机械设计_第1章 机械设计概论

第1章 机械设计概论
提示：
本章阐述机器、机构等概念，简述机械设计的要求、一般过程及具体设计的有关问题。

扼要地介绍现代机器的特征及其设计思想和方法。

基本要求：
掌握机器、机构及其组成，特别是机器及机构的特征；掌握机械设计的基本要求和一般过程；了解方案设计、机械零部件设计的要求及内容；掌握机械零部件设计计算准则、标准化及材料选用；了解现代机器的特征及其设计思想和方法。

1.1.1 机器、机构及其结构组成
机械是各类机器的通称。

它是人类改造自然、发展进步的主要工具。

在日常生活和工作中，我们接触到很多机器。

如摩托车、机器人、汽车等。

构件：机器的种类繁多、外形万变、用途各异。

但从机器的结构组成、机械运动的特点进行分析，这些不同的机器都是由能产生相对运动的单元体的组合而成，这些单元体称为构件。

机构：具有特定结构形状和运动特征的构件组合称为机构。

机器组成示例：（内燃机）
各机构的功能：
曲柄滑块机构：将活塞的往复移动转化为曲轴的连续转动
齿轮机构：实现转动的传递
凸轮机构：将凸轮的转动变换为顶杆的往复移动。

带传动机构：将曲轴的转动传递给凸轮轴
综合：通过上述三个机构的协调工作便能将燃气的热能转换为曲柄转动的机械能。

结论：机器是由各种机构组成的。

一部机器可能由多种机构组成，如上述的内燃机就是由曲柄滑块机构、齿轮机构和凸轮机构、带传动机构等组合而成；也可能仅由一个最简单的机构组成，如电动机就是只包含一个由定子和转子所组成的双杆回转机构。

机器的共同特征：
从上述例子以及对其他不同机器的分析可以得到机器的共同特征：
（1）它们都是人们根据某种使用要求而设计创造的一种装置。

（2）它们必须执行确定的机械运动。

（3）用于完成包括机械力、运动和能量转换等动力学任务。

相对于机器而言，机构主要反映机器的机械运动传递和运动形式转换的特征。

构件和零件：
零件：
从制造和装配的观点看，机器是由许多独立加工、独立装配的单元体所组成，这些单元体称为零件。

一个构件可以是一个零件，如图中的曲轴 :
但往往由于结构、工艺等方面的原因，构件可由几个零件所组成，这些零件被刚性地连接在一起成为一个运动整体。

图示的连杆就是由单独加工的连杆体、连杆头、轴瓦和、轴套、螺栓、螺母、开口销等零件组成的一个刚性构件，各个零件之间没有相对运动。

机构的广义化：
需要指出：随着科学技术的的进步，组成机构的构件已不能都简单地作为刚体处理，某些构件可以是挠性的或弹性的；有时侯液体、气体及电磁也参与实现机械运动的传递和变换。

部件：在工程中，常常把组成机器的某一部分的零件组合体称为部件，如减速器、变速器、联轴器、离合器、制动器等。

这些部件用以完成特定的工作，企业往往把它们独立加工装配。

1.1.2 机器的功能组成
作为一部完整的机器，仅具有上述的机械部分是不够的，它不能完成预期的工作。

从功能和系统的角度来看，机器一般主要由五部分组成，如图所示。

(1)动力系统
动力系统包括动力机及其配套装置；它的功能是向机器提供运动和动力，是机械系统的动力源。

如图的电动机。

另外还有内燃机、液压马达、气马达、液压缸、气缸及电磁驱动等。

（2）执行系统
执行系统包括执行机构和执行构件，它的功能是驱动执行构件按给定的运动规律运动，实现预期的工作。

执行系统一般处于机械系统的末端，执行构件直接与工作对象接触。

执行系统可以只包含一个执行机构和多个执行构件，如上图所示的曲柄冲压机，其曲柄、连杆、滑块及冲头组成曲柄滑块机构为冲压执行机构，滑块及冲头是执行构件。

执行系统也可以由几个执行机构组成，如图中的自动曲柄冲压机，其执行机构除曲柄滑块机构外，还有由气缸及推料头组成的送料机构，它们配合完成冲压-送料工作。

(3）传动系统
传动系统是把动力系统的运动和力传递给执行系统的中间装置。

如图中的齿轮和皮带轮都是将电机输出的运动和力传递给曲柄冲压机构。

(4）操纵系统和控制系统
操纵系统和控制系统都是为了使动力系统、传动系统、执行系统彼此协调工作，并准确可靠地完成整机功能的装置。

操纵系统:多指通过人工操作以实现上述要求的装置。

如图A中的离合器是通过由连杆等构件组成的踏板机构控制其离合，实现传动的接入和分离。

另外还有起动、制动（如图A中的制动器）、变速、换向等装置。

控制系统:是指通过人工操作或测量元件获得的控制信号，经由控制器，使控制对象改变其工作参数或运行状态而实现上述要求的装置。

如图中的电磁铁，电控换向阀和电控箱等组成了控制系统，协调冲压、送料等动作配合，实现自动化操作。

(5）框架支撑系统及其他的辅助系统
框架支撑系统： 包括基础件（如床身、底座、立柱等）和支撑构件（如支架、箱体等）。

它用于安装和支承动力系统、传动系统和操作系统等，如图A和图B中的机身。

机器各部分的位置精度、运动精度及机器的承载能力等主要依靠框架支撑系统来保证，该系统是机械系统中必不可少的部分。

此外，根据机械系统的功能要求，还有一些辅助系统，如润滑、冷却、显示、照明等。

2 现代机器及其主要特征
（1）现代机器及其组成
随着伺服驱动技术、检测传感技术、自动控制技术、信息处理技术、材料及精密机械技术、系统总体技术的飞速发展，使传统机械在产品结构和生产系统结构等方面发生了质的变化，形成了一个崭新的现代机械工业。

现代机器已经成为一个以机械技术为基础，以电子技术为核心的高新技术综合系统。

现代机器的定义：由计算机信息网络协调与控制的、用于完成包括机械力、运动和能量转换
动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统。

这个定义突出计算机在现代机器中的协调控制的核心作用，同时也强调了现代机器的主要功能仍然是执行机械运动、完成有用功和能量的转换。

现代机器的组成
焊接机器人就是典型的现代机器，它的执行系统是操作机 ，该系统可以实现六个独立的回转运动，完成焊接操作。

驱动系统按动力源的不同可分为电动、液动或气动，其驱动机为电动机、液压马达、液压缸、气缸及气马达。

传动系统可以是齿轮传动、谐波传动、带传动和链传动等。

也可以将上述驱动机直接与执行系统相连。

控制系统是控制器，它由计算机硬件、软件和一个专用电路组成。

框架支撑系统是机座 。

另外还有焊接电源装置等。

焊接机器人由计算机协调控制操作机的机械运动，用于完成各种焊接工作。

（2）现代机器的主要特征
现代机器是由机械技术与电子技术有机结合的一个全新系统。

它与传统机器比较，具有以下主要特征：
必须强调指出：在现代机器中机械系统是不可缺少的重要组成部分，机械系统和电子系统在不同的场合具有不同的优势。

因此，现代机器要求综合考虑机、电、硬、软等方面的特性，使系统各部分合理匹配，实现整体的最佳化。

1.2 机械设计概述
1.2.1机械设计的基本要求
机械设计的最终目的是为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，在市场竞争中取得优势，赢得用户，取得良好的经济效益。

产品的质量和经济效益取决于设计、制造和管理的综合水平，而产品设计则是关键。

没有高质量的设计，就不可能有高质量的产品；没有经济观念的设计者，决不可能设计出性能价格比好的产品。

据统计，产品质量事故，约有50%是设计不当造成的；产品的成本60%-70%取决于设计。

因此，在机械产品设计中，特别强调和重视从系统的观点出发，合理地确定系统的功能；重视机电技术的有机结合，注意新技术、新工艺及新材料等的采用；努力提高产品的可靠性、经济性及保证安全性。

以下简述机械设计应满足的基本要求。

1 满足社会需求
2 可靠性的要求
3 经济性要求
4 安全性要求
1 满足社会需求
机械产品的设计总是以社会需求为前提，一项产品的性能应尽量满足用户的需求。

没有需求就没有市场，也就失去了产品存在的价值和依据。

社会的需求是变化的，不同时期、不同地点、不同的社会环境就会有不同的市场行情和需求。

产品应不断的更新改进，适应市场的变化；否则就会滞销、积压，造成浪费，影响企业的经济效益，严重时甚至导致企业的倒闭。

所以，设计师必须确立市场观念，以社会需求和为用户服务作为最基本的出发点。

所谓需求，就是对功能的需求，用户购买产品就是购买产品的功能。

产品的功能是与技术、经济等因素密切相关的。

通常随着功能的增加，产品的成本也随之上升。

所以设计师就必须进行市场调查和用户访问，查清市场当前的需求和预测今后的需求，然后对产品进行功能分析，遵循
保证基本功能、满足使用功能，剔除多余的功能、增加新颖功能、恰到好处地利用功能原则，提高功能价值，降低实现成本，力求提高产品的竞争力
2 可靠性的要求
可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。

这里所指的"产品"可以是零件、部件等，也可以是整机系统。

"规定条件"是指对产品进行可靠性考核时所规定的使用条件和环境条件，包括载荷状况、工作制度、应力、强度、湿度、粉尘及腐蚀等，也包括操作规程、维修方法等。

"规定时间"是指对产品可靠性考核是所规定的时间，包括运行时间、应力循环次数、行驶的里程等。

"规定功能"是指对产品考核的具体功能，产品规定功能的丧失称为失效，对可修复产品的失效也称为故障。

可靠性是衡量产品质量的一个重要指标，提高产品可靠性的最有效的方法是进行可靠性设计。

设计者应从整机系统出发，对可能发生的故障和失效进行预测和分析，采取相应的预防措施；对整机系统可靠性有关键影响的另部件应进行可靠性分析和设计。

衡量产品可靠性的指标有很多，机械产品常用的可靠性指标主要有可靠度R、失效概率F及失效率λ等。

机械设计的基本要求
可靠度R: 指产品在规定的条件下和规定的时间内（寿命）完成规定功能而不发生故障或失效的概率，0≤R≤1。

失效概率F:指在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能时发生故障或失效的概率。

失效概率也称不可靠度，0≤F≤1。

因为失效和不失效是对立事件，所以F=1-R。

失效率λ：是指产品工作到某一时刻后，在单位时间内发生失效或故障的概率，失效率也称为故障率。

机械产品典型的故障率曲线如图1.7所示，因其形状象浴盆，故常称为浴盆曲线。

根据故障率的变化趋势，通常将故障分为初期、稳定期（偶发）及耗损期。

初期故障 通常是由机器中某些可靠性较差的另部件引起的，也可由设计中的不当或制造装配中
的缺陷引起。

稳定期故障 主要由一些偶发因素引起，如操作不当、运行条件的突然变化、过载及另部件的偶然性缺陷等，所以又称为偶发故障。

功能寿命(有效寿命) 指偶发性故障所对应的运行时间，它是产品能有效工作的时间
耗损期故障 另部件因老化、磨损、疲劳等原因，故障率显著上升，这时机器的效率下降，生产率降低，意味着机器正常寿命的终结。

在稳定期，机器如能得到良好的维修，及时更换磨损、疲劳及老化的另部件则整机系统的故障率显著下降，功能寿命得以延长。

因此，在设计阶段就应考虑机器的易维修性，使机器易于检查、发现和排除故障，为了便于维修，整机系统的薄弱环节（易损件等）尽量作成独立部件或采用标准件、通用件，并设计成容易拆卸和更换的结构等。

3 经济性要求
提高产品的经济性，既是增加产品市场竞争力、赢得用户的需要，也是节约社会劳动、提高社会效益的需要。

提高产品的经济性是以寿命周期成本最低为目标的。

寿命周期成本 是指产品从规划、设计、制造、使用直至报废的整个寿命周期内所支出费用的总和。

寿命周期成本=生产成本+使用成本
生产成本=直接成本+间接成本
直接成本 主要包括研究与设计、材料及采购、加工和装配等与生产直接有关的各项成本；间接成本 主要包括管理、销售、广告、公用事业、保险福利、研究开发及利息等各项非直接生产环节的支出分摊到该产品的成本。

销售价格=生产成本+利润+税金
使用成本 包括运行成本和维修成本。

机械产品通常是寿命周期较长的耐用消费品，其使用费用累积额可能相当可观。

提高产品经济性的途径：
1、提高设计和制造的经济性
提高设计和制造的经济性，从设计的角度考虑主要有以下几方面。

1）、在完成产品功能分析的基础上，通过创新构思，优化筛选得到最佳的功能原理方案。

该方案在满足功能要求和可靠性要求的前提下，具有效率高、能耗少、生产成本低及易维修等良好经济性的特点。

2）、采用先进的现代设计制造方法，使设计参数最优化，达到尽可能精确的设计结果，保证机器的可靠性。

尽可能地应用CAD/CAM技术，特别是先进制造技术，提高设计制造效率、降低设计制造成本。

3）、尽可能地采用新技术、新工艺、新结构和新材料。

4）、努力提高另部件结构的工艺性，使其用料少、易加工、易装配，提高生产率、缩短生产周期，降低生产成本。

5）、最大限度地采用标准化、系列化及通用化的另部件。

2提高使用和维修经济性的途径
1) 提高产品的效率、降低能耗。

机器的效率主要取决于传动系统和执行系统的效率。

传动系统的效率通常与传动类型、结构形式、工作表面的性态、摩擦润滑状况、润滑剂的种类、润滑方式及工作条件等有关；执行系统的效率与执行机构的类型、机构结构及参数有关。

在方案设计和结构设计时，应充分考虑提高效率的措施。

2） 合理地确定机器的经济寿命
机器的寿命分为以下三种：
功能寿命 机器从开始使用至其主要功能丧失而报废所经历的时间；
技术寿命 机器从开始使用至因技术落后而被淘汰所经历的时间；
经济寿命 机器从开始使用至继续使用其经济效益显著变差所经历的时间。

在科学技术高速发展的时代，机器的经济寿命、技术寿命大大短于功能寿命。

按成本最低的观点，机器更新的最佳时间应由其经济寿命确定。

在设计中单纯追求长寿命是不恰当的，应合理地确定机器的经济寿命。

3） 提高维修的经济性
维修能延长机器的使用寿命，是保证良好的技术状况及正常运行的技术措施，但必须以付出一定的维修费用及停机费用为代价。

因此，以尽可能少的维用换取尽可能多的使用经济效益，是机器进行维修的原则。

4 安全性要求
机器的安全性包括两方面：
（1） 机器执行预期功能的安全性，即机器运行时系统本身的安全性，如满足必要的强度、刚度、稳定性、耐磨性等要求。

因此，在设计时必须按有关规范和标准进行设计计算。

另外，为了避免机器由于意外原因造成故障或失效，常需要配置过载保护、安全互锁等装置。

如为了保证传动系统在过载时不致损坏，常在传动链中设置安全离合器或安全销。

又如，为保证机器安全运行，离合器与制动器必须设计成互锁结构，即离合器与制动器不能同时工作。

（2） 人-机-环境系统的安全性
机器是为人类服务的，同时它又在一定的环境中工作，人、机、环境三者构成一个特的系统。

机器工作时不仅机器本身应具有良好的安全性，而且对使用机器的人员及周围的环境也应有良好的安全性。

安全性包括两方面的内容。

在满足安全性要求的基础上，在设计上应以人为主体协调处理好人、机、环境三者的关系，力求产品功能完善，造型色彩大方宜人，人-机接口亲切、方便，要对人类的生存环境得到保护和改善
1.2.2 机械设计的类型
机械设计是一项创造性劳动，同时也是对已有成功经验的继承过程。

根据实际情况的不同可以分成三种类型：
开发性设计 机械产品的工作原理和具体结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，开发设计新产品，这是一种完全创新的设计。

适应性设计 对现有机械产品的工作原理、设计方案不变的前提下，仅作局部变更或增加附加功能，在结构上作相应调整，使产品更能满足使用要求。

变形设计 机械产品的工作原理和功能结构不变，为了适应工艺条件或使用要求，改变产品的具体参数和结构。

1.2.3 机械设计的一般过程
机械产品设计的过程是一个复杂的过程，不同类型的产品、不同类型的设计，其产品的设计过程不尽相同。

产品的开发性设计过程大致包括规划设计、方案设计、技术设计、施工设计及改造设计等三个阶段,如图示。

1 规划设计
1） 市场调查
在明确任务的基础上，广泛的开展市场调查。

其内容主要包括用户对产品的功能、技术性能、价位、可维修性及外观等具体要求；国内外同类产品的技术经济情报；现有产品的销售情况及该产品的预测；原材料及配件供应情况；有关产品可持续发展的有关政策、法规等。

2） 可行性分析
针对上述技术、经济、社会等各方面的情报进行详细分析并对开发的可能性进行综合研究，提出产品开发的可行性报告，报告一般包括以下内容：
（1） 产品开发的必要性，市场需求预测；
（2） 有关产品的国内外水平和发展趋势；
（3） 预期达到的最低目标和最高目标，包括设计技术水平、经济、社会效益等；
（4） 在现有条件下开发的可能性论述及准备采取的措施；
（5） 提出设计、工艺等方面需要解决的关键问题；
（6） 投资费用预算及项目的进度、期限等。

3） 技术任务书
技术任务书下达对开发产品的具体设计要求，它是产品设计、制造、试制等评价决策的依据，也是用户评价产品优劣的尺度之一。

技术任务书的具体内容主要包括：
（1） 产品功能、技术性能、规格及外型要求；
（2） 主要物理、力学参数、可靠性、寿命要求；
（3） 生产能力与效率的要求；
（4） 环境适应性与安全保护要求；
（5） 经济性要求；
（6） 操纵、使用维护要求；
（7） 设计进度要求。

2 方案设计
市场需求的满足是以产品功能来体现的。

实现产品功能是产品设计的核心，体现同一功能的原理方案可以是多种多样的。

因此，这一阶段就是在功能分析的基础上，通过创新构思、优化筛选，取得较理想的功能原理方案。

产品功能原理方案的好坏，决定了产品的性能和成本，关系到产品的水平和竞争力，它是这一设计阶段的关键。

方案设计包括产品功能分析、功能原理求解、方案的综合及评价决策，最后得到最佳功能原理方案。

对于现代 机械产品来说，其机械系统（传动系统和执行系统）的方案设计往往表现为机械运动示意图（机械运动方案图）和机械运动简图的设计。

3 技术设计
技术设计的任务是将功能原理方案得以具体化，成为机器及其零部件的合理结构。

在此阶段要完成产品的参数设计（初定参数、尺寸、材料、精度等）、总体设计（包括总体布置图、传动系统图、液压系统图、电气系统图等）、结构设计、人机工程设计、环境系统设计及造型设计等，最后得到总装配草图。

4 施工设计
施工设计工作内容包括由总装草图分拆零件图，进行零部件设计，绘制零件工作图、部件装配图；最后绘制总装图；编制技术文件， 如设计说明书、标准件及外购件明细表、备件和专用工具明细表等。

5 改进设计
改进设计包括样机试制、测试、综合评价及改进，以及工艺设计、小批生产、市场销售及定型生产等环节。

根据设计任务书的各项要求，对样机测试，发现产品在设计、制造、装配及运行中的问题，细化分析问题。

在此基础上，对方案、整机、另部件作出综合评价，对存在的问题和不足加以改进。

工艺设计包括两方面的内容：
1） 制定零件制造与装配工艺，设计与生产批量相适应的工艺装备及专用设备。

2） 标准化、系列化检查，尽量采用标准化、系列化、通用化的另部件，所有文档资料符合标准
化的要求。

通过小批生产及市场销售反馈对产品设计、工艺设计及生产规模实践考核，在进一步完善的基础上，进入定型生产。

必须强调指出，整个机械设计的过程的是复杂的，反复进行的。

在某一阶段发现问题，必须回到前面的有关阶段进行并行设计。

因此，整个机械设计的过程是一个不断反复、不断修改、不断完善的过程，以期逐渐接近最佳结果。

1．3 方案设计和机械零部件设计简述
机械系统的方案设计和机械零部件设计是机械设计过程的重要内容，是决定机械产品质量、水平、性能和经济效益的关键。

1.3.1 方案设计的主要内容及要求
1. 方案设计的主要内容
机械系统方案设计包括以下几项内容：
⑴ 功能原理设计 根据产品所要实现的功能，提出一些工作原理方案及相应的工艺动作构思，这一过程就是功能原理设计。

⑵ 机械运动原理方案设计 根据功能原理方案设计中提出的工艺动作过程及各动作的运动规律要求，选择若干种类型的机构，用一定的顺序把它们组合成一个机构系统，该系统能合理地、可靠地完成上述工艺动作过程，机械运动原理方案设计又称为机构的型综合。

⑶ 机械运动简图设计 根据各工艺动作的运动规律和运动协调条件，确定机械运动方案中各机构的运动尺寸。

上述表达机构系统各机构结构形式、相互间联接情况及运动尺寸的图就是机械运动简图。

机械运动简图设计又称为机构的尺度综合。

2. 方案设计的基本要求
根据机械设计的基本要求，在方案设计阶段应满足的主要要求是：
⑴ 运动要求 机构系统应满足工艺动作提出的运动形式、运动规律、运动协调性及运动精度等要求。

⑵ 动力要求 机构系统的动力参数应满足机械的工作要求，具有机械效率高、速度波动小、平衡精度高、冲击振动小等良好的动力特征。

⑶ 经济性要求 机构系统应满足机构结构组成简单、布局合理、易加工制造、使用维修方便等要求。

另外，机构系统工作稳定可靠、操作方便、环境的适应性也都是不可忽视的要求。

1.3.2 机械零部件设计概述
1. 设计的主要内容和要求
机械零部件设计是机械设计的重要组成部分，机械运动方案中的机构和构件只有通过零部件。