许志倩 学科前沿知识讲座 先进机械设计理论与方法 中国石油大学 华东 中国石油大学 华东 机电工程学院机电工程系机电工程学院机电工程系 v 机械 机器和机构的统称 v 机械系统 具有特定功能 相互间具有有机联系 由若 干要素构成的一个整体 主要包括一下几个子系统 动 力系统 传动系统 执行系统 操纵和控制系统 架体 支承系统 v 机械系统特性 整体性 相关性 目的性和环境适应性 1 机械和机械系统 华东 高低 压 吹膜 机 1 机械和机械系统 华东 注 机械系统是一个有机的整体 多数为一个大系统 设计者 应 从机械系统的整体性出发 不仅仅考虑局部的 个别的零 部 件 要对所设计的机械进行全面的 整体的考察和分析 才 可以设计出优良的机械产品 新型 非洲猎豹 机器人效果图 1 机械和机械系统 华东 2 2 机械设计简介机械设计简介 v 机械设计 机械设计是设计者为满足社会和人们对机械 产品功能的需要 运用基础知识 专业知识 实践经验 和系统工程等方法 进行设想和构思 计算和分析 最 后以技术文件的形式 提供产品制造依据的全过程工作 v 机械设计特点 1 多解性 主要为同类功能的产品适应不同要求 2 系统性 机械设计有必要基于系统工程的现代 设计方法学的指导进行 3 创新性 华东 v机械设计的原则 实用性原则 创造性原则 优化原则 可靠性原则 安全性原则 经济性原则 评价审核原则 v机械设计的基本程序 设计规划 方案设计 技术设计 施工设计 具体程序见下页 2 机械设计简介 华东 机械设计的基本程序 2 机械设计简介 华东 v机械设计方法分类 传统设计方法 主要包括理论设计 经验设计和模型实验设 计 现代设计方法 主要有机械优化设计 机械可靠性设计 机 械系统设计 有限元法 机械动态设计 模块化 设计 人机学设计和计算机辅助设计 具体理论 和方法详见下表 2 机械设计简介 华东 1 设计方法学 2 优化设计 3 可靠性设计 4 工业艺术造型设计 5 有限元法 6 动态设计 7 计算机辅助设计 8 疲劳强度设计 9 损伤容限设计 10 摩擦学设计 11 模块化设计 12 热稳定设计 13 精度设计 14 相似设计 15 三次设计 16 并行设计 17 绿色设计 18 健壮设计 19 虚拟设计 20 智能工程 21 反求工程 22 设计专家系统 现代机械设计的主要理论和方法 2 机械设计简介 华东 现代设计方法与传统设计方法的比较 在设计指导思想上 由过去的经验类比方法提高 到逻辑的 理性的和系统的新设计方法 在设计对象上 现代设计方法考虑了人 机 环 境的相互协调 从而发挥产品的最大潜力或最大 可能的提高系统的有效性 在设计方法中 前者广泛采用了CAD 优化设计 可靠性设计 工业艺术造型设计 价值工程和 创造性设计等方法 使设计水平有了一个质的飞 跃 2 机械设计简介 华东 现代设计方法与传统设计方法的比较 v在设计手段上 充分采用电子计算机 自动绘 图和数据库管理等新技术 大大提高了数据的准 确性 稳定性和数据使用效率 使修改设计变得 十分方便 分析工具的改进使设计采用尽可能精 确的模型成为可能 v在试验和测试的技术上 采用频谱分析 激光全 息摄影和计算机数据处理等先进技术 可对整个 机械系统或零部件的性能进行科学的试验和分析 并可进行计算机仿真 2 机械设计简介 华东 2 1 机械的传动系统设计 分类原则传动类型 按工作原理分 1 机械传动 摩擦传动 啮合传动 推动 2 流体传动 气压传动 液压传动 静液压调速驱动 液力传 动 液体黏性传动 3 电气传动 交流电气传动 直流电气传动 4 磁力传动 可透过隔离物传动 不可透过隔离物传动 按传动比变化 分 1 定传动比传动 2 变传动比传动 有级变速传动 无级变速传动 按周期性规 律变化的传动 按输出速度变 化情况分 1 恒定输出速度 2 有级调速 3 无级调速 4 按某种规律调速 按能量流的结 构分 1 单流传动 2 多流传动 分流传动 汇流传动 混流传动 传动的类型 2 机械设计简介 华东 2 机械设计简介 2 1 机械的传动系统设计 液力机械式传动系统的 组成及布置示意图 齿轮传动系统 华东 v机械传动类型选择的原则 v对于小功率传动 应在满足工作性能的要求下 选用结构简单的传动装置 尽可能降低初始费用 v对于大功率传动 应优先考虑传动装置的效率 以节约能源 降低运转和维修费用 v当机器要求变速时 若能与动力机调速比相适应 可直接联接或采用固定传动比装置 2 机械设计简介 2 1 机械的传动系统设计 华东 v机械传动类型选择的原则 当载荷变化频繁 且可能出现过载时 应考虑 过载保护装置 当机器工作机构的运动要求与动力机同步或严 格的传动比时 应采用无滑动的传动装置 传动装置的选用必须与制造技术水平相适应 应尽量选用专业的厂生产的标准零部件或产品 2 机械设计简介 2 1 机械的传动系统设计 华东 v机械传动系统的设计程序 v 确定传动系统的总传动比 分别表示传动系统和输出轴的转速 v 选择传动类型 拟定传动系统的布置方案 v 分配总传动比 总传动比与各级传动比的关系为 v 计算机械传动系统的性能参数 主要包括各级传动的转 速 效率和转矩等 2 机械设计简介 2 1 机械的传动系统设计 华东 2 2 机械的执行系统设计 v 执行系统的分类 按其对运动和动力的不同要求分为 动力型 动作型 及动作 动力型 按执行机构相互间的联系情况分为 单一型 相互独 立型 相互联系型 2 机械设计简介 执行系统的功能 夹持功能 搬运功能 输送功能 分度和转位功能 检测功能 施力功能 华东 内燃机执行系统简图 2 机械设计简介 2 2 机械的执行系统设计 华东 v执行系统设计的基本步骤 v确定运动方案 v合理选择机构类型 拟定机构组合方案 下页表 中列出了常用机构的性能和特点 以供参考 v绘制运动循环图 v强度和刚度计算 此外 执行机构中的构件应满 足耐磨损 振动稳定性等要求 在高温或强腐蚀 条件下工作时 还要考虑材料的耐热性能或耐腐 蚀性能 2 机械设计简介 2 2 机械的执行系统设计 华东 机构 类型 主要性能特点能实现的运动转换 平面连杆 机构 结构简单 制造方便 运动副为低副 能承受较大载荷 适合各种速度工 作 但在实现从动杆多种运动规律的 灵活型方面 不及凸轮机构 转动和转动 转 动和摆动 转动 和移动 转动和 平面移动 凸轮机构 结构简单 可实现从动杆各种形式运 动规律 凸轮与从动杆间接触应力大 不宜承受大的载荷 常在自动机或 控制系统中应用 转动和移动 转 动和摆动 常用机构的主要性能和特点 2 机械设计简介 2 2 机械的执行系统设计 华东 机构 类型 主要性能特点能实现的运动转换 齿轮机构 轮系 承载能力和速度范围大 传动比恒定 运动精度高 效率高 但运动形式 变换不多 非圆齿轮机构能实现变传 动比传动 不完全齿轮机构能传递间 歇运动 轮系能获得大的传动比 差 动轮系可将运动合成和分解 转动和转动 转 动和移动 螺旋机构 结构简单 工作平衡 可产生较大轴 向力 反行程有自锁性能 可用于微 调和微位移 但效率低 螺纹易磨损 如采用滚珠螺旋可提高效率 转动和移动 常用机构的主要性能和特点 2 机械设计简介 2 2 机械的执行系统设计 华东 机构类型主要性能特点 能实现的运动转换 槽轮机构 常用于分度转位机构 用锁紧盘定 位 但定位精度不高 分度转角取 决于槽轮的槽数 槽数通常是4 12 槽数少时 角加速度变化较大 冲击现象较严重 转动和间歇转动 棘轮机构 结构简单 可用做单向或双向传动 分度转角可以调节 常用于分度 转位装置及防止逆转装置 但要附 加定位装置 摆动和间歇转动 组合机构 可用凸轮 连杆 齿轮等机构组合 而成 能实现多种形式的运动规律 且具有各机构的综合优点 但结 构复杂 设计较困难 常在要求实 现复杂动作的场合运用 灵活性较大 2 机械设计简介 2 2 机械的执行系统设计 常用机构的主要性能和特点 华东 v工作载荷的确定方法 类比法 计算法和实测法 v动力机的选择和计算 主要从三个方面进行分析比较 分析工作机械的负载特性和要求 包括工作机械的载荷特性 工作 制度 结构布置和工作环境等 分析动力机本身的机械特性 包括动力机的功率 转矩 转速等特 性 以及动力机所能适应的工作环境 应使动力机的机械特性与工 作机械的负载特性相匹配 进行经济性的比较 当同时可用多种类型的动力机进行驱动时 经 济性的分析是必不可少的 包括能源的供应和消耗 动力机的制造 运行和维护成本的对比等 3 机械结构设计的基本原则和原理 华东 通过分析比较 首先确定动力机的类型 然后根据工作 机械的负载特性计算动力机的容量 功率大小 动力机 的功率P 单位 KW 与它的转矩T 单位 N m 和转速 单位 r min 之间的关系为 3 机械结构设计的基本原则和原理 华东 配用动力机螺杆膨胀动力机简图 3 机械结构设计的基本原则和原理 华东 v机械结构的失效形式 v结构件中有的出现断裂或产生使用中不允许出现的 裂纹 对某些结构而言 产生过大的变形而失效 v过量磨损 v腐蚀 v机械结构设计的基本原理 最有效力传导原理 功能及载荷分配原理 结构自助原理 置换原理和转移原理 3 机械结构设计的基本原则和原理 华东 v机械结构安全运行的强度判断依据是 式中 零部件计算部位的实际应力 许用应力 v机械刚度设计 v轴的扭转变形计算 用每米轴长的扭转角来表示 v轴的弯曲变形计算 当量直径法和能量法 3 机械结构设计的基本原则和原理 华东 4 1 系统分析设计方 法 传统的分析设计方法一般是把设计对象分解为许多独立 的部分来分别进行研究 由于这是孤立的 且多是静止的分 析问题 因此所得出的结论常常带有片面性和局限性 现代工程往往是一些大系统的巨大工程 是一个多学 科的综合技术系统 所以在系统分析设计法中 就应该把 设计对象看做是一个系统 用系统工程的概念进行分析和 综合 并且按产品或系统开发的进程进行设计 以求获得 最佳的设计方案 4 现代机械设计方法 华东 4 1 1 技术系统的组成和处理对象 我们所说的系统通常包括以下四个组成部分 系统单元 系 统结构 边界条件 输入和输出要素 系统单元 完成某种功能而无需进一步划分的单元 即 系统相互联系和作用的基本组成要素 系统结构 反映着系统内部各单元之间的关系 即相互 联系和作用的联结形式 边界条件 系统与外部环境作用的界面 通过这种界面 可以明确分析设计对象的范围 输入和输出 要素 系统的行为通常表现为它与其外部环境的相 互联系和作用 可以用输入和输出来表征 4 现代机械设计方法 4 1 系统分析设计方法 华东 4 1 1 技术系统的组成和处理对象 以自行车为例其系统组成为 驱动 控制 支承 变速 转向 制动 转动等机构 自行车系统组成示意 系统单元 系统结构 边界条件 输入输出 要素 上述单元组成自行车的结构 实现能量的 转换 获得一定运动速度下的承载能力 完成运载的功能 自行车的边界条件是骑行环境 而骑车人 是它的外部环境要素 输入要素为骑车人的脚蹬车 属于一种机 械能量 输出要素为一定速度的承载能力 也是一种机械能量 4 1 系统分析设计方法 4 现代机械设计方法 华东 4 1 2 系统分析设计方法 一般的说 系统或产品的设计过程可概略的划分为 产 品规划 方案设计 技术设计和施工设计等阶段 此处我们 将重点介绍产品规划和方案设计两个方面 产品规划师设计的第一步 其目的在于明确所设计的系 统或产品的目的 任务和要求 并用设计任务书的形式表达 出来 以作为后续的设计 评价和决策的依据 为此需要进 行 1 市场需求分析 2 可行性分析 3 设计要求的拟定工作 4 1 系统分析设计方法 4 现代机械设计方法 华东 4 1 2 系统分析设计方法 1 产品规划 可行性分析 消费者对产品功能 性能 质 量和数量的具体要求 现有类似产品的销售情况和销 售趋势 竞争对手在技