第五章机械设计概述

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1、第五章 机械设计概述,第一节 机械结构在设计中的地位,一、设计工作中的机械与结构,1设计对象中的机械与结构示例,图5-1 计算机桌示例,选材 支架常用金属型钢、型铝、木料制作，面板则用非金属板材；型材 板材品种、规格、型号非常多，性能和价格迥异，合理选材需有材料知识。,桌子、椅子等各种家具是设计工作的传统对象。进行计算机桌和座椅的设计，除了造型美观和人机学要求以外,不可避免要涉及的问题还有：,联接 原材料多为长棒、大板，按图纸进行切割、冲压、加工、表面涂饰，才成为一个个的零件，然后联接成产品。联接方法很多，各种联接方法的适用条件、性能、成本差异也很大。这些均为设计者所必须了解。,可调、可动的简

2、单机构 座椅高度、座面倾角需可调，键盘和鼠标托板可以推进拉出等。设计者应能正确地实现这类构件的运动、调节、固定。,结构稳定和牢固 产品应牢靠，在预定寿命中不破损；但又不可粗大笨重。 通过工程力学基础的学习，已经为此打下了初步的基础。,图5-2 几种常见的社会设施,没有上述几方面的机械结构知识,不可能着手这些产品的设计。,可折叠器物能减小收藏存储空间,便于携带和运输,成为设计的一个热点方向, 它们的设计当然离不开机械结构的知识。,图5-3 几种可折叠器物,日用家电、信息等类产品与人们日常生活密切相关,其中大多由电力驱动,但完成最终功能的仍然是机械结构,这些产品图清楚地表明:机械结构在它们的设计中

3、都是重要的工作内容。,图5-4 家电、信息等类产品中机械结构很重要,2设计人员面对的结构设计工作,若对象只涉及简单的机械结构，例如日用品、家具、小型公共设施等，设计人员应该承担其全部设计任务，包括其中的结构设计。,若对象涉及的机械结构复杂，设计任务由技术工程师和造型设计师来协作完成，但对造型设计工作、顺利与与技术工程师沟通协作来说，机械结构知识仍必不可缺。,设计工作与机械结构密不可分，设计人员必须具备一定的机械结构设计 能力，这是设计人员业务素质高低的基本衡量指标之一。,图5-5 机械结构较复杂的产品示例,二、机械设计基础的教学要求与学习方法,1.了解机械与结构设计的基本概况，掌握初步设计技能

4、,重在对机械结构设计宽泛的、概貌的“面”上了解，而不求“点”上的深透。,重在了解机械机构“可以实现什么样的应用目标？”，而不深究技术细节。,为掌握简单机械结构设计技能打下基础。,2.加强实践性教学环节实践性、直观性、应用性,尽量多以日常生活用品为例阐述，直观性有利于提高学习兴趣。,各章的思考题练习题注重实践性练习，学生应努力去接触产品实物。,多数是实践性作业，重视并努力做好作业，是学好课程的关键。,第二节 机械设计的基本要求和一般程序,一、机械与结构,1. 零件、构件、部件,图5-6 零件与构件的示例,零件 是机械或结构中不能再拆分的个体,是加工制造的单元体。,构件 是机械中结合在一起运动的整

5、体,是运动的单元体。,部件 是机械或结构中在构造和作用上自成整体、可以单独分离出来的部分;也常把机械与结构在装配中的局部单元体称为部件。因此部件的概念比较宽泛、灵活,可大可小。,构件可能是一个零件,也可能由多个零件组合而成。内燃机中曲轴是一个构件,也是一个零件， 而连杆这个构件则由多个零件连接而成。,部件是装配的单元体,2. 机构、机器、机械,机构 能实现运动变换和动力传递的零件、构件的组合。,机器 能代替或减轻人的劳动、能完成有用机械功的机构与构件的组合。,机械 则是机构和机器的总称,因此机械的含义比较宽泛。,实例 链条加链轮链传动机构 自行车简单的机器,螺杆加螺母螺旋机构 千斤顶、台钳简单

6、的机器,图5-7 螺旋千斤顶与台钳 a）螺旋千斤顶 b）台钳,现代机器的组成部分：,原动机部分 电动机、内燃机、液压泵、气泵等。 传动部分 带传动、齿轮传动、液压传动等机构及其组合。 执行部分 机器完成工作任务的部分，联接在传动部分的终端。 控制部分 有机械、光电、电子等控制元器件组成。,3. 机械设计、结构设计,结构 通常指建筑物、设施及产品中起支承作用的支架、框架。,机械是由两个部分组成的： 第一部分原动、传动等运动部分； 第二部分不运动的结构部分。,在造型设计领域里，对机械设计和结构设计一般不做严格区分。,结构也是由一些零件、构件组合而成的。,在产品中,像家具、便携小车、自行车宝宝座位等

7、,其构成主体就是结构。一般社会设施的主体也是结构,如垃圾箱，公告栏、宣传栏、公共电话亭等。 结构是产品和社会设施设计的常见对象。,图5-8 翻转式不锈钢垃圾箱,图5-9 社会设施示例,二、机械设计的基本要求,1实现预定功能 ：预定功能是已经先期确定的目标,是设计的出发点和归宿。在预定环境条件和工作寿命内实现该功能,是设计工作的基本要求。,2经济性要求：产品的性能和成本总是密切相关的,较高的性价比,才符合市场需求。但产品经济性不仅指产品的生产制造成本,还涉及产品的工作效率、使用中的能耗材耗与对环境的影响、维护管理费用、报废处理费用等。,3. 安全与可靠：以人为本,让产品更加安全可靠、便于操作使用

8、,这些“宜人性”要求越来越成为产品市场竞争的关键要素。,4加工制造工艺性：指零部件和产品便于加工制造、装配、运输。工艺性是一个动态的概念,不但随技术进步不断变化,也与生产规模、企业现代化程度等条件有关,需要因时因地具体把握。,5标准化、系列化、通用化“三化”要求。,6其他特殊要求：某些产品会因特定使用条件而有某些特殊要求,例如耐腐蚀、耐高温低噪声或静音、快速拆装与便携、特定族群的文化习俗等。,三、机械设计的一般程序,设计程序共同的大方向是：从总体到局部，从方案到细节。,图5-10 机械设计的一般程序,四、标准化、系列化和通用化,1标准化与标准零部件,常见的标准化零件有螺钉、螺母、垫圈、销、键、

9、滑动轴承、V带、液气管道接头、密封圈等;常见的标准化构件有滚动轴承、链条、联轴器、门窗合页、油气阀门等;常见的标准化部件有电动机、变速机、离合器、气泵液泵等。在机械设计中,凡通用零部件,都不必自己设计,而是查手册选购。,2系列化与通用化,将机械中通用零部件的结构、尺寸、材料、参数和性能等指标加以统一规定,称为零部件的标准化。,每一种标准零部件,其尺寸均按一定规律从小到大、性能指标按一定要求从低到高组成多种的型号和规格,这就是标准零部件的系列化。,在一件产品内或系列产品之间尽量采用同一规格、同一尺寸型号的零部件,减少零部件的种类,以便于制造、管理、使用、更换、维修,称为通用化。,3.机械设计中贯

10、彻“三化”原则的意义,1)减轻设计工作量。 2)标准零部件是由专业化工厂大规模生产的,效率高、成本低、质量可靠。 3)便于维护使用,便于更换维修。 “三化”是设计应贯彻的原则,也是国家的一项技术政策。,第三节 机械结构的常用材料及其选用原则,一、机械结构的常用材料,机械结构用的材料种类,1. 机械结构常用金属材料,钢和铝合金的综合性能适合一般机械结构的要求,且价格合适,是机械结构的常用材料。铜合金价格较高,但以优良的耐磨性、减摩性和导电性而适用于特定零构件。,表5-1 机械结构中常用金属材料及应用举例,表5-1 机械结构中常用金属材料及应用举例,2. 机械结构常用非金属材料,(1)塑料 现今塑

11、料是机械结构中应用最广泛的非金属材料 (表5-2),从应用的角度可以将塑料分为通用塑料和工程塑料两大类。,按塑料的加工性能,可分为热塑性塑料和热固性塑料。 热塑性塑料加工成型后,再次加热仍然具有流动性,可以再次进行加工成型,因此可回收利用。PVC、PE、PP、ABS等属于热塑性塑料。热塑性塑料制品不耐高温，制作的容器甚至不能盛放热水。 热固性塑料经过一次加热成型固化后,再次加热不能重新恢复其流动态,无法再次加工成型,不具有回收利用的性能。环氧树脂、橡胶等属于热固性塑料。选用塑料时必须注意区别分辨。,有些塑料有毒性,有些无毒,制作食品容器和儿童玩具,严禁选用有毒塑料。,(2)橡胶 橡胶的特性是弹

12、性高,制作抗振减振、存储机械能的零构件具有独特的优势。橡胶还有优良的耐磨性、密封性、隔声性和独特的阻尼特性,广泛用作车辆轮胎、油气管道接头密封、产品中抗振和减振、隔声消声衬垫等零构件。 (3)木竹、玻璃、陶瓷 一般机械中这几种材料用得很少,但在家具、社会设施等结构物中,木竹因与人的亲和力而备受青睐。玻璃、特种玻璃在车辆和建筑中的地位还难以替代。各种新型特种陶瓷可在机械、电子、光电设备中用于制作多种特殊的零件。,表5-2 常用塑料的性能特征和应用举例,3. 复合材料,复合材料由两种或两种以上材料组合而成,能够获得比单一材料更加优越的性能,发展前途广阔,是现代材料科学的重点领域。 按材料的增强结构

13、形式不同,复合材料分为纤维增强复合材料、层叠复合材料和颗粒复合材料三类。 纤维增强复合材料发展最快、应用最广。例如碳纤维-树脂复合材料,强度、韧性可与高强度钢媲美,但重量比玻璃钢还轻,且具有优良的耐磨、减摩及自润滑性、耐蚀性、耐热性等,在工业和军工中可用于制造高级机架、连杆、齿轮及人造卫星天线构架等;在生活日用品中,则用来制造高级钓鱼竿、手杖、高尔夫球杆等。 玻璃钢也是一种纤维增强复合材料。,二、材料选用的原则,选材应考虑三方面因素，综合权衡，不顾此失彼，不片面追求高档材料。,1. 使用性能要求,(1)力学性能 主要有强度、刚度、弹性、韧性、对应力集中的敏感性等。 (2)表面性能 硬度、耐磨性

14、、减摩性,也包括表面是否易于涂饰的性能。 (3)物理性能 密度、耐热性、热膨胀性、导热性、导电性、磁性等。 (4)化学性能 主要指耐蚀性,如耐酸、耐碱、抗氧化等。,2.加工工艺性能 材料适用何种加工工艺,与该材料能否制成某种形状的零件、加工制造的成本高低都有很大的关系。例如塑料注射成型中一个模子可以注射多达几十万个零件,效率高,单件加工成本低,又能做成复杂的形状。不锈钢虽有多种无可置疑的优越性能,但它不易制成复杂形状、焊接也较困难,限制了它更广泛的应用。 现代制造业的常见加工工艺手段有：注射、冲压、铸造、锻造、切割与切削加工、焊接、热处理、表面处理和涂饰等。 现代制造方法与机械设计密切相关,是

15、一个内容丰富的专门技术领域。,3. 经济性要求,三、板材、管材、型材,1. 板材,与选材有关的经济性,应该包括三个方面: 1)材料价格、加工成本等生产厂家方面的经济性因素。 2)使用寿命、使用效率等用户方面的经济性因素。 3)产品废弃以后对环境污染的影响、回收利用的可能性等社会环保方面的经济性因素。,前面插图中所列举的产品或设施中,有不少需要用板材、管材和型材。,钢、铜合金、铝合金、塑料、木料和复合木料均有多种品种规格的板材。 (1)钢板 分热轧钢板和冷轧钢板两大品种。 热轧钢板的因表面光洁程度不高,多用于大中型建筑结构,而较少用于家庭日用等小型产品。 冷轧钢板表面光洁,家庭日用等小型产品中多

16、采用它。,图5-14 金属板材面板的机箱和工作台 a）小型机箱 b）工作台,2. 管材,钢管 分焊接钢管、热扎无缝钢管、冷拔无缝钢管三个主要品种。,热扎无缝钢管 小规格的热轧无缝钢管在游乐场设施、过街天桥栏杆、社区健身器材等产品设施上常会见到,一般要经过表面涂饰,避免生锈,增加美观。 较少用于小型精致产品。,冷扎（冷拔）无缝钢管 冷轧(冷拔)无缝钢管轻巧美观、强度刚度俱佳,是生活和精细工业产品的常用选材。,一辆自行车上就有多种尺寸规格的钢管。不同钢管家具可采用各种不同的钢管。,实心棒材有正圆、正方、正六边形等截面规格,但在同等重量下,实心棒材的强度和刚度均低于或远低于空心管材,所以产品中较少采用实心棒材。,(2)其他板材 有色金属板材：冷轧铜合金板、热轧铜合金板、铝合金板 非金属板材的品种材更多：硫化橡胶板,硬、软聚氯乙烯板等塑料板材,实木,复合木等木质木基板材等。 板材规格很多，性能各异,新品种也不断问世。为