机械设计学知识小结汇编.docx

1、机械设计学知识小结汇编考察形式：面试，抽取2个问答题复习建议： 不需要机械原理机械设计那样精细地复习，只需要概括性的浏览两遍，抓住某些重要的概念即可。遇到比较深入的内容，建议跳过，因为学校在这门课程的要求很低。第一章绪论第一节设计与文明劳动劳动能力、思维能力创造性设计的能力设计：通过制作使产品得以实现思维能力具有创造性制作技能（建筑物的基础工程，桥梁、建筑等大型基础工程，挖掘机与汽车的行走系统）第二节设计与国家竞争力英、德、美、苏、日第三节改善设计工作对我国的重要性制造大国与制造强国第四节设计与科学研究科学研究：求知欲与好奇心发现自然规律设计：需求发明新产品第五节近代设计科学的重大发展一、“设

2、计学”从古代到现代的三个发展阶段 阶段1：为“功能”目标而发明某种器械阶段2：以经典力学为基础发展的机械设计体系，包括机械原理和机械零件。运动学动力学。阶段3：回归“功能”二、近代“设计学”的重大发展 1、“功能”(Function)思想的提出和发展 2、“人机学”(Ergonomics，Human Factor)思想的形成和发展3、“工业设计”(Industrial Design)学科体系的发展相成熟以上三项是近代设计学发展的核心内容。同时：CAD/CAM技术、可靠性技术、有限元、优化、并行工程等。三、“机械设计学”的学科组成 机械设计学学科体系包括以下三方面：(1)功能原理设计(2)实用化

3、设计(3)商品化设计船用抽水机功能原理构思（图略）第六节机械设计概述1、机械是机器和机构的统称。2、“设计”是把各种先进技术成果转化为生产力的一种手段和方法。它是从合理的目标参数出发，通过各种方法和手段创造出一个所需的优化系统或结构的过程。3、由想法到产品的过程机械产品设计的一般过程：认识需求目标界定问题求解分析选优评价决策表达实现机械设计特点：(1)多解性；(2)系统性；(3)创新性。第七节机械设计的类型适应性设计、变型性设计、创新性设计第八节概念设计第九节“设计过程”研究及其新发展设计过程、并行工程、协同设计、集成设计第十节 质量功能配置(QFD)和质量屋(House of Quality

4、)质量屋”是质量功能配置（QFD）的核心QFD是一个非常结构化的、矩阵驱动的过程，其运行包括4个阶段：（1）将顾客需求转化产品特性 （2）将产品特性转化成零件特性（3）将零件特性转化成关键工艺操作（4）将关键工艺操作转化成生产要求第二章机器的组成及典型机器的功能分析1.机器的定义有两个或两个以上相互联系配合的构件所组成的联合体，通过其中某些构件的限定的相对运动，能将某种原动力和运动转变，以执行人们预期的工作，在人或其他智能体的操作或控制下，实现位置设计的某种或几种功能。2.机器的组成2.1原有观点2.2从不同的角度看从机构学的角度看：各种基本机构，自由度=原动机数从结构学的角度看：各种基本零件

5、从专业的角度看：各种主要部件2.3从功能的观点看3.机器的分类按行业按轻重按功能4.典型机器的功能分析之一家用缝纫机（略）5.典型机器的功能分析之二点钞机（略）第三章机械产品的功能原理设计功能原理设计：针对主要功能的原理性设计。功能原理设计重点：尽量使思维尽量“发散”，力求多解，便于选优。为什么要突出功能原理设计：功能原理设计对产品的成败起决定性作用。任何一种机器的更新换代都存在三个途径：一是改革工作原理；二是通过改进工艺、结构和材料提高技术性能；三是加强辅助功能使其更适应使用者的心理。第一节功能原理设计的工作特点和工作内容用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生根本的变化的

6、设计。手动变速箱（图略）液力变矩器原理（图略）转矩传递过程：（1）泵轮转动，涡轮不动。（2）泵轮与涡轮转速差较大时，形成涡流。（3）泵轮与涡轮转速接近时，形成环流。磁带机（图略）无人驾驶小车（图略）构思新原理的步骤：1、明确功能目标：装设导向系统的费用要小；允许扩充和调整设备，变动运输路线；在拥挤的工作环境中小车能灵活运行。2、提出的原理性设想：应用惯性导航技术，利用所设参考点用于制程序给出理论轨迹并作轨迹误差的修正；应用传感器引导绕过障碍物；在共建转接战上用超声波定向，使小车实现准确定位。第二节功能、功能单元和功能结构什么是功能：某一机器(或装置)所具有的转化能量、运动或其它物理量的特性。系

7、统工程学的观点：一个技术系统在以实现某种任务为目标时，其输入量和输出量之间的相互转换的关系。系统工程学：用“黑箱”描述技术系统的功能设计者的任务：使“黑箱”变成“白箱”：获得一个完美的机械产品，实现预定的功能。任何技术系统都可以视为三种流的处理系统：能量流、物料流、信息流。硬币计数包卷机外形图（图略）功能单元：将总功能分解成较为简单的、具有一定的独立性、可以直接求解“功能单元”，也称“功能元”。直接实现总功能的各分功能称为一阶分功能；实现一阶分功能的分功能称为二阶分功能，并以此类推。分解到末端的为功能元。硬币计数包卷机功能分解图（图略）功能结构功能结构图：用来表示各分功能之间关系的框图。功能分

8、析：由总功能分解为分功能，最后作出功能结构图。也可称为“系统分析”。用功能树法进行露天矿开采挖掘机的方案设计（略）功能元组合：相容矩阵法露天矿开采挖掘机黑箱示意图（图略）第三节功能原理的发展历史及基本类型功能原理设计的两个工作特点：1、功能原理设计是一种综合，无定法可循。2、功能原理设计所要求解的问题是有多解的问题，即既不是只有唯一解，也不是绝对无解，而且也很难得到绝对理想的解。功能原理分类：动作功能、工艺功能根据功能的技术特点分类：综合技术功能：综合运用机、光、电、磁、热、化各种“广义物理效应”（非纯机械）去实现各种动作功能和工艺功能。“关键技术”（“Know How”）：某个企业或部门独有

9、的技术，暂时还没有被别人掌握。磁记录的记录方式示意图（图略）功能类型总结：第四节两种动作功能及其对应的求解思路类型：简单动作：一次性动作复杂动作第五节工艺功能及其对应的求解思路工艺功能：工件头和工作对象相互配合，实现一种功能。两个重要因素：（1）采用哪种工艺方法（2）工作头采用什么形状和动作工艺功能的特点：工作头的形状、运动方式和作用场是完成工艺功能的三个主要因素。犁的工作曲面，绞肉机，水刀切割工艺，家用切碎机，电火花加工原理图，电火花线切割原理图（图略）物一场分析法：S：对象或物体(Substance)。主体(S1)，客体(S2)F：场，这不单指某种物理场，而是广义地指S1向S2作用时发出的

10、力、运动、电磁、热、光一切作用场。“最小技术系统”：在任何一个最小技术系统中，至少有一个主体(S1)，一个客体(S2)和一个场(F)。缺一即不可能发生技术作用。用SField模式探求工艺功能原理的解法：寻求合理的F和S例：为了完成修剪草地的任务，如何构思剪草机的工作原理?在这个问题里，S2是草地上的草。剩下的问题是寻找合适的F和S1了。首先要寻找各种可能被利用的F并加以分析和比较：拉力可以拉断草，但无法控制被拉断的草的高度，无法使草地整齐。割断力像农夫割麦一样，需要握住草的上部才能割断。剪断力利用剪刀刃合拢，可以剪断。显然，人们常常选择剪断力作为理想的F，当然S1就只能是剪刀可以通过“完善”、

11、“增加和“变换”的方法来寻求新的解法。1完善：原设计中有时出现缺少F或S1的情况并因此而造成功能不良的后果。应该通过补全F或S1的措施来使SField模式完善化。2增加：一个最小技术系统至少应具有S1、S2和F，但有时还应辅以S1和F，才能更好地完成希望实现的功能。3变换：对已有工艺功能解法中的S1和F进行分析后，常常可以发现它们并非是不可替换的。有时通过变换可能会产生意想不到的好效果。焊接：气焊、电焊、摩擦搅拌焊、超声波焊（图略）第六节关键技术功能、综合技术功能及其求解思路一、关键技术功能（1）材料：例如高强度、高耐磨性、特殊的润滑油、特殊轻质材料(例如复合材料)、特殊物理性能要求等。（2）

12、制造工艺：高精度、小的表面粗糙度、高的热处理要求。（3）设计：通过设计实现特殊的功能原理，尤其是实现以前从未有人实现过的功能或是比别人已经实现的功能更好的功能水平。存储技术：穿孔纸带、磁盘、磁带机、闪存、硬盘、微硬盘、光盘（图略）关键技术的求解思路：“技术矛盾分析法”机电控制人工假手（图略）解决思路：在传动路线上再串接一套减速比i210的减速装置，然后通过两个联动的切换开关来操作。从不同的角度分析技术矛盾，则可以得到不同的分析结果，并可导出另一些解法。解决关键技术功能的特点：用常规技术或已有技术难以达到的技术难点，或是别人目前尚难以实现的技术高度、总的来说它的技术要求高，而解决的方法也往往是出

13、奇制胜。二、综合技术功能1、动作功能高速平面电机式自动绘图机（略）2、工艺功能：非机械的工作头连杆头的爆炸切断工艺（图略）综合技术功能的特点：在某些特定的条件下、采用广义物理效应。综合技术功能的求解思路：物理效应引入法。在人工脏器的设计中，需要一种微型液体泵来帮助体液循环。以前这种泵都是用微型电动机带动微型机械泵来工作的。由于存在磨损等机械问题，效果不理想。有一位生物医学专家想出了用金属的热膨胀效应来做体液泵，效果很理想。用石英晶体振荡器控制的电磁摆来代替机械游丝摆制成的石英电子钟表，也是运用物理效应引入法的很典型的例子。在润滑油中添加某些成分，就有可能使这种油在高压或电场中产生特殊的性能(如

14、粘性变大等)。在机械传动中已经在利用这些新效应。近年出现的“机电一体化”或“机械电子学”，就是引入微电子技术和计算机技术的产物，它是物理效应引入法中一个较突出的成功的例子。第七节功能原理设计的工作要点1明确所要设计的任务的功能目标，提出具体问题肌电假手：手指应能实现0.5rads的抓握运动速度，以模仿人手的真实运动。手指触物后，应能产生50N左右的捏紧力，以满足实际工作的需要。所用微型电动机需在假手掌心中放置，故其外径应不大于20mm。传动机械的效率应足够高，以保证充电电池至少能工作1天。2调查、分析已有的解法原理，供设计时参考手的结构，牵引式假手，大脑控制假手，德国OTTO BOCK公司产品

15、3进行创新构思、寻求更合理的解法原理设计者应该有一个信念：现有的产品决不是顶峰，肯定还会有更好的设计出现。要争取由自己推出新一代的创新产品。设计者应重视基本科学知识的积累，避免陷入一些违反基本科学原理的“错觉”。例如，有人设计了一种机械式的“功率增大器”，认为能把小功率输入变为大功率输出，他采用了一种特殊的行星齿轮传动方式来实现他的理想。当然，他所作的原理设计中存在着基本力学知识上的错误。4初步预想实用化的可能性大量例子说明一个好的原理构思最后不能成为产品。在专利文献中有大量的专利都没有能够成为有用的技术。其中部分的原因就是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理的解决。这充分说明创新构思时要粗略

16、考虑一些主要的结构工艺问题。5认真进行原理性试验这是功能原理设计阶段的最后一步，也是最重要的一步。在进行创新构思时，尽管反复检验过他的发明原理。但是实际做一下试验，往往会出现意想不到的问题。例如在假手的原理试验时，发生手指捏紧后的反弹松脱现象，令人百思不得其解，不知是何原因。后来才弄清楚，这是在切换时有一瞬间出现了两个离合器同时处于脱开的状态。使得手指失控，造成反弹松脱。找到了原因，才采取了相应的措施，解决了上述反弹问题。6评价、对比、决策必须要根据实验的结果进行评价和对比，从技术和经济两方面的对比结果来做出决策。设计工作过程中，有两项重大决策问题：一是在创意阶段，这是决定产品方向的决策。要能

17、判断5年或10年以后市场所需要的产品二是在构思阶段，这是决定产品的技术方向的决策。个产品可能有两个以上的技术方向，在未来的发展中有可能出现完全不同的命运。例如，不久以前，人们提出了一种创意，就是壁挂式电视，没有人怀疑这种创意的合理性，于是各大公司都花大量的人力、物力投入研究、试制。但是随后出现的功能原理设计中，就出现了技术方向的问题，是用液晶技术，还是用固体发光技术。又例如，目前市场上的喷墨打印技术，也存在两个技术方向的选择，现在两个方向(汽化喷墨和压电喷墨)正在激烈竞争，最后的胜利将由市场作出判决，只有市场才是决定胜负的唯一标准。因此，在选择技术方向的决策中，实际上不存在方法，只有像象棋大师

18、那样，用深刻的洞察力、精密地分析比较、超人的预测能力，最后通过直觉判断，作出天才的决策。不过任何天才的决策成功率也不可能是100。总之，决定产品方向和技术方向的决策是一个非常重要。又是非常困难的问题，千万不要轻信那些草率的决策，它将带来灾难性的后果。山核桃采摘的自动化解决方案（略）第四章机械功能原理的实现机械运动系统的方案设计第一节机构能实现的动作功能机构能实现哪些动作功能：1运动形式或运动规律变换1)匀速运动(平动、转动)与非匀速运动(平动转动或摆动)的变换2)连续转动与间歇式的转动或摆动的变换。3）实现预期的运动轨迹。2实现开关、联锁和检测等1）用来实现运动离合或开停。2）用来换向、超越和

19、反向止动。3）用来实现联锁、过载保护、安全制动。4)实现锁止、定位、夹压等。5)实现测量、放大、比较、显示、记录、运算等。3.实现程序控制或手动控制1)利用时间的序列进行控制发动机（图略）2)利用动作的序列进行控制电磁阀控制液压缸的顺序操作过程（图略）3)利用运动的变化等进行控制汽车发动机的离心调速器（图略）选择机构实现功能原理的原则和范围：1实现功率性的机械运动形式或规律的变换功能各式各样的交直流变速电动机和直线电机vs.鼠笼型异步电动机+变速机构 or 曲柄滑块机构、正弦机构2实现固定轨迹或简单可调的轨迹功能例如各种自动机上的上、下料，加工、检测等工序需要的运动轨迹，均可全部用机构来完成。

20、对于复杂轨迹，采用电子或电气来控制，但其轨迹功作部分还必须使用机构，如机器人的手臂、手腕、手爪、计算机绘图仪的绘图笔的动作等。3在特定条件下能优质地实现开关、联锁和检测等功能如电灯开关，一般是用机械式的，但也有触模式、光电式的开关，都能安全可靠地完成开关任务，至于操作方便和经济性只能在特定条件下作具体的分析。4实现简单的固定程序或可变程序的控制由于超导的发现，磁悬浮技术的成熟，直线电动机将使用在磁悬浮的高速列车上。电视机最初出现时，采用机械式频道变换开关，已被遥控开关所取代。电子技术的发展虽然能控制许多复杂的自动化机器和设备，但其本身的结构也日趋复杂，因而引起可靠性、安全性的下降。例如飞机上的

21、自动导航仪，可以自动按给走路线飞行，而不需驾驶员动手，但是为了保证绝对安全可靠，这种飞机上还是安装了结构简单、工作安全可靠的手动控制装置。第二节传动机构和执行机构汽车传动系统（图略）一、传动机构将原动机的运动和动力传给执行机构，已完成预期的功能。齿轮机构 连杆机构 凸轮机构 螺旋机构 楔块机构 棘轮机构 槽轮机构 摩擦轮机构 挠性件机构 弹性件机构 液气动机构 电器机构 及各种基本构件的组合机构。运动速度或力的大小变换：啮合方式、摩擦方式、楔块原理、流体作用原理。运动形式或传力方式的变换：转动、平动、摆动。二、执行机构执行机构最常见的运动变换是旋转与直线运动的变换。如蒸汽机将活塞的直线运动变换

22、成旋转运动，而空气压缩机中曲轴、连杆和滑块执行机构则是将旋转运动变换成活塞的往复直线运动。（1）满足特定运动规律等速输出，瞬时或长时间停歇，有急回特性、周期性转位和步进分度动作等。（2）满足特定的运动轨迹抓片机构（图略）：采用联动凸轮机构，通过两凸轮的联动作用，使抓片爪按矩形轨迹运动，从而达到间歇抓片的目的。圆珠笔装配线（图略）：采用联动凸轮机构，使笔芯托架沿着矩形轨迹运动，从而达到使圆珠笔芯步进式地向前送进的目的。（3）满足某种特殊的信息传递利用机构不仅能完成机械运动和动力的传递，还能完成诸如检测、计数、定时、显示或控制等功能。这一类应用很多，例如杠杆千分尺、家用水表、电表等使用的机械式计数

23、器，家用洗衣机、电风扇等使用机械式定时器。还可以用机构来实现速度、加速度等的测量和数据记忆等功能。三、工作头1什么是工作头各种工艺类机械都有一定的工艺功能，其功能是通过与工作对象相关的工作头来表现出来的。例如挖掘机的铲斗，推土机的刀架，起重机的吊钩，铣床的铣刀，轧钢机的轧辊，缝纫机的机针，工业机器人的手爪等等。工作头是直接接触并携带工作对象完成一定的工作(例如：夹持、搬运、转位等)，或是在其上完成一定的工艺动作(例如喷涂、洗涤、锻压等)。2、工作头的作用(1)夹持：工作头要对工件进行操作，要对工件施加作用力，需要首先将工件夹持住。例如。机床要加工工件；挖掘机要实现铲土的功能，必须先将铲斗深入土

24、中。(2)搬运、输送及转换工位(3)施力：工作头有时要对工作对象施加力或力矩以达到完成任务的目的。例如，材料的压力加工与实验，重物起吊与搬运等。各种铲斗、各种抓斗（图略）四、选择机构类型和拟定机构简图中的几个问题选型时除应满足工艺功能的动作和运动的基本要求外，还应注意以下几个问题：1、在满足工艺功能动作和运动要求的情况下应使机构最简单，传动链最短。2使机构有有利的传力条件对行程不大但克服工艺阻力很大的连杆机构(如冲压机构)，应采用增力机构，使其在近于死点位置工作。这种增力机构常用于剪切机、冲压机、破碎机等机械中，在主动件上施加较小的驱动力，可以克服从动构件上很大阻力。3使机构有尽可能好的动力性

25、能在高速机构中，为了使动载荷最小，在机构选用时要尽量考虑其对称性。对机构或回转构件进行平衡使其质量分布合理，对于传动力的机构则要尽量增大机构的传动角，以防止机构的自锁，增大机器的传动效益，减少原动机的功率及其损耗。4使机器操纵方便，调整容易，安全耐用在拟定机器运动方案时适当地加入一些开、停、离合、正反转、刹车、手动装置，可使操纵方便，调整容易；机器中加入过载保护装置，可预防机器的损坏等。第三节机械运动系统的方案设计一、功能结构图，机械功能or非机械功能，传动类型or执行类型挖掘机的结构，底盘，工作装置组成（图略）1、将一个基本机构装在另一个基本机构的输出构件上。1）每一个基本机构都有一个动力源

26、。2）后一个基本机构的相对机架是前一个机构的输出构件。卧式多工位冷墩机，C1325自动车床刀架系统（图略）2、各子机构间无严格的运动协调配合关系某航空发动机附件传动系统（图略）3、各子机构在动作的先后次序上有严格的要求（1）选用现成的机构；（2）机构组合与创新；（3）机械运动系统的协调设计。二、功能原理的分解和机构的选择功能原理的分解和机构的选择：分解的原则是所分解出的分功能能够用一个简单机构去完成，故经常将这复杂的动作功能分解成一组由直线和圆弧组成的运动。如直线运动就有曲柄滑块机构、凸轮机构、齿轮齿条机构等。机构间的相容问题：如在要求精密运动的系统中，不能插入摩擦传动；在高速旋转传动中不能插

27、入双曲柄机构等等。1合理安排传动机构的顺序主运动链：电动机皮带传动齿轮传动钻头转动；进给运动链：电动机皮带传动蜗扦传动凸轮机构工作台升降进给在机构的排列顺序上一般遵循的规律是：转变运动方式的机构(如凸轮机构)通常总是安置在运动链的末端，与执行机构最近，这样使传动环节简单。皮带传动及其他摩擦传动在传递同样转矩的条件下，与其他传动相比，其外廓尺寸要大很多。皮带传动既可过载保护，又不影响主轴与各执行构件之间的运动协调关系，且传动中心距大。为减小尺寸和重量，这些传动机构一般安装在靠近原动机的地方。2合理分配传动比大传动比可分多级传动，在同类的几级传动装置中，通常把传动比最大的一级装在转速最低的位置，因

28、而可使其他各级在较高的转速下工作，使各级中间轴上的转矩较小，这样可使轴和轴上零件尺寸较小，从而获得较为紧凑的机构。3、机构组合举例：工厂备料车间用的锯床将整根元钢锯成小段送到各制造车间加工。这种锯床的锯弓所要求的锯断分功能至少应包含以下三个运动特性要求：A)旋转运动变换成直线往复运动；B)工作行程的时间大于回程时间的急回特性；C)防止锯齿在工作时受到冲击载荷，要求在工作行程的中间段具有近似的等速运动。1)转动(或摆动)变成移动的机构有：曲柄(或摆杆)滑块机构、正弦机构、凸轮机构、齿轮齿条机构等。2)具有急回特性的机构有：偏置曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构、凸轮机构、曲柄导杆机构等。3）工作行程具有

29、近似等速段的机构：这个功能特性要求除凸轮机构能单独完成外，其余机构均需要相互配合才能完成。那些机构可以实现：凸轮机构、组合机构。除凸轮机构外，其它方案均由两个以上机构组合而成，如：双曲柄机构偏置曲柄滑块机构、双曲柄机构正弦机构、椭圆齿轮正弦机构、椭圆齿轮偏置曲柄滑块机构、曲柄导杆机构摇杆滑块机构等近十种方案。方案优选“双曲柄机构偏心曲柄滑块机构”在工作行程的70%范围内有良好的等速运动性能。且有较好的急回特性，结构尺寸也合理。其次是曲柄导杆机构摆动滑块机构。其运动性能与上述机构不相上下，但结构尺寸比较大，制造比较复杂，用在锯床中有点大材小用。但却广泛用于各种类型的牛头刨床中。第四节发挥机构固有

30、潜力的方法机构的创新设计从机械运动系统方案设计中可知，功能原理的分解和按分解后的分功能选择设计机构是一个很重要的工作，分解得不合理，选择机构不当，都会影响分功能的完成。按功能原理来选择或设计机构是一个创造性的工作，能否设计出个优秀的新机构是方案设计中的一项重要工作。一、简单机构运动特点的利用1平行四边形移动式抓取机构如图46所示的平行四边形移动式抓取机构，当活塞1上的推杆2上移时，通过扇形齿轮3带动平行四边形机构OABO1，使手爪5、6作平行移动，而夹紧工件。图(b)为通过蜗杆、蜗轮带动平行四边形机构的移动式抓取机构。二、链传动的变异与创新将导轨链传动设计成各种输出机，导轨链传动中没有从动轮。三、无死点机构在曲柄滑块机构中，当滑块为主动件时，机构有死点出现。如何构思一个无死点机构?1、若采用图428(a)所示结构形式，则无死点出现。再如蒸汽机动力设备是90开式双气缸结构，这样的结构也可避开死点(图428(b)。2、图429所示为一种巧妙的无死点机构，其巧妙之处是：滑板与活塞杆相连接，利用滑板上的曲线形长孔及与之配合的曲柄销驱动曲柄轮转动，在曲柄销的左右死点位置上，由于滑板的曲线形长孔的斜面与曲柄销接触，所以就能消除一般曲柄机构的死点问题。曲线形长孔的倾斜方向确定了曲柄轴的旋转方向，并使其保持固定的旋转方向。四、连杆机构1