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Shigley的机械工程设计

机械工程设计简介 基础知识部分

章节大纲

1-1设计 [4] 1-2机械工程设计 [5] 1-3阶段和设计过程的相互作用 1-4设计工具和资源

[8] 1-5设计工程师的职业责任 [10] 1-6标准和规范

[12] 1-7经济学

[12] 1-8安全和产品责任

[15] 1-9应力和强度

[15] 1-10不确定性

[16] 1-11设计因素和安全

[17] 1-12可靠性

[18] 1-13尺寸和公差

[19] 1-14单位

[21] 1-15计算和有效数字

[22] 1-16设计主题相互依赖

[23] 1-17输电案例研究规格

[5] 机械工程设计

机械设计是一个复杂的过程，需要很多技巧。广泛复杂的关系需要被细分为一系列简单的任务。复杂的设计过程在于要逐步按一定的规则去展现。

我们一般首先解决设计的本质，然后在机械工程设计中尤为如此。设计是有许多交互阶段的迭代过程。设计师需要许多资源的支持，包括许多来源丰富的信息和计算设计工具。设计师不仅要发展在自己领域的能力，他们也必须培养责任意识，并有专业的职业道德。

在设计过程中扮演比较重要角色规范和标准往往是经济性，安全性和产品责任的考虑。机械零件能否工作往往与应力和强度有关。无论是一个确定性的或者统计性的形式，不确定的因素在工程设计中无法排除，通常由设计因素和安全系数处理。后者，统计方法，能处理与设计的可靠性问题并且需要良好的统计数据。

在机械设计，其他考虑因素包括尺寸和公差，单元和计算。该书由四部分组成。第1部分，基础知识，首先解释一些差异和分析，并围绕引入一些基本概念来写的。它延续了3个章节，审查材料特性，应力分析，和刚度强度分析，对于这本书余下的部分这是必要的原理部分。

第2部分，预防失效，包括两章关于预防机械部件故障和为什么机器零件会发生故障，以及如何可以避免设计中失效的问题，所以我们用两章来回答这些问题，一是关于预防由于静载荷而发生的疲劳失效，而另一种预防由于载荷随时间变化和循环载荷的疲劳失效。

在第3部分，机械零件的设计，第1部分和第2部分的概念可用于分析，选择特定的机械元件，例如轴的设计，紧固件，焊接件，弹簧，滚动轴承，油膜轴承，齿轮，传动带，链，和钢丝绳。

第4部分，分析工具，介绍两个重要的方法来进行机械设计，有限元分析和统计分析。可以用这两种方法来选择和研究材料，实例1〜3说明了如何使用这些工具。

在书的最后有两个附录。附录A包含了许多有用的表遍布整本书的引用。附录B包括了怎样选尾章的问题。

1-1 设计

设计是为满足某一指定的需要或解决问题制定一个计划的具体问题。如果制定的计划具有现实意义，那么该产品必须是功能齐全，安全，可靠，有竞争力，可用，可制造，有市场性的。

设计是一个创新的，高度迭代的过程。

它也是一个决策的处理。有时决策只需要少量的信息，偶尔只有正确的信息数量，或用过量的部分矛盾信息。决定有时会做出试探性地用正确的预留调整随着越来越多的为人所知。有一点是，工程设计人员必须亲自参与决策，了解如何正确的解决问题。

设计是一个通信密集型活动，其中既有文字和图片的使用，又有书面和口头形式使用。工程师们进行有效的沟通并与许多学科的人工作。这些都是重要的技能，以及一个工程师的成功取决于它们。

一个设计师的个人资源包括创造力、交际能力，和解决问题技能与知识的技术和第一原则。工程工具（如数学，统计，计算机，图形和语言）被组合以产生一个计划，当进行时，会产生一种产品，是功能性的，安全，可靠，有竞争力，可用，可制造和销售，而不管是谁建造，或谁使用它。

1-2机械工程设计 机械工程师为能源生产和有关加工提供生产工具，使运输工具和技术自动化。技能和知识基础是广泛的。运用的基础形态是固体和液体，质量和动量运输，制造的力学过程，以及电气和信息论。机械工程设计涉及机械工程的所有学科。真正的问题抵制条块分割。一个简单的滑动轴承涉及流体流动，传热，摩擦，能源运输，材料选择，热处理，统计描述，等等。建筑物的环保控制。加热，通风和空调的考虑是足够的专门一些讲供暖，通风和空调的设计中，就好像它是独立的与机械工程设计截然不同。同样地，内燃机设计，涡轮机的设计，和喷气发动机的设计有时被认为是离散实体。在这里，字设计前述字句的领先字符串仅仅是一个产品描述符。同样，也有短语，如机械设计，机械元件设计，机器组件设计，系统设计和流体动力设计。所有的这些话是有点机械工程设计更有针对性的例子。他们都吸取知识的同一机构，类似组织，并要求类似的技能。

1-3阶段和设计过程的相互作用

什么是设计过程？它是如何开始的？请问工程师简单地坐到用一张白纸一张桌子，并记下一些想法？ 接下来发生什么？ 什么因素影响或控制了必须做出的决定？最后，请问该怎么让设计过程结束？

完整的设计过程中，从开始到结束，常被概述如图1-1。该过程开始于一个关于它的识别以及判定。许多次迭代之后，为满足需要该方法用这些计划的显现结束。根据设计任务的性质，一些设计阶段可以在整个产品生命周期中重复，从开始到结束。在接下来的几个小节中，我们将审查在设计这些步骤详细过程。

一般开始时需要一个鉴定的过程。认识需要和措辞需要往往构成一个具有高度创造性的行为，因为这种需要可能只有一个模糊的不满，一种不舒服的感觉，或者是感觉到了的东西是不正确的。通常情况下需要的是不明显的，识别可以由特定的恶劣环境或一组随机情况几乎同时出由噪音水平，通过在包装重量的变化，并通过轻微，但可察觉的变化现触法。例如，要做些什么食品包装机的需求可能会指示在包装或包裹的质量。图1-1

Identification of need

需要鉴定 Definition of problem

问题定义 Synthesis

合成 Analysis and optimization

分析与优化 Evaluation

评估 Presentation

介绍

还有就是需要的声明和定义之间有明显的区别的问题。的问题的定义是更具体的并且必须包括所有规格为对象，它是被设计。规格有输入和输出数量时，特征和对象必须占据的空间的尺寸，和所有这些量的限制。我们可以把被设计为对象在一个黑盒子。在这种情况下，我们必须指定框的输入和输出，他们的特点和局限性在一起。的规范定义了成本，在要制造号码，预期寿命，的范围内，操作温度，以及的可靠性。规定特性可以包括速度，饲料，温度限制最大范围，在该变量预期的变化，尺寸和重量限制等。

有迹象表明，导致无论是从设计师的特别是许多隐含的规格环境或从问题本身的性质。制造可用，具有某些植物的设施一起的过程，构成了上的设计师的自由的限制，并且因此是隐含的规格的一部分。它可以是一个小的植物，例如，不拥有冷作机械。知道了这一点，设计人员可能会选择其他金属加工的方法可以在植物中进行。可用的劳动技能和竞争态势也构成隐含的限制。凡是限制了设计师的自由选择的是一个制约因素。许多材料和尺寸都列在供应商的产品目录，例如，但这些都不是所有容易获得和短缺频频发生。此外，库存经济学要求制造商股票的最低的材料和尺寸数。一个规范的一个例子在二段中给出。1-17。这个例子是用于呈现整个动力传动的案例研究本文。

连接可能的系统元素的方案的合成所谓的概念或概念设计的发明。这是第一个也是最重要的步骤中合成的任务。各种计划必须提出，调查，并在建立metrics.1作为充实的计划进展来定量，分析必须被执行以评估系统的性能是否令人满意，如果满意，就如何它将执行。系统方案不这样做生存分析，修改，改进，或丢弃。这些潜在的优化以确定哪个的方案能够在最佳的性能。竞争机制进行比较，以便导致最具有竞争力的产品的路径可以被选择。图1-1显示了综合分析和优化是密切相关的。

我们已经注意到，我们强调，该设计是一个反复的过程，我们通过几个步骤进行，评估结果，然后返回到先前相的过程。因此，我们可以合成一个系统的几个组件，分析和对其进行优化，并返回到合成看到这这个系统其余部分有什么作用，例如，一个系统传输功率的设计需要注意个别组件（例如，齿轮，轴承，轴）的设计和选择。然而，这是常有的设计的情况，这些部件不是独立的。为了设计偏转轴的应力，有必要知道施加的力。如果力通过齿轮传递，有必要知道齿轮规格为了将确定的力传送到轴，但齿轮都具有一定的轴径，需要必要的轴径的知识。显然，粗略估计将需要了解实际的过程，炼油和迭代，直到最终的设计获得了对于每个令人满意单个组件以及用于整体设计规格。在整个文字，我们将详细阐述这一过程中产生的电力传输设计的案例研究。无论分析和优化要求我们建造或设计的抽象模型该系统会承认某种形式的数学分析的。我们把这些车型数学模型。在创建他们来说，这是我们的希望，我们可以找到一个会模拟真实物理系统非常好。如图8中所示。1-1，评价是总的设计过程的显著相。评估是一个成功的最终证明设计并通常涉及在实验室样机的测试。在这里，我们希望发现是否在设计确实满足了需求。它是可靠的？这将与同类产品争夺成功？是经济的制造和使用？是吗易于维护和调整？可获利从其销售或使用，制成？的可能性有多大它是导致产品责任诉讼？而且是保险容易和便宜获得？它是可能的召回将需要更换有缺陷的部件或系统？该项目的设计师或设计团队将需要解决工程无数和非工程的问题。

传达设计给他人是在设计的最后，是重要的介绍步骤处理。毫无疑问，许多伟大的设计，发明和创意作品已经失去了后人仅仅是因为创始人是无法或不愿好好解释一下自己的成就他人。演讲是一个销售的工作。工程师，呈现当新的解决方案的行政，管理或监督人员，正试图出售或向他们证明，他们的解决方案是一个更好的。除非能成功完成，花在获取解决方案的时间和精力已经在很大程度上浪费了。什么时候设计师卖一个新的想法，他们也卖自己。如果他们在多次中标销售理念，设计和新的解决方案来管理，就开始收到工资增加和促销活动;其实，这是任何人如何成功地在他或她的职业。

1这个主题一个很好的参考是由Stuart Pugh，总设计集成的方法介绍成功的产品工程，Addison-Wesley出版社，1991还提供了方Stuart Pugh法的说明在11.2节。8，大卫G.乌尔曼，机械设计流程，第三版，麦格劳2，说明了随着更精细的加工，制造成本的急剧增加，应该做公差减小处理。盈亏平衡点

有时会发生这样的情况，当2个或更多的设计方法相比，成本，两者之间的选择取决于一组条件，如生产数量，装配线的速度，或其他条件。然后发生了等于成本对应的点，称为盈亏平衡点。图1-2

成本与公差/加工过程。（摘自戴维·乌尔曼，该第三版，麦格劳-希尔，新纽约，2003年）图1-3

一个平衡点

作为一个例子，考虑一个特定的部分可以制造的情况每小时25个部件的速度在一个自动螺丝机或每小时10个零件上手动螺杆机。让我们假设，对于自动的设置时间是3小时和这两台机器的人工成本是每小时20美元，包括开销。图1-3是双方法成本与生产图。这个盈亏平衡点实例对应50个部分。如果所需的产量大于50部分，则自动机器使用。

成本测算

有很多方法获得相对成本的数字，使2个或更多的设计可以 大致比较。有些判断可能需要一定量的实例。例如，我们可以比较两个汽车的相对价值比较每磅重的美元成本。另一种比较成本的方法一种设计与另一个是简单地计算的数量的零件。设计有较小的零件数量可能会花费更少的成本。许多其他成本估计可以使用时，根据不同的应用，如面积，体积，马力，扭矩，容量，速度和各种性能比。

1-8安全及产品责任

严格责任概念及产品责任普遍在美国盛行。这一概念指出，一篇文章的制造企业对任何损害或损害承担责任这一结果是因为缺陷。而这并不重要，制造商是否知道关于这个缺陷，甚至可以知道它。例如，假设一篇文章制造，说，10年前。并且假设在那个时候这篇文章不能被认为有缺陷的基础上，所有的技术知识，然后可用。十年后，根据严格责任的概念，制造商仍然承担责任。因此，根据这一理念，原告只需证明该物品是缺陷和缺陷造成的损害或损害。制造商的疏忽 不需要证明。

预防产品责任的最佳途径是良好的工程分析设计，质量控制，综合测试程序。广告管理者经常会在保证产品的质量和销售方面做出承诺。这些陈述应该由工程人员认真审核，以消除过多的承诺，并插入适当的警告和使用说明。

1-9的压力和强度

许多产品的生存取决于设计师如何调整在关键位置的组件中的最大应力小于组件的强度。设计人员必须允许最大应力小于能保证安全的强度，使尽管有不确定性，失败是罕见的。应该侧重的是应力强度比较，在关键的（控制）的位置，我们经常寻找“在几何和使用条件的实际作用力。”强度是应力的幅度在该反应的东西，例如比例极限，0.2％偏置屈服，或断裂（见秒2-1）。在许多情况下，这样的事件表示在该功能丧失发生的应力水平。

强度是一种材料或一个机械部件的性能。一个元件的强度选择，处理，和材料的处理。例如，考虑一批弹簧。我们可以把一个强度与一个特定的弹簧当这个弹簧被引入到一台机器时，外部力被施加这导致在弹簧负载引起的应力，其大小依赖于它的几何形状和独立的材料及其加工。如果弹簧是 从机械地除去，由于外部势力的压力会回到零。但强度仍然是弹簧的特性之一。记住，然后，这种力量是一个部分的固有属性，一部分是因为有一个属性，因为使用一种特殊的材料和工艺。

各种金属加工和热处理过程，如锻造、轧制、和冷成形，导致强度的变化，从点到一个部分。这个上面提到的弹簧很有可能会有一种力量在外的线圈不同从内部的力量，因为春天已经形成了一个寒冷的绕组过程，双方可能不会被相同数量的变形。记住，因此，一个部分的强度值可能仅适用于一个特定的部分点或组点。

在这本书中，我们将使用大写字母S表示强度，拥有适当的标志来表示强度的类型。因此，SY是屈服强度，SU屈服极限，SSY剪切屈服强度和SE的持久强度。

按照公认的工程实践，我们将采用希腊字母σ（Sigma）和τ（TAU）指定的正应力和剪应力，分别。各种标会显示一些特殊的特性。例如，σ1是正应力，σY Y方向的正应力分量，和σR正常应径向方向分量。

应力是一个特定的点在一个物体上，这是一个函数的状态属性负载，几何，温度，加工工艺。在一个基本课程中材料力学，强调了荷载和几何关系，强调了一些热应力的讨论。然而，强调由于热处理，成型，组装等也很重要，有时被忽视。应力分析，回顾第3章的基本负荷状态和几何。

1-10不确定性

在机械设计中的不确定性比比皆是。关于压力和强度的不确定性的例子包括如下：

•材料的组成和变化对性能的影响。•在从一个地方到其它地方性质的变化。•加工的影响在本地，或附近，上属性。

•附近的组件，如焊件的影响和收缩应力状态下的配合。•对性能的形变热处理的影响。•强度和负荷分布。

•用来代表现实的数学模型的有效性。•应力集中的强度。

•时间对强度和几何形状的影响。•腐蚀的影响。•磨损的影响。•不确定因素的数量

工程师必须适应不确定性。不确定性总是伴随着变化。工程师必须关注材料特性，负载变化，制造保真度和数学的有效性。

用数学方法来解决不确定性。主要技术是确定性和随机性方法。确定性方法建立