作者：秦大同、谢里阳 主编
出版社：化学工业出版社
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现代机械设计手册.第4卷(第二版)试读：
前言
前 言《现代机械设计手册》第一版自2011年3月出版以来，赢得了机械设计人员、工程技术人员和高等院校专业师生广泛的青睐和好评，荣获了2011年全国优秀畅销书（科技类）。同时，因其在机械设计领域重要的科学价值、实用价值和现实意义，《现代机械设计手册》还荣获2009年国家出版基金资助和2012年中国机械工业科学技术奖。《现代机械设计手册》第一版出版距今已经8年，在这期间，我国的装备制造业发生了许多重大的变化，尤其是2015年国家部署并颁布了实现中国制造业发展的十年行动纲领——中国制造2025，发布了针对“中国制造2025”的五大“工程实施指南”，为机械制造业的未来发展指明了方向。在国家政策号召和驱使下，我国的机械工业获得了快速的发展，自主创新的能力不断加强，一批高技术、高性能、高精尖的现代化装备不断涌现，各种新材料、新工艺、新结构、新产品、新方法、新技术不断产生、发展并投入实际应用，大大提升了我国机械设计与制造的技术水平和国际竞争力。《现代机械设计手册》第二版最重要的原则就是紧密结合“中国制造2025”国家规划和创新驱动发展战略，在内容上与时俱进，全面体现创新、智能、节能、环保的主题，进一步呈现机械设计的现代感。鉴于此，《现代机械设计手册》第二版被列入了“十三五国家重点出版物规划项目”。在本版手册的修订过程中，我们广泛深入机械制造企业、设计院、科研院所和高等院校进行调研，听取各方面读者的意见和建议，最终确定了《现代机械设计手册》第二版的根本宗旨：一方面，新版手册进一步加强机、电、液、控制技术的有机融合，以全面适应机器人等智能化装备系统设计开发的新要求；另一方面，随着现代机械设计方法和工程设计软件的广泛应用和普及，新版手册继续促进传动设计与现代设计的有机结合，将各种新的设计技术、计算技术、设计工具全面融入传统的机械设计实际工作中。《现代机械设计手册》第二版共6卷35篇，它是一部面向“中国制造2025” ，适应智能装备设计开发新要求、技术先进、数据可靠、符合现代机械设计潮流的现代化的机械设计大型工具书，涵盖现代机械零部件及传动设计、智能装备及控制设计、现代机械设计方法及应用三部分内容，具有以下六大特色。
1.权威性。《现代机械设计手册》阵容强大，编、审人员大都来自于设计、生产、教学和科研第一线，具有深厚的理论功底、丰富的设计实践经验。他们中很多人都是所属领域的知名专家，在业内有广泛的影响力和知名度，获得过多项国家和省部级科技进步奖、发明奖和技术专利，承担了许多机械领域国家重要的科研和攻关项目。这支专业、权威的编审队伍确保了手册准确、实用的内容质量。
2.现代感。追求现代感，体现现代机械设计气氛，满足时代要求，是《现代机械设计手册》的基本宗旨。“现代”二字主要体现在：新标准、新技术、新材料、新结构、新工艺、新产品、智能化、现代的设计理念、现代的设计方法和现代的设计手段等几个方面。第二版重点加强机械智能化产品设计（3D打印、智能零部件、节能元器件）、智能装备（机器人及智能化装备）控制及系统设计、数字化设计等内容。（1）“零件结构设计”等篇进一步完善零部件结构设计的内容，结合目前的3D打印（增材制造）技术，增加3D打印工艺下零件结构设计的相关技术内容。“机械工程材料”篇增加3D打印材料以及新型材料的内容。（2）机械零部件及传动设计各篇增加了新型智能零部件、节能元器件及其应用技术，例如“滑动轴承”篇增加了新型的智能轴承，“润滑”篇增加了微量润滑技术等内容。（3）全面增加了工业机器人设计及应用的内容：新增了“工业机器人系统设计”篇；“智能装备系统设计”篇增加了工业机器人应用开发的内容；“机构”篇增加了自动化机构及机构创新的内容；“减速器、变速器”篇增加了工业机器人减速器选用设计的内容；“带传动、链传动”篇增加并完善了工业机器人适用的同步带传动设计的内容；“齿轮传动”篇增加了RV减速器传动设计、谐波齿轮传动设计的内容等。（4）“气压传动与控制”“液压传动与控制”篇重点加强并完善了控制技术的内容，新增了气动系统自动控制、气动人工肌肉、液压和气动新型智能元器件及新产品等内容。（5）继续加强第5卷机电控制系统设计的相关内容：除增加“工业机器人系统设计”篇外，原“机电一体化系统设计”篇充实扩充形成“智能装备系统设计”篇，增加并完善了智能装备系统设计的相关内容，增加智能装备系统开发实例等。“传感器”篇增加了机器人传感器、航空航天装备用传感器、微机械传感器、智能传感器、无线传感器的技术原理和产品，加强传感器应用和选用的内容。“控制元器件和控制单元”篇和“电动机”篇全面更新产品，重点推荐了一些新型的智能和节能产品，并加强产品选用的内容。（6）第6卷进一步加强现代机械设计方法应用的内容：在3D打印、数字化设计等智能制造理念的倡导下，“逆向设计”“数字化设计”等篇全面更新，体现了“智能工厂”的全数字化设计的时代特征，增加了相关设计应用实例。
增加“绿色设计”篇；“创新设计”篇进一步完善了机械创新设计原理，全面更新创新实例。（7）在贯彻新标准方面，收录并合理编排了目前最新颁布的国家和行业标准。
3.实用性。新版手册继续加强实用性，内容的选定、深度的把握、资料的取舍和章节的编排，都坚持从设计和生产的实际需要出发：例如机械零部件数据资料主要依据最新国家和行业标准，并给出了相应的设计实例供设计人员参考；第5卷机电控制设计部分，完全站在机械设计人员的角度来编写——注重产品如何选用，摒弃或简化了控制的基本原理，突出机电系统设计，控制元器件、传感器、电动机部分注重介绍主流产品的技术参数、性能、应用场合、选用原则，并给出了相应的设计选用实例；第6卷现代机械设计方法中简化了繁琐的数学推导，突出了最终的计算结果，结合具体的算例将设计方法通俗地呈现出来，便于读者理解和掌握。
为方便广大读者的使用，手册在具体内容的表述上，采用以图表为主的编写风格。这样既增加了手册的信息容量，更重要的是方便了读者的查阅使用，有利于提高设计人员的工作效率和设计速度。
为了进一步增加手册的承载容量和时效性，本版修订将部分篇章的内容放入二维码中，读者可以用手机扫描查看、下载打印或存储在PC端进行查看和使用。二维码内容主要涵盖以下几方面的内容：即将被废止的旧标准（新标准一旦正式颁布，会及时将二维码内容更新为新标准的内容）；部分推荐产品及参数；其他相关内容。
4.通用性。本手册以通用的机械零部件和控制元器件设计、选用内容为主，主要包括机械设计基础资料、机械制图和几何精度设计、机械工程材料、机械通用零部件设计、机械传动系统设计、液压和气压传动系统设计、机构设计、机架设计、机械振动设计、智能装备系统设计、控制元器件和控制单元等，既适用于传统的通用机械零部件设计选用，又适用于智能化装备的整机系统设计开发，能够满足各类机械设计人员的工作需求。
5.准确性。本手册尽量采用原始资料，公式、图表、数据力求准确可靠，方法、工艺、技术力求成熟。所有材料、零部件和元器件、产品和工艺方面的标准均采用最新公布的标准资料，对于标准规范的编写，手册没有简单地照抄照搬，而是采取选用、摘录、合理编排的方式，强调其科学性和准确性，尽量避免差错和谬误。所有设计方法、计算公式、参数选用均经过长期检验，设计实例、各种算例均来自工程实际。手册中收录通用性强、标准化程度高的产品，供设计人员在了解企业实际生产品种、规格尺寸、技术参数，以及产品质量和用户的实际反映后选用。
6.全面性。本手册一方面根据机械设计人员的需要，按照“基本、常用、重要、发展”的原则选取内容，另一方面兼顾了制造企业和大型设计院两大群体的设计特点，即制造企业侧重基础性的设计内容，而大型的设计院、工程公司侧重于产品的选用。因此，本手册力求实现零部件设计与整机系统开发的和谐统一，促进机械设计与控制设计的有机融合，强调产品设计与工艺技术的紧密结合，重视工艺技术与选用材料的合理搭配，倡导结构设计与造型设计的完美统一，以全面适应新时代机械新产品设计开发的需要。
经过广大编审人员和出版社的不懈努力，新版《现代机械设计手册》将以崭新的风貌和鲜明的时代气息展现在广大机械设计工作者面前。值此出版之际，谨向所有给过我们大力支持的单位和各界朋友表示衷心的感谢！主 编第19篇 液力传动第1章 液力传动设计基础1.1 液力传动的定义、特点及应用表19-1-1 液力传动的定义、特点及应用1.2 液力传动的术语、符号1.2.1 液力传动术语表19-1-2 液力传动术语（GB/T 3858—2014）1.2.2 液力元件图形符号表19-1-3 液力元件图形符号（JB/T 4237—2013）1.3 液力传动理论基础1.3.1 基本控制方程表19-1-4 基本控制方程1.3.2 基本概念和定义表19-1-5 基本概念和定义1.3.3 液体在叶轮中的运动
液力偶合器叶轮的叶片是对旋转中心呈放射性布置的径向平面直叶片，而液力变矩器的叶片是周向分布同向排列的弯曲叶片。虽然形状有所不同，但它们对液体的流动作用具有相同的属性。液体在叶轮中的运动是一种复杂的空间三维流动，直接进行分析很困难。在分析液体和叶轮的相互作用与液体在叶轮中的运动时作如下假设。
①叶轮中的总液流由许多流束组成，流动轴对称。
②叶轮的叶片数无穷多，叶片无限薄，出口液流方向决定于叶片出口角，与进口角无关。即认为工作液体在各个工作流面上的运动是轴对称的，它们的相对运动轨迹与各个流面上叶片骨线相一致。
③同一过流断面上各点轴面速度相等。故所有计算可按平均流线进行。
依据以上假设，液体在流道内的三维空间流动被简化为一维束流流动。所以在研究液体在叶轮中的运动时，只要对一个轴面进行讨论即可，不必对流动空间每一个流体质点的运动情况进行分析。
1.3.3.1 速度三角形及速度的分解
在叶轮中任一液体质点相对于固定坐标系的运动速度称为绝对速度，以v表示。
液体质点在泵轮和涡轮中的运动是一种复合运动，液体既在旋转的叶轮流道中做相对运动，又随叶轮一起做圆周运动，即牵连运动。故绝对速度v为圆周速度u和相对速度w的矢量和。 （19-1-7）
为简便起见，通常将表示速度的平行四边形简化为速度三角形，见图19-1-1，其中β为叶片角。
为便于研究和计算，绝对速度v分解为两个相互垂直的分速度vu和v，如图19-1-1所示。m （19-1-8）式中 v——圆周分速度（绝对速度在圆周速度方向上的投影，与轴u面速度垂直）；
v——轴面分速度（绝对速度在轴面上的投影，与轴面流线相m切）。图19-1-1 速度三角形
通常情况下，圆周速度、轴面速度和叶片角均为已知，用几何作图法即可作出速度三角形。
圆周速度u为 （19-1-9）式中 R——流体质点所在位置半径，m；
ω——叶轮角速度，rad/s；
n——叶轮转速，r/min。
根据假设，同一轴面液流过流断面上各点的轴面速度相等。因此轴面速度为 （19-1-10）式中 Q——循环流量（工作液体在工作腔内循环流动时，单位时间内流过叶轮流道任何过流断面的工作液体的体积称为循环流量），3m/s；2
A——垂直于轴面分速度的过流断面的面积，m；m
ψ——因叶片厚度使过流断面面积减少的排挤系数，ψ<1，，其中z为叶片数，δ为叶片法向厚度。
依据速度三角形，按下列各式可求得相对速度w、圆周分速度vu和绝对速度v的值。 （19-1-11）
在分析液力元件特性时，用得比较多的是工作液体的轴面分速度和圆周分速度。
1.3.3.2 速度环量
在运动的流体内，任意作一封闭曲线，曲线上某点的速度矢量在曲线切线上的投影沿着该封闭曲线的线积分，称为速度矢量沿着封闭曲线的速度环量，以Γ表示。
对于叶轮，其平均流线上某一点的速度环量为该点的圆周分速度与其所在位置的圆周长度的乘积。 （19-1-12）式中 R——平均流线上某点所在位置的圆周半径。
速度环量的大小，与流动特性及封闭曲线形状有关，标志着该处液流旋转运动的强弱程度。
1.3.3.3 液体在无叶栅区的流动
为方便讨论，对叶轮进出口位置的标注作如下规定：
a——叶轮进口处液流即将进入叶片流道的位置；
b——叶轮进口处液流刚刚进入叶片流道的位置；
c——叶轮出口处液流即将流出叶片流道的位置；
d——叶轮出口处液流刚刚流出叶片流道的位置。
显然，在b和c的位置时，工作液体在叶片流道中运动，受到叶片的约束。在a和d的位置时，工作液体处于无叶栅区，不受叶片的约束，见图19-1-2。图19-1-2 无叶片区示意
液流在无叶片区流动时，因无外力矩的作用，如果不考虑无叶片区的液流损失，单位时间内液流流过任一断面的动量矩不发生变化，即
上式即为无叶片区环量保持定理。
在叶轮叶片进口前的a处到刚刚进入叶片流道的b处，这段距离虽然很短，但工作液流进入b处后，因受到叶片的约束作用，迫使工作液体沿着叶片的骨线方向流动，使圆周分速度有很大改变。一般情况下v≠v。圆周分速度的突变使工作液流在叶片进口处产生冲ubua击。仅当v=v时，叶片进口处才无冲击。此时，液流在进口处的ubua流动方向与叶片骨线相一致。*
在设计液力元件时，常选无冲击工况为设计工况，并以上角标来表示这一工况。显然，在无冲击工况时
对叶轮排列顺序为泵轮—涡轮—导轮的液力元件，其叶片进口无冲击的条件为
泵轮：Rv=Rv 或 Γ=ΓB1uB1D2uD2B1D2
涡轮：Rv=Rv 或 Γ=ΓT1uT1B2uB2T1B2
导轮：Rv=Rv 或 Γ=ΓD1uD1T2uT2D1T2
无冲击工况时，叶轮进口的叶片角β等于进口的液流角β。在11y以后分析问题时，认为叶轮出口的叶片角等于出口的液流角，即β=β。实际上因为叶轮的叶片数目是有限的，而且叶片具有一定的22y厚度，液体质点的相对运动方向与大小将受液体惯性力和轴向漩涡的影响，从而产生某种变化，特别是当液体离开工作叶轮时，液流的相对速度方向将与叶片骨线的切线方向有着明显的偏离现象。因此，β≠β。在实际计算时，引入有限叶片修正系数ξ来对出口的液流偏2y2离进行修正。1.3.4 欧拉方程
1.3.4.1 动量矩方程
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]