機械設(shè)計綜合概論

第八章 機械設(shè)計概論8.1 機械設(shè)計的重要性90年代末，美國提出了“為競爭的優(yōu)勢而設(shè)計”(Designing for Competitive Advantage)的口號，也有人說“21世紀(jì)將是設(shè)計的世紀(jì)”。面對國際市場的競爭，一個企業(yè)、國家參與競爭的力量就是“設(shè)計”，就必須依靠產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)。20世紀(jì)后期所形成的全球經(jīng)濟一體化格局，預(yù)示著21世紀(jì)在世界范圍內(nèi)的經(jīng)濟和技術(shù)競爭將會更加激烈。對于包括機械制造在內(nèi)的制造業(yè)來說，這種競爭就具體體現(xiàn)在產(chǎn)品上，即要求：產(chǎn)品上市快（T）、質(zhì)量高（Q）、成本低（C）、服務(wù)好（），從而才能占領(lǐng)市場。而這些要求在很大程度上就取決于產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和效率。對于機械設(shè)計來說，就是適應(yīng)市場的需求，以最短的設(shè)計周期，拿出功能強、經(jīng)濟性好、便于使用于維護的產(chǎn)品。機械設(shè)計在機器制造業(yè)起著十分重要的作用，往往機械產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟性能和競爭力就在于設(shè)計質(zhì)量的好壞。據(jù)統(tǒng)計分析，雖然機械產(chǎn)品成本中的約80是制造費用，設(shè)計成本只占5左右，而就是這5的設(shè)計活動決定著7080的產(chǎn)品成本。而機械制造業(yè)是一個國家自立于世界的標(biāo)志，是國家財政收入的主要創(chuàng)造者，其產(chǎn)值占到國民產(chǎn)值得80%左右。所以，作為機電專業(yè)的學(xué)生必須努力學(xué)習(xí)，掌握機械設(shè)計的基本原理、方法和技能，只有這樣才能成為有用之才。8.2 機械設(shè)計一般過程機械設(shè)計過程一般包括四個階段，即：1）明確任務(wù)階段；2）方案設(shè)計階段；3）技術(shù)設(shè)計階段；4）施工設(shè)計階段。1）明確任務(wù)階段在實際工作中，我們知道有各種各樣的、用途各不相同的機器。但是，所有這些機器的設(shè)計過程都有一個共同的特點，即都是從提出設(shè)計任務(wù)開始的。而設(shè)計任務(wù)的提出主要是依據(jù)工作和生產(chǎn)的需要。設(shè)計任務(wù)一般是以任務(wù)書的形式下達的，其中明確規(guī)定有：機器的用途、主要性能參數(shù)范圍、工作環(huán)境條件、特殊要求、生產(chǎn)批量、預(yù)期成本、完成期限、承制單位等內(nèi)容。一般是由主管單位、用戶提出。任務(wù)書的要求決定了設(shè)計工作的內(nèi)容、質(zhì)量和水平。例如，批量和用途直接決定加工手段、成本等內(nèi)容，同時也必須考慮承制單位的加工能力。2）方案設(shè)計階段設(shè)計部門和設(shè)計人員首先要認(rèn)真研究任務(wù)書，在全面明確上述要求后，在調(diào)查研究、分析資料的基礎(chǔ)上，擬訂設(shè)計計劃，按照下述的步驟進行設(shè)計：（1）機器工作原理選擇工作原理是實現(xiàn)預(yù)期職能的基本依據(jù)。我們聽說過“條條道路通羅馬”的話，由于實現(xiàn)同樣的預(yù)期職能，可以采用不同的工作原理、方法和途徑。所以，在研制新機器時，應(yīng)結(jié)合具體情況提出多種不同的工作原理，通過全面分析比較，從中選擇最滿意的一種。這屬于專業(yè)機械設(shè)計的范圍。例如采煤，可以使用風(fēng)鎬，也可以使用高壓水柱沖擊煤層開采，也可以采用割煤機進行開采等。（2）機器的運動設(shè)計就是根據(jù)上一步確定的機器工作原理，確定機器執(zhí)行部分的運動規(guī)律。例如牛頭刨床，要求工作行程要慢、而返回行程要快。這一步主要依據(jù)我們前面所述的機械原理知識來完成。這里，必須同時考慮選擇適當(dāng)?shù)脑瓌訖C，妥善考慮和設(shè)計機械的傳動部分實現(xiàn)方法，并考慮運動參數(shù)調(diào)整的必要性于可能性。（3）機器的動力設(shè)計根據(jù)機器的工作原理和運動設(shè)計結(jié)果，按照機器的總體性能要求，根據(jù)其運動特性、工作阻力、速度、傳動效率等，計算機器所需的驅(qū)動功率，進行運動機的選擇。同時也要考慮調(diào)節(jié)于控制的必要性于可能性，也可以利用機械原理和電工學(xué)知識來完成。3）技術(shù)設(shè)計階段主要是依據(jù)原動機的特性和運轉(zhuǎn)特性或根據(jù)零部件的工作載荷進行設(shè)計，一般采用前一種方法，選擇設(shè)計出各零部件。在工作原理確定之后的工作，就是將前面選定的設(shè)計方案通過必要的分析計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計，用圖面（裝配圖、零件圖等）及技術(shù)文件的形式來加以具體表示。包括：運動設(shè)計、動力分析、整體布局、零件結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、精度和其它參數(shù)的確定以及必要的強度和剛度計算等。反映在實際工作的成果圖紙上，大體可以分為四個階段：（一）總體設(shè)計階段：根據(jù)工作原理繪制機器的機構(gòu)運動簡圖，這是圖紙設(shè)計的第一階段。在這個階段，要考慮各個機構(gòu)主要零件的大體位置。同時，為了擬訂機器的總體布置，需要分析比較各種可能的傳動方案。（二）結(jié)構(gòu)設(shè)計階段：考慮和決定各部分的相對位置和聯(lián)接方法，零件的具體形狀、尺寸、安裝等一系列問題，把機構(gòu)運動簡圖變成具體的裝配圖（或結(jié)構(gòu)圖），這是圖紙設(shè)計的第二個階段。（三）零件設(shè)計階段：裝配圖只確定了機器的總體尺寸、各個零部件的相對位置及配合關(guān)系，而沒有反映出各個零件的全部尺寸、結(jié)構(gòu)等。零件設(shè)計階段就是把機器的所有零件（標(biāo)準(zhǔn)件除外）拆分出來，繪制成零件圖，為加工提供依據(jù)。（四）技術(shù)文件制定：完成圖紙滯后，必須完成一系列的技術(shù)文件，應(yīng)包括各種明細(xì)表、系統(tǒng)圖、設(shè)計說明書和使用說明書。4）施工設(shè)計階段（工藝設(shè)計）本階段是將設(shè)計與制造聯(lián)接起來的重要環(huán)節(jié)，即規(guī)劃零件的制造工藝流程，確定工藝參數(shù)、檢測手段、夾具、模具設(shè)計等工作。這些屬于機制工藝學(xué)課程的內(nèi)容。由于在很大程度上取決于經(jīng)驗、依賴于實踐經(jīng)驗，所以計算機輔助工藝設(shè)計（CAPP）未能像機械CAD一樣獲得突破性進展和廣泛應(yīng)用。一個完整的設(shè)計過程不但包含以上四個階段，還包括制造、裝配、試車、生產(chǎn)等所有環(huán)節(jié)，對圖紙和技術(shù)文件進行完善和修改，直到定型投入正式生產(chǎn)的全過程。實際工作中，上述的幾個階段是交叉反復(fù)進行的。隨著計算機輔助設(shè)計、計算機仿真技術(shù)、三維圖形技術(shù)以及虛擬裝配制造技術(shù)的迅速發(fā)展，機械設(shè)計方法有了極大的變革，借助這些技術(shù)我們可以極大地降低設(shè)計和試制成本，提高產(chǎn)品的競爭力。在明確了解了機械設(shè)計的一般過程和主要內(nèi)容之后，我們接下來就必須了解的是一部機器應(yīng)滿足的基本要求是什么。8.3 機械設(shè)計的基本要求 一）機器應(yīng)該滿足的基本要求1使用性要求（實現(xiàn)預(yù)定的功能，滿足運動和動力性能的要求）（功能性要求）機器必須能夠保證在預(yù)定壽命期間內(nèi)，按照規(guī)定的技術(shù)條件順利而有效地實現(xiàn)全部預(yù)期職能的要求，不能失效。它是設(shè)計的最基本的出發(fā)點。這是依靠正確選擇機器的工作原理、機構(gòu)類型、機械傳動系統(tǒng)方案，以及正確設(shè)計零部件的機構(gòu)組合來保證。2經(jīng)濟性要求圖 81這是一個綜合性指標(biāo)，表現(xiàn)在設(shè)計制造和使用兩個方面。提高設(shè)計制造的經(jīng)濟性的途徑有三條：1）使產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化；2）運用現(xiàn)代化設(shè)計制造方法；3）科學(xué)管理。提高使用經(jīng)濟性的途徑有四條：1）提高機械化、自動化水平；2）提高機械效率；3）延長使用壽命；4）防止無意義的損耗。3安全性要求有三個含義：1）設(shè)備本身不因過載、失電以及其它偶然因素而損壞；2）切實保障操作者的人身安全（勞動保護性）；3）不會對環(huán)境造成破壞。勞動保護性有三個方面：1）提高操作安全性，在外露的旋轉(zhuǎn)部件應(yīng)添加安全罩，某些需要的地方需設(shè)立安全報警裝置，例如煤氣、鍋爐等；2）降低體力及腦力損耗，從操作力、過程的復(fù)雜程度、操縱數(shù)目等方面進行考慮；例如在具有集中潤滑的大型設(shè)備中，采用如圖所示的聯(lián)鎖裝置，以降低操作者的精神負(fù)擔(dān)。3）改善操作環(huán)境，增加操作的舒適性，例如乘座的振動、機器外觀的色彩搭配等等。4工藝性要求這包含兩個方面1）裝配工藝形2）零件加工工藝性。在不影響工作性能的前提下，應(yīng)使機構(gòu)盡可能地簡化，力求用簡單的機構(gòu)裝置取代復(fù)雜的裝置去完成同樣的職能，便于拆裝，盡量使用標(biāo)準(zhǔn)件。零件的結(jié)構(gòu)合理，很好的處理設(shè)計與制造的矛盾，滿足加工制造的需要。5可靠性要求隨著機械系統(tǒng)日益復(fù)雜化、大型化、自動化及集成化，要求機械系統(tǒng)在預(yù)定的環(huán)境條件下和壽命期限內(nèi)，具有保持正常工作狀態(tài)的性能，這就稱為可靠性。6其它特殊要求針對某一具體的機器，都有一些特殊的要求。例如：飛機結(jié)構(gòu)重量要輕、食品等機械不得對產(chǎn)品造成污染等。二）機械零件設(shè)計的基本準(zhǔn)則及一般步驟1、設(shè)計機械零件的基本要求機械零件的設(shè)計，必須依據(jù)其在機器中的作用及工作情況，滿足強度、剛度、壽命、工藝性、可靠性以及某些特殊的要求的一部分或全部內(nèi)容。具體有以下幾個方面：1）在預(yù)定壽命期限內(nèi)不失效設(shè)計準(zhǔn)則 機械零件應(yīng)某種原因不能正常工作的現(xiàn)象稱為失效。機械零件的主要失效形式有斷裂、表面破壞（腐蝕、磨損和接觸疲勞等）、過量殘余變形和正常工作條件的破壞。維避免這些失效，設(shè)計中需要考慮以下幾個問題。a.強度要求 零件在工作時，在額定的工作條件下，既不發(fā)生任何形式的破壞，也不產(chǎn)生超過容許限度的殘余變形，能保證機器的正常運轉(zhuǎn)和工作，我們就認(rèn)為該零件滿足了強度要求。強度不足是零件在工作中斷裂或過量殘余變形的直接原因。零件的強度分為體積強度和表面接觸強度。零件在載荷作用下，如果產(chǎn)生的應(yīng)力在較大的體積內(nèi)，則這種應(yīng)力狀態(tài)下的零件強度稱為體積強度（簡稱強度，即平常我們所說的強度）。若兩個零件在受載前后由點接觸或線接觸變?yōu)樾”砻娣e接觸，且其表面產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力（稱為接觸應(yīng)力），這時零件的強度稱為表面接觸強度（簡稱接觸強度）。在設(shè)計中，除了部分受力較小或形狀復(fù)雜無法計算的零件靠經(jīng)驗、實驗確定外，大多數(shù)重要零件都是利用強度條件式來校核的（材料力學(xué)中的相關(guān)強度理論）。若零件的強度不夠，就會出現(xiàn)整體斷裂，表面接觸疲勞或塑性變形等失效而喪失工作能力，所以設(shè)計零件時必須滿足強度要求。其設(shè)計準(zhǔn)則是： =其中稱作計算應(yīng)力；稱作許用抗拉應(yīng)力P拉力載荷； F面積尺寸；極限應(yīng)力； S安全系數(shù)其含義是：零件中的應(yīng)力應(yīng)當(dāng)小于或等于其許用應(yīng)力才能滿足強度要求。該公式由于是用來校核零件的初定剖面F是否滿足強度要求的，所以稱為校核公式。要注意的是：如果零件剖面上承受的載荷是剪載荷，分別可以用剪應(yīng)力和許用剪應(yīng)力等代入上面的式中進行計算?？梢钥闯觯簭姸葴?zhǔn)則就是把對零件起損傷作用的一方（例如載荷和應(yīng)力）與零件對損傷起抵抗作用的一方進行比較來判斷零件強度的。通過上面的強度條件式，我們也可以發(fā)現(xiàn)，提高零件強度的原則措施有：1）增大零件危險剖面的尺寸、合理設(shè)計剖面形狀，以增大剖面面積的慣性矩；2）采用高強度材料，對材料進行提高強度及降低內(nèi)應(yīng)力的熱處理，控制加工工藝以減小或消除微觀缺陷等；3）力求降低零件上的載荷，例如減小軸的支承跨距以降低作用在其上的彎矩，采用減振結(jié)構(gòu)以降低沖擊載荷等；4）妥善設(shè)計零件的結(jié)構(gòu)以降低應(yīng)力集中程度等。b.剛度要求在機器工作時，有時機器并沒有破壞，但是由于零件的變形而導(dǎo)致機器的失效或不能正常的工作或完成預(yù)定的工作任務(wù)。這就是剛度失效。對于這類情況，我們不但要求進行強度的計算，同時要進行剛度的計算。零件的剛度要求是指工作時，零件所產(chǎn)生的彈性變形不超過規(guī)定的限度。剛度的計算是利用剛度條件式來判定的。針對彈性變形的二種情況（彎曲和扭轉(zhuǎn)），剛度條件式分別為：或； 有時也可以直接利用剛度要求來進行設(shè)計，一般來說滿足剛度要求的零件都滿足強度要求。剛度分為兩類：體積剛度和表面接觸剛度。上面所述的剛度都屬于體積剛度。兩個比較粗糙的接觸表面，在大的壓力作用下，接觸表面的微觀凸峰將會被壓平，就會引起兩零件的相對位置發(fā)生超過容許限度的變化，就產(chǎn)生不能滿足接觸剛度的情況。在設(shè)計時也應(yīng)該給予充分的注意。提高零件整體剛度的原則措施有：1）適當(dāng)增加零件的剖面尺寸；2）合理設(shè)計零件的剖面形狀；3）合理添置加強筋，采用多支點結(jié)構(gòu)；4）提高零件接觸表面的加工精度或經(jīng)適度跑合，以降低表面粗糙度；5）適當(dāng)增大接觸面積，以降低單位壓力等。c.壽命要求壽命要求就是要求零件在預(yù)定的工作期間保持正常工作而不致報廢。主要是針對那些在變應(yīng)力下工作和工作時受到磨損或腐蝕的零件提出的。提高零件壽命的措施主要有：1）妥善設(shè)計零件結(jié)構(gòu)以降低應(yīng)力集中程度；2）采用精加工或表面強化處理以提高零件工作表面的質(zhì)量；3）合理選擇摩擦副配對材料、潤滑劑與潤滑方法以提高零件抗磨損能力；4）選用耐腐蝕材料制造在腐蝕介質(zhì)中工作的零件；5）利用熱處理提高零件材料的機械性能或利用滾壓、噴丸等工藝使零件表面產(chǎn)生有利的殘余預(yù)應(yīng)力等等。d.振動性和噪聲要求隨著機械向高速發(fā)展和人們對環(huán)境舒適性要求的提高，對機械的振動和噪聲的要求也越來越高。當(dāng)機械或零件的固有振動頻率等于或接近受激振源作用所引起的強迫振動頻率時，將產(chǎn)生共振。這不但影響機器的正常工作，甚至?xí)斐善茐男允鹿省Ｒ虼?，對于高速機械應(yīng)該進行振動分析和計算，采取降低振動和噪聲的措施。具體來說，并不是每一類型的零件都需要進行所有上述的計算，而是從實際載荷的工作條件出發(fā)，分析其主要的失效形式，再確定其計算準(zhǔn)則，必要時再按其它要求進行校核。例如，機床主軸，首先根據(jù)剛度確定尺寸，再校核其強度、振動穩(wěn)定性。2) 工藝性要求所謂機械零件的結(jié)構(gòu)工藝性，是指在一定生產(chǎn)條件下，能夠方便經(jīng)濟地制造和裝配，即零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)使之易于加工。工藝性要求也是零件設(shè)計的重要內(nèi)容之一，必須要從生產(chǎn)批量、材料、毛坯制作、加工方法、裝配過程等方面進行全面的考慮。由于制造費用一般要占產(chǎn)品成本的80以上，所以工藝性的好壞直接影響著零件的經(jīng)濟性。對于初學(xué)設(shè)計的人員應(yīng)特別給予重視。俗話說的好：一個好的設(shè)計人員應(yīng)該首先是一個工藝師。3） 經(jīng)濟性要求零件的經(jīng)濟性要求就是要用最低的成本和最少的工時制造出滿足技術(shù)要求的零件。我們在進行設(shè)計時，必須時刻牢記，要從降低材料消耗、盡可能利用廉價材料代替昂貴的材料、盡可能多使用標(biāo)準(zhǔn)件等等方面入手，努力提高經(jīng)濟性指標(biāo)。4） 可靠性零件可靠性的概念與機械系統(tǒng)可靠性相似，并且用零件的可靠度來衡量。零件可靠度定義為：在預(yù)定的環(huán)境條件下和使用時間（壽命）內(nèi)，零件能夠正常工作而不會失效的概率（可能性）。5） 標(biāo)準(zhǔn)化機械設(shè)計中的標(biāo)準(zhǔn)化是指對零件的特征參數(shù)及其結(jié)構(gòu)尺寸、檢驗方法和制圖的規(guī)范化要求。機械零件設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)分為國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）、部頒標(biāo)準(zhǔn)（如JB、YB等）和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等三級，這些標(biāo)準(zhǔn)（特別是國家和有關(guān)部頒標(biāo)