机械设计的基本要求

1、机械设计概述教学导航教学目标了解机器的组成，机械设计的基本要求、内容与步骤，以及机械设计中的标准化教学重点机器的组成：机器、机构、零件等概念：机械设计的基本要求与步骤教学难点机器的结构组成、原理推荐学时2学时推荐教法现场教学，分组讨论1.1机械、机器、机构机械是机器和机构的总称，本书的研究对象便是机械。人类的发展史就是生产力的发展史。为了满足生产和生活上的需要，人类创造了各种各样的机械(如图1.1所示)，用来代替或减轻人的劳动，提高生产效率。(d)水排鼓风炼铁(e)缝纫机(f)牛头刨床a机械设计基础第i单元机械设计概述a图1.1各种各样的机械示例随着科学技术的飞速发展，使用机械进行生产的水平已

2、经成为衡量一个国家技术水平和现代化程度的重要标志之一。机器是人们用来进行生产劳动的工具。机器的种类繁多，在生产中常见的有内燃机、电动机、冲床、机器人等，在日常生活中常见的有缝纫机、电风扇等。虽然它们的结构和用途各不相同，但却有着共同的特征，即都是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量。如图1.2所示为一单缸内燃机，它是由活塞1、连杆2、曲轴3、齿轮4与5、凸轮6、顶杆7及汽缸体8等部分组成的。当气体推动活塞1时，通过连杆2将运动传至曲轴3，使曲轴3转动。从此可以看出，内燃机的基本功能就是使燃气在缸内经过进气压缩燃烧排气的循环过程，将燃烧的热能转变为使曲轴转动的机械能。图1.2单缸内燃机1活塞2

3、连杆3曲轴4、5齿轮6凸轮7顶杆8汽缸体如图1.3所示为颚式破碎机，它是由机架1、偏心轴2、动颚板3、肘板4、带轮5、定颚板6等组成的。偏心轴2与带轮5固连，电动机通过带传动驱动偏心轴转动，使动颚板作平面运动，轧碎动颚板与定颚板之间的矿石。图1.3颚式破碎机511机架2偏心轴3动颚板4肘板5带轮6定颚板图1.4整体式曲轴图1.5刚性组合式连杆【全国舄聃舄专机电系列规刻教材】3通过对各种机器进行结构分析可以发现，它们都有如下3个共同的特征。、都是人为的多个实物的组合。、各实物之间具有确定的相对运动。、它们都能代替或减轻人类的劳动，实现能量转换或完成机械功。具有前两个特征的实物组合称为机构。机构用

4、来认识机器的工作原理和分析组成机器的各实物之间的相对运动关系。在各种机械中普遍使用的机构称为常用机构，如连杆机构凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等。1.2构件、零件和部件组成机构的相互间作确定相对运动的各个实物，称为构件。机构是由构件组成的，一个机构中可包括若干个构件。从运动的角度来看，构件是机械中最基本的运动单元，每个构件都具有独立的运动特性。从制造加工的角度来看，零件是机器中最小的制造单元，每个零件都具有不可拆卸、不可再分的特性。构件可以是单一的一个零件，如图1.4所示的整体式曲轴；也可以是由多个零件组成的一个刚性整体，如图1.5所示的连杆，它由连杆体1、螺栓2、连杆盖3、螺母4等若干个零

5、件组成。1连杆体2螺栓3连杆盖4螺母机械中的零件一般分为两类：一类是在各种机械中普遍使用的零件，称为常用零件或通用零件，如螺栓、轴、齿轮、弹簧等；另一类是仅在某些专门机械中才用到的零件，称为专用零件，如活塞、曲轴、叶轮等。在机器中，对于一套协同工作且完成共同任务的零件组合，称之为部件。部件也分为通用部件和专用部件，如减速器、轴承、联轴器等属于通用部件；而汽车转向器、模具中的型芯、型腔等则属于专用部件。1.3机器的组成机器的种类繁多，组成形式各异。从各实物在机器中所起的作用看，一部完整的机器都由动力部分、执行部分、传动部分和控制部分组成。、动力部分：是驱动整个机器完成预定功能的动力源，如内燃机、

6、电动机等。、执行部分：也称为工作部分，是指机器中直接完成工作任务的组成部分，如图1.3中的动颚板等。、传动部分：是介于动力部分与工作部分之间，用于完成运动、动力传递与转换的部分。、控制部分：控制机器的其他组成部分，使操作者能随时实现或终止机器的各种预定功能。现代机器的控制系统，一般既有机械控制系统，又有电子控制系统，其作用包括监测及信号接收等。1.4机械设计的基本要求机械设计包括以下两种设计：应用新技术、新方法开发创造新机械；在原有机械的基础上重新设计或进行局部改造，从而改变或提高原有机械的性能。设计质量的高低直接关系到机械产品的性能、价格及经济效益。零件是机器的基本制造单元，在讨论机械设计的

7、基本要求之前，首先应初步了解设计机械零件的一些基本要求。1.4.1设计机械零件的基本要求零件工作可靠并且成本低廉是设计机械零件应满足的基本要求。零件的工作能力是指零件在一定的工作条件下抵抗可能出现的失效的能力，对载荷而言称为承载能力。失效是指零件由于某些原因不能正常工作。只有每个零件都能可靠地工作，才能保证整个机器的正常运行。设计机械零件还必须坚持经济观点，即要求零件的性价比高。为此在设计时应注意以下几点：、合理选择材料，降低材料费用。、保证良好的加工工艺性，降低制造成本。、尽量采用标准化、通用化设计，简化设计过程，从而降低成本。1.4.2机器设计的基本要求机械产品设计应满足以下几方面的基本要

8、求：1实现预定功能设计的机器能实现预定的功能，并在规定的工作条件下能正常运行，具有一定的寿命。2满足可靠性要求机器由许多零部件组成，其可靠度取决于零部件的可靠度。机械系统的零部件越多其可靠度也就越低，因此在设计机器时应尽量减少零件数目。但就目前而言，对机械产品的可靠度难以提出统一的考核指标。3满足经济性要求经济性是一项综合性指标，要求设计及制造成本低、生产效率高、能源和材料消耗少、维护及管理费用低等。4操作方便、工作安全操作系统要简便可靠，有利于减轻操作人员的劳动强度；要有各种保险装置以消除由于误操作而引起的危险，避免人身伤害及设备事故的发生。5造型美观、减少污染运用工业艺术造型设计方法对机械

9、产品进行工业造型设计，使所设计的机器不仅使用性能好、尺寸小、价格低廉，而且外形美观，富有时代特点。机械产品的造型直接影响到产品的销售和竞争力，在机械设计中是一个不容忽视的环节。此外，还必须尽可能地降低噪声，减轻对环境的污染。从某种意义上来说，噪声也是反映机械质量的一种综合指标。1.5机械设计的内容与步骤机械设计是一项复杂、细致和科学性很强的工作。随着科学技术的发展，对设计的理解在不断地深化，设计方法也在不断地发展。近年来发展起来的“优化设计”、“可靠性设计”、“有限元设计”、“模块设计”、“计算机辅助设计”等现代设计方法已在机械设计中得到了推广与应用。即便如此，常规设计方法仍然是工程技术人员进

10、行机械设计的重要基础，必须很好地掌握。常规设计方法又可分为理论设计、经验设计和模型实验设计等1.5.1机器设计的内容与步骤机械设计的过程通常可分为以下几个阶段：1产品规划产品规划的主要工作是提出设计任务和明确设计要求，这是机械产品设计首先需要解决的问题。通常是根据市场需求提出设计任务，通过可行性分析后才能进行产品规划。2方案设计在满足设计任务书中具体设计要求的前提下，由设计人员构思出多种可行性方案并进行分析论证，从中优选出一种能完成预定功能、工作性能可靠、结构设计可行、成本低廉的方案。3技术设计在既定设计方案的基础上，完成机械产品的总体设计、部件设计、零件设计等，设计结果以工程图及计算书的形式

11、表达出来。4制造及试验经过加工、安装及调试制造出样机，对样机进行试运行或在生产现场试用，将试验过程中发现的问题反馈给设计人员，经过修改完善，最后通过鉴定。1.5.2机械零件的设计内容与步骤与设计机器时一样，设计机械零件也常需拟定出几种不同方案，经过认真比较选用其中最好的一种。设计机械零件的一般步骤如下：（1）根据机器的具体运转情况和简化的计算方案确定零件的载荷。（2）根据零件工作情况的分析，判定零件的失效形式，从而确定其计算准则。（3）进行主要参数设置，选定材料，根据计算准则求出零件的主要尺寸，考虑热处理及结构工艺性要求等。（4）进行结构设计。（5）绘制零件工作图，制订技术要求，编写计算说明书

12、及有关技术文件。对于不同的零件和工作条件，以上这些设计步骤可以有所不同。此外，在设计过程中这些步骤又是相互交错、反复进行的。应当指出，在设计机械零件时往往是将较复杂的实际工作情况进行一定的简化，才能应用力学等理论解决机械零件的设计计算问题，因此这种计算或多或少带有一定的条件性或假定性，称为条件性计算。机械零件设计基本上是按条件性计算进行的，如注意到公式的适用范围，一般计算结果具有一定的可靠性，并充分考虑了机械零件的安全性。为了使计算结果更符合实际情况，有必要时可进行模型试验或实物试验。本书在介绍各种零件设计时，其内容的安排顺序基本上是按照上述设计步骤进行的。1.6机械设计中的标准化在各种机械中

13、，可以发现有许多零件（如螺纹联接、滚动轴承等）和部件（如机床照明灯、汽车发动机等）都是相同的，以及某些产品（如水泵、载重汽车等）是由小到大按一定规律组成系列的现象。这实际上就是机械设计中的标准化问题，即设计时要尽量考虑零件标准化、部件通用化、产品系列化。机械设计标准化的实际意义是：、标准化后，同一型号零件的加工数量大大增加，便于采用高生产率的先进设备和技术进行大规模生产或组织专业化生产，可以合理使用原材料、节约能源、降低生产成本、提高产品质量。、统一零件的性能指标，提高产品的可靠性。、产品具有互换性。、可以大大减少设计和制造工作量，减少设计中的差错，缩短设计制造周期，加速新产品的研发。、便于维修，减少维修更换的工作量和时间。我国