《机械设计》讲义(第八版)濮良贵改编(第12章)

《机械设计》（第八版）濮良贵主编著第一章绪论1第一章绪论§１－１机器在经济建设中的作用机械是现代各行业的基础，是物质生产的基本工具，其应用水平是一个国家技术水平和现代化程度的重要标志，也是信息化产业的基础。设计则是产品生产的第一道工序，其成败很大程度上是在本阶段决定的。1．能做有用功：1）代替人力或完成人力所不能完成的工作。2）改善劳动条件，提高生产率。3）较人工生产提高产品质量。2．有利于产品的标准化、系列化和通用化。3．有利于产品生产的机械化、电气化和自动化。所以大量设计制造和广泛使用各种先进的机器是促进经济发展，加速现代化建设的一个重要内容。§１－２本课程的内容、性质与任务：一．内容介绍整台机器机械部分设计的基本知识，重点讨论：1．一般尺寸和常用工作参数下的通用零件的设计，包括其基本设计理论和方法。注：一般尺寸和参数：不包括巨/微型，高温/压/速等。2．介绍有关技术资料、标准的应用。例如：有关国标，机械零件设计手册等。学习的具体内容：（1）总论部分：机器及零件设计的基本原则，设计计算理论，材料选择，结构要求，以及摩擦、磨损、润滑等方面的基本知识；《机械设计》（第八版）濮良贵主编著第一章绪论2（2）连接部分：螺纹连接和螺旋传动，键、花键及无键连接和销连接等；（3）传动部分：带传动，齿轮传动，蜗杆传动等；（4）轴系部分：滚动轴承，轴的设计，联轴器、离合器和制动器等；（5）其它部分：弹簧、机座、箱体等。二．性质是以一般通用零件的设计为核心的设计性课程，主要讨论它们的基本设计理论与方法的技术基础课程。本课程不仅要求学生掌握机械零件的常用设计方法，主要是通过这些内容的学习，全面提高学生具备通用零件、部件，以及专用零件的设计能力。三．任务本课程的主要任务是培养学生：（1）有正确的设计思想和创新探索能力；（2）掌握一般设计方法，能设计简单机械的能力；（3）具有运用标准、手册和查阅资料的能力；（4）掌握典型的实验方法，具备基本的实验能力；（5）了解国家政策，了解机械的发展动向。例如：优化/可靠性设计，CAD等课程安排：共56学时，其中讲授48学时，实验8学时。《机械设计》（第八版）濮良贵主编著第二章机械设计总论3第二章机械设计总论§２－１机器的组成人们为了满足生产和生活的需要，研制了类型繁多、功能各异的机器。尤其是蒸汽机出现之后，使机器具有了完整的形态。一台完整的机器的组成如下：润滑、照明和显示等辅助系统原动机部分→传动部分→执行部分控制系统机器的主体1．原动机部分：驱动整部机器完成预定功能的动力源。一般为电动机或内燃机。2．执行部分：完成机器预定功能的部分。可仅有一个，也可有几个：单个执行部分：压路机的压辊；多个执行部分：桥式起重机的卷筒、吊钩部分执行上下吊放重物的功能，小车行走部分执行横向运送重物的功能，大车行走部分执行纵向运送重物的功能。3．传动部分：将原动机的运动、动力参数转换成执行部分所需的形式。如把旋转运动变为直线运动，高转速变为低转速，小转矩变为大转矩。机器的传动部分多数使用机械传动系统，也可使用液压或电力传动系统。机械传动是绝大多数机器不可缺少的重要组成部分。简单的机器只由上述三个基本部分组成。随着机器的功能越来越复杂，对机器的精确度要求也就越来越高，如只有以上三个基本部分，使用起来就会遇到很大的困难。所以机器除了以上三个部分外，还会有控制系统、传感部分和辅助系统等。4．控制部分－保证机器的启动、停止和正常协调动作。5．传感部分－将机器的工作参数，如位移、速度、加速度、温度、压《机械设计》（第八版）濮良贵主编著第二章机械设计总论4力等反馈给控制部分。6．辅助部分－包括机器的润滑、显示、照明等。也是保证机器正常工作不可缺少的部分以汽车为例：发动机是汽车的原动机；离合器、变速箱、传动轴和差速器组成传动部分；车轮、悬挂系统及底盘是执行部分；转向盘和转向系统、拍档杆、刹车及其踏板、离合器踏板及油门组成控制系统；油量表、速度表、里程表、润滑油温度表及蓄电瓶电流表、电压表等组成显示系统；后视镜、车门锁、刮雨器及安全装置等为其他辅助装置；前后灯及仪表盘灯组成照明系统；转向信号灯及车尾红灯组成信号系统。§２－２设计机器的一般程序一部机器的质量基本上决定于设计质量，制造过程对机器质量所起的作用，本质上就在于实现设计时所规定的质量。因此，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。它是一个创造性的工作过程，同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作。机器质量：1）设计质量（基本的，相当人的先天性）2）制造质量（主要是实现设计质量，相当于后天性）设计原则：在充分参考及继承已有成功设计经验上创新。作为一部完整的机器，它是一个复杂的系统。要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。见P5，表2-1。《机械设计》（第八版）濮良贵主编著第二章机械设计总论5设计的阶段工作步骤阶段的目标明确构形要求结构化决策—选定方案提出任务分析对机器的要求确定任务书要求机器功能分析提出可能解决的方案组合几种可能的方案评价计划阶段方案设计阶段零件设计部件设计总体设计编制技术文件选材料、定尺寸评价决策—确定结构形状及尺寸技术设计阶段技术文件的编制设计任务书提出原理性设计方案—原理图或机构运动图。总体设计草图及部件装配图，并绘制出零件图、部件图及总装图。编制设计计算说明书，使用说明书、标准明细表、其他技术文件等。《机械设计》（第八版）濮良贵主编著第二章机械设计总论6机械设计的一般过程：▲计划阶段▲方案设计阶段▲技术设计阶段▲技术文件编制阶段（一）计划阶段：这只是个预备阶段，其目标是给出设计任务书。此阶段主要由三项工作要做：（1）、调研：了解同类产品生产、使用情况、优缺点、材料、标准件有哪些及采用先进技术的可能性。（2）、分析：机器的功能、经济性、加工等约束条件。（3）、写出设计任务书：内容包括机器的功能、经济性估计、制造要求估计、基本使用要求及预计期限等。注意；对这些要求和条件，只是给出一个合理范围，而非准确数字。（二）方案设计阶段：这个阶段对设计的成败很关键。此阶段的目的是：提出原理性的设计方案、原理图或机构运动简图。1．机器功能分析：对机器功能中的必须要求、最低要求及希望要求进行综合分析，也就是这些功能能否达到，相互间有没有矛盾等。最后确定出功能参数。2．确定工作原理：实现同一种机器功能，可有多种工作原理。例：加工螺纹：1）机床车削：螺杆旋转，车刀直移。2）板牙铰制：螺杆固定，板牙既转又移。3）滚丝模滚压：3．拟定结构方案：同一种工作原理，可有多种执行机构的实现方案。《机械设计》（第八版）濮良贵主编著第二章机械设计总论7例：对刨削平面：工作原理是工件相对刀具的直移，方案有二：1）牛刨：工件固定，刀具直移。2）龙门刨：工件直移，刀具固定。原动机部分的方案也可以有多种选择。对绝大多数的固定机械都优先选择电动机作为原动机，热力原动机主要用于运输机、工程机械或农业机械。（热力发动机——将常规燃烧或核燃料反应产生的热能、地热能和太阳能等转换为机械功的动力机械，它是人类所利用的主要动力机械。常用的热力发动机有内燃机：包括汽油机、柴油机和煤气机等、燃气轮机和蒸汽动力装置等。）传动部分的方案就更为复杂了，对于同一传动任务，可以由多种机构及不同机构的组合来完成。因此，如用1N表示原动机的方案数，2N和3N分别代表传动部分和执行部分的可能方案数，方案有个，则机器的总方案数就为：321NNNN个。4．方案评价：应对多种工作原理和多个结构方案进行综合评价取其优。方案评价原则：经济性、技术上可行。经济性----总费用最低。经济性评价既要考虑设计及制造时的经济性，也要考虑使用时的经济性。如果机器的结构方案较为复杂，则其设计制造成本就要相对增大，但是随着机器机构的健全，其功能将更为齐全，生产率也较高，则使用的经济性较好；反之，若结构较为简单，功能不够齐全，虽然机器的设计及制造费用低，但使用费用却会增多。评价结构方案的设计制造经济型时，还可以用单位功效的成本来表示。例如单位输出功率的成本，单件产品的成本等。《机械设计》（第八版）濮良贵主编著第二章机械设计总论8进行机器评价时，还必须对机器的可靠性进行分析，从可靠性的观点来看，盲目地追求复杂的结构往往是不明智的。一般地讲，系统越复杂，则系统的可靠性就越低。为了提高复杂系统的可靠性，就必须增加并联备用系统，这就提高了机器的成本。环境保护也是设计中必须认真考虑的重要方面。通过方案评价，最后进行决策，确定一个据以进行下步技术设计的原理图或机构运动简图。方案设计阶段要正确处理好借鉴与创新的关系。同类机器的成功的先例应当借鉴，但其中的薄弱环节和不符合现有任务要求的部分应当加以改进或替换。坚决反对：1）保守和照搬原有设计；2）一味求新而把合理的原有经验弃置不用（三）技术设计阶段：技术设计阶段的目标是绘制总装配草图、部件装配草图，由草图设计确定零部件的外形、基本尺寸和零件工作图、部件装配图和总装图。为了确定零件的基本尺寸，必须完成以下工作：1．机器的运动学设计：按已定结构方案→选定原动机→根据原动机的参数（功率、转速、线速度等）→确定各运动构件的运动参数(转速、速度、加速度等）。2．机器的动力学计算：按结构及运动参数→计算主要零件所受的公称载荷（名义载荷）的大小及特性。（由于零件尚未设计出来）3．工作能力设计：由公称载荷大小和特性，根据工作能力准则作零部件的初步设计。通过计算或类比得出零件的基本尺寸。《机械设计》（第八版）濮良贵主编著第二章机械设计总论9也就是按结构、运动及动力参数→对零件作强度、刚度、稳定性及寿命的初步设计。4．部件装配草图及总装配草图的设计：根据已定出的主要零、部件的基本尺寸，设计出部件装配草图及总装配草图。在草图上，需要对所有零件的外形及尺寸进行结构设计。这个步骤中，要很好地协调各零件的结构及尺寸，同时考虑结构工艺性，使得全部零件有最合理的构形。5．主要零件校核：因为在初步计算设计时，零件外形、结构还未定，因此不能进行详细的工作能力的计算。绘出草图以后，所有的零件尺寸均已知，才能进行较为精确地校核，再根据校核结果，反复修改零件的结构及尺寸，直至满意。即：按装配草图→对零件精度校核→修改零件结构和草图。6．零件工作图设计：此时，要充分考虑靠零件加工和装配工艺性等细节，绘制零件的工作图。即：按草图确定的基本尺寸→定出零件全部结构尺寸及制造技术要求7．完成装配图：按定型的零件工作图上的结构及尺寸，重新绘制部件装配图及总装图。通过这一工作可以检查出零件工作图中可能隐藏的尺寸和结构上的错误。这一工作通俗称为纸上装配。（四）技术文件编制阶段：技术文件一般应包括：1．设计计算说明书：包括方案选择及技术设计的全部结论性内容。2．使用说明书：向用户介绍机器的性能参数范围、使用操作方法、《机械设计》（第八版）濮良贵主编著第二章机械设计总论10日常保养及简单的维修方法、备用件目录等。3．标准件明细表：列出所有标准件。§２－３对机器的主要要求设计机器的任务是在当前技术发展所能达到的条件下，根据生产和生活的需要提出的。不管机器的类型如何，一般来说，会对机器提出以下基本要求。（一）使用功能要求：机器应具有预定的使用功能。这主要靠正确地选择机器的工作原理，正确地设计或选用能够全面实现功能要求的执行机构、传动机构和原动机，以及合理地配置必要的辅助系统来实现。（二）经济性要求：机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，设计机器时就要全面综合地进行考虑。设计制造的经济性表现为机器的成本低，使用经济性表现为高生产率，高效率，低能耗，以及低的管理和维护费用等。即：1）设计制造经济性：→机器成本低。2）使用经济性：高产、高效、低能耗，易操作维护。提高设计和制造经济性指标的主要途径有:1）采用先进的现代设计方法(CAD)，使设计参数最优化,达到尽可能精确的计算结果,保证机器足够的可靠性。2）最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零、部件。3）尽可能采用新技术、新工艺、新结构和新材料。4）合理地组织设计和制造过程。5）力求改善零件的结构工艺性，使其用料少、易加工、易装配