机械设计基础第15章 先进设计方法简介

机械设计基础优化方法与应用在机械设计的过程中，优化是提高产品性能和质量的重要手段。

通过对设计参量进行精确控制和合理调整，可以使机械设备达到更佳的工作状态。

本文将介绍几种常见的机械设计基础优化方法及其应用。

一、材料优化1. 材料选择材料是机械设计中至关重要的因素之一。

优化材料选择可以通过考虑机械设备的工作环境、使用寿命和负荷要求等因素来确定。

对材料的选择要综合考虑机械设备的功能特点，如强度、刚度、耐磨性等。

2. 材料特性优化在确定适宜的材料后，进一步优化其性能是必要的。

通过改变合金配比、热处理工艺等方式，可以调整材料的硬度、强度和韧性等特性，以适应不同的工况需求。

二、结构优化1. 构件布置优化在机械设计中，构件布置的合理性直接影响到整个机械设备的性能。

通过对构件进行合理的布置，可以减小结构的体积和重量，提高设备的稳定性和可靠性。

2. 结构强度优化结构强度是机械设计中需要严格考虑的因素之一。

通过使用有限元分析等方法，对机械结构进行强度分析，并优化结构布局和构件尺寸，以提高结构的抗弯、抗压等能力。

三、工艺优化1. 加工工艺优化在机械制造中，加工工艺的合理性直接关系到产品的质量和成本。

通过优化加工工艺，如选用合适的切削工具、加工参数等，可以提高加工效率，减少加工误差，从而达到优化机械设计的目的。

2. 装配工艺优化机械设备的装配是一个复杂的过程，优化装配工艺可以提高装配效率，减少装配误差。

通过合理规划装配顺序、设计合适的装配夹具等方式，可以达到优化装配工艺的效果。

四、性能优化1. 摩擦优化摩擦是机械设备普遍存在的现象，优化摩擦性能可以减小机械设备的能耗和磨损。

通过选择适当的润滑方式、使用摩擦副材料等方式，可以降低机械设备的摩擦系数，提高其工作效率。

2. 噪声优化噪声是机械设备使用过程中常见的问题之一，优化噪声性能可以提升产品的质量。

通过合理设计产品的结构和减振措施等，可以减少机械设备产生的噪声，提升用户体验。

杨可桢《机械设计基础》（第6版）笔记和课后习题（含考研真题）详解第15章滑动轴承15.1复习笔记一、摩擦状态1．干摩擦（1）定义当两摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜时，即出现固体表面间直接接触的摩擦，工程上称为干摩擦。

（2）特点①有大量的摩擦功损耗和严重的磨损；②在滑动轴承中表现为强烈的升温，使轴与轴瓦产生胶合。

注：在滑动轴承中不允许出现干摩擦。

2．边界摩擦（1）定义金属表面上的边界油膜不足以将两金属表面分割开，所以相互运动时，两金属表面微观的高峰部分仍将互相搓削，这种状态称为边界摩擦。

（2）特点金属表层覆盖一层边界油膜后，虽不能绝对消除表面的磨损，却可以起减轻磨损的作用。

（3）摩擦系数摩擦系数。

3．液体摩擦（液体润滑）（1）定义若两摩擦表面间有充足的润滑油，而且能满足一定的条件，则在两摩擦面间可形成厚度达几十微米的压力油膜。

它能将相对运动着的两金属表面分隔开，此时，只有液体之间的摩擦，称为液体摩擦，又称液体润滑。

（2）特点f ，显著地减少了两摩擦表面被油隔开而不直接接触，摩擦系数很小(0.001~0.01)摩擦和磨损。

4．混合摩擦（非液体摩擦）在一般机器中，摩擦表面多处于边界摩擦和液体摩擦的混合状态，称为混合摩擦。

二、滑动轴承的结构形式1．向心滑动轴承（径向滑动轴承）（1）向心滑动轴承主要承受径向载荷。

（2）轴瓦是滑动轴承的重要零件，其顶部有进油孔，内表面有油沟。

（3）轴瓦宽度与轴颈直径之比B/d称为宽径比，其大小：①对于液体摩擦的滑动轴承，常取B/d＝0.5～1；②对于非液体摩擦的滑动轴承，常取B/d=0.8～1.5。

2．推力滑动轴承（1）轴所受的轴向力F应采用推力轴承来承受。

（2）常见的有固定式推力轴承和可倾式推力轴承。

三、轴瓦及轴承衬材料轴瓦材料应具备的性能有：（1）摩擦系数小；（2）导热性好，热膨胀系数小；（3）耐磨、耐蚀、抗胶合能力强；（4）有足够的机械强度和可塑性。

1．轴承合金轴承合金（又称白合金、巴氏合金）有锡锑轴承合金和铅锑轴承合金两大类。

机械设计基础概论1. 引言机械设计是工程设计中的一个重要领域，它涉及到机械元件和系统的设计原理、方法和技术。

机械设计的目标是通过合理的设计来实现机械系统的功能，并满足性能、质量、可靠性和经济性等方面的要求。

本文将介绍机械设计的基础概念、设计流程以及常见的机械设计方法。

2. 机械设计的基础概念2.1. 设计需求机械设计的第一步是明确设计的需求。

设计需求包括产品的功能要求、性能要求、质量要求、可靠性要求、工艺要求等。

设计需求的明确对于后续的设计工作非常重要，只有明确需求，才能有针对性地进行设计。

2.2. 设计原则在机械设计中，有一些基本的设计原则需要遵循：•功能原则：设计的产品应能满足预定的功能需求。

•强度原则：设计的产品应具有足够的强度和刚度，以保证在使用过程中不发生破坏或变形。

•可制造性原则：设计的产品应具备可生产和可加工的特性。

•经济性原则：设计的产品应具备较低的制造成本和运营成本。

2.3. 设计步骤机械设计的一般步骤包括：需求分析、构思设计、详细设计、制造以及测试验证。

这些步骤一般是逐步进行的，每个步骤都具有特定的目标和任务。

在需求分析阶段，需要明确产品的功能需求和性能需求；在构思设计阶段，需要产生多个概念设计方案，并进行比较评估；在详细设计阶段，需要进行工程计算和绘图，确定具体的零部件尺寸和结构；制造阶段则是实际加工制造零部件和组装成整体产品；最后，在测试验证阶段，需要对产品进行性能测试和功能验证。

3. 机械设计方法3.1. 经验设计法经验设计法是一种基于经验和直觉的设计方法。

通过参考类似产品的设计经验和实践，来完成设计工作。

这种方法适用于一些简单的设计问题，但在复杂的设计问题中可能存在不足。

3.2. 可行性设计法可行性设计法是一种探索性的设计方法。

它通过对各种可能的设计方案进行分析和评估，以确定哪种方案最为可行。

这种方法可以在设计的早期阶段就能够发现可能存在的问题和风险。

3.3. 参数化设计法参数化设计法是一种基于参数化建模的设计方法。

191第15章 滑动轴承15.1考点提要15.1.1 重要术语及基本概念轴瓦、轴承衬、油沟与油孔、宽径比、不完全液体润滑、液体动力润滑、止推轴承、摩擦的特点及状态（干摩擦，边界摩擦，液体摩擦，混合摩擦），静压轴承15.1.2 滑动轴承的材料和主要失效形式滑动轴承的主要失效形式有磨粒磨损、刮伤、胶合、疲劳剥落和腐蚀等。

针对滑动轴承的主要失效形式，轴瓦和轴承衬的材料统称为轴承材料。

轴承材料的性能应着重满足良好的减摩性、耐磨性和抗咬粘性，良好的摩擦顺应性、嵌入性和磨合性，足够的强度和抗腐蚀能力，良好的导热性、工艺性、经济性等。

常用轴承材料及性能详见教材。

15.1.3 滑动轴承设计设计内容包括：1）决定轴承的结构型式；2）选择轴瓦和轴承衬的材料；3）决定轴承结构参数；4）选择润滑剂和润滑方法；5）计算轴承工作能力。

在设计滑动轴承时，如果速度高，温升大，可相对间隙大些，速度低时，温升小，可相对间隙小些，有利于提高承载能力。

滑动轴承的承载能力与相对间隙的平方成反比，因此载荷大时，相对间隙应取小些，载荷小时则可取大些，有利于温度降低。

不完全液体润滑径向滑动轴承处于混合润滑，这类径向滑动轴承的计算准则是p ≤[]p 、pv ≤[]pv 和v ≤[]v 。

设计中，轴承所承受径向载荷F （单位为：Ｎ），轴径转速n （单位为：min /r ），轴颈直径d （单位为：ｍｍ）。

然后进行以下验算： （１）轴承的平均压力P （单位为：Mpa ）][p dBF p ≤= （１５－１） 式中：B —轴承宽度，单位为mm ；][p —轴瓦材料的许用应力，单位为Mpa（２）轴承的pv 值（单位为：s m Mpa /．）][19100100060pv BFn dn Bd F pv ≤=⨯=（１５－２） 式中：v —轴颈圆周速度，单位为s m /（３）滑动速度v （单位为：s m /） ][v v ≤ （１５－３）非液体摩擦滑动轴承的计算内容是：限制压强p ，以保证润滑油不被过大的压力挤出，使得轴瓦不至于过度磨损。

15.1 弹簧主要有哪些功能？试举例说明。

答：弹簧的主要功能有（1）缓冲和减振，如车辆中的缓冲弹簧、联轴器中的吸振弹簧；（2）控制运动，如内燃机中的阀门弹簧、离合器中的控制弹簧；（3）储蓄能量，如钟表中的弹簧；（4）测力，如测力器和弹簧秤中的弹簧等。

15.2 分析图示自行车，它采用了那些弹性连接？采用这些连接有什么优点？
答：采用了弹簧、油压减震器。

主要有点就是减振。

15.3 查找资料，写出有关“空气弹簧”结构及工作原理的调研报告。

参考：
空气弹簧是在一个密封的容器中充入压缩空气，使腔体内的压力高于大气压的几倍或者几十倍，利用气体可压缩性实现其弹性作用。

空气弹簧具有较理想的非线性弹性特性，加装高度调节装置后，车身高度不随载荷增减而变化，弹簧刚度可设计得较低，乘坐舒适性好。

但空气弹簧悬架结构复杂、制造成本高。

空气弹簧按气囊的结构型式可分成囊式、膜式和复合式三种。

通常在初始状态下，空气弹簧充气到规定压力，当载荷发生变化时，在高度
题15.2图 山地自行车
调整阀的配合下，自动调整空气弹簧内的气压与之适应，以维持车体高度不发生变化。

如车体静载荷增加时，车体高度降低，高度控制阀控制向空气弹簧充气，空气弹簧内气压升高，使车体恢复到原来平衡的高度。

《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，判定它们的运动是否确定（图中标有箭头的构件为原动件）。

3-10 计算图a、b、c、d、e、f所示各机构的自由度，如有复合铰链、局部自由度、或虚约束请指出。

并判定它们的运动是否确定（图中标有箭头的构件为原动件）。

机械设计基础学习如何进行机械结构的优化设计机械设计是工程领域中一门重要的学科，涉及到机械制造与结构的设计。

机械结构的优化设计是机械设计的核心内容之一，它通过改进机械结构的参数和拓扑形状，以提高机械性能的同时降低成本和能耗。

本文将介绍机械设计基础中的机械结构优化设计的方法和步骤。

一、需求分析在进行机械结构优化设计之前，首先需要明确设计的需求和限制条件。

需要确定的因素包括产品的功能要求、工艺流程、成本预算、使用环境等。

这些因素将直接影响到机械结构的设计方案和优化目标。

二、初步设计初步设计是在满足需求和限制条件的前提下，通过对产品功能和结构的初步构思和设计，形成一个初始的设计方案。

初步设计要考虑到产品的整体性能、可靠性和可制造性。

三、数值分析数值分析是机械结构优化设计中的重要环节，通过使用计算机辅助设计软件，对机械结构进行力学分析、疲劳分析等工作，以确定机械结构的强度和刚度是否满足需求，并找出可能存在的问题和缺陷。

四、参数优化参数优化是优化设计的关键步骤，通过对机械结构的参数进行调整和优化，以达到最佳的设计效果。

主要方法包括参数敏感性分析、正交试验设计等。

通过参数优化，可以找到最佳的设计参数组合，显著提高机械结构的性能。

五、拓扑优化拓扑优化是一种基于结构形状的优化方法，通过在事先定义好的设计空间内对结构形状进行调整和优化，以减轻结构的重量、提高刚度和强度等。

常用的方法有拓扑优化方法、形状优化方法等。

拓扑优化可以在不改变结构功能的前提下，获得更优的结构形态。

六、验证和优化设计验证是机械结构优化设计的最后一步，通过对优化后的结构进行实验、测试和模拟分析，以验证设计的可行性和有效性。

如果验证结果不理想，可以根据实际情况对结构参数进行修正和优化，直到达到设计要求。

通过以上的步骤，可以完成机械结构的优化设计。

在整个设计过程中，需要充分发挥工程师的创造力和经验，并结合计算机辅助设计软件的功能，以提高设计效率和质量。

第15章 轴承15.1 滚动轴承的主要类型有哪些？各有什么特点？ 答：（1）深沟球轴承。

主要承受径向载荷，也能承受一定的双向轴向载荷、可用于较高转速。

（2）圆锥子轴承。

内、外圆可分离，除能承受径向载荷外，还能承受较大的单向轴向载荷。

（3）推力球轴承。

套圈可分离，承受单向轴向载荷。

极限转速低。

（4）角接触球轴承。

可用于承受径向和较大轴向载荷，α大则可承受轴向力越大。

（5）圆柱滚子轴承。

有一个套圈（内、外圈）可以分离，所以不能承受轴向载荷。

由于是线接触，所以能承受较大径向载荷。

（6）调心球轴承。

双排球，外圈内球面、球心在轴线上，偏位角大，可自动调位。

主要承受径向载荷，能承受较小的轴向载荷。

15.2 绘制下列滚动轴承的结构简图，并在图上表示出轴承的受力主向：6306、N306、7306ACJ ，30306、51306。

答：按表15.2中表示的简图及受力方向绘制。

15.3滚动轴承的基本额定动载荷C 与基本额定静载荷C ο在概念上有何不同，分别针对何种失效形式？答：（1）基本额定动载荷C 与基本额定静载荷C ο在概念上区别在于“动”与“静”二字的区别。

C 是指轴承在L 10（单位为106r ）时轴承能承受的最大载荷值；C ο是指在静载荷下极低速运转的轴承。

（2）C 下的失效形式为点蚀破坏；C ο下为永久塑性变形。

15.4 何谓滚动轴承的基本额定寿命？何谓当量动载荷？如何计算？答：基本额定寿命是指一批同型号的轴承在相同条件下运转时，90%的轴承未发生疲劳点蚀前运转的总转教，或在恒定转速下运转的总工作小时数，分别用L 10、L 10h 表示。

当量动载荷是轴承在当量动载荷P 作用下的寿命与在实际工作载荷（径向和轴向载荷）条件下的寿命相等。

其计算方式为()P r a P f XF YF =+15.5滚动轴承失效的主要形式有哪些？计算准则是什么？ 答：对于一般转速的轴承（10Y /min<n <n Lim ），如果轴承的制造、保管、安装、使用等条件均良好时，轴承的主要失效形式为疲劳点蚀，因此应以疲劳强度计算为依据进行轴承的寿命计算。

机械设计基础了解机械设计中的常见创新与优化方法在机械设计中，常见的创新与优化方法是为了提高机械产品的性能、降低成本、增强可靠性和减少能源消耗。

本文将介绍几种常见的创新与优化方法。

一、设计创新设计创新是指通过改变原有的设计思路和方法，创造出全新的机械产品。

设计创新可以采用以下几种常见的方法：1.1 概念创新概念创新是指从基本的原理出发，提出全新的思路和理念。

例如，在飞机设计中，传统的翼型设计采用固定形状的翼，在研究过程中提出了变形翼的概念。

变形翼可以根据飞行状态的变化自动调整翼型，从而提高了飞机的性能。

1.2 结构创新结构创新是指通过改变机械产品的结构形式，改进性能和功能。

例如，在汽车设计中，传统的汽车结构采用了前置发动机和后轮驱动的方式。

而现代的电动车则采用了集成电机和电池的结构，从而提高了能源利用效率和驾驶体验。

1.3 材料创新材料创新是指通过使用新型材料或改进传统材料的性能，达到提升机械产品性能和降低成本的目的。

例如，在航空航天领域，采用轻质高强度的复合材料代替传统的金属材料，可以减轻重量，提高飞行性能。

二、工艺优化工艺优化是指通过改进生产工艺和制造工艺，实现机械产品性能的提升和成本的降低。

工艺优化可以采用以下几种常见的方法：2.1 数值模拟数值模拟是指通过计算机仿真的方法，对机械产品的工艺过程进行模拟和优化。

例如，在铸造工艺中，使用数值模拟可以模拟熔融金属的流动和凝固过程，从而优化铸件的质量和减少缺陷。

2.2 自动化生产自动化生产是指通过自动化设备和控制系统，实现机械产品的自动化生产。

自动化生产可以提高生产效率和产品质量，并降低人工成本。

例如，在汽车制造中，采用机器人进行车身焊接和喷涂，可以提高生产速度和焊接质量。

2.3 精益生产精益生产是指通过去除生产过程中的浪费，优化生产流程和提高生产效率。

精益生产可以采用一系列的方法和工具，如价值流分析、5S整理、标准作业和持续改进等。

例如，在零部件加工过程中，通过优化工艺流程和减少不必要的操作，可以提高零部件的加工精度和降低生产成本。

机械设计基础机械设计中的优化方法与工具机械设计是一门综合性的工程学科，目的是设计和开发各种机械产品。

在机械设计的过程中，优化方法与工具起着至关重要的作用。

优化方法能够有效地改善机械设计的性能，并满足设计需求。

本文将介绍机械设计中常用的优化方法与工具。

一、参数优化方法参数优化方法是指在机械设计中，通过改变设计参数来寻找最佳设计。

常见的参数优化方法有传统的试验法和基于计算机仿真的优化方法。

传统试验法是通过设计样品，经过一系列的试验和测试，得到最佳设计参数。

这种方法操作简单，但成本高，耗时长。

而基于计算机仿真的优化方法则利用计算机模拟设计过程，通过优化算法来搜索最佳设计参数。

这种方法快速、准确，且成本低。

要实现参数优化，需要使用一些工具。

常用的工具有MATLAB、SolidWorks等。

MATLAB是一种通用的数学计算工具，能够进行复杂的数值计算和仿真。

而SolidWorks是一个三维CAD软件，可以进行机械设计和分析。

二、拓扑优化方法拓扑优化方法是指通过优化材料分布来提高机械结构的性能。

这种方法可以在保持结构强度和刚度的前提下，减小结构的重量。

常见的拓扑优化方法有拓扑优化和尺寸优化。

拓扑优化是通过改变材料的分布，使机械结构在限制条件下的性能最优。

这种方法能够在结构保持足够刚度的情况下，最大程度地减少结构的重量。

尺寸优化是指在保持材料分布不变的情况下，通过调整结构尺寸来改善其性能。

为实现拓扑优化，可以使用一些专用的工具，如OptiStruct、ANSYS等。

OptiStruct是一种拓扑优化软件，能够通过有限元分析和材料优化算法来进行结构优化。

而ANSYS是一种通用有限元分析软件，可以对结构进行优化和分析。

三、参数设计方法参数设计方法是指通过对机械设计参数的合理选择，来满足设计要求。

常见的参数设计方法有参数化设计和灵敏度分析。

参数化设计是将机械设计中的参数进行数学建模，通过对参数进行优化来满足设计目标。