機械設計的基本要求

1、機械設計概述教學導航教學目標了解機器的組成，機械設計的基本要求、內(nèi)容與步驟，以及機械設計中的標準化教學重點機器的組成；機器、機構、零件等概念；機械設計的基本要求與步驟教學難點機器的結構組成、原理推薦學時2學時推薦教法現(xiàn)場教學，分組討論1.1機械、機器、機構機械是機器和機構的總稱，本書的研究對象便是機械。人類的發(fā)展史就是生產(chǎn)力的發(fā)展史。為了滿足生產(chǎn)和生活上的需要，人類創(chuàng)造了各種 各樣的機械(如圖1.1所示)，用來代替或減輕人的勞動，提高生產(chǎn)效率。(a)搗米(b)古代水碓(C)地動儀(d)水排鼓風煉鐵(f)牛頭刨床(e)縫紉機圖1.1各種各樣的機械示例隨著科學技術的飛速發(fā)展，使用機械進行生產(chǎn)的水平

2、已經(jīng)成為衡量一個國家技術水平 和現(xiàn)代化程度的重要標志之一。機器是人們用來進行生產(chǎn)勞動的工具。機器的種類繁多，在生產(chǎn)中常見的有內(nèi)燃機、 電動機、沖床、機器人等，在日常生活中常見的有縫紉機、電風扇等。雖然它們的結構和 用途各不相同，但卻有著共同的特征，即都是執(zhí)行機械運動的裝置，用來變換或傳遞能量。如圖1.2所示為一單缸內(nèi)燃機，它是由活塞1、連桿2、曲軸3、齒輪4與5、凸輪6、頂桿7及汽缸體8等部分組成的。當氣體推動活塞1時，通過連桿2將運動傳至曲軸 3,【全國高職高專機電系列規(guī)劃教材】使曲軸3轉(zhuǎn)動。從此可以看出，內(nèi)燃機的基本功能就是使燃氣在缸內(nèi)經(jīng)過進氣一壓縮一燃 燒一排氣的循環(huán)過程，將燃燒的熱能轉(zhuǎn)

3、變?yōu)槭骨S轉(zhuǎn)動的機械能。圖1.2單缸內(nèi)燃機1 活塞 2 連桿 3 曲軸 4、5 齒輪 6 凸輪 7 頂桿 8 汽缸體如圖1.3所示為顎式破碎機，它是由機架1、偏心軸2、動顎板3、肘板4、帶輪5、定圖1.3顎式破碎機顎板6等組成的。偏心軸 2與帶輪5固連，電動機通過帶傳動驅(qū)動偏心軸轉(zhuǎn)動，使動顎板 作平面運動，軋碎動顎板與定顎板之間的礦石。1 機架 2偏心軸3 動顎板 4肘板5 帶輪6 定顎板通過對各種機器進行結構分析可以發(fā)現(xiàn)，它們都有如下3個共同的特征。都是人為的多個實物的組合。各實物之間具有確定的相對運動。 它們都能代替或減輕人類的勞動，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換或完成機械功。具有前兩個特征的實物組合稱為機

4、構。機構用來認識機器的工作原理和分析組成機器 的各實物之間的相對運動關系。在各種機械中普遍使用的機構稱為常用機構，如連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、間歇運動機構等。1.2構件、零件和部件組成機構的相互間作確定相對運動的各個實物，稱為構件。機構是由構件組成的，一 個機構中可包括若干個構件。從運動的角度來看，構件是機械中最基本的運動單元，每個 構件都具有獨立的運動特性。從制造加工的角度來看，零件是機器中最小的制造單元，每 個零件都具有不可拆卸、不可再分的特性。構件可以是單一的一個零件，如圖1.4所示的【全國高職高專機電系列規(guī)劃教材】整體式曲軸；也可以是由多個零件組成的一個剛性整體，如圖1.5所示的連

5、桿，它由連桿圖1.5剛性組合式連桿體1、螺栓2、連桿蓋3、螺母4等若干個零件組成。圖1.4整體式曲軸1連桿體 2螺栓 3 連桿蓋 4 螺母機械中的零件一般分為兩類：一類是在各種機械中普遍使用的零件，稱為常用零件或 通用零件，如螺栓、軸、齒輪、彈簧等；另一類是僅在某些專門機械中才用到的零件，稱 為專用零件，如活塞、曲軸、葉輪等。在機器中，對于一套協(xié)同工作且完成共同任務的零件組合，稱之為部件。部件也分為 通用部件和專用部件，如減速器、軸承、聯(lián)軸器等屬于通用部件；而汽車轉(zhuǎn)向器、模具中 的型芯、型腔等則屬于專用部件。1.3機器的組成機器的種類繁多，組成形式各異。從各實物在機器中所起的作用看，一部完整的

6、機器 都由動力部分、執(zhí)行部分、傳動部分和控制部分組成。動力部分：是驅(qū)動整個機器完成預定功能的動力源，如內(nèi)燃機、電動機等。執(zhí)行部分：也稱為工作部分， 是指機器中直接完成工作任務的組成部分，如圖1.3中的動顎板等。傳動部分：是介于動力部分與工作部分之間，用于完成運動、動力傳遞與轉(zhuǎn)換的 部分?？刂撇糠郑嚎刂茩C器的其他組成部分，使操作者能隨時實現(xiàn)或終止機器的各種預 定功能。現(xiàn)代機器的控制系統(tǒng)，一般既有機械控制系統(tǒng)，又有電子控制系統(tǒng)，其 作用包括監(jiān)測及信號接收等。1.4機械設計的基本要求【全國高職高專機電系列規(guī)劃教材】機械設計包括以下兩種設計：應用新技術、新方法開發(fā)創(chuàng)造新機械；在原有機械的基 礎上重新設

7、計或進行局部改造，從而改變或提高原有機械的性能。設計質(zhì)量的高低直接關 系到機械產(chǎn)品的性能、價格及經(jīng)濟效益。零件是機器的基本制造單元，在討論機械設計的基本要求之前，首先應初步了解設計 機械零件的一些基本要求。設計機械零件的基本要求零件工作可靠并且成本低廉是設計機械零件應滿足的基本要求。零件的工作能力是指零件在一定的工作條件下抵抗可能出現(xiàn)的失效的能力，對載荷而 言稱為承載能力。失效是指零件由于某些原因不能正常工作。只有每個零件都能可靠地工 作，才能保證整個機器的正常運行。設計機械零件還必須堅持經(jīng)濟觀點，即要求零件的性價比高。為此在設計時應注意以 下幾點：合理選擇材料，降低材料費用。保證良好的加工工

8、藝性，降低制造成本。盡量采用標準化、通用化設計，簡化設計過程，從而降低成本。機器設計的基本要求機械產(chǎn)品設計應滿足以下幾方面的基本要求：1實現(xiàn)預定功能設計的機器能實現(xiàn)預定的功能，并在規(guī)定的工作條件下能正常運行，具有一定的壽命。2滿足可靠性要求機器由許多零部件組成，其可靠度取決于零部件的可靠度。機械系統(tǒng)的零部件越多其 可靠度也就越低，因此在設計機器時應盡量減少零件數(shù)目。但就目前而言，對機械產(chǎn)品的 可靠度難以提出統(tǒng)一的考核指標。3滿足經(jīng)濟性要求經(jīng)濟性是一項綜合性指標，要求設計及制造成本低、生產(chǎn)效率高、能源和材料消耗少、維護及管理費用低等。4.操作方便、工作安全操作系統(tǒng)要簡便可靠，有利于減輕操作人員的

9、勞動強度；要有各種保險裝置以消除由 于誤操作而引起的危險，避免人身傷害及設備事故的發(fā)生。5 造型美觀、減少污染【全國高職高專機電系列規(guī)劃教材】運用工業(yè)藝術造型設計方法對機械產(chǎn)品進行工業(yè)造型設計，使所設計的機器不僅使用 性能好、尺寸小、價格低廉，而且外形美觀，富有時代特點。機械產(chǎn)品的造型直接影響到 產(chǎn)品的銷售和競爭力，在機械設計中是一個不容忽視的環(huán)節(jié)。此外，還必須盡可能地降低噪聲，減輕對環(huán)境的污染。從某種意義上來說，噪聲也是 反映機械質(zhì)量的一種綜合指標。1.5機械設計的內(nèi)容與步驟機械設計是一項復雜、細致和科學性很強的工作。隨著科學技術的發(fā)展，對設計的理 解在不斷地深化，設計方法也在不斷地發(fā)展。近

10、年來發(fā)展起來的“優(yōu)化設計”、“可靠性 設計”、“有限元設計”、“模塊設計”、“計算機輔助設計”等現(xiàn)代設計方法已在機械 設計中得到了推廣與應用。即便如此，常規(guī)設計方法仍然是工程技術人員進行機械設計的 重要基礎，必須很好地掌握。常規(guī)設計方法又可分為理論設計、經(jīng)驗設計和模型實驗設計等。機器設計的內(nèi)容與步驟機械設計的過程通常可分為以下幾個階段：1產(chǎn)品規(guī)劃產(chǎn)品規(guī)劃的主要工作是提出設計任務和明確設計要求，這是機械產(chǎn)品設計首先需要解 決的問題。通常是根據(jù)市場需求提出設計任務，通過可行性分析后才能進行產(chǎn)品規(guī)劃。2. 萬案設計在滿足設計任務書中具體設計要求的前提下，由設計人員構思出多種可行性方案并進 行分析論證

11、，從中優(yōu)選出一種能完成預定功能、工作性能可靠、結構設計可行、成本低廉 的方案。3. 技術設計在既定設計方案的基礎上，完成機械產(chǎn)品的總體設計、部件設計、零件設計等，設計 結果以工程圖及計算書的形式表達出來。4制造及試驗經(jīng)過加工、安裝及調(diào)試制造出樣機，對樣機進行試運行或在生產(chǎn)現(xiàn)場試用，將試驗過 程中發(fā)現(xiàn)的問題反饋給設計人員，經(jīng)過修改完善，最后通過鑒定。機械零件的設計內(nèi)容與步驟【全國高職高專機電系列規(guī)劃教材】與設計機器時一樣，設計機械零件也常需擬定出幾種不同方案，經(jīng)過認真比較選用其 中最好的一種。設計機械零件的一般步驟如下：(1) 根據(jù)機器的具體運轉(zhuǎn)情況和簡化的計算方案確定零件的載荷。(2) 根據(jù)零

12、件工作情況的分析，判定零件的失效形式，從而確定其計算準則。(3) 進行主要參數(shù)設置，選定材料，根據(jù)計算準則求出零件的主要尺寸，考慮熱處理 及結構工藝性要求等。(4 )進行結構設計。(5)繪制零件工作圖，制訂技術要求，編寫計算說明書及有關技術文件。對于不同的零件和工作條件，以上這些設計步驟可以有所不同。此外，在設計過程中 這些步驟又是相互交錯、反復進行的。應當指出，在設計機械零件時往往是將較復雜的實際工作情況進行一定的簡化，才能 應用力學等理論解決機械零件的設計計算問題，因此這種計算或多或少帶有一定的條件性 或假定性，稱為條件性計算。機械零件設計基本上是按條件性計算進行的，如注意到公式 的適用范

13、圍，一般計算結果具有一定的可靠性，并充分考慮了機械零件的安全性。為了使 計算結果更符合實際情況，有必要時可進行模型試驗或?qū)嵨镌囼?。本書在介紹各種零件設 計時，其內(nèi)容的安排順序基本上是按照上述設計步驟進行的。1.6機械設計中的標準化在各種機械中，可以發(fā)現(xiàn)有許多零件(如螺紋聯(lián)接、滾動軸承等)和部件(如機床照 明燈、汽車發(fā)動機等)都是相同的，以及某些產(chǎn)品(如水泵、載重汽車等)是由小到大按 一定規(guī)律組成系列的現(xiàn)象。這實際上就是機械設計中的標準化問題，即設計時要盡量考慮 零件標準化、部件通用化、產(chǎn)品系列化。機械設計標準化的實際意義是：標準化后，同一型號零件的加工數(shù)量大大增加，便于采用高生產(chǎn)率的先進設備和 技術進行大規(guī)模生產(chǎn)或組織專業(yè)化生產(chǎn)，可以合理使用原材料、節(jié)約能源、降低 生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量。統(tǒng)一零件的性能指標，提高產(chǎn)品的可靠性。產(chǎn)品具有互換性。可以大大減少設計和制造工作量，減少設計中的差錯，縮短設計制造周期，加速 新產(chǎn)品的研發(fā)。便于維修，減少維修更換的工作量和時間。我國目前對零件的尺寸、結構要素、材料性能