第五章機械產(chǎn)品的實用化設(shè)計目錄第一節(jié)產(chǎn)品設(shè)計核心和外圍問題第二節(jié)實用化設(shè)計的任務(wù)和主要內(nèi)容第三節(jié)總體設(shè)計的基本任務(wù)和內(nèi)容第四節(jié)確定工藝方案第五節(jié)整機總體參數(shù)確定第六節(jié)機械總體布置設(shè)計第七節(jié)機械驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計第八節(jié)機械的總體設(shè)計實例第一節(jié)產(chǎn)品設(shè)計核心和外圍問題一、產(chǎn)品設(shè)計的核心產(chǎn)品設(shè)計就是根據(jù)市場需求，把提供的資源(能量、物料、信息)轉(zhuǎn)化為滿足人類和社會需求的技術(shù)裝置的規(guī)劃工作。

設(shè)計活動主要經(jīng)過以下幾個階段：了解市場需求、擬定設(shè)計任務(wù)和技術(shù)要求、功能原理設(shè)計、實用化設(shè)計、商品化設(shè)計、制造和銷售。

我們把設(shè)計理解為一個“空間”，整個設(shè)計“空間”分為兩部分

在機器設(shè)計中，需要區(qū)別核心技術(shù)與關(guān)鍵技術(shù)兩個不同概念。機器設(shè)計中的核心技術(shù)：指實現(xiàn)總功能和主要要求的技術(shù)，對不同的機械其核心技術(shù)是不相同的。關(guān)鍵技術(shù)是實現(xiàn)某種功能過程中需要解決的技術(shù)難題。它與核心技術(shù)是兩個不同的概念，在核心技術(shù)中也有關(guān)鍵技術(shù)問題。

二、設(shè)計的外圍問題產(chǎn)品設(shè)計過程中的各種設(shè)計要求，是設(shè)計的依據(jù)和前提，它們就是設(shè)計的外圍問題設(shè)計要求可分為主要要求和其他要求，主要要求是指直接關(guān)系到產(chǎn)品功能、性能、技術(shù)經(jīng)濟指標所提出的要求，其它設(shè)計要求是指間接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量所提出的要求。1.主要設(shè)計要求

(1)功能要求

同一產(chǎn)品功能越多，價值越高。

(2)適應(yīng)性要求

是指工況發(fā)生變化時，產(chǎn)品適應(yīng)程度。應(yīng)明確指出產(chǎn)品的適應(yīng)范圍。(3)性能要求

性能是指產(chǎn)品的技術(shù)特征，包括動力、載荷、運動參數(shù)、可靠度、壽命等。

(4)生產(chǎn)能力要求

生產(chǎn)能力是表示單位時間內(nèi)創(chuàng)造財富的多少。它是產(chǎn)品的重要技術(shù)指標。(5)可靠性要求

產(chǎn)品的可靠性關(guān)系到設(shè)備系統(tǒng)或產(chǎn)品能否持續(xù)正常工作，故障率的多少，甚至關(guān)系到設(shè)備和人身安全問題。(6)使用壽命要求

產(chǎn)品的使用壽命是指產(chǎn)品的耐用性，產(chǎn)品不同，對其使用壽命的要求亦不相同。

(7)效率要求

這是指一個系統(tǒng)輸入量轉(zhuǎn)換為輸出量的有效利用程度。(8)成本要求

產(chǎn)品質(zhì)量提高，成本下降才有競爭能力。(9)人機工程要求

要根據(jù)人——機器——環(huán)境系統(tǒng)要求進行產(chǎn)品設(shè)計。

(10)安全性要求

它包括改善勞動條件、減輕勞動強度、確保人身和機器的安全。

(11)包裝、運輸要求任何產(chǎn)品都要通過運輸送給用戶，因此產(chǎn)品設(shè)計要考慮產(chǎn)品的運輸方法、交通工具起吊條件、總體尺寸和重量等。

2.其它設(shè)計要求(1)強度剛度要求

強度是保證產(chǎn)品安全可靠，具有良好的使用壽命必須得到滿足的。剛度是保證系統(tǒng)各種精度及使用壽命所必需的。(2)制造工藝要求

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要符合工藝原則，有好的工藝性。

(3)零件加工技術(shù)要求

這是為保證系統(tǒng)良好的技術(shù)性能和技術(shù)經(jīng)濟指標而對零件加工提出的技術(shù)要求。(4)工作循環(huán)圖要求

這是自動線、自動機設(shè)計中所特有的要求。

第二節(jié)實用化設(shè)計的任務(wù)和主要內(nèi)容

實用化設(shè)計是在功能原理設(shè)計成熟的基礎(chǔ)上，把原理方案結(jié)構(gòu)化、實體化，使原理構(gòu)思轉(zhuǎn)化為具有實用水平的實體機械，達到實用的要求。

如果說功能原理設(shè)計是產(chǎn)品創(chuàng)新和保證質(zhì)量的關(guān)鍵，則實用化設(shè)計就是得到高質(zhì)量產(chǎn)品的保證。在實用化設(shè)計階段，工作既要具體化又要精細化，要處理大量的結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的問題。

實用化設(shè)計是重要而工作量最大的階段，要求設(shè)計人員具有豐富的工程經(jīng)驗和能力，也是應(yīng)掌握的重要的基本功。對設(shè)計者而言，對于細節(jié)往往有很巧妙的構(gòu)想和理想的結(jié)構(gòu)，這也要求不斷革新創(chuàng)造。

實用化設(shè)計步驟一般為：繪制總體布置和總裝草圖，由總裝草圖畫出部件、零件草圖。經(jīng)審核再由零件工作圖、部件裝配圖畫出總裝圖和總圖。最后編制技術(shù)文件如設(shè)計說明書、使用說明書、標準件、外購件明細表等等。

第三節(jié)總體設(shè)計的基本任務(wù)和內(nèi)容一、總體設(shè)計的基本任務(wù)

設(shè)計任務(wù)大致可概括為以下幾種類型：

1)開發(fā)新產(chǎn)品以滿足一種明確或已形成的需要。

2)改善產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性以擴大銷售市場。

3)開發(fā)較廉價產(chǎn)品以增加競爭能力?？傮w設(shè)計任務(wù)就是要滿足機械系統(tǒng)的目的功能要求，同時擴大設(shè)計系統(tǒng)的范圍，考慮到機械系統(tǒng)的附加要求，使機械系統(tǒng)同其它相鄰系統(tǒng)相適應(yīng)。

總體設(shè)計的任務(wù)是：1)完善和擴大方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容。2)使各部件、零件得到合理的組合。3)綜合人——機器——環(huán)境三者關(guān)系，使之協(xié)調(diào)和適應(yīng)，以保證全面滿足機械產(chǎn)品的技術(shù)性能、經(jīng)濟性能和美學性能的要求。

總體設(shè)計包括功能設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩大部分。此外還需考慮機械系統(tǒng)和其它系統(tǒng)的關(guān)系。

二、總體設(shè)計的內(nèi)容1)工藝方案的確定。2)確定機器的總體參數(shù)。3)機械運動系統(tǒng)方案設(shè)計和確定機械運動簡圖。。4)機械總體布置。5)機械驅(qū)動系統(tǒng)(DriveSystem)設(shè)計。

6)計算整機的平衡和穩(wěn)定。

7)動力源特性分析。

8)人機學設(shè)計。9)附屬裝置設(shè)計。10)機器造型設(shè)計。11)產(chǎn)品故障分析和對策。12)畫出機器總裝配圖、零件施工圖。13)編寫全部設(shè)計技術(shù)文件。14)明確易損件、產(chǎn)品包裝和運輸要求。

第四節(jié)確定工藝方案機械是根據(jù)工藝過程提出的動作要求來進行設(shè)計的，所以總體設(shè)計的開始階段就要選擇工藝方法和動作，制定工藝過程。工藝過程對設(shè)備生產(chǎn)率、結(jié)構(gòu)、運動和使用性能等產(chǎn)生很大的影響。

為了實現(xiàn)同一工藝目的，可以采用不同的工藝方案，各方案決定了設(shè)備不同的結(jié)構(gòu)、性能、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本。

選擇工藝方案時應(yīng)綜合考慮下列問題：1)工藝方案的先進性

采用新工藝新技術(shù)，是提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的根本途徑。2)合理的運動規(guī)律

工藝方法確定之后，就要決定和分析工作裝置的工藝動作。不但要注意工作裝置的運動形式，還要注意其運動變化規(guī)律的特點。

3)工藝方案實現(xiàn)的可能性和穩(wěn)定性

在考慮工藝方案時必須同時考慮結(jié)構(gòu)能否實現(xiàn)，運動是否可靠、壽命和精度能否保證等問題；

4)與生產(chǎn)率要求相適應(yīng)，經(jīng)濟上合理。第五節(jié)整機總體參數(shù)確定

總體參數(shù)的初步確定，可采用理論計算法、經(jīng)驗公式法、相似類比法和優(yōu)化設(shè)計法。一、理論計算法1.機械設(shè)備的理論生產(chǎn)率Q

機械設(shè)備的理論生產(chǎn)率是指設(shè)計生產(chǎn)能力。在單位時間內(nèi)完成的產(chǎn)品數(shù)量，就是機械設(shè)備的生產(chǎn)率。設(shè)加工一個工件或裝配一個組件所需的循環(huán)時間T為式中T——為在設(shè)備上加工一個工件的循環(huán)時間或稱工作周期時間；

tg----工作時間，即直接用在加工或裝配一個工件的時間；

tf——輔助工作時間，即在一個循環(huán)內(nèi)除去tg所消耗的時間，如上下料、夾緊和移位、間歇等所消耗的時間。設(shè)備的生產(chǎn)率Q為

設(shè)備的生產(chǎn)率Q的單位由工件的計量和計時單位而定，常用的單位有：件/h、m/min、m2/min、m3/h、kg/min等。T=tg+tf2.功率參數(shù)(包括運動參數(shù)、力能參數(shù))

(1)運動參數(shù)機械的運動參數(shù)有移動速度、加速度和調(diào)速范圍等，主要取決于工藝要求

例：帶式連續(xù)輸送機，帶的運動速度：式中v——帶的運動速度(m／s)；Q——帶式輸送機的理論生產(chǎn)率(t／h)；S——被運物料在輸送帶上的堆積面積(m2)；P——散粒物料的堆積密度(t／m3)；c——傾角系數(shù)，當水平時c為1，傾角為20℃時為0.82。(2)力能參數(shù)力能參數(shù)包括承裁力(如成型力、破碎力、運行阻力、挖掘力)和原動機功率。

式中F沖壓行程結(jié)束時的彎曲力(N)；B——彎曲件寬度(mm)；t——彎曲件材科厚度(mm)；r——彎曲件的內(nèi)圓角半徑(mm)，σb——材料的抗拉強度(MPa);

k——安全系數(shù)，一般K＝1.3。

1)機器的作用力(承載力)2)原動機功率原動機功率反映了機械的動力級別，機器需要的輸出功率等于機器工作的動力加上所損耗的動力。

如圖所示為機器之輸出功率Pout，系由一固定力F在△t時間內(nèi)作用一段線性距離△x，此種運動如同一個液壓臂彎曲金屬板。機器輸出的功率可表示為式中

v——臂的速度(m／s)。3．重量參數(shù)

重量參數(shù)包括整機重量、各主要部件重量、重心位置等。它反映了整機的品質(zhì)，如自重與載重之比，生產(chǎn)能力與機重之比等。重心位置反映了機器的穩(wěn)定性及車輪輪壓分布等問題。

4．總體結(jié)構(gòu)參數(shù)總體結(jié)構(gòu)參數(shù)包括主要結(jié)構(gòu)尺寸和作業(yè)位置尺寸。主要結(jié)構(gòu)尺寸是由整機外形尺寸和主要組成部分的外形尺寸綜合而成。作業(yè)位置尺寸是機器在作業(yè)過程中為了適應(yīng)工作條件要求所需的尺寸。

二、經(jīng)驗公式法對同類產(chǎn)品參數(shù)按概率統(tǒng)計，歸納得出經(jīng)驗公式和圖表，然后求解總體參數(shù)。在新產(chǎn)品設(shè)計中，利用經(jīng)驗系數(shù)來確定總體參數(shù)，有如下的優(yōu)點：便于比較現(xiàn)有產(chǎn)品的各種參數(shù)，從而提出最優(yōu)數(shù)據(jù)；有利于老產(chǎn)品更新?lián)Q代和發(fā)展新系列；為計算機輔助設(shè)計(參數(shù)化設(shè)計)創(chuàng)造條件。

三、相似類比法

采用相似類比法確定總體參數(shù)時，是以相似理論為基礎(chǔ)，選用國內(nèi)外先進名牌產(chǎn)品為典型樣機，或根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)該產(chǎn)品的設(shè)計標準，求出相似系數(shù)(級差系數(shù))，然后再確定其它主要參數(shù)。但應(yīng)注意，相似類比按只適用于同類型產(chǎn)品，即結(jié)構(gòu)型式、工作對象、環(huán)境條件基本相同者。

相似類比法有如下優(yōu)點：如果樣機的性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)是優(yōu)選的，則可得到一個優(yōu)化的系列產(chǎn)品，它簡化了設(shè)計計算，加快了設(shè)計速度，可以迅速研制出新產(chǎn)品。這是仿制性能仍良產(chǎn)品的一種有效方法。第六節(jié)機械總體布置設(shè)計一、機械化生產(chǎn)線的布置

機械化生產(chǎn)線是按產(chǎn)品工藝過程，把主要機械設(shè)備和輔助設(shè)備用運輸和中間存貯設(shè)備等連接起來，組成獨立控制和連續(xù)生產(chǎn)的系統(tǒng)。機械設(shè)備歸納起來可分為下列幾種類型：1)主要工藝設(shè)備各種軋機，鍛壓機，自動沖壓機等。

2)輔助工藝裝置原料分選、篩分裝置，去皮、切塊、榨汁機等。3）物料貯存裝置料倉、料斗，堆垛機等。4）控制裝置環(huán)境監(jiān)視檢測裝置，各種傳感器，信號處理裝置等。移動作業(yè)(Transferoperation)是使工件向處理方向移進。因而，附帶而來的是工件的抓取、定位、向下一道工序的送進等。根據(jù)移動方式有直進式(line)和旋轉(zhuǎn)式(rotary)兩種。

二、生產(chǎn)作業(yè)機械的總體布置

總體布置的任務(wù)是合理布置各部件，零件在整機上的位置，按照簡單、合理和安全的原則，使其實現(xiàn)工作要求，確定機器重心坐標、確定總體尺寸。生產(chǎn)作業(yè)機械布置的原則如下：1)功能合理。2)結(jié)構(gòu)緊湊。

3)動力傳遞路線力求簡短、直接，做到傳動效率高，管路、線路的布置，要整齊、醒目。4)各部件或零件在裝配和使用中，其位置調(diào)整、拆裝和維修等，力求簡單、方便，保護要安全可靠。

生產(chǎn)作業(yè)機械的總體布置類型：1)按主要工作機構(gòu)的空間幾何位置可分為平面式、空間式等；2)按主要工作機械的布置方向可分為水平式(臥式)、傾斜式、直立式和圓弧式等。3)按原動機與機架相對位置可分為前置式、中置式、后置式等。4)按工件或機械內(nèi)部工作機構(gòu)的運動方式可分為回轉(zhuǎn)式、直線式、振動式等。5)按機架或機殼的形式可分為整體式、剖分式、組合式，龍門式和懸臂式等。6)按工件運動回路或機械系統(tǒng)功率傳遞路線的特點可分開式、閉式等。三、機械總體布置示例(軋鋼機)第七節(jié)機械驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計一、選擇機構(gòu)的類型和擬定機構(gòu)簡圖

機構(gòu)按完成的功能，可分為執(zhí)行機構(gòu)和傳動機構(gòu)兩大類。

執(zhí)行機構(gòu)是根據(jù)工作頭的功能去實現(xiàn)軌跡、運動和力的變換和傳遞。傳動機構(gòu)是將原動機的動力傳遞到執(zhí)行機構(gòu)的機構(gòu)1．機械傳動系統(tǒng)它包括定傳動比機構(gòu)、變速機構(gòu)、運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)和操縱控制機構(gòu)等幾部分組成。按其傳遞能量流動路線的不同，傳動系統(tǒng)可分為⑴單流傳動單流傳動是指動力輸出能量依次經(jīng)過每一個傳動件的傳動形式。這樣傳動級數(shù)越多，傳動效率就越低?！币虼硕嘤糜谛」β省鲃渔湺痰臋C器。

分流傳動是指動力輸出的能量分成多個分支傳到各執(zhí)行機構(gòu)的傳動形式，分流傳動框圖如圖5—24所示。顯示分流傳動有利于靈活安排傳動線路、提高傳動效率、縮小傳動件的結(jié)構(gòu)尺寸，一般適合于執(zhí)行件較多的機器。(2)分流傳動(3)匯流傳動所謂匯流傳動就是動力源經(jīng)幾條線路匯交于執(zhí)行機構(gòu)。這種能量流動路線的特點是將低速、重載、大功率機器的動力源配備為多臺中小型動力機，以減小傳動機構(gòu)，提高傳動效率。

所謂混流傳動，就是傳動系統(tǒng)中既有分流傳動又有匯流傳動，是前述三種傳動形式組合的傳動系統(tǒng)。(4)混流傳動2．機械傳動鏈的類型設(shè)計機械傳動系統(tǒng)時，首先要考慮采用什么樣的傳動路線(即傳動鏈)。聯(lián)系動力源和執(zhí)行件的傳動鏈，是運動與外部動力源的聯(lián)系，稱為外聯(lián)傳動鏈。而復(fù)合運動的內(nèi)部聯(lián)系，如分配軸至各執(zhí)行件，稱為內(nèi)聯(lián)傳動鏈。只有復(fù)合運動才有內(nèi)聯(lián)傳動鏈，無論是簡單運動還是復(fù)合運動，都必須有一條外聯(lián)傳動鏈。

內(nèi)聯(lián)傳動鏈必須用傳動比準確的傳動副，而不能用摩擦傳動副(如帶、摩擦無級變速器)、液壓傳動等。外聯(lián)傳動鏈則沒有這種要求，傳動比的誤差對加工或處理產(chǎn)品的質(zhì)量不會有什么影響。因此，可以用傳動比不太準確的傳動副。

二、機械驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計步驟機器的驅(qū)動系統(tǒng)又稱傳動系統(tǒng)，它是指原動機、傳動機構(gòu)、工作機構(gòu)和工作構(gòu)件的整個機械系統(tǒng)，

第八節(jié)機械的總體設(shè)計實例一、原始資料

1.產(chǎn)品本機的加工對象是圓臺形柱狀巧克力糖