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第二章机械设计总论

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机械设计 第二章 机械设计总论 2-1 机器的组成 • 机器-根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组 合体。 • 如: 缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用机器 、起重机等。 机器的共有特征: ①人造的实物组合体; ②各部分有确定的相对运动; ③代替或减轻人类劳动完成有用功或实现能量的转换 。 机器的作用 认识机器——洗衣机 认识机器——洗衣机 认识机器——洗衣机 认识机器——洗衣机 认识机器——工业机器人 认识机器——工业机器人 认识机器——工业机器人 认识机器——减速器变速器 认识机器——减速器变速器 认识机器——减速器变速器 认识机器——减速器变速器 认识机器——汽车防抱死系统 认识机器——汽车防抱死系统 认识机器——汽车防抱死系统 认识机器——汽车防抱死系统 认识机器——汽车防抱死系统 • 通过上述例子可以归纳以下几点: • 一个机械系统包含着机械结构系统、驱动动力 系统、检测与控制系统; • 现代的机器不仅可以承担人类的体力劳动,还 可以部分的脑力劳动。 • 一台机器的机械结构总是由一些机构组成的, 每个机构又是由若干零件组成的。有些零件是 在各种机器中常用的,称之为通用零件,如: 螺钉、齿轮、轴承等;有些零件只有在特定的 机器中才用到,称之为专用零件,如:洗衣机 中的波轮、工业机器人的末端执行器、军械中 的枪栓等。 2-1 机器的组成 机器 原动机-实现能量转换(如内燃机、蒸汽机、 电动机)种类有限 工作机-完成有用功(如机床等) 种类繁多 工作机 原动部分-是工作机动力的来源,最常见的是 电动机和内燃机。 工作部分-完成预定的动作,位于传动路线的终点。 传动部分-联接原动机和工作部分的中间部分。 原动机 传动 工作 控制 其关系如下: 2-2 设计机器的一般程序 • 一部机器的质量基本上决定于设计质量。制造 过程对机器质量所起的作用,本质上就在于实 现设计时所规定的质量。因此,机器的设计阶 段是决定机器好坏的关键。 • 设计机器的一般程序为: • 1、计划阶段 • 2、方案设计阶段 • 3、技术设计阶段 • 4、技术文件编制阶段 2-2 设计机器的一般程序 • 一、计划阶段 • 在根据生产或生活的需要提出所要设计的新机器后,计 划阶段只是一个预备阶段。此时,对所要设计的机器仅有 一个模糊的概念。 • 在计划阶段中,应对所设计的机器的需求情况作充分的 调查研究和分析。通过分折,进一步明确机器所应具有的 功能,并为以后的决策提出由环境、经济、加工以及时限 等各方面所确定的约束条件。在此基础上,明确地写出设 计任务的全面要求及细节,最后形成设计任务书,作为本 阶段的总结。设计任务书大体上应包括:机器的功能,经 济性及环保性的估计,制造要求方面的大致估计,基本使 用要求,以及完成设计任务的预计期限等。 2-2 设计机器的一般程序 • 二、方案设计阶段 • 本阶段对设计的成败起关键的作用。在这一阶段中 也充分地表现出设计工作有多个解(方案)的特点。 • 机器的功能分析.就是要对设计任务书提出的机器 功能中必须达到的要求、最低要求及希望达到的要求 进行综合分析,即这些功能能否实现,多项功能间有 无矛盾,相互间能否替代等。最后确定出功能参数, 作为进一步设计的依据。在这一步骤中,要恰当处理 需要与可能、理想与现实、发展目标与当前目标等之 间可能产生的矛盾问题。 2-2 设计机器的一般程序 • 确定出功能参数后,即可提出可能的解决办法 ,亦可提出可能采用的方案。寻求方案时,按 原动部分、传动部分及执行部分分别进行讨论 。如果用N1表示原动机的可能方案数,N2和 N3分别代表传动部分和执行部分可能的方案数 ,则机器总体的可能方案数N为:N=N1·N2·N3 • 在如此众多的方案中,技术上可行的仅有几个 。对这几个可行的方案,要从技术方面和经济 方面进行综合评价。图示机器经济性——费用 曲线,总费用最低处所对应的机器复杂程度就是 最优的复杂程度。 2-2 设计机器的一般程序 • 评价结构方案的设计制造 经济性时,还可以用单位功 效的成本来表示。进行机器 评价时,还必须对机器的可 靠性进行分析,把可靠性作 为一项评价指标。一般来讲 ,系统越复杂,可靠性越低 。 • 通过方案评价,最后进行 决策,即确定下一步技术设 计的原理图或机构运动简图 。在方案设计阶段,要正确 处理借鉴与创新的关系,既 要反对保守和照抄照搬,又 要反对一味求新而弃用原有 合理经验。 2-2 设计机器的一般程序 •三、技术设计阶段 • 技术设计阶段的目标是总装配草图和部件装配草图。通过草 图设计确定出各部件及零件的外形及基本尺寸,包括各部件间联 接零、部件的外形及基本尺寸。为确定主要零件的基本尺寸,需 做以下工作: • 机器的运动学设计:确定原动机的参数及各运动构件的运动参 数。 • 机器的动力学计算:计算各主要零件上所收的名义载荷。 • 零件的工作能力设计:已知主要零件所收的名义载荷,即可作 零、部件的初步设计,确定零、部件的基本尺寸。 • 部件装配草图及总装配草图的设计:根据已定出的主要零、部 件的基本尺寸,设计出部件装配草图及总装配草图。需要全面协 调各零件结构尺寸,考虑其结构工艺性,使全部零件有最合理的 构形。 • 主要零件的校核:有一些零件由于具体的结构未定,只能进行初 步计算及设计。在绘出部件装配草图及总装草图以后,所有零件 的结构及尺寸均为已知。因此,此时可以对各个零件进行精确校 核。 • 草图设计完成以后,即可根据草图已确定的零件基本尺寸, 设计零件的工作图。按最后定型的零件工作图上的结构及尺寸, 重新绘制部件装配图及总装配图。 2-2 设计机器的一般程序 • 四、技术文件编制阶段 • 技术文件的种类较多,常用的有机器的设计 计算说明书、使用说明书、标准件明细表等。 • 编制设计计算说明书时,应包括方案选择及 技术设计的全部结论性的内容。 • 编制用户的机器使用说明书时,应向用户介 绍机器的性能参数范围、使用操作方法、日常 保养及简单的维修方法、备用件的目录等。 2-3 对机器的主要要求 • (一)使用功能要求 • (二)经济性要求 • (三)劳动保护要求 • (四)可靠性要求 • (五)其它专用要求 2-4 机械零件的主要失效形式 1、整体断裂 2-4 机械零件的主要失效形式 2、过大的残余变形 3、零件的表面破坏 滚动轴承外圈滚道的磨损 滚动轴承滚道的疲劳点蚀 齿轮轮齿的疲劳点蚀 4、破坏正常工作条件引起的失效 2-5 设计机械零件时应满足的 基本要求 • (一)避免在预定寿命期内失效的要求 • 1.强度 • 2.刚度 • 3.寿命 • (二)结构工艺性要求 • (三)可靠性要求 • (四)经济性要求 • (五)质量小的要求 2-6 机械零件的设计准则 • (一)强度准则 • 强度准则就是指零件中的应力不得超过允许的限度。 即: • σ≤σlim • 考虑到各种偶然性或难以精确分析的影响,上式右边 要除以设计安全系数(简称安全系数),即: • σ≤σlim/S 即 σ≤[σ] • (二)刚度准则 • 零件在载荷作用下产生的弹性变形量y,小于或等于机 器工作性能所允许的极限值[y](许用变形量),就叫 做满足了刚度要求,或符合刚度计算准则。其表达式 为: • y≤[y] 2-6 机械零件的设计准则 • (三)寿命准则 • (四)振动稳定性准则 • (五)可靠性准则 2-7 机械零件的设计方法 • 1、理论设计 • 根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计, 称为理论设计。 • 2、经验设计 • 根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关 系式,或根据设计者本人的工作经验用类比的方法所进行 的设计叫做经验设计。这对那些使用要求不大变动而结构 形状已典型化的零件,是很有效的设计方法。 • 3、模型实验设计 • 对于一些尺寸巨大而机构又很复杂的重要零件,尤其是一 些重型整体机械零件,为了提高设计质量,可采用模型实 验设计的方法。即把初步设计的零、部件或机器作成小模 型或小尺寸样机,经过实验的手段对其各方面的特性进行 检验,根据实验结果对设计进行逐步的修改,从而达到完 善。这样的设计叫做模型实验设计。 2-8 机械零件设计的一般步骤 • 1)根据零件的使用要求,选择零件的类型和结构。为此 ,必须对各种零件的不同用途、优缺点、特性与使用范 围等,进行综合对比并正确选用。 • 2)根据机器的工作要求,计算作用在零件上的载荷。 • 3)根据零件的工作要求及对零件的特殊要求,选择适当 的材料。 • 4)根据零件可能的失效形式确定计算准则,根据计算准 则进行计算,确定出零件的基本尺寸。 • 5)根据工艺性及标准化等原则进行零件的结构设计。 • 6)细节设计完成后,必要时进行详细的校核计算,以判 定结构的合理性。 • 7)画出零件的工作图,并写出计算说明书。 2-9 机械零件的材料及其选用 • 一、机械零件常用的材料 • 1、金属材料 • 2、高分子材料 • 3、陶瓷材料 • 4、复合材料 2-9 机械零件的材料及其选用 • 二、 机械零件材料的选用原则 • 1、载荷的大小和性质,应力的大小、性质及 其分布状况 ; • 2、零件的工作情况 ; • 3、零件的尺寸及质量; • 4、零件结构的复杂程度及材料的加工可能性 ; • 5、材料的经济性; • 6、材料的供应状况。 2-10 机械零件设计中的标准化 • 零件的标准化,就是通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能 、检验方法、设计方法、制图要求等,制定出各式各样的大家共 同遵守的标准。标准化带来的优越性表现为: • 1)能以最先进的方法在专门化工厂中对那些用途最广的零件进 行大量的、集中的制造 •提高质且,降低成本。 • 2)统一了材料和零件的性能指标,使其能够进行比较.并提高 了零件性能的可靠性。 • 3)采用了标堆结构及零、部件,可以简化设计工作,缩短设计 周期.提高设计质量。另外同时简化了机器的维修工作。 • 现已发布的与机械零件设计有关的标准,从运用范围上来讲, 可以分为国家标准(GB)、行业标准和企业标准(QB)三个等级, 从使用的强制性来说,可分为必须执行的(有关度、量、街及涉及 人身安全等标准)和推荐使用的(如标准直径等)。 2-11 机械现代设计方法简介 • 以动态的取代静态的 • 以定量的取代定性的 • 以变量取代常量 • 以优化设计取代可行性设计 • 以并行设计取代串行设计 • 以微观的取代宏观的 • 以系统工程法取代分部处理法 • 以自动化设计取代人工设计 2-11 机械现代设计方法简介 • 总之,设计工作本质上是一种创造性的活动,是对知识 与信息等进行创造性的工作与处理。发展机械现代设计 方法,实质上就是不断追求最机智、最恰当而且最迅速 地解决用户要求、社会效益、经济效益、机械内在要求 等对机械构成的全部约束条件。 机械现代设计方法发展很快,目前常见或较易见到 的有:计算机辅助设计(CAD:computer-aided design )、优化设计(OD:optimization design )、可靠性设计 (RD:reliability design)、摩擦学设计(TD:tribology design)、设计方法学设计(DMD:design- methodology design)、并行设计(CD:concurrent design)、虚拟产品设计(VPD:virtural-product design )、质量驱动设计(QDD:quality-driven design)、参 数化设计(PD:parametrization design)、智能设计( ID:intelligent design)、分形设计(FD:fractual design)、基于实例设计(CBD:case-based design) 、网上设计(OND:on-net design)等。
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