第一章绪论
第一节设计与文明
劳动→劳动能力、思维能力→创造性设计的能力
设计：通过制作使产品得以实现思维能力
具有创造性制作技能
（建筑物的基础工程，桥梁、建筑等大型基础工程，挖掘机与汽车的行走系统）
第二节设计与国家竞争力
英、德、美、苏、日
第三节改善设计工作对我国的重要性
制造大国与制造强国
第四节设计与科学研究
科学研究：求知欲与好奇心——发现自然规律
设计：需求——发明新产品
第五节近代设计科学的重大发展
一、“设计学”从古代到现代的三个发展阶段
阶段1：为“功能”目标而发明某种器械
阶段2：以经典力学为基础发展的机械设计体系，包括机械原理和机械零件。
运动学——动力学。
阶段3：回归“功能”
二、近代“设计学”的重大发展
1
2、“人机学”(Ergonomics，Human Factor)思想的形成和发展
3以上三项是近代设计学发展的核心内容。
同时：CAD/CAM技术、可靠性技术、有限元、优化、并行工程等。
三、“机械设计学”的学科组成
机械设计学学科体系包括以下三方面：(1)功能原理设计
(2)实用化设计
(3)商品化设计
船用抽水机功能原理构思（图略）
第六节机械设计概述
1
- 1 -
2、它是从合理的目标参数出发，通过各种方法和手段创造出一个所需的优化系统或结构的过程。
3、由想法到产品的过程
机械产品设计的一般过程：认识需求→目标界定→问题求解→分析选优→评价决策→表达→
实现 机械设计特点：(1)多解性；(2)系统性；(3)创新性。
第七节机械设计的类型
适应性设计、变型性设计、创新性设计
第八节概念设计
第九节“设计过程”研究及其新发展
设计过程、并行工程、协同设计、集成设计
第十节 质量功能配置(QFD)和质量屋(House of Quality)
质量屋”是质量功能配置（QFD）的核心
QFD是一个非常结构化的、矩阵驱动的过程，其运行包括4个阶段：
（1）将顾客需求转化产品特性
（2）将产品特性转化成零件特性
（3）将零件特性转化成关键工艺操作
（4）将关键工艺操作转化成生产要求
- 2 -
第二章机器的组成及典型机器的功能分析
1.机器的定义
有两个或两个以上相互联系配合的构件所组成的联合体，通过其中某些构件的限定的相对运动，能将某种原动力和运动转变，以执行人们预期的工作，在人或其他智能体的操作或控制下，实现位置设计的某种或几种功能。
2.机器的组成
2.1原有观点
2.2从不同的角度看 从机构学的角度看：各种基本机构，自由度=原动机数 从结构学的角度看：各种基本零件 从专业的角度看：各种主要部件
2.3从功能的观点看
分功能系统 1
……
机器（总功能） 分功能系统 i
……
分功能系统
n
3.机器的分类
按行业
按轻重
按功能
- 3 - 工作机 传动机原动机控制器
工作头 执行机构
加工机床
食品机械
纺织机械
工艺类机器
印刷机械
……
动力机械
机器 起重运输机械
机密机械
非工艺类机器 医疗机械
通用机械
……
4.典型机器的功能分析之一——家用缝纫机（略）
5.典型机器的功能分析之二——点钞机（略） - 4 -
第三章机械产品的功能原理设计 功能原理设计：针对主要功能的原理性设计。 功能原理设计重点：尽量使思维尽量“发散”，力求多解，便于选优。 为什么要突出功能原理设计：功能原理设计对产品的成败起决定性作用。 任何一种机器的更新换代都存在三个途径： 一是改革工作原理； 二是通过改进工艺、结构和材料提高技术性能； 三是加强辅助功能使其更适应使用者的心理。
第一节功能原理设计的工作特点和工作内容 用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生根本的变化的设计。 手动变速箱（图略）
液力变矩器原理（图略）
转矩传递过程：（1）泵轮转动，涡轮不动。
（2）泵轮与涡轮转速差较大时，形成涡流。
（3）泵轮与涡轮转速接近时，形成环流。
磁带机（图略）
无人驾驶小车（图略） 构思新原理的步骤：
1挤的工作环境中小车能灵活运行。
2轨迹误差的修正；应用传感器引导绕过障碍物；在共建转接战上用超声波定向，使小车实现准确定位。
第二节功能、功能单元和功能结构
分功能系统 1
工作机
传动机
原动机
控制器 机器（总功能） 分功能系统 i
分功能系统
n
什么是功能：某一机器(或装置)所具有的转化能量、运动或其它物理量的特性。
系统工程学的观点：一个技术系统在以实现某种任务为目标时，其输入量和输出量之间的相…… …… - 5 -
互转换的关系。
系统工程学：用“黑箱”描述技术系统的功能
输入(IN)
信息S 输出(OUT) S’ 能量E E’
物料M M’
（黑箱）（BLACK BOX)
设计者的任务：使“黑箱”变成“白箱”：获得一个完美的机械产品，实现预定的功能。 任何技术系统都可以视为三种流的处理系统：能量流、物料流、信息流。
硬币计数包卷机外形图（图略） 功能单元：将总功能分解成较为简单的、具有一定的独立性、可以直接求解“功能单元”，也称“功能元”。直接实现总功能的各分功能称为一阶分功能；实现一阶分功能的分功能称为二阶分功能，并以此类推。分解到末端的为功能元。
硬币计数包卷机功能分解图（图略）
功能结构 功能结构图：用来表示各分功能之间关系的框图。 功能分析：由总功能分解为分功能，最后作出功能结构图。也可称为“系统分析”。 用功能树法进行露天矿开采挖掘机的方案设计（略） 功能元组合：相容矩阵法
露天矿开采挖掘机黑箱示意图（图略）
第三节功能原理的发展历史及基本类型 功能原理设计的两个工作特点：
1
2、功能原理设计所要求解的问题是有多解的问题，即既不是只有唯一解，也不是绝对无解，而且也很难得到绝对理想的解。 功能原理分类：动作功能、工艺功能 根据功能的技术特点分类：综合技术功能：综合运用机、光、电、磁、热、化??各种“广
义物理效应”（非纯机械）去实现各种动作功能和工艺功能。
“关键技术”（“Know How”）：某个企业或部门独有的技术，暂
时还没有被别人掌握。
磁记录的记录方式示意图（图略）
功能类型总结：
- 6 -
简单动作功能
动作类 功能类型
工艺类
工艺功能 复杂动作功能 关键技术功能 综合技术功能
（纯机械）
（广义物理效应）
第四节两种动作功能及其对应的求解思路
类型：简单动作：一次性动作
复杂动作
第五节工艺功能及其对应的求解思路 工艺功能：工件头和工作对象相互配合，实现一种功能。
两个重要因素：（1）采用哪种工艺方法
（2）工作头采用什么形状和动作 工艺功能的特点：工作头的形状、运动方式和作用场是完成工艺功能的三个主要因素。 犁的工作曲面，绞肉机，水刀切割工艺，家用切碎机，电火花加工原理图，电火花线切割原理图（图略） 物一场分析法： S：对象或物体(Substance)。主体(S1)，客体(S2) S1向S2作用时发出的力、运动、电磁、热、光??一切作用场。 “最小技术系统”：在任何一个最小技术系统中，至少有一个主体(S1)，一个客体(S2)和一个场(F)。缺一即不可能发生技术作用。
用S—Field模式探求工艺功能原理的解法：寻求合理的F和S
例：为了完成修剪草地的任务，如何构思剪草机的工作原理?
在这个问题里，S2是草地上的草。剩下的问题是寻找合适的F和S1了。
首先要寻找各种可能被利用的F并加以分析和比较：
拉力——可以拉断草，但无法控制被拉断的草的高度，无法使草地整齐。
割断力——像农夫割麦一样，需要握住草的上部才能割断。
剪断力——利用剪刀刃合拢，可以剪断。
显然，人们常常选择剪断力作为理想的F，当然S1就只能是剪刀
可以通过“完善”、“增加’’和“‘变换”的方法来寻求新的解法。
1补全F或S1的措施来使S—Field模式完善化。
2．增加：一个最小技术系统至少应具有S1、S2和F，但有时还应辅以S’和F’，才能更好地完成希望实现的功能。
3 - 7 -
换的。有时通过变换可能会产生意想不到的好效果。
焊接：气焊、电焊、摩擦搅拌焊、超声波焊（图略）
第六节关键技术功能、综合技术功能及其求解思路
一、关键技术功能
（1）材料：例如高强度、高耐磨性、特殊的润滑油、特殊轻质材料(例如复合材料)、特殊物理性能要求等。
（2）制造工艺：高精度、小的表面粗糙度、高的热处理要求??。
（3）设计：通过设计实现特殊的功能原理，尤其是实现以前从未有人实现过的功能或是比别人已经实现的功能更好的功能水平。
存储技术：
穿孔纸带、磁盘、磁带机、闪存、硬盘、微硬盘、光盘（图略） 关键技术的求解思路：“技术矛盾分析法”
机电控制人工假手（图略）
解决思路：在传动路线上再串接一套减速比i2＝10的减速装置，然后通过两个联动的切换开关来操作。 从不同的角度分析技术矛盾，则可以得到不同的分析结果，并可导出另一些解法。 解决关键技术功能的特点：用常规技术或已有技术难以达到的技术难点，或是别人目前尚难以实现的技术高度、总的来说它的技术要求高，而解决的方法也往往是出奇制胜。
二、综合技术功能
1、动作功能
高速平面电机式自动绘图机（略）
2、工艺功能：非机械的工作头
连杆头的爆炸切断工艺（图略） 综合技术功能的特点：在某些特定的条件下、采用广义物理效应。 综合技术功能的求解思路：物理效应引入法。
在人工脏器的设计中，需要一种微型液体泵来帮助体液循环。以前这种泵都是用微型电动机带动微型机械泵来工作的。由于存在磨损等机械问题，效果不理想。有一位生物医学专家想出了用金属的热膨胀效应来做体液泵，效果很理想。
用石英晶体振荡器控制的电磁摆来代替机械游丝摆制成的石英电子钟表，也是运用物理效应引入法的很典型的例子。
在润滑油中添加某些成分，就有可能使这种油在高压或电场中产生特殊的性能(如粘性变大等)。在机械传动中已经在利用这些新效应。
近年出现的“机电一体化”或“机械电子学”，就是引入微电子技术和计算机技术的产物，它是物理效应引入法中一个较突出的成功的例子。
第七节功能原理设计的工作要点
1肌电假手：①手指应能实现0.5rad／s的抓握运动速度，以模仿人手的真实运动。
②手指触物后，应能产生50N左右的捏紧力，以满足实际工作的需要。
③所用微型电动机需在假手掌心中放置，故其外径应不大于￠20mm。
④传动机械的效率应足够高，以保证充电电池至少能工作1天。
- 8 -
2
手的结构，牵引式假手，大脑控制假手，德国OTTO BOCK公司产品
3．进行创新构思、寻求更合理的解法原理
设计者应该有一个信念：现有的产品决不是顶峰，肯定还会有更好的设计出现。要争取由自己推出新一代的创新产品。 设计者应重视基本科学知识的积累，避免陷入一些违反基本科学原理的“错觉”。例如，有人设计了一种机械式的“功率增大器”，认为能把小功率输入变为大功率输出，他采用了一种特殊的行星齿轮传动方式来实现他的理想。当然，他所作的原理设计中存在着基本力学知识上的错误。
4．初步预想实用化的可能性
大量例子说明一个好的原理构思最后不能成为产品。在专利文献中有大量的专利都没有能够成为有用的技术。其中部分的原因就是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理的解决。这充分说明创新构思时要粗略考虑一些主要的结构工艺问题。
5这是功能原理设计阶段的最后一步，也是最重要的一步。在进行创新构思时，尽管反复检验过他的发明原理。但是实际做一下试验，往往会出现意想不到的问题。
例如在假手的原理试验时，发生手指捏紧后的反弹松脱现象，令人百思不得其解，不知是何原因。后来才弄清楚，这是在切换时有一瞬间出现了两个离合器同时处于脱开的状态。使得手指失控，造成反弹松脱。找到了原因，才采取了相应的措施，解决了上述反弹问题。
6 必须要根据实验的结果进行评价和对比，从技术和经济两方面的对比结果来做出决策。 设计工作过程中，有两项重大决策问题： 一是在创意阶段，这是决定产品方向的决策。要能判断5年或10年以后市场所需要的产品 二是在构思阶段，这是决定产品的技术方向的决策。—个产品可能有两个以上的技术方向，在未来的发展中有可能出现完全不同的命运。
例如，不久以前，人们提出了一种创意，就是壁挂式电视，没有人怀疑这种创意的合理性，于是各大公司都花大量的人力、物力投入研究、试制。但是随后出现的功能原理设计中，就出现了技术方向的问题，是用液晶技术，还是用固体发光技术。
又例如，目前市场上的喷墨打印技术，也存在两个技术方向的选择，现在两个方向(汽化喷墨和压电喷墨)正在激烈竞争，最后的胜利将由市场作出判决，只有市场才是决定胜负的唯一标准。
因此，在选择技术方向的决策中，实际上不存在方法，只有像象棋大师那样，用深刻的洞察力、精密地分析比较、超人的预测能力，最后通过直觉判断，作出天才的决策。不过任何天才的决策成功率也不可能是100％。
总之，决定产品方向和技术方向的决策是一个非常重要。又是非常困难的问题，千万不要轻信那些草率的决策，它将带来灾难性的后果。
山核桃采摘的自动化解决方案（略）
- 9 -
第四章机械功能原理的实现——机械运动系统的方案设计
第一节机构能实现的动作功能 机构能实现哪些动作功能：
1
1)平动、转动)(平动转动或摆动)的变换
2)连续转动与间歇式的转动或摆动的变换。
3
2．实现开关、联锁和检测等
1
2
3）用来实现联锁、过载保护、安全制动。
4)
5)
3.实现程序控制或手动控制
1)
发动机（图略）
2)
电磁阀控制液压缸的顺序操作过程（图略）
3)利用运动的变化等进行控制
汽车发动机的离心调速器（图略） 选择机构实现功能原理的原则和范围：
1
各式各样的交直流变速电动机和直线电机vs.鼠笼型异步电动机+变速机构 or 曲柄滑块机构、正弦机构
2
例如各种自动机上的上、下料，加工、检测等工序需要的运动轨迹，均可全部用机构来完成。对于复杂轨迹，采用电子或电气来控制，但其轨迹功作部分还必须使用机构，如机器人的手臂、手腕、手爪、计算机绘图仪的绘图笔的动作等。
3如电灯开关，一般是用机械式的，但也有触模式、光电式的开关，都能安全可靠地完成开关任务，至于操作方便和经济性只能在特定条件下作具体的分析。
4．实现简单的固定程序或可变程序的控制
由于超导的发现，磁悬浮技术的成熟，直线电动机将使用在磁悬浮的高速列车上。 电视机最初出现时，采用机械式频道变换开关，已被遥控开关所取代。
电子技术的发展虽然能控制许多复杂的自动化机器和设备，但其本身的结构也日趋复杂，因而引起可靠性、安全性的下降。例如飞机上的自动导航仪，可以自动按给走路线飞行，而不需驾驶员动手，但是为了保证绝对安全可靠，这种飞机上还是安装了结构简单、工作安全可靠的手动控制装置。
第二节传动机构和执行机构
汽车传动系统（图略）
- 10 -
一、传动机构 将原动机的运动和动力传给执行机构，已完成预期的功能。
齿轮机构 连杆机构 凸轮机构 螺旋机构 楔块机构 棘轮机构 槽轮机构 摩擦轮机构 挠性件机构 弹性件机构 液气动机构 电器机构 及各种基本构件的组合机构。 运动速度或力的大小变换：啮合方式、摩擦方式、楔块原理、流体作用原理。 运动形式或传力方式的变换：转动、平动、摆动。 二、执行机构 执行机构最常见的运动变换是旋转与直线运动的变换。如蒸汽机将活塞的直线运动变换成旋转运动，而空气压缩机中曲轴、连杆和滑块执行机构则是将旋转运动变换成活塞的往复直线运动。
（1）满足特定运动规律 等速输出，瞬时或长时间停歇，有急回特性、周期性转位和步进分度动作等。
（2）满足特定的运动轨迹
抓片机构（图略）：采用联动凸轮机构，通过两凸轮的联动作用，使抓片爪按矩形轨迹运动，从而达到间歇抓片的目的。
圆珠笔装配线（图略）：采用联动凸轮机构，使笔芯托架沿着矩形轨迹运动，从而达到使圆珠笔芯步进式地向前送进的目的。
（3）满足某种特殊的信息传递
利用机构不仅能完成机械运动和动力的传递，还能完成诸如检测、计数、定时、显示或控制等功能。这一类应用很多，例如杠杆千分尺、家用水表、电表等使用的机械式计数器，家用 洗衣机、电风扇等使用机械式定时器。还可以用机构来实现速度、加速度等的测量和数据记忆等功能。
三、工作头
1．什么是工作头 各种工艺类机械都有一定的工艺功能，其功能是通过与工作对象相关的工作头来表现出来的。例如．挖掘机的铲斗，推土机的刀架，起重机的吊钩，铣床的铣刀，轧钢机的轧辊，缝纫机的机针，工业机器人的手爪等等。工作头是直接接触并携带工作对象完成一定的工作(例如：夹持、搬运、转位等)，或是在其上完成一定的工艺动作(例如喷涂、洗涤、锻压等)。
2、工作头的作用
(1)机床要加工工件；挖掘机要实现铲土的功能，必须先将铲斗深入土中。
(2)搬运、输送及转换工位
(3)力加工与实验，重物起吊与搬运等。
各种铲斗、各种抓斗（图略）
四、选择机构类型和拟定机构简图中的几个问题
选型时除应满足工艺功能的动作和运动的基本要求外，还应注意以下几个问题：
1
2．使机构有有利的传力条件
对行程不大但克服工艺阻力很大的连杆机构(如冲压机构)，应采用增力机构，使其在近于死点位置工作。这种增力机构常用于剪切机、冲压机、破碎机等机械中，在主动件上施加较小的驱动力，可以克服从动构件上很大阻力。
3在高速机构中，为了使动载荷最小，在机构选用时要尽量考虑其对称性。对机构或回转构件 - 11 -
进行平衡．使其质量分布合理，对于传动力的机构则要尽量增大机构的传动角，以防止机构的自锁，增大机器的传动效益，减少原动机的功率及其损耗。
4．使机器操纵方便，调整容易，安全耐用
在拟定机器运动方案时适当地加入一些开、停、离合、正反转、刹车、手动装置，可使操纵方便，调整容易；机器中加入过载保护装置，可预防机器的损坏等。
第三节机械运动系统的方案设计
一、
功能结构图，机械功能or非机械功能，传动类型or执行类型
挖掘机的结构，底盘，工作装置组成（图略）
1
1）每一个基本机构都有一个动力源。
2）后一个基本机构的相对机架是前一个机构的输出构件。
卧式多工位冷墩机，C1325自动车床刀架系统（图略）
2、各子机构间无严格的运动协调配合关系
某航空发动机附件传动系统（图略）
3、各子机构在动作的先后次序上有严格的要求
（1）选用现成的机构；
（2）机构组合与创新；
（3）机械运动系统的协调设计。
二、功能原理的分解和机构的选择 功能原理的分解和机构的选择：分解的原则是所分解出的分功能能够用一个简单机构去完成，故经常将这复杂的动作功能分解成一组由直线和圆弧组成的运动。如直线运动就有曲柄滑块机构、凸轮机构、齿轮齿条机构等。 机构间的相容问题：如在要求精密运动的系统中，不能插入摩擦传动；在高速旋转传动中不能插入双曲柄机构等等。
1
主运动链：电动机——皮带传动——齿轮传动——钻头转动；
进给运动链：电动机——皮带传动——蜗扦传动——凸轮机构——工作台升降进给 在机构的排列顺序上一般遵循的规律是：
转变运动方式的机构(如凸轮机构)通常总是安置在运动链的末端，与执行机构最近，这样使传动环节简单。
皮带传动及其他摩擦传动在传递同样转矩的条件下，与其他传动相比，其外廓尺寸要大很多。皮带传动既可过载保护，又不影响主轴与各执行构件之间的运动协调关系，且传动中心距大。为减小尺寸和重量，这些传动机构一般安装在靠近原动机的地方。
2．合理分配传动比
大传动比可分多级传动，在同类的几级传动装置中，通常把传动比最大的一级装在转速最低的位置，因而可使其他各级在较高的转速下工作，使各级中间轴上的转矩较小，这样可使轴和轴上零件尺寸较小，从而获得较为紧凑的机构。
3、机构组合举例：工厂备料车间用的锯床
将整根元钢锯成小段送到各制造车间加工。这种锯床的锯弓所要求的锯断分功能至少应包含以下三个运动特性要求：
A)旋转运动变换成直线往复运动；
- 12 -
B)工作行程的时间大于回程时间的急回特性；
C)防止锯齿在工作时受到冲击载荷，要求在工作行程的中间段具有近似的等速运动。
1)转动(或摆动)变成移动的机构有：曲柄(或摆杆)滑块机构、正弦机构、凸轮机构、齿轮齿条机构等。
2)具有急回特性的机构有：偏置曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构、凸轮机构、曲柄导杆机构等。
3）工作行程具有近似等速段的机构：这个功能特性要求除凸轮机构能单独完成外，其余机构均需要相互配合才能完成。那些机构可以实现：凸轮机构、组合机构。
除凸轮机构外，其它方案均由两个以上机构组合而成，如：
双曲柄机构——偏置曲柄滑块机构、
双曲柄机构——正弦机构、
椭圆齿轮——正弦机构、
椭圆齿轮——偏置曲柄滑块机构、
曲柄导杆机构——摇杆滑块机构等近十种方案。 方案优选
“双曲柄机构——偏心曲柄滑块机构”在工作行程的70%范围内有良好的等速运动性能。且有较好的急回特性，结构尺寸也合理。
其次是曲柄导杆机构——摆动滑块机构。其运动性能与上述机构不相上下，但结构尺寸比较大，制造比较复杂，用在锯床中有点大材小用。但却广泛用于各种类型的牛头刨床中。
第四节发挥机构固有潜力的方法——机构的创新设计
从机械运动系统方案设计中可知，功能原理的分解和按分解后的分功能选择设计机构是一个很重要的工作，分解得不合理，选择机构不当，都会影响分功能的完成。按功能原理来选择或设计机构是一个创造性的工作，能否设计出—个优秀的新机构是方案设计中的一项重要工作。 一、简单机构运动特点的利用
1．平行四边形移动式抓取机构
如图4—6所示的平行四边形移动式抓取机构，当活塞1上的推杆2上移时，通过扇形齿轮3带动平行四边形机构OABO1，使手爪5、6作平行移动，而夹紧工件。图(b)为通过蜗杆、蜗轮带动平行四边形机构的移动式抓取机构。 二、链传动的变异与创新
将导轨链传动设计成各种输出机，导轨链传动中没有从动轮。 三、无死点机构
在曲柄滑块机构中，当滑块为主动件时，机构有死点出现。如何构思一个无死点机构?
1、若采用图4—28(a)所示结构形式，则无死点出现。再如蒸汽机动力设备是90°开式双气缸结构，这样的结构也可避开死点(图4—28(b))。
2、图4—29所示为一种巧妙的无死点机构，其巧妙之处是：滑板与活塞杆相连接，利用滑板上的曲线形长孔及与之配合的曲柄销驱动曲柄轮转动，在曲柄销的左右死点位置上，由于滑板的曲线形长孔的斜面与曲柄销接触，所以就能消除一般曲柄机构的死点问题。曲线形长孔的倾斜方向确定了曲柄轴的旋转方向，并使其保持固定的旋转方向。 四、连杆机构
1、曲柄滑块与齿轮齿条机构
图7—1所示为平台印刷机中的主传动机构，为了使印刷机构结构紧凑，采用了曲柄滑块机构与齿轮齿条机构(下齿条为固定的)串联组合而成的机构系统，上齿条往复运动的行程是齿 - 13 -
轮转动中心点C往复运动行程的两倍。
2．凸轮—连杆机构
如图7—3所示，用于订扣机工作台纵向运动的凸轮—连杆机构，原动件为凸轮1，从动件为工作台5，被订的钮扣夹紧在该工作台上，随工作台作往复运动，同时缝针(图中未画出)作上下往复运动，完成订扣动作。凸轮轮廓线形状控制其每转一周工作台往复运动次数(即订扣针数)，构件CB的长度可调节，以增大工作台的往复行程。
3．齿轮—连杆机构
在图7—4所示的包装机推包机构中，机构在凸轮1的驱动下，使推板5按一定的运动规律往复移动，将工件推到包装位置。其中，齿轮连杆机构主要是用于放大推板的行程，所需的放大比例可根据实际需要确定。其中，构件2为扇形齿轮、3为齿轮、4为摆杆。
4．凸轮移动式行程放大机构
利用凸轮机构来获取大运动距离时，常常感到需要较大的结构空间，不然就要求有很大的凸轮机构。这时，可以采用如图7—5所示的机构，与盘状凸轮相关的轴销带动滑杆左右移动，移动距离为凸轮升程S，滑杆上装有可摆动的扇形齿轮，扇形齿轮与齿条相啮合。由于滑杆的移动使扇形齿轮摆动，而扇形齿轮另一侧的臂杆摆动，将带动上边的滑杆(滑块)滑移，其滑移距离将依杆长与齿轮扇形半径之比而放大。 五、改变机构的某些尺寸参数，使机构出现一种新的功能
1）a)图AB小功率的旋转运动时，滑块能产生巨大的冲压力。
2）AB的尺寸增加：“瞬时停歇”现象。有利于被冲压工件的永久变形，提高冲压零件的尺寸精度。
3）若把AB的尺寸继续增加，曲柄相应的转角也增大，这时可看到滑块有明显的上、下运动。利用此运动特性制成的压力机称为“二次压印机”。 六、运用机构的串联组合，改变机构的运动特性
2）设计思路：
就是利用机构的串联组合．拓宽机构原有的瞬时停歇特性，图4—22a中的六杆增力机构ABCDE，当主动构件转过△ψ＝20°时，滑块作瞬时停歇运动(图4—22中为了作图清楚将△ψ放大到40 °)。如将滑块E用作压边机构，只要滑块二次摆动的升距不超过0.05mm，就可以看作滑块E是作连续压紧动作，但问题是这个停歇时间太短，与100 °相比还差得太多。若把主动连架杆改成摆动、滑块在最下面的位置时，作为主动摆杆的一个极限位置，如粗实线ABCDE；AB’C’D’E’（细实线）为主动摆杆的另一个极限位置。压边角度：A1转到AB，经过四次微小摆动（位移0.05mm）
拓宽停歇时间：增加曲柄摇杆机构FGHA。 七、运用机构的并联组合，得到某种特殊的运动规律或轨迹 八、利用机构组成原理发现新的机构 机构组成原理：机构是由若干个构件组成，其最基本的形式是构件间全部用转动副组成。用相同数目的构件组合起来完成给定的运动规律的机构将不止一种，研究机构组成的结构形式，探讨其组成原理，用不同的组合方法，将可演变出具有各种不同运动特性的各种机构。 九、引进当前的最新技术，使旧的机械功能得到新的生命
例如机床切削加工是一项古老的机械功能，用以加工各种机械零件。几十年来，机床的种类、加工精度等方面虽均有不断的提高，但都没有突破性的进展。自从引进了数控技术，根据数控技术的要求，改进了机床的滚珠丝杠进给系统，使机床行业迅速向高精度，自动控制方向发展。到80年代、又引进了电子计算机的控制技术，把机床发展成自动加工中心，因而使机械加工功能不断地提高，也设计出一大批配合新技术的机构。
- 14 -
第五节机械运动的协调设计和运动循环图 一、机械运动协调设计
当功能结构图中各分功能均设计完毕后，怎样将这些分功能协调动作，共同完成总功能?这就需进行总体范围内的运动系统方案设计——机械运动协调设计。
完成各分功能的机构(执行机构)均是相对独立的，其运动动作的先后是根据总功能的要求，在一个周期中按时间序列安排的。但怎样使各执行机构严格按规定的时间运动．这就是机械运动协调设计的关键——控制方法设计。在控制的方法上，一般有如下两种：
1 在比较小型的机器上，一般均采用本方法，它由一个总驱动源(一般是电动机)，经过变速后达到合适的工作转速，作为机器的总传动轴，即称为分配轴。执行机构均分散在其应完成分功能的位置上．其主动构件的运动经分配轴引入，因此各执行机构应何时动作，就由分配轴控制。
2在比较大的机器中，用分配轴传送到各处不方便时采用。驱动源一般是电动机或液(气)压缸．各分功能均有自己单独的驱动系统。动作是根据集中控制处发出的指令进行。集中控制的方法，简单的在控制台上有许多按钮或阀门、复杂的则可由计算机根据编程进行控制。
二、运动循环图
为了清楚地了解各执行机构在完成总功能中的作用和次序。就必须先绘出整个机器中各执行机构的运动循环图。（一般含位移、速度、加速度与时间的关系） 作用：1）表明各机构的配合关系，并可由它得出某 些机构设计的原始参数；
2
在运动循环时间内，机器的各执行机构要完成一定的周期运动，执行机构周期性回到初始位置之间的时间间隔称为工作周期，当采用分配轴来控制各执行机构时，通常用分配轴转一圈作为一个工作周期。
运动循环图常用两种形式表示：
1）极坐标式：
表达方式与分配轴的分度完全一致，故比较直观。设计安装、调试均很方便；
2）直角坐标式：
横坐标表示运动循环内各运动区段的时间(或分配轴的转角)，纵坐标表示执行机构的运动特性．如位移等。因而可以表示出各执行机构的更多运动信息，也是一种广泛采用的形式。 圆周式工作循环图，直角坐标式工作循环图（图略）
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第五章机械产品的实用化设计
第一节产品设计核心和外围问题
1、内部空间和外部空间 内部空间：设计核心工作； 外部空间：设计的外围问题。
（1）产品设计的依据和前提（2）设计过程中的各种设计要求
2、核心技术和关键技术： 核心技术：产品实现总功能和主要要求的技术。 关键技术：实现某种功能过程中需要解决的技术难题。
例：核心技术：液压弯辊和液压压下。
关键技术：厚度、压力、位置传感器、数据处理系统等组成的电液闭环控制系统
第二节实用化设计的任务和主要内容
1 总任务：完成产品的总体设计、部件、零件设计， 完成交付制造的和施工的图样资料， 同时编制全套技术文件。
2、实用化设计步骤一般为：
1
2
3
4
第三节总体设计的基本任务和内容 一、总体设计的基本任务 总体设计包括功能设计和结构设计，此外还须考虑机械系统和其它系统的关系。
(1)完善和扩大方案设计和结构设计内容
(2)使各部件、零件得到合理的组合；
(3)综合人一机器一环境三者关系，使之协调和适应，以保证全面满足机械产品的技术性能、经济性能和美学性能的所有要求。 二、总体设计的内容
工艺方案的确定
确定机器的总体参数
机械运动系统方案设计和确定机械运动简图
机械总体布置设计
机械驱动系统(Drive system)设计
计算整机的平衡和稳定
动力源特性分析
人一机一环境系统设计
附属装置设计
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机器造型设计
产品故障分析和对策
画出机器总装配图、零件施工图
编写全部设计技术文件
明确易损件、外购件、标准件、明确产品包装和运输要求
第四节确定工艺方案
为了实现同一工艺目的，可以采用不同的工艺方案，各方案决定了设备不同的结构、性能、产品质量、生产率和成本。选择工艺方案时应综合考虑下列问题：
1)2)
3)工艺方案实现的可能性和稳定性
4)
第五节整机总体参数确定 总体参数包含：生产率Q、功率参数、重量参数、总体结构参数。 总体参数的初步确定：可采用理论计算法、经验公式法、相似类比法。 确定总体参数的原则：1）先进性；2）实用性；3）经济性。 一、理论计算法
1T?tg?tf，Q?1T?1
tg?tf
T：为在设备上加工一个工件的循环时间或称工作周期时间；
tg：工作时间，即直接用在加工或装配一个工件的时间；
tf：辅助工作时间，即在一个循环内除去tg 所消耗的时间，如上下料、间歇等所消耗的时间。
2、功率参数(包括运动参数、力能参数)
（1）运动参数：机械的运动参数有移动速度、加速度和调速范围等，主要取决于工艺要求： 一般情况是希望速度尽可能地高，但却因受到惯性、振动、定位精度、结构、制造和装配水平，以及新技术应用程度等的影响和限制。
（2）力能参数：包括承载力(如成型力、破碎力、运行阻力、挖掘力)和原动机功率。工作装置是载荷直接作用的构件。
1)(承载力)：大部分材料输送操作，机器载荷由加速工件的惯性力载荷、移动工件的摩擦力载荷或材料提升的重力载荷组合而成。而对成型机械、加工机械主要需求的力是用于材料成型或切削加工。
例1：图5—6表示三种常用于材料弯曲的形式：折边、弯V形和弯U形。要使金属成形必须施加压力到其塑性区，假设所有的应变硬化材料均能完全地弯曲，则弯曲力通常以材料的极限抗拉强度的经验公式来计算。
例2：设计剪切机时，需要计算最大剪切力Fmax。剪切机的公称剪切力是根据Fmax 确定的。最大剪切力Fmax 为:
Fmax＝KτmaxA
A：被剪切轧件横断面面积(mm2)；
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τmax：被剪切轧件金属在剪切温度下的最大剪切应力(Mpa/mm2)；
K：考虑由于刀刃磨钝、刀片间隙增大而使剪切力提高的系数。
2)原动机功率：反映了机械的动力级别，它与其它参数有函数关系，常是机械分级的标志。也是机械中各零、部件的尺寸(如轴和丝杠的直径、齿轮的模数等)设计计算的依据。 机器需要的输出功率等于机器工作的动力加上所损耗的动力。大部分机器载荷是力(扭矩)以某速度作用一段距离(角度)。如果使用重量大、速度高的工作头，则在载荷中要考虑惯性分量的作用。
举例1：如图5—7所示为机器之输出功率Pmax，系由一固定力F在△t时间内作用一段线性距离△x，此种运动如同一个液压臂弯曲金属板。机器输出的功率可表示为：
举例2：图5—8表示固定扭矩T在瞬间△t作用一个角度△θ时机器之输出功率Pmax。此种功率发生在工具机的铣刀切削情况，通常我们考虑机器在刀具轴的输出为扭矩，它可用刀具的切削力与力臂来表示。此种机器的输出功率Pmax为：
3．重量参数 重量参数包括整机重量、各主要部件重量、重心位置等。它反映了整机的品质，如自重与载重之比，生产能力与机重之比等。重心位置反映了机器的稳定性及车轮轮压分布等问题。 对于定行机械如履带式装载机的重量，主要根据作业时所需的牵引力来确定，同时必须满足地面附着条件和作业、行走稳定性要求，否则机器行走时将产生打滑或倾翻。
机器提供的最大牵引力必须克服工作阻力和总的行走阻力，其表达式为：
4 总体结构参数包括主要结构尺寸和作业位置尺寸。 主要结构尺寸是由整机外形尺寸和主要组成部分的外形尺寸综合而成。作业位置尺寸是机器在作业过程中为了适应工作条件要求所需尺寸。例如，矿用蟹爪式装载机总体尺寸，要考虑机器工作条件(巷道尺寸、配套车辆尺寸等)。
总体参数确定，除上面一般理论分分析计算外，还有参数优化计算。 二、经验公式法
对同类产品参数按概率统计，归纳得出经验公式，然后求解总体参数。在新产品设计中，利用经验系数来确定总体参数，有如下优点：
（1）便于比较现有产品的各种参数，从而提出最优数据；
（2）有利于老产品更新换代和发展新系列；
（3）为计算机辅助设计创造条件。
下面以液压挖掘机为例，说明经验公式法。
液压挖掘机的经验设计，一般以斗容量、发动机功率和机重三者之一作为主参数，并依此决定其它参数。国内外学者都习惯以机重G为主参数。通过对国内外百余种液压挖掘机的机重统计分析提出了液压挖掘机各种参数的经验公式，其中K值为经验系数。（图略） 三、相似类比法
采用相似类比法确定总体参数时，是以相似理论为基础，选用国内外先进名牌产品为典型样机，或国内外有关该产品的设计标准，求出相似系数(级差系数)，然后再确定其它主要参数。但应注意相似类比法只适用于同类型产品。即结构型式、工作对象、环境条件基本相同者。 相似类比法有以下优点：如果样机的性能参数和结构参数是优选的，则可得到一个优化的系列产品，它简化了设计计算，加快了设计进度，可以迅速研制出新产品。这是仿制性能优良产品的一种有效方法。
第六节机械总体布置设计
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一、机械化生产线的布置
按产品工艺过程，把主要机械设备和辅助设备用运输和中间存贮设备等连接起来，组成独立控制和连续生产的系统。 机械化生产线由机械设备组成，根据其在生产上的作用及工作特点，机械设备归纳起来可分为下列几种类型：（1）主要工艺设备；
（2）辅助工艺设备；
（3）物料储运装置；
（4）控制装置。
机械化工艺流程，作业动作（略）
上下移动式剪切：
该系统主要由承料架、定长开关，电磁铁，转键离合器，曲柄连杆，平移式下切刀台，摆动式上切刀片，制动器等组成，如右图：
过程：当钢筋通过平移式下切刀台进入承料架并触动定长开关后，电磁铁带动转键离合器使飞轮轴与曲柄轴联接，曲柄上的连杆推动平移式下切刀台在四连杆机构的作用下前进。摆动式上切刀片的一端固定在机架上，另一端刃口紧贴在平移式下切刀台的刃口处，当平移式下切刀台沿圆弧轨迹运动时，两刀片刃口相对运动，切断钢筋，曲柄使刀台复位，等待下一次剪切。
分析：该机构设计巧妙，通过四连杆机构可使下切刀台自身平行地且绕摆杆做摆动，是一种飞剪。
断续的工艺方法间歇的流程（略） 移动作业方式：直进式(line)：处理大工件的重型机械和加工种类少的作业机械大多采用直
进式。如轧制生产线、轻工生产线等。 旋转式(rotary)：小件的机械可采用旋转式
二、生产作业机械的总体布置 生产作业机械：是指完成作业操作的单体机械。 作业操作：是指包括滚轧、挤压、拉拔、剪切、弯曲、包装等多种生产作业。 总体布置的基本原则：
1
2．在满足强度、刚度要求的前提下，尽量做到结构紧凑、外形尺寸小、重量轻；
3
4 保护要安全可靠； 总体布置型式
根据顺序、位置、数量、形状、大小等五要素综合考虑
(1)式；
(2)按照主要作业装置轴线方向，如矿用钻机有水平式、垂直式和倾斜式；
(3)
(4)按机架型式，可分为整体式、剖分式和组合式；
(5)
(6)
(7)按照传动方式，可分为单发动机传动、多发动机传动。
三、布置型式举例
示例1：轮式装载机（图略）
- 19 -
1)以车架上平面作为各部件上下位置的基准，也是作为部件垂直方向安装尺寸的基准。
2)以通过后桥中心线并与车架平面垂直的平面作为前后位置的基准，也是部件纵向安装尺寸的基准。
3)以装载机的纵向对称面作为左右位置的基准。
此外地平线通常作为辅助基准，是装载机的高度、离地间隙等尺寸的基准。
铲斗及工作装置安装在最前端
发动机布置在装载机的后部，起到配重作用，有利于提高稳定性。发动机的输出端接液力变矩器，再通过万向节和传动轴与前后驱动桥相连。
驾驶室布置在工作装置之后的中部。位置应尽量向前，使前方视野开阔，利于作业准确。 为了保证装载机作业的稳定性，使铲斗与料堆相对位置准确，现代装载机不安装弹性悬架。 但为防止在凹凸地上行驶时出现车轮悬空现象，使一个驱动桥能上下摆动，即将驱动架铰接于车架上。绝大多数装载机采用四轮驱动，以提高牵引力和能在恶劣地面上行驶。工作装置多采用液压传动。
示例2：轧钢机（图略）
轧辊是轧机进行轧制的工作头件。在大轧机中它是巨型零件，可达几十吨重，因此，必须具有特殊的轴承、轴承座和机架等起支承作用的零部件。为了保证轧辊开度，还设有压下调整装置，对重量大又要移动的零部件如轧辊和轴承座等都有平衡装置，来消除传动件的间隙。减少受力零件的冲击和磨损。轧机的主传动部件有万向连接轴、平衡装置、齿轮座、主联轴器、减速机、电动机联轴器和电动机等(参见图5—19)。
各类轧机轧辊在工作机座中有不同的布置方法(见图5—20)。
一般轧机的轧辊皆作旋转运动，进行纵轧或斜轧，但也可作行星运动。如高效的行星轧机(图5—21)。
示例3：食品机械（图略）
在食品加工机械中，机械的总布置是多种多样的，属于平面水平转子式的机器有：转子式灌瓶机、夹心糖的转子分装自动机等；属于立体直线式机器有包装散状物料和牛奶的许多自动机。
该自动机的主要执行机构是沿加工对象自上而下的运动路线来布置的，占地空间小，工艺流程方向与物料重力方向一致。因此，采用立式布置是比较合理的。
第七节机械驱动系统设计
一、选择机构的类型和拟定机构简图
1
它包括定传动比机构、变速机构、运动转换机构和操纵控制机构等几部分组成。按其能量流动路线的不同，传动系统可分为：
（1）单流传动
（2）分流传动
（3）汇流传动
（4）混流传动：所谓混流传动，就是传动系统中既有分流传动又有汇流传动，是前述三种传动形式组合的传动系统。 对于轻工机械多采用一个原动机带动多个执行机构如图5-26。而重型机械常采用一个原动机带动一个执行机构，如单独驱动的起重机运行机构(如图5-27)，有时甚至用多个原动机共同驱动一个执行机构，如图5-28、图5-29。
图5-28为悬挂式多点啮合柔性传动，用于转炉、回转窑等多种重型机械上，用多个各自带 - 20 -
有初级减速器的小齿轮带动同一个末级大齿轮。这样可以大大减小末级大齿轮和整套机构的尺寸和重量。而轴的挠曲变形不影响齿轮副的正常啮合，悬挂箱体则用柔性防扭装置来支承。因而传动平稳，降低了动载荷，安全性能也好。
2 外联传动链：联系动力源和执行件(如机械主轴或分配轴)的传动链、是运动和外部(动力源)的联系，称为外联传动链。 内联传动链：复合运动的内部联系，如分配轴至各执行件，称为内联传动链。只有复合运动才有内联传动链，无论是简单运动还是复合运动。都必须有一条外联传动链。
u1、u2为“换置器官”，它代表定传动比或变传动比的传动机构（图略）。
内联传动链必须用传动比准确的传动副，而不能用摩擦传动副(如带、摩擦无级变速器)、液压传动等。外联传动链则没有这种要求，传动比的误差对加工或处理产品的质量不会有什么影响。因此可以用传动比不太准确的传动副。
设计外联传动链时，主要应保证要求的速度和传递的功率；设计内联传动链时主要应保证传动比精度。两者考虑的重点是个同的。
二、机械驱动系统的设计步骤
机器的驱动系统又称传动系统，它是指原动机、传动机构、工作机构和工作构件的整个机械系统，图5—32为驱动系统的设计步骤。
第八节机械的总体设计实例
粒状巧克力糖包装机设计
一、原始资科
1．产品(如图5—33所示)
本机的加工对象是圆台形柱状巧克力糖
2．包装材料
巧克力糖采用厚为0.008mm的金色铝箔卷筒纸。
3．关于自动机生产能力的要求
根据给定生产定额每班产570kg。约合自动机正常生产率为120块／min。采用无级调速自动机的生产率可调范围为70—130块／min。
建立黑箱（图略）
功能结构图（图略）
功能细化（图略）
功能求解目录（图略）
二、包装工艺的确定
人工包装动作顺序
机械动作
自动上料问题
刚性整体锥形模腔
具有一定弹性的钳糖机械手夹子
三、包装机总体设计
1．机型选择 从产品的数量看，属于大批量生产。因此，选择全自动机型。 从产品工艺过程看，选择回转式工艺路线多工位自动机型。
根据工艺路线分析，实际需要两个工位。一个是进料、成型、折边工位，另一个是出料工位。 - 21 -
自动机采用六槽槽轮机构作工件步进传送。
2．自动机的执行机构
根据巧克力糖的包装工艺，可确定自动机执行机构为：送糖机构、供纸机构、接糖和顶糖机构、抄纸机构、拨糖机构、钳糖机械手的开合机构、转盘步进传动机构等七种。
（1）机械手及进、出糖机构
如图5—34所示送糖盘7从输料带10上取得糖块，并与钳糖机械手反向同步旋转至进料工位I，经顶糖、折边后，产品被机械手送至出糖工位II 后落下或由拨糖杆推下。
机械手开闭由机械手开合凸轮1控制，该凸轮的轮廓线是由两个半径不同的圆弧组成，机械手的夹紧主要靠弹簧力。
（2）糖和接糖机构
图5—35。接糖杆的运动，不仅具有时间上的顺序关系，而且具有空间上的相互干涉关系。因此它们的运动循环设计必须遵循空间同步化的设计原则，在结构设计时应予以充分重视。 此外，当接糖杆与顶糖杆同步上升时应使糖块上夹紧力不能太大、以免损伤糖块，同时，应使夹紧力保持稳定。因此在接糖杆的头部采用橡皮类弹性元件制成。
（3）抄纸和拨糖机构
抄纸和拨糖机构如图5—36所示。
（4）工位间步进传送机构
工件在工位间的步进传送，即钳糖机械的间歇转位．由六槽槽轮机构带动两组螺旋齿轮副分别传动机械手的转盘和送糖盘．见图5-38。
4、巧克力糖包装机传动系统设计
粒状巧克力糖包装机系专用自动机。宜采用械传动方式。图5—38为该机的传动系统图。
5、粒机状巧克力糖包装机的工作循环图
巧克力糖包装机的工作循环图如图5-39所示。
随后的结构设计包括总装配图、部件装配图和零件工作图的设计等．此处从略。 - 22 -
第六章机械结构设计
第一节零件的功能、相关与结构要素
零件是构成机器的基本元素，从结构设计的角度出发，可以把零件称为结构件。 零件的功能：
1.2.承受载荷
3.
操纵机构：轴4和摆杆3都具有传递运动的功能。由于摩擦力的存在，它们也承受一定的弯矩和扭矩。（图略）
4.仍以车床为例：车床主轴箱和床身之间应有严格的相对位置关系。即主轴中心线应与床身上的导轨平行，保证沿导轨移动的刀架上所装刀具的尖端走出与主轴轴线平行的轨迹，以车削出准确的圆柱体。同时，还要求后座顶尖与主轴顶尖的连线与床身导轨平行。要求床身导轨本身要具有相应的直线度，受热、受力变形小等。
4.有些结构件还具有其它—些功用，如箱体除了保证各传动轴的相对位置及其中心距外。还起着包容和保护传动件的作用，还可以盛装润滑油。有的结构件还兼有或主要用作防护或装饰作用，要求具有—定的外形及色彩。 结构件的分类结构件的形式多种多样，从不同的角度可以有不同的分类。
1体和支承件等类别。
2 零件的相关：在机械系统中，各零件通常成链状、树状或网状相互联接，构成完整的机械网络。
说明：零件的相关分为直接相关和间接相关两类：
（1）直接相关：凡是两零件有直接装配关系的。
（2）间接相关：没有直接装配关系的相关。间接相关又分为位置相关和运动相关两类：位置相关是指两零件在相互位置上有要求。运动相关是指一零件的运动轨迹与另一零件有关。 要满足运动相关条件，一般需要一个或几个位置相关的中间件来达到，上例中的床身导轨就是这样的中间件。 零件的结构要素：若把零件上与其它零件直接相关部位称为工作部分，则多数零件均由两个或多个工作部分及联结部分组成，联结部分的作用是把各工作部分联结起来并使它们保持各自的位置，同时也常常起到支承作用。有时，也把用以固定联结的工作部分称为安装部分。 连接表面的设计灵活多样，原则：不影响工作表面的功能 不影响零件运动 不影响操作 支撑件、大件：在结构设计中，通常先确定工作部分，后确定联结部分。工作部分主要考虑工作面的形状、尺寸、精度、表面质量等，而联结部分主要考虑强度、刚度等要求。
第二节结构设计的基本原则和原理
一、结构设计的基本原则
- 23 -
确定和选择结构方案时应遵循三项基本原则：明确、简单和安全可靠。
1 所谓明确是指对产品设计中所应考虑的问题都应在结构方案中获得明确的体现与分但。
（1）功能明确：避免冗余结构，尽量减少静不定结构。
（2）工作原理明确：所选结构的物理作用明确，从而可靠地实现能量流(力流)、物料流和信息流的转换或传导。
（3）使用工况及承载状态明确
图(a)设计者原意是滚针轴承承担径向力，球轴承承受轴向力。图(b)径向力和轴向力承受者都很清楚。图6—4受拉焊缝。(a)图为静不定结构；(b)图为合理结构。
2．简单 在满足总功能前提下，尽量力求结构形状简单、零部件数量少等。
零部件数量少，实质是缩短加工、组装和生产准备周期，降低生产成本。在设计中常采用一个零件担任几种功能的办法，达到减少零件数量的目的。
如图6-5吊车轨道，除作导轨用外，还兼作水、空压、油压管道的作用，是多功能结构件。
31）机器安全包括4个方面： 零件安全：主要指在规定的载荷和规定时间内，零件不发生断裂、过度变形、过度磨损，不丧失稳定性。 整机安全：指整个技术系统保证在规定条件下实现总功能。 工作安全：对操作人员的防护，保证人身安全和身心健康。 环境安全：对技术系统的周围环境和人不造成危害和污染，同时也要保证机器对环境的适应 性，如挖掘机对沼泽地工作的适应。
2为了保证安全可靠性，而采取的技术措施：
(1) 如采用安全销、安全阀和易损件等。对于可能松脱的零件加以限位，使其不致脱落造成机器事故。
如图6—7(a)表示螺钉松脱后落入机器内，不能工作。图6—7(b)表示螺钉松脱时，受到限位—不致掉入系统中。 冗余配置原理：当技术系统发生故障或失效对会造成人身安全或重大设备事故，为了提高可靠性，常采用重复的备用系统。如飞机发动机的双驱动、三驱动和副油箱；压力容器中两个安全阀；为确保煤矿井下绝对安全，对排水的水泵系统采用两套或三套配置(一套运转，一套维修，一套备用)。
(2)间接安全技术法：通过防护系统和保护装置来实现技术系统的安全可靠。其类型是多种多样的。
如液压回路中的安全阀、电路系统中的保险丝等，都是当设备出现危险或超负荷时，自行脱离危险状态。
(3)现以前发出报警和信号，提醒人们注意，如指示灯，警铃等。
二、结构设计的原理
1对于同一个零件来说，各处应力相等，各处寿命相等，叫等强度。
增加约束变形附件以降低高应力区的应力（图略）。
2
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可以认为力在其传递路线上形成所谓力线，这些力线汇成力流。力在构件中的传递轨迹就像电场中的电力线、磁场中的磁力线、水流中的流线一样，按力流路线传递。力流密集程度反映力的大小。力线和力流方向用箭头表示。力线和力流在连续物体中传递，数量不变，且连续不断。 力流路线直接、最短原则：可以使零件尺寸缩小，节省材料，变形小，刚度好。
3
所谓变形协调，就是使相联接的两零件在外载荷的作用下所产生的变形的方向相同，并且使其相对变形尽可能小。
图6-12为两焊接板的变形及应力分布。图a)为一板受拉．另一板受压，两零件在接缝的上端应力集中很大，相对变形大，变形不协调，应力分布不均匀；图b)为两板受拉，相对变形小，符合变形协调原理．应力分布均匀。 当结构断面发生突然变化，引起力流方向的急剧改变，使得力流密度增加，产生应力集中。在结构设计时，应采取措施，使力流方向变化平缓，减小应力集中。图6-13所示为轮毂联结：图a)力流方向变化急剧，A处应力集中;图b)力流方向变化较平缓，应力集中小。
4在机器工作时，常产生一些无用的力。如离心惯性力、变速惯性力、斜齿轮的轴向力等，这些力不但增加了轴和轴承等零件的负荷，降低其精度和寿命，同时也降低了机器的传动效率。所谓力平衡就是指采取结构措施，部分或全部平衡掉无用的力，以减轻或消除其不良影响。这些结构措施主要有采用平衡元件、采取对称布置等。
如图6-30所示为通过人为增加一个偏心来平衡另一个偏心产生的离心力。图5-30行星轮采用对称布置，齿轮啮合产生的径向力被抵消。
5
分配有三种可能：
1
2优化及准确计算；
3 图5—2l是三种不同的密封和定位结构，a图轴承的密封和定位用同一个结构1来完成，需用圆钢车成，其制造费用高；b图的密封和定位分别由1挡圈和2轴套承担。2可用管料车成，节约材料。减少加工时间；c图中密封件1为冲压件，用无屑加工代替有屑加工，确保了密封，大大节约工时和材料。
6．自补偿原理 通过选择系统元件及其在系统中的配置来自行实现加强功能的相互支持作用，称为自补偿。自补偿在正常情况(额定载荷)下有加强功能、减载和平衡的含义，而在紧急情况(超载)下有自保护和救援的含义。 常见的自补偿原理应用形式有：自增强、自平衡和自保护：
1)自增强：当辅助效应与初始效应的作用方向相同时，使得总效应加强，就是所谓自增强。 在正常工作状态下辅助效应与初始效应的作用方向相同，总效应为两者之和。
如图6-12高压容器检查孔盖的设计。图(a)拧紧螺杆，使端盖2紧贴在密封件3上，形成初始效应。工作时间，内部高压P作用在端盖2上，加强密封效果，产生辅助效应。总效应是两者叠加．使密封自增强。图(b)是自损结构。效应相互抵消，密封效果不好。
工作时，工件1受到一个F2力，该力使工件与偏心轮之间产生一个使偏心轮顺时针转动的趋势，该趋势与Fl力的作用同向。故增大了夹紧力F的作用，且该作用随着F2的增大而增大。
- 25 -
图6—13自增强作用的密封装置，压力P使带锥面圆盘l更紧密地压在密封2上，这就是利用主参数压力P产生了增强密封的辅助作用。
2)自平衡：自平衡通常是使正常载荷下的辅助效应同初始效应相反并达到平衡或部分平衡状态，以克服不利影响。
当竖轴1的转速升高而超过要求的转速时，重锤2会自动抬起，带动滑套3和杠杆系统4使阀门5转动以减少蒸汽通过量。从而降低蒸汽机的转速以恢复到正常值。若杠杆4联结其它机构，通过不同原理可调节其它机械的转速。
图(a)为齿轮泵径向力未平衡状况，Pl与P1’为液压力，P2与P2’为齿轮啮合力，P和P ’ 为主动齿轮轴承和被动齿轮轴承所承受的径向力。由图可知，P和P’加快了轴承的磨损。图(b)是径向力得到平衡，在泵壳或侧板上开有径向力平衡槽。将高压油引到低压区，把低压油引到高压区。
3)破坏或采用持殊的防护装置相比更为合理。有时，采取一定的结构措施就可实现自动保护。 例如：摩擦离合器中的摩擦片，由于超载而打滑．使得离合器输入和输出端脱开，停止运动。高压锅当压力超过时，易熔塞失效，内部压力减小，保护高压锅不受损。
7．稳定性原理：所谓系统的结构稳定是指当出现干扰，使系统状态发生改变的同时，会产生一种与干扰作用相反的、使系统恢复稳定的效应。
对于热膨胀变形而产生的干扰，需要在结构设计中采取措施，使之消除。
如图(a)结构，由于轴发热伸长，使轴承内部的游隙缩小甚至卡死，造成工作不稳定；图(b)则不会。
第三节结构设计中的强度和刚度问题 一、通过结构设计降低应力减少变形
1 传动轴一般采用圆形截面。 小直径：实心轴便于制造； 大直径：常做成空心轴。 空心轴：I、I大，抗弯、抗扭刚度大
13号的刚度是l号的25倍；
2）质量愈向弯曲中性面两侧分散(即质量向受力方向上的上、下两面集中)愈好，如5号的强度都刚度比3号又有大幅度提高。
2.合理确定轴向尺寸
改变截面形状降低截面上各点的应力，可以提高零件本身抗破坏和抗变形的能力，但不能改变其所受弯矩的大小，通过合理地确定零件轴向尺寸。可以减少弯矩，从而更为有效地提高强度和刚度。这里所谓轴向尺寸，主要指梁或轴的支承跨距和悬伸长度。
3
轴端受力为F，假设轴承和支座是刚体，则轴本身变形引起轴端位移为f1；若假设轴为刚体时，由于轴承和支座的弹性变形而引起的轴端位移为f2。而实际上，它们均为弹性体，会同时产生弹性变形，故轴端总位移应为上述两种情况的叠加，即为：fE＝f1十f2。 分析：
由于成本或结构的限制，轴和轴承(包括支座)的刚度都不能无限提高。因此必须合理选择，以求得最满意的结果。分析发现，跨距L和悬伸长度l之比L／l变化时，f1和f2在fE中的 - 26 -
比重会随之变化，如图6—2l所示。曲线1和2分别为主轴本身引起的轴端位移和轴承引起的轴端位移L／l变化的函数曲线，曲线3则为上述两曲线合成的结果。fE最佳的问题！ 二、改善零件的受力状况
1.载荷分流就是将一个较大的或复合的载荷分流到不同零件或同一零件的不同部位上，从而达到降低应力、减小变形的效果。特别适于强度和刚度较弱的零件。如：采用多根v带、某些机床主轴采用并列的两个或多个相同的轴承等。如CW6163型卧式车床采用了载荷分流的方法，即用一个径向轴承和两个推力轴承分别承受径向力和两个方向相反的轴向力。 带轮卸荷结构（图略）：该轴直径较小且为悬伸轴，故刚度低。
采用卸荷结构后，将胶带的压轴力通过轴承及轴承座5分流给箱体4，而带轮3的转矩则通过端盖2的花键孔传给轴1，故轴1只承受转矩而不承受径向力．减少了弯曲变形。
2载荷均化是指将集中成分布不均的载荷变成近似均布的载荷以降低构件的最大应力。
图示的非对称布置的减速器中，在力的作用下，由于轴的弯曲使齿轮倾斜，从而导致轮齿沿齿宽方向载荷分布不均，对于重型减速器或齿轮箱尤为突出。若采用b图的对称布置形式，则可基本上克服上述缺点。
渐开线齿轮若沿齿宽方向齿厚相同。则啮合齿沿接触线长度方向上的数荷会较多地集中在两端，图6—26a所示。若将轮齿截面修整成鼓形，使端部齿厚较中间部分小25~35um，则齿轮工作时靠齿面弹性变形而使载荷分布趋于均匀，如图6—26b所示。
当螺栓受拉和螺母受压时，由于螺栓和螺母在旋合段内所受轴向力的不同，导致旋合各圈螺纹牙载荷相差很大。图6-27所示：第1圈牙受力可为第7圈的十几倍，这对于重载荷或重要部位的螺母是很严重的问题。图6-28所示为均化螺纹牙载荷的三种螺母结构形式。由图可见，各结构都在不同程度上减小了牙上的最大载荷，使载荷趋于均匀。
3广义地讲，载荷抵消是设法在结构上将无用的力或有用的力的不利作用全部或局部抵消。图6-29为机床主轴上传动力F2的不同布置形式，图中F1为切削力。 三、预加载荷
预加载荷是构件在制造或装配时就被施加一定的载荷使其产生相应的塑性变形或弹性变形，从而减小工作应力或工作载荷引起的再变形。 强化：以减小应力为目的的预加载荷方法称为强化，强化分弹性强化和塑性强化两类。 预紧：以提高刚度、减小工作时再变形为目的的顶加载荷方法称为预紧。
1．弹性强化
弹件强化是使构件在受工作载荷之前预受一个与工作载荷相反的载荷，产生一个相应的预变形，以及一个与工作应力相反的预应力，工作时该预加载荷部分地抵消工作载荷，预变形部分抵消工作变形，从而降低了构件的最大应力。
2塑性强化是使构件在工作状态下应力最大那部分材料预先经塑性变形而产生一个与工作应力符号相反的残留应力，用以部分地抵消工件应力。仍以梁为例：给梁预加一个与工作载荷F同向的预加藏荷F’，F’去掉后梁内产生残留应力，其分布如图。 塑性强化的特点是预加载荷与工作载荷方向一致，而且在构件工作时预加载荷已经撤出，靠残留应力而不是靠预加载荷本身来抵消工作应力。故要求材料必须具有足够的塑性，构件的塑性变形量不得超过一定限度。
3.
预紧是通过一个与工作载荷方向相同的预加载荷，使零件产生一定的与工作时同方向的弹性 - 27 -
变形、以减少工作时的进一步变形，从而提高刚度的有效措施。
如：滚动轴承在安装时预加一个约等于径向载荷20~30％的轴向力，弹性变形增加了接触面积，各磙子受力也趋于均匀．从而提向了轴承的刚度。
又如多数弹簧都预加了一个初载荷，使其产生—定的初始变形。以保证其具有足够的刚度和工作弹力。螺栓在装配时产生的拉力实际上也是预加载荷，工作时承受拉力的较长螺栓必须有足够的预紧力才能保证被联接件的联接刚度。 预紧的特点是预加载荷与工作载荷方向相同，工作时不撤出，因此，工作应力不是抵消而是叠加，其目的是提高刚度，而不是减少应力，故预应力应不超过一定限度。
1降低应力集中程度
螺纹联接中联接件和被联接件的刚度匹配
降低零件表面的粗糙度
改善零件的尺寸和形状以及对零件表面进行处理等
提高零件的动刚度可从提高其静刚度、增加阻尼和调整固有频率等方面着手，也可以采用各种类型的减震器。
2、提高零件的接触强度和接触刚度
当两零件的表面为点、线接触且有法向载荷作用时，虽然因弹性变形可形成小区域接触，但因面积很小，应力仍很大。合理地确定零件接触面的结构可以提高接触强度。
(1)增大球面支撑的综合曲率半径。
R=R1R2/（R1±R2）
(2)以面接触代替线接触或点接触
图6—35a所示为通过中间件A把线接触改为面接触的实例。图6—35b所示则是增加中间件B将点接触转变为面接触的实例。
(3)采用变位齿轮传动提高齿面接触强度
为提高齿面接触强度可采用变位齿轮。设计变位齿轮时应满足两个条件：两相互啮合齿轮变 - 28 -
位系数之和最大，以获得齿面的最大综合曲率半径，要保证足够大的重合度，以使同时啮合的齿数不致太少。
第四节支承件的结构设计
一、支承件的功用类型和基本要求
1．支承件的功用 支承件是机器上大型受力构件的总称，它可以单独或联接起来构成机器的主体、基础或框架等，对其它零件起联接、支承或包容作用，以保证零件之间的相对位置或相对运动关系，并承受其它零件的重力及工作载荷。
2．支承件的类型 支承件形式可根据形状分为三大类型，即梁型、板型和箱型。
1）梁型支承件：特点是其某一方向尺寸比其它两方向尺寸大很多，因此，在分析或计算时可将其简化为梁，如车床床身、各类立柱、横梁、伸臂和滑枕等均属于此类。
2如铣床工作台、钳工划线平台及某些机器较薄的底座等。
3升降台及组合机床的中间底座等。
3
支承件通常应满足刚度，抗振性、热稳定件及内应力等方面要求。
1)刚度：支承件的功用决定了刚度是其最主要的指标之一。支承件若受力变形过大，就无法保持相关零件之间的位置和运动的准确关系。
2)然影响到其上安装的零件特别是精密工作零部件如机床主轴、刀架和量具的测头等的正常工作。另外，支承件通常制成中空形式，有的支承件如箱体的壁厚较簿，面积较大，易于产生薄壁振动。因此，抗振性也是支承件主要要求之一。
3)
A）动力源热：如电动机、内燃机和电磁铁等产生的热量；
B）摩擦热：如传动件、轴承、凸轮和离合器等摩擦产生的热量；
C）工艺热：工艺过程本身如切削、锻压、焊接和注塑等产生的热量；
D）物料热：某些被加工、处理的物热，如热锻毛坏和液态塑料等的热量；
E）环境热：由于工作在高温地区或附近有高温设备如加热炉等带给机器的热量等等。 影响：支承件的变形会破坏其上相关零件之间的相对位置或相对运动精度。
提高热稳定性，减少热变形常用方法有：减少热源、隔热、散热、冷却等，还可通过合理的结构设计，如合理分配金属量、用热变形补偿元件、其至用局部加热等方法使其热变形均匀。
4)逐渐消失会使已加工或已工作的零件产生变形，甚至丧失精度。 减少内应力的方法：
A）支承件各部分金属量应尽量分布均匀；
B
C
D）在铸铁中加入镍和铬等合金元素不但能减小内应力，而且可提高构件运动表面的耐磨性。
5)其它要求：设计中还应满足支承件特定功能的要求，如电器、油箱等的位置和安装方式；加工余料的排出，冷却液回收；安装、吊运的方法及加工工艺性，金属消耗量等。 - 29 -
本节着重讨论支承件的刚度这一最突出的问题。 二、保证支承件刚度的结构措施
保证支承件刚度及抗振性的措施主要有：
（1）合理确定截面形状和尺寸，
（2）合理布置隔板和加强肋，
（3）合理开口和加盖，提高局部刚度和接触刚度，增强阻尼以提高抗振性等。
1
支承件的受力、变形情况很复杂，而对其影响较大者为弯曲、扭转或者二者的组合。如前所述，截面积相同而形状不同时，其截面惯性矩和极惯性矩差别很大，因此其抗弯和抗扭刚度差别也很大。表6—4所列8种截面，其面积均10000mm2，由表中列出的抗弯、抗扭惯性矩的相对值可以看出：1）空心；2）受力方向尺寸大；3）加大外轮廓；4）封闭截面。
2隔板和加强肋也称肋板和肋条。合理布置隔板和加强肋通常比增加支承件的壁厚的综合效果更好。
1)板有纵向、横向和斜向之分。纵向隔板的抗弯效果好，而横向隔板的抗扭作用大，斜向隔板则介于上述两者之间。所以．应根据支承件的受力特点来选择隔板类型和布置方式。
纵向隔板布置在弯曲平面内才能有效地提高抗弯刚度，因为此时隔板的抗弯惯性矩最大。此外、增加横向隔板还会减小壁的翘曲和截面畸变。 隔板的作用是将作用于支承板的局部载荷传递给其它壁板,从而使整个支承件承受载荷,提高支承件的自身刚度。
a.多用在刚度要求不高的床身上。
b.“?”形隔板，在垂直面和水平面上的抗弯刚度都比较高，铸造性能好，在大中型车床上应用较多。
c.能较大地提高水平面上的抗弯抗扭刚度，对中心距超过1500mm的长床身，效果最为显著，但铸造工艺性较差。
d.斜向拉筋，床身刚度最高，排屑容易，工艺性较差。
2)加强肋：加强肋的作用主要在于提高外壁的局部刚度，以减小其局部变形和薄壁振动。 一般布置在壁的内侧。
3．合理开孔和加盖
支承件壁上开孔会降低刚度，但因结构和工艺要求常常需要开孔。当开孔面积小于所在壁面积的0.2时，对刚度影响较小；当大于0.2时，扭转刚度降低很多。故孔宽或孔径以不大于壁宽的1／4为宜。且应开在支承件壁的几何中心附近或中心线附近。
开孔对抗弯刚度影响较小，若加盖且拧紧螺拴，抗弯刚度可接近未开盖的水平，且嵌入盖比覆盖盖效果更好。扭转刚度在加盖后可恢复到原来的35％一41％左右。
4 所谓局部刚度是指支承件上与其它零件或地基相联部分的刚度。当为凸缘联接时，其局部刚度主要取决于凸缘刚度、螺栓刚度和接触刚度；当为导轨联接时，则主要反映在导轨与本体联接处的刚度上。
用螺栓联接时，联接部分可有不同形式，如图6—38所示。其中图a）的结构简单，但局部刚度差．为提高局部刚度，可采用图6—38b或图6—38c的结构形式。
图6-39a所示为车床床身，其导轨与本体连接刚度较差，若在局部加肋，如图s—39b所示， - 30 -
则可提高刚度。图6—39c为龙门刨床床身，其V形导轨处的局部刚度低，若改为如图6—39d所示的结构，即加一纵向肋板，则刚度得到提高。
5．增加阻尼以提高抗振性 增加阻尼可以提高抗振性。铸铁材料的阻尼比钢的大。在铸造的支承件中保留砂芯，在焊接件中填充砂子或混凝土，均可增加阻尼。图6—40所示为某车床床身有无砂芯两种情况下固有频率和阻尼的比较。由图可见，虽然二者的固有频率相差不多，但由于砂芯的吸振作用使阻尼增大很多，从而提高了床身的抗振性。其不足之处是增加了床身的重量。
采用混凝土、树脂混凝土或人造花岗岩作支承件的材料（图略）
对机床热源进行强制冷却（图略）
第五节结构设计中的工艺问题 一个机械结构设计的优劣，可从两个方面考虑：
（1）是对该结构要求实现的功能是否能充分地体现出来；
（2）是能否经济地加工安装，即工艺性是否好。 这种对所设计的结构能综合地考虑和处理制造、装配、使用、维修等方面的各种技术问题，称为结构设计工艺性。 一般零件的毛坯由以下方式获得：
型钢切割或铸造、焊接和锻造等。 批量小的零件可用锻造、焊接(大件)方法获得毛坯； 批量大的可用铸造或精锻方法获得零件的毛坯。 一、机械加工的工艺性
机械加工的工艺性可按表6—5所示的四个原则来考虑：
（1）零件结构力求简单的原则；
（2）便于加工的原则；
（3）便于装卡的原则；
（4）提高切削效率的原则。 二、零件装配的工艺性
零件装配的工艺性可以按表6—6所示原则来描述：
（1）可以分为几个单元的原则；
（2）零部件装拆方便的原则；
（3）保证正确装配的原则。 三、铸件及焊接件设计准则 铸件：用于形状复杂的结构，要求在转折处有圆弧或斜坡等形状。 焊接件：用于由简单的几何面(平面或圆柱面等)结合而成的构件，其结构具有薄板、长杆及大平板等特点。焊接件结构变形比铸造件严重，因此重要的焊接部件，如变速箱箱体，需要经过回火消除内应力后再进行机械加工。 不论铸件或焊接件，都要经过时效处理消除内应力。
一般机床床身是用铸造件，但有时一些重型机械的机身、机匣架及框架等巨大的零件如果结构简单，也可以用焊接件。
(一)铸造件的工艺性
1、铸造工艺对结构设计的要求
（1）便于造型的原则；
（2）考虑逐渐冷却变形的原则；
- 31 -
（3）适用于金属流动充满的原则。
(二)焊接件结构设计的工艺性
（1）适应于焊接操作；
（2）焊缝受力合理性的原则；
（3）防止焊缝被切削的原则。
第六节材料的选择
一、材料选择应注意的主要问题
针对具体的应用条件选择合适的机械零件材料时，需要考虑的主要问题有三：
①所选材料的特性和在承载或温度或其它环境因素变化条件下的行为能否满足零件在工作时所遇到的各种情况下的要求，包括使用寿命方面的要求，这是材料的工作能力，常常表现为承载能力的问题；
②所选材料是否容易加工，适合所设计的零件的可能的加工条件，这是材料的加工工艺性能问题；
③用所选材料制成的零件，其材料费和由材料引出的加工费是否较低而在零件成本中占的百分数比较合理，这是材料的经济性问题。
(—)材料的工作能力问题
1、不同零件所要求的材料使用主要有：强度、刚度、耐磨性、美观的要求。
2、选材时首要任务：准确地判断零件所要求的主要使用性能。
3、零件工作情况、工作条件的分析。
(二)材料的工艺性能的问题
金属零件的工艺路线大体分为三类：
1．力学性能要求不高的一般零件
毛坯→正火或退火→机械加工→零件。
毛坯一般用铸铁或碳钢。如果采用型材直接加工成零件，则因材料出厂前已经过退火及正火，就不必再经过热处理了。这类零件由于对力学性能要求不高，一般用比较普通的材料，其加工性能都很好。
2．力学性能要求较高的一般零件
毛坯→正火或退火→粗加工→最后热处理(淬火、回火或渗碳处理等)→精加工
预先热处理中的正火(低、中碳钢)或退火(中、高碳钢)的主要作用是消除组织缺陷和改善机械加工性能，例如各种合金钢、高强度合金制造的齿轮轴等均采用这种工艺。
3．要求较高的精密零件
这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要求有相当高的尺寸精度和较低的表面粗糙度。由于加工工艺一般比较复杂，性能与尺寸要求很高，零件所用材料的工艺性能应充分保证。 此外，选择材料时，根据毛坯制造工艺要考虑材料的锻造性能、铸造性能、焊接性能等。例如需要焊接的零件要选用低碳钢。
以上以金属材料为例的注意各项，对塑料等材料的选用也是基本适用的。
(三)材料的经济性问题
材料的经济性不仅是指材料本身价格应便宜，更重要的是采用所选用的材料来制造零件时。有助于产品的总成本降至最低，同时所选材料应符合国家资源状况和供应情况等。
二、常用材料
机械结构常用材料有铸钢、钢、铸铁、球墨铸铁、有色金属、非金属材料和复合材料等。
1、铸钢
- 32 -
铸钢主要用于制造承受重载的大型零件。由于内部组织不如轧制或锻造钢件，其强度略低于普通锻钢．但其杭弯强度约为灰铸铁的二倍，抗压强度相当，抗扭强度约高50％．其减震性和减摩性均较灰铸铁略差。目前大都采用正火、回火作为最终热处理。按用途可分为一般用途的普通碳素铸钢、低合金铸钢、耐腐蚀铸钢和耐热铸钢等特殊用途铸钢。其中碳素铸钢应用最广，占铸钢总产量的80％以上。
不锈耐酸铸钢可用于石油、化工、原子能工业中的流体机械的零件，如泵壳、阀、叶轮、水轮机转轮或叶片、螺旋桨、离心铸件等。
一般工程用国产铸钢有五种牌号，其力学性能见表6—l 6
2、钢
钢是机器制造中用得最广泛的材料，常用的钢材有碳素钢、合金钢，品种较多。选择钢材时，除了零件的使用要求外，还必须考虑材料的热处理性能和机械加工性能。
1）钢的分类：
在碳素钢的基础上，根据不同要求再加人各种元素如Ni，Cr，Mo，W，V，Ti，B等，以改善各种性能，例如提高淬透性、耐磨性、硬度、冲击韧性、断裂韧性和高温强度等。 常根据合金元素含量的多少，把合金钢分为：低合金钢（＜5％，中合金钢 (5％一10％)，以及高合金钢(＞10％)。也可按用途分：
①合金结构钢。这类钢含碳量低，含合金元素不超过5％，有良好的韧性和可焊性，适合桥梁，船舶、车辆、锅炉、压力容器、起重机等用。而在优质碳素结构钢的基础上增加某些元素而成的合金结构钢能制造重要的机械零件，常用的有20Cr．40Cr，35CrMo，18CrMnTi，40CrNiMo等可用于各类轴、齿轮、活塞销等零件。这类零件都必须进行适当的热处理、才能达到所需的机械性能。
②合金工具钢。这类钢主要用于制造刀具、量具和模具。
③特殊性能合金钢。这类钢具有特殊的物理化学性能，如耐磨、耐蚀、导磁、抗磁等。ZGMn13是著名的耐磨钢，用于回旋破碎机主轴，掘土机铲齿、拖拉机履带等零件。
例如：工具钢中的刃具钢：
刃具钢用于在工作中受到很大的切削力、摩擦与切削热作用的产品，因而要具备高的硬度(60HRC以上)、耐磨性和高的热硬性，还应有足够的强度和韧性，以防断裂或崩刃。 根据化学成分，刃具钢可分为碳素工具钢、低合金刃具钢及高速钢三类。
A）碳素工具钢
含碳量在0.65％一1.35％的优质或高级优质高碳钢。高碳含量可保证淬后有足够的硬度。常用碳素工具钢的牌号、热处理及用途见表6—14。
B）低合金刃具钢
低合金刃具钢最高工作温度不超过300℃。含碳量一般在0.8％一1.5％，以保证足够的淬硬性和耐磨性。合金元素总含量通常不大于5％。主要加入元素铬、硅、锰，以提高钢的淬透性和强度。再辅以钨和钒等，以形成碳化物、提高钢的硬度、耐磨性和热硬性。低合金刃具钢的热处理与轴承钢相近。
常用低合金刃具钢的牌号、热处理及用途列于表6—15。最常用的低合金刃具钢是9SiCr、CrWMn、9Mn2V和CrW5。
C）高速钢
高速钢是一种含多种合金元素的高合金钢，含碳量达0.7％一1.5％，并加入较多的铬、钨、钒等合金元素，其总含量达10％一25％。铬能提高钢的淬透性；钨能提高热硬性；钒不仅提高钢的硬度和耐磨性，还能降低钢的过热倾向并细化晶粒。常用高速钢的牌号、热处理及用途见表6-16。其中W18Cr4V应用最广，常用来制造各种切削刀具，如车刀、铣刀、拉刀、 - 33 -
创刀等，工作温度可达600℃。
2)钢的型材加工
炼成的钢液可通过直接浇铸成铸钢件，即形成结构、形状尺寸与零件大致相同的铸造毛坯。但绝大部分都是先浇铸成钢锭后再经塑性变形成形。
少量钢锭通过锻造成形。更多的是经轧制、挤压和拉拔等方法制成各种钢材，如钢管、钢板、型钢、钢丝等，如图6—1所示。
3、铸铁
具有良好的铸造性能、切削性能，容易获得。但可焊性差．只能用铸造方法来成形铸件。缺点是强度较低。铸铁一般分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和特殊铸铁等。灰铸铁的断面呈暗灰色，强度较低，脆性较大，但耐磨性比较好，用于中等载荷下的结构件、复杂的薄壁件，使用温度不能超过400℃；可锻铸铁有较好的强度和塑性、耐磨性和减振性优于普通碳素钢，适于制造尺寸小、形状复杂，不能用铸钢或锻钢制造的零件，如汽车前后轮壳、矿用轮、三通、低压阀门等；球墨铸铁耐磨性非常突出，强度和普通碳素钢接近．但塑性和韧性较钢低，适合制造阀体、轴瓦、曲轴、凸轮轴等零件。
灰铸铁铸件的抗拉强度见表6—12，球墨铸铁的力学性能见表6—13，可锻铸铁的力学性能见表6l—14和6—15。
4、有色金属
常用的有色金属有铝、铜、锌、锡、铅、镁等。纯金属强度低，一般不单独用；而是以合金来制造零件。常用铝合金和铜合金。
(1)铝合金
具有以下特点：
1)比重小、比强度高，采用各种强化手段后，可以达到与低合金高强钢相近的强度。
2)导电性好，仅次于银、铜和金。其资源丰富，成本较低。其磁化率极低，接近于非铁材料、可用于制造电动机的壳体等。
3)加工性能好．塑性也好，可以冷成型。
由以上特点，铝合金广泛应用于航空工业及其他轻质零件，如内燃机的活塞和仪表壳体等。铝合金的牌号、元素及应用举例如表6—18所示。
(2)铜合金
铜合金有较高的耐磨性、耐腐蚀性、导电性、导热性，广泛用于制造轴套、蜗轮、泵体、管道配件以及电器和制冷设备上的零件。
常用的铜合金分为：黄铜、白铜和青铜。
a.黄铜是铜与锌组成的合金。锌能提高黄铜的强度和塑性。再加其他元素时称为复杂黄铜。加锡称锡黄铜，加铝称铝黄铜。黄铜价格较低，应用广泛，常用于耐磨、耐腐零件，如蜗轮、重载齿轮、海轮螺旋桨等。
b.白铜是铜与镍的合金，再加入其他元素称为复杂白铜，有锰白铜、铝白铜等。白铜的特点有很高的化学稳定性，可制造在腐蚀介质(如海水、有机酸和各种盐溶液)中工作的零件。 c.青铜是铜与锡的合金。锡能显著提高青铜的强度和硬度，但单纯的锡青铜很少用，一般还加入磷、锌、铅等，这样还能提高弹性强度和疲劳强度，并有较高的耐磨性，适用于重载高耐磨零件。
(3）铸铝合金种类很多。其强度略低于各类锻铝合金，多用于民用小型机械支架等件，也可用于飞机结构和航空发动机中支座零件。
(4）铸镁合金强度低于铸铝合金，质量轻，可用于飞机结构上的挂架。
(5）铸造轴承合金有锡基、铅基、铂基和铝基四类，铜基的抗拉强度高、硬度高。这种合金 - 34 -
的选用常根据滑动轴承的设计而定。
5、非金属材料
(1)工程塑料
工程塑料是以合成树脂为主要成分的有机高分子材料。具有质轻、绝缘、减摩、耐磨、自润滑、耐腐蚀的特点，而且成型工艺简单，生产效率高。按其受热后性能不同可分为两大类：一类为热塑性塑料，特点是受热以后软化(或熔融)，冷却后又恢复原来性质并可反复进行。这类材料有聚氯乙烯、聚乙烯、ABS、聚四氟乙烯、有机玻璃等。用于制造密封圈、衬套、活塞环、轴承等。另一类为热固性塑料，其特点是在一定温度下，经过一定时间加热或加入固化剂固化，这一过程不能反复进行。这类材料有酚醛塑料、环氧塑料。热固性塑料常加入各种填充剂．以获得较高的机械强度。该种材料适用于各种承载零件，并可耐较高的温度，可制造泵、阀、轴承等耐腐蚀件。
用于制造零件的塑料的特性和应用见表6—19~6—22。
(2)复合材料
复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料，通过某种工艺手段复合而成的材料。两者复合，保留了各自的优点，得到单一材料无法比拟的，优越的综合性能。
复合材料一般分为纤维复合、层叠复合、细粒复合和骨架复合材料。
应用较广的为纤维复合材料，在复合的原料中，纤维性材料对复合材料的综合性能起到了重要作用，属于增强材料。目前采用的纤维有玻璃纤维、碳纤维、石棉纤维、碳化硅纤维和陶瓷纤维等。复合材料中纤维由基体牢固地联结起来，基体一般采用树脂，树脂的种类很多。 复合材料有以下优点：
①比强度、比模量大。比强度和比模量是指材料的强度、弹性模量分别与密度之比度越大，零件自重越小；比模量越大，零件的刚性越大。
②化学稳定性好。耐腐蚀性好。
③减摩、耐磨、自润滑性好。
根据以上特点，在机械工业中复合材料可制造风扇叶片、齿轮、压力容器、泵、阀、密封件等。
以下是复合材料应用之例，供选用和设计这种材料的参考。
1．在一般机械中的应用
1）泵：玻璃纤维环氧树脂泵，酚醛石棉泵，酚醛纤维增强聚丙烯等玻璃钢泵。
2）阀：聚乙烯醇缩丁醛改性酚醛玻璃钢阀，纤维增强聚丙烯阀。
3）风机：聚酯玻璃钢风机叶片，环氧树脂玻璃钢风机，环氧玻璃钢和聚氯乙烯一玻璃钢复合材料通风机机壳和叶轮。
4）燃气轮机：碳纤维增强塑料燃气轮机叶片。
5）压气机：Kevlar—49混杂纤维增强塑料。
6）纺织机械：碳纤维增强塑料剑杆、综线架，玻璃纤维增强塑料空气滑阀，碳纤维增强复合材料连杆、推杆、杠杆，碳纤维树脂复合材料辊轴等。
7）农业机械：纤维增强复合材料收割机平台，碳纤维环氧树脂或酚醛树脂复合材料滑动轴承等。
8）轴承：碳纤维增强塑料轴承，碳纤维增强铅一锡合金大型轴承。
9）密封件：碳纤维增强聚四氯乙烯机械密封件，碳一碳复合材料高温密封件。
10）齿轮：碳纤维增强塑料照相机齿轮。
2．在汽车机械中的应用
汽车前端板、可翻前端、活动车顶、车身、发动机罩、提升门、驾驶室、后尾板、后扰流板、保险杆、支架、悬架、能量衰减器、片弹簧、车轮、车架与车架横梁等。热塑性玻璃钢用于 - 35 -
汽车零部件的更多。箱体、底盘、悬梁、片弹簧、车架、扭杆、悬梁定位臂、发动机连杆、汽车推杆、气缸体、飞轮、车身、立柱、保险杠等。表6—23为一些实例。
3．在航空机械中的应用
最初用于军用飞机，现已推广到民用飞机，多数用于飞机结构的大小构件。表6—24为美国军用飞机应用复合材料之例。
4．在宇航(航天)机械中的应用
实例很多，如碳纤维酚醛树脂复合材料的火箭喷咀，酚醛树脂和环氧树脂作成蜂窝结构的火箭鼻锥(外用碳纤维缠绕)，碳纤维增强塑料缠绕成型的火箭燃烧室，用Kevlar—49纤维增强塑料缠绕而成的火箭发动机外壳，碳纤维复合材料的导弹级间段，用碳／碳复合材料为烧蚀材料的宇宙飞行器舱，碳／碳复合材料的航天飞机的机翼等。
三、典型零件的材料选用
以下列举一些典型机械中的零件材料选用资料，供设计参考
(一)金属零件
1．轴类零件的材料选用
按强度设计来选材，保证轴的承载能力、抗疲劳能力及耐磨性等。表6—9可作为轴类零件选材的参考。
2．齿轮类零件材料的选用
以润滑条件较好的闭式齿轮传动为例，轮齿主要根据接触强度或弯曲疲劳强度要求选材，其特点是要求很高的齿面硬度及强度，以防止疲劳断裂和表面损伤；同时要有足够的心部强度及韧性。因此在要求较低时，齿轮材料只进行表面淬火回火强化；要求高时，则应采用表面化学处理(渗碳、氮化等)强化，还可以利用各种金属或抗磨材料喷涂技术。一般齿轮类选材可参考表6—10。
3.汽车发动机主要零件的材料选用
一辆汽车有上千种零件，汽车发动机只是一个重要部件。不同的生产厂用材不同。目前多根据使用经验选材。但需要指出，应该根据零件的具体工作条件及实际失效形式，通过大量的计算和试验才能选出合适的材料。由于材料科学正在不断发展，因此也存在—个材料再次更新的问题。表6—11所示的发动机零件材料选用，也可以作其它类似零件选材的参考。 - 36 -
第七章机械产品的商品化设计
第一节产品的市场竞争力和商品化设计
第三节价值优化设计——商品化设计措施之二
第四节产品的标准化、系列化、模块化设计——商品化设计措施之三
第五节产品性能适用性变化——商品化设计措施之四
第六节绿色产品设计——商品化设计措施之五
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