機械設計的基本要求

1、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)展史就是生產力的發(fā)展史。為了滿足生產和生活上的需要，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，提高生產效率。（a）搗米（b）古代水碓（c）地動儀（d）水排鼓風煉鐵（e）縫紉機（f）牛頭刨床機械設計概述2 機械設計基礎全國高職高專機電系列規(guī)劃教材圖 1.1 各種各樣的機

2、械示例隨著科學技術的飛速發(fā)展，使用機械進行生產的水平已經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勞動的工具。機器的種類繁多，在生產中常見的有內燃機、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，使曲軸 3 轉動。從此可以看出，內燃機的基本功能就是使燃氣在缸內經過進氣壓縮

3、燃燒排氣的循環(huán)過程，將燃燒的熱能轉變?yōu)槭骨S轉動的機械能。圖 1.2 單缸內燃機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動偏心軸轉動，使動顎板作平面運動，軋碎動顎板與定顎板之間的礦石。圖 1.3 顎式破碎機1機架2偏心軸3動顎板4肘板5帶輪6 定顎板3 第 1 單元機械設計概述全國高職高專機電系列規(guī)劃教材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

4、運動。它們都能代替或減輕人類的勞動，實現(xiàn)能量轉換或完成機械功。具有前兩個特征的實物組合稱為機構。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 所示的整體式曲軸；

5、也可以是由多個零件組成的一個剛性整體，如圖1.5 所示的連桿，它由連桿體 1、螺栓 2、連桿蓋3、螺母 4 等若干個零件組成。圖 1.4 整體式曲軸圖 1.5 剛性組合式連桿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4 機械設計

6、基礎全國高職高專機電系列規(guī)劃教材機器的種類繁多，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：是驅動整個機器完成預定功能的動力源，如內燃機、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?，F(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機械設計包括以下兩種設

7、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。設計質量的高低直接關系到機械產品的性能、價格及經濟效益。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。1.4.1 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濟觀點，即要求零件的性價比高。為此在設

8、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。1.4.2 機器設計的基本要求機械產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。5 第 1 單元機械設計概述全國高職高專機電系列規(guī)劃教材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目。但就目前而言，對機械產品的可靠度難以提出統(tǒng)一的考核指標。3滿足經濟性要求經濟性是一項綜合性指標，要求設

9、計及制造成本低、生產效率高、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、減少污染運用工業(yè)藝術造型設計方法對機械產品進行工業(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。機械產品的造型直接影響到產品的銷售和競爭力，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量的一種綜合指標。1.5 機械設計的內容與步驟機械設計是一項復雜、細致和科學性

10、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、經驗設計和模型實驗設計等。1.5.1 機器設計的內容與步驟機械設計的過程通?？煞譃橐韵聨讉€階段：1產品規(guī)劃產品規(guī)劃的主要工作是提出設計任務和明確設計要求，這是機械產品設計首先需要解決的問題。通常是根據市場需求提出設計任務，通過可行性分析后才能進行產品規(guī)劃。6 機械設計

11、基礎全國高職高專機電系列規(guī)劃教材2方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，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制造及試驗經過加工、安裝及調試制造出樣機，對樣機進行試運行或在生產現(xiàn)場試用，將試驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題反饋給設計人員，經過修改完善，最后通過鑒定。1.5.2 機械零件的設計內容與步驟與設計機器時一樣，設計機械零件也常需擬定出幾種不同方案，經過認真比較選用其中最好的一種。設計機械零

12、件的一般步驟如下：（1）根據機器的具體運轉情況和簡化的計算方案確定零件的載荷。（2）根據零件工作情況的分析，判定零件的失效形式，從而確定其計算準則。（3）進行主要參數設置，選定材料，根據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，

13、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實物試驗。本書在介紹各種零件設計時，其內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，以及某些產品（如水泵、載重汽車等）是由小到大按7 第 1 單元機械設計概述全國高職高專機電系列規(guī)劃教材一定規(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量大大增加，便于采用高生產率的先進設備和技術進行大規(guī)模生產或組織專業(yè)化生產，可以合理使用原材料、節(jié)約能源、降低生產成本、提高產品質量。統(tǒng)一零件的性能指標，提高產品的可靠性。產品具有互換性?？梢源蟠鬁p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，加速新產品的研發(fā)。便于維修，減少維修更換的工作量和時間。