第五章机械产品的实用化设计

第五章机械产品的实用化设计目录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主要内容第三节总体设计的基本任务和内容第四节确定工艺方案第五节整机总体参数确定第六节机械总体布置设计第七节机械驱动系统设计第八节机械的总体设计实例第一节产品设计核心和外围问题一、产品设计的核心产品设计就是根据市场需求，把提供的资源(能量、物料、信息)转化为满足人类和社会需求的技术装置的规划工作。

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。

我们把设计理解为一个“空间”，整个设计“空间”分为两部分

在机器设计中，需要区别核心技术与关键技术两个不同概念。机器设计中的核心技术：指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。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。

二、设计的外围问题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设计要求可分为主要要求和其他要求，主要要求是指直接关系到产品功能、性能、技术经济指标所提出的要求，其它设计要求是指间接关系到产品质量所提出的要求。1.主要设计要求

(1)功能要求

同一产品功能越多，价值越高。

(2)适应性要求

是指工况发生变化时，产品适应程度。应明确指出产品的适应范围。(3)性能要求

性能是指产品的技术特征，包括动力、载荷、运动参数、可靠度、寿命等。

(4)生产能力要求

生产能力是表示单位时间内创造财富的多少。它是产品的重要技术指标。(5)可靠性要求

产品的可靠性关系到设备系统或产品能否持续正常工作，故障率的多少，甚至关系到设备和人身安全问题。(6)使用寿命要求

产品的使用寿命是指产品的耐用性，产品不同，对其使用寿命的要求亦不相同。

(7)效率要求

这是指一个系统输入量转换为输出量的有效利用程度。(8)成本要求

产品质量提高，成本下降才有竞争能力。(9)人机工程要求

要根据人——机器——环境系统要求进行产品设计。

(10)安全性要求

它包括改善劳动条件、减轻劳动强度、确保人身和机器的安全。

(11)包装、运输要求任何产品都要通过运输送给用户，因此产品设计要考虑产品的运输方法、交通工具起吊条件、总体尺寸和重量等。

2.其它设计要求(1)强度刚度要求

强度是保证产品安全可靠，具有良好的使用寿命必须得到满足的。刚度是保证系统各种精度及使用寿命所必需的。(2)制造工艺要求

产品结构要符合工艺原则，有好的工艺性。

(3)零件加工技术要求

这是为保证系统良好的技术性能和技术经济指标而对零件加工提出的技术要求。(4)工作循环图要求

这是自动线、自动机设计中所特有的要求。

第二节实用化设计的任务和主要内容

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。

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。

实用化设计是重要而工作量最大的阶段，要求设计人员具有丰富的工程经验和能力，也是应掌握的重要的基本功。对设计者而言，对于细节往往有很巧妙的构想和理想的结构，这也要求不断革新创造。

实用化设计步骤一般为：绘制总体布置和总装草图，由总装草图画出部件、零件草图。经审核再由零件工作图、部件装配图画出总装图和总图。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。

第三节总体设计的基本任务和内容一、总体设计的基本任务

设计任务大致可概括为以下几种类型：

1)开发新产品以满足一种明确或已形成的需要。

2)改善产品质量和可靠性以扩大销售市场。

3)开发较廉价产品以增加竞争能力。总体设计任务就是要满足机械系统的目的功能要求，同时扩大设计系统的范围，考虑到机械系统的附加要求，使机械系统同其它相邻系统相适应。

总体设计的任务是：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——机器——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要求。

总体设计包括功能设计和结构设计两大部分。此外还需考虑机械系统和其它系统的关系。

二、总体设计的内容1)工艺方案的确定。2)确定机器的总体参数。3)机械运动系统方案设计和确定机械运动简图。。4)机械总体布置。5)机械驱动系统(DriveSystem)设计。

6)计算整机的平衡和稳定。

7)动力源特性分析。

8)人机学设计。9)附属装置设计。10)机器造型设计。11)产品故障分析和对策。12)画出机器总装配图、零件施工图。13)编写全部设计技术文件。14)明确易损件、产品包装和运输要求。

第四节确定工艺方案机械是根据工艺过程提出的动作要求来进行设计的，所以总体设计的开始阶段就要选择工艺方法和动作，制定工艺过程。工艺过程对设备生产率、结构、运动和使用性能等产生很大的影响。

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

采用新工艺新技术，是提高产品质量和产量的根本途径。2)合理的运动规律

工艺方法确定之后，就要决定和分析工作装置的工艺动作。不但要注意工作装置的运动形式，还要注意其运动变化规律的特点。

3)工艺方案实现的可能性和稳定性

在考虑工艺方案时必须同时考虑结构能否实现，运动是否可靠、寿命和精度能否保证等问题；

4)与生产率要求相适应，经济上合理。第五节整机总体参数确定

总体参数的初步确定，可采用理论计算法、经验公式法、相似类比法和优化设计法。一、理论计算法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。设加工一个工件或装配一个组件所需的循环时间T为式中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、夹紧和移位、间歇等所消耗的时间。设备的生产率Q为

设备的生产率Q的单位由工件的计量和计时单位而定，常用的单位有：件/h、m/min、m2/min、m3/h、kg/min等。T=tg+tf2.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

例：带式连续输送机，带的运动速度：式中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)；P——散粒物料的堆积密度(t／m3)；c——倾角系数，当水平时c为1，倾角为20℃时为0.82。(2)力能参数力能参数包括承裁力(如成型力、破碎力、运行阻力、挖掘力)和原动机功率。

式中F冲压行程结束时的弯曲力(N)；B——弯曲件宽度(mm)；t——弯曲件材科厚度(mm)；r——弯曲件的内圆角半径(mm)，σb——材料的抗拉强度(MPa);

k——安全系数，一般K＝1.3。

1)机器的作用力(承载力)2)原动机功率原动机功率反映了机械的动力级别，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。

如图所示为机器之输出功率Pout，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式中

v——臂的速度(m／s)。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。它反映了整机的品质，如自重与载重之比，生产能力与机重之比等。重心位置反映了机器的稳定性及车轮轮压分布等问题。

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。主要结构尺寸是由整机外形尺寸和主要组成部分的外形尺寸综合而成。作业位置尺寸是机器在作业过程中为了适应工作条件要求所需的尺寸。

二、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。在新产品设计中，利用经验系数来确定总体参数，有如下的优点：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(参数化设计)创造条件。

三、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，或根据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，相似类比按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。

相似类比法有如下优点：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。这是仿制性能仍良产品的一种有效方法。第六节机械总体布置设计一、机械化生产线的布置

机械化生产线是按产品工艺过程，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。机械设备归纳起来可分为下列几种类型：1)主要工艺设备各种轧机，锻压机，自动冲压机等。

2)辅助工艺装置原料分选、筛分装置，去皮、切块、榨汁机等。3）物料贮存装置料仓、料斗，堆垛机等。4）控制装置环境监视检测装置，各种传感器，信号处理装置等。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。根据移动方式有直进式(line)和旋转式(rotary)两种。

二、生产作业机械的总体布置

总体布置的任务是合理布置各部件，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，确定机器重心坐标、确定总体尺寸。生产作业机械布置的原则如下：1)功能合理。2)结构紧凑。

3)动力传递路线力求简短、直接，做到传动效率高，管路、线路的布置，要整齐、醒目。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，保护要安全可靠。

生产作业机械的总体布置类型：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)按主要工作机械的布置方向可分为水平式(卧式)、倾斜式、直立式和圆弧式等。3)按原动机与机架相对位置可分为前置式、中置式、后置式等。4)按工件或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)按机架或机壳的形式可分为整体式、剖分式、组合式，龙门式和悬臂式等。6)按工件运动回路或机械系统功率传递路线的特点可分开式、闭式等。三、机械总体布置示例(轧钢机)第七节机械驱动系统设计一、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。传动机构是将原动机的动力传递到执行机构的机构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。按其传递能量流动路线的不同，传动系统可分为⑴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。这样传动级数越多，传动效率就越低。”因此多用于小功率、传动链短的机器。

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，分流传动框图如图5—24所示。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。(2)分流传动(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。这种能量流动路线的特点是将低速、重载、大功率机器的动力源配备为多台中小型动力机，以减小传动机构，提高传动效率。

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。(4)混流传动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)。联系动力源和执行件的传动链，是运动与外部动力源的联系，称为外联传动链。而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。

内联传动链必须用传动比准确的传动副，而不能用摩擦传动副(如带、摩擦无级变速器)、液压传动等。外联传动链则没有这种要求，传动比的误差对加工或处理产品的质量不会有什么影响。因此，可以用传动比不太准确的传动副。

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，

第八节机械的总体设计实例一、原始资料

1.产品本机的加工对象是圆台形柱状巧克力糖