{机械公司管理}机械设计总论

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1、2-1 机器的组成,2-2 设计机器的一般程序,2-3 对机器的主要要求,2-4 机械零件的主要失效形式,2-5 机械零件设计时应满足的基本要求,2-6 机械零件的设计准则,2-7 机械零件的设计方法,2-8 机械零件设计的一般步骤,2-9 机械零件的材料及其选用,2-10 机械零件设计中的标准化,第2章 机械设计总论,一台完整的机器组成如下：,2-1 机器的组成,辅助系统，例如：润滑、显示、照明等,原动机部分,传动部分,控制系统,执行部分,原动部分机器完成预定功能的动力源，最常见的是 内燃机、电动机等。,执行部分完成预定的动作，位于传动路线的末端。,传动部分联接原动机和执行部分的中间部分。,

2、控制部分保证机器的启动、停止和正常协调动作。,辅助部分包括机器的润滑、显示、照明等，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,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。,机械设计的一般步骤：, 计划阶段, 方案设计阶段,技术设计阶段, 技术文件编制阶段,1、计划阶段,包括：需求分析、明确功能、制定设计任务书。,设计任务书包括： 机器的功能分析； 经济性估算； 基本使用要求； 预计的设计周期等。,2、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。,实现同一个功能 ，往往有多种可能的方案，如螺纹加工：有车削、滚压、板牙加工等方法

3、。,方案评价原则： 经济性好、技术上可行。,总费用,设计制造费用,使用费用,3、技术设计阶段,绘制总装配图、部件装配图，由装配图确定零部件的外形、基本尺寸和零件工作图。,经济性-总费用最低。,方案设计做到： 创新与经验设计相结合。,技术设计阶段的主要过程：,1）机器的运动学设计,确定原动机的参数(功率、转速等)，计算转动构件的运动参数(转速、速度、加速度等)。,2）构件的动力学计算,3）零件的工作能力设计,4）部件装配图及总装配图的设计-结构设计,5）主要零件的校核计算,计算构件所受载荷的大小和特性。,根据工作能力准则进行零部件的初步设计，通过计算或类比得出零件的基本尺寸。,对零件进行精确的受

4、力分析和工作能力校核计算 。,4、技术文件编制,技术文件包括：,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、或其它所有与产品相关的文档资料。,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,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,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,2-3 对机器的主要要求,1、使用功能要求 机器应具有预定的使用功能。 正确地

5、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，合理地配置必要的辅助系统来实现。,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：,经济性要求-从设计、制造到使用的全过程中， 设计时要全面综合考虑。 1）设计制造的经济性： 采用先进的现代设计方法，使设计参数最优化； 最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零部件； 尽可能采用新技术、新工艺、新结构和新材料。 2）使用经济性： 生产率和工作效率高； 能耗低； 管理和维护费用低等。,2、经济性要求,1）操作方便和安全 设计时要按照人机工程学的观点布置各种按钮、手

6、柄，使操作方式符合人们的心理和习惯。 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 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，对机器易出现危险的部位设置防护措施。 防止有毒、有害介质渗漏，对废水、废气和废液进行治理。,3、劳动保护要求,在规定的使用时间内和预定的环境下机器能够正常工作。,应在工作条件和零件性能两个方面考虑。,4、可靠性要求,针对不同机器所特有的要求。 要求机床长期保持所需的精度； 对流动使用的机器要求便于安装和拆卸； 大型机器要求便于运输等。,5、其它专用要求,机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。,2-4 机械零件的主要失效

7、形式,整体断裂， 如齿轮轮齿折断；,零件的失效形式：,过大的残余变形， 如轴承塑性变形；,破坏正常的工作条件，如螺纹联接的松弛，带传动的打滑等。,工作表面的过度磨损，如轴瓦表面磨损；,统计结果表明：断裂仅占4.8%；腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%-主要失效原因。,2-5 机械零件设计时应满足的基本要求,一、避免在预定寿命期内失效的要求,应保证零件有足够的强度、刚度、寿命等。,1、强度要求,零件不发生断裂、塑性变形、过大磨损等。,2、刚度要求,零件工作时的弹性变形不能超过允许的范围。,3、寿命要求,影响零件寿命的主要因素有：疲劳破坏、磨损、腐蚀。,大部分零件工作在变应力下，易发生疲劳破坏。,二、结

8、构工艺性要求,在一定的生产条件下，零件应便于加工且费用低。,1、 毛坯选择合理,毛坯选择与生产批量、材料性能和加工方法有关。 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，常选用铸造、锻造、冲压等方法。,2、结构简单合理,最好采用平面、柱面等简单表面及其组合； 尽量减少加工面数和加工面积； 增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、键、 齿轮模数等）的数量； 尽量采用标准零部件。,3、合理的制造精度和表面粗糙度,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，力求使少切削加工，节约材料、降低成

9、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。,三、经济性要求 主要是制造成本,简化零件的结构； 采用无余量、少余量的毛坯，减少加工；,采用价格低而充足的材料代替昂贵材料； 大型零件采用组合结构； 尽量采用标准件。,四、质量小的要求,零件质量小可以节约材料，减小惯性，改善机器的动力性能。,五、可靠性要求,由于零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和机械性能等因素是随机变化的，故零件的失效是随机发生的。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。,2-6 机械零件的设计准则,强度准则-确保零件不发生断裂破坏或过大的 塑性变形，是最基本的设计准

10、则。 刚度准则-确保零件不发生过大的弹性变形。 寿命准则-通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。 振动稳定性准则-高速运转的机械设计应考虑。 可靠性准则-当考虑随机因素影响时，应进行可 靠性计算。,根据零件的失效形式，确定其设计准则以及相应的设计计算方法。,强度准则是指零件中的应力不得超过许用值。,一、强度准则,lim -材料的极限应力,脆性材料：lim = B (强度极限) 塑性材料：lim = S (屈服极限), =lim/S -许用应力,S为大于1的数。 S过大，虽安全但浪费材料； S过小，虽节省材料，但趋于危险。,二、刚度准则,零件在力作用下的弹性变形量不得超过许用值。即： y y,三、寿

11、命准则,影响零件使用寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲劳，前两者还没有成熟的计算方法，工程中常求出该寿命时的疲劳极限，作为计算的依据。,四、振动稳定性准则,保证机器中受激振零件的固有频率与激振源的频率错开， 即要求： 0.85 f fp 或 1.15 f fp f零件的固有频率； fp 激振源的频率,五、可靠性准则,2-7 机械零件的设计方法,常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。,机械零件的设计方法,常规设计方法,现代设计方法,理论设计,经验设计,模型实验设计,1、 理论设计,根据长期设计和实践总结出来的设计理论和实验数据所

12、进行的设计。,以受拉杆为例，强度计算公式为：,设计计算： A FS/ lim, = F/A =lim / S,2、经验设计 根据已有的设计和使用实践而归纳出的经验公式，或根据设计者的设计经验用类比的方法进行的设计。 对于使用要求变化不大而结构形状已典型化的零件，是有效的设计方法，例如：箱体、机架、传动件的结构要素等。,3、模型实验设计 把初步设计的零、部件或机器做成小模型或小尺寸样机，经过试验的手段对其特性进行检验，根据实验结果再对设计进行逐步修改，达到完善。 对于尺寸巨大、结构又很复杂的重要零件的设计，是一种有效的方法。,4、现代设计方法 是指在近二、三十年发展起来的较为完善、科学、 计算精

13、度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。,潘存云教授研制,选择零件类型、结构,写出计算说明书,画出零件工作图,校 核 计 算,计算零件上的载荷,确定计算准则,选择零件的材料,确定零件的基本尺寸,结 构 设 计,机械零件的设计步骤：,黑色金属,有色金属,铸铁,钢,金属材料,一、常用材料,低碳钢 (08F) 中碳钢 (45) 高碳钢 (60) 合金钢 (30CrMnSi） ,灰铸铁 (HT200) 球墨铸铁(QT600-2) ,2-9 机械零件材料的选用原则,铝合金 (LY12),铜合金 (ZCuSn10P1),1、铸铁 灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。,特点：良好的液态流动性，可铸成形状

14、复杂的零 件。较好的减振性、耐磨性、切削性（指 灰铸铁）、成本低。,2、钢 低碳钢 、中碳钢 、高碳钢、合金钢、结构钢、工具钢、铸钢等。,特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。,钢制零件毛坯获取方法： 锻造、冲压、焊接等。 应用：应用范围极其广泛。 钢的选用原则： 优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。,应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。,3、铜合金,青铜-含锡青铜、不含锡青铜。 黄铜-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍。 特点：具有良好的塑性和液态流动性； 青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。 零件毛坯获取方法：辗压、铸造。

15、应用：应用范围广泛。,高分子材料- 塑料、橡胶、合成纤维。 陶瓷-强度如钢、重量如铝、硬度如金刚石。 复合材料-强度高、弹性模量大、质量轻。,4、非金属材料,橡胶-橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。,塑料-塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件， 各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，在机械制造中应用日益广泛。,选材的一般原则： 载荷及应力的大小和性质 零件的工作情况 零件的尺寸及重量 零件的结构及加工性 材料的经济性,二、机械零件材料的选用原则,根据零件的用途、工作条件和材

16、料的力学和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。,1、产品品种规格的系列化 将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求（如：压力机、机床等）。,对零部件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。,2、零部件的通用化 将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等）制成通用件，实现互换。,3、产品质量标准化 要保证产品质量合格和稳定，必须做好设计、 加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。,2-10 机械零件设计中的标准化,机械零件标准化的意义 1）制造上：可以实现专业化大批量生产，既可 提高产品质量，又能降低成本； 2）设计方面：可减少设计工作量； 3）管理维修方面：可减少库存