机械设计综合概论

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1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第9页 共9页第八章 机械设计概论8.1 机械设计的重要性90年代末，美国提出了“为竞争的优势而设计”(Designing for Competitive Advantage)的口号，也有人说“21世纪将是设计的世纪”。面对国际市场的竞争，一个企业、国家参与竞争的力量就是“设计”，就必须依靠产品的创新设计技术。20世纪后期所形成的全球经济一体化格局，预示着21世纪在世界范围内的经济和技术竞争将会更加激烈。对于包括机械制造在内的制造业来说，这种竞争就具体体现在产品上，即要求：产品上市快（T）、质量高（Q）、成本低（C）、服务好（）

2、，从而才能占领市场。而这些要求在很大程度上就取决于产品的设计质量和效率。对于机械设计来说，就是适应市场的需求，以最短的设计周期，拿出功能强、经济性好、便于使用于维护的产品。机械设计在机器制造业起着十分重要的作用，往往机械产品的技术经济性能和竞争力就在于设计质量的好坏。据统计分析，虽然机械产品成本中的约80是制造费用，设计成本只占5左右，而就是这5的设计活动决定着7080的产品成本。而机械制造业是一个国家自立于世界的标志，是国家财政收入的主要创造者，其产值占到国民产值得80%左右。所以，作为机电专业的学生必须努力学习，掌握机械设计的基本原理、方法和技能，只有这样才能成为有用之才。8.2 机械设计

3、一般过程机械设计过程一般包括四个阶段，即：1）明确任务阶段；2）方案设计阶段；3）技术设计阶段；4）施工设计阶段。1）明确任务阶段在实际工作中，我们知道有各种各样的、用途各不相同的机器。但是，所有这些机器的设计过程都有一个共同的特点，即都是从提出设计任务开始的。而设计任务的提出主要是依据工作和生产的需要。设计任务一般是以任务书的形式下达的，其中明确规定有：机器的用途、主要性能参数范围、工作环境条件、特殊要求、生产批量、预期成本、完成期限、承制单位等内容。一般是由主管单位、用户提出。任务书的要求决定了设计工作的内容、质量和水平。例如，批量和用途直接决定加工手段、成本等内容，同时也必须考虑承制单位

4、的加工能力。2）方案设计阶段设计部门和设计人员首先要认真研究任务书，在全面明确上述要求后，在调查研究、分析资料的基础上，拟订设计计划，按照下述的步骤进行设计：（1）机器工作原理选择工作原理是实现预期职能的基本依据。我们听说过“条条道路通罗马”的话，由于实现同样的预期职能，可以采用不同的工作原理、方法和途径。所以，在研制新机器时，应结合具体情况提出多种不同的工作原理，通过全面分析比较，从中选择最满意的一种。这属于专业机械设计的范围。例如采煤，可以使用风镐，也可以使用高压水柱冲击煤层开采，也可以采用割煤机进行开采等。（2）机器的运动设计就是根据上一步确定的机器工作原理，确定机器执行部分的运动规律。

5、例如牛头刨床，要求工作行程要慢、而返回行程要快。这一步主要依据我们前面所述的机械原理知识来完成。这里，必须同时考虑选择适当的原动机，妥善考虑和设计机械的传动部分实现方法，并考虑运动参数调整的必要性于可能性。（3）机器的动力设计根据机器的工作原理和运动设计结果，按照机器的总体性能要求，根据其运动特性、工作阻力、速度、传动效率等，计算机器所需的驱动功率，进行运动机的选择。同时也要考虑调节于控制的必要性于可能性，也可以利用机械原理和电工学知识来完成。3）技术设计阶段主要是依据原动机的特性和运转特性或根据零部件的工作载荷进行设计，一般采用前一种方法，选择设计出各零部件。在工作原理确定之后的工作，就是将

6、前面选定的设计方案通过必要的分析计算和结构设计，用图面（装配图、零件图等）及技术文件的形式来加以具体表示。包括：运动设计、动力分析、整体布局、零件结构、材料、尺寸、精度和其它参数的确定以及必要的强度和刚度计算等。反映在实际工作的成果图纸上，大体可以分为四个阶段：（一）总体设计阶段：根据工作原理绘制机器的机构运动简图，这是图纸设计的第一阶段。在这个阶段，要考虑各个机构主要零件的大体位置。同时，为了拟订机器的总体布置，需要分析比较各种可能的传动方案。（二）结构设计阶段：考虑和决定各部分的相对位置和联接方法，零件的具体形状、尺寸、安装等一系列问题，把机构运动简图变成具体的装配图（或结构图），这是图纸

7、设计的第二个阶段。（三）零件设计阶段：装配图只确定了机器的总体尺寸、各个零部件的相对位置及配合关系，而没有反映出各个零件的全部尺寸、结构等。零件设计阶段就是把机器的所有零件（标准件除外）拆分出来，绘制成零件图，为加工提供依据。（四）技术文件制定：完成图纸滞后，必须完成一系列的技术文件，应包括各种明细表、系统图、设计说明书和使用说明书。4）施工设计阶段（工艺设计）本阶段是将设计与制造联接起来的重要环节，即规划零件的制造工艺流程，确定工艺参数、检测手段、夹具、模具设计等工作。这些属于机制工艺学课程的内容。由于在很大程度上取决于经验、依赖于实践经验，所以计算机辅助工艺设计（CAPP）未能像机械CAD

8、一样获得突破性进展和广泛应用。一个完整的设计过程不但包含以上四个阶段，还包括制造、装配、试车、生产等所有环节，对图纸和技术文件进行完善和修改，直到定型投入正式生产的全过程。实际工作中，上述的几个阶段是交叉反复进行的。随着计算机辅助设计、计算机仿真技术、三维图形技术以及虚拟装配制造技术的迅速发展，机械设计方法有了极大的变革，借助这些技术我们可以极大地降低设计和试制成本，提高产品的竞争力。在明确了解了机械设计的一般过程和主要内容之后，我们接下来就必须了解的是一部机器应满足的基本要求是什么。8.3 机械设计的基本要求 一）机器应该满足的基本要求1使用性要求（实现预定的功能，满足运动和动力性能的要求）

9、（功能性要求）机器必须能够保证在预定寿命期间内，按照规定的技术条件顺利而有效地实现全部预期职能的要求，不能失效。它是设计的最基本的出发点。这是依靠正确选择机器的工作原理、机构类型、机械传动系统方案，以及正确设计零部件的机构组合来保证。2经济性要求图 81这是一个综合性指标，表现在设计制造和使用两个方面。提高设计制造的经济性的途径有三条：1）使产品系列化、标准化、通用化；2）运用现代化设计制造方法；3）科学管理。提高使用经济性的途径有四条：1）提高机械化、自动化水平；2）提高机械效率；3）延长使用寿命；4）防止无意义的损耗。3安全性要求有三个含义：1）设备本身不因过载、失电以及其它偶然因素而损坏

10、；2）切实保障操作者的人身安全（劳动保护性）；3）不会对环境造成破坏。劳动保护性有三个方面：1）提高操作安全性，在外露的旋转部件应添加安全罩，某些需要的地方需设立安全报警装置，例如煤气、锅炉等；2）降低体力及脑力损耗，从操作力、过程的复杂程度、操纵数目等方面进行考虑；例如在具有集中润滑的大型设备中，采用如图所示的联锁装置，以降低操作者的精神负担。3）改善操作环境，增加操作的舒适性，例如乘座的振动、机器外观的色彩搭配等等。4工艺性要求这包含两个方面1）装配工艺形2）零件加工工艺性。在不影响工作性能的前提下，应使机构尽可能地简化，力求用简单的机构装置取代复杂的装置去完成同样的职能，便于拆装，尽量使

11、用标准件。零件的结构合理，很好的处理设计与制造的矛盾，满足加工制造的需要。5可靠性要求随着机械系统日益复杂化、大型化、自动化及集成化，要求机械系统在预定的环境条件下和寿命期限内，具有保持正常工作状态的性能，这就称为可靠性。6其它特殊要求针对某一具体的机器，都有一些特殊的要求。例如：飞机结构重量要轻、食品等机械不得对产品造成污染等。二）机械零件设计的基本准则及一般步骤1、设计机械零件的基本要求机械零件的设计，必须依据其在机器中的作用及工作情况，满足强度、刚度、寿命、工艺性、可靠性以及某些特殊的要求的一部分或全部内容。具体有以下几个方面：1）在预定寿命期限内不失效设计准则 机械零件应某种原因不能正

12、常工作的现象称为失效。机械零件的主要失效形式有断裂、表面破坏（腐蚀、磨损和接触疲劳等）、过量残余变形和正常工作条件的破坏。维避免这些失效，设计中需要考虑以下几个问题。a.强度要求 零件在工作时，在额定的工作条件下，既不发生任何形式的破坏，也不产生超过容许限度的残余变形，能保证机器的正常运转和工作，我们就认为该零件满足了强度要求。强度不足是零件在工作中断裂或过量残余变形的直接原因。零件的强度分为体积强度和表面接触强度。零件在载荷作用下，如果产生的应力在较大的体积内，则这种应力状态下的零件强度称为体积强度（简称强度，即平常我们所说的强度）。若两个零件在受载前后由点接触或线接触变为小表面积接触，且其

13、表面产生很大的局部应力（称为接触应力），这时零件的强度称为表面接触强度（简称接触强度）。在设计中，除了部分受力较小或形状复杂无法计算的零件靠经验、实验确定外，大多数重要零件都是利用强度条件式来校核的（材料力学中的相关强度理论）。若零件的强度不够，就会出现整体断裂，表面接触疲劳或塑性变形等失效而丧失工作能力，所以设计零件时必须满足强度要求。其设计准则是： =其中称作计算应力；称作许用抗拉应力P拉力载荷； F面积尺寸；极限应力； S安全系数其含义是：零件中的应力应当小于或等于其许用应力才能满足强度要求。该公式由于是用来校核零件的初定剖面F是否满足强度要求的，所以称为校核公式。要注意的是：如果零件剖

14、面上承受的载荷是剪载荷，分别可以用剪应力和许用剪应力等代入上面的式中进行计算。可以看出：强度准则就是把对零件起损伤作用的一方（例如载荷和应力）与零件对损伤起抵抗作用的一方进行比较来判断零件强度的。通过上面的强度条件式，我们也可以发现，提高零件强度的原则措施有：1）增大零件危险剖面的尺寸、合理设计剖面形状，以增大剖面面积的惯性矩；2）采用高强度材料，对材料进行提高强度及降低内应力的热处理，控制加工工艺以减小或消除微观缺陷等；3）力求降低零件上的载荷，例如减小轴的支承跨距以降低作用在其上的弯矩，采用减振结构以降低冲击载荷等；4）妥善设计零件的结构以降低应力集中程度等。b.刚度要求在机器工作时，有时

15、机器并没有破坏，但是由于零件的变形而导致机器的失效或不能正常的工作或完成预定的工作任务。这就是刚度失效。对于这类情况，我们不但要求进行强度的计算，同时要进行刚度的计算。零件的刚度要求是指工作时，零件所产生的弹性变形不超过规定的限度。刚度的计算是利用刚度条件式来判定的。针对弹性变形的二种情况（弯曲和扭转），刚度条件式分别为：或； 有时也可以直接利用刚度要求来进行设计，一般来说满足刚度要求的零件都满足强度要求。刚度分为两类：体积刚度和表面接触刚度。上面所述的刚度都属于体积刚度。两个比较粗糙的接触表面，在大的压力作用下，接触表面的微观凸峰将会被压平，就会引起两零件的相对位置发生超过容许限度的变化，就

16、产生不能满足接触刚度的情况。在设计时也应该给予充分的注意。提高零件整体刚度的原则措施有：1）适当增加零件的剖面尺寸；2）合理设计零件的剖面形状；3）合理添置加强筋，采用多支点结构；4）提高零件接触表面的加工精度或经适度跑合，以降低表面粗糙度；5）适当增大接触面积，以降低单位压力等。c.寿命要求寿命要求就是要求零件在预定的工作期间保持正常工作而不致报废。主要是针对那些在变应力下工作和工作时受到磨损或腐蚀的零件提出的。提高零件寿命的措施主要有：1）妥善设计零件结构以降低应力集中程度；2）采用精加工或表面强化处理以提高零件工作表面的质量；3）合理选择摩擦副配对材料、润滑剂与润滑方法以提高零件抗磨损能

17、力；4）选用耐腐蚀材料制造在腐蚀介质中工作的零件；5）利用热处理提高零件材料的机械性能或利用滚压、喷丸等工艺使零件表面产生有利的残余预应力等等。d.振动性和噪声要求随着机械向高速发展和人们对环境舒适性要求的提高，对机械的振动和噪声的要求也越来越高。当机械或零件的固有振动频率等于或接近受激振源作用所引起的强迫振动频率时，将产生共振。这不但影响机器的正常工作，甚至会造成破坏性事故。因此，对于高速机械应该进行振动分析和计算，采取降低振动和噪声的措施。具体来说，并不是每一类型的零件都需要进行所有上述的计算，而是从实际载荷的工作条件出发，分析其主要的失效形式，再确定其计算准则，必要时再按其它要求进行校核

18、。例如，机床主轴，首先根据刚度确定尺寸，再校核其强度、振动稳定性。2) 工艺性要求所谓机械零件的结构工艺性，是指在一定生产条件下，能够方便经济地制造和装配，即零件的结构设计应使之易于加工。工艺性要求也是零件设计的重要内容之一，必须要从生产批量、材料、毛坯制作、加工方法、装配过程等方面进行全面的考虑。由于制造费用一般要占产品成本的80以上，所以工艺性的好坏直接影响着零件的经济性。对于初学设计的人员应特别给予重视。俗话说的好：一个好的设计人员应该首先是一个工艺师。3） 经济性要求零件的经济性要求就是要用最低的成本和最少的工时制造出满足技术要求的零件。我们在进行设计时，必须时刻牢记，要从降低材料消耗

19、、尽可能利用廉价材料代替昂贵的材料、尽可能多使用标准件等等方面入手，努力提高经济性指标。4） 可靠性零件可靠性的概念与机械系统可靠性相似，并且用零件的可靠度来衡量。零件可靠度定义为：在预定的环境条件下和使用时间（寿命）内，零件能够正常工作而不会失效的概率（可能性）。5） 标准化机械设计中的标准化是指对零件的特征参数及其结构尺寸、检验方法和制图的规范化要求。机械零件设计的标准分为国家标准（GB）、部颁标准（如JB、YB等）和企业标准等三级，这些标准（特别是国家和有关部颁标准）是在机械设计中必须严格遵守的。此外，进出口产品一般还应符合国际标准化组织制定的国际标准（ISO）。习惯上，又把零件的标准化

20、、通用化和系列化称作“三化”。这是缩短产品设计周期、提高产品质量合生产效率、降低生产成本的重要途径。6） 其它要求设计机械零件时，在满足上述的前提下还应力图减小质量，减小材料消耗和惯性载荷，对于行走机械可以增大其有效的工作能力，从而提高经济效益。此外，对于一些专门用途或在特殊环境下工作的机械零件，还需要考虑诸如耐高温或低温、耐腐蚀、表面装饰和造型应美观等要求。2、机械零件设计的一般步骤1）根据零件的使用要求（如功率、转速等），选择零件的类型及结构型式，并拟定计算简图。2）分析作用在零件上的载荷（拉、压力，剪切力）。3）根据零件的工作条件，按照相应的设计准则，确定许用应力。4）分析零件的主要失效形式，按照相应的设计准则，确定零件的基本尺寸。5）按照结构工艺性、标准化的要求，设计零件的结构及其尺寸。6）绘制零件的工作图，拟定必要的技术条件，编写计算说明书。在实际工作中，有时采用与上述设计步骤相反的校核计算：即先参照已有的实物或图样，根据经验采用类比法来初步确定零件的结构尺寸；在根据载荷应力分析来确定有关设计准则，并验算零件中的工作应力（或计算应力）是否小于或等于许用应力，或者验算其安全系数是否大于或等于许用安全系数。第 9 页 共 9 页