现代机械设计方法

现代机械设计方法

第 11 章现代机械设计方法

机械设计是生产机械产品的第一道工序，设计质量的高低，直接影响机械 产品的技术水平和经济效果，因此，设计的过程是设计－评价－再设计的 反复过程。传统的机械设计方法，是以实践经验为基础，依据力学和数学

建立的理式和经验公式，运用数表、图形和手册等技术资料，进行方 案拟定、设计计算、绘图和编写设计说明书。

而现代设计是以产品为总目标的一系列种类繁多的现代设计法和技术的综 合运用。生产技术的需要和先进设计手段的出现，必须促进设计领域的改 革和发展，对于机械设计来说几乎是更新换代，传统的常规设计方法受到 很大冲击，用科学的设计方法代替经验的、类比的设计方法已势在必行。

缩短设计周期、提高设计质量、发展设计理论、改进设计技术及方法已成 为当前机械设计的必然趋势。

11.1 计算机辅助设计

由于计算机具有运算速度快、数据处理准确、存储量大和具有逻辑判断功 能等特点，因此，它已经成为现代工程设计中分析、计算、综合、决策、 数据处理、图形处理和与各种现代设计法结构的不可替代的重要工具。这 种 人 机 交 互 式 的 设 计 方 法 ， 就 是 计 算 机 辅 助 设 计 CAD ( ComputerAidedDesign )。

产品的生产分设计与制造两大部分，设计过程中除了需求分析及可行性研 究与分析这两个环节很难用计算机实现外，其余从概念设计到设计结果都 可用计算机实现，从而构成了 CAD 过程。制造过程是指从工艺过程设计开 始，经产品装配直到进入市场为止。在这个过程中，工艺设计以及采用数 控机床时的加工编程等，从工艺过程设计到装配的一系列环节同样也可

以

用计算机实现，由此构成了广义的 CAM过程。在CAM过程中主要包括两

个软件，一类叫计算机辅助工艺规程设计(CAPP :

ComputerAiderProessPlanning )，另一类叫数据编程(NCP :

NCProgrammi ng )。这两个过程的计算机化促进了设计与制造自动化的程

度。自动化程度的进一步提高是有赖于这两个过程的进一步集成，并由此 奠定了现代计算机集成制造系统 (CIMS :

Computeri ntegratedMa nu facturi ngSystem )的基础。

必须指出，CAD不是完全的设计自动化，实践证明完全的设计自动化是非 常困难的，为此曾经走过弯路。

CAD是将人的主导性和与创造性放在首要

地位，同时充分发挥计算机的长处，使二者有机地结合起来，因此人机信 息交流及交互工作方式是

CAD系统最显著的特点。

11.1.1计算机车辅助设计的软件系统

CAD的软件系统包括系统软件、支撑软件和应用软件三个层次。如图

11-1

所示。

面向用户的应用软

1、系统软件

系统软件与硬件和操作系统密切 入和输出设备的控制等。

2、支撑软件

11 - I CAD fWft杵展次

支撑软件是系统软件基础上开发的满足用户共同需要的通用软件或工 具软件，目前市场上所见到的各种商业化的

CAD软件大多属于支撑软件

支撑软件主要用来实现几何建模、绘图、工程设计计算和分析等功能。

1) 集成化CAD/CAM 软件

的管理，对输集成化 CAD/CAM 软件支持在二维和三维图形方式下进行产品及其零 件的定义。如

AutoCAD 等。但近年来随着实体造型技术的日趋完善，不少 CAD 系统转向采用实休造型

技术来定义产品的几何模型，进行分析、数控 加工、输出工程图等。目前较为成熟的

CAD/CAM 集成系统包括： UG ， Pro-Engineer,CATIA,DUCT,CADDS-5 等。

2）计算和分析软件 计算和分析软件主要用于解决工程设计中的各种数值和分析。包括：

①数学计算软件，如

MATLAB、MATHCAD 等。②有限元分析软件，如 I

－ Deas,SAP-5 ， ADINA ， ANSYS 等。目前有限元分析的理论和方法已日 趋成熟，这些软件还包含了较强的前、后处理功能。③优化设计软件，如

IBM 公司的 ODL、我国的 OPB — 2等。

3）数据库管理系统软件

目前流行的数据库管理软件很多，如 FoxPro 、 Oracle 、 Access 等， 它们都属于关系型数据库管理系统， 常用于商业和事物管理中。 适用于 CAD 工程数据库的管理系统必须是管理量大、类型及关系很复杂的数据，且信 息模式是动态的。目前流行的数据库管理系统很难满足上述要求。因此， 在设计时要根据需要选择和编制适用数据库和接口程序。

11.1.2 工程数据处理方法 在机械设计过程中，经常需要查阅一些手册和文献资料，以获得

有关的计 算公式和大量数据，例如零部件的标准和规范，材料的机械性能，许用应 力和各种计算系数等经验数据或实验曲线与图表。在传统的设计方法中， 主要靠设计人员手工查取，十分繁琐和费时。鉴于计算机具有大量存储与 迅速检索的功能，可以快速、精确无遗漏地处理各种大小数据文件，在现 代设计方法中，通常将设计所需要的计算公式、计算方法和过程以及大量

数据、表格或线图以程序、文件和数据库等方式预先存入计算机的外存和 内存中，以便设计时由计算机按照设计的需要自动检索，依靠计算机完成

大量繁琐的事务性工作，使设计师有更多的时间和精力从事创造性设计。

机械设计过程中一些常用数据表格和线图在计算机中的存取一般有三种处 理方式： （ 1 ）将数据表格和线图转化为程序存入内存。 （ 2 ）将数据表格和线图转化为文件存入内存。

（ 3 ）将数据表格和线图转化为数据结构（数据相互关联的形式）存入数据 库。相关处理方法和计算程序可参阅文献［

17 ］、［18 ］。

11.1.3 优化设计方法

常规的机械设计是基于安全概念的“合格设计”各种几何参数能够保证零 件安全就认为合格，但这不一定是最优的。近年来，由于优化理论的发展 和电子计算机广泛应用在机械设计中，采用优化设计方法，可以综合考虑

多方面的复杂因素，在各种约束条件的下，寻求满足预定目标的最优 化方案和最佳参数。这样，在缩短设计周期的同时，大大提高了设计质量， 有效地确保所要求的技术经济指标。 通用优化设计程序的建立以及一些专用零部件优化程序的研制成功，以直 接调用或以商品形式提供给设计部门应用。设计师进行优化设计的主要工 作是建立数学模型和分析优化结果，相关处理方法和计算程序可参阅文献

17 ］、［18 ］

11.2 平面连杆机构的运动分析和机构的运动模拟

11.2.1. 运动分析的目的

机构的运动分析，就是根据给定的原动件运动规律，求出机构中其他构件 的运动，即求出各构件的位置、速度、加速度，或角位置、角速度、角加 速等运动参数。其目的在于研究评价机构的运动及动力性能，或求出某些 构件上特定点的轨迹，以确定机构的行程或外形尺寸。

要在计算机上分析一个连杆机构的运动情况，必须首先建立类似于式（ 3 －

7）的数学模型，在相应的支撑软件系统中编制应用程序，通过计算机模拟 实际运动状况，

计算出机构运动过程中的各构件所占据的位置；获取相关 的运动参数和机构工作特性等。 相关理论和计算方法读者可参阅文献 ［ 16］、 ［ 17 ］、［ 18 ］。

11.2.2. 程序说明

本程序使用 AutoCAD 的内部编程语言 AutoLISP 编程。它的优点是：

（ 1）AutoCAD 具有宽松的运行环境和广泛的用户群体；有丰富的应用软 件供用户参考和使用； 应用软件可以直接在 AutoCAD 的图形编辑状态下运 行。产生符合机械制图规范的图形或图形文件。

（ 2 ）具有强大的图形调用和编辑功能，各种指令既可以直接键入，又可以 用菜单选择。 （ 3 ）输入数据方便。当需要输入一个点时，既可以直接键入点的坐标，也 可以用光标给出位置， 还可以利用 AutoCAD 对光标的约束功能， 捕捉已有 实体上的特殊点；当需要输入一个值时，既可直接键入一个值，也可通过 橡皮筋的长度给出

4 )随时可用 AutoCAD 的原有命令对已生成图形进行修改和完善。

( 5)由于 AutoLISP 具有文件操作功能，因此可以将图形的几何或非几何 信息写入文件，传递给后读的 CAPP/CAM ，也可以读取其他外部程序生成 的数据文件，作为结构设计的图形数据。 限于篇幅，本章只列举出程序的使用和分析结果，以满足教学使用要求。 源程序及安装说明可通过网址： /zhangdanwen/ 下载。

11.2.3. 模拟结果及分析

图 11 － 2 为曲柄摇杆机构的运动模拟结果。 图 11 － 2( a )为用户在 AutoCAD 环境下，通过人机交互输入方式输入铰链点

A ，B，C，D 位置坐标后，程

11 - 2 ( b )是

序自动生成的机构简图并按运动参数动态模拟机构运动。图

根据机构运动绘制的摇杆

3的摆角屮、角速度3 3、以及传动角丫随曲柄丫转

动一个周期(2 n)的变化规律。 从模拟结果可以得到以下结论：

(1 )W(①)曲线反映摇杆的摆动范围；书 max所对应的横坐标可以确定曲 柄的极位夹角B和机构的行程速度比系数

(2) 在丫(①)曲线中传动角的变化幅度为(

K科.3。

128 ° -58 ° )通过多方案优

化，可以改变摇杆工作行程的平均传动角水平，有利于机构的动力特性。 (3) 速度3

几何参数，可获得不同的运动特性。

图11 - 3为铰链一滑块机构及其模拟运动结果，导杆 行程速比系数 K科.8。

图11 — 4所示的是初步设计的惯性筛机构(详见图

机构的运动特性主要反映摇杆的角

3、角加速度& 3的变化，通过 调整

EF为运动输出构件，

3 - 3 ( b )),采用曲柄

摇杆机构作机构的主体，当主动曲柄AB等速回转时，从动摇杆CD作摆动, 从而使筛体E有较大变化的加速度，利用此加速度产生的惯力使被筛材料 达到理想的筛分效果

11 — 5 改

进的 性筛机

图 是 惯

构，利用 曲柄机 作机构 主体，通 运动模 拟，其

双 构 的 过

加 度曲线 变化明显，可产生更大的惯性力，达到理想筛分效果。同时还可以确定筛 体E左右移动的距离以便确定外形尺寸

图盯“4知甲的愎性谛机构汝计方远动特性

速

图11 — 6是对曲柄滑块机构连杆上

D点的运动轨迹模拟结果，通过不同的

机构组合，可以获得复杂运动轨迹，以满足不同要求。相关设计理论见文 献］18 ］、［ 20 ］。

3 '\"带传

11.3.1程序说明

本程序使用AutoCAD的内部编程语言 AutoLISP编程。当程序加载后运行 执行指令，通过菜单输入计算参数，显示可行的设计方案。通过对用户选 择的设计方案进行校核，根据用户要求自动绘制带轮的零件图。 【例11 — 1】设计带式运输机动装置中的

V带传动，电动机功率P= 5.5kw ,

转速N1 = 960r/min ， V带的传动比i=3.2，两班制工作，要求传动比误差 不超过土 5% o 解输入已知条件：点击“设计计算”按钮，得到下列设计结果（见表

11 —

1 ）：

表11-1B型带设计方案 小带轮直径/mm 125 计算项目 140 0 40 335 10. 大轮节圆直径 /mm 315 带速/ s-1 9.4 1800 带的计算长度/mm 547 实际中心距/mm 160 小带轮包角/ ° 4 胶带根数 3 3 15 4 3 15 4 2 14 8 2 155 .4 8 7 500 55 54 48 0 00 00 00 200 20 20 20 5 3 0 6 0 11. 0 40 0 12. 0 45 0 13. 15 16 18 11.2.2、结果分析 由上述结果可知，在合理的带速范围内，三角胶带的传递功率随带速增加 而提高。为了充分

发挥带的传动能力，在传动尺寸允许的条件下，可以选 用直径的带轮。同时，这样做还可以减少胶带根数，使传动的轴向尺寸减 少。在本例中，若 对传动尺 寸的大小 没有，则取小 带轮直径 Di为 160mm 较好。

11.4齿轮传动的优化设计

11.4.1、 设计变量

齿轮传动在工业上的应用极为广泛，因此，齿轮及其减速器的优化设计对 提高齿轮传动及其减速器的承载能力、延长寿命和减少其体积和重量等方 面具有重要的技术价值和经济意义。 对于给定齿数 u的一对直齿圆柱齿传动，当中心距不确定时，其的参

数有齿数Z1 (或Z2)、齿宽系数© d、模数m以及变位系数 X1、X2。当中 心距a给定时，其参数有

Z1、m以及变位系数 X1 (或X2) o

11.4.2、 目标函数

齿轮传动的目标函数可以选择体积最小或者传递功率最大。

(1) 齿轮传动的体积最小。圆柱齿轮的体积可以近似地取为分度圆面积和 齿宽的乘积，故齿轮传动装置的优化目标函数为大小齿轮体积之和。

(2) 齿轮传动传递的功率最大。若以弯曲疲劳强度为条件，齿轮传动 设计理论得到圆柱齿轮传动能传递的最大功率为

p

= _ 吧L哲如「爪 _____

ri

-丽丈I预RXTf齐忆工

若以接触疲劳强度为条件，圆柱齿轮传动能传递的最大功率为 由此，极小化目标函数为

1143、约束条件

齿轮传动的优化设计中，约束条件包括：

（1） 为防止齿面接触疲劳点蚀失效， 齿轮传动必须满足接触疲劳强度条件。 （2） 为防止齿根弯曲疲劳所折断，齿轮传动必须满足弯曲疲劳强度条件。 （3） 为防止根切，对最小齿数的。

（4） 其他一些：模数的要求，齿轮直径的，中心距的，齿宽 的。

调用“常用优化法程序库 达到最小的最优解。

【例11-2】已知圆锥齿轮传动，输入功率P = 37.26kw ，主动轮转速

OPB ”就能获得在满足约束条件下，使目标函数

ni=6r/min,齿数比 u=3.4667,压力解 an=20。，齿轮材料为 20MnVB ，

HRC = 58，使用寿命为 20000h，试以体积最小为目标，对齿轮传动进行 优化设计。

建立该齿轮传动的优化设计数学模型，调用优化方法程序库，计算结果为 表11-2。优化结果表明中心距由原设计的 了 10%左右。

表11-2齿轮优化设计结果 174mm 减小到157mm，缩短

\\、\\参 齿轮基本参数 数符号 设计\\方 法\\ M n Z1 Z2 3 X1 X2 d 1/mm d 2/mm b/mm a/mm 原设计 优化设 5 15 52 10 0.5 76.16 2.01 72 174 4 计 '参数符 17 59 17.4 0.48 0.19 68.98 239.41 51.8 157 强度参数/MPa (7F1 设计；方 法\\ 肝2 原设计 优化设 计 351.9 404 377 424 1228 1370 注：计算数据来源于文献 [17] 第11章现代机械设计方法

机械设计是生产机械产品的第一道工序，设计质量的高低，直接影响机械 产品的技术水平和经济效果，因此，设计的过程是设计-评价-再设计的 反复过程。传统的机械设计方法，是以实践经验为基础，依据力学和数学 建立的理式和经验公式，运用数表、图形和手册等技术资料，进行方 案拟定、设计计算、绘图和编写设计说明书。

而现代设计是以产品为总目标的一系列种类繁多的现代设计法和技术的综 合运用。生产技术的需要和先进设计手段的出现，必须促进设计领域的改 革和发展，对于机械设计来说几乎是更新换代，传统的常规设计方法受到 很大冲击，用科学的设计方法代替经验的、类比的设计方法已势在必行。

缩短设计周期、提高设计质量、发展设计理论、改进设计技术及方法已成 为当前机械设计的必然趋势。

11.1 计算机辅助设计 由于计算机具有运算速度快、数据处理准确、存储量大和

具有逻辑判断功 能等特点，因此，它已经成为现代工程设计中分析、计算、综合、决策、 数据处理、图形处理和与各种现代设计法结构的不可替代的重要工具。这 种 人 机 交 互 式 的 设 计 方 法 ， 就 是 计 算 机 辅 助 设 计 CAD ( ComputerAidedDesign )。 产品的生产分设计与制造两大部分，设计过程中除了需求分析及可行性研 究与分析这两个环节很难用计算机实现外，其余从概念设计到设计结果都 可用计算机实现，从而构成了 CAD 过程。制造过程是指从工艺过程设计开 始，经产品装配直到进入市场为止。在这个过程中，工艺设计以及采用数 控机床时的加工编程等，从工艺过程设计到装配的一系列环节同样也可以 用计算机实现，由此构成了广义的 CAM 过程。在 CAM 过程中主要包括两 个 软 件 ， 一 类 叫 计 算 机 辅 助 工 艺 规 程 设 计 ( CAPP ： ComputerAiderProessPlanning )， 另 一 类 叫 数 据 编 程 ( NCP ： NCProgramming )。这两个过程的计算机化促进了设计与制造自动化的程 度。自动化程度的进一步提高是有赖于这两个过程的进一步集成，并由此 奠 定 了 现 代 计 算 机 集 成 制 造 系 统 ( CIMS ：

ComputerIntegratedManufacturingSystem )的基础。

必须指出， CAD 不是完全的设计自动化，实践证明完全的设计自动化是非 常困难的，为此曾经走过弯路。 CAD 是将人的主导性和与创造性放在首要 地位，同时充分发挥计算机的长处，使二者有机地结合起来，因此人机信 息交流及交互工作方式是 CAD 系统最显著的特点

11.1.1 计算机车辅助设计的软件系统

CAD 的软件系统包括系统软件、支撑软件和应用软件三个层次。如图 11-1 所示。 1、系统软件 系统软件与硬件和操作系统密切相关，用于对系统资源的管理，对输 入和输出

设备的控制等。

2、支撑软件 支撑软件是系统软件基础上开发的满足用户共同需要的通用软件或工 具

软件，目前市场上所见到的各种商业化的 CAD 软件大多属于支撑软件。 支撑软件主要用来

实现几何建模、绘图、工程设计计算和分析等功能。

1 ）集成化 CAD/CAM 软件

集成化 CAD/CAM 软件支持在二维和三维图形方式下进行产品及其零 件的定义。如

AutoCAD 等。但近年来随着实体造型技术的日趋完善，不少 CAD 系统转向采用实休造型

技术来定义产品的几何模型，进行分析、数控 加工、输出工程图等。目前较为成熟的

CAD/CAM 集成系统包括： UG ， Pro-Engineer,CATIA,DUCT,CADDS-5 等。

2）计算和分析软件 计算和分析软件主要用于解决工程设计中的各种数值和分析。包括：

①数学计算软件，如

MATLAB、MATHCAD 等。②有限元分析软件，如 I

－ Deas,SAP-5 ， ADINA ， ANSYS 等。目前有限元分析的理论和方法已日 趋成熟，这些软件还包含了较强的前、后处理功能。③优化设计软件，如 IBM 公司的 ODL 、我国的 OPB－ 2 等。

3）数据库管理系统软件

目前流行的数据库管理软件很多，如 FoxPro 、 Oracle 、 Access 等， 它们都属于关系型数据库管理系统， 常用于商业和事物管理中。 适用于 CAD 工程数据库的管理系统必须是管理量大、类型及关系很复杂的数据，且信 息模式是动态的。目前流行的数据库管理系统很难满足上述要求。因此， 在设计时要根据需要选择和编制适用数据库和接口程序。

11.1.2 工程数据处理方法 在机械设计过程中，经常需要查阅一些手册和文献资料，以获得

有关的计 算公式和大量数据，例如零部件的标准和规范，材料的机械性能，许用应 力和各种计算系数等经验数据或实验曲线与图表。在传统的设计方法中， 主要靠设计人员手工查取，十分繁琐和费时。鉴于计算机具有大量存储与 迅速检索的功能，可以快速、精确无遗漏地处理各种大小数据文件，在现 代设计方法中，通常将设计所需要的计算公式、计算方法和过程

以及大量 数据、表格或线图以程序、文件和数据库等方式预先存入计算机的外存和 内存中，以便设计时由计算机按照设计的需要自动检索，依靠计算机完成 大量繁琐的事务性工作，使设计师有更多的时间和精力从事创造性设计。 机械设计过程中一些常用数据表格和线图在计算机中的存取一般有三种处 理方式：

（ 1 ）将数据表格和线图转化为程序存入内存。 （ 2 ）将数据表格和线图转化为文件存入内存。

3）将数据表格和线图转化为数据结构（数据相互关联的形式）存入数据

库。相关处理方法和计算程序可参阅文献［

17 ］、［18 ］。

11.1.3 优化设计方法

常规的机械设计是基于安全概念的“合格设计”各种几何参数能够保证零 件安全就认为合格，但这不一定是最优的。近年来，由于优化理论的发展 和电子计算机广泛应用在机械设计中，采用优化设计方法，可以综合考虑 多方面的复杂因素，在各种约束条件的下，寻求满足预定目标的最优

化方案和最佳参数。这样，在缩短设计周期的同时，大大提高了设计质量， 有效地确保所要求的技术经济指标。

通用优化设计程序的建立以及一些专用零部件优化程序的研制成功，以直 接调用或以商品形式提供给设计部门应用。设计师进行优化设计的主要工 作是建立数学模型和分析优化结果，相关处理方法和计算程序可参阅文献 ［ 17 ］、［ 18 ］。

11.2 平面连杆机构的运动分析和机构的运动模拟

11.2.1. 运动分析的目的

机构的运动分析，就是根据给定的原动件运动规律，求出机构中其他构件 的运动，即求出各构件的位置、速度、加速度，或角位置、角速度、角加

速等运动参数。其目的在于研究评价机构的运动及动力性能，或求出某些 构件上特定点的轨迹，以确定机构的行程或外形尺寸。

要在计算机上分析一个连杆机构的运动情况，必须首先建立类似于式（ 3 －

7）的数学模型，在相应的支撑软件系统中编制应用程序，通过计算机模拟

实际运动状况，计算出机构运动过程中的各构件所占据的位置；获取相关 的运动参数和机构工作特性等。 相关理论和计算方法读者可参阅文献 ［ 16］、

17 ］、［18 ］ 11.2.2. 程序说明

本程序使用 AutoCAD 的内部编程语言 AutoLISP 编程。它的优点是：

（ 1）AutoCAD 具有宽松的运行环境和广泛的用户群体；有丰富的应用软 件供用户参考和使用； 应用软件可以直接在 AutoCAD 的图形编辑状态下运 行。产生符合机械制图规范的图形或图形文件。

（ 2 ）具有强大的图形调用和编辑功能，各种指令既可以直接键入，又可以 用菜单选择。 （ 3 ）输入数据方便。当需要输入一个点时，既可以直接键入点的坐标，也 可以用光标给出位置， 还可以利用 AutoCAD 对光标的约束功能， 捕捉已有 实体上的特殊点；当需要输入一个值时，既可直接键入一个值，也可通过 橡皮筋的长度给出。 （ 4）随时可用 AutoCAD 的原有命令对已生成图形进行修改和完善。

（ 5）由于 AutoLISP 具有文件操作功能，因此可以将图形的几何或非几何 信息写入文件，传递给后读的 CAPP/CAM ，也可以读取其他外部程序生成 的数据文件，作为结构设计的图形数据。

限于篇幅，本章只列举出程序的使用和分析结果，以满足教学使用要求。 源程序及安装说明可通过网址： /zhangdanwen/ 下载。

11.2.3. 模拟结果及分析

图 11 － 2 为曲柄摇杆机构的运动模拟结果。 图 11 － 2（ a ）为用户在 AutoCAD 环境－2b ）是下，通过人机交互输入方式输入铰链点

A ，序自动生成的机构简图并按运动参数动态模拟机构运动。图

B，C，位置坐标后，程

D 11 （

根据机构运动绘制的摇杆 3的摆角屮、角速度 动一个周期（2 的变化规律。

从模拟结果可以得到以下结论:

3

3、以及传动角丫随曲柄丫转

n）

（1小（①）

所对应的横坐标可以确定曲

柄的极位夹角和机构的行程速度比系数

咿线中传动角的变化幅度为（卩128 (2 )在.丫 -58 通过多方案优

n

[

于机构的动力特性。 化，可以改变摇杆工作行程的平均传动角水平，

（L） ⑹

（3 ）机构的运动特性主要反映摇杆的角速度3、角加速度& 3的变化，通过

图】】曲柄攜轩机恂的运动復拒

B

J

3

调整几何参数，可获得不同的运动特性。

图11 - 3为铰链一滑块机构及其模拟运动结果，导杆 EF为运动输出构件, 行程速比系数 K科.8

图11 — 4所示的是初步设计的惯性筛机构（详见图 3 一 3 （b ）），米用曲 柄

摇杆机构作机构的主体，当主动曲柄AB等速回转时，从动摇杆CD作摆动,

达到理想的筛分效果

图11 - 5是改进的惯性筛机构，利用双曲柄机构作机构的主体，通过运动

模拟，其加速度曲线变化明显，可产生更大的惯性力，达到理想筛分效果

从而使筛体E有较大变化的加速度，利用此加速度产生的惯力使被筛材料

以确定筛体E左右移动的距离以便确定外形尺寸 图11 — 6是对曲柄滑块机构连杆上

D点的运动轨迹模拟结果，通过不同的

机构组合，可以获得复杂运动轨迹，以满足不同要求。相关设计理论见文 献］18 ］、［ 20 ］。

11.3带传动设计举例

11.3.1程序说明

本程序使用AutoCAD的内部编程语言 AutoLISP编程。当程序加载后运行 执行指令，通过菜单输入计算参数，显示可行的设计方案。通过对用户选 择的设计方案进行校核，根据用户要求自动绘制带轮的零件图。

【例11 — 1】设计带式运输机动装置中的

V带传动，电动机功率P= 5.5kw，

转速N1 = 960r/min ， V带的传动比i=3.2，两班制工作，要求传动比误差 不超过土 5%

o

解输入已知条件：点击“设计计算”按钮，得到下列设计结果（见表

11 —

1 ）：

表11-1B型带设计方案 小带轮直 125 计算项目 大轮节圆直径 /mm 315 带速/ S-1 9.4 1800 带的计算长度/mm 547 实际中心距/mm 160 小带轮包角/ ° 15 140 0 335 10. 5 200 0 40 0 11. 3 20 0 40 0 12. 0 20 0 45 0 13. 6 20 16 18 胶带根数 4 500 00 00 00 155 55 4 15 4 54 8 15 4 2 48 7 14 8 2 .3 3 3 11.2.2、结果分析

由上述结果可知，在合理的带速范围内，三角胶带的传递功率随带速增加 而提高。为了充分发挥带的传动能力，在传动尺寸允许的条件下，可以选 用直径的带轮。同时，这样做还可以减少胶带根数，使传动的轴向尺寸减 少。在本例中，若

对传动尺 寸的大小 没有，则取小 带轮直径 Di为

160mm 较好。

11.4齿轮传动的优化设计

11.4.1、 设计变量

齿轮传动在工业上的应用极为广泛，因此，齿轮及其减速器的优化设计对 提高齿轮传动及其减速器的承载能力、延长寿命和减少其体积和重量等方 面具有重要的技术价值和经济意义。

对于给定齿数 u的一对直齿圆柱齿传动，当中心距不确定时，其的参 数有齿数Z1 （或Z2）、齿宽系数© d、模数m以及变位系数 X1、X2。当中 心距a给定时，其参数有

Z1、m以及变位系数 X1 （或X2） o

11.4.2、 目标函数 齿轮传动的目标函数可以选择体积最小或者传递功率最大。 (1) 齿轮传动的体积最小。圆柱齿轮的体积可以近似地取为分度圆面积和

齿宽的乘积，故齿轮传动装置的优化目标函数为大小齿轮体积之和。

(2) 齿轮传动传递的功率最大。若以弯曲疲劳强度为条件，齿轮传动

设计理论得到圆柱齿轮传动能传递的最大功率为 若以接触疲劳强度为条件，圆柱齿轮传动能传递的最大功率为

P： _ Fl)

由此，极小化目标函数为

min/(j)

1143、约束条件

/(x) —— min(P], Ps)

齿轮传动的优化设计中，约束条件包括:

(1)为防止齿面接触疲劳点蚀失效， 齿轮传动必须满足接触疲劳强度条件。

(2)为防止齿根弯曲疲劳所折断，齿轮传动必须满足弯曲疲劳强度条件。 (3) 为防止根切，对最小齿数的。

(4)其他一些：模数的要求，齿轮直径的，中心距的，齿宽

的。

调用“常用优化法程序库 达到最小的最优解。

【例11-2】已知圆锥齿轮传动，输入功率P = 37.26kw ，主动轮转速

OPB ”就能获得在满足约束条件下，使目标函数

n1=6r/min,齿数比 u=3.4667,压力解 an=20。，齿轮材料为 20MnVB ，

HRC = 58，使用寿命为 20000h，试以体积最小为目标，对齿轮传动进行 优化设计。

建立该齿轮传动的优化设计数学模型，调用优化方法程序库，计算结果为

表11-2。优化结果表明中心距由原设计的 了 10%左右。

表11-2齿轮优化设计结果 \\参 齿轮基本参数 174mm 减小到157mm，缩短

数符号 设计'•，方 法\\ M n Z1 Z2 3 X1 X2 d 1/mm d 2/mm b/mm a/mm 原设计 优化设 5 15 52 10 0.5 76.16 2.01 72 174 4 计 17 59 17.4 0.48 0.19 68.98 239.41 51.8 157 强度参数/MPa \\数符 (7F1 肝2 (TH 号\\ 设计1方 法\\ 原设计 优化设 计 351.9 377 1228 404 424 1370 注：计算数据来源于文献 [17] 第11章现代机械设计方法

机械设计是生产机械产品的第一道工序，设计质量的高低，直接影响机械

产品的技术水平和经济效果，因此，设计的过程是设计-评价-再设计的 反复过程。传统的机械设计方法，是以实践经验为基础，依据力学和数学 建立的理式和经验公式，运用数表、图形和手册等技术资料，进行方 案拟定、设计计算、绘图和编写设计说明书。

而现代设计是以产品为总目标的一系列种类繁多的现代设计法和技术的综 合运用。生产技术

的需要和先进设计手段的出现，必须促进设计领域的改 革和发展，对于机械设计来说几乎是更新换代，传统的常规设计方法受到

很大冲击，用科学的设计方法代替经验的、类比的设计方法已势在必行。 缩短设计周期、提高设计质量、发展设计理论、改进设计技术及方法已成 为当前机械设计的必然趋势。

11.1 计算机辅助设计 由于计算机具有运算速度快、数据处理准确、存储量大和

具有逻辑判断功 能等特点，因此，它已经成为现代工程设计中分析、计算、综合、决策、 数据处理、图形处理和与各种现代设计法结构的不可替代的重要工具。这 种人机交 互式的设 计方法 ，就是计 算机辅 助设计 CAD ( ComputerAidedDesign )。

产品的生产分设计与制造两大部分，设计过程中除了需求分析及可行性研 究与分析这两个环节很难用计算机实现外，其余从概念设计到设计结果都 可用计算机实现，从而构成了 CAD 过程。制造过程是指从工艺过程设计开

始，经产品装配直到进入市场为止。在这个过程中，工艺设计以及采用数 控机床时的加工编程等，从工艺过程设计到装配的一系列环节同样也可以 用计算机实现，由此构成了广义的

CAM 过程。在 CAM 过程中主要包括两 个 软 件 ， 一 类 叫 计 算 机 辅 助 工 艺 规

程 设 计 ( CAPP ：

ComputerAiderProessPlanning )， 另 一 类 叫 数 据 编 程 ( NCP ：

NCProgramming )。这两个过程的计算机化促进了设计与制造自动化的程 度。自动化程度

的进一步提高是有赖于这两个过程的进一步集成，并由此 奠定了现代计算机集成制造系统 (CIMS :

Computeri ntegratedMa nu facturi ngSystem )的基础。

必须指出，CAD不是完全的设计自动化，实践证明完全的设计自动化是非 常困难的，为此曾经走过弯路。

CAD是将人的主导性和与创造性放在首要

地位，同时充分发挥计算机的长处，使二者有机地结合起来，因此人机信 息交流及交互工作方式是

CAD系统最显著的特点。

11.1.1计算机车辅助设计的软件系统

CAD的软件系统包括系统软件、支撑软件和应用软件三个层次。如图

所示。

Si向用户前CAD支捋软 Si向用户的应用软件

应

11-1

1、系统软件

的管理，对输

系统软件与硬件和操作系统密切源 入和

K1 11 - I CAD的软杵展战

输出设备的控制等。

2、支撑软件

支撑软件是系统软件基础上开发的满足用户共同需要的通用软件或工 具软件，目前市场上所见到的各种商业化的

CAD软件大多属于支撑软件

支撑软件主要用来实现几何建模、绘图、工程设计计算和分析等功能。

1) 集成化CAD/CAM 软件

集成化CAD/CAM 软件支持在二维和三维图形方式下进行产品及其零 件的定义。如

AutoCAD 等。但近年来随着实体造型技术的日趋完善，不少 CAD系统转向采用实休造型技

术来定义产品的几何模型，进行分析、数控

加工、输出工程图等。目前较为成熟的 CAD/CAM 集成系统包括： UG ，

Pro-Engineer,CATIA,DUCT,CADDS-5 等。

2）计算和分析软件 计算和分析软件主要用于解决工程设计中的各种数值和分析。包括：

①数学计算软件，如

MATLAB、MATHCAD 等。②有限元分析软件，如 I

－ Deas,SAP-5 ， ADINA ， ANSYS 等。目前有限元分析的理论和方法已日 趋成熟，这些软件还包含了较强的前、后处理功能。③优化设计软件，如

IBM 公司的 ODL、我国的 OPB — 2等。

3）数据库管理系统软件

目前流行的数据库管理软件很多，如 FoxPro 、 Oracle 、 Access 等， 它们都属于关系型数据库管理系统， 常用于商业和事物管理中。 适用于 CAD 工程数据库的管理系统必须是管理量大、类型及关系很复杂的数据，且信 息模式是动态的。目前流行的数据库管理系统很难满足上述要求。因此， 在设计时要根据需要选择和编制适用数据库和接口程序。

11.1.2 工程数据处理方法 在机械设计过程中，经常需要查阅一些手册和文献资料，以获得

有关的计 算公式和大量数据，例如零部件的标准和规范，材料的机械性能，许用应 力和各种计算系数等经验数据或实验曲线与图表。在传统的设计方法中， 主要靠设计人员手工查取，十分繁琐和费时。鉴于计算机具有大量存储与 迅速检索的功能，可以快速、精确无遗漏地处理各种大小数据文件，在现 代设计方法中，通常将设计所需要的计算公式、计算方法和过程以及大量 数据、表格或线图以程序、文件和数据库等方式预先存入计算机的外存和 内存中，以便设计时由计算机按照设计的需要自动检索，依靠计算机完成 大量繁琐的事务性工作，使设计师有更多的时间和精力从事创造性设计。

机械设计过程中一些常用数据表格和线图在计算机中的存取一般有三种处 理方式：

（ 1 ）将数据表格和线图转化为程序存入内存。 （ 2 ）将数据表格和线图转化为文件存入内存。

（ 3 ）将数据表格和线图转化为数据结构（数据相互关联的形式）存入数据 库。相关处理方法和计算程序可参阅文献［

17 ］、［18 ］。

11.1.3 优化设计方法

常规的机械设计是基于安全概念的“合格设计”各种几何参数能够保证零 件安全就认为合格，但这不一定是最优的。近年来，由于优化理论的发展 和电子计算机广泛应用在机械设计中，采用优化设计方法，可以综合考虑

多方面的复杂因素，在各种约束条件的下，寻求满足预定目标的最优 化方案和最佳参数。这样，在缩短设计周期的同时，大大提高了设计质量， 有效地确保所要求的技术经济指标。 通用优化设计程序的建立以及一些专用零部件优化程序的研制成功，以直 接调用或以商品形式提供给设计部门应用。设计师进行优化设计的主要工

作是建立数学模型和分析优化结果，相关处理方法和计算程序可参阅文献 ［ 17 ］、［ 18 ］。

11.2 平面连杆机构的运动分析和机构的运动模拟

11.2.1. 运动分析的目的

机构的运动分析，就是根据给定的原动件运动规律，求出机构中其他构件

的运动，即求出各构件的位置、速度、加速度，或角位置、角速度、角加 速等运动参数。其目的在于研究评价机构的运动及动力性能，或求出某些 构件上特定点的轨迹，以确定机构的行程或外形尺寸。 要在计算机上分析一个连杆机构的运动情况，必须首先建立类似于式（ 3 － 7）的数学模型，在相应的支撑软件系统中编制应用程序，通过计算机模拟 实际运动状况，计算出机构运动过程中的各构件所占据的位置；获取相关 的运动参数和机构工作特性等。 相关理论和计算方法读者可参阅文献 ［ 16］、 ［ 17 ］、［ 18 ］。

11.2.2. 程序说明

本程序使用 AutoCAD 的内部编程语言 AutoLISP 编程。它的优点是： （ 1）AutoCAD 具有宽松的运行环境和广泛的用户群体；有丰富的应用软 件供用户参考和使用； 应用软件可以直接在 AutoCAD 的图形编辑状态下运 行。产生符合机械制图规范的图形或图形文件。 （ 2 ）具有强大的图形调用和编辑功能，各种指令既可以直接键入，又可以 用菜单选择。 （ 3 ）输入数据方便。当需要输入一个点时，既可以直接键入点的坐标，也 可以用光标给出位置， 还可以利用 AutoCAD 对光标的约束功能， 捕捉已有 实体上的特殊点；当需要输入一个值时，既可直接键入一个值，也可通过 橡皮筋的长度给出。 （ 4）随时可用 AutoCAD 的原有命令对已生成图形进行修改和完善。

（ 5）由于 AutoLISP 具有文件操作功能，因此可以将图形的几何或非几何 信息写入文件，传递给后读的 CAPP/CAM ，也可以读取其他外部程序生成 的数据文件，作为结构设计的图形数据 限于篇幅，本章只列举出程序的使用和分析结果，以满足教学使用要求。 源程序及安装说明可通过网址： /zhangdanwen/ 下载。

11.2.3. 模拟结果及分析

图 11 － 2 为曲柄摇杆机构的运动模拟结果。 图 11 － 2( a )为用户在 AutoCAD 环境下，通过人机交互输入方式输入铰链点

A ，B，C，D 位置坐标后，程

11 - 2 ( b )是

序自动生成的机构简图并按运动参数动态模拟机构运动。图 根据机构运动绘制的摇杆

3的摆角屮、角速度3 3、以及传动角丫随曲柄丫转

动一个周期(2 n)的变化规律。 从模拟结果可以得到以下结论：

(1 )W(①)曲线反映摇杆的摆动范围；书 柄的极位夹角B和机构的行程速度比系数

max所对应的横坐标可以确定曲

K科.3。

(2) 在丫(①)曲线中传动角的变化幅度为( 128 ° -58 ° )通过多方案优

化，可以改变摇杆工作行程的平均传动角水平，有利于机构的动力特性。 (3) 速度3

几何参数，可获得不同的运动特性。

图11 - 3为铰链一滑块机构及其模拟运动结果，导杆 行程速比系数 K科.8。

图11 — 4所示的是初步设计的惯性筛机构(详见图

机构的运动特性主要反映摇杆的角

3、角加速度& 3的变化，通过 调整

EF为运动输出构件，

3 - 3 ( b )),采用曲柄

摇杆机构作机构的主体， 当主动曲柄 AB 等速回转时， 从动摇杆 CD 作摆动， 从而使筛体 E 有较大变化的加速度，利用此加速度产生的惯力使被筛材料 达到理想的筛分效果

图 是 惯

11 — 5

31 11 -3枚锻一淆块机构及冀帳槪渔动曲蛭

双 构 的 过

进的 性筛机 构，利用 曲柄机 作机构 主体，通 运

B 11 -4初甲的tR性蒂机构说计方赛及苴运初特性

动模 拟，其加 度曲线

速

变化明显，可产生更大的惯性力，达到理想筛分效果。同时还可以确定筛 体E左右移动的距离以便确定外形尺寸 图11 — 6是对曲柄滑块机构连杆上

D点的运动轨迹模拟结果，通过不同的

机构组合，可以获得复杂运动轨迹，以满足不同要求。相关设计理论见文 献］18 ］、［ 20 ］

执行指令，通过菜单输入计算参数，显示可行的设计方案。通过对用户选

择的设计方案进行校核，根据用户要求自动绘制带轮的零件图

【例11 — 1】设计带式运输机动装置中的 V带传动，电动机功率P= 5.5kw , 转速N1 = 960r/min , V带的传动比i=3.2，两班制工作，要求传动比误差 不超过土 5% o

解输入已知条件：点击“设计计算”按钮，得到下列设计结果（见表

11 —

1 ）：

表11-1B型带设计方案 小带轮直径/mm 125 计算项目 140 0 40 335 10. 大轮节圆直径 /mm 315 带速/ s-1 9.4 1800 带的计算长度/mm 547 实际中心距/mm 160 小带轮包角/ ° 4 胶带根数 3 3 15 4 3 15 16 0 40 0 12. 0 20 00 54 8 15 4 2 18 0 45 0 13. 6 20 00 48 7 14 8 2 0 11. 3 20 00 55 4 5 200 0 500 155 .11.2.2、结果分析

由上述结果可知，在合理的带速范围内，三角胶带的传递功率随带速增加 而提高。为了充分发挥带的传动能力，在传动尺寸允许的条件下，可以选

用直径的带轮。同时，这样做还可以减少胶带根数，使传动的轴向尺寸减 少。在本例中，若

对传动尺 寸的大小 没有，则取小 带轮直径

160mm 较好。

11.4齿轮传动的优化设计

11.4.1、 设计变量

齿轮传动在工业上的应用极为广泛，因此，齿轮及其减速器的优化设计对 提高齿轮传动及其减速器的承载能力、延长寿命和减少其体积和重量等方 面具有重要的技术价值和经济意义。 对于给定齿数 u的一对直齿圆柱齿传动，当中心距不确定时，其的参 数有齿数Z1 (或

Z2)、齿宽系数© d、模数m以及变位系数 X1、X2 心距a给定时，其参数有 Z1、m以

及变位系数 X1 (或X2) o

11.4.2、 目标函数

齿轮传动的目标函数可以选择体积最小或者传递功率最大。

(1) 齿轮传动的体积最小。圆柱齿轮的体积可以近似地取为分度圆面积和 齿宽的乘积，故齿轮传动装置的优化目标函数为大小齿轮体积之和。

(2) 齿轮传动传递的功率最大。若以弯曲疲劳强度为条件，齿轮传动 设计理论得到圆柱齿轮传动能传递的最大功率为

P = 一的必亦［訂尸 ____________ ⑴

1

SOX

若以接触疲劳强度为条件，圆柱齿轮传动能传递的最大功率为 由此，极小化目标函数为

11.4.3、 约束条件 齿轮传动的优化设计中，约束条件包括: D1为

(1)为防止齿面接触疲劳点蚀失效， 齿轮传动必须满足接触疲劳强度条件。

(2) 为防止齿根弯曲疲劳所折断，齿轮传动必须满足弯曲疲劳强度条件。 (3) 为防止根切，对最小齿数的。

(4) 其他一些：模数的要求，齿轮直径的，中心距的，齿宽 的。

调用“常用优化法程序库 达到最小的最优解。

【例11-2】已知圆锥齿轮传动，输入功率P = 37.26kw ，主动轮转速

OPB ”就能获得在满足约束条件下，使目标函数

ni=6r/min,齿数比 u=3.4667,压力解 an=20。，齿轮材料为 20MnVB ， HRC = 58，使用寿命为 20000h，试以体积最小为目标，对齿轮传动进行 优化设

计。

建立该齿轮传动的优化设计数学模型，调用优化方法程序库，计算结果为 表11-2。优化结果表明中心距由原设计的 了 10%左右。

表11-2齿轮优化设计结果

当中

174mm 减小到157mm，缩短

2> \\ 参 数符号 齿轮基本参数 设计\\方 法\\ M n Z1 Z2 3 X1 X2 d 1/mm d 2/mm b/mm a/mm 原设计 优化设 5 15 52 10 0.5 76.16 2.01 72 174 4 计 17 59 17.4 0.48 0.19 68.98 239.41 51.8 157 '参数 符 强度参数/MPa (yF1 (yF2 \\ ffH ■'设计' 方 法 原设计 优化 计 注：计算数据来源于文献 \\ 351.9 设 404 377 424 1228 1370 [17] 第11章现代机械设计方法

机械设计是生产机械产品的第一道工序，设计质量的高低，直接影响机械 产品的技术水平和经济效果，因此，设计的过程是设计-评价-再设计的 反复过程。传统的机械设计方法，是以实践经验为基础，依据力学和数学 建立的理式和经验公式，运用数表、图形和手册等技术资料，进行方 案拟定、设计计算、绘图和编写设计说明书。

而现代设计是以产品为总目标的一系列种类繁多的现代设计法和技术的综 合运用。生产技术的需要和先进设计手段的出现，必须促进设计领域的改 革和发展，对于机械设计来说几乎是更新换代，传统的常规设计方法受到 很大冲击，用科学的设计方法代替经验的、类比的设计方法已势在必行。 缩短设计周期、提高设计质量、发展设计理论、改进设计技术及方法已成 为当前机械设计的必然趋势。

11.1计算机辅助设计

由于计算机具有运算速度快、数据处理准确、存储量大和具有逻辑判断功

能等特点，因此，它已经成为现代工程设计中分析、计算、综合、决策、 数据处理、图形处理和与各种现代设计法结构的不可替代的重要工具。这 种 人 机 交 互 式 的 设 计 方 法 ， 就 是 计 算 机 辅 助 设 计 CAD ( ComputerAidedDesign

)。

产品的生产分设计与制造两大部分，设计过程中除了需求分析及可行性研 究与分析这两个环节很难用计算机实现外，其余从概念设计到设计结果都 可用计算机实现，从而构成了 CAD 过程。制造过程是指从工艺过程设计开 始，经产品装配直到进入市场为止。在这个过程中，工艺设计以及采用数 控机床时的加工编程等，从工艺过程设计到装配的一系列环节同样也可以 用计算机实现，由此构成了广义的 CAM 过程。在 CAM 过程中主要包括两 个 软 件 ， 一 类 叫 计 算 机 辅 助 工 艺 规 程 设 计 ( CAPP ： ComputerAiderProessPlanning )， 另 一 类 叫 数 据 编 程 ( NCP ： NCProgramming )。这两个过程的计算机化促进了设计与制造自动化的程 度。自动化程度的进一步提高是有赖于这两个过程的进一步集成，并由此 奠 定 了 现 代 计 算 机 集 成 制 造 系 统 ( CIMS ：

ComputerIntegratedManufacturingSystem )的基础。

必须指出， CAD 不是完全的设计自动化，实践证明完全的设计自动化是非 常困难的，为此曾经走过弯路。 CAD 是将人的主导性和与创造性放在首要 地位，同时充分发挥计算机的长处，使二者有机地结合起来，因此人机信 息交流及交互工作方式是 CAD 系统最显著的特点。

11.1.1 计算机车辅助设计的软件系统

CAD 的软件系统包括系统软件、支撑软件和应用软件三个层次。如图 所示。 1、系统软件

11-1

系统软件与硬件和操作系统密切相关，用于对系统资源的管理，对输 入和输出设备的控制等。

2、支撑软件 支撑软件是系统软件基础上开发的满足用户共同需要的通用软件或工 具

软件，目前市场上所见到的各种商业化的 CAD 软件大多属于支撑软件。 支撑软件主要用来实现几何建模、绘图、工程设计计算和分析等功能。

1 ）集成化 CAD/CAM 软件

集成化 CAD/CAM 软件支持在二维和三维图形方式下进行产品及其零 件的定义。如

AutoCAD 等。但近年来随着实体造型技术的日趋完善，不少 CAD 系统转向采用实休造型

技术来定义产品的几何模型，进行分析、数控 加工、输出工程图等。目前较为成熟的

CAD/CAM 集成系统包括： UG ， Pro-Engineer,CATIA,DUCT,CADDS-5 等。

2）计算和分析软件 计算和分析软件主要用于解决工程设计中的各种数值和分析。包括：

①数学计算软件，如 MATLAB、MATHCAD 等。②有限元分析软件，如

I

－ Deas,SAP-5 ， ADINA ， ANSYS 等。目前有限元分析的理论和方法已日 趋成熟，这些软件还包含了较强的前、后处理功能。③优化设计软件，如

IBM 公司的 ODL、我国的 OPB — 2等。

3）数据库管理系统软件

目前流行的数据库管理软件很多，如 FoxPro 、 Oracle 、 Access 等， 它们都属于关系型数据库管理系统， 常用于商业和事物管理中。 适用于 CAD

工程数据库的管理系统必须是管理量大、类型及关系很复杂的数据，且信 息模式是动态的。目前流行的数据库管理系统很难满足上述要求。因此， 在设计时要根据需要选择和编制适用

数据库和接口程序。

11.1.2 工程数据处理方法 在机械设计过程中，经常需要查阅一些手册和文献资料，以获得

有关的计 算公式和大量数据，例如零部件的标准和规范，材料的机械性能，许用应 力和各种计算系数等经验数据或实验曲线与图表。在传统的设计方法中， 主要靠设计人员手工查取，十分繁琐和费时。鉴于计算机具有大量存储与 迅速检索的功能，可以快速、精确无遗漏地处理各种大小数据文件，在现 代设计方法中，通常将设计所需要的计算公式、计算方法和过程以及大量 数据、表格或线图以程序、文件和数据库等方式预先存入计算机的外存和 内存中，以便设计时由计算机按照设计的需要自动检索，依靠计算机完成 大量繁琐的事务性工作，使设计师有更多的时间和精力从事创造性设计。 机械设计过程中一些常用数据表格和线图在计算机中的存取一般有三种处 理方式：

（ 1 ）将数据表格和线图转化为程序存入内存。 （ 2 ）将数据表格和线图转化为文件存入内存。

（ 3 ）将数据表格和线图转化为数据结构（数据相互关联的形式）存入数据 库。相关处理方法和计算程序可参阅文献［

17 ］、［18 ］。

11.1.3 优化设计方法 常规的机械设计是基于安全概念的“合格设计”各种几何参数能够

保证零

件安全就认为合格，但这不一定是最优的。近年来，由于优化理论的发展 和电子计算机广泛应用在机械设计中，采用优化设计方法，可以综合考虑 多方面的复杂因素，在各种约束条件的下，寻求满足预定目标的最优 化方案和最佳参数。这样，在缩短设计周期的同时，大大提高了设计质量， 有效地确保所要求的技术经济指标。

通用优化设计程序的建立以及一些专用零部件优化程序的研制成功，以直 接调用或以商品形式提供给设计部门应用。设计师进行优化设计的主要工 作是建立数学模型和分析优化结果，相关处理方法和计算程序可参阅文献 ［ 17 ］、［ 18 ］。

11.2 平面连杆机构的运动分析和机构的运动模拟

11.2.1. 运动分析的目的

机构的运动分析，就是根据给定的原动件运动规律，求出机构中其他构件 的运动，即求出各构件的位置、速度、加速度，或角位置、角速度、角加 速等运动参数。其目的在于研究评价机构的运动及动力性能，或求出某些 构件上特定点的轨迹，以确定机构的行程或外形

3－

尺寸。

要在计算机上分析一个连杆机构的运动情况，必须首先建立类似于式（ 7）的数学模型，在相应的支撑软件系统中编制应用程序，通过计算机模拟 实际运动状况，计算出机构运动过程中的各构件所占据的位置；获取相关 的运动参数和机构工作特性等。 相关理论和计算方法读者可参阅文献 ［ 17 ］、［ 18 ］。

11.2.2. 程序说明 本程序使用 AutoCAD 的内部编程语言 AutoLISP 编程。它的优点是：

（1） AutoCAD 具有宽松的运行环境和广泛的用户群体；有丰富的应用软 件供用户参考和使用；应用软件可以直接在 AutoCAD的图形编辑状态下运 行。产生符合机械制图规范的

图形或图形文件。

（2） 具有强大的图形调用和编辑功能，各种指令既可以直接键入，又可以 用菜单选择。 （3） 输入数据方便。当需要输入一个点时，既可以直接键入点的坐标，也

可以用光标给出位置， 还可以利用 AutoCAD 对光标的约束功能， 捕捉已有 实体上的特殊点；当需要输入一个值时，既可直接键入一个值，也可通过 橡皮筋的长度给出。 （4 ）随时可用AutoCAD的原有命令对已生成图形进行修改和完善。 （5）由于AutoLISP具有文件操作功能，因此可以将图形的几何或非几何 信息写入文件，传递给后读的

CAPP/CAM，也可以读取其他外部程序生成

的数据文件，作为结构设计的图形数据。

限于篇幅，本章只列举出程序的使用和分析结果，以满足教学使用要求。 源程序及安装说明可通过网址：

/zha ngda nwen/ 下载。

11.2.3 •模拟结果及分析

图11 — 2为曲柄摇杆机构的运动模拟结果。 环境下，通过人机交互输入方式输入铰链点

图11 — 2（ a）为用户在AutoCAD

A，B，C，D位置坐标后，程

11 — 2 （ b ）是

序自动生成的机构简图并按运动参数动态模拟机构运动。图 根据机构运动绘制的摇杆

3的摆角屮、角速度3 3、以及传动角丫随曲柄丫转

动一个周期（2 n）的变化规律。

从模拟结果可以得到以下结论:

(1 )W(①)曲线反映摇杆的摆动范围；书 max所对应的横坐标可以确定曲 柄的极位夹角B和机构的行程速度比系数

(2)在丫(①)曲线中传动角的变化幅度为(

K科.3。

128 ° -58 ° )通过多方案优

化，可以改变摇杆工作行程的平均传动角水平，有利于机构的动力特性。 (3 )机构的运动特性主要反映摇杆的角速度3 调整几何参数，可获得不同的运动特性。

图11 - 3为铰链一滑块机构及其模拟运动结果，导杆 行程速比系数 K科.8。

图11 — 4所示的是初步设计的惯性筛机构(详见图

3、角加速度& 3的变化，通过

EF为运动输出构件，

3 - 3 ( b )),采用曲柄

摇杆机构作机构的主体，当主动曲柄AB等速回转时，从动摇杆CD作摆动, 从而使筛体E有较大变化的加速度，利用此加速度产生的惯力使被筛材料 达到理想的筛分效果。 图11 - 5是改进的惯性筛机构，利用双曲柄机构作机构的主体，通过运动 模拟，其加速度曲线变化明显，可产生更大的惯性力，达到理想筛分效果。

确

定筛体E左右移动的距离以便确定外形尺寸 图11 — 6是对曲柄滑块机构连杆上 D点的运动轨迹模拟结果，通过不同的 机构组合，可以获得复杂运动轨迹，以满足不同要求。相关设计理论见文

献］18 ］、［ 20 ］。

11.3带传动设计举例

11.3.1程序说明

本程序使用AutoCAD的内部编程语言 AutoLISP编程。当程序加载后运行 执行指令，通过菜单输入计算参数，显示可行的设计方案。通过对用户选 择的设计方案进行校核，根据用户要求自动绘制带轮的零件图。

【例11 — 1】设计带式运输机动装置中的

V带传动，电动机功率P= 5.5kw，

转速N1 = 960r/min ， V带的传动比i=3.2，两班制工作，要求传动比误差 不超过土 5% o

解输入已知条件：点击“设计计算”按钮，得到下列设计结果（见表

11 —

1 ）：

表11-1B型带设计方案 小 〜/mm_ 15 125 140 0 315 9.4 1800 547 160 4 16 0 40 0 12. 0 20 00 54 18 0 45 0 13. 6 20 00 48 、十算项目 大轮节圆直径 /mm 带速/ s-1 带的计算长度/mm 实际中心距/mm 小带轮包角/ ° 胶带根数 335 10. 5 200 0 500 155 40 0 11. 3 20 00 55 .3 4 15 4 8 15 4 2 7 14 8 2 3 3 11.2.2、结果分析

由上述结果可知，在合理的带速范围内，三角胶带的传递功率随带速增加 而提高。为了充分发挥带的传动能力，在传动尺寸允许的条件下，可以选 用直径的带轮。同时，这样做还可以减少胶带根数，使传动的轴向尺寸减 少。在本例中，若

对传动尺 寸的大小 没有，则取小 带轮直径 Di为

160mm 较好。

11.4齿轮传动的优化设计

11.4.1、 设计变量

齿轮传动在工业上的应用极为广泛，因此，齿轮及其减速器的优化设计对 提高齿轮传动及其减速器的承载能力、延长寿命和减少其体积和重量等方 面具有重要的技术价值和经济意义。

对于给定齿数 u的一对直齿圆柱齿传动，当中心距不确定时，其的参 数有齿数Z1 （或Z2）、齿宽系数© d、模数m以及变位系数 X1、X2。当中 心距a给定时，其参数有

Z1、m以及变位系数 X1 （或X2） o

11.4.2、 目标函数

齿轮传动的目标函数可以选择体积最小或者传递功率最大。

（1）齿轮传动的体积最小。圆柱齿轮的体积可以近似地取为分度圆面积和

齿宽的乘积，故齿轮传动装置的优化目标函数为大小齿轮体积之和

(2)齿轮传动传递的功率最大。若以弯曲疲劳强度为条件，齿轮传动

设计理论得到圆柱齿轮传动能传递的最大功率为 若以接触疲劳强度为条件，圆柱齿轮传动能传递的最大功率为

p = _______ 巾甘字丄左 _

1

_ eo X 10^ K A K v K4 K\\ ( U W) 由此,'极小化目标函数为

j)

;

1143、约束条件

约束条件包括:

(1)

满足接触疲劳强度条件。

-

1

- 齿轮传动的优化设计中，

为防止齿面接触疲劳点蚀失效， 齿轮传动必须

(2) 为防止齿根弯曲疲劳所折断，齿轮传动必须满足弯曲疲劳强度条件。 (3) 为防止根切，对最小齿数的。

(4) 其他一些：模数的要求，齿轮直径的，中心距的，齿宽 的。 调用“常用优化法程序库 达到最小的最优解。

【例11-2】已知圆锥齿轮传动，输入功率P = 37.26kw ，主动轮转速

OPB ”就能获得在满足约束条件下，使目标函数

ni=6r/min,齿数比 u=3.4667,压力解 an=20。，齿轮材料为 20MnVB ， HRC = 58，使用寿命为

优化设计。

建立该齿轮传动的优化设计数学模型，调用优化方法程序库，计算结果为 表11-2。优化结果表明中心距由原设计的

20000h，试以体积最小为目标，对齿轮传动进行

174mm 减小到157mm，缩短

了 10%左右。

表11-2齿轮优化设计结果 \\参 数符号 齿轮基本参数 设计\\方 法\\ M n Z1 Z2 3 X1 X2 d 1/mm d 2/mm b/mm a/mm 原设计 优化设 5 15 52 10 0.5 76.16 2.01 72 174 4 计 参数符 17 59 17.4 0.48 0.19 68.98 239.41 51.8 157 强度参数/MPa 丽 (yF2 设计\\方 法\\ 原设计 优化设 计 351.9 377 1228 404 424 1370 注：计算数据来源于文献 [17]