第2章机械设计总论

第2章机械设计总论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。蒸汽机出现之后，才使机器具有了完整的形态。§2-1机器的组成一台完整的机器的组成如下：原动机部分传动部分执行部分润滑、显示、照明等辅助部分控制系统传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器1、原动机机器的组成是驱动整个机器以完成预定功能的动力源。它把其它形式的能量转换为机械能。原动机的动力输出绝大多数呈旋转运动的状态，输出一定的转矩。原动机经历了如下发展过程：人力、畜力——水力机、风力机——蒸汽机、内燃机、汽轮机、电动机机器的组成风力机机器的组成蒸汽机机器的组成机器的组成机器的组成………………….2、执行部分机器的组成是用来完成机器预定功能的组成部分。一部机器可以只有一个执行部分，也可以把机器的功能分解成好几个执行部分。机器的组成3、传动装置用来连接原动机部分和执行部分，它将原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数。例如：把旋转运动转换为直线运动；高转速变为低转速；小转矩变为大转矩等。机器的传动部分大多数采用机械传动系统，有时也采用液压或电力传动系统。机械传动系统是绝大多数机器不可缺少的重要组成部分。机器实例机器实例控制部分——保证机器的启动、停止和正常协调动作。传感部分——将机器的工作参数，如位移、速度、加速度、温度、压力等反馈给控制部分。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§2-2设计机器的一般程序一般而言，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键一环。机械设计是一个创造性的工作过程，实践经验是保证设计质量的重要因素。因此，要求设计者特别注意经验的积累。一部完整的机器是一个复杂的系统，要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。潘存云教授研制潘存云教授研制技术设计方案设计计划提出任务分析对机器的要求确定任务要求机器功能分析提出可能的解决办法组合几种可能的方案决策——选定方案明确构形要求结构化选择材料、确定尺寸零件设计编制技术文件评价决策—确定结构形状与尺寸评价部件设计总体设计机器设计的一般流程一、计划阶段包括：需求分析、明确功能、制定设计任务书。设计任务书机器的功能经济性估计制造要求的大致估计基本使用要求预计的设计周期二、方案设计阶段对机器的功能进行综合分析、确定功能参数、提出实现方案。在制定功能参数时一定要注意恰当处理需要与可能、理想与现实、长远目标与当前目标等之间的关系。一般而言，实现同一个功能，有多种可能的方案。以螺纹制造为例，有车削、滚压、板牙加工等方法。方法不同，其执行部分的工作原理也不同。因此，存在一个方案的比较和取舍问题。方案评价原则：经济性、技术上可行。总费用设计制造费用使用费用费用复杂程度经济性——总费用最低。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。一味求新而把合理的原有经验弃置不用保守和照搬原有设计坚决反对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(2）机器的动力学设计确定原动机的参数（功率、转速、线速度等）。求解构件的运动参数（转速、速度、加速度等）。计算构件所受公称载荷（名义载荷）大小和特性。三、技术设计阶段绘制总装配草图、部件装配草图，由草图确定零部件的外形、基本尺寸和零件工作图。(3）零件的工作能力设计(4）部件装配草图及总装配草图的设计——结构设计(5）主要零件的校核计算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。以结构设计尺寸为依据，对零件进行精确的受力分析和工作能力校核计算。四、技术文件编制技术文件设计说明书使用说明书零件明细表标准件汇总表产品验收条件……技术文件——用来说明产品性能、设计、制造、操作使用、维护或其他所有与产品相关的文档资料。实例：大型风机叶片运输问题计划阶段需求分析、明确功能、制定设计任务书。型号生产厂商叶片总长L(mm)法兰节园直径ф(mm)螺栓件数及型号支点L1(mm)重心L2（mm）弦长L3(mm)重量（t）预弯（mm）XE96-2000东泰46500211060×M36151008.953000XE93-2000连众45300211060×M36317501410036008.6/XE93-2000惠腾45300211060×M36300001399037008.3514691、国外已经申请专利的举升原理图二、方案设计对机器的功能进行综合分析、确定功能参数、提出实现方案。2、改进设计的全新举升原理图1、经过优化的举升机构关键尺寸三、技术设计2、经过优化的举升液压缸布置方式3举升运输装备结构设计四、技术文件编制技术文件设计说明书使用说明书零件明细表标准件汇总表试验大纲……湘电风能：大型叶片举升运输装备叶片水平运输时，运输装备图。湘电风能：大型叶片举升运输装备叶片举升一定角度运输图。设计机器的任务是在当前技术发展所能达到的条件下，根据生产及生活的需要提出的。不管机器的类型如何，一般来说，对机器都要提出以下的基本要求：§2-3对机器的主要要求在满足预期功能的前提下，要求性能好、效率高、成本低，造型美观，在预定使用期限内要安全可靠，操作方便、维修简单。具体要求如下：1、使用功能要求使用功能要求——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。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。2、经济性要求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。（1）合理地提高机器的机械化和自动化水平，以期提高机器的生产率。提高使用经济性指标的主要途径有（2）选用高效率的传动系统，尽可能减少传动的中间环节，以期降低能源消耗。（3）适当地采用防护及润滑，以延长机器的使用寿命。（4）采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象。(1)要使机器的操作者方便和安全。因此设计时要按照人机工程学的观点布置各种按钮、手柄，使操作方式符合人们的心理和习惯，同时，设置完善的安全装置、报警装置、显示装置等。(2）改善操作者及机器的环境。所设计的机器应符合劳动保护法规的要求。降低机器运转时的噪声水平，防止有毒、有害介质的渗漏，对废水、废气和废液进行治理。3、劳动保护要求机器的可靠度——指在规定的使用时间（寿命）内和预定的环境下机器能够正常工作的概率。机器由于某种故障而不能完成预定的功能称为失效，它是随机发生的，其原因是零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和力学性能等因素是随机变化的。为了提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零件性能两个方面使其变化尽可能小。4、寿命与可靠性要求其他专用要求——针对不同机器所特有的要求。例如：(1)对机床有长期保持精度的要求；(2)对飞机有质量小，飞行阻力小而运载能力大的要求；(3)对流动使用的机器有便于安装和拆卸的要求；(4)对大型机器有便于运输的要求等。5、其它专用要求机械零件的失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。工作能力——在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为承载能力。§2-4机械零件的主要失效形式例如，发生强烈的振动，联接的松弛，摩擦传动的打滑等。整体断裂过大的残余变形工作表面的过度磨损或损伤破坏正常的工作条件零件的失效形式机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为：整体断裂过大的残余变形工作表面的过度磨损或损伤整体断裂过大的残余变形破坏正常的工作条件工作表面的过度磨损或损伤整体断裂过大的残余变形机械零件失效实例：潘存云教授研制轮齿塑性变形潘存云教授研制齿轮轮齿折断潘存云教授研制轴承内圈破裂潘存云教授研制轴承外圈塑性变形潘存云教授研制齿面接触疲劳潘存云教授研制轴瓦磨损失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等统计结果显示：断裂仅占4.79%;腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%，是主要失效原因。▲避免在预定寿命期内失效的要求▲结构工艺性要求▲经济性要求▲质量小的要求▲可靠性要求机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：§2-5设计机械零件时应满足的基本要求▲避免在预定寿命期内失效的要求▲结构工艺性要求▲经济性要求▲避免在预定寿命期内失效的要求▲结构工艺性要求▲质量小的要求▲经济性要求▲避免在预定寿命期内失效的要求▲结构工艺性要求提高零件强度的措施有：▲采用高强度的材料▲使零件具有足够的截面尺寸▲合理设计零件的截面形状，增大惯性矩▲采用热处理和化学处理方法提高材料的强度性能▲提高零件的制造精度，以减少工作时的动载荷▲合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷1.强度要求应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。一、避免在预定寿命期内失效的要求2.刚度要求零件在工作时的弹性变形不能超过允许的范围称为零件的刚度要求。提高零件刚度的措施有▲增大零件的截面尺寸或增大惯性矩；▲缩短支承的跨距或采用多点支承。3.寿命要求影响零件寿命的主要因素有大部分零件工作在变应力下，疲劳破坏是引起零件破坏的主要原因。影响疲劳强度的因素有疲劳破坏腐蚀磨损▲应力集中▲零件的尺寸大小▲零件表面质量及环境状况零件处在腐蚀性介质中工作时，可能使材料遭到腐蚀。抗腐蚀的措施有▲表面发兰（发黑）▲表面镀层▲表面涂漆▲表面阳极化二、结构工艺性要求零件工艺性良好的标志——在具体的生产条件下，零件要便于加工而加工费用又很低。工艺性的基本要求：(1)毛坯选择合理制备方法：选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。(2)结构简单合理▲最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面及其组合▲尽量减少加工面数和加工面积▲尽量采用标准件▲增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、螺纹、键、齿轮模数等）的数量(3)合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下，尽量采用较低的精度和表面质量。(4)尽量减小零件的加工量▲毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本▲尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进工艺满足上述要求欲设计出工艺性良好的零件，设计者必须虚心向工艺技术人员和一线工人学习，在实践中积累经验。三、经济性要求零件的经济性首先表现在零件的生产制造成本上。▲简化零件的结构，降低材料消耗▲采用无余量、少余量的毛坯，减少加工工时▲采用廉价而充足的材料代替昂贵材料▲大型零件采用组合结构而非整体结构▲尽量采用标准件四、质量小的要求减小质量的好处节约材料；减小惯性，改善机器的动力性能。减小质量的措施：▲采用缓冲装置来降低零件所受冲击载荷▲采用安全装置来限制作用在零件所受最大载荷减小质量的措施(续)：▲从零件应力较小处削减部分材料，以改善零件受力的均匀性，提高材料的利用率▲采用与工作载荷方向相反的预载荷，以降低零件的工作载荷▲采用轻型薄璧冲压件或焊接件代替铸造、锻压件▲采用强重比高的材料五、可靠性要求零件的失效是随机发生的，其原因是零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和机械性能等因素是随机变化的。为了提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零件性能两个方面使其变化尽可