机械设计总论

第二章机械设计总论§2-1 机器的组成§2-2 设计机器的一般程序§2-3 对机器的主要要求§2-4 机械零件的主要失效形式§2-5 设计机械零件时应满足的基本要求§2-6 机械零件的计算准则§2-7 机械设计的过程§2-8 机械零件设计的一般步骤§2-9 机械零件材料的选用原则§2-10 机械零件设计中的标准化§2-11 机械零件设计方法§2-1机器的组成传统机器都包含如下三个部分：驱动装置传动装置执行装置原动机，是机器的动力来源。

常用：电动机、内燃机、液压缸和气缸等。

处于整个传动路线的终端，按照工艺要求完成确定的运动，是直接完成机器功能的部分。

执行装置随机器的用途不同而不同，属于各种专业机械课程研究的内容。

驱动装置传动装置执行装置将原动机的运动和动力传递给执行装置，并实现运动速度和运动形式的转换。

运动速度的转换运动形式的转换运动速度的转换传动装置解决原动机速度和执行装置速度不匹配的问题。

一般的普通交流电动机速度是固定的。

一般机器执行部分速度低于原动机的转速,需要减速。

（也有相反的情况，需要增速）。

许多机器还需要执行装置有多种不同的速度。

鼠笼式交流电动机的同步转速（r/min）500600 750 1000 1500 3000带、链传动各种齿轮传动减速器例如自行车链传动例如汽车、机床的变速器运动形式的转换机器执行部分可能有各种运动形式：一般的原动机作回转运动变速回转往复摆动往复移动间歇运动特定轨迹转换运动形式的各种机构间歇运动机构连杆机构连杆机构连杆机构凸轮机构凸轮机构连杆机构随着20世纪后半叶以来现代科学技术的发展，特别是控制理论的发展和计算机在工业上的应用，机器的组成更复杂了。

驱动装置传动装置执行装置控制装置检测伺服电机的输出转角检测执行装置的运动输出由程序给定运动规律前馈控制反馈控制传感器传感器控制装置的作用是控制机器各部分的运动。

测量运动构件真实运动情况，并将测量结果随时反馈给控制系统发出指令调节伺服电机的运动驱动装置传动装置执行装置控制装置驱动装置传动装置执行装置传统机器现代机器普通车床牛头刨床空气压缩机起重机掘土机皮带运输机……机器人数控机床……心脏躯干，臂手脑眼认识机器方案设计{确定工作原理确定机械系统运动方案1. 方案设计根据机械的功能要求，确定机械的总体方案。

§2-2 设计机器的一般程序螺纹加工方法车削加工丝锥加工滚压加工例：比重不同重选磁性不同磁选对特定液体泡沫的吸附性不同浮选例：选矿机械的工作原理矿石脉石磁铁螺纹加工的工作原理选矿机械的工作原理u机械的工作原理不同，机械的面貌就完全不同。

u确定工作原理是方案设计的第一步。

方案设计{确定工作原理确定机械系统运动方案1. 方案设计根据机械的功能要求，确定机械的总体方案。

确定执行构件的运动选择原动机采用哪些机构实现运动形式的转换采用哪些机构实现运动速度的转换确定传动装置的布局确定机械系统运动方案u 方案设计是机械设计中至关重要的一步。

u 它从根本上影响机械的结构、性能、成本。

u 应充分调查研究，并集思广益，提出多种方案，并按照四项基本要求，认真地进行比较、分析，以选择出最优方案。

方案设计{确定工作原理确定机械系统运动方案2.运动学分析与设计确定传动装置中各机构的基本几何参数。

例如：牛头刨床：确定连杆机构的各杆杆长，来保证滑枕的速度规律符合要求；内燃机：确定连杆机构的尺寸，凸轮的轮廓曲线，齿轮的齿数等。

3. 工作能力分析与设计保证零件在一定的使用期限内不发生失效。

通过设计确定零件的参数和基本尺寸。

例如：轴的直径齿轮的大小和齿的大小4. 动力学分析与设计对运转速度较高的机械，会产生振动和速度波动等有害的动力学现象，应进行必要的动力学分析。

在此基础上对参数进行必要的修改，或采取一些措施减轻其影响。

5.结构设计在确定了各个零件基本参数的基础上，对各零件的结构进行构思，确定零件的全部尺寸。

这部分设计工作主要体现在图样上。

6.装配图和零件图的绘制作为制造的依据，应绘制出整个机械的装配图、组成机械的各个部件的装配图，以及全部非标准化零件的零件图。

图样上应标明制造所需要的全部信息：材料、热处理、基本参数和所有必要的尺寸，以及加工精度等技术条件。

此外，还应提出所有外购件的明细表。

§2-3 机械设计(对机器)的主要要求n功能性要求n经济性要求n可靠性要求n社会性要求n其它专用要求1．功能性要求机械产品必须完成规定的功能。

机械的功能可表达为一个或几个功能指标。

例：电池自动分拣机电池自动分拣机电池托盘z 向进给机构输送装置机械手主要功能指标：每分钟分拣电池的个数。

主要功能指标：（1）被加工工件的尺寸范围；（2）滑枕应具有若干种不同的往复运动速度，以满足不同切削工艺的要求；（3）工作台沿横向应能实现若干种不同的进给量；（4）应能供给并传递足够的功率，以克服切削力；（5）应能保证一定的加工精度。

例：牛头刨床机械功能指标的确定：由用户提出由设计者与用户协商确定机械的功能指标是机械设计最基本的出发点。

2．经济性要求制造成本使用成本简化结构选用适当的材料确定合理的加工精度标准化、系列化和通用化降低机械的能量损失考虑到维修的方便性和经济性{成本设计阶段的工作如何，就基本上决定了一个产品成本的高低。

¯¯¯¯¯¯-----=C C CC C F FF F F V Cost FunctionValue 途径：成本功能价值经济性要求：实现价值优化费用总费用设计制造费用使用费用3．可靠性要求机械零件的内部和表面产生应力和变形磨损曲轴折断潘存云教授研制齿轮损坏机械要传递力和力矩有可能导致零件的失效可靠度Reliability失效概率FailureR+F=1机械应能保证在规定的使用寿命期限内，零件不发生各种型式的失效。

为此要进行强度、刚度和寿命的计算，这些计算在整个设计工作量中占了很大的比例。

4．社会性要求即劳动保护和环境保护要求：所设计的产品不应对人、环境和社会造成消极影响。

n 操作者的安全性和舒适性n机械的造型和色彩美观、大方、宜人n 符合国家在环境保护方面的法规数控加工中心机械是否满足社会性要求，完全取决于设计。

对机械设计的四项基本要求功能性要求经济性要求可靠性要求社会性要求例：汽车载货（客）量速度舒适性排放量美观安全性…………耐用性耗油量价格机械的功能指标是机械设计最基本的出发点。

方案设计……从根本上影响机械的结构、性能、成本。

机械应能保证不发生各种型式的失效。

为此要进行强度、刚度和寿命的计算，占设计工作的很大比例。

设计阶段的工作如何，就基本上决定了一个产品成本的高低。

机械是否满足社会性要求，完全取决于设计。

功能性要求可靠性要求经济性要求社会性要求实现自主创新拥有独立知识产权的关键环节§2-4 机械零件的主要失效形式失效：失去正常的工作状态。

一、整体失效：断裂静强度疲劳),(lim rbssss>例：齿轮轮齿、螺栓、轴承等。

轴承内圈断裂齿轮轮齿断裂当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。

齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形二、过大的残余变形ss s >四、破坏正常工作条件引起的失效例：滑动轴承：油膜破坏带传动：打滑高速轴：共振三、零件的表面破坏（占零件失效70%多）类型：腐蚀、磨损、接触疲劳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§2-5 设计机械零件时应满足的基本要求v（一）避免在预定寿命期内失效的要求v强度、刚度、寿命（二）结构工艺性要求：便于制造和装配工艺性：毛坯、制造、装配（三）经济性要求：省时、省料经济性：降低消耗、简化结构、减少工时、工艺性好（四）质量小的要求：节约材料，节约能源措施：缓冲、均载、等强度、预应力。

以冲、焊件代替铸、锻（五）可靠性要求§2-6 机械零件的设计准则v（一）强度准则v（二）刚度准则v（三）寿命准则v（四）振动稳定性准则v（五）可靠性准则（一）强度准则——极限应力t S S lim lim ][][t t t s s s s =£=£ïîïíì---疲劳极限塑性材料脆性材料)()()()(lim lim Y Y S S B B t s t s t s t s lim s t S S a 、——计算安全系数)()(S S B B t s t s 、——静强度（二）刚度准则][y y £变形量许用变形量y ——可以是挠度、偏转角或扭转角（三）寿命准则：腐蚀、磨损和疲劳腐蚀、磨损目前尚无可靠的计算方法疲劳寿命计算第三章介绍（四）振动稳定性准则要求机械振动频率p f 远离机械的固有频率，ff f f p p 15.1,85.0><如不满足可采取的措施：1）改变机械及零件的刚度；2）采取减振措施特别是一阶固有频率f ，即五、可靠性准则曲线称为浴盆曲线—时间—失效率总件数正常数t t f e N N R tdt )(00=ò==-l l 0t lIII III 浴盆曲线一、机械设计的过程设计的类型适应性设计开发性设计参数化设计工作原理主体结构功能三者中至少应该有一项是首创的§2-7 机械设计的过程开发性设计三者中至少应该有一项是首创的实例照相机数码照相机手机上的照相机工作原理功能主体结构老式照相机数码照相机手机上的照相机单缸洗衣机双缸洗衣机普通车床工作原理功能主体结构双缸洗衣机立式车床立式车床三者中至少应该有一项是首创的实现自主创新，拥有自主自主知识产权主要依靠开发性设计。

创新性最强、过程最完整。

对现有的机械进行局部的修改或增补。

不改变机械的基本结构、只改变机械功能的范围、机械的尺度和参数。

一、机械设计的过程设计的类型方法适应性设计开发性设计参数化设计工作原理主体结构功能三者中至少应该有一项是首创的机械设计的完整过程投产以后计划阶段方案设计阶段试制试验阶段技术设计阶段以开发性设计为例计划阶段n提出设计任务（市场需求，用户委托，主管部门下达）n可行性研究（重大问题应召开论证会）n编制设计任务书方案设计阶段n提出机械的工作原理（通过调查研究和必要的分析，还可能需要进行原理性试验）n提出几种机械系统运动方案（进行必要的运动学设计，一般是初步的、粗略的）n确定出最佳总体方案（经过分析、对比和评价，作出决策）技术设计阶段n运动学分析与设计n工作能力分析与设计n动力学分析与设计n结构设计n装配图和零件图的绘制试制试验阶段n通过试制和试验，发现问题，加以改进，修改某一部分设计结果。