八 机械设计基础概论（2学时）
1．教学目标
1）使学生了解本课程研究的对象、内容以及其在培养高级机械工程技术人才全局中的地位、作用和任务，从而明确学习本课程的目的。
2）使学生对机械原理和设计(Mechanisms & machine theory and design)学科(discipline)的发展趋势有所了解，并了解本学科的重要性在课程结构中的重要性。
3）了解机械设计的基本要求和一般步骤。
4）了解机械的组成和机械零件的工作能力计算准则。
5）掌握载荷荷应力的分类以及在交变应力作用下许用应力和安全系数的计算方法。
2．教学重点和难点
1）了解机械的组成和机械零件的工作能力计算准则。
2）掌握载荷荷应力的分类以及在交变应力作用下许用应力和安全系数的计算方法。
3．讲授方法：多媒体和演示柜教学
课 前 须 知
这门课程是同学们初次接触的第一门专业技术基础课，它既不同于以往的基础课，又有别于以后我们将学习的专业课程，具有理论性和实践性的双重特点。为了帮助同学们更好地了解和学习这一门课程，在我们的共同努力下，顺利地完成教学计划，在正式上课以前，为了帮助大家能够很好地学习，首先给大家介绍一些在学习中应该注意的地方。
本课程从内容构成上包含原理和设计二部分，作为本课程的完整教学内容，在理论课程的学习之后，同学们还必须进行为时2周的课程设计，这是一个重要的实践环节，锻炼大家具体应用本课程理论和方法的能力。
关于这门课程的学习方法问题，在绪论中再讲，这里需要将的是有关学习中应注意的地方，也是为保证我们顺利完成教学任务的要求：
1．纪律：这门课程的学习和其它各个学科一样，都需要大家认真上课、听讲。如果放弃听课的机会，完全寄希望于在考前突击复习，将需要付出双倍、甚至更大的努力。
2．作业：做作业是学习过程中一个十分重要的过程，只有做作业才能检验我们是否掌握了课堂的学习，也是对课堂听课内容的及时复习和巩固。希望同学们要独立完成。
3．笔记：由于课时少、内容多，希望同学们从现在开始就要养成作笔记的习惯和能力，以便掌握讲授的主线，便于同学在复习时使用。同时，作笔记也是大学生必备的素质之一。做笔记可以分为两个步骤：①课堂速记：字迹可以尽可能的潦草，以自己能够辨认为原则；②课后整理：课后要及时整理，补充和完善，要规范。
4．预习：希望同学们要预习下次上课的内容，不求完全弄懂，只需要知道讲授的主要内容，便于听课和作笔记。
5．思考：本课程具有很强的实践性，许多问题的解决方法不是唯一的，那么答案也不是唯一的。作为课堂讲授，我们只能介绍比较成熟、常用的方法，这一点同学们要特别注意，要对课堂所讲授的内容抱有“合理怀疑”的态度，要大胆第提问和质疑，在以后专业课的学习中更是如此。在将来的工作岗位上，对原有机构、方法和理论进行“合理怀疑”而作出大量的创新活动，是一名科技工作者的必备素质之一。
内容正文
我们从今天开始要学习一门新的课程，课程的名称叫“机械设计基础”。首先，我们需要先对这门课程加以简要介绍，主要阐述三个问题，即：通过本课程的学习我们将学到什么？为什么要学习这门课程？如何才能学好这门课程？也就是“学什么？”、“为什么学？”、“如何学？”这三个问题，使同学们对本课程有一个大概的了解。现在我们先讲述第一个问题，即“学什么？”，也就是第一节。
第一节 机械设计基础研究的对象和内容
§1.1本课程的研究对象、内容和任务
我们这门课程称作“机械设计基础”，顾名思义本课程研究的对象是“机械”，而研究的内容则是有关机械的一些基本理论和设计方法问题。从内容上来看，包含有机械原理和机械零件两个部分，把这两个部分进行适当地整合，就成为我们的这一门课程《机械设计基础》。
既然课程是机械设计基础，顾名思义，该课程主要是机械方面知识的学习。然而什么是“机械”呢？本课程研究又包括哪些具体内容呢？首先，在这里我们要熟悉本课程的几个基本名词和概念。
a.机械：机械是机器与机构的总称；为了了解机械那么首先就需要了解什么是机器和机构。
b.机器：机器是具有确定运动的构件的组合体，它用来转换能量，改变或传递物料和处理信息，以代替和减轻人的体力和脑力劳动。
c.机构：机构是实现传递机械运动和动力或改变机械运动形式的构件组合体。例如我们在工程上或生活中常见的齿轮机构、连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、带传动和链传动机构等等。
在人类的长期生产活动中，创造和发展了各种机械。机器的种类很多，根据其用途不同，可以分为：动力机器（如电动机、内燃机、发电机等）、加工机器（如机床、纺织机、包装机等）、运输机器（如汽车、拖拉机、输送机等）和信息处理机器（如计算机、机械积分仪、记账机等）。
一部机器都是由若干个机构组合而成，共同联合工作而实现预定的工作要求的，如图0-1所示的牛头刨床。
牛头刨床的工作过程是：电动机通电后开始工作，带动齿轮机构、导杆机构、刀具运动以及工作台运动，最终实现工件的刨削工作。
又如图所示1－2所示的内燃机，它由气缸体（机架）、曲轴、连杆、活塞、进气阀、排气阀、推杆、凸轮及齿轮等所组成。当燃气推动活塞作往复运动时，通过连杆使曲轴作连续转动，从而将燃气的热能转换成曲轴的机械能。为了保证曲轴的连续转动，通过齿轮、凸轮、推杆和弹簧等的作用，按一定的运动规律启闭阀门，以输入燃气和排除废气。通过对该机构分析，我们可以发现它主要有三种机构组成：1）由机架、曲轴、连杆和活塞组成的曲柄滑块机构，它将活塞的往复运动转化为曲轴的连续运动；2）由机架、凸轮和推杆构成的凸轮机构，它将凸轮的连续转动转变为推杆的往复运动；3）由机架、齿轮构成的齿轮机构，其作用是改变转速的大小和方向。
从大的方面看，机器由三个部分所组成，即原动部分、传动部分和执行部分。伴随着科技的发展，一个重要的趋势就是各个学科领域之间的相互渗透和融合。如今在机械工程领域，自动控制、电子技术和计算机技术等地应用日益广泛和深入，因此从某种意义上来说：现代的机械系统应该是机电一体化的系统。一个现代化的机械系统包括四个方面，即：原动机、传动装置、执行机构和控制系统。
原动机的功能是用来接受外部能源，通过转换而自由运行（转），为机械系统提供动力输入（多数情况下是旋转运动），例如电动机将电能转换为机械能、发电机将机械能转换为电能、内燃机将化学能转换为机械能等等。传动部分由原动机驱动，用于将运动机的运动形式、运动及动力参数（如速度、转矩等）进行变换，改变为执行部分所需的运转形式，从而使执行部分实现预期的生产职能。
虽然机器的种类很多，在我们的生活中普遍存在、发挥着各不相同的作用，这些机器的具体构造也各不相同，但是所有这些机器都具有三个共同的基本特征：
1．机器都是由一系列构件（也称运动单元体）组成；
2．组成机器的各构件之间都具有确定的相对运动；
3．机器均能转换机械能或完成有用的机械功；
机器的种类繁多，其构造、性能和用途各不相同。但从机器的组成分析，它们都是由一些典型的机构和零件所组成，最常用的有连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、间歇运动机构等，这些机构也就是本课程机的主要研究对象。
尽管机构也有许多不同种类，其用途也各有不同，但它们都有与机器前两个特征相同的特征。由上述分析可知，机构是机器的重要组成部分，用以实现机器的动作要求。一部机器可能只包含有一个机构，也可由若干个机构所组成。
机器与机构的根本区别在于，机构的主要职能是传递运动和动力，而机器的主要职能除传递运动和动力外，还能转换机械能或完成有用的机械功。
组成机械的相对运动的单元体称为构件，可以是一个零件，也可以是由几个零件组成的刚性结构。构件与零件的根本区别在于：构件是运动的单元体，而零件是制造的单元体。在各种机械中普遍使用的零件称为通用零件，如螺钉、轴、轴承、齿轮等。只在某种机器中使用的零件称为专用零件，如活塞、曲轴、叶片等。这些自由分散的零件，一旦按照一定的方式和规则组合到一部机器中，它们就成为机器上不可或缺的一部分，发挥着各自的作用。特别是一些关键零部件，决定着整个机器的性能。
§1.2本课程的研究内容
本课程主要阐述机械设计的一般原则和程序主要内容和应满足的基本要求，机械零件的一般设计准则和工作能力，常用工程材料等；机械的组成、常用的机械传动以及通用的联接零件，轴系零件的工作原理、特点和基本设计方法或选用原则。
虽然我们的学习是分散进行的，而且只能选择极少数典型例子来学习，但不能把它们看作是分散孤立的，要牢记它们都是为机器整体的要求服务的，要能够透过典型看到一般，透过分散想到整体的要求，牢固树立工程的观点。
§1.3本课程的研究任务
机械设计基础是一门机械类及近机械类专业（例如我们的机电技术教育专业）进入专业课学习前必修的一门重要的技术基础课，研究的是各类机械的共同特性的基础知识，目的是培养学生具有一定设计能力的技术基础课程。它主要是在高等数学、普通物理、理论力学等理论基础课之后，将这些理论和实际机械相结合来探讨机械内部基本规律的基础性理论课程。
随着科学技术的进步和生产过程的机械化、自动化水平的提高，任何一个行业领域都在广泛的使用机械。对于工程技术人员来说，必将遇到机械设备的使用、维护、管理等问题，需要创造出大量结构新颖、性能优良的新型机械设备充实和装备各行业；需要更新改造现有机械设备，以期合理地使用，发挥其潜力。这就要求我们必须了解和具备一定的机械方面的知识。
本课程所学内容是研究现有机械运动、工作性能和设计、发明新机械的知识基础。它对机械类及近机械类各专业的专业课学习、毕业设计乃至参加实际工作都有直接的和长远的意义，起着非常重要的作用。
通过本课程的学习，应达到的基本要求是：
1）掌握机构的结构原理、运动特性和机械动力学的知识，初步具备确定机械运动方案、分析和设计基本机构的能力；
2）掌握通用机械零件的工作原理、特点、选用和设计计算的基本知识，具备设计一般简单机械的能力；
3）具备运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力。
本课程涉及的知识面较广同时又偏重于应用，所以需要我们能够综合应用许多先修课程的知识，学习时重视理论联系实际，重视基本技能的训练，注意分析问题和解决问题的方法。一方面要着重搞清基本概念，理解基本原理，掌握机构分析和设计的基本方法；另一方面也要要注意这些原理和方法在机械工程上实际应用的范围和条件。具体而言就是：
1）强化搞清基本概念：本课程的特点之一就是名词概念多，我们要牢记这些基本概念不仅仅是简单的名词定义，它对课程的学习、认识、理解有着非常重要的作用，有时就是直接利用基本概念来分析、解决问题，以及进行机构的分析和设计。因此，对所涉及到的基本概念不能死记硬背，必须重点搞清其含义和指导意义。
2）深化理解基本原理：对课程中涉及到的机构结构理论、机构分析的运动学和动力学理论、齿轮啮合、加工及其传动理论、机械速度波动及调节原理、机械平衡理论等，要充分理解搞懂，要能够正确应用这些理论。并要善于用理论及其公式证明问题和解决问题，使之更有说服力。
3）牢牢掌握基本研究方法：课程中各种基本设计方法，以及机构组合、变异、演化方法等是本门课程使用的基本研究方法，应牢牢掌握并善于用其解决工程实际问题。
4）逐步树立工程观点：机械原理及设计是一门理论性和实践性都比较强的技术基础课，其研究对象和内容就是工程实际上常用的机械及其相关知识，因此学习过程中应把基本原理和方法与研究实际机构和机器密切联系起来。善于用所学的知识观察和分析日常生产、生活中所遇到的各种机构和机器。在附加一定条件下，可将一些比较复杂的问题转化为比较简单的问题，并注意各种理论和方法的应用条件和范围，以求正确而灵活的运用。同时要注意，有些需要严格的理论分析，有些则采用实验、试凑、近似等简化方法，解决工程实际问题可以有几种方法，其所得结果也往往不唯一，有时也不要求十分精确。因此，树立工程观点，培养综合分析、判断、决策能力，和严肃认真的科学态度是十分重要的，对所有这些方法都要给予足够的重视。
§1.4 机械设计发展简介
机械设计得历史可以追溯到人类开始制造和使用工具的初期；在经历了直觉设计、经验设计、半经验半理论设计的漫长演变历程后，到20世纪70年代随着计算机科学与技术地迅猛发展，利用计算机来完成技术设计的有关分析、计算和绘图作业的计算机辅助设计逐渐得到开发应用。而本课程的学习正是开发和应用计算机CAD软件所必须得重要知识之一。此外，有限元分析和机械优化设计则是机械CAD的两大支撑技术。与机械CAD发展的同时，人们不满足仅仅利用计算机来代替人工分析、计算和绘图，而试图在机械设计的全过程中发挥计算机的效能，于是出现了协助技术人员进行工艺设计的CAPP，以及将人工智能应用于方案设计、技术设计以及工艺设计的专家系统，以实现自动化、智能化；进而又提出将设计、制造及生产管理等应用计算机加以集成化的计算机制造系统（CIMS），现已获得初步成效。另一方面，工程设计方法学的研究也得到重视和长足的进展，如系统化设计、优化设计、人机工程以及可靠性设计等；近年来随着对知识经济的认识和对创造性的高度重视，机械创新设计已经称为一个重要研究方向。
所以，我们在学习本课程的同时，密切关注有关领域的发展动向和最新成果，才可能适应科学技术飞速发展和激烈的国际市场竞争。
第二节 机械设计基本要求和一般程序
§2.1 机械设计的重要性
90年代末，美国提出了“为竞争的优势而设计”(Designing for Competitive Advantage)的口号，也有人说“21世纪将是设计的世纪”。面对国际市场的竞争，一个企业、国家参与竞争的力量就是“设计”，就必须依靠产品的创新设计技术。
20世纪后期所形成的全球经济一体化格局，预示着21世纪在世界范围内的经济和技术竞争将会更加激烈。对于包括机械制造在内的制造业来说，这种竞争就具体体现在产品上，即要求：产品上市快（T）、质量高（Q）、成本低（C）、服务好（Ｓ），从而才能占领市场。而这些要求在很大程度上就取决于产品的设计质量和效率。对于机械设计来说，就是适应市场的需求，以最短的设计周期，拿出功能强、经济性好、便于使用于维护的产品。机械设计在机器制造业起着十分重要的作用，往往机械产品的技术经济性能和竞争力就在于设计质量的好坏。据统计分析，虽然机械产品成本中的约80％是制造费用，设计成本只占5％左右，而就是这5％的设计活动决定着70～80％的产品成本。而机械制造业是一个国家自立于世界的标志，是国家财政收入的主要创造者，其产值占到国民产值得80%左右。
所以，作为机电专业的学生必须努力学习，掌握机械设计的基本原理、方法和技能，只有这样才能成为有用之才。
§2.2 机械设计一般过程
机械设计过程一般包括四个阶段，即：1）明确任务阶段；2）方案设计阶段；3）技术设计阶段；4）施工设计阶段。
1）明确任务阶段
在实际工作中，我们知道有各种各样的、用途各不相同的机器。但是，所有这些机器的设计过程都有一个共同的特点，即都是从提出设计任务开始的。而设计任务的提出主要是依据工作和生产的需要。设计任务一般是以任务书的形式下达的，其中明确规定有：机器的用途、主要性能参数范围、工作环境条件、特殊要求、生产批量、预期成本、完成期限、承制单位等内容。一般是由主管单位、用户提出。
任务书的要求决定了设计工作的内容、质量和水平。例如，批量和用途直接决定加工手段、成本等内容，同时也必须考虑承制单位的加工能力。
2）方案设计阶段
设计部门和设计人员首先要认真研究任务书，在全面明确上述要求后，在调查研究、分析资料的基础上，拟订设计计划，按照下述的步骤进行设计：
（1）机器工作原理选择
工作原理是实现预期职能的基本依据。我们听说过“条条道路通罗马”的话，由于实现同样的预期职能，可以采用不同的工作原理、方法和途径。所以，在研制新机器时，应结合具体情况提出多种不同的工作原理，通过全面分析比较，从中选择最满意的一种。这属于专业机械设计的范围。例如采煤，可以使用风镐，也可以使用高压水柱冲击煤层开采，也可以采用割煤机进行开采等。
（2）机器的运动设计
就是根据上一步确定的机器工作原理，确定机器执行部分的运动规律。例如牛头刨床，要求工作行程要慢、而返回行程要快。这一步主要依据我们前面所述的机械原理知识来完成。这里，必须同时考虑选择适当的原动机，妥善考虑和设计机械的传动部分实现方法，并考虑运动参数调整的必要性于可能性。
（3）机器的动力设计
根据机器的工作原理和运动设计结果，按照机器的总体性能要求，根据其运动特性、工作阻力、速度、传动效率等，计算机器所需的驱动功率，进行运动机的选择。同时也要考虑调节于控制的必要性于可能性，也可以利用机械原理和电工学知识来完成。
3）技术设计阶段
主要是依据原动机的特性和运转特性或根据零部件的工作载荷进行设计，一般采用前一种方法，选择设计出各零部件。
在工作原理确定之后的工作，就是将前面选定的设计方案通过必要的分析计算和结构设计，用图面（装配图、零件图等）及技术文件的形式来加以具体表示。包括：运动设计、动力分析、整体布局、零件结构、材料、尺寸、精度和其它参数的确定以及必要的强度和刚度计算等。反映在实际工作的成果——图纸上，大体可以分为四个阶段：
（一）总体设计阶段：根据工作原理绘制机器的机构运动简图，这是图纸设计的第一阶段。在这个阶段，要考虑各个机构主要零件的大体位置。同时，为了拟订机器的总体布置，需要分析比较各种可能的传动方案。
（二）结构设计阶段：考虑和决定各部分的相对位置和联接方法，零件的具体形状、尺寸、安装等一系列问题，把机构运动简图变成具体的装配图（或结构图），这是图纸设计的第二个阶段。
（三）零件设计阶段：装配图只确定了机器的总体尺寸、各个零部件的相对位置及配合关系，而没有反映出各个零件的全部尺寸、结构等。零件设计阶段就是把机器的所有零件（标准件除外）拆分出来，绘制成零件图，为加工提供依据。
（四）技术文件制定：完成图纸滞后，必须完成一系列的技术文件，应包括各种明细表、系统图、设计说明书和使用说明书。
4）施工设计阶段（工艺设计）
本阶段是将设计与制造联接起来的重要环节，即规划零件的制造工艺流程，确定工艺参数、检测手段、夹具、模具设计等工作。这些属于机制工艺学课程的内容。由于在很大程度上取决于经验、依赖于实践经验，所以计算机辅助工艺设计（CAPP）未能像机械CAD一样获得突破性进展和广泛应用。
一个完整的设计过程不但包含以上四个阶段，还包括制造、装配、试车、生产等所有环节，对图纸和技术文件进行完善和修改，直到定型投入正式生产的全过程。
实际工作中，上述的几个阶段是交叉反复进行的。
随着计算机辅助设计、计算机仿真技术、三维图形技术以及虚拟装配制造技术的迅速发展，机械设计方法有了极大的变革，借助这些技术我们可以极大地降低设计和试制成本，提高产品的竞争力。
在明确了解了机械设计的一般过程和主要内容之后，我们接下来就必须了解的是一部机器应满足的基本要求是什么。
§2.3 机械设计的基本要求
一）机器应该满足的基本要求
1．使用性要求（实现预定的功能，满足运动和动力性能的要求）（功能性要求）
机器必须能够保证在预定寿命期间内，按照规定的技术条件顺利而有效地实现全部预期职能的要求，不能失效。它是设计的最基本的出发点。这是依靠正确选择机器的工作原理、机构类型、机械传动系统方案，以及正确设计零部件的机构组合来保证。
2．经济性要求
这是一个综合性指标，表现在设计制造和使用两个方面。提高设计制造的经济性的途径有三条：1）使产品系列化、标准化、通用化；2）运用现代化设计制造方法；3）科学管理。提高使用经济性的途径有四条：1）提高机械化、自动化水平；2）提高机械效率；3）延长使用寿命；4）防止无意义的损耗。
3．安全性要求
有三个含义：1）设备本身不因过载、失电以及其它偶然因素而损坏；2）切实保障操作者的人身安全（劳动保护性）；3）不会对环境造成破坏。
劳动保护性有三个方面：1）提高操作安全性，在外露的旋转部件应添加安全罩，某些需要的地方需设立安全报警装置，例如煤气、锅炉等；2）降低体力及脑力损耗，从操作力、过程的复杂程度、操纵数目等方面进行考虑；例如在具有集中润滑的大型设备中，采用如图所示的联锁装置，以降低操作者的精神负担。3）改善操作环境，增加操作的舒适性，例如乘座的振动、机器外观的色彩搭配等等。
4．工艺性要求
这包含两个方面1）装配工艺形2）零件加工工艺性。在不影响工作性能的前提下，应使机构尽可能地简化，力求用简单的机构装置取代复杂的装置去完成同样的职能，便于拆装，尽量使用标准件。零件的结构合理，很好的处理设计与制造的矛盾，满足加工制造的需要。
5．可靠性要求
随着机械系统日益复杂化、大型化、自动化及集成化，要求机械系统在预定的环境条件下和寿命期限内，具有保持正常工作状态的性能，这就称为可靠性。
6．其它特殊要求
针对某一具体的机器，都有一些特殊的要求。例如：飞机结构重量要轻、食品等机械不得对产品造成污染等。
二）机械零件设计的基本准则及一般步骤
1、设计机械零件的基本要求
机械零件的设计，必须依据其在机器中的作用及工作情况，满足强度、刚度、寿命、工艺性、可靠性以及某些特殊的要求的一部分或全部内容。具体有以下几个方面：
1）在预定寿命期限内不失效——设计准则 机械零件应某种原因不能正常工作的现象称为失效。机械零件的主要失效形式有断裂、表面破坏（腐蚀、磨损和接触疲劳等）、过量残余变形和正常工作条件的破坏。维避免这些失效，设计中需要考虑以下几个问题。
a.强度要求 零件在工作时，在额定的工作条件下，既不发生任何形式的破坏，也不产生超过容许限度的残余变形，能保证机器的正常运转和工作，我们就认为该零件满足了强度要求。强度不足是零件在工作中断裂或过量残余变形的直接原因。
零件的强度分为体积强度和表面接触强度。零件在载荷作用下，如果产生的应力在较大的体积内，则这种应力状态下的零件强度称为体积强度（简称强度，即平常我们所说的强度）。若两个零件在受载前后由点接触或线接触变为小表面积接触，且其表面产生很大的局部应力（称为接触应力），这时零件的强度称为表面接触强度（简称接触强度）。
在设计中，除了部分受力较小或形状复杂无法计算的零件靠经验、实验确定外，大多数重要零件都是利用强度条件式来校核的（材料力学中的相关强度理论）。
若零件的强度不够，就会出现整体断裂，表面接触疲劳或塑性变形等失效而丧失工作能力，所以设计零件时必须满足强度要求。其设计准则是：
< []=
其中 ——称作计算应力；[]——称作许用抗拉应力
P——拉力载荷； F——面积尺寸；
——极限应力； S——安全系数
其含义是：零件中的应力应当小于或等于其许用应力[]才能满足强度要求。该公式由于是用来校核零件的初定剖面F是否满足强度要求的，所以称为校核公式。
要注意的是：如果零件剖面上承受的载荷是剪载荷，分别可以用剪应力和许用剪应力[]等代入上面的式中进行计算。
可以看出：强度准则就是把对零件起损伤作用的一方（例如载荷和应力）与零件对损伤起抵抗作用的一方进行比较来判断零件强度的。
通过上面的强度条件式，我们也可以发现，提高零件强度的原则措施有：1）增大零件危险剖面的尺寸、合理设计剖面形状，以增大剖面面积的惯性矩；2）采用高强度材料，对材料进行提高强度及降低内应力的热处理，控制加工工艺以减小或消除微观缺陷等；3）力求降低零件上的载荷，例如减小轴的支承跨距以降低作用在其上的弯矩，采用减振结构以降低冲击载荷等；4）妥善设计零件的结构以降低应力集中程度等。
b.刚度要求
在机器工作时，有时机器并没有破坏，但是由于零件的变形而导致机器的失效或不能正常的工作或完成预定的工作任务。这就是刚度失效。对于这类情况，我们不但要求进行强度的计算，同时要进行刚度的计算。
零件的刚度要求是指工作时，零件所产生的弹性变形不超过规定的限度。刚度的计算是利用刚度条件式来判定的。针对弹性变形的二种情况（弯曲和扭转），刚度条件式分别为：
或；
有时也可以直接利用刚度要求来进行设计，一般来说满足刚度要求的零件都满足强度要求。
刚度分为两类：体积刚度和表面接触刚度。上面所述的刚度都属于体积刚度。
两个比较粗糙的接触表面，在大的压力作用下，接触表面的微观凸峰将会被压平，就会引起两零件的相对位置发生超过容许限度的变化，就产生不能满足接触刚度的情况。在设计时也应该给予充分的注意。
提高零件整体刚度的原则措施有：1）适当增加零件的剖面尺寸；2）合理设计零件的剖面形状；3）合理添置加强筋，采用多支点结构；4）提高零件接触表面的加工精度或经适度跑合，以降低表面粗糙度；5）适当增大接触面积，以降低单位压力等。
c.寿命要求
寿命要求就是要求零件在预定的工作期间保持正常工作而不致报废。主要是针对那些在变应力下工作和工作时受到磨损或腐蚀的零件提出的。
提高零件寿命的措施主要有：1）妥善设计零件结构以降低应力集中程度；2）采用精加工或表面强化处理以提高零件工作表面的质量；3）合理选择摩擦副配对材料、润滑剂与润滑方法以提高零件抗磨损能力；4）选用耐腐蚀材料制造在腐蚀介质中工作的零件；5）利用热处理提高零件材料的机械性能或利用滚压、喷丸等工艺使零件表面产生有利的残余预应力等等。
d.振动性和噪声要求
随着机械向高速发展和人们对环境舒适性要求的提高，对机械的振动和噪声的要求也越来越高。当机械或零件的固有振动频率等于或接近受激振源作用所引起的强迫振动频率时，将产生共振。这不但影响机器的正常工作，甚至会造成破坏性事故。因此，对于高速机械应该进行振动分析和计算，采取降低振动和噪声的措施。
具体来说，并不是每一类型的零件都需要进行所有上述的计算，而是从实际载荷的工作条件出发，分析其主要的失效形式，再确定其计算准则，必要时再按其它要求进行校核。例如，机床主轴，首先根据刚度确定尺寸，再校核其强度、振动稳定性。
2) 工艺性要求
所谓机械零件的结构工艺性，是指在一定生产条件下，能够方便经济地制造和装配，即零件的结构设计应使之易于加工。工艺性要求也是零件设计的重要内容之一，必须要从生产批量、材料、毛坯制作、加工方法、装配过程等方面进行全面的考虑。由于制造费用一般要占产品成本的80％以上，所以工艺性的好坏直接影响着零件的经济性。对于初学设计的人员应特别给予重视。俗话说的好：一个好的设计人员应该首先是一个工艺师。
3） 经济性要求
零件的经济性要求就是要用最低的成本和最少的工时制造出满足技术要求的零件。我们在进行设计时，必须时刻牢记，要从降低材料消耗、尽可能利用廉价材料代替昂贵的材料、尽可能多使用标准件等等方面入手，努力提高经济性指标。
4） 可靠性
零件可靠性的概念与机械系统可靠性相似，并且用零件的可靠度来衡量。零件可靠度定义为：在预定的环境条件下和使用时间（寿命）内，零件能够正常工作而不会失效的概率（可能性）。
5） 标准化
机械设计中的标准化是指对零件的特征参数及其结构尺寸、检验方法和制图的规范化要求。机械零件设计的标准分为国家标准（GB）、部颁标准（如JB、YB等）和企业标准等三级，这些标准（特别是国家和有关部颁标准）是在机械设计中必须严格遵守的。此外，进出口产品一般还应符合国际标准化组织制定的国际标准（ISO）。习惯上，又把零件的标准化、通用化和系列化称作“三化”。这是缩短产品设计周期、提高产品质量合生产效率、降低生产成本的重要途径。
6） 其它要求
设计机械零件时，在满足上述的前提下还应力图减小质量，减小材料消耗和惯性载荷，对于行走机械可以增大其有效的工作能力，从而提高经济效益。此外，对于一些专门用途或在特殊环境下工作的机械零件，还需要考虑诸如耐高温或低温、耐腐蚀、表面装饰和造型应美观等要求。
2、机械零件设计的一般步骤
1）根据零件的使用要求（如功率、转速等），选择零件的类型及结构型式，并拟定计算简图。
2）分析作用在零件上的载荷（拉、压力，剪切力）。
3）根据零件的工作条件，按照相应的设计准则，确定许用应力。
4）分析零件的主要失效形式，按照相应的设计准则，确定零件的基本尺寸。
5）按照结构工艺性、标准化的要求，设计零件的结构及其尺寸。
6）绘制零件的工作图，拟定必要的技术条件，编写计算说明书。
在实际工作中，有时采用与上述设计步骤相反的校核计算：即先参照已有的实物或图样，根据经验采用类比法来初步确定零件的结构尺寸；在根据载荷应力分析来确定有关设计准则，并验算零件中的工作应力（或计算应力）是否小于或等于许用应力，或者验算其安全系数是否大于或等于许用安全系数。
第三节 许用应力和安全系数
3.1 载荷和应力
载荷是指构件或零件工作时所承受的外力。根据载荷性质不同，可以分为静载荷和变载荷两类。不随时间变化的或变化很小的载荷称为静载荷，在静载荷作用下产生的不随时间变化或变化很小的应力称为静应力（如图1－4所示）。例如锅炉中的压力、拧紧螺栓引起的应力等。
大小和方向随时间而变化的载荷称为变载荷。在变载荷作用下产生的随时间变化的应力称为变应力（例如齿轮传动中轮齿的应力）。典型的有：非对称循环变应力、对称循环变应力和脉动循环变应力三类。
如图1－5所示，稳定变应力的最大应力为、最小应力为，其平均应力和应力幅分别为：
，
最小应力与最大应力之比称为循环特征r，即：
由上述可知，变应力参数共有五个，即：、、r、、，已知其中两个参数便可以求出其余参数。而循环特征参数r可以用来表示变应力的变化情况。
机械零件中的变应力多数情况下可以按照对称循环（r=—1）或脉动循环（r＝0）来处理。例如：转轴中的弯曲应力可以看作对称循环（r=—1），单向转动的转轴中的扭转切应力r＝0；而一般情况下是—1<r<1。
由于静应力的分析和设计比较简单一点，而变应力的处理则相对麻烦，所以一般在机械设计中只要能够满足工程的应用，常常将那些应力（或载荷）变化幅度不大和变化次数较少的情况也近似地按静应力来处理，以简化计算。
3.2 零件的极限应力
1、静应力下的极限应力
在静应力作用下工作的机械零件，其取决于零件的失效形式。对于脆性材料制成的零件应防止发生断裂，通常取材料的强度极限作为极限应力，即＝；当采用塑性材料制成零件时，应防止产生过大的塑性变形，通常取材料的屈服极限作为极限应力，即＝。
2、变应力下的极限应力
在变应力下长期工作的零件，其取决于材料的疲劳断裂，而疲劳断裂是一种损伤积累，它会在远低于强度极限的应力下，突然断裂而无明显得塑性变形，这时的应力称为疲劳极限应力（和称为持久极限）。
如图1-8所示，表示应力和应力循环次数N之间关系的疲劳曲线。从图中可以看出，应力越小，零件材料经受的应力循环次数也就越多。对于一般的铁碳合金来说，当循环次数N 超过某一N0值以后，曲线趋于水平。此时，疲劳极限不再随N地增加而降低，N0称作循环基数，对应于N0的应力称为材料的持久极限。
在对称循环（r=—1）应力作用下，取其作为极限应力；在脉动循环（r＝0）应力作用下，取其持久极限作为极限应力。
3、许用应力和安全系数
设计安全系数S是为了考虑一系列不定因素而取定的一个大于1的常数。对于一般通用零件，根据经验在设计规范中都给出了S的范围。同时，我们需要注意，不同的行业会有不同的要求，在走上工作岗位后，我们必须将行业的要求与通用的方法结合起来进行选择。
选择安全系数时，应该根据材料、工作条件、应力计算等方面进行综合考虑。
如果没有规范可以参考，一般情况下可取：S=1.25～4。
也可以按照下表来选取：
材料
静载荷
冲击载荷
变载荷
结构钢
0.45～0.6
2～1.5
1.5～2.2
材料较均匀，载荷及应力计算准确
3～1.5
0.6～0.8
1.4～1.8
2.0～2.8
材料较均匀，载荷及应力计算准确
5～1.8
0.8～0.9
1.7～2.2
2.5～3.5
高强度钢
2～3
——
材料较均匀，载荷及应力计算准确
1.8～2.5
铸 铁
3～4
——
第四节 机械制造常用材料及选择原则
机械零件所用的材料是多种多样的，有钢、铸铁、有色合金和非金属材料等。但是金属材料，尤其是黑色金属材料，应用的最为广泛。
§3.1常用材料简介
钢
a）普通碳素结构钢：这类钢按供应条件分主要有甲、乙两类，机械制造中则使用甲类。供应时只按机械性能，使用时不作热处理，主要用于制造一般机械零件和工程结构的构件。
b）优质碳素结构钢：具有较好的机械性能，可以使用热处理在较大范围内提高机械性能，应用最为广泛。常用于制造要求较高的螺栓、扳手、齿轮、凸轮等。
c）合金结构钢：由于碳素结构钢在某些特殊的地方无法使用、或由于其综合机械性能不能令人满意，不能满足一些特殊的需要，这时就需要使用合金结构钢。注意：合金钢必须进行合适的热处理，才能充分发挥其作用。
d）铸钢主要用在零件形状比较复杂、强度要求较高的零件制作。
对于碳素钢而言，含碳量高则强度、硬度较高，但是塑性随之降低。对于高碳钢，其热处理更需严格控制。
2）铸铁
铸铁是含碳量高（>2%）的铁碳合金。其碳大部分以石墨的形式存在于组织中，所以，一般情况下其强度、韧性及硬度较低。但由于石墨的存在，其耐磨性较好，同时具有良好的减振性能，而且价格低廉。铸铁也有多种，但工程上常用的主要是灰铸铁和球墨铸铁。
灰铸铁主要用来制造机座类零件和其它一些常见的不重要零件。球墨铸铁由于石墨经过处理，成为球状，使得其机械性能得到极大的提高，在很多场合下成功地取代了某些碳素钢及合金钢。其典型的使用例如发动机的曲轴。
3）铜合金
在机械中，各部分的联接是靠运动副实现的。而在运动副中，为了提高结构的可靠性、耐磨性、降低成本（维修）等原因，大量使用衬套、或轴瓦等零件。而这些零件的材料大多是铜合金。
铜合金主要有：铜锌合金、含锡青铜、无锡青铜。
4）非金属材料
非金属材料的种类繁多，在工程上也发挥着重要的作用。例如橡胶密封垫、传动带、树脂材料制作摩擦片、塑料手柄等等。
§3.1材料选择原则
通过前面的介绍，可以了解到：同一个零件可以用多种材料制作，并且可以实现同样的预期职能。那么，这时判别材料的选择是否合理就取决于除功能以外的一些因素，例如经济性要求。
所以为了准确理解材料选择的基本原则，我们必须首先了解实际工作中，选择材料时应该考虑那些影响因素。这实际上就是前面有关内容的总结。
1．功能、使用方面的因素
1）零件的受力大小和性质、应力的大小、性质、分布情况；
2）零件的工作情况（工作特点、环境等）；
3）零件的重要性，例如农用车和航天飞机比较、农用车中变速箱齿轮和操纵手球比较等等；
4）安装部位对零件尺寸和质量的限制，例如维护的方便程度等。
2.工艺性因素
所谓工艺性就是指所选择的材料冷、热加工性能要好，热处理工艺性好等。例如，结构复杂而大批生产的零件多选用铸件，单件生产宜用锻件或焊接。简单盘形零件，其毛坯是采用铸件、锻件还是焊接件，主要取决于它们尺寸的大小、结构的复杂程度及批量的大小。
3．综合经济性因素
1）零件的复杂程度，材料加工的可能性及生产批量等；
2）材料的价格及其获得的可能性、方便性等。
所以，材料的选择必须综合考虑以上各个方面的因素。需要遵循的一般原则是：按照综合指标和局部品质原则来选择材料。也就是说，为了满足使用性，并不一定需要贵重的材料。
局部品质原则就是：针对零件不同部位的要求分别选择不同的材料，甚至可以采用组合零件来实现预期的功能，例如水轮机的叶片，为了防止生锈如果完全用不锈钢制造，其成本将会很高，我们在工艺能力许可的情况下采用碳素钢制作，而仅对其表面进行防锈处理。再如，金属切削用的硬质合金刀具，如果完全用一种材料，将会产生极大的浪费，我们可以采用把硬质合金的刀头焊在普通碳素钢的刀杆上，就可以极大地降低成本，同时不降低使用性。
补充作业：
1、机械系统的基本构成是什么？
2、机械设计的基本要求有那些？
3、简述机械设计的步骤及各阶段的主要任务？
4、机械零件设计时要考虑那些问题？机械零件设计的准则有那些？
