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
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~附录)【圣才出品】
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》第15章 滑动轴承
τ
P＋dp τ＋dτ
雷诺耳实验（1883年）——层流与湍流的现象
雷诺方程：
h0 - h dp = 6ηv dx h3
其中：p——油膜压力 η——润滑油粘度 V——速度 h——间隙厚度（油膜厚度） h0——油膜压力为极限值时的间隙厚度
分析雷诺方程：
（1）当相对运动的两表面 形成收敛油楔时。即能保 证移动件带着油从大口走 u 向小口。 o
形成动压润滑的条件： （1）相对运动的两表面形成收敛油楔时。 （2）两表面必须有一定的相对速度。
（3）润滑油必须有一定的粘度，并供油充分。
（4）油膜的最小厚度应大于两表面不平度之和。
例：试判断下列图形能否建立动压润滑油膜？
v v v v
向心滑动轴承形成动压油膜的过程：
F F FF F
o
o1 o1 o o1 1 o1
润滑脂 （黄油） 固体润滑剂
钙基、钠基、铅基、锂基等。
石墨、二流化钼、聚氟乙烯树脂等 （用于高温下的轴承）。
空气、氢气等（只用于高速、高 温以及原子能工业等特殊场合）
气体润滑剂
●润滑剂的主要指标：
（1） 粘度——是润滑油最重要的物理性能指标，是选择润滑 油的主要依据，它标志着流体流动时内摩擦阻 力的大小。粘度越大，内摩擦阻力越大，即流 动性越差。 （2）凝点——是润滑油冷却到不能流动时的温度。凝点越低越好。 （3） 闪点——是润滑油在靠近试验火焰发生闪燃时的温度。 闪点是鉴定润滑油耐火性能的指标。在工作温度 较高和易燃环境中，应选用闪点高于工作温度 20°~30°C的润滑油。 （4） 油性——是指润滑油湿润或吸附在表面的能力。吸附能力 越强，油性越好。 （5） 滴点——是指润滑脂受热后开始滴落时的温度。润滑脂使 用工作温度应低于滴点20°~30°C，低于40°~ 60°更好。 （6）针入度（稠度）——是表征指润脂稀稠度的指标。针入度越 小，表示润滑脂越稠；反之，流动性越大。
机械设计基础概论
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。
机械设计方法简介
§9-4 反求设计创新法
回 章
首
1 . 反求工程
把别的国家的科技成果加以引进，消化吸收，改进提高，再进行创 新设计，进而发展自己的新技术，是发展民族经济的捷径，这一过 程称为反求工程。
2 . 反求设计
反求设计是对已有的产品或技术进行分析研究，掌握其功能原理、零 部件的设计参数、材料、结构、尺寸、关键技术等指标，再根据现代 设计理论与方法，对原产品进行仿造设计、改进设计或创新设计。
逆向推理是根据某一现象、问题或解法，分析其相反的方面、寻找新 的途径。
创造性思维是直觉思维和逻辑思维的综合，这两种包括渐变和突变的
复杂思维过程互相融合、补充和促进，使设计人员的创造性思维得到更加 全面的开发。
退出
3 . 创新方法简介
（1） 群智集中法 （2） 仿生创新法 （3） 反求设计创新法 （4） 类比求优创新设计法 （5） 功能设计创新法 （6） 移置技术创新设计法 （7） 计算机辅助创新法
1 . 机械创新设计的实质 2 . 创新设计过程中的创新思维方法 3 . 创新方法简介 4 . 机械创新设计实例分析
退出
回
章
1 . 机械创新设计的实质
首
机械创新设计(Mechanical Creative Design，MCD)是指充分发挥 设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果，进行创新构思、 设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品(装置)的一种实 践活动。
退出
回
7 . 绿色设计
章 首
（1) 绿色设计的基本概念及其特点
绿色设计(GD：Green Design)，通常也称为生态设计、环境设 计、生命周期设计或环境意识设计等。
（2） 绿色设计过程
机械设计基础PPT课件(共15章)第十五章回转体的平衡和机器的调速
动平衡试验需在特殊的动平衡试验机上进 行，采用电子检测、激光去质量等方法，可大 大提高平衡精度与动平衡试验过程的自动化。
任务三 机械速度波动的调节
一、机械速度波动的原因及类型
各类机械都是在外力（驱动力和阻力）作用下运转的，机械从启动到停止一般经历三 个阶段，如图15-6所示。
启动阶段 稳定运转阶段
这种非周期性速度波动不能用飞轮来进行 调节，只能用特殊的调速装置使驱动力与阻力 趋于平衡。
图15-8 机械式离心调速器
知识总结
（1）如果发生不平衡，则是由于质心不在回转体轴线上，由此产生的不平衡状态在回转体静 止时即可显示出来，故称为静不平衡，相应的平衡方法则称为静平衡。
（2）对于轴向尺寸较大的回转体，其质量不能视为分布于同一平面内，即使回转体的质心在 回转体轴线上，也可能发生不平衡，这是由于各偏心质量所产生的离心惯性力不在同一回转平面 内，因而形成了惯性力偶。这种不平衡状态只有在回转体运动时才显示出来，故称为动不平衡， 相应的平衡方法则称为动平衡。
（c）
任务一 回转体的静平衡
二、回转体的静平衡试验
如图15-3所示，当对回转体作静平衡试验时，应将其放置在静平衡架上的两相互平行 的刀口形导轨上。若回转体不平衡，则回转体将在重力矩的作用下发生滚动，当停止滚动 时质心必在正下方。
图15-3 回转体的静平衡试验
任务二 回转体的动平衡
一、回转体的动平衡计算
（3）各类机械都是在外力作用下运转的，机械从启动到停止一般经历启动阶段、稳定运转阶 段、停止阶段三个阶段。
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回转体的平衡和机器的调速
项目十五
主1
回转体的静平衡
目
2
回转体的动平衡
录
3
机械设计基础复习精要：第15章 滑动轴承
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。
机械设计基础习题解答第15章
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。
机械设计基础第五版第十五章
二、青铜
强度高，承载能力大，耐磨性和导热性
都优于轴承合金。可以在较高温度下工作。 可塑性差，不易跑合，与之相配的轴必 须淬硬。 应用广泛
三、具有特殊性能的轴承材料
粉末冶金：含油轴承 ，用于加油不方便的场合
灰铸铁、耐磨铸铁：用于不重要或低速轻载的
轴承。
非金属材料：
15-4 润滑剂和润滑装置 轴承润滑的目的：
轴颈表面与轴承孔表面构成楔形间隙，
开始启动时，轴颈沿轴承孔内壁向上爬。
当转速继续增加时，楔形间隙内形成的油膜
压力将轴颈抬起与轴承脱离接触。
当达到工作转速时：
此时油膜内各点压力，
其垂直方向的合力与载荷F
平衡，其水平方向的压力， 左右自行抵消。
3—油杯体
2—弹簧
4—铝管
5—毛线（棉纱绳）
依靠毛线或棉纱的毛
细管作用，将油杯中
的润滑油滴入轴承。
3、润滑脂用的油杯
杯中填满润滑脂，定期 旋转杯盖，使空腔体积 减小而将润滑脂注入轴 承内，它只能间歇润滑。
4、油环润滑 油环浸入油池内深度约为其直径的1/4。
常用于大型电机的润滑轴承中。
轴颈
油环
5、利用油泵循环润滑 润滑效果好，但设备费用较高， 常用于高速且精密的重要机器中。
第十五章 滑动轴承
轴承的功用：
（1）支承轴及轴上零件，并保持轴的旋转精度
（2）减少转轴与支承之间的摩擦和磨损 分类： 滚动轴承：应用广泛
滑动轴承：适用于高速、高精度、重载、
结构上要求剖分等场合。
15-1 摩擦状态 1、干摩擦
固体表面间直接接触的摩擦。
（不加任何润滑剂）
2、边界摩擦 金属表面上形成极薄的边界油膜（<1um），
《机械设计基础 》课件第15章
图15-4 半圆键联接
2.紧键联接
1)楔键联接 楔键联接用于静联接，如图15-5所示。楔键上、下面 是工作表面，上表面有1∶100的斜度，轮毂键槽底面也有 1∶100的斜度。装配后，键的上、下表面与轮毂和轴上键 槽的底面压紧；工作时靠工作表面的摩擦力传递转矩，并 能承受单向轴向力和起轴向固定作用。楔键分为普通楔键 (如图15-5(a)所示)和钩头楔键(如图15-5(b)所示)两种。楔 键联接时，由于工作表面产生很大预紧力，轴和轮毂的配 合会产生偏心和偏斜。因此楔键联接主要用于轮毂类零件 的定心精度要求不高和低转速的场合。
15.2 花键联接
花键联接由具有周向均匀分布的多个键齿的花键轴和 具有同样数目键槽的轮毂组成，如图15-8(a)所示。花键依 靠键齿侧面的挤压传递转矩，因为是多齿传递载荷，所以 承载能力强。由于齿槽浅，故对轴的削弱小，应力集中小， 且具有定心好和导向性能好等优点，但需要专用设备加工， 生产成本高。
图15-5 楔键联接
2)切向键联接 切向键是由一对斜度为1∶100的楔键组成的，如图 15-6(a)所示。装配时，两个键分别自轮毂两端楔入，装配 后两个相互平行的窄面是工作面；工作时依靠工作面的挤 压传递转矩。一对切向键只能传递单向转矩，当传递双向 转矩时，应装配两对相互成120°～130°的切向键，如图 15-6(b)所示。切向键能传递很大的转矩，常用于重型机械。
销的主要用途是固定零件间的相互位置，并可传递不 大的转矩，也可作为安全装置中的过载剪断元件。
按销的形状不同可分为圆柱销(如图15-9(a)所示)和圆 锥销(如图15-9(b)、(c)所示)。圆柱销利用过盈配合固定， 多次拆卸会降低其定位精度和可靠性。圆锥销常用的锥度 为1∶50，装配方便，定位精度高，多次拆卸不会影响其 定位精度。