机械优化设计第6章.docx

1、机械优化设计第6章教案首页课程名称 机械设计学 任课教师 李玉柱第六章 机械产品的实用化设计 计划学时 5教学目的和要求：1.使学生了解实用化设计的任务，总体设计的任务和要求；2.使学生掌握机械总体方案设计的工艺方案，总体参数、传动形式的确定方法与原则。重点： 机械总体设计中的工艺方案确定； 机械总体设计中的总体参数确定； 传动系统的确定及原则。难点： 机械总体设计中的工艺方案和总体参数的确定思考题：1. 机械总体方案设计中要确定的基本技术参数有哪些？常用的确定方法有哪些？确定的依据是什么？2. 常用的传动形式有几种？在确定传动形式时，应遵循的原则有哪些？第五节 确定整机总体参数所有机械均应有

2、表明其主要性能指标的参数。这些参数是总体设计和零、部件设计的依据。如谷物联合收割机，其喂入量就是一个很重要的性能指标参数。它一旦确定下来，相应的部件设计都要以它为设计依据，并且每个部件的工作能力均应与此参数相一致。1、合理的总体参数应符合下列条件：先进性 与国内外同类产品相比，其主要技术经济指标和工作性能优先。实用性 满足实际使用需要，可靠性高，维修方便，使用寿命长。经济性 充分利用发动机功率，节约能源、原材料消耗少，在满足功能的情况下，体积小、重量轻，价格便宜。2、总体参数有以下几类：1）主要尺寸参数包括工作尺寸、机件外形尺寸、工作装置尺寸等。工作尺寸标志着机械工作范围和主要性能。如玉米联合

3、收获机的工作幅宽、两对摘辊之间的距离（双行玉米联合收获机的两对摘辊的中心距离）。机件外形尺寸受安装使用空间、包装和运输要求的限制。如设计的油罐车必须了解要通过道路的涵洞允许通过的高度，否则就会出问题。2月25日下午4时，安徽一辆大型运输罐车被卡在西潼高速一涵洞（限高4.2米）下，罐体上方一个安全阀被撞裂。车上满载的24.5吨丙烯气体泄漏，两名肇事司机逃逸。半小时后，2公里以内4个行政村、多个单位，共7000余人被紧急疏散，通往事故现场的所有路口被封锁。渭南交警全力做好交通疏导分流工作。据不完全统计，至25日晚8时许，疏导的车辆已达3万余辆。 丙烯易燃烧有低毒丙烯是石油化学领域极重要的基本原料之

4、一，在常温下是无色无味气体，属低毒类。丙烯不具腐蚀性，可溶于水、乙醇及醋酸，非常容易燃烧，燃烧时会产生刺激性或毒性气体，蒸气会导致眩晕或窒息，若接触到则会导致严重的冻疮。 工作装置尺寸是机械性能的重要标志。如玉米联合收获机的摘辊长度、内外摘辊之间的间隙。有些机器设计时，还将关键基础尺寸，安装尺寸也作为尺寸参数。2）重量参数重量参数包括整机重量，各主要部件的重量，重心位置等。它反映了整机的质量，如自重与载重之比，生产能力与机重之比。重心位置反映了机器的稳定性及车轮轮压分布问题。如水稻联合收割机的整机重量影响着接地压力，一般规定是不大于0.18Kgf/cm2 。3）功率参数功率参数包括运动参数、动

5、力参数。(1)运动参数 机械的运动参数有移动速度、加速度和调速范围等，主要取决于工艺要求如吊运液体金属容器，要精确定位大型件的吊装设备，要求速度低而平稳。一般情况是希望速度尽可能地高，但却因受到惯性、振动、定位精度、结构、制造和装配水平以及新技术应用程度等的影响和限制。因而同类设备的速度水平相差很大如线材轧机的轧制线速度由每秒几米直到每秒八十米。对不同类型机械更是如此，如电子精密机械一般先进的速度水平仅每秒几个毫米。而高速离心机线速度可达每秒一百米以上。对行程较短且不变化的反复短时启动工作制机械，存在一个最佳的速度水平。一般总是在满足工艺要求下尽可能缩短工作时间，以便提高生产率。速度变化范围是

6、为了适应不同品种和各种工况的要求而设置的。如连续浇铸的拉坯速度是根据产品的断面、钢种的冷凝速度而进行调节的调节范围大且是无级的并能在运转中变速。而有时仅分几档速度，在空程时高速、重载时低速，这种速度特性也可以用软特性电动机来实现。动力参数包括承载力、原动机功率。原动机功率反映了机械的动力级别。它与其它参数有函数关系，常是机械分级的标志，也是机械中各零、部件的尺寸（如轴和丝杠的直径、齿轮的模数、链条的节距、皮带的型号等）设计计算的依据。因此，如果电动机功率取得过大，则零、部件尺寸通常也随之增大，不仅浪费材料和电力，而且使电动机经常处于低负荷下工作，功率因素太小；反之，如果电动机功率取得过小，则设

7、备技术性能达不到设计要求，且电动机经常处于超负荷状态下工作，可能烧坏电动机和电气元件。也就是我们常说的大马拉小车、小马拉大车，都是不合适的，在这里强调的是动力匹配。所以电动机的选取应经过计算或与同类设备进行类比预选，再进行验算。要求是功率选取尽可能合适。4）技术经济指标技术经济指标是评价机械设备性能优劣的主要依据，也是设计应达到的基本要求。一般而言保证生产率、加工质量和成本是主要的技术经济指标。3、总体参数的确定方法，可采用理论计算法，经验公式法、相似类比法理论计算法 根据拟定的产品原理方案，在理论分析与经验数据基础上进行分析计算，确定总体参数。如在确定机械产品的理论生产率时就可以采用理论计算

8、的方法；又如在确定机械设备的功率参数（包括运动参数、力能参数）时也往往采用理论计算的方法。经验公式法 对同类产品参数按概率统计、归纳得出经验公式和图表，然后求解总体参数。相似类比法 以相似理论为基础，选用国内外同类机型先进名牌为典型样机，或用国内外有关产品的设计标准，求出相似参数，然后再确定要设计产品的参数。这种方法只适用于同类型产品，即结构型式、工作对象、环境条件基本相同者。此种方法在进行产品的系列化设计时用得很普遍。它具有以下优点：如果样机的性能参数和结构参数是优选的，则可得到一个优化的系列产品，它简化了设计计算，加快了设计速度，可以迅速研制出新产品。如典型的风机与泵的设计均采用相似类比的

9、方法进行设计。（几何相似、运动相似、动力相似）强调：不论采用何种方法来确定总体参数进行设计，均是建立在前人经验的基础上的，毕竟与我们设计的机器不一致，所以对设计出来的机器必须经过试验加以验证。第六节 机械总体布置设计一、总体布置应遵循的原则 总体布置的任务是合理布置各部件、零件在整机上的位置。一般应遵循如下原则：1功能合理 总体布置应保证机器功能的实现，不论在整体上或局部上都不应采取不利于实现功能的布局方案。2、结构紧凑 节约空间的紧凑结构方案，通常有利于良好的造型，同时，应使机械产品尽可能减少零部件的数量，整机体积尽量小。3比例协调 总体布置应使比例协调、匀称、稳定且具有安全感。二、总体布置

10、的类型1、按主要工作机构的空间几何位置可分为平面式、空间式等；2、按主要工作机械的空间布置方向可分为水平式（卧式）、倾斜式、直立式、圆弧式等；3、按原动机和机架相对位置可分为前置式、中置式、后置式等；4、按工件和机械内部工作机构的运动方式可分为回转式、直线式、振动式等；5、按机架或机壳的型式可分为整体式、剖分式、组合式、龙门式、悬臂式等；6、按工件运动回路或机械系统功率传递路线的特点可分为开式、闭式等。三、机械传动系统机械传动系统是把原动机产生的运动和力传递到执行机构的中间装置。按照传递能量流动路线的不同可分为：1、单流传动单流传动是指动力输出能量依次经过每一个传动件的传动形式。这种形式传动级

11、数越多，传动效率越低。因此用于小功率，传动链短的机器。像侧边传动的旋耕机。单流传动的框图：原动机 传动1 传动2 传动3 执行机构2、分流传动 分流传动 是指动力输出的能量分成多个分支传到各执行机构的传动形式。分流传动有利于灵活安排传动路线，提高传动效率，缩小传动件的结构尺寸，一般适用于执行件较多的机器。如玉米联合收获机的传动 分传动机1 执行机构1（果穗输送槽） 原动机 传动机 分传动机2 执行机构2（摘穗机构） 执行机构3（拨禾链）分传动机3 执行机构4（秸秆切碎机）3、汇流传动汇流传动就是动力源经几条线路汇交于执行机构。 原动力1 传动机1 执行机构 原动机2 传动机2 这种能量流动路线

12、的特点是将低速、重载、大功率机器的动力源配备为多台中小型动力机，以较小传动机构，提高传动效率，使执行机构有效地完成所需的复合运动形式及速度变化节拍。然而为了保证各动力机构均载和同步，最好在结构系统中设有浮动或柔性的构件。4、混流传动混流传动是传动系统中既有分流传动又有汇流传动，使前述三种传动形式的组合的传动系统。选择传动类型关系到整个机器的运动方案的设计。选择时应考虑下列问题：1、 简化结构，缩短传动链在保证实现设备预期功能的前提下，传动链应尽量缩短，采用构件数目和运动数目最少的机构。这样可以简化机器的构造，缩小机器尺寸，减轻重量，降低成本，同时，由于减少了传动环节，降低了能耗，也利于传动系统

13、的传动精度和刚度的提高。2、 要有尽可能高的传动效率 传动效率是传动系统设计的重要问题。对于大功率的传动系统应优先考虑传动效率，以节约能源、降低运行费用。 对于小功率的传动系统则应在满足工作性能需要的前提下，尽量选用结构简单的传动装置，以尽可能降低初始费用。3、 传动布置要合理即使同一部机器选用完全相同类型的传动机构，若布置的顺序不同，其传动效果与结构尺寸也不一样。在布置传动机构的顺序是，应本着使用方便、结构紧凑、效率高、成本低、装拆方便、操作安全可靠等要求。皮带传动适于布置在高速级，一方面可以获得较为紧凑的结构尺寸，同时也充分发挥皮带传动的平稳、缓冲吸振的特点；链传动运转不均匀，有冲击，适于

14、布置在低速级；在同一传动系统中，若包含圆锥齿轮传动、斜齿圆柱齿轮传动和直齿圆柱齿轮传动时，要考虑到传动的平稳性，采用圆锥齿轮传动到斜齿圆柱齿轮传动，再到直齿圆柱齿轮传动的布置顺序。第六章 机械结构设计第一节 结构设计 一、结构设计的任务： 结构设计的任务就是依据所确定的原理方案，在总体设计的基础上绘出具体的结构图，以体现所要求的功能。在选择结构件的材料、确定结构件的形状、尺寸时，必须考虑加工工艺性、强度、刚度、精度，和与之相邻的零件之间的相互关系等问题。 结构设计关系到整机性能，零部件的强度、刚度和使用寿命以及加工的工艺性，人机-环境系统的协调性，运输的安全性等。因此结构设计是保证产品质量，提

15、高可靠性、降低成本的关键环节。二、结构设计的内容和要求1、结构设计的内容结构设计是机械设计中涉及问题最多，工作量最大的一个环节。它主要有三个方面的内容：1） 质的设计 定性分析构形（各零件的形状、数目、位置关系）；2） 量的设计 定量计算尺寸，决定材料；3） 按比例绘制结构图。 2、结构设计的要求为了使结构设计得到满意的结果，必须充分了解所设计结构的要求。一般可以归纳为以下五个方面的要求：1）机械系统的功能要求指设计的机械系统应具有的总功能及其各主要部分（如部件）应具有的分功能。为了保证机器功能的实现，对各部件、零件也提出了要求。机械系统的功能要求，主要包括生产能力、工作范围、精度、可靠性、使

16、用寿命和对机械系统本身的具体要求（尺寸、重量等）等等。2）使用条件结构设计必须考虑使用条件，如物质条件（动力、燃料、原材料、润滑剂及各种辅料的供应情况），环境因素（尘埃、温度、湿度、辐射、腐蚀性介质、电场、磁场等），使用者的技术水平、经济条件，维修条件和技术水平，安全条件以及其它的特殊要求。 3）工艺条件指生产规模、工艺和设备水平，标准化和系列化水平，产品的远景发展趋势等。4）外观要求机械的美学性能，指造型、色泽等。5）经济要求符合价值原则，在满足功能要求的前提下，降低成本（生产成本、运行成本、维护保养成本等）。三、结构设计的主要目标保证功能、提高性能、降低成本。第二节 结构件的功用及基本类型

17、 零件是构成机器的基本元素，从结构设计的角度出发，可以把零件称为结构件。从结构学的角度看，机器是由一系列的结白骨精作者热诚的 不论什么样的机械，都是由零件组成，例如汽车、拖拉机、谷物联合收割机等等都是先将零件组装成部件，再由若干个部件总装成整机。机械是由零件组成的组合体，而零件则是整个机器中起一定作用的单个体。一、 结构件的功用充分认识结构件的功用是正确进行结构设计的基础。不同的结构件在功能上也不尽相同。概括地讲，各种结构件可能具有的功能主要有：承受载荷、传递运动和动力，以及保持有关零部件之间的相对位置或运动轨迹关系等。1 承受载荷机械设备上的机架、床身、底座等均属于承受载荷的结构件。承受载荷

18、的结构件除了承受机器本身的自重外，还要承受各种运动产生的多种外力，如振动、加速度、工件高速回转或直线往复运动产生的惯性力等。在室外工作的机器还会承受自然环境中产生的各种力，如风力、水流或海浪的冲击力、雨、雪的压力、温度变化产生的热变形力等。所以在进行承受载荷的结构件设计时应正确分析结构件受力的类型、大小、方向及其对结构件正常工作会产生的影响。2 传递运动和动力 如各种机器上的变速箱中的齿轮、轴等结构件均属于传递运动和动力的结构件。玉米联合收获机上的变速箱是要把通过拖拉机后动力输出轴输出的动力传递给各个工作部件，去完成机器应完成的多种功能，从而实现机器的总功能。3 保证有关零件之间的相对位置或运

19、动轨迹关系仍以玉米联合收获机为例，一对摘辊既有水平方向上的相对位置要求，又有垂直方向上的相对位置要求，这种位置上的要求就是靠安装板上的安装孔的相互位置关系来保证的，拨禾链的位置及角度要求均是以与摘辊相对应的安装部件上链轮的安装孔的位置来保证的。4 其它功用 有些结构件还具有其它一些功用。如箱体除了保证各传动轴的相对位置及其中心距外，还起着包容和保护传动件的作用，还可以盛装润滑油。有的结构件还兼有主要用作防护或装饰作用，要求具有一定的外形及色彩。如玉米联合收获机上的分禾装置。 结构件的功用是结构设计的主要依据和必须满足的要求。当一结构件具有两种或两种以上功用时，应分清主次，在优先满足主要功用的前

20、提下，尽量满足其它功用的要求。不同的结构件功用亦不同。所以在进行结构件的设计时，应根据结构件的具体功用，对其结构要点提出具体要求。如在设计轴时，由于轴是既承受力，又传递力的结构件，重点应放在保证其强度、刚度上，既不使其破坏，又不使其变形过大；在设计齿轮这一类传递运动的结构件时，重点应放在精度要求上，以保证执行机构运动规律的正确性和准确性；对于保证或保持相关零件正确位置关系的结构件（如机床的床身），则其设计制造精度要求较高，对其刚度、稳定性也有较高的要求。但同一种结构件用到不同的结构中去，其功用也不尽相同，设计要求也不尽相同。比如同是齿轮传动，在重型机械中，齿轮的作用是传递运动和力，设计要求齿轮

21、具有足够的弯曲强度和齿面接触强度；而在精密测量仪器中，齿轮传动的作用主要是精确传递运动，设计中对齿轮的精度有较高的要求。在如图a中的销轴用于传力，而图b中的销轴用于定位，属于定位销，靠螺栓预紧产生的摩擦力来传递横向载荷。（有挂图）二、 结构件的分类结构件形式多种多样，从不同的角度有不同的分类。通常根据不同的工作要求和形状特征，把结构件分为：轴套类、盘盖类、支架类、壳体类、箱体类等。这主要是为了设计、制造和管理上的方便。若从毛坯工艺角度可以分为：铸造件、焊接件、锻造件、铆接和粘接件等。在结构上也应有所不同，设计时应根据具体情况作具体分析，提出适当合理的设计要求，做出合理设计。三、 零件的相关零件

22、是组成机械的基本单元，任何零件在机器中都不是孤立存在的。组成机械的各零件，或按照确定的位置相互连接，或按照给定的规律作相对运动，共同为完成机械的动作而发挥各自的作用。因此，进行零件的结构设计时，除了必须研究零件本身的功用和其特征外，还必须研究零件之间的相互关系，使设计的零件符合机械的整体要求。所谓零件的相关，就是指组成机械的零件之间存在的装配关系或相互位置关系。具有装配关系或相互位置关系的两零件互为相关零件。由相关的定义可知，零件的相关包括两类：一类是直接相关，表示两零件之间存在着直接的装配关系；另一类是间接相关，表示两零件之间虽无直接的装配关系，但两零件之间存在着相互位置方面的要求，并且该两

23、零件之间的相互位置关系是由直接相关（包括这两零件与其他零件的直接相关和其他零件之间的直接相关）来保证的。请看图64，图65对间接相关进行细分，还可分位置相关和运动相关两类。位置相关是指两零件在相互位置上有要求。如图65中的轴1和轴2，两轴中心距必须保证一定的精度，为的是两齿轮能正常啮合；两轴线也必须保证平行的位置关系。运动相关是指一个零件的运动轨迹与另一零件有关。如普通车床的刀架的运动轨迹必须平行于主轴的轴线，这是靠床身导轨与主轴轴线相平行来保证的，因而主轴与导轨为位置相关；而刀架与主轴之间为运动相关。弄清机械中组成零件之间的相互关系，对正确设计零件十分必要。在进行零件的结构设计时，两零件的直接相关部位必须同时考虑，以便合理选择零件的形状、尺寸、材料、热处理方式、精度和表面质量等。对于间接相关的两零件，要进行尺寸链和精度计算。为了保证间接相关零件正确的位置关系和运动关系，设计时，对他们各自直接相关的中间零件的设计、制造精度要加以保证。