机械设计第1章绪论.ppt

第一篇机械设计工程问题总论 第一章 绪 论 1.1 机械设计课程的性质、研究对象和任务 n 机械设计课程是一门综合应用各先修课程（如数 学、物理学、材料力学、理论力学、金属工艺、机械制图、 机械原理等）的基础理论和实践性质的设计性技术基础课， 是机械工程的一门主干课程。是以一般通用零件的设计计算 为核心的设计性课程，是一门设计性、综合性和实践性都很 强的技术基础课。 n 关于机械设计的理论与方法是博大精深的，而作 为大学本科阶段的一门课程，机械设计课程的主要任务是讲 述通用机械零部件的设计以及机械系统设计的基础知识。为 了帮助读者对机械设计要考虑的问题有一个综合性的了解,特 安排第2章机械设计中的综合约束问题。 课程的性质 二、机器的基本组成要素 一个机械系统一般包含机械结构系统、驱动动力系统、检测与控制系统。 一台机器的机械结构总是由一些机构组成的，每个机构又是由若干零件组 成的。有些零件是在各种机器中常用的，称之为通用零件；有些零件只有 在特定的机器中才用到，称之为专用零件。 通用零件包括： 齿轮、链传动、带传动、蜗杆传动、螺旋传动； 轴、联轴器、离合器；滚动轴承、滑动轴承； 螺栓、键、花键、销；铆、焊、胶结构件； 弹簧、机架、箱体等。 专用零件例如：叶片、犁铧、枪栓等。 通用零件是本课程的主要学习对象，而专用零件的设计方法应在有关专业 课中学习。 研究对象 本课程的任务 w(1) 使学生掌握通用机械零件的设计设计 原理、方法和机械设计设计 的一般规规律，具有设计设计 机械传动传动 装置和简单简单 机械的能力； w(2) 树树立正确的设计设计 思想，培养理论联论联 系实际实际 、调查调查 研究、 刻意创创新的作风风，以及解决机械设计问题设计问题 的能力，了解国家当 前的有关技术经济术经济 政策； w(3) 培养学生具有运用标标准、规规范、手册、图图册和查阅查阅 有关 技术资术资 料的能力； w(4) 使学生掌握典型零件的实验实验 方法，轴轴系结结构与传动传动 件的 设计设计 及组组合并获获得实验实验 技能的基本训练训练 ，培养学生工程实实践能 力； w(5) 使学生对对机械设计设计 的新发发展有所了解，并根据学科发发展 动态动态 ，对课对课 程内容作必要调调整； w(6) 培养学生在机械设计设计 方面具有市场经济场经济 意识识和创创新能力 ； 第一节 学习本课程的注意事项 （1）注意理论联系实际，将机械零件的设计放到整个机械系 统中加以考虑。具体问题具体分析，不要死搬教条，要学会综合 性看问题。 （2）注意掌握各章基本理论、基本概念和基本公式，不强调 系统地理论分析。 （3）掌握机械零部件设计的一般思路，从各零部件的工作原 理、失效形式、常用材料、承载能力、参数选择和结构设计等几 方面学习各章内容。 （4）密切联系生产实际，多从日常生活中观察思考，培养发 现问题、分析问题和解决问题的能力。 （5）注意记好课堂笔记。 一、机械工业在现代化建设中的作用 1.2机器的构成及其功能结构 机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志。 机器是代替人们体力和部分脑力劳动的工具，机器既能承担人力所不能或 不便进行的工作，又能较人工生产改进产品质量，特别是能够大大提高劳 动生产率和改善劳动条件。 只有使用机器，才能便于实现产品的标准化、系列化和通用化，尤其是便 于实现高度的机械化、电气化和自动化。 机械工业肩负着为国民经济各个部门提供装备和促进技术改造的重任。 大量地设计制造和广泛采用各种先进的机器，可大大加强促进国民经济发 展的力度加速我国的现代化建设。 认识机器1 认识机器 在学习机械设计课程之初，有必要对机械的组成， 机械的基本要素有一个感性的了解。下面先看几个例子 。 （1）医疗机械；（2）动力机械；（3）交通运输机械 ；（4）加工机床；（5）农业机械；（6）林业机械； （7）矿山机械；（8）冶金机械；（9）化工机械；（ 10）工程机械；（11）纺织机械；（12）印刷机械；（ 13）包装机械；（14）食品机械；（15）钻探机械；（ 16）机器人。 医疗机械图 NJP900型全自动硬胶囊填充机 ACM803呼吸机ACM603麻醉机 动 力 机 械 图 把其它形式的能量转换为机械能输出的机械，统称动力机械 1）电动机2）内燃机3）风力机 具有较大活动范围、以搬为主要目的的机械，统称为交通运输机械 1）汽车 2）飞机 3）轮船 交 通 运 输 机 械 图 各类加工机床图 电火花数控线切割机床 CJL06系列仪表车床 农业机械图 林业机械图 MQ-G1300C贴面机 定向结构板生产线成套设备(部分) 矿山机械图 轮式装载机 粉碎机 雷蒙磨 双 转转 子 反 击击 式 破 碎 机 ： 双 转转 子 反 击击 式 破 碎 机 ： 双转子反击破碎机 冶金机械图 步进式高速冷床 冷轧机组及酸洗、 卷取、分条机组设备 化工机械图 发 酵 罐 电加热反应锅 WZI型外加热式真空蒸发器 ZJG型内加热搅拌真空干燥机 板框压滤机振动筛 工程机械图 纺织机械图 纺织机 纺织机 箭杆织机 印刷机械图 罗兰百花(PAPVA)对开机 海德堡（M-OFFSET）四开机 包装机械图 TM1400型半自动贴面机 GR-300型家禽骨肉分离机 食品机械图 Unp-803 电动刨冰机 易拉罐封装口生产线 钻探开采机械图 ZQ80y型钻杆钳 950-H旋转器 抽油机 认识机器2 工业机器人 工业机器人的定义： 其操作机时自动控制的，可重复编程、多用途，并可对三个和三个以上的轴 进行编程。它可以是固定式或移动式。在工业自动化中使用。 工业机器人包括操作机和控制系统（硬件和软件）。 所谓操作机是一种机器，其机构通常是由一系列相互铰接或相对滑动的构件 所组成。它通常有几个自由度，用以抓去或移动物体。 注：左键单击图片可演示视频 机器人焊接机器人去毛刺 认识机器3 工业机器人 数控加工中的工业机器人 注：左键单击图片可演示视频 认识机器4 工业机器人 示教板 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 工业机器人的组成 操作机 在控制系统的控制下，实 现各种复杂运动。每个关 节内有电动机和减速器 认识机器5 工业机器人操作机 工业机器人 电机底座 轴壳 减速器 滚子轴承 基座 二、机器的基本组成要素 机器的基本组成要素 一个机械系统一般包含机械结构系统、驱动动力系统、检测与控制系统。 一台机器的机械结构总是由一些机构组成的，每个机构又是由若干零件组 成的。有些零件是在各种机器中常用的，称之为通用零件；有些零件只有 在特定的机器中才用到，称之为专用零件。 通用零件包括： 齿轮、链传动、带传动、蜗杆传动、螺旋传动； 轴、联轴器、离合器；滚动轴承、滑动轴承； 螺栓、键、花键、销；铆、焊、胶结构件； 弹簧、机架、箱体等。 专用零件例如：叶片、犁铧、枪栓等。 通用零件是本课程的主要学习对象，而专用零件的设计方法应在有关专业 课中学习。 机器的组成1 机器的组成 人们为了满足生产和生活的需要，设计和制造了类型繁多、功能各 异的机器。 一台完整的机器的组成大致可包括： 原动机部分传动部分执行部分 润滑、显示、照明等辅助系统 控 制 系 统 传感器传感器传感器 三、1、 图1.2所示为卷扬机(又称绞车)。它由电动机1、联轴器2、制动器3、减速器4、联 轴器5、卷筒6、钢丝绳7等组成，它是一种通用的起重机械设备，可用于提升、 装卸或牵引重物。广泛地应用在工厂、矿山、建筑、安装等各个部门。图中加上 滑轮8和料斗9即为提升上料机械。 3 2 1 8 7 6 5 4 9 1-电动机；2-联轴器；3-制动器；4-减速器5-联轴器；6-卷筒；7 -钢丝绳；8-滑轮；9-上料斗 图1.2 卷扬机 1.联接件 为了便于机器的制造、安装、运输、维修以及提高劳动生产率等， 广泛地使用各种联接。因此，机械设计人员必须熟悉各种机器中常用的 联接方法及有关联接零件的结构、类型、性能与适用场合，掌握它们的 设计理论或选用方法。 2.机械传动零件 工作机一般都要靠原动机供给一定形式的能量(绝大多数是机械能)才 能工作。但是，把原动机和工作机直接联接起来的情况是很少的，往往 需在二者之间加入传递动力或改变运动状态的由各种传动零件组成传动 装置。 3.轴系零部件 一切作回转运动的传动零件都需要安装在轴上才能实现运动和动力的传递 ，大多数轴还起着传递转矩的作用。轴要用滑动轴承或滚动轴承来支承，有时 也通过联轴器或离合器传递运动和动力。因此轴系零部件的主要功能是支承回 转零件并传递运动和动力。 一般机械中的零部件功能分类类 三、 2 4.其它零部件 机器的机械结构除由以上零件组成外,还包括其它一些零件。如弹簧、 箱体、导轨和铰链等。为了帮助读者了解其他零部件结构及设计,本书 安排了第15章弹簧和第16章箱体、导轨与铰链。 机械设计设计 中的联联接问题问题 经验设计与现代设计 二者均重要，前者是后者的基础。 具体的设计方法与一般的设计能力 前者是学习的形式，后者是学习的目的。 一般机械中的零部件功能分类类 三、 3 机械设计设计 中的联联接问题问题 w机械联接有两大类：类是机器工作时，被联接的零(部)件 间可以有相对运动的联接，称为机械动联接(将在第16章介绍) ，如机械原理课程中讨论的各种运动副；另一类则是在机器工 作时，被联接的零(部)件间不允许产生相对运动的联接，称为 机械静联接，这是本书所要讨论的内容(将在第3章、第4章介 绍)。在机器制造中，“联接”这一术语实际上只指机械静 联接，所以本书中除了指明为动联接外，所用到的“联接”均 指机械静联接。 w机械静联接又分为可拆联接和不可拆联接。可拆联接是不须 毁坏联接中的任一零件就可拆开的联接，故多次装拆无损于其 使用性能。常见的有螺纹联接、键联接(包括花键联接、无键 联接)及销联接等，其中尤以螺纹联接和键联接应用较广。不 可拆联接是至少必须毁坏联接中的某一部分才能拆开的联接， 常见的有铆钉联接、焊接、胶接等。 w另外，还有一种可以做成可拆或不可拆的过盈联接，在机器 中也经常使用。 w原动机和工作机之间往往由于工作需要加入传递动力或改变运动 状态的传动装置。因此传动装置是大多数机器或机组的主要组成部 分。其主要原因是： w(1)工作机所要求的速度，一般与原动机的最优速度不相符合，故 需增速或减速(实用中多为减速)。此外，原动机的输出轴通常只作 匀速回转运动，但工作机所要求的运动形式却是多种多样的，如直 线运动、间歇运动等。 w(2)很多工作机都需要根据生产要求而进行速度调整，但依靠调整 原动机的速度来达到这一目的往往是不经济的，甚至是不可能的。 w(3)在有些情况下，需要用一台原动机带动若干个工作速度不同的 工作机。 w(4)为了工作安全及维护方便，或因机器的外廓尺寸受到限制等其 它原因，有时不能把原动机和工作机直接联接在一起。 机械设计设计 中的传动问题传动问题 机械设计设计 中的传动问题传动问题 w实践证明，传动装置在整台机器的质量和成本中都占 有很大的比例。机器的工作性能和运转费用也在很大的 程度上决定于传动装置的优劣。因此，不断提高传动装 置的设计和制造水平就具有极其重大的意义。 w根据工作原理的不同，可将传动分为机械传动和电传 动两类。机械传动又分为摩擦传动、啮合传动、液力传 动和气力传动。现代机器往往需要综合运用上述某些传 动组成复杂的传动系统，以满足对机器提出的各种功能 要求。 w本书主要介绍几中最常用的机械传动零件,包括螺旋传 动(第五章)、带传动(第6章)、链传动(第7章)、齿轮传 动(第8章)和蜗杆传动(第9章)。 机械设计设计 中的轴轴系设计问题设计问题 w轴与其上的零件组成一个组合体轴系零部件,它是组成机械的 重要零件之一,它用来安装各种传动零件，使之绕其轴线转动，传递 转矩或回转运动，并通过轴承与机架或机座相联结。 w轴的设计应满足下列几方面的要求：在结构上要受力合理，尽量 避免或减少应力集中，足够的强度(静强度和疲劳强度)，必要的刚 度，特殊情况下的耐腐蚀性和耐高温性，高速轴的振动稳定性及良 好的加工工艺性，并应使零件在轴上定位可靠、装配适当和装拆方 便等。 w轴承是支承轴的部件。根据轴承中摩擦性质不同，可分为滑动摩 擦轴承(简称滑动轴承)和滚动摩擦轴承(简称滚动轴承)两类。滑动 轴承常在某些不能、不便或使用滚动轴承没有优势的场合,如工作转 速特高、特大冲击与振动、径向空间尺寸受到限制或必须剖分安装( 如曲轴的轴承)、以及需在水或腐蚀性介质中工作等条件下显示出独 特的优势。 w滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件 间的滚动接触来支承转动零件的。由于滚动轴承已标准化,设计者只 需根据具体工作条件正确选择轴承的类型和尺寸、验算轴承的承载 能力，以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置 设计”问题(详见第12章) 机械设计设计 中的轴轴系设计问题设计问题 w联轴器和离合器是机械传动中常用的轴系部件。它们主要用来联接 轴与轴(或联接轴与其它回转零件)，以传递运动与转矩；有时也可用 作安全装置。根据工作特性，它们可分为以下四类： w(1)联轴器 用来把两轴联接在一起，机器运转时两轴不能分离； 只有在机器停车并将联接拆开后，两轴才能分离。 w(2)离合器 在机器运转过程中，可使两轴随时接合或分离的一种 装置。它可用来操纵机器传动系统的断续，以便进行变速及换向等。 w(3)安全联轴器及安全离合器 机器工作时，如果转矩超过规定值 ，这种联轴器及离合器即可自行断开或打滑，以保证机器中的主要零 件不致因过载而损坏。 w(4)特殊功用的联轴器及离合器 用于某些有特殊要求处，例如在 一定的回转方向或达到一定的转速时，联轴器或离合器即可自动接合 或分离等。 设计机器的一般程序 第二节 机械设计的一般进程 现现代机械设计设计 的特点: 从基于经验转变为基于设计科学，成为人们主动的、按思维规律有意 识地向目标挺进的创造过程。 现代机械设计的准则拓宽到产品涉及的更多领域。 现代机械设计则可根据各种给定的条件，运用优化设计理论和方法， 借助电子计算机求得最佳设计参数和方案，因此，设计的耗费低、速 度快，而且科学地反映设计的最优状态。 今天并行设计技术，使人们在作出一个方案的设计时，从计算机网络 中同时获得后续过程相关信息使设计者有可能及时修改方案，寻求一 个全面的、综合的优化方案。今天的现代机械设计技术己成为CAD CAPPCAM及其集成技术，即CIMS中的重要环节，是“先进制造技术”中 一个重要组成部分。 机械设计设计 的创创新与优优化 w1机械设计的创新问题 w机械创新设计要解决的一个核心问题是：探讨机械产品创造发明 的机理、模式、过程及方法，并尽力能将其程式化、定量化，乃至 符号化、算法化，提高设计的可操作性，结合各种先进的分析和综 合手段，提高设计效率和质量。 w2机械设计的优化问题 w机械优化设计是在二十世纪六十年代迅速发展起来的一种新的设 计方法，它建立在近代数学最优化方法和计算机程序设计的基础上 ，成为解决复杂设计问题的一种有效的工具，并且是计算机辅助设 计应用中的一个重要方面 。因此优化设计已成为现代机械设计理论 和方法中的一个重要方面，并且愈来愈受到从事机械设计的工程技 术人员的重视。 机械设计设计 的经济经济 性问题问题 w为了提高产品的实用价值，可以采用或增加产品的功能， 或降低产品的成本，或既增加产品的功能，又同时降低成本 等多种多样的途径。提高产品的实用价值就是用低成本实现 产品的功能，而产品的设计问题就变为用最低成本向用户提供 必要功能的问题了。开展价值分析、价值工程的研究可以取得 巨大的经济效益。提高产品的价值可以从以下三个方面着手： w(1)功能分析：从用户需要出发，保证产品的必要功能，去 除多余功能，调整过剩功能，必要时增加功能； w(2)性能分析：研究一定功能下提高产品性能的措施； w(3)成本分析：分析成本的构成，从各方面探求降低成本的 途径。 机械设计设计 中的可持续发续发 展问题问题 w机械设计要符合可持续发展战略,必须考虑以下几个方 面的问题： w (1)环境保护问题 w(2)工作条件问题 w(3)资源优化问题 w(4)产品成本问题 机械设计设计 的一般进进程 w（1）设计任务的研究和制订 w根据社会、市场或用户的需要和使用要求确定机器的功能范围和工作指 标，研究实现的可能性；明确设计需要解决的课题；编制出完整的设计任务 及明细表。 w（2）方案设计 w根据设计任务书的要求，确定机器的工作原理和技术要求；拟定机器的 总体布置、传动方案和机构简图等。在这一阶段中，往往要进行多方案比较 和技术经济评价，从中选出最佳方案。 w（3）总体设计 w内容包括：零、部件的布置；机构的运动学和动力学分析；动力 计算；零、部件的工作能力计算，必要时可进行模型试验和测试以 取得设计数据；最后确定零、部件和机器的主要参数和尺寸。 w（4）施工设计 w根据总体设计和结果，考虑零、部件的工作能力和结构工艺性， 将零、部件的全部尺寸和形状、装配关系和安装尺寸等完全确定下 来，绘制出零、部件和整机的全部工作图，编写出各种技术文件和 说明书。 机械设计设计 的一般进进程 w（5）鉴定和评价 w设计结果是否能满足使用要求；机器的预定功能是否能全部实现 ；可靠性和经济性指标是否合理；与同类机器相比有何改进效果； 制造部门是否能够制造等均需经过鉴定，给予科学的评价。 w（6）机器定型设计 w经过鉴定和评价，对设计进行必要的修改后就可进行小批量的试 制和试验，必要时还应在实际使用条件下试用，对机器进行各种考 核和测试。通过几个小批量生产，在进一步考察和验证的基础上将 原设计进行改进之后，即可进行适用于成批生产的机器定型设计。 对机器的主要要求 机械设计的基本要求 机械的类型虽然很多，但其设计的基本原则却大致相同，主要有以下几个方面。 (1)满足使用要求。首先是能够按照预期的技术要求顺利地执行机械的全部职 能；其次是能在预定的寿命期限内可靠地工作而不发生破坏，不致因过度的磨损 或产生过度的变形而导致机械的失效，也不会因机械的运转不准确，以及强烈的 冲击振动等而影响机械的正常工作质量。 (2)满足经济性的要求。机械的经济性是指在设计、制造上要求成本低、生 产周期短；在使用上要求生产率高，效率高，适应范围大，能源和辅助材料消耗 少，操作方便，以及维护费用低廉等。 (3)满足工艺要求。机械的工艺性要求是指在不影响机械工作性能的前提下， 应使机械的结构尽可能简化，选用最简单合理的机构组合方案，尽量采用标准的 零、部件，并要求制造装配的劳动量最少，装拆维修方便。 (4)满足劳动保护的要求。劳动保护是指操作的安全性，最大限度地减少工 人操作时的体力和脑力消耗，改善操作者的工作条件，降低噪音等。 (5)满足其它特殊要求。有些机械各自还有本身的特殊要求，如航空航天产品要 求重量轻，经常搬动的机械要便于拆、装和运输等。 机械零件设计的基本要求 以上是机械设计的宏观要求，在机械设计过程中，我们还会遇到具体的机械零件 的设计，设计机械零件应满足的基本要求是： (1)工作能力要求 组成机器的所有零件必须具有相应的工作能力，为避免在预定寿命期限内失效 ，机械零件应具有强度大、刚度足、抗疲劳、耐磨损和防腐蚀等性能，否则就会 失效。 (2)结构工艺性要求 机器零件具有良好的结构工艺性，就是要求零件的结构合理，外形简单，在既 定生产条件下易于加工和装配。零件的结构工艺姓不仅与毛坯制造、机械加工和 装配要求有关，还与零件的材料、生产批量和生产设备条件等有关。零件的结构 设计