Transcript 机械设计
第1章 机械设计概论 §1.1 课程性质和任务 §1.2 设计机器的基本原则和设计程序 §1.3 机械零件设计概述 §1.4 机械设计新发展 §1.1 课程性质和任务 一、《机械设计》课程在国民经济建设中的地位与作用 • 机械 人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物的组合体。 以下哪些属于机械？ 火车 飞机 枪炮 动物 车站 石头 立交桥 流星 太阳系 收音机 电视机 任何机械都经历了：简单→复杂的发展过程。 起重机的发展历程： 斜面→杠杆→起重轱辘→滑轮组→手动(电动)葫芦→现代起重机（包括： 龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯－电脑控制）。 机构 机械 机器 机械的类型 动力机器：实现机械能与其它形式之间的转换。 如内燃机、涡轮机、发电机、电动机 机械的类型 器械或装备：做机械功或搬运物品，即变换物料。 如机床、收割机、汽车、起重机、机械手等 机械的类型 信息机器（仪器）：传递、获取或传递信息。 如照相机、打印机、复印机、放映机、绘图机等 机械的类型 处理信息 机械 是依据力学原理及使用要求组成的各种装置或设备，一般将完成做功的各种具 体机器和以传递力与运动的各类机构总称为机械。 设计 是一种反复决策制定计划的活动，而这些计划的目的是把资源更好地转变为满 足人类需求的系统或者器件。（开发适应变型） 机械设计 为了满足机器某些特定功能要求而进行创造性过程，即用新的原理、新的概念 开发创造出新的产品，或对现有机器进行创造性过程。机械设计是生产机械产品第 一道工序。设计高低在很大程度上影响着产品质量的高低。 设计的重要性 • 设计 是研制出机械并有效地使用之的首要环节； • 设计 决定机械产品的工作质量和性能； • 设计 决定产品的制造成本、运行费用； • 设计 对企业的生存和发展具有重大的意义； • 设计 直接关系人类的未来与发展。 •机械工业在现代化建设中的作用 ▲ 解放人（体力、部分脑力劳动、提高生产率、改善劳动条件）； ▲ 便于实现产品标准化、系列化和通用化、便于实现高度的机械化、 电气化和自动化； ▲ 体现国家现代化建设水平，为国民经济各个部门提供装备和促进 技术改造； ▲ 大量地设计制造和广泛采用各种先进的机器，可大大加强国民经 济发展的力度，加速我国的现代化建设。 二、 机器与机械零件 在学习机械设计课程之初，有必要对机器的组成、机器的基本要素有一个 感性的认识。下面先看几个例子。 典型机器实例 １．全自动洗衣机： 潘存云教授研制 机械控制式 电气控制式 模糊控制式 除了控制方式以外，上述三种洗衣机的主要传动系统没有很大的差别。 上盖 进水口 控制面板 外箱体 排水管 盛水桶 支撑拉杆 波轮 脱水桶 电动机 自动洗衣机的组成： 带传动 减速器 自动洗衣机的工作原理： 波轮 洗涤： 脱水桶 A制动，B放开，运动经电动机、 带传动、中心齿轮、行星轮、行 星架、带动波轮旋转。 A B 脱水： A放开，B制动，运动经电动机、带传 动、内齿圈（脱水桶）、中心齿轮、 行星架，波轮与脱水桶等速旋转。 带传动 洗衣机系统简图 典型机械实例 ２．减速器 潘存云教授研制 典型机械实例 ３．工业机器人 潘存云教授研制 操作手 工业机器人的组成 控制系统 示教盒（编程器） 潘存云教授研制 潘存云教授研制 示教盒用于输入控制命 令或控制程序。 控制系统用于控制操作机各 关节内伺服电机的运动。 操作手在控制系统的指挥下， 完成各种复杂的作业。 典型机器实例 １．全自动洗衣机；２．减速器；３．工业机器人 由以上实例，可归纳得出： 润滑、显示、照明等辅助系统 原动机 机 控 传动装置 制 系 器 执行机构 统 传动装置―在原动机与执行机构之间传递运动、转换运动方式的装置。机械 传动装置是本课程研究的主要内容之一。 由此可见： 机器：既能实现确定的机械运动，又能做有用的机械功，或者能传递或转换 能量、物料、信息等。如 车 床——实现确定的机械运动，又作有用的机械功 内燃机——转换能量 机械手——传递物料 照相机——传递信息 机构：仅能传递或转换运动。如 齿轮机构——传递运动 摇头风扇——连杆机构 齿轮机构 凸轮机构——转换运动 机械：是机器和机构的总称。 定义： GB10853-89 机器理论与机构学术语 机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息。 机构是用来传递运动和力的、有一个构件为机架的、用构件间能 够相对运动的连接方式组成的构件系统。 构件和零件 构件：组成机器的各个相对运动的实物。 是机器中独立运动的单元体，由一个或几个 零件组成。 零件：机械中不可拆的制造单元体。 单一零件——曲轴 多个零件的刚性组合——连杆 点击动画 构件是机械中运动的单元体，零件是机械中制造的单元体。 零件可分为两类： 专用零件：特定机器中所使用的零件，如活塞、曲轴、叶片 通用零件：各类机器中普遍使用的零件，如齿轮、轴、螺栓等 部件：为完成同一使命在结构上 组合并协同工作的零件如轴承、减速器。 机械设计的研究对象是通用零部件的工作原理、结构特点、 设计计算的基本理论和方法及有关标准规范 机器与机械零件的关系 对于一台机器这个总体来说，一切零件都是它的局部，他们必须受全局的制 约。各个零件在机器中，或按确定的位置相互连接，或按给定的规律做相对运动， 共同为完成机器的功能而发挥各自的作用。所以任何机器的性能都是建立在它的 主要零件的性能或某些关键零件的综合性能的基础之上的。所以，要想设计出好 的机器，必须很好地设计或选择它的零部件。 三、本课程的内容、性质和任务 1、内容 通用零部件：联接零件——螺纹、键、花键、销联接 传动零件——齿轮、蜗杆、带、链、螺旋传动 轴系零件——轴、滑动轴承、滚动轴承、联轴器和离合器 其 他——弹簧 2、性质：以一般通用零件的设计为核心的设计课程，是论述其基本设计 理论和方法的设计性技术基础课 基础：机械工程技术人员必须掌握的机械基础理论知识 培养：学生具有一定机械设计的能力，学会基本设计方法 专业：为了解本专业所用机械的传动原理、运行维修、改 造、自动控制等方面获得必要的基本知识 教学：学习专业课的基础 3、任务 • 培养正确的设计思想、创新意识和协作精神 • 掌握通用零件设计方法和理论，具有设计简单机械 以及改进、开发零件产品的能力 • 具有应用标准、规范、手册、图册和查阅相关技术资料的能力 • 掌握典型机械零件的实验方法、获得实验技能的基本训练 • 了解机械设计发展新动向 四、机械设计课程的学习方法 一条主线:失效形式 受力分析 强度计算 结构设计 本课程内容“繁杂”之对策： 关系多：查漏补缺深化理解，应用、发展、综合 门类多：对比分析总结规律 要求多：权衡轻重，具体问题具体分析 公式多：着重于公式的应用，搞清公式的性质、适用条件、符号 意义及单位等，不强调公式的推导。 图表多：要求能看懂、会用，了解适用的范围和变化趋势。 把握重点：零件的结构、选材、制法、标准、规范、适用场合、工作情 况、受力分析及应 力状态、失效形式及其机理、设计准则、设计方法与步骤、可能出现的问题与对策等， 而对公式的推导、经验数据的取得、某些曲线的来历等只需了解，不必深究。 §1.2 设计机器的基本原则和设计程序 1、基本要求 在满足预期功能的前提下，使产品性能好，效率高，成本低，在预定 的使用期限内安全可靠。 2、主要内容 1）确定机械的工作原理，选择适宜的机构 2）拟定设计方案 3）进行运动和受力分析，计算作用于各构件上的载荷 4）进行零部件工作能力计算（强度计算） 5）整体和结构设计 3、机械设计的一般过程 以减速器为例 明确设计要求 ↓n↑T，限制条件：通用化、标准化等 提出设计方案 齿轮减速（直齿、斜齿、蜗杆等） 总体设计 结构设计 试制鉴定 产品定型 带—齿轮—链 或 带—齿轮等 从中选 出最佳 方案 信 息 总体传递运动简图： 反 （电机—带—齿轮减速器—链—运输带） 馈 总装图、零部件图及技术条件 工厂试制、评价、论证 在设计过程中，这些步骤是相互交错、 反复进行的。设计者要从实际出发，注重调查 研究，善于学习，在实践中不断积累设计经验， 以期取得最佳成果。 从一个设计实例 看机械设计的一般过程 社会需求 结构设计 设计任务 方案设计 编制技术文件 以冲压工艺所需的压力加工设备为例进行分析 社会需求： 以上、下模具之间的直线往复运动对平板材料进行加工 （拉伸，弯曲，切断，冲裁，压印等）。 设计任务: 力——标准吨位 位移——工作行程 速度——最高连续工作速度 加速度——允许速度波动 运动精度——允许运动误差 经济性——最高造价 可靠性——平均无故障工作时间 安全性——意外情况下对人和设备进行保护 其他要求——运输，安装，调整 方案设计： 原动机： 选用交流电动机，满载转速1450r/min 工作机： 工作频率80次/min 中间传动机构： 需要解决的问题 ①旋转运动变换为直线运动 ②高速运动变换为低速运动 ③连续运动变换为往复运动 旋转运动变换为直线运动 可选择的运动变换技术方案： 1.曲柄滑块 2.齿轮齿条 3.凸轮顶杆 4.螺旋传动 …… 高速运动变换为低速运动 可选择的减速传动方案： 1. 带传动 2. 链传动 3. 齿轮传动 4. 蜗杆传动 曲柄压力机传动原理图 结构设计 仅以连杆部件为例讨论结构设计问题 结构设计 连杆部件 结构设计 连杆部件 A-A放大 A A §1.3 机械零件设计概述 一、设计机械零件应满足基本要求 工作可靠、成本低廉。 1、工作能力要求 2、结构工艺性要求 3、经济型要求 4、质量小及可靠性要求 二、步骤 1.确定零件的载荷----根据机器的具体运转情况和简化计算方案 ----名义载荷, 计算载荷 2.选择零件的材料----根据材料的力学性能、物理性质、经济因素、可获得性 3.确定零件的主要尺寸----根据工作能力准则,进行标准化\圆整 4.绘制零件图----根据确定的尺寸\结合结构\工艺的要求 5.零件图审核----确保图纸正确\合理\工艺性\经济性 三、 设计计算和校核计算 1.设计计算----(根据工作情况,工作准则,安全条件)求出危险剖面 尺寸,结合结构\工艺要求,进一步具体化结构尺寸 2.校核计算----根据工作能力准则,核验危险截面是否安全 #精确校核计算----充分考虑各有关因素的校核计算 3.条件性计算(设计、校核） 四、标准化、系列化、通用化 标准化是通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、 设计方法和制图要求等制定出各种设计者共同遵守的标准。 系列化是指对于同一产品，在同一基本结构或基本条件下，规定 出若干不同辅助尺寸的产品。 通用化是指在不同规格的同类或不同类产品之间采用同一结构 和尺寸的零部件。 三化意义： 1、减轻设计工作量 2、用先进技术生产标准件 3、减少技术过失的重复出现 4、提高互换性便于检修维护 5、有利于增加产品品种，扩大生产 耐磨性计算 GB和GB/T有什么不同？ 标准层次: 国际标准、国家标准、行业标准、企业标准 代 号 为: ISO 标准 性质 GB JB、HB QB 强制标准（GB） ——必须强制执行； 推荐性标准（GB/T） ——鼓励企业自愿采用。 GB ××××(为标准序号) －××××(为批准年代) ， 强制性国 标必须严格遵照执行，否则就是违法。 GB／T ××××－××××，推荐性国家标准占整个国标中的绝大多 数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的 效果。 • 国际标准 ISO ，代表140个国家的标准化组织； • 机械工业部标准 JB • 美国机械工程师学会标准 ASME The American Society of Mechanical Engineers 锅炉及压力容器规范被世界许多国家参照或直接采用。 §1.4 机械设计中常用材料 1、金属材料—力学性能好，能满足机械多种性能和用途要求，应用广泛 2、高分子材料—原料丰富，耐腐蚀性好，主要用于化工设备和冷冻设备中 3、陶瓷材料—硬度高、耐磨、耐腐蚀、熔点高。主要用于切削刀具等结构中。 4、复合材料—具有较高的强度和弹性模量，主要用于航空、航天领域中。 机械现代设计方法简介 ▲静态的 动态的 ——如机器结构动力学计算 ▲定性的 定量的 ——如有限元计算 ▲确定量 随机量 ——如可靠性设计 ▲可行性设计 ▲串行设计 ▲宏观的 ▲分部处理法 ▲人工设计 优化设计 ——如优化设计 并行设计 ——如并行设计 微观的 ——如微纳米摩擦学设计 系统工程法 ——如系统工程 自动化设计 ——如计算机辅助设计 CAD、优化设计、可靠性设计、并行设计、虚拟产品设计、参数化 设计、智能设计、绿色设计…… 机械设计的新发展 • 精密微型 • CAD • CAE • 虚拟设计 • 工业设计