第一章机械设计概论

第一章机械设计概论本章介绍机械的组成、机械设计的基本概念、机械设计的一般过程和主要内容、机械设计准则和机械产品开发等与图样有关的设计知识，是零件构形设计、图样绘制和阅读的基础。§1-1机械的组成人类为了满足生产和生活的需要，设计和制造了类型繁多、功能各异的机械。机械是执行机械运动的装置，用来变换能量或传递物料，如内燃机、电动机、洗衣机、机床、汽车、起重机、各种食品机械等。一、机械的组成从机械最基本的特征入手，分析机械组成的基本规律后可以发现，虽然机械产品的种类繁多，形状大小差别很大，用途、性能、构造、工作原理各不相同，但是从最简单的千斤顶到复杂的现代化机床，总可以按功能分为原动机、传动机构和工作机构三个组成部分，另外还包括控制系统和辅助系统，如润滑、显示、照明等，如图1-1所示。原动机传动机构执行机构控制系统辅助系统（如润滑、照明、显示等）图1-1机械的组成1．原动机原动机部分是驱动整部机器以完成预定功能的动力源。通常一部机器只用一个原动机，复杂的机器也可能有好几个动力源。一般地说，它们都是把其它形式的能量转换为可以利用的机械能。常用的原动机有电动机、内燃机等。原动机一般已有定型产品，设计时只需根据工作要求和使用条件选择适当的型号即可。2．执行机构执行机构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机构（例如压路机的压辊），也可以把机器的功能分解成好几个执行机构（例如桥式起重机的卷筒、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）。执行机构的设计问题将在有关的专业课程中研究。3．传动机构传动机构是将原动机输出的运动和能量传递给执行机构的中间联系环节，其主要作用是改变运动的速度或转变运动的形式。原动机（如电动机、内燃机等）通常只具有固定的运动形式和速度，执行机构则因其功能各异而存在各种不同的运动形式和速度，而传动机构则将原动机的高转速、小扭矩转换成执行机构需要的较低速度和较大的力或力矩，因此，大多数机械设备都有传动部分。传动部分是机械的重要组成部分，机械的工作性能、外廓尺寸、重量和成本等，在一定程度上都直接与传动部分有关，而且，传动部分在机械中所占的比重很大，并有较大的通用性。常见的传动机构有齿轮传动、带传动、链传动、曲柄连杆机构等。传动机构包括除执行机构之外的绝大部分可运动零部件。机器不同，传动机构可以相同或类似，传动机构是各种不同机器具有共性的部分。4．控制系统控制系统是用来操纵机械的启动、制动、换向、调速等运动，控制机械的压力、温度、速度等工作状态的机构系统。它包括各种操纵器和显示器。人通过操纵器来控制机器；显示器可以把机械的运行情况适时反馈给人，以便及时、准确地控制和调整机械的状态，以保证作业任务的顺利进行并防止事故发生。以汽车为例，发动机（汽油机或柴油机）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（包括车身）是执行部分；方向盘和转向系统、排挡杆、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池电流表、电压表等组成显示系统；后视镜、车门锁、雨刮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等。下面简单分析两个实例。图1-2为复杂摆动式颚式破碎机的示意图。如图所示，在电动机上装有小带轮，偏心轴上装有大带轮，电动机通过带传动减速后带动偏心轴旋转。动颚上部的孔套在偏心轴上，轴孔的几何中心为O′，偏心轴的旋转中心为O。肘板两端分别与机架的动颚形成活动连接。偏心轴旋转时，驱使动颚做复杂摆动。当动颚靠近定颚时，加入两颚之间(破碎腔)的矿石受到挤压和劈裂作用而被破碎；在动颚离开定颚的过程中，被破碎了的矿石靠自重落下，经排矿石口排出。按组成部分划分，电动机为原动部分，胶带传动装置为传动部分，定颚与动颚系统(属曲柄摇杆机构)为工作部分。图1-2颚式破碎机图1-3所示为简易化铁炉用的上料机（除去料车和滑轮外，它的主体部分——电动机1、制动器3、减速器4、联轴器2、5、卷筒6等合在一起又常称为卷扬机，常作为通用机械用于其他场合）。电动机1通过联轴器2带动减速器4中的齿轮，把电动机输出转速减低；再通过联轴器5带动卷筒6转动；卷筒又通过钢丝绳7绕过滑轮8，牵动料车9在斜桥10上移动，从而将冶炼原料提升到炉口并倾倒入炉内。位于电动机和减速器之间的联铀器2上的制动器3，能使料车运行到终点时或在工作中突然断电时，快速停车。图1-3简易化铁炉用上料机简易化铁炉用上料机的机构运动简图如图1-4所示。从组成上看，电动机就是它的原动部分，减速器及钢丝绳卷筒系统（包括制动器）为传动部分，由钢丝绳牵引的料车为工作部分。图1-4简易化铁炉用上料机的机构运动简图以上仅从机械各部分所完成的功能分析了机械的组成，这只是对机械的宏观认识。对于设计和使用机械来说，更为重要的是认识机械的结构、制造和运动特性。因此，还必须从机械的结构、制造和运动角度来进一步分析。二、零件和部件深入研究机械组成的细节，可以发现任何一台机器都是由一定数量的基本元件组成的，即它有一定的形状、大小和重量，由一定的材料按预定的要求制造而成，并按预定的方式装配连接起来，彼此保持一定的相对关系，并能实现某种运动。如果从结构和制造的角度来分析，任何机器都是由若干零件所组成的。1．零件机器中每一个单独加工的单元体称为零件。它是组成机器的最基本的实体。零件按其在机器中所起的作用分为通用零件和专用零件两大类。通用零件是指在各种机械中都能用到的零件。它在普通条件下工作(即不是高温、低温、高速、高压)而且具有同一功能，如齿轮、链轮、蜗轮、轴、壳体、螺栓、螺钉、螺母等。专用零件是指在特定机械中才能用到的，并且能表征此种机械特点的零件，如飞机上的螺旋桨、内燃机上的曲轴、汽轮机上的叶片、农业机械上的犁样、纺织机械上的纺锭等。不同的零件具有不同的结构形状和加工要求。2．部件由零件装配成机器时，往往根据不同的“组合”要求和工艺条件，把零件分成若干装配单元，这种按工艺条件划分的装配单元称为部件。每个部件中包含若干个零件，各零件间有确定的相对位置。部件中的零件可能实现某种相对运动，也可能相对静止，它们为完成同一功用而协同工作。部件按其功用的不同也可分为连接部件、支撑部件、传动部件等。有少数零件在装配成机器时，不属于任何部件而单独作为一个装配单元与其他部件一起直接装配在机器上。所以，从结构和制造的角度来看，机器由若干零、部件组成，其中部件由若干零件组成，即：机器的原动机、传动机构、执行机构三部分，根据其不同的功能要求，各自包含有不同的零、部件。以图1-3所示的上料机为例，它包含了下列一些部件：电动机、联轴器、制动器、减速器、钢丝绳卷筒部件、滑轮、料车等。此外，还包含一个作为单独装配单元的机架零件。而这些部件中又各自包含着不同数量的零件。如料车部件中包含车体、前后车轴、车轮、连接件（如螺栓等）等零件。三、机构和构件机器的功能，主要由其组成部分的运动规律和运动形式所决定。如果抛开其结构和形态仅从运动的角度来分析，机器实际上是由若干能完成确定运动的机构组成的。而每一个机构又是由若干个运动单元——构件组成的。1．构件构件是组成机构的最基本的运动单元。从研究机器的运动角度来看，并不是所有的零件都能单独地影响机器的运动，常常由于结构和制造上的需要，把若干个零件刚性地连在一起，作为一个整体而运动。这个刚性整体显然只构成一个运动单元，称之为构件。当然，一个不与其它任何零件刚性连接的单独零件，也可成为一个基本的“运动”单元，可称为最简单的构件。简言之，凡彼此之间没有相对运动，而与其他零件之间可以有相对运动的零件或零件的组合，称为构件。构件与零件的区别在于：构件是运动的基本单元，而零件是加工单元。根据上述分析可知，构件可包含一个或若干个零件，例如图1-2所示的颚式破碎机中，偏心轴机器部件零件单独作为装配单元的零件和安装在它上面的带轮、飞轮、键等工作时作为一个整体作旋转运动，它们彼此之间没有相对运动，所以它们组成的整体为一个构件。又如图1-3所示的上料机中的滑轮，就是单独由一个零件构成的运动单元，是最简单的构件。2．运动副机器中的每一个构件，至少必须与另一个构件相连接。两构件之间能产生某些相对运动的活动连接称为运动副。两构件形成运动副，总是通过点、线、面的接触来实现的。通过点、线接触所形成的运动副统称为高副；通过面接触形成的运动副称为低副。从运动形式来区分，凡构件间仅能作相对转动的运动副称为回转副；仅能做相对移动的运动副称为移动副；仅能作相对螺旋运动（既有转动又沿转动轴线移动）的运动副称为螺旋副。3．机构满足机器三个特征中的前两条，即：人为实体的组合且实体之间又具有确定的相对运动时就成为一个机构。机构中固定不动的构件称为机架。可见，任何机构都是由许多构件组成的，各构件之间又互相联系，并具有完全确定的相对运动。从运动特性角度来讲，任何一台机械设备都是由若干机构组成的（至少包含一个机构）。正是由于不同的机构和不同的组合方式，使不同的机械具有不同的功能。图1-2所示的颚式破碎机是由三角带传动机构和连杆等工作机构组成的。当电动机轴以一定的转速旋转时，偏心轴、动颚和肘板等构件各作确定的相对运动，同时由电动机提供能源，经动颚、定颚而作机械功，完成破碎石功能。§1-2机械设计的过程和主要内容一台机器从着手设计到正常使用，要经过收集资料、研究分析、设计、试制、试验、改进设计、正式投产和运行考核等一系列过程，大致包括以下几个阶段：计划阶段、方案设计阶段、技术设计阶段和样机试制等阶段，其设计的一般过程如表1-1所示。一、计划阶段在计划阶段中，应对所设计机器的需求情况做充分的调查研究和分析；通过分析，进一步明确机器应具有的功能，并为以后的决策提出由环境、经济、加工以及时限等各方面所确定的约束条件，在此基础上，明确地写出设计任务的全面要求及细节，最后形成设计任务书，作为本阶段的总结。设计任务书大体上应包括：机器的功能，经济性及环保性的估计，制造要求方面的大致估计，基本使用要求，以及完成设计任务的预计期限等。表1-1机器设计的一般过程设计阶段工作步骤阶段目标计划设计任务书方案设计提出原理性的设计方案——原理图或机构运动简图技术设计总体设计草图及部件装配草图，并绘制出零件图、部件图及总装图样机试制定型样机提出任务分析对机器的需求确定任务要求评价机器功能分析提出可能的解决方案组合几种可能的方案决策——选定方案评价明确构形要求结构化选择材料、决定尺寸决策——确定结构形状及尺寸零件设计部件设计总体设计样机试制二、方案设计与机构简图机器的方案设计就是要确定机器的运动方案、零部件配置方案、总体布局方案和外观造型。其中为实现某些功能，或预期的运动规律的运动方案设计又是总体设计的主要内容，它决定了机器的性能、可靠性和经济性。在机器运动方案设计中，分析和表达机构或机构的运动情况及受力情况时，需要画出其运动简图。因为机构的运动只与机构的组成及运动副的形式和位置有关，所以可以抛开构件的具体形状与结构，用一些简单的线条和规定的图形符号，将其传动系统、构件间的相互关系和运动特性等反映运动本质的内容表达出来。这样绘制出来的简图称为机构运动简图（有时也称为机构简图）。图1-2b、图1-4等所示即为相应机器的机构运动简图。具体地说，机构运动简图要反映出机构和构件的数目、各构件间的运动副型式、固定构件（机架）的位置及主要几何参数、主动构件的运动方向、各运动副的位置（用一定比例画出）等。机构运动简图的特点是它简明扼要地表达了机器的工作原理、运动传递关系、基本构件及其相互联系。所以，无论对于认识一个外形结构比较复杂的机器，还是表达一个设计、革新方案来说，机构运动简图都是必不可少的工具。绘制机构运动简图的关键是：根据运动特征，从实际机器的复杂外形结构中进行科学的抽象，同时要正确地运用规定的图形符号。在机械制图国家标准中，规定了常用机构和构件的机构运动简图符号，其部分内容摘录于表1-2中。表1-2常用机构运动简图符