十七章机械零部件设计综论 《机械设计基础》教案(机电专业60学时) 第十七章机械零部件结构设计综论 1.教学目标 1.掌握在结构设计中提高机械结构性能的途径; 2.掌握轮和轴系结构设计的特点和方法以及提高轴系结构性能的措施; 3.润滑和密封方法综述 4.箱体和导轨设计要点。 2.教学重点和难点 【重点、难点】结构设计的方法以及提高性能的措施; 3.讲授方法:多媒体和演示柜教学 正文 机械结构设计的任务是把原理设计建立的方案具体化、结构化,确定及其各零部件的形状、 尺寸、材料和热处理、加工精度要求等,画出装配图和零件图。我们在前面各章中已经部分提到 了结构设计,为了帮之同学建立完整的结构设计思路,我们本章集中介绍结构设计的主要方法和 原则。 §17.1概述 机械结构设计的作用和步骤 结构设计的作用主要包括以下方面 1)结构是及其功能的物质基础:用户购买一台机器,主要是看中了它具有自己需要的功能, 而这些功能能否实现,质量如何,主要取决于机械结构,没有结构边没有功能。 2)结构是机械设计计算的基础和计算结果的体现:在计算之前必须初步确定结构,如在传
第十七章 机械零部件设计综论 《机械设计基础》教案（机电专业 60 学时） 294 第十七章 机械零部件结构设计综论 1．教学目标 1．掌握在结构设计中提高机械结构性能的途径； 2．掌握轮和轴系结构设计的特点和方法以及提高轴系结构性能的措施； 3．润滑和密封方法综述； 4．箱体和导轨设计要点。 2．教学重点和难点 【重点、难点】 结构设计的方法以及提高性能的措施； 3．讲授方法：多媒体和演示柜教学 正 文 机械结构设计的任务是把原理设计建立的方案具体化、结构化，确定及其各零部件的形状、 尺寸、材料和热处理、加工精度要求等，画出装配图和零件图。我们在前面各章中已经部分提到 了结构设计，为了帮之同学建立完整的结构设计思路，我们本章集中介绍结构设计的主要方法和 原则。 §17.1 概述 一、机械结构设计的作用和步骤 结构设计的作用主要包括以下方面： 1）结构是及其功能的物质基础：用户购买一台机器，主要是看中了它具有自己需要的功能， 而这些功能能否实现，质量如何，主要取决于机械结构，没有结构边没有功能。 2）结构是机械设计计算的基础和计算结果的体现：在计算之前必须初步确定结构，如在传
十七章机械零部件设计综论 《机械设计基础》教案(机电专业60学时) 动系统方案设计中决定了要采用齿轮,才会计算齿轮、轴系、轴、轴承、键等的计算是与结构设 计密切相关、交叉进行的,而计算结果一般都对结构设计起指导作用。 3)结构图是加工和装配的依据:机械的装配图和零件图是加工、装配、检验的依据,它在 极大程度上(一般认为是70%~80%)决定了机器的成本。 所以,结构设计在整个机械设计中占有十分重要的地位 结构设计的一般步骤是: 1)在开始结构设计前,必须确定设计任务和制定机器整体方案。此时设计者一般对机械结 构方案已经由初步的考虑,并能够由总体岀发对机械结构提岀要求,如动作要求、运动范围、工 作能力、生产率、传动机构的功率、工作条件、加工装配条件、使用条件等,以及对寿命、成本 等方面的要求。 2)把—个机械系统分为若干个部件,根据初步计算或经验,对每个部件的性能、空间位置、 尺寸、重量等都有一个明确的计划和要求。这样不但便于设计,而且液便于制造、装配修理和 多人分工设计以加快进度。如设计人员过少,则应先设计主要部件,后次要部件。对每个部件一 般先做初步拾角,再作详细的结构设计。 3)设计过程中注意各零件、部件之间的关系尺寸协调,反复进行方案对比,进行必要的修 改。设计者应该不断给自己提出问题,例如 (1)这个零部件起什么作用?所采用地结构能否实现? (2)这个零件能否不要?或用其它更好地方法代替? (3)这个部件承受什么样的载荷?可能地失效形式是什么?所用的结构能否避免这些失 效? (4)在运动时是否会发生干涉或碰撞? (5)每个零件或部件由毛坯生产到加工、装配、检测、运输、使用、修理直到报废回收过
第十七章 机械零部件设计综论 《机械设计基础》教案（机电专业 60 学时） 295 动系统方案设计中决定了要采用齿轮，才会计算齿轮、轴系、轴、轴承、键等的计算是与结构设 计密切相关、交叉进行的，而计算结果一般都对结构设计起指导作用。 3）结构图是加工和装配的依据：机械的装配图和零件图是加工、装配、检验的依据，它在 极大程度上（一般认为是 70％～80％）决定了机器的成本。 所以，结构设计在整个机械设计中占有十分重要的地位。 结构设计的一般步骤是： 1）在开始结构设计前，必须确定设计任务和制定机器整体方案。此时设计者一般对机械结 构方案已经由初步的考虑，并能够由总体出发对机械结构提出要求，如动作要求、运动范围、工 作能力、生产率、传动机构的功率、工作条件、加工装配条件、使用条件等，以及对寿命、成本 等方面的要求。 2）把一个机械系统分为若干个部件，根据初步计算或经验，对每个部件的性能、空间位置、 尺寸、重量等都有一个明确的计划和要求。这样不但便于设计，而且液便于制造、装配、修理和 多人分工设计以加快进度。如设计人员过少，则应先设计主要部件，后次要部件。对每个部件一 般先做初步拾角，再作详细的结构设计。 3）设计过程中注意各零件、部件之间的关系尺寸协调，反复进行方案对比，进行必要的修 改。设计者应该不断给自己提出问题，例如： （1）这个零部件起什么作用？所采用地结构能否实现？ （2）这个零件能否不要？或用其它更好地方法代替？ （3）这个部件承受什么样的载荷？可能地失效形式是什么？所用的结构能否避免这些失 效？ （4）在运动时是否会发生干涉或碰撞？ （5）每个零件或部件由毛坯生产到加工、装配、检测、运输、使用、修理直到报废回收过
十七章机械零部件设计综论 《机械设计基础》教案(机电专业60学时) 程会产生什么问题? (6)什么是这一零部件、系统的薄弱环节?损坏后是否会引起严重后果? (7)是否采用了标准件、通用件或能买到的经济适用的成品? (8)材料和热处理是否合适? (9)噪声、振动、腐蚀、潮湿、温度等环境因素是否已经完全考虑过? (10)所采用的方案寿命如何?润滑、维护如何?对环境有无污染? (11)操作是否方便?是否便于学习掌握?安全有无问题? (12)所采用的方案是否经济合理?是否符合有关法律规定? 4)完成图纸以后,必须进行认真的审查,尽量把问题消灭在图纸上。 5)为了保护设计者的权利,应该考虑是否申请专利。 6)在试制、实验、试用、正式投产及使用过程中,进一步发现问题,不断改进设计。 二、机械结构设计的要求 机械结构设计的主要目标是:保证功能、提高质量、降低成本。要求作到明确、简单、安全 可靠 1)明确主要指功能和工作原理明确。毎个零件都由明确的工作任务和势下它所依据的工 作原理,要避免冗余的结构,尽 量不采用静不定结构如图所示 中凸 是大直径旋转工作台的两种结 旋转工作台的两种结构比较 1一电动机;2一减速箱;3一车轮;4一齿轮传动装置 构方案,它要求旋转平稳、低速 转动。图a用50~80个车轮3支承,电动机1经过减速箱2、小齿轮带动大齿轮转动,从而使
第十七章 机械零部件设计综论 《机械设计基础》教案（机电专业 60 学时） 296 程会产生什么问题？ （6）什么是这一零部件、系统的薄弱环节？损坏后是否会引起严重后果？ （7）是否采用了标准件、通用件或能买到的经济适用的成品？ （8）材料和热处理是否合适？ （9）噪声、振动、腐蚀、潮湿、温度等环境因素是否已经完全考虑过？ （10）所采用的方案寿命如何？润滑、维护如何？对环境有无污染？ （11）操作是否方便？是否便于学习掌握？安全有无问题？ （12）所采用的方案是否经济合理？是否符合有关法律规定？ 4）完成图纸以后，必须进行认真的审查，尽量把问题消灭在图纸上。 5）为了保护设计者的权利，应该考虑是否申请专利。 6）在试制、实验、试用、正式投产及使用过程中，进一步发现问题，不断改进设计。 二、机械结构设计的要求 机械结构设计的主要目标是：保证功能、提高质量、降低成本。要求作到明确、简单、安全 可靠。 1）明确 主要指功能和工作原理明确。每个零件都由明确的工作任务和势下它所依据的工 作原理，要避免冗余的结构，尽 量不采用静不定结构。如图所示 是大直径旋转工作台的两种结 构方案，它要求旋转平稳、低速 转动。图 a 用 50～80 个车轮 3 支承，电动机 1 经过减速箱 2、小齿轮带动大齿轮转动，从而使
十七章机械零部件设计综论 《机械设计基础》教案(机电专业60学时) 与大齿轮固联的工作台转动。图b支承情况相同,用16组由电动机1、减速箱2组成的传动装 置,直接使车轮3转动,驱动、支承两种功能都靠车轮来实现。设计中发现,方案a两套机构分 工明确,任务分担,结构上矛盾较少。方案b由强度角度考虑,希望车轮所受压力小,但压力不 够,主动车轮的摩擦力小,则车轮的驱动力不足,二者产生矛盾。 2)简单各零部件结构和形状要简单,数量尽可能少;操作简单,容易掌握;包装简单 运输方便;安装调试、维护简便。 3)安全可靠包括机械、操作者、环境三个方面都安全,不受损害 机械结构设计的思考方法 在进行机械结构设计时,需要考虑的问题很多,错综复杂,缺乏统一的规律。通过经验发现, 作为机械设计者应注意运用的思考、分析、解决问题的方法如下,这是工程的总结。 1、结构的是功能的物质基础机械设计师要对使用要求作充分的分析和领会,考虑所设计 的结构是否满足使用者要求的功能。如设计一个手柄,就要考虑操作人员的力量,手柄转动半径、 高度、形状是否符合人手的把握,机器转动时,手柄 是否会随之转动而伤人等。 如图所示的结构都是使工作台上下运动的机构, 但使用的情况不同 图a所示用螺旋和斜面推动工作台运动推力大, 可以精细调节,但效率低,上升行测绘那个很小;图 工作台上下运动的各种传动方式 b是凸轮机构,图c是连杄机构,都可以实现快速上下移动,凸轮还容易实现各种要求的运动规 律,行程都较小;图d是齿轮齿条传动,图e是螺旋传动,都可以实现较大的推动力,行程比连 杆机构和凸轮机构大一些,不适用于快速往复运动;图f是用钢丝绳传动的方案,起重量大,行 程可达几十米,但结构庞大。除此之外,还可以采用液压缸、气动缸、电磁铁等,各有特色,我 297
第十七章 机械零部件设计综论 《机械设计基础》教案（机电专业 60 学时） 297 与大齿轮固联的工作台转动。图 b 支承情况相同，用 16 组由电动机 1、减速箱 2 组成的传动装 置，直接使车轮 3 转动，驱动、支承两种功能都靠车轮来实现。设计中发现，方案 a 两套机构分 工明确，任务分担，结构上矛盾较少。方案 b 由强度角度考虑，希望车轮所受压力小，但压力不 够，主动车轮的摩擦力小，则车轮的驱动力不足，二者产生矛盾。 2）简单 各零部件结构和形状要简单，数量尽可能少；操作简单，容易掌握；包装简单， 运输方便；安装调试、维护简便。 3）安全可靠 包括机械、操作者、环境三个方面都安全，不受损害。 三、机械结构设计的思考方法 在进行机械结构设计时，需要考虑的问题很多，错综复杂，缺乏统一的规律。通过经验发现， 作为机械设计者应注意运用的思考、分析、解决问题的方法如下，这是工程的总结。 1、结构的是功能的物质基础 机械设计师要对使用要求作充分的分析和领会，考虑所设计 的结构是否满足使用者要求的功能。如设计一个手柄，就要考虑操作人员的力量，手柄转动半径、 高度、形状是否符合人手的把握，机器转动时，手柄 是否会随之转动而伤人等。 如图所示的结构都是使工作台上下运动的机构， 但使用的情况不同。 图 a 所示用螺旋和斜面推动工作台运动，推力大， 可以精细调节，但效率低，上升行测绘那个很小；图 b 是凸轮机构，图 c 是连杆机构，都可以实现快速上下移动，凸轮还容易实现各种要求的运动规 律，行程都较小；图 d 是齿轮齿条传动，图 e 是螺旋传动，都可以实现较大的推动力，行程比连 杆机构和凸轮机构大一些，不适用于快速往复运动；图 f 是用钢丝绳传动的方案，起重量大，行 程可达几十米，但结构庞大。除此之外，还可以采用液压缸、气动缸、电磁铁等，各有特色，我
十七章机械零部件设计综论 《机械设计基础》教案(机电专业60学时) 们可以根据需要选择 2、要设计成功,首先要避免机器失效机器不应在使用期内失效,应该有足够的可靠性寿 命,在结构设计时要特别注意加强机械的薄弱环节,必要时应设计安全装置、报警装置等。 3、考虑零部件最不利的工作情况要考虑机械可能遇到的最不利的情况。如设计其中机构 就必须考虑到,在突然停电时,如果重物升在半空,是否会自动下落?滑动轴承在轴承衬磨损后, 手否会发生严重事故? 4、最优设计离不开具体条件许多设计的评价与具体情况密切相关。如材料、热处理、环 境温度、湿度、水质等都与地区情况有很大关系,有些加工方法受到工厂技术和设备水平的限制, 机器的色彩还应考虑各个国家对颜色的不同习惯。因此,许多好的设计是有地区和实践限性的。 设计者必须经常注意客观情况的发展,引用新技术、新材料、新工艺,不断提高产品设计水平。 5、取得第一手资料一些重要的结构或数据对机械设计的成功与否直接相关,设计者必须 进行调查研究或实验。 6、从更多的角度思考设计人员要从使用、毛坯制造、机械加工、检验、装配、实验、修 理等各种接触设计的人员角度进行考虑设计可能遇到的问题,及时解决,必要的时候应该召集有 关人员或同行专家会议,群策群力、集思广益。 7、由利弊中求平衡许多结构有优点也有缺点,如采用高精度的零部件,会在平稳性、精 度、体积、可靠性等方面取得好的结果,但是费用要增加很多。要根据设备的使用需要正确的选 择。 总之,机械设计师必须做到:广泛思考、提出方案、正确判断、从中选优、深入实际、不断 提高、认真细致、仔细校核、努力创新 298
第十七章 机械零部件设计综论 《机械设计基础》教案（机电专业 60 学时） 298 们可以根据需要选择。 2、要设计成功，首先要避免机器失效 机器不应在使用期内失效，应该有足够的可靠性寿 命，在结构设计时要特别注意加强机械的薄弱环节，必要时应设计安全装置、报警装置等。 3、考虑零部件最不利的工作情况 要考虑机械可能遇到的最不利的情况。如设计其中机构 就必须考虑到，在突然停电时，如果重物升在半空，是否会自动下落？滑动轴承在轴承衬磨损后， 手否会发生严重事故？ 4、最优设计离不开具体条件 许多设计的评价与具体情况密切相关。如材料、热处理、环 境温度、湿度、水质等都与地区情况有很大关系，有些加工方法受到工厂技术和设备水平的限制， 机器的色彩还应考虑各个国家对颜色的不同习惯。因此，许多好的设计是有地区和实践限性的。 设计者必须经常注意客观情况的发展，引用新技术、新材料、新工艺，不断提高产品设计水平。 5、取得第一手资料 一些重要的结构或数据对机械设计的成功与否直接相关，设计者必须 进行调查研究或实验。 6、从更多的角度思考 设计人员要从使用、毛坯制造、机械加工、检验、装配、实验、修 理等各种接触设计的人员角度进行考虑设计可能遇到的问题，及时解决，必要的时候应该召集有 关人员或同行专家会议，群策群力、集思广益。 7、由利弊中求平衡 许多结构有优点也有缺点，如采用高精度的零部件，会在平稳性、精 度、体积、可靠性等方面取得好的结果，但是费用要增加很多。要根据设备的使用需要正确的选 择。 总之，机械设计师必须做到：广泛思考、提出方案、正确判断、从中选优、深入实际、不断 提高、认真细致、仔细校核、努力创新