第五章機械產品的實用化設計

第五章機械產品的實用化設計目錄第一節產品設計核心和外圍問題第二節實用化設計的任務和主要內容第三節總體設計的基本任務和內容第四節確定工藝方案第五節整機總體參數確定第六節機械總體布置設計第七節機械驅動系統設計第八節機械的總體設計實例第一節產品設計核心和外圍問題一、產品設計的核心產品設計就是根據市場需求，把提供的資源(能量、物料、信息)轉化為滿足人類和社會需求的技術裝置的規劃工作。

設計活動主要經過以下幾個階段：了解市場需求、擬定設計任務和技術要求、功能原理設計、實用化設計、商品化設計、制造和銷售。

我們把設計理解為一個“空間”，整個設計“空間”分為兩部分

在機器設計中，需要區別核心技術與關鍵技術兩個不同概念。機器設計中的核心技術：指實現總功能和主要要求的技術，對不同的機械其核心技術是不相同的。關鍵技術是實現某種功能過程中需要解決的技術難題。它與核心技術是兩個不同的概念，在核心技術中也有關鍵技術問題。

二、設計的外圍問題產品設計過程中的各種設計要求，是設計的依據和前提，它們就是設計的外圍問題設計要求可分為主要要求和其他要求，主要要求是指直接關系到產品功能、性能、技術經濟指標所提出的要求，其它設計要求是指間接關系到產品質量所提出的要求。1.主要設計要求

(1)功能要求

同一產品功能越多，價值越高。

(2)適應性要求

是指工況發生變化時，產品適應程度。應明確指出產品的適應范圍。(3)性能要求

性能是指產品的技術特征，包括動力、載荷、運動參數、可靠度、壽命等。

(4)生產能力要求

生產能力是表示單位時間內創造財富的多少。它是產品的重要技術指標。(5)可靠性要求

產品的可靠性關系到設備系統或產品能否持續正常工作，故障率的多少，甚至關系到設備和人身安全問題。(6)使用壽命要求

產品的使用壽命是指產品的耐用性，產品不同，對其使用壽命的要求亦不相同。

(7)效率要求

這是指一個系統輸入量轉換為輸出量的有效利用程度。(8)成本要求

產品質量提高，成本下降才有競爭能力。(9)人機工程要求

要根據人——機器——環境系統要求進行產品設計。

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

2.其它設計要求(1)強度剛度要求

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

產品結構要符合工藝原則，有好的工藝性。

(3)零件加工技術要求

這是為保證系統良好的技術性能和技術經濟指標而對零件加工提出的技術要求。(4)工作循環圖要求

這是自動線、自動機設計中所特有的要求。

第二節實用化設計的任務和主要內容

實用化設計是在功能原理設計成熟的基礎上，把原理方案結構化、實體化，使原理構思轉化為具有實用水平的實體機械，達到實用的要求。

如果說功能原理設計是產品創新和保證質量的關鍵，則實用化設計就是得到高質量產品的保證。在實用化設計階段，工作既要具體化又要精細化，要處理大量的結構設計等方面的問題。

實用化設計是重要而工作量最大的階段，要求設計人員具有豐富的工程經驗和能力，也是應掌握的重要的基本功。對設計者而言，對于細節往往有很巧妙的構想和理想的結構，這也要求不斷革新創造。

實用化設計步驟一般為：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。最后編制技術文件如設計說明書、使用說明書、標準件、外購件明細表等等。

第三節總體設計的基本任務和內容一、總體設計的基本任務

設計任務大致可概括為以下幾種類型：

1)開發新產品以滿足一種明確或已形成的需要。

2)改善產品質量和可靠性以擴大銷售市場。

3)開發較廉價產品以增加競爭能力。總體設計任務就是要滿足機械系統的目的功能要求，同時擴大設計系統的范圍，考慮到機械系統的附加要求，使機械系統同其它相鄰系統相適應。

總體設計的任務是：1)完善和擴大方案設計和結構設計內容。2)使各部件、零件得到合理的組合。3)綜合人——機器——環境三者關系，使之協調和適應，以保證全面滿足機械產品的技術性能、經濟性能和美學性能的要求。

總體設計包括功能設計和結構設計兩大部分。此外還需考慮機械系統和其它系統的關系。

二、總體設計的內容1)工藝方案的確定。2)確定機器的總體參數。3)機械運動系統方案設計和確定機械運動簡圖。。4)機械總體布置。5)機械驅動系統(DriveSystem)設計。

6)計算整機的平衡和穩定。

7)動力源特性分析。

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

第四節確定工藝方案機械是根據工藝過程提出的動作要求來進行設計的，所以總體設計的開始階段就要選擇工藝方法和動作，制定工藝過程。工藝過程對設備生產率、結構、運動和使用性能等產生很大的影響。

為了實現同一工藝目的，可以采用不同的工藝方案，各方案決定了設備不同的結構、性能、產品質量、生產率和成本。

選擇工藝方案時應綜合考慮下列問題：1)工藝方案的先進性

采用新工藝新技術，是提高產品質量和產量的根本途徑。2)合理的運動規律

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律的特點。

3)工藝方案實現的可能性和穩定性

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

4)與生產率要求相適應，經濟上合理。第五節整機總體參數確定

總體參數的初步確定，可采用理論計算法、經驗公式法、相似類比法和優化設計法。一、理論計算法1.機械設備的理論生產率Q

機械設備的理論生產率是指設計生產能力。在單位時間內完成的產品數量，就是機械設備的生產率。設加工一個工件或裝配一個組件所需的循環時間T為式中T——為在設備上加工一個工件的循環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，即在一個循環內除去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。設備的生產率Q為

設備的生產率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(包括運動參數、力能參數)

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

例：帶式連續輸送機，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，當水平時c為1，傾角為20℃時為0.82。(2)力能參數力能參數包括承裁力(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——彎曲件的內圓角半徑(mm)，σb——材料的抗拉強度(MPa);

k——安全系數，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

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

4．總體結構參數總體結構參數包括主要結構尺寸和作業位置尺寸。主要結構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。作業位置尺寸是機器在作業過程中為了適應工作條件要求所需的尺寸。

二、經驗公式法對同類產品參數按概率統計，歸納得出經驗公式和圖表，然后求解總體參數。在新產品設計中，利用經驗系數來確定總體參數，有如下的優點：便于比較現有產品的各種參數，從而提出最優數據；有利于老產品更新換代和發展新系列；為計算機輔助設計(參數化設計)創造條件。

三、相似類比法

采用相似類比法確定總體參數時，是以相似理論為基礎，選用國內外先進名牌產品為典型樣機，或根據國內外有關該產品的設計標準，求出相似系數(級差系數)，然后再確定其它主要參數。但應注意，相似類比按只適用于同類型產品，即結構型式、工作對象、環境條件基本相同者。

相似類比法有如下優點：如果樣機的性能參數和結構參數是優選的，則可得到一個優化的系列產品，它簡化了設計計算，加快了設計速度，可以迅速研制出新產品。這是仿制性能仍良產品的一種有效方法。第六節機械總體布置設計一、機械化生產線的布置

機械化生產線是按產品工藝過程，把主要機械設備和輔助設備用運輸和中間存貯設備等連接起來，組成獨立控制和連續生產的系統。機械設備歸納起來可分為下列幾種類型：1)主要工藝設備各種軋機，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）控制裝置環境監視檢測裝置，各種傳感器，信號處理裝置等。移動作業(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。根據移動方式有直進式(line)和旋轉式(rotary)兩種。

二、生產作業機械的總體布置

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

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，其位置調整、拆裝和維修等，力求簡單、方便，保護要安全可靠。

生產作業機械的總體布置類型：1)按主要工作機構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)按工件或機械內部工作機構的運動方式可分為回轉式、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)第七節機械驅動系統設計一、選擇機構的類型和擬定機構簡圖

機構按完成的功能，可分為執行機構和傳動機構兩大類。

執行機構是根據工作頭的功能去實現軌跡、運動和力的變換和傳遞。傳動機構是將原動機的動力傳遞到執行機構的機構1．機械傳動系統它包括定傳動比機構、變速機構、運動轉換機構和操縱控制機構等幾部分組成。按其傳遞能量流動路線的不同，傳動系統可分為⑴單流傳動單流傳動是指動力輸出能量依次經過每一個傳動件的傳動形式。這樣傳動級數越多，傳動效率就越低。”因此多用于小功率、傳動鏈短的機器。

分流傳動是指動力輸出的能量分成多個分支傳到各執行機構的傳動形式，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、縮小傳動件的結構尺寸，一般適合于執行件較多的機器。(2)分流傳動(3)匯流傳動所謂匯流傳動就是動力源經幾條線路匯交于執行機構。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，提高傳動效率。

所謂混流傳動，就是傳動系統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。(4)混流傳動2．機械傳動鏈的類型設計機械傳動系統時，首先要考慮采用什么樣的傳動路線(即傳動鏈)。聯系動力源和執行件的傳動鏈，是運動與外部動力源的聯系，稱為外聯傳動鏈。而復合運動的內部聯系，如分配軸至各執行件，稱為內聯傳動鏈。只有復合運動才有內聯傳動鏈，無論是簡單運動還是復合運動，都必須有一條外聯傳動鏈。

內聯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。外聯傳動鏈則沒有這種要求，傳動比的誤差對加工或處理產品的質量不會有什么影響。因此，可以用傳動比不太準確的傳動副。

二、機械驅動系統的設計步驟機器的驅動系統又稱傳動系統，它是指原動機、傳動機構、工作機構和工作構件的整個機械系統，

第八節機械的總體設計實例一、原始資料

1.產品本機的加工對象是圓臺形柱狀巧克力糖