设计方法按机械设计思路展划分为五各阶段,其中并不都是按时间划分。阐述了机械设计在不同阶段的发展情况及主要成果,最后预测了一下未来机械设计方法的前景。 关键词： 机械设计，方法，发展历程 引言: 机械在我们的生活中无处不在，可以说一部人类的发展史就是机械设计的发展史，不过机械实际的发展还是可以划分为几个阶段的。 第一阶段，个人经验阶段。这一时期主要是指机械设计的初期，还没有发展出机械设计的相关理论，主要是人们为了解决生产生活中的实际问题而发明的，这一时期的机械结构简单，完全靠设计者的经验，没有一定的理论方法，至多靠人们口耳相传获得经验，不过依然成果显著。典型的代表如春秋战国时期控制射击的弩。 第二阶段，实机或模型试验阶段。这一时期机械设计已经发展相对成熟，机械设计已经发展为一项比较重要的事业，但是机械设计还没有发展到理论公式设计的水平，不过人们已经总结出了一些机械的成品, 例如：《天工开物》记录了许多先进的工艺技术和科学创见。记载了许多机械性能及制造方法。内容涉及泥型铸釜、失蜡法铸造以及铸钱等铸造技术，还记述了提花机和其他纺织机械以及车船等各种交通工具的性能和规格等。这一时期的机械设计发展到了一个小顶峰,例如中国古代先贤们早就发明了”记里鼓车”,”地震仪”等结构复杂,功能强大的机械,在中国古代带的机械设计基本都属于这个阶段。虽然这一阶段机械设计的成果辉煌但是还不能称之为“现代机械设计”，因为在这一时期没有设计机械的理论和公式，也就是说在这一时期人们不能通过理论的计算与推导来设计机械，依然是通过经验，只不过是在这一阶段经验已经相当成熟，而且经验的传播变得很广泛。如《天工开物》就相当程度上促进了经验的传播。这一阶段的特点是发展出了比较经典的机械产品，但没有发展出机械设计的理论。
机械设计技术的发展现状与趋势 摘要：机械性能主要由机械设计来形成，而机械设计又组成了机械工程，它的 质量好坏能够影响到制造出的产品在质量和性能方面的表现，对研发周期和产生 的经济效益也有一定作用。对于机械制造而言，研究机械设计技术的发展现状与 趋势是有一定必要性的。为此，本文将着重分析我国机械制造技术的发展现状， 并对其发展趋势加以分析，以资借鉴。 关键词：机械设计技术；发展现状；趋势 1导言 机械设计的流程是建立在对工作原理、机械结构、运动方式和力及能量传递、制造零件的材料、形制大小和润滑方法等了解的基础之上，再根据具体的数据测 试进行人工制造。这就需要较强的机械设计技术来完成。 2我国机械制造技术的发展现状 2.1发展前景 在我国，机械制造业作为基础性的产业能够反映出整个国家制造业的水平好坏，虽然其较早地得到了国家的重视，但在发展过程中出现的各种问题也着实令 人头疼。中国目前的汽车产业就是最生动的实例，相比机械制造业来说，汽车产 业的产品质量和生产效率都十分之高，但也却是来源于机械制造业的技术支撑和 零件供给。改革开放努力的结果使得中国对外开放的程度大大加深，机械制造业 也迎来了发展的新契机。机遇与挑战并存，因此我国的机械制造技术面临着广阔 的发展前景。通过中国制造业的现状来看机械工业，中国制造的成果不断显现。 这从侧面反映了我国装备制造业的发展成果，特别是机械和汽车领域。以机械为 代表的重工业发展势头良好，为轻工业各类日用品的生产提供前提和基础，也使 得中国成为世界工厂。现代装备业在信息技术的支持下有了更多新的发展趋势， 也有了新的发展需求，而机械装备制造业更被提到了社会进步和产业升级所主张 的首位，它在高新技术产业领域对社会发展有着极为重要的地位。 2.2发展中存在的问题 2.2.1机械设计技术制约了我国机械制造业的产品结构 在对外引进技术和赶超型发展策略的指引下，中国机械制造业得到了更为迅 速的发展，且中国拥有数不胜数的劳动力资源，但是缺乏资金投入，这使得机械 制造业的技术进步十分缓慢。在劳动力的带动下，中国的劳动密集型产品数量众多，但拥有高科技含量的高、精、尖产品数量不多。机械制造业的质量得到一定 提高，但质量仍不能令人满意，主要是外观设计、产品性能和稳定性方面还有很 大不足。数控机床和精密机床稳定性不好，质量不太过关，甚至于轴承和其他备 件的基本性能还有待于进一步提高和改进，且数量和种类也不能满足市场需求。 现在的工程机械产品通常以中小型产品为主，技术能力要求较高的大型工程机械 和火电设备很难生产。 2.2.2机械设计技术制约了我国机械制造业的生产投入结构 一般竞争性行业，机械制造业竞争力的条件和福利状况直接影响生产投入的 结构。企业之间的竞争，实际上是科技实力和创新能力的竞争，科技实力和技术 创新能力在很大程度上取决于研究和开发的投资。发达国家为了保持市场竞争力 的机械制造行业，增加投资在科学和技术方面的努力。一些大型企业技术开发费 用占销售额的4%－8%，甚至要高于10%。如此高的投资，以进一步扩大其领先 的技术优势，使企业充分竞争的情况下变成了“垄断竞争”，在许多关键领域中占
第1章机械制造技术概述 教案目标与要求 ◆了解机械制造技术的发展简况 ◆了解生产过程与组织方式 ◆了解并掌握机械加工工艺过程的组成及其概念 教案重点 ◆生产过程与组织方式 ◆机械加工工艺过程的组成及其概念
1.1制造业与制造技术 1.1.1制造技术的发展简况 国民经济的发展和进步，在很大程度上取决于机械制造技术的水平和发展。可以看到，当今信息技术的发展，使传统的制造业革新了它原来的面貌，但这决不是削弱了它的重要地位，这一点已为不少国家经济发展的历史所证明。 表1-1机械制造的过去、现在和将来 当前，机械制造技术向着以下几个方面不断发展。 （1）向高柔性化和自动化方向发展。。 （2）精密加工和超精密加工的应用将日益广泛。 （3）发展高速切削、强力切削。。 （4）多种加工技术并行发展。 1.1.2机械制造技术 任何产品的制造活动都不是一个单一的过程，它通常包含了从市场调研到售后服务的全过程，并受到多种条件的相互作用，如图1-1所示。 机械制造技术是各种机械制造过程所涉及的技术的总 称，它通常包括以下内容。 材料（金属与非金属）成型技术 . ②切削加工技术 ③特种加工技术 ④机械装配技术 图1-1 制造活动过程
1.2生产过程与组织方式 1.2.1基本概念 1．生产过程 产品的制造过程实际上包括了零件加工、部件装配、整机制造等几种方式，通常可以划分为以下几个阶段。 生产技术准备过程 毛坯制造阶段 零件加工过程。 ④部件与产品的装配过程。 ⑤生产服务过程 生产过程可分为两大类型，一类是直接生产过程，它们直接改变被加工对象的形状、尺寸、性能和相对位置,另一类为辅助生产过程，如技术准备、售后服务等 2．生产纲领 产品的用途不同决定了产品的市场需求量不同，从而决定了产品有不同的产量，即生产纲领。这就要求生产组织方式要与产品的产量相适应。 生产纲领是企业在计划期内应当生产的产品产量，即包括备品和废品在内的（年）产量。N=Qn（1+a）（1+b） 式中，a—备品率； b—废品率； Q—产品的计划期内产量； n—每件产品中该种零件的数量； N—零件的计划期内产量。 生产纲领和零件的类型决定了企业的生产类型和生产组织方式。 1.2.2生产类型与组织方式 按照年生产纲领，生产类型可划分成单件生产、成批生产、大量生产。成批生产又可以分为小批量生产、中批量生产和大批量生产3种。表1-2所示是各种生产类型的划分状况。 表1-2各种生产类型的划分（件/年） 续表
收稿日期:2005203215 作者简介:胡晓波(1977- ),男,陕西宝鸡人,大学教师,在读研究生,主要从事机械设计制造及自动化方面的教学科研工作。 文章编号:100522895(2005)0320004204 机械设计技术的发展现状与趋势 胡晓波 (郑州牧业工程高等专科学校食品工程系,河南郑州450011) 摘 要:综述了常规设计技术与现代设计技术的内涵、应用及它们之间的关系,阐述了机械设计技术的发展趋势。同时指出发展机械工业,关键是开发、应用现代机械设计技术。关 键 词:机械设计;常规技术;现代技术;发展趋势中图分类号:TH 12 文献标识码:A 1 概 述 机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算,并将其转化为具体的描述以人为制造依据的工作过程。机械设计是机械工程的重要组成部分,是决定机械性能的最主要的因素[1]。根据德国工程师协会文件VD I 2225的调查分析,产品设计成本约占产品成本的5%～7%,但却决定了产品制造成本的75%～80%左右[2]。设计工作的质量,直接关系到机械产品的质量性能、研究周期和技术经济效益等。 常规设计技术是以经验总结为基础,运用力学和数学形成的公式、图表、手册等作为设计的依据,通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计,是一种直觉设计、经验设计和静态设计,它目前已经远远不能满足产品的功能和市场需求。现代设计技术是以电子计算机为手段,以网络为基础,建立在现代管理技术之上,运用工程设计的新理论和新方法,实现计算结果最优化,设计过程高效化和自动化的设计技术。它是一种定量的、动态的和科学的设计技术[3]。2 常规设计技术及应用[4] 目前各大专院校所使用的《机械原理》及《机械设计》教材主要讲述的是常规设计技术,它是学习、应用、发展现代设计技术的基础。2.1 理论设计 根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计称为理论设计。现以简单受拉杆件的强度设计为例来讨论理论设计的概念。设计强度计算式为 Ρ≤ Ρli m S 或 F A ≤Ρli m S 式中:F ——作用于拉杆上的外载荷; A ——拉杆横截面面积; Ρli m ——拉杆材料的极限应力; S ——设计安全系数。 可以利用上面公式直接求解杆件必须的横截面积,也可以按其它方法先初步设计杆件的横截面尺寸,然后用强度计算公式去校核。 由于实际情况复杂多变,若安全系数选择过大,则产品傻、大、粗。若安全系数过小,则很难保证安全性。2.2 经验设计 根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式,或根据设计者个人的工作经验用类比的办法所进行的设计叫经验设计。这对那些使用要求不大变动而结构形状已典型化的零件,是很有效的设计方法。例如箱体、机架、传动零件的各结构要素等。 随着设计产品的技术系统越来越复杂,技术含量不断提高,产品更新发展速度加快,经验类比的设计方法已不能满足市场需要。2.3 模型实验设计 对于一些尺寸巨大而结构又很复杂的重要零件,尤其是一些重型整体机械零件,为了提高设计质量,可采用模型实验设计的方法。即把初步设计的零、部件或机器做成小模型或小尺寸样机,经过实验的手段对其各方面的特性进行检验,根据实验结果对设计进行逐步的修改,从而达到完善。