1.机械设计过程

机械设计的最终目标是生产一种满足客户需求的有用产品，而且这种产品安全，高效，可靠，经济，实用。当回答这个问题时，广泛地思考，我将要设计的产品或系统的客户是谁？ 在产品设计之前，了解所有客户的期望和期望是至关重要的。营销专业人员经常被用来管理客户期望的定义，但是设计师可能会把他们作为产品开发团队的一部分。

许多方法被用来确定客户想要什么。一种被称为质量功能部署或QFD的流行方法寻求（1）识别客户期望的所有特征和性能因素，以及（2）评估这些因素的相对重要性。 QFD过程的结果是产品的一组详细功能和设计要求。

考虑设计过程如何配合为客户提供令人满意的产品所必须发生的所有功能以及在产品的整个生命周期中为产品提供服务也很重要。事实上，重要的是考虑产品在使用寿命后如何处置。影响产品的所有这些功能的总和有时被称为产品实现过程或PRP。 PRP中包含的一些因素如下：

?营销功能来评估客户的要求

?研究确定可在产品中合理使用的可用技术 ?可以包含在产品中的材料和组件的可用性 ?产品设计和开发 ?性能测试 ?设计文件

?供应商关系和采购职能 ?考虑全球材料采购和全球营销 参加工作的技能 ?物理工厂和设施可用

?制造系统的能力

生产计划和生产系统的控制 ?生产支持系统和人员 ?质量体系要求 ?销售操作和时间表 ?成本目标和其他竞争性问题 ?客户服务要求

?产品在生产，操作和处置过程中的环境问题 ?

法律要求

?金融资本的可用性

你可以添加到这个列表吗？您应该能够看到，产品的设计只是综合过程的一部分。在本文中，我们将更加注意设计过程本身，但必须始终考虑设计的可生产性。产品设计和制造过程设计的同时考虑通常被称为并行工程。 2.机械设计所需的技能

产品工程师和机械设计师在日常工作中使用广泛的技能和知识。这些技能和知识包含在以下内容中：

?素描，技术制图和计算机辅助设计 ?材料的性质？材料加工*和制造过程 ?化学的应用，如腐蚀防护，电镀和喷漆 静力学动力学材料的强度，运动学和机制 流体力学，热力学和传热

?流体动力，电气现象的基本原理和工业控制

?材料和机械系统的实验设计和性能测试 ?压力分析

?齿轮，皮带传动，链传动，轴，轴承，键，花键，联轴器，密封件，弹簧，连接（螺栓连接，铆接，焊接，粘接），电动机，直线运动等机械元件行为的专业知识装置，离合器和制动器

?创造力，解决问题和项目管理

口头沟通，听力，技术写作和团队合作技巧 3.功能，设计要求和评估标准

第1节强调了在开始设计机械设备之前仔细确定客户的需求和期望的重要性。您可以通过制定清晰，完整的功能，设计要求和评估标准来制定这些要求：

?函数告诉我们设备必须做什么，使用一般的，非定量的语句，这些语句使用诸如“支持负载％”来提升一个箱子“，”发送功率“等动作短语， 把两个结构成员连在一起等等

?设计要求是详细的，通常是预期的定量报表性能水平，设备必须操作的环境条件，空间或重量的限制，或可用的材料和组件。

?评估标准是设计的理想质量特性的陈述，可帮助设计人员确定哪种替代设计是最佳的 - 也就是说，最大限度地利益，同时最大限度地减少缺点的设计。 这些元素可以被称为设计的规格。

大多数设计在一个活动周期中的进展如图1所示。 1.你通常应该提出多个可能的替代设计概念。这就是创造力被用来制作真正新颖的设计的地方。每个设计概念必须满足功能和设计要求。应该完成对每个设计概念的理想特征，优点和缺点的批判性评估。那么一个合理的决策分析技术应该使用评估标准来决定哪个设计概念是最优的，因此应该被生产出来。

2

由于其高强度，高刚度，耐用性和相对易于制造的特性，钢材可能是机械元件使用最广泛的材料。术语钢是指铁，碳，锰和一种或多种其他重要元素的合金。碳对任何钢合金的强度，硬度和延展性都有很强的影响。其他元素影响高温下的淬透性，韧性，耐腐蚀性，机械加工性和强度保持性。存在于各种合金钢中的主要合金元素是硫，磷，硅，镍，铬，钼和钒。 1.碳的重要性

尽管大多数钢铁合金的碳含量低于1.0％，但由于其对钢铁性能的影响，被列入名称。如图1.2所示，最后两位数字表示百分之一百的碳含量。随着碳含量的增加，在相同的加工和热处理条件下，强度和硬度也会增加。由于延性随着碳含量的增加而降低，选择合适的钢材涉及强度和延展性之间的一些折衷。 指定的一般形式面向AISI X X XX 了丨丨i

梦j 21 i__碳含量...组中的t? - 特定合金 - 合金组：表示主要的合金元素 0.40％的碳 镍和铬加入 指定浓度的钼合金钢

图1.2钢铁指定系统

作为一个粗略的分类方案，低碳钢是碳含量低于30分（0.30％）的低碳钢。这些钢的强度

相对较低，但成型性良好。在不需要高强度的机器元件应用中？低碳钢经常被指定。如果磨损是一个潜在的问题，低碳钢可以渗碳，以增加零件的外表面的碳含量，并改善组合性能。 中碳钢含碳30?50（0.30％?0.50％）。大多数具有中等到高强度要求的机器元件具有相当好的延展性和适度的硬度要求。

高碳钢的碳含量为50?95（0.50?0.95）。高碳含量提供了更好的耐磨性，适用于需要耐用切削刃的应用以及表面受到不断磨损的应用。工具，刀具，凿子和许多农业执行部件都属于这些用途。 2.不锈钢

术语“不锈钢”表示高水平的耐腐蚀性。为了被归类为不锈钢，合金必须具有至少10％的铬含量。大多数有12％至18％的铬。

三大类不锈钢是奥氏体，铁素体和马氏体。奥氏体不锈钢属于AISI 200和300系列。它们是中等强度的通用级别。大多数不是可热处理的，其最终性能取决于工作量。这些合金是非磁性的，通常用于食品加工设备。

铁素体不锈钢属于AISI 400系列，分别命名为405,409,430,446等。它们具有磁性，在温度从1 300 T到1 900°F（7001C-1 040°C）的高温下表现良好。它们不是可热处理的，但可以冷加工以改善性能。典型应用包括热交换器管道，石油精炼设备，汽车装饰，炉子部件和化学设备。

马氏体不锈钢也是AISI 400系列的成员，包括403,410,414,416,420,431和440类型。它们具有磁性，可进行热处理，比AISI 200和300系列具有更高的强度，同时保持良好的韧性。典型用途包括涡轮发动机零件，餐具，剪刀，泵零件，阀门零件，手术器械，飞机配件和船用五金件。 3.结构钢

大多数结构钢是由美国材料与试验协会（ASTM）制定的ASTM编号。最常见的牌号是ASTM A36，其最小屈服点为36000磅/平方英寸（248兆帕），延展性非常好。它基本上是一种低碳热轧钢板，可用于板材，板材，棒材和结构形状，如宽翼缘梁，美标梁，渠道和角度。 目前大多数宽翼缘b63ms使用ASTM A992结构钢 屈服点为50ksi至65ksi，最小拉伸强度为65ksi。额外的

要求是屈服点与拉伸强度的最大比率是0.85。这是一种高度韧性的钢，在2.00英寸的标准长度上具有至少21％的伸长率。使用这种钢替代较低强度的ASTM A36钢通常允许更小，更轻的结构构件，而不需要额外的成本。

中空结构部分（HSS）通常由ASTM A500钢制成，冷成形并焊接或无缝。包括圆形管和方形矩形形状。有不同的强度等级可以指定。这些HSS产品中的一些产品是由ASTM A501热成型钢制成的，具有类似于ASTM A36热轧带钢的性能，钢。

许多高强度等级的结构钢可用于建筑，车辆，1和机器应用。它们提供从42000psi到100000psi（290MPa-700MPa）的屈服点。 4.工具钢

工具钢是指一组通常用于切削工具的钢，冲压模具，剪刀片，凿子和类似用途。工具钢材料种类繁多！被分为七种一般类型。而工具钢的大多数用途都与制造工程领域有关，它们也与需要在磨蚀条件下保持敏锐边缘的能力的机器设计有关。而且，一些工具钢具有相当高的耐冲击性，这对于机械部件如机械离合器的部件，棘爪，刀片，移动材料和夹具的导向装置而言可能是理想的。

第3课塑料和复合材料

文本

塑料包括由称为聚合物的大分子形成的各种各样的材料。成千上万种不同的塑料通过结合不

同的化学物质形成长链分子链。

分类塑料的一种方法是热塑性和热固性的术语，通常，热塑性材料可以通过加热或模塑反复形成，因为它们的基本化学结构与其初始线性形式没有变化。热固性塑料在成型过程中确实发生了一些变化，并导致其中分子交联并形成相互连接的分子网络的结构。一些设计师推荐使用“线性”和“交联”这两个词来代替更常见的热塑性和热固性材料。 下面列出几种热塑性塑料和几种热固性塑料，用于承载零件。 1.热塑性

尼龙：良好的强度，耐磨性和韧性，根据填料和配方的不同，可能的性能范围很广。用于结构件，齿轮和轴承等机械设备以及需要耐磨损的零件。

丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯（ABS）：耐冲击性好，刚性好，强度适中。用于外壳，头盔，箱子，器具零件，管子和管件。

聚碳酸酯：优异的韧性>抗冲击性和尺寸稳定性。用于凸轮，齿轮，外壳，电连接器，食品加工产品，头盔，泵和仪表部件。

亚克力：耐候性和耐冲击性好，可制成透明或半透明或不透明的彩色。用于上釉，镜片。标志*和外壳。

聚氯乙烯（PVC）：具有良好的强度，耐候性和刚性。用于管道，电气导管，小型外壳，管道系统和成型件。

聚酰亚胺：良好的强度和耐磨性，在高达500T的高温下性能非常好。用于轴承，密封件，旋转叶片和电子部件。

乙缩醛：高强度，刚度，硬度，耐磨性，低摩擦，良好的耐候性和耐化学性。用于齿轮*衬套，链轮，输送机部件和管道产品。

聚氨酯弹性体：具有优异的韧性和耐磨性，良好的耐热性和耐油性的橡胶状材料。用于车轮，

滚筒，齿轮，链轮<输送部件和管道。

热塑性聚酯树脂：玻璃纤维和/或矿物纤维的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）树脂。非常高的强度和刚度*优异的耐化学品和耐热性，优异的尺寸稳定性和良好的电气性能。用于泵零件*外壳？电器部件*电机部件*汽车部件?烤箱把手*齿轮，链轮和运动产品。

聚醚酯弹性体柔性塑料具有优异的韧性和回弹性，高抗蠕变*冲击和弯曲疲劳性?良好的耐化学性。在低温下保持柔韧性，在中等温度下保持良好的性能。用于密封件，皮带泵隔膜，防护靴，油管，弹簧和冲击吸收装置。高模量等级可用于齿轮和链轮。 2.热固性

酚醛树脂：高刚性良好的成型性和尺寸稳定性，电性能非常好。用于电气设备，开关装置，端子板，小型外壳，器具和炊具的手柄，齿轮以及结构和机械部件的承载部件。醇酸树脂，烯丙基和氨基热固性树脂具有与酚醛树脂类似的性质和用途。

聚酯：用玻璃纤维增强时称为玻璃纤维;强度和刚度高，耐候性好。用于外壳，结构形状和面板。 3.复合材料

复合材料由两种或更多种不同的材料组成，这些材料一起起作用以产生不同于并且通常优于各个组件的特性的特性。典型的复合材料包括聚合物树脂基体材料，其中分散有纤维增强材料。一些先进的复合材料具有金属基体。

设计师可以通过选择决定最终产品性能的几个变量来调整复合材料的性能，以满足特定应用的特定需求。设计者控制下的因素如下： ?基体树脂或金属 ?增强纤维的类型 ?复合材料中含有的纤维量

?纤维的方向 ?材料的整体厚度 ?层的方向相对于彼此 ?两种或更多种复合材料的组合

典型地，填料是强硬的材料，而基质具有相对低的密度。当两种材料粘合在一起*的承载能力很大

复合材料由填充材料制成。基体用于将填料保持在与加载方式相关的有利取向，并将填料分配给填料。其结果是具有高强度和高刚度且重量轻的优化复合材料。 4.矩阵材料

以下是更常用的基质材料：

?热塑性聚合物聚乙烯，尼龙，聚丙烯，聚苯乙烯，聚酰胺 ?热固性聚合物聚酯，环氧树脂，酚醛聚酰亚胺 ?陶瓷和玻璃 ?碳和石墨 ?金属铝，镁，钛 5.填充材料的形式

使用许多形式的填充材料： 连续纤维束

?短切股线（0.75 mm至50 mm或0.03 in至2.00 in） ?漫游一组平行股

?由粗纱或股线制成的机织物 ?金属丝或金属丝

固体或中空微球 ?金属，玻璃或云母片

?材料的单晶晶须，如石墨，碳化硅和铜。

第四课

文本

齿轮是齿形的，圆柱形的齿轮用于将运动和动力从一个旋转轴传递到另一个旋转轴。驱动齿轮的齿精确地啮合在从动齿轮上的齿之间的空间内。驱动齿推动从动齿，施加垂直于齿轮半径的力。因此，扭矩被传递，并且因为齿轮正在旋转，所以动力也被传递。 1.齿轮几何渐开线齿形

最广泛使用的正齿轮齿形是全深度渐开线形式。其特征形状如图1.4所示。

渐开线是称为共轭曲线的一类几何曲线之一。当两个这样的齿轮啮合并旋转时，它们之间存在恒定的角速度比。从最初的接触时刻到分离时刻，主动齿轮的速度与被驱动的速度成比例。由此产生的两个齿轮的动作非常平滑。

否则在接合过程中会加速或减速，由此产生的加速度会引起系统中的振动，噪音和危险的扭转振动。

可以看到一个渐开线曲线，取一个圆柱体，并在其圆周上缠绕一根弦。系一个铅笔到字符串的末尾。然后开始用铅笔靠在圆筒上，并将绳子拉紧。将铅笔从圆筒上移开，同时保持绳子拉紧。绘制的曲线是渐开线。

圆柱表示的圆称为基圆。请注意，在曲线上的任何位置，该字符串表示一条与基圆相切的线，同时垂直于渐开线。在同一中心线上绘制另一个基圆，使得所得渐开线与第一个渐开线相切，这表明在接触点处，与基圆相切的两条线是重合的，并将保持与基圆旋转。这是两个齿轮啮合时发生的情况。

运动学的基本原理是研究运动，即如果在接触点垂直于两个旋转体的表面绘制的线总是在相同的位置处与两个物体之间的中心线相交，则角速度比两个机构将是不变的。这是一个齿轮的声明。正如这里演示的那样， ?23?

2.斜齿轮几何

螺旋齿轮和正齿轮的特点是齿的方向。在正齿轮上，齿是直的并且与齿轮的轴线对齐。在斜齿轮上，齿是

右旋螺旋线与轴成倾斜角度，该角度称为螺旋角。如果齿轮非常宽， 左手螺旋

会出现牙齿以连续的螺旋形路径缠绕在齿轮坯上。但是，实际的图1.5斜齿轮的考虑限制了齿轮的宽度，

齿通常看起来只是相对于轴线倾斜。图1.5显示了两个市售螺旋齿轮的例子。 斜齿轮齿的形式与正齿轮所讨论的非常相似。基本的任务是考虑螺旋角的影响。 3.螺旋角度

给定档位的螺旋可以是左手或右手。当齿轮躺在平坦的表面上时，右斜齿轮的齿似乎向右倾斜。相反，左斜齿轮的齿会向左倾斜。在正常安装中，斜齿轮将安装在平行轴上。为了实现这种安排，要求一个齿轮应该是右侧设计，而另一个齿轮是左侧相等的螺旋角。如果网格中的两个齿轮都是同一只手，那么轴将相互成90度角。这种齿轮称为交叉斜齿轮。 用于斜齿轮的平行轴布置是优选的，因为对于给定尺寸的齿轮，其比交叉的螺旋布置导致更高的动力传递能力。

螺旋齿轮相对于正齿轮的主要优点是接合更平稳，因为给定的齿逐渐承担其负荷而不是突然的。接触开始于尖端附近的牙齿的一端，并且沿着通过该沥青线的路径越过该表面前进到牙

齿的下侧，在那里离开接合。同时，在给定的牙齿啮合之前，其他牙齿进入接合，结果与正齿轮相比，平均啮合数量更多并且分担所施加的载荷。每齿较低的平均负载允许给定尺寸的齿轮具有较大的动力传递能力，或者可以设计较小的齿轮来承载相同的动力。

斜齿轮的主要缺点在于轴向推力载荷是由于齿的倾斜布置的自然结果而产生的。 保持承载螺旋齿轮的轴的轴承必须能够抵抗推力载荷。