机械设计学课件 1 第五章 机械产品的实用化设计 第一节 产品设计核心 和外围问题 一、产品设计的核心 1、设计理解为一个“空间”： 整个设计“空间”分为两部分： 1）内部空间：设计应遵循的主 要阶段，其任务是使设计要求 转化为“硬件”以满足需求，这 也是设计的最终目的，故称内 部空间为设计核心工作。 2）外部空间：所列举的问题为 对设计的各种要求和应用的技 术方法，是设计的外围问题。 机械设计学课件 2 2、设计含义： 是为提供社会所需的产品进入市场所必要的一系 列创新思维和活动。最后以技术文件的形式，提供产 品制造依据的全过程工作。 设计活动主要经过以下几个阶段：了解市场需求、 拟定设计任务和技术要求、功能原理设计、实用化设 计、商品化设计、制造和销售。 3、产品设计的核心即核心技术(内部空间设计）： 是指产品实现总功能和主要要求的技术。对不同 的机械其核心技术是不相同的。核心技术对于产品设 计主要体现为产品的性能指标： 机械设计学课件 3 a)对于以能量转换为主的机械如动力机械，其主要性能指标是 热效率； b)对于轻工机械，常要完成各种繁杂灵巧的动作，其机构设计 问题比较突出，主要性能指标是生产率、有节奏地可靠工作、 自动化程度高； c)重型机械特点是巨型、重载，其承载能力、强度和刚度是其 性能指标； d)对于金属切削机床，主要性能指标是生产率、加工精度和加 工范围； e)对于以信号为主的仪器，主要性能指标是灵敏度、精度和稳 定性； f)对于以材料转换为主的各种离心机、筛选机和过滤器的主要 性能指标是生产效率和分离出物料的纯净度。 机械设计学课件 4 4、关键技术和核心技术是两个不同的概念： 关键技术是实现某种功能过程中需要解决的技术难题。它与核 心技术是两个不同的概念，在核心技术中也有关键技术问题。 例如，对于板(带)轧钢机：可采用液压弯辊，利用液压缸的压 力，在轧制过程中随时根据轧制条件变化迅速对轧辊施以附加 弯曲力、使产生附加弯曲变形。为了实现对板厚偏差和板型的 合理控制，在轧制过程中希望轧机当量刚度系数K能够根据不 同工艺要求随时调整，一般是采用液压压下系统来实现。核心 技术问题：液压弯辊和液压压下。 关键技术：其中厚度、压力、位置传感器、数据处理系统等组 成的电液闭环控制系统则是解决核心技术问题的关键技术(参见 图52、图53)。 机械设计学课件 5 轧钢机主传动装置是由联轴器、减速机、齿轮座和接轴等 部件所组成，作用是将电动机的运动和力矩传给工作机座 中的轧辊进行轧制。 机械设计学课件 6 机械设计学课件 二、设计的外围问题 1、主要设计要求 （1）功能要求 （2）适应性要求 （3）性能要求 （4）生产能力要求（5）可靠性要求 （6）使用寿命要求 （7）效率要求 （8）成本要求 （9）人机工程要求 （10）安全性要求（11）包装、运输要求 2、其它设计要求 （1）强度、刚度要求 （2）制造工艺要求 （3）零件加工技术要求 （4）工作循环图要求 机械设计学课件 由销售反馈信息，进行市场分析，改进技术要求，再进行设 计的循环，是一个相互作用不断完善的迭代过程，使产品不断地 发展。产品设计过程中的各种设计要求，是设计的依据和前提， 它们就是设计的外围问题。 机械设计学课件 9 第二节 实用化设计的任务和主要内容 1、实用化设计： 实用化设计是在功能原理设计成熟的基础上， 把原理方案结构化、实体化，使原理构思转化为具 有实用水平的实体机械达到实用的要求。 实用化设计的前期工作：工作原理确定后首先要进 行工艺动作构思和分解，初步拟定各执行构件的动 作和各动作的相互协调关系，即进行机械运动方案 设计和机械简图设计。 该阶段总的任务：完成产品的总体设计、部件 、零件设计、完成交付制造的和施工的图样资料， 同时编制全套技术文件。 机械设计学课件 10 2、具体工作： 如果说功能原理设计是产品创新和保证质量的 关键，则实用化设计就是得到高质量产品的保证。 在实用化设计阶段。工作既要具体化又要精细化， 要处理大量的结构设计等方面的问题，主要有： 零部件的形状、装配关系、材料选择、尺寸大小 、加工要求、表面处理、总体布置、安装等。这些 问题处理合理与否，对产品功能、性能指标和技术 经济指标，对机器的强度、刚度、寿命、对靠性、 振动、噪声等有着直接的影响。 机械设计学课件 11 3、实用化设计步骤一般为： 1）绘制总体布置和总装草图； 2）由总装草图画出部件、零件草图； 3）经审核再由零件工作图、部件装配图画出 总装图和总图； 4）最后编制技术文件如设计说明书、使用说 明书、标准件、外购件明细表等等。 机械设计学课件 12 第三节 总体设计的基本任务和内容 一、总体设计的基本任务 机械产品设计通过原理方案设计、结构设计，使主要功能 得到满足。但是，从系统论观点分析，机器本身不是独立的系 统，它不能孤立存在。它需要人操纵和控制，需要人装配和安 装。机器工作在环境之中，环境对它有约束，相反机器对环境 又施加影响，并受到有关规范和法律限制，它与其它机器还有 关联等等。这些问题有些在结构设计中考虑到了，但大部分没 有涉及，需要在总体设计中，全面综合考虑。与此同时，总体 设计对各部件、零件设计要提出主要参数和设计要求，以保证 各部件、零件在设计时满足总体设计各种约束条件。 机械设计学课件 13 总之：总体设计是产品设计的中心环节，它对机械产品的技术 性能、经济指标和外观具有决定意义。 总体设计的任务： (1)完善和扩大方案设计和结构设计内容 (2)使各部件、零件得到合理的组合； (3)综合人一机器一环境三者关系，使之协调和适应，以保证 全面满足机械产品的技术性能、经济性能和美学性能的所有要 求。 二、总体设计的内容 各种具体机器总体设计内容虽然有所不同，但纵观全局，总体 设计内容包括： 1）工艺方案的确定。在进行机械总体设计时，应对不同类型 的工艺方案进行分析比较，选择符合实际情况的具有先进性的 工艺方案。 机械设计学课件 14 2）确定机器的总体参数 总体参数是表明机器技术性能的主要指标，包括机器性能参 数和结构参数两方面： （1）性能参数是指生产率、功率和重量等； （2）结构参数是指主要结构尺寸，它由整机外形尺寸、主要 部件的外形尺寸及工作机构作业位置尺寸等组成。 对具体机器而言，总体参数内容还更多些，如采煤机的性 能参数除了上面所指外，还包括采高、鼓深、滚筒直径、滚 筒转速、牵引力和牵引速度等。若机器性能参数和作业位置 尺寸有国家或部级标准时，则计算后取值一定要符合上级标 准。性能和结构参数的确定，可采用计算法、类比法、相似 设计法以及优化设计法等。 机械设计学课件 15 3)机械运动系统方案设计和确定机械运动简图。根据工艺动 作过程选用合适执行机构，完成各个基本运动。再用一定的 组合方式构成机械系统来实现产品的功能。机械运动方案就 是机械系统的综合。将机械运动方案中各个机构运动尺寸计 算确定之后就得到机械运动简图。 4）总体布置设计 主要是确定各部件、零件的相互位置和联接方式，并考虑安 全操作，整体造型等问题。 5)机械驱动系统(Drive system)设计。根据所需的载荷，从 直接承载零件开始，选择或设计机器的工作构件，然后按驱 动链的顺序向上，对机构和零件逐个进行设计、直到选择原 动机。 机械设计学课件 16 6）计算整机的平衡和稳定 平衡是指整机处于不同工作状态时，所有机构作用力和重力 的合力不超出规定范围。对某些机器如挖掘机，平衡问题实质 是确定平衡重的问题。 稳定性是指整机的平衡，是研究机器在工作和行定时是否发 生倾翻的可能性。这一点对地面行走机器和工程机械尤其重要 。 7）动力源特性分析 若设计任务书没有对原动机种类作出明确规定时，应首先确 定动力源种类，是电动机还是柴油机或其它，然后再作动力源 特性分析。 8）人一机一环境系统设计 主要是操作和控制系统设计。 机械设计学课件 17 9）附属装置设计 为增加机器功能，扩大机器使用范围或减少环境 对人机影响而设计附属装置，如井下巷道掘进机增 加打铆杆孔的装置，采煤机、掘进机的高压水喷雾 灭尘装置 10）机器造型设计 对机器外形、色彩进行艺术设计， 11）产品故障分析和对策 12）明确易损件、外购件、标准件 13）明确产品包装和运输要求 机械设计学课件 第四节 确定工艺方案 为了实现同一工艺目的，可以采用不同的工艺方案 ，各方案决定了设备不同的结构、性能、产品质量 、生产率和成本。选择工艺方案时应综合考虑下列 问题： 1)工艺方案的先进性 2)合理的运动规律 3)工艺方案实现的可能性和稳定性 4)与生产率要求相适应，经济上合理 18 机械设计学课件 19 机械设计学课件 第五节 整机总体参数确定 总体参数的确定是产品总体设计的一个重要组成部分，它 与机器各部件性能、结构有密切关系。在总体设计过程中 ，必须首先初步确定总体参数，据此进行各部件的技术设 计，最后准确计算出机器的总体参数，但有时总体参数和 技术设计需要交叉反复进行。 在确定总体参数时，必须正确处理相互制约的有关参数 间关系，例如在矿山工程机械产品中，机重是一个重要性 能指标过份减轻机重，势必影响采掘力和机器强度、刚度 。反之，过份考虑强度、刚度必然导致机器笨重、经济性 差。因此，各参数间要互相匹配和协调，形成一个优化的 整体。合理的总体参数应符合下列条件： 20 机械设计学课件 21 1）先进性与国内外同类产品比较，其主要技 术经济指标和工作性能优先； 2）实用性满足实际使用要求，可靠度高、维 修方便、使用寿命长； 3）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。 总体参数包含：生产率Q、功率参数、重量参数、 总体结构参数。 总体参数的初步确定，可采用理论计算法、经验公 式法和相似类比法。 机械设计学课件 22 一、理论计算法 根据拟定的产品原理方案，在理论分析与试验数据 基础上进行分析计算，确定总体参数。 1机械设备的理论生产率Q 机械设备的理论生产率是指设计生产能力。在单位 时间内完成的产品数量，就是机械设备的生产率。加 工一个工件或装配一个组件所需的循环时间T为： T=tg+tf T为在设备上加工一个工件的循环时间或称工作 周期时间； tg 工作时间，即直接用在加工或装配一个工件的 时间； tf辅助工作时间，即在一个循环内除去tg 所消耗 的时间，如上下料、间歇等所消耗的时间。 机械设计学课件 23 设备的生产率Q为： 2、功率参数(包括运动参数、力能参数) （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： 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。 机械设计学课件 24 机械的速度常由生产率确定，如带式连续输送机，带的运 动速度v可由下式确定： 其中： v带的运动速度 (m/s) Q带式输送机的理论生产率 (t/h) s被运物料在输送带上的堆积面积 (m2) 散粒物料的堆积密度 (t/m3) c倾角系数，当水平时c=1，倾角为20时 c0.82 机械设计学课件 25 (2)力能参数 包括承载力(如成型力、破碎力、运 行阻力、挖掘力)和原动机功率。工作装置是载荷直 接作用的构件,力参数是其设计计算的依据，也是力 学性能的主要标志，如30000KN水压机。 1)机器的作用力(承载力) 大部分材料输送操作， 机器载荷由加速工件的惯性力载荷、移动工件的摩擦 力载荷或材料提升的重力载荷组合而成。而对成型机 械、加工机械主要需求的力是用于材料成型或切削加 工，下面举例介绍金属成型所需的力。 例1：图56表示三种常用于材料弯曲的形式：折