第五章机械产品的实用化设计PPT课件.ppt

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第二节实用化设计的任务和一般步骤第三节总体设计的基本任务和内容第四节整机总体参数确定第六节机械总体布局设计 2 第一节产品设计核心和外围问题 一 产品设计的核心1 设计可理解为两个 空间 1 内部空间 设计核心工作 设计应遵循的主要阶段 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 3 2 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 a 以能量转换为主的机械 如动力机械 主要性能指标 热效率 b 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 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 主要性能指标 承载能力 强度和刚度 第一节产品设计核心和外围问题 4 d 金属切削机床 主要性能指标 生产率 加工精度和加工范围 e 以信号为主的仪器 主要性能指标 灵敏度 精度和稳定性 f 以材料转换为主的各种离心机 筛选机和过滤器 主要性能指标 生产效率和分离出物料的纯净度 第一节产品设计核心和外围问题 5 二 设计的外围问题由销售反馈信息 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 第一节产品设计核心和外围问题 6 一 实用化设计 1 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 2 实用化设计的内涵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 1 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 第二节实用化设计的任务和一般步骤 7 2 具体工作 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 3 决定产品各项指标产品功能 性能指标和技术经济指标 对机器的强度 刚度 寿命 可靠性 振动 噪声等有着直接的影响 第二节实用化设计的任务和一般步骤 8 二 实用化设计步骤一般为 1 总体设计 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 并形成工作图 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 第二节实用化设计的任务和一般步骤 9 一 总体设计的基本任务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 对各零 部件提出主要参数和设计要求 以保证其在设计时满足总体设计的各种约束条件 4 综合人一机器一环境三者关系 使之协调和适应 以保证全面满足产品的技术性能 经济性能和美学性能要求 第三节总体设计的基本任务和内容 10 二 总体设计的内容1 工艺方案的确定 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 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 生产率 功率和重量等 2 结构参数 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 第三节总体设计的基本任务和内容 11 对具体机器而言 总体参数内容可能更多些 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 第三节总体设计的基本任务和内容 12 3 根据机械运动系统方案设计确定机械运动简图 机械运动方案 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 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 Drivesystem 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 第三节总体设计的基本任务和内容 13 6 计算整机的平衡和稳定平衡性 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 第三节总体设计的基本任务和内容 14 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 第三节总体设计的基本任务和内容 15 一 总体参数确定思路 1 首先初步确定总体参数 2 据此进行各部件的技术设计 3 最后准确计算出机器的总体参数 总体参数和技术设计一般需交叉反复进行 4 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 5 各参数间要互相匹配和协调 形成一个优化的整体 第四节整机总体参数确定 16 二 合理的总体参数应符合下列条件 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 三 总体参数包含 生产率Q 功率参数 重量参数 总体结构参数 第五节整机总体参数确定 17 四 总体参数的确定方法可采用理论计算法 经验公式法和相似类比法 1 理论计算法根据已拟定产品原理方案的基础上 根据理论分析与试验数据进行分析计算 确定总体参数 1 机械设备的理论生产率Q在单位时间内完成的产品数量 反映了设计生产能力 加工一个工件或装配一个组件所需的循环时间T为 T tg tftg 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 第五节整机总体参数确定 18 设备的生产率Q为 2 功率参数 包括运动参数 力能参数 1 运动参数移动速度 加速度和调速范围等 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 第五节整机总体参数确定 19 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 第五节整机总体参数确定 20 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 力参数是设计计算的依据 也是力学性能的主要标志 如30000KN水压机 A 机器的作用力 承载力 输送机械 由惯性力载荷 移动工件的摩擦力载荷或材料提升的重力载荷组合而成 成型机械 加工机械 用于材料成型或切削加工需求的力 例1 金属成型所需的力 图示三种常用于材料弯曲的形式 折边 弯V形和弯U形 要使金属成形必须施加压力到其塑性区 假设所有的应变硬化材料均能完全地弯曲 则弯曲力通常以材料的极限抗拉强度的经验公式来计算 第五节整机总体参数确定 21 第五节整机总体参数确定 根据Fmax确定剪切机的最大剪切力Fmax A 被剪切轧件横断面面积 mm2 max 被剪切轧件的最大剪切应力 MPa mm2 K 考虑由于刀刃磨钝 刀片间隙增大而使剪切力提高的系数 22 B 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 齿轮的模数等 设计计算的依据 机器需要的输出功率等于机器工作的动力加上所损耗的动力 大部分机器载荷是力 扭矩 以某速度作用一段距离 角度 第五节整机总体参数确定 23 举例1 如图示为机器的输出功率Pmax 系由一固定力F在 t时间内作用一段线性距离 x 此种运动如同一个液压臂弯曲金属板 机器输出的功率可表示为 第五节整机总体参数确定 24 举例2 图示固定扭矩T在瞬间 t作用一个角度 时机器之输出功率Pmax 此种功率发生在铣刀切削情况 通常可用刀具的切削力与力臂来表示 输出功率Pmax 第五节整机总体参数确定 25 3 重量参数重量参数包括整机重量 各主要部件重量 重心位置等 例如 机械如履带式装载机 整机重量主要根据所需的牵引力来确定 同时必须满足地面附着条件和作业 行走稳定性要求 否则机器行走时将产生打滑或倾翻 第五节整机总体参数确定 26 第五节整机总体参数确定 机器提供的最大牵引力必须克服工作阻力和总的行走阻力 其表达式为 27 综合举例 下面以矿用蟹爪式装载机为例加以说明 组成 蟹爪式装载机由铲板装载部 刮板运输部 履带行走三部分组成 第五节整机总体参数确定 28 29 总体参数计算如下 装载机的总体性能参数主要包括生产率 重量和功率等 1 理论生产率Q理论生产率是指装载机的设计生产能力 即耙爪满载情况下 将物料从铲板上装入运输机的能力 以每小时装载物料体积计算 其表达式为 Q 60znV 第五节整机总体参数确定 30 2 蟹爪式装载机重量主要根据作业所需牵引力确定 同时必须满足地面附着条件和作业 行走稳定性要求 否则机器行走时将产生打滑或倾翻 最大牵引力必须克服铲板与蟹爪插入阻力和总的行走阻力 第五节整机总体参数确定 31 3 原动机功率装载机的总功率由蟹爪机构功率P1 运输机构功率P2 行走机构功率P3和液压功率P4组成 即 P P1 P2 P3 P4各部分功率计算由相应的力 速度 效率等因素决定 第五节整机总体参数确定 32 4 总体结构参数总体结构参数包括主要结构尺寸和作业位置尺寸 1 主要结构尺寸 整机外形尺寸和主要组成部分的外形尺寸综合而成 2 作业位置尺寸 机器在作业过程中为了适应工作条件要求所需尺寸 例如 矿用蟹爪式装载机总体尺寸 要考虑机器工作条件 巷道尺寸 配套车辆尺寸等 第五节整机总体参数确定 33 2 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 然后求解总体参数 在新产品设计中 利用经验系数来确定总体参数 有如下优点 便于比较现有产品的各种参数 从而提出最优数据 有利于老产品更新换代和发展新系列 为计算机辅助设计创造条件 第五节整机总体参数确定 34 下面以液压挖掘机为例 说明经验公式法 液压挖掘机的经验设计 一般以斗容量 发动机功率和机重三者之一作为主参数 并依此决定其它参数 国内外学者都习惯以机重G为主参数 通过对国内外百余种液压挖掘机的机重统计分析提出了液压挖掘机各种参数的经验公式 其中K值为经验系数 第五节整机总体参数确定 35 第五节整机总体参数确定 36 3 相似类比法采用相似类比法确定总体参数时 是以相似理论为基础 选用国内外先进名牌产品为典型样机 或国内外有关该产品的设计标准 求出相似系数 级差系数 然后再确定其它主要参数 但应注意相似类比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 相似类比法有以下优点 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 加快了设计进度 可以迅速研制出新产品 这是仿制性能优良产品的一种有效方法 第五节整机总体参数确定 37 机器的总体布局 关系到整机的性能 质量和整机的合理性 也关系到操作方便 工作安全和工作效率 因此 总体布局是总体设计中极为重要的内容 一 总体布局的任务 1 合理布置各部件 零件在整机上的位置 按照简单 合理和安全的原则 使其实现工作要求 2 确定机器的重心坐标 确定总体尺寸 第六节机械总体布局设计 38 二 总体布局的基本要求1 保证产品整机的平衡和稳定性能 2 在满足强度 刚度要求的前提下 尽量做到结构紧凑 外形尺寸小 重量轻 3 动力传递路线力求简短 直接 做到传动效率高 4 各部件或零件在装配和使用中 其位置调整 拆装和维修等 力求简单 方便 互锁 保护要安全可靠 5 电气线路 气路 液压管路的布置 要整齐 清楚 醒目 6 机器外形平整 美观 大方 紧凑 色泽调和 第六节机械总体布局设计 39 三 总体布局型式视其机器用途不同 布局型式是多种多样的 根据顺序 位置 数量 形状 大小等五要素综合考虑 大致分为如下几类 1 按照发动机与机架的相对位置 如大客车发动机可分为前置式 中置式 后置式和偏置式 2 按照主要作业装置轴线方向 如矿用钻机有水平式 垂直式和倾斜式 3 按照机器主轴的运动轨迹 可分为回转式 直线式和振动式 第六节机械总体布局设计 40 4 按机架型式 可分为整体式 剖分式和组合式 5 按动力传递路线 可分为开式 闭式 6 按工作机构布置方向 可分为平面和空间式 7 按照传动方式 可分为单发动机传动 多发动机传动 第六节机械总体布局设计 41 四 机械化生产线的布局机械化生产线 参见图 是按产品工艺过程 把主要机械设备和辅助设备用运输和中间存贮设备等连接起来 组成独立控制和连续生产的系统 第六节机械总体布局设计 42 各种分散的作业 可以采用连续工艺方法进行作业 如连续轧制 连续浇铸 化工过程等 参见图 第六节机械总体布局设计 43 移动作业 Transferoperation 是使工件向处理方向移进 因而 附带而来的是工件的抓取 定位 向下一道工序的送进等 移动方式 1 直进式 line 处理大工件的重型机械和加工种类少的作业机械大多采用直进式 如轧制生产线 轻工生产线等 见图5 13 第六节机械总体布局设计 44 2 旋转式 rotary 小件的机械可采用旋转式 见图5 14 第六节机械总体布局设计 45 二 生产作业机械的总体布局称实际作业的部件为工作头 工作构件 那么作业进行的场所就是工位 是工件停止时接受作业的位置 如多工位自动机 见图5 15 图5 16 第六节机械总体布局设计 46 第六节机械总体布局设计 三 布置型式举例示例1 车床布置型式 影响因素 工件的重量和大小 a 卧式水平布置 车削轴类或盘形零件 b 落地式布置 大直径盘形或环形零件加工 c 单柱立式布置 加工短 粗 重量大的盘形零件 d 双柱立式布置 加工长 宽尺寸都较大的零件 47 第六节机械总体布局设计 示例2 铣床的总体布置 a 升降台卧式铣床 加工较小的工件b 工作台不升降立式铣床 加工较大的工件 c 横梁移动式龙门铣床 加工大型的工件 4 d 地坑式龙门铣床 加工特大型的工件 48 示例3 轮式装载机总体布局任务 确定装载机各部件位置 控制各部分的尺寸和重量 使载荷分配合理 布置操纵机构及驾驶员座位 校核运动零部件的运动空间 排除干涉 总布局草图通常以下列平面为基准 1 以车架上平面作为各部件上下位置的基准 2 以通过后桥中心线并与车架平面垂直的平面作为前后位置的基准 3 以装载机的纵向对称面作为左右位置的基准 此外地平线通常作为辅助基准 是装载机的高度 离地间隙等尺寸的基准 第六节机械总体布局设计 49 第六节机械总体布局设计 发动机布置在装载机的后部 起到配重作用 有利于提高稳定性 发动机的输出端接液力变矩器 再通过万向节和传动轴与前后驱动桥相连 驾驶室布置在工作装置之后的中部 位置应尽量向前 使前方视野开阔 利于作业准确 50 示例4 轧钢机轧辊是轧机进行轧制的工作头 第六节机械总体布局设计 51 在大轧机中轧辊是巨型零件 可达几十吨重 因此 必须具有特殊的轴承 轴承座和机架等起支承作用的零部件 为了保证轧辊开度 设有压下调整装置 对重量大又要移动的零部件如轧辊和轴承座等有平衡装置 来消除传动件的间隙 减少受力零件的冲击和磨损 第六节机械总体布局设计 52 第六节机械总体布局设计 轧机的主传动部件有万向连接轴 平衡装置 齿轮座 主联轴器 减速机 电动机联轴器和电动机等 53 各类轧机轧辊在工作机座中有不同的布置方法 见图 第六节机械总体布局设计 54 一般轧机的轧辊皆作旋转运动 进行纵轧或斜轧 但也可作行星运动 如高效的行星轧机 图5 21 第六节机械总体布局设计 55 第六节机械总体布局设计 示例5 食品机械图示 从卷筒1退下的包装带被圆盘刀2纵向剖开 切开的两条包装带翻转后分别绕过两对导辊5 而后又汇合一起 形成纵缝 由加热器6焊合 通过圆管3向所形成的软袋内装入定量的散状物料 由电熨斗7焊合横缝 依靠辊子8牵引软袋 也就是将软带从卷筒退下 四边均焊合住的装有产品的袋子由剪切装置9割开 然后落入溜槽10 借助光电装置4调整预先印有图案的软带的运动 从而保证图案在袋上的中心位置 56 一 选择机构的类型和拟定机构简图机构按完成的功能 可分为执行机构和传动机构两大类 执行机构是根据工作头的功能去实现轨迹 运动和力的变换和传递 运动和动力通常要由高速旋转的原动机提供 运动形式的转换和变速 有相应的传动机构来完成 传动机构联系起来 就组成了传动链 传动链可能是一条或若干条 汇总起来就构成了设备的传动系统 第七节机械驱动系统设计 57 1 机械传动系统它包括定传动比机构 变速机构 运动转换机构和操纵控制机构等几部分组成 按其能量流动路线的不同 传动系统可分为 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 传动级数越多 效率越低 多用于小功率 传动链短的机器 单流传动框图如图 第七节机械驱动系统设计 58 第七节机械驱动系统设计 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 显示分流传动有利于灵活安排传动线路 提高传动效率 缩小传动件的结构尺寸 一般适合于执行件较多的机器 3 汇流传动所谓汇流传动就是动力源经几条线路汇交于执行机构 59 4 混流传动所谓混流传动 就是传动系统中既有分流传动又有汇流传动 是前述三种传动形式组合的传动系统 对于轻工机械多采用一个原动机带动多个执行机构如图 第七节机械驱动系统设计 60 第七节机械驱动系统设计 重型机械常采用一个原动机带动一个执行机构 如单独驱动的起重机运行机构 如图 61 用多个原动机共同驱动一个执行机构 图为悬挂式多点啮合柔性传动 用于转炉 回转窑等多种重型机械上 第七节机械驱动系统设计 62 2 机械传动链的类型设计机械传动系统时 首先要考虑采用什么样的传动路线 即传动链 来保证所需的运动 外联传动链 联系动力源和执行件 如机械主轴或分配轴 的传动链 是运动和外部 动力源 的联系 称为外联传动链 内联传动链 复合运动的内部联系 如分配轴至各执行件 称为内联传动链 只有复合运动才有内联传动链 无论是简单运动还是复合运动 都必须有一条外联传动链 第七节机械驱动系统设计 63 图5 30中的ul和u2均为外联传动链 而从分配轴至各执行件 都可以看作为内联传动链 图5 31的u2为内联传动链 它决定加工对象的特性 如螺纹的导程等 第七节机械驱动系统设计 u1 u2 换置器官 代表定传动比或变传动比的传动机构 64 二 机械驱动系统的设计步骤机器的驱动系统又称传动系统 它是指原动机 传动机构 工作机构和工作构件的整个机械系统 图5 32为驱动系统的设计步骤 第七节机械驱动系统设计 65 粒状巧克力糖包装机设计一 原始资科1 产品 图示 加工对象 圆台形柱状巧克力糖2 包装材料巧克力糖采用厚为8um的金色铝箔卷筒纸 3 关于自动机生产能力的要求根据给定生产定额每班产570kg 约合自动机正常生产率为120块 min 采用无级调速自动机的生产率可调范围为70 130块 min 第八节机械的总体设计实例 66 二 包装工艺的确定巧克力糖自动上料问题 第一次工艺试验 采用刚性整体锥形模腔 迫使铝箔纸紧贴巧克力糖的圆锥面上 结果发现糖块粘模 破纸等问题 第二次工艺试验 将刚性的锥形模腔改成具有一