机械设计中力学研究的作用
摘 要：机械产品的设计，包括组成机械产品的零件的形态、尺寸、结构、材料选择等基本设计要素和工作内容。处理这些要素全要用到工程力学、机械设计基础的知识，本文将对机械设计中力学研究的作用进行简要概括。
关键词：工程力学；机械设计；额定寿命；许用应力；强度；刚度；稳定性
机械设计即根据使用要求对专用机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主要的因素。机械设计可分为3类：一新型设计即应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，设计过去没有过的新型机械；二继承设计即根据使用经验和技术发展对已有的机械进行设计更新，以提高其性能、降低其制造成本或减少其运用费用；三变型设计即为适应新的需要对已有的机械作部分的修改或增删而发展出不同于标准型的变型产品。
以上三类设计的机械结构形式虽然千差万别，但其功能的实现几乎都与力（力矩）的产生、转换、传递有关。机械零件具有足够的承载能力是保障机械结构实现预定功能的先决条件。所以在机械结构设计中，根据力学理论对零件的强度、刚度和稳定性进行分析是必不可少的，并在此基础上，进行结构设计，所以力学研究便成为了一项与机械设计技术联系极为广泛的基础性研究，它是机械设计技术的重要理论基础和支撑。在机械设计中力学研究的主要作用有以下几个方面：
1 结构设计优化作用，使零件受力更为合理
作用在零件上的外力、弯矩、扭矩等统称为载荷。这些载荷中不随时间变化或随时间变化缓慢的称为静载荷。随时间作周期性变化或非周期性变化的称为变载荷。它们在零件中引起拉、压、弯、剪、扭等各种应力，并产生相应的变形。如果同一零件上同时承担了多种载荷的作用，则可考虑将这些载荷分别由不同的零件来承担。设计时采取一定的结构形式，将载荷分给两个或多个零件来承担，从而减轻单个零件的载荷，称为载荷分担原则。这样有利于提高机械结构的承载能力。可列举下面两个例子：
⑴改变结构，减小轴的受力。如图1-a所示，轴已经承受了弯矩的作用，如果齿轮再经过轴将转矩传递给卷筒，则轴为转轴（工作时既承受弯矩又承受转矩），受力较大。如果将齿轮和卷筒改用螺栓直接联接，则轴不受转矩作用，轴为转动心轴（用来支承转动零件，只承受弯矩而不传递转矩），轴的受力情况得到改善，结构较合理。如图1-b所示。
⑵采用减载装置，提高螺纹联接的可靠性。如图2所示，靠摩擦力传递横向载荷的紧螺栓联接，要求保持较大的预紧力，结果会使螺栓的结构尺寸增大。此外，在振动、冲击或变载荷下，摩擦系数的变动，将使联接的可靠性降低，有可能出现松脱。为了避免上述缺点，常用销、套筒、键等减载元件来承担部分横向载荷，提高螺纹联接的可靠性。而这些结构的设计都离不开力学研究。
2 强度校核作用
在我们机械的行业中我们用到的材料有成千上万种，而每一种材料的强度、刚度、稳定性都不尽相同，换句话说，每种材料都有它固有的属性，而我们在进行机械设计的时候并非靠感觉来决断，那样便成了“瞎子摸象”，而是需要我们在完成了结构设计的基础上，进行强度校核计算（也就是根据优化设计好的零件结构来分析外负载作用在零件上的有效载荷，然后再根据该载荷计算出零件受载关键位置的应力情况，最后用计算出的应力与各种材料的许用应力比较对比来确定选用哪一种材料；或者在零件关键位置应力和材料确定的情况下来决定选用它的何种规格型号）。否则就会出现设计的零件不能满足载荷的要求而出现失效情况，只有进行了相应的产品强度计算校核后，才能够保证我们的产品设计是能够满足我们的使用要求的，我们的设计才是成功的。以下面的设计为例：电瓶车挂钩用插销联接，如图3所示。已知t=8mm，插销材料的许用切应力[τ]=30MPa，许用挤压应力[σbs]=100MPa，牵引力F=15kN。试选定插销的直径d。
插销的受力情况如图3b，可以求得
先按抗剪强度条件进行设计
即
再用挤压强度条件进行校核
所以挤压强度条件也是足够的。查机械设计手册，最后采用d=20mm的标准圆柱销钉。
3 可靠性作用
在机械设计中，我们完成了以上两步的设计后，已经可以确定我们的产品是合格的，但是它的可靠性是怎样的，寿命如何。我们还需要进一步的确认，而这个过程也是通过力学研究来进一步确定。在此我们以轴承为例，图示的轴由一对7206AC角接触球轴承支承。已知轴的转速n=1000r/min，齿轮分度圆直径d=80mm，圆周力Ft=2000N，径向力Fr=800N，轴向力=500N，载荷平稳。求：轴承1、2的寿命？（附录数据：轴承派生轴向力=0.68Fr1，=0.68Fr2；额定动载荷C=17.1KN；界限系数e=0.68；若≤e，取X=1，Y=0；若>e，取X=0.41，Y=0.87）
解：⑴求两轴承受到的径向载荷
水平支反力如图a）所示。
Fr1H=Ft/2=1000N，Fr2H=Ft/2=1000N
垂直支反力如图b）所示。
因Fr1V×100+Fae×80/2-Fr×50=0
则Fr1V=（800×50-500×40）/100=200N
因Fr2V×100-Fae×80/2-Fr×50=0
则Fr2V=（800×50+500×40）/100=600N
总支反力：
Fr1=（FrⅠH2+FrⅠV2）1/2=1019.8N
Fr2=（FrⅡH2+FrⅡV2）1/2=1166.2Na）
⑵求两轴承受到的轴向载荷
轴有向右窜动趋势，故轴承1被放松，轴承2被压紧
⑶求轴承受到的当量动载荷
⑷按轴承2计算轴承寿命
结论：由以上内容可以看出，力学研究在机械设计中有着非常重要的作用，是机械设计的依据所在，是机械设计的理论支撑，掌握力学和设计的有关基础知识，是现代机械产品设计师所必须具备的素质。
[参考文献]
[1]邱家骏.工程力学.2012-07.
[2]邵刚.机械设计基础.2009-02.
[3]孙学娟.力学知识在机械结构设计中的运用.2006-03.