機(jī)械設(shè)計(jì)綜合概論

第八章 機(jī)械設(shè)計(jì)概論8.1 機(jī)械設(shè)計(jì)的重要性90年代末，美國提出了“為競爭的優(yōu)勢而設(shè)計(jì)”(Designing for Competitive Advantage)的口號(hào)，也有人說“21世紀(jì)將是設(shè)計(jì)的世紀(jì)”。面對(duì)國際市場的競爭，一個(gè)企業(yè)、國家參與競爭的力量就是“設(shè)計(jì)”，就必須依靠產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)。20世紀(jì)后期所形成的全球經(jīng)濟(jì)一體化格局，預(yù)示著21世紀(jì)在世界范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)競爭將會(huì)更加激烈。對(duì)于包括機(jī)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(jì)質(zhì)量和效率。對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)來說，就是適應(yīng)市場的需求，以最短的設(shè)計(jì)周期，拿出功能強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、便于使用于維護(hù)的產(chǎn)品。機(jī)械設(shè)計(jì)在機(jī)器制造業(yè)起著十分重要的作用，往往機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能和競爭力就在于設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，雖然機(jī)械產(chǎn)品成本中的約80是制造費(fèi)用，設(shè)計(jì)成本只占5左右，而就是這5的設(shè)計(jì)活動(dòng)決定著7080的產(chǎn)品成本。而機(jī)械制造業(yè)是一個(gè)國家自立于世界的標(biāo)志，是國家財(cái)政收入的主要?jiǎng)?chuàng)造者，其產(chǎn)值占到國民產(chǎn)值得80%左右。所以，作為機(jī)電專業(yè)的學(xué)生必須努力學(xué)習(xí)，掌握機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)一般過程機(jī)械設(shè)計(jì)過程一般包括四個(gè)階段，即：1）明確任務(wù)階段；2）方案設(shè)計(jì)階段；3）技術(shù)設(shè)計(jì)階段；4）施工設(shè)計(jì)階段。1）明確任務(wù)階段在實(shí)際工作中，我們知道有各種各樣的、用途各不相同的機(jī)器。但是，所有這些機(jī)器的設(shè)計(jì)過程都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即都是從提出設(shè)計(jì)任務(wù)開始的。而設(shè)計(jì)任務(wù)的提出主要是依據(jù)工作和生產(chǎn)的需要。設(shè)計(jì)任務(wù)一般是以任務(wù)書的形式下達(dá)的，其中明確規(guī)定有：機(jī)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(jì)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(shí)也必須考慮承制單位的加工能力。2）方案設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)部門和設(shè)計(jì)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(jì)計(jì)劃，按照下述的步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：（1）機(jī)器工作原理選擇工作原理是實(shí)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(shí)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(jī)器時(shí)，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(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)進(jìn)行開采等。（2）機(jī)器的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)就是根據(jù)上一步確定的機(jī)器工作原理，確定機(jī)器執(zhí)行部分的運(yùn)動(dòng)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(jī)械原理知識(shí)來完成。這里，必須同時(shí)考慮選擇適當(dāng)?shù)脑瓌?dòng)機(jī)，妥善考慮和設(shè)計(jì)機(jī)械的傳動(dòng)部分實(shí)現(xiàn)方法，并考慮運(yùn)動(dòng)參數(shù)調(diào)整的必要性于可能性。（3）機(jī)器的動(dòng)力設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)器的工作原理和運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果，按照機(jī)器的總體性能要求，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)特性、工作阻力、速度、傳動(dòng)效率等，計(jì)算機(jī)器所需的驅(qū)動(dòng)功率，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)的選擇。同時(shí)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(jī)械原理和電工學(xué)知識(shí)來完成。3）技術(shù)設(shè)計(jì)階段主要是依據(jù)原動(dòng)機(jī)的特性和運(yùn)轉(zhuǎn)特性或根據(jù)零部件的工作載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般采用前一種方法，選擇設(shè)計(jì)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(jì)方案通過必要的分析計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、動(dòng)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(qiáng)度和剛度計(jì)算等。反映在實(shí)際工作的成果圖紙上，大體可以分為四個(gè)階段：（一）總體設(shè)計(jì)階段：根據(jù)工作原理繪制機(jī)器的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，這是圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的第一階段。在這個(gè)階段，要考慮各個(gè)機(jī)構(gòu)主要零件的大體位置。同時(shí)，為了擬訂機(jī)器的總體布置，需要分析比較各種可能的傳動(dòng)方案。（二）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段：考慮和決定各部分的相對(duì)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(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖變成具體的裝配圖（或結(jié)構(gòu)圖），這是圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的第二個(gè)階段。（三）零件設(shè)計(jì)階段：裝配圖只確定了機(jī)器的總體尺寸、各個(gè)零部件的相對(duì)位置及配合關(guān)系，而沒有反映出各個(gè)零件的全部尺寸、結(jié)構(gòu)等。零件設(shè)計(jì)階段就是把機(jī)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(jì)說明書和使用說明書。4）施工設(shè)計(jì)階段（工藝設(shè)計(jì)）本階段是將設(shè)計(jì)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(jì)等工作。這些屬于機(jī)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(yàn)、依賴于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，所以計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（CAPP）未能像機(jī)械CAD一樣獲得突破性進(jìn)展和廣泛應(yīng)用。一個(gè)完整的設(shè)計(jì)過程不但包含以上四個(gè)階段，還包括制造、裝配、試車、生產(chǎn)等所有環(huán)節(jié)，對(duì)圖紙和技術(shù)文件進(jìn)行完善和修改，直到定型投入正式生產(chǎn)的全過程。實(shí)際工作中，上述的幾個(gè)階段是交叉反復(fù)進(jìn)行的。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)和試制成本，提高產(chǎn)品的競爭力。在明確了解了機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)器應(yīng)滿足的基本要求是什么。8.3 機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求 一）機(jī)器應(yīng)該滿足的基本要求1使用性要求（實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，滿足運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能的要求）（功能性要求）機(jī)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(shí)現(xiàn)全部預(yù)期職能的要求，不能失效。它是設(shè)計(jì)的最基本的出發(fā)點(diǎn)。這是依靠正確選擇機(jī)器的工作原理、機(jī)構(gòu)類型、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案，以及正確設(shè)計(jì)零部件的機(jī)構(gòu)組合來保證。2經(jīng)濟(jì)性要求圖 81這是一個(gè)綜合性指標(biāo)，表現(xiàn)在設(shè)計(jì)制造和使用兩個(gè)方面。提高設(shè)計(jì)制造的經(jīng)濟(jì)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(yùn)用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)制造方法；3）科學(xué)管理。提高使用經(jīng)濟(jì)性的途徑有四條：1）提高機(jī)械化、自動(dòng)化水平；2）提高機(jī)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(gè)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(shí)保障操作者的人身安全（勞動(dòng)保護(hù)性）；3）不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞。勞動(dòng)保護(hù)性有三個(gè)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(bào)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(jìn)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(dòng)、機(jī)器外觀的色彩搭配等等。4工藝性要求這包含兩個(gè)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(jī)構(gòu)盡可能地簡化，力求用簡單的機(jī)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(jì)與制造的矛盾，滿足加工制造的需要。5可靠性要求隨著機(jī)械系統(tǒng)日益復(fù)雜化、大型化、自動(dòng)化及集成化，要求機(jī)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(duì)某一具體的機(jī)器，都有一些特殊的要求。例如：飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量要輕、食品等機(jī)械不得對(duì)產(chǎn)品造成污染等。二）機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則及一般步驟1、設(shè)計(jì)機(jī)械零件的基本要求機(jī)械零件的設(shè)計(jì)，必須依據(jù)其在機(jī)器中的作用及工作情況，滿足強(qiáng)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(gè)方面：1）在預(yù)定壽命期限內(nèi)不失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 機(jī)械零件應(yīng)某種原因不能正常工作的現(xiàn)象稱為失效。機(jī)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(jì)中需要考慮以下幾個(gè)問題。a.強(qiáng)度要求 零件在工作時(shí)，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(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和工作，我們就認(rèn)為該零件滿足了強(qiáng)度要求。強(qiáng)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(qiáng)度分為體積強(qiáng)度和表面接觸強(qiáng)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(qiáng)度稱為體積強(qiáng)度（簡稱強(qiáng)度，即平常我們所說的強(qiáng)度）。若兩個(gè)零件在受載前后由點(diǎn)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(shí)零件的強(qiáng)度稱為表面接觸強(qiáng)度（簡稱接觸強(qiáng)度）。在設(shè)計(jì)中，除了部分受力較小或形狀復(fù)雜無法計(jì)算的零件靠經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)確定外，大多數(shù)重要零件都是利用強(qiáng)度條件式來校核的（材料力學(xué)中的相關(guān)強(qiáng)度理論）。若零件的強(qiáng)度不夠，就會(huì)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(jì)零件時(shí)必須滿足強(qiáng)度要求。其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是： =其中稱作計(jì)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行計(jì)算?？梢钥闯觯簭?qiáng)度準(zhǔn)則就是把對(duì)零件起損傷作用的一方（例如載荷和應(yīng)力）與零件對(duì)損傷起抵抗作用的一方進(jìn)行比較來判斷零件強(qiáng)度的。通過上面的強(qiáng)度條件式，我們也可以發(fā)現(xiàn)，提高零件強(qiáng)度的原則措施有：1）增大零件危險(xiǎn)剖面的尺寸、合理設(shè)計(jì)剖面形狀，以增大剖面面積的慣性矩；2）采用高強(qiáng)度材料，對(duì)材料進(jìn)行提高強(qiáng)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(jì)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(jī)器工作時(shí)，有時(shí)機(jī)器并沒有破壞，但是由于零件的變形而導(dǎo)致機(jī)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(duì)于這類情況，我們不但要求進(jìn)行強(qiáng)度的計(jì)算，同時(shí)要進(jìn)行剛度的計(jì)算。零件的剛度要求是指工作時(shí)，零件所產(chǎn)生的彈性變形不超過規(guī)定的限度。剛度的計(jì)算是利用剛度條件式來判定的。針對(duì)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(shí)也可以直接利用剛度要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般來說滿足剛度要求的零件都滿足強(qiáng)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(gè)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(huì)被壓平，就會(huì)引起兩零件的相對(duì)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(jì)時(shí)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(jì)零件的剖面形狀；3）合理添置加強(qiáng)筋，采用多支點(diǎn)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(bào)廢。主要是針對(duì)那些在變應(yīng)力下工作和工作時(shí)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(jì)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(qiáng)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(duì)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(jī)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(dòng)性和噪聲要求隨著機(jī)械向高速發(fā)展和人們對(duì)環(huán)境舒適性要求的提高，對(duì)機(jī)械的振動(dòng)和噪聲的要求也越來越高。當(dāng)機(jī)械或零件的固有振動(dòng)頻率等于或接近受激振源作用所引起的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率時(shí)，將產(chǎn)生共振。這不但影響機(jī)器的正常工作，甚至?xí)斐善茐男允鹿?。因此，?duì)于高速機(jī)械應(yīng)該進(jìn)行振動(dòng)分析和計(jì)算，采取降低振動(dòng)和噪聲的措施。具體來說，并不是每一類型的零件都需要進(jìn)行所有上述的計(jì)算，而是從實(shí)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(jì)算準(zhǔn)則，必要時(shí)再按其它要求進(jìn)行校核。例如，機(jī)床主軸，首先根據(jù)剛度確定尺寸，再校核其強(qiáng)度、振動(dòng)穩(wěn)定性。2) 工藝性要求所謂機(jī)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(jì)地制造和裝配，即零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)使之易于加工。工藝性要求也是零件設(shè)計(jì)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(jìn)行全面的考慮。由于制造費(fèi)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(jì)性。對(duì)于初學(xué)設(shè)計(jì)的人員應(yīng)特別給予重視。俗話說的好：一個(gè)好的設(shè)計(jì)人員應(yīng)該首先是一個(gè)工藝師。3） 經(jīng)濟(jì)性要求零件的經(jīng)濟(jì)性要求就是要用最低的成本和最少的工時(shí)制造出滿足技術(shù)要求的零件。我們?cè)谶M(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須時(shí)刻牢記，要從降低材料消耗、盡可能利用廉價(jià)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(jì)性指標(biāo)。4） 可靠性零件可靠性的概念與機(jī)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(shí)間（壽命）內(nèi)，零件能夠正常工作而不會(huì)失效的概率（可能性）。5） 標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化是指對(duì)零件的特征參數(shù)及其結(jié)構(gòu)尺寸、檢驗(yàn)方法和制圖的規(guī)范化要求。機(jī)械零件設(shè)計(jì)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(jí)，這些標(biāo)準(zhǔn)（特別是國家和有關(guān)部頒標(biāo)