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机械设计方法总结
机械设计基本 6 要素：
1.材料 2.加工工艺 3.材料力学
4.机架与机构 5.零件之间的关系 6.制图
机械思想基本 6 要素：
1.上料 2.送料 3.分料
4.传料 5.动作执行 6.动作方式
机械设计逻辑思路简图：
机 架 与 机
构
零 件之
间 的关
系
制图
材料，材料
力学和加 工
工艺
动作执行
动作方式
传料 分料
送料
上料
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1.材料
A.非金属材料：
1． 红（黑）电木———支架
2． 透明亚克力（有机玻璃）
3． 白（黑）塞钢———放置产品
4． 铁氟龙———放置产品，不伤产品
5． 硅胶———耐高温
ABS（塑胶）
POM———小齿轮
聚胺脂———耐摩擦（压纸轮），弹力很小
6．胶 硅胶———耐摩擦，有一点弹性（腹膜架）
橡胶———耐摩擦（有较大弹力）
优力胶（弹力胶）———耐摩擦，有很大弹力（传墨棒）
7．石棉———隔热 隔热板
8．尼龙———齿轮（降低噪音）
9．PVC（管，接头，阀），PP，钢化玻璃
10．三叉胶条（镶嵌有机玻璃），衬带（修饰），纤维布
11．密封：A.生料带，密封胶（耐腐蚀），玻璃胶（防水），PVC 胶（粘性）;
B.氟橡胶, PEEK,PVDF,三元乙炳胶, OVA 胶条
例外:铁氟龙胶布(耐高温),喉箍,肘夹(快速夹) ,拉紧扣(快速夹)
B.金属材料
1．铁
灰铸铁:HT200,HT250(机架,齿轮,摩擦滑块)技术要求：铸件表面无冷隔，裂纹，缩孔，穿透
性缺陷和严重的残缺缺陷（如欠铸和机械损伤）
球墨铸铁:QT600-3,QT700-2(抗拉强度高,耐磨),QT250(油棒限位套)
可煅铸铁:KTB350-04
S136H（不锈铁）
冷扎板———镀锌板（SPGC）
热扎板
2．钢
碳素结构钢：Q235A=A3（焊件，结构件）
优质结构钢：10#（韧性高，可做支撑件），45#（齿轮，轴，蜗杆等），65Mn（弹簧）
低合金高强度结构钢：Q295A
合金结构钢：40Cr，45Cr（齿轮，轴，曲轴，摩擦滑块），镀铬棒
型钢：冷拉圆钢（方钢，角钢，扁钢），屈服极限高，塑性差
例外：角铁，角铝
钢管：普通钢管，焊接钢管，无缝钢管
不锈钢：SUS304，SUS316（板，块）
3．铜
锡青铜（铸造），非常耐磨
黄铜（H62）
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4．铝及铝合金
AL6061（块，板）
铸造铝合金（机壳）
2．加工工艺
铣床（铣刀）镗孔，绞孔；钻床（钻头）；手电钻
车床（车刀）；刨床；切割机————
磨床
线切割（慢走丝），火花机
精雕加工；数控加工
铸造（支架）
滚板机；冲床；焊接
表面处理：砂，擦，抛，磨
铁（钢）：高频淬火，调质处理，热处理（HRC55-58 度），冷处理，自然时效，人工时效，
表面黑色，镀铬，电泳，烤漆（亮白，光滑电脑白漆，皱纹白，暖灰色，黑色）
铝：氧化黑（白）色，电硬黑（白），喷砂氧化，茶色氧化
自然时效：放在露天半年到一年或更长时间，消除内应力，减小变形，稳定尺寸，保持精度。
人工时效：将工件加热（钢 100-150℃，铸铁 500-600℃）8-15H 保温，然后缓慢冷却到室
温。
冷处理：淬火后，置于 0℃以下的低温介质（-30℃-150℃），冷却，使奥氏体变为马氏体，
提高硬度和耐磨性，稳定尺寸，提高钢的铁磁性。
3.材料力学
拉伸压缩强度计算：
塑性材料：[б]= бs/ns (拉伸=压缩)
脆性材料：[б]== бb/nb 压缩=（4-5）x 拉伸
安全系数：
ns=1.2-2.0 nb=2.0-3.5
бp___比例极限 бe____弹性极限 бs___屈服极限 бb____强度极限
强度条件：бmax=FN/A≦[б](校核强度，设计截面，确定许可载荷)
虎克定律：
1.[б]=E * ε(许用应力=弹性模量 x 应变)
2.[б]=Fn/A ε=△L/L
3. △L=Fn*L/E*A(绝对变形=轴力*杆长/弹性模量*横截面积)
ε’=-u*ε(横向线应变=-泊松比*弹性模量)
ε’=△d/d (横向线应变=横向绝对变形*杆径) ε=△L/L
伸长率：δ=(L1-L)/L 断面收缩率：(A1-A)/A
δ>5％为塑性材料 δ<5％为脆性材料
剪切强度：
强度条件：τmax=Fn/A≦[τ](校核强度，设计截面，确定许可载荷)
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塑性材料[τ]=（0.6-0.8）[б1]（许用拉应力）
脆性材料[τ]=（0.8-1.0）[б1] (许用拉应力）
挤压强度：τ1max=FN/A≦[τ1]
塑性材料[τ1]=（1.5-2.5）[б1]（许用拉应力）
脆性材料[τ1]=（0.9-1.5）[б1]（许用拉应力）
扭转强度：
M=9550P/n
M（外力偶矩） P：功率（KW） n：转数（r/min）
τmax=Mmax/Wp≦[τ]
塑性材料[τ]=（0.5-0.6）[б1]（许用拉应力）
脆性材料[τ]=（0.8-1.0）[б1] (许用拉应力）
Wp（扭转截面模量）=pi*D 三次方/16 (实心)
Wp（扭转截面模量）=pi*D 三次方/16*（1-α 四次方） （空心）
Ip（极惯性矩）=pi*D 四次方/32 (实心)
Ip（极惯性矩）=pi*D 四次方/32*（1-α 四次方） （空心）
α= d/D
弯曲强度：
强度条件：τmax=Mmax/Wz(抗弯截面模量)≦[τ](校核强度，设计截面，确定许可载荷)
Wz:抗弯截面模量 Iz:轴惯性距
弯曲决定因素：强度，扭度，转角
材料力学对设备影响：安全性，稳定性，材料是否节省
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设备不稳定因素：
1． 加工尺寸错误
2． 装配有误
3． 材料内力变化
4． 强度大于许用应力
4.机架与机构
A．机架
整体机架：1. SB 横梁，C 形槽，角铁，圆形管，方形管，长方形管,铝型材
2. 铸造机体
局部机架: 1. 铝型材,直立板+调节盘,加强筋,桥型
直立板, 倾斜板,水平板
2. 柱子 ,板+柱子, 板+柱子+板
3. 箱体,直立板+柱体
零件形状构成：圆型，方型（两边形），三边形，四边形，五边形，六变形…………………
坐标系
B．机构
1.动力源:
A.汽缸:无杆,单杆,双杆,旋转汽缸,机械手
B.马达:普通马达,变速马达,电磁刹车马达, 步进马达, 伺服马达
吸风机,鼓风机,真空泵,抽油泵
各种马达计算公式:
A．伺服马达，步进马达
1．自启动运转(低速领域，大的加速转矩)
运转派波速度：动作派波数/定位时间（动作派波数=(L/Lrev)*(360 度/θs）)
（θs 为 step 角）
2．加速运转时：
加速时间=定位时间*0.25(s)
运转派波速度 f[HZ]=（动作派波数-启动派波数*加减速时间）/（定位时间-加减速时间）
=(A-f1*t1)/(t0-t1)
运转速度=（运转派波速度*step 角*60）/360
计算加速转矩：
自启动运转时：Ta=[转子惯性惯量+全惯性惯量）*pi*step 角*（运转派波数）平方/180 度*系数]
=[(Jo*i 平方+Jl)*pi*θs*f2 平方/180 度*n] n=3.6 度/θs
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加速运转时：Ta=[转子惯性惯量+全惯性惯量）*pi*step 角*（运转派波速度-启动派波速度）/180
度*加减速时间]=[(Jo/i 平方+Jl)*pi*θs*（f2-f1）/180 度*t1]
必要转矩：
必要转矩=（负载转矩+加速转矩）*安全率=（Tl+Ta）*（1.5~2）
加减速斜率：
加减速斜率=(加减速时间/运转派波速度-启动派波速度) = (t1/f2-f1) >20 或 30（部分伺服步进
条件）
惯性惯量比=（机器全惯性惯量/马达转子转动惯量）=Jl/J0*减速比的平方<10
负载转矩：
丝杆驱动：Tl=[（F*P1/2*pi*η）+(μoFoP1/2pi)]/i
F=F1+mg(sinα+μcosα)
皮带轮驱动：
Tl=[（μF1+mg）*D/2*pi*η）/2*i
齿轮，小齿条传动：
Tl=（F*pi*D /2*pi*η*i）=（ F*D /2*η*i）
F=F1+mg(sinα+μcosα)
实测：Tl=F1*D/2
Tl=负载转矩
F=轴向载重
F1=外力
m=总质量（kg）
Fo=预压载重=1/3 F
μo=为预压螺帽内部摩擦系数（0.1~0.3）
μ=滑动面摩擦系数（0.05）
η=效率（0.85~0.95）
i=减速比
P1=螺杆螺距
α=倾斜角
D=直径
g=重力加速度（9.8）
伺服马达，步进马达选用方法：
1． 必要解析度 θs= [360*要求解析度（ΔL）/丝杆螺距] ΔL 为 0.03mm/step
2． 派波数
3． 加减速时间=定位时间*0.25
4． 派波速度=(A-f1*t1)/(t0-t1)
5． 运转速度=（f2*θs*60/360）
6． 必要转矩：
必要转矩=（负载转矩+加速转矩）*安全率=（Tl+Ta）*（1.5~2）
7．加减速斜率：
加减速斜率=(加减速时间/运转派波速度-启动派波速度) = (t1/f2-f1) >20 或 30（部分伺服步进
条件）
8．惯性惯量比=（机器全惯性惯量/马达转子转动惯量）=Jl/J0*减速比的平方<10
AC 减速马达，调速马达，电磁刹车马达等选用方法：
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1． 速度——转数
2． 必要转矩=负载转矩*2
负载转矩=丝杆驱动：Tl=[（F*P1/2*pi*η）+(μoFoP1/2pi)]/i
F=F1+mg(sinα+μcosα)
皮带轮驱动：
Tl=[（μF1+mg）*D/2*pi*η）/2*i
齿轮，小齿条传动：
Tl=（F*pi*D /2*pi*η*i）=（ F*D /2*η*i）
F=F1+mg(sinα+μcosα)
实测：Tl=F1*D/2
3． 全惯性惯量≤永许惯量=J*i 的平方
电动机选型比较法：
钳形电流表测量比较低于额定电流 70%为大马拉小车
钳形电流表测量比较高于额定电流 40%为小马拉大车
分割器扭矩计算方法
分割数：S=8
驱动时间 1/3；定位时间 2/3
驱动角 θ=360*驱动时间/（驱动时间+定位时间）=120°
回转数 N：N=60rpm
效率：η
凸轮系改良之正玄曲线
最大非向性速度 Vm=1.76
最大非向性加速度 Am=5.53
凸轮轴最大扭力系数 Qm=0.99
出力轴最大角加速度 α=Am*（2PI/S）*[（360/θ）*（N/60）]的平方
惯性扭矩 Ti=I*α I 为全惯性惯量
实际负载扭矩 Te=（Ti+Tf）*1.8 Tf 为摩擦转矩
入立轴转矩：
Tc=[360/（θ*S）]*Qm*Te
功率 P=（Tc*N）/（9750*η）
风扇选定公式：
Po=η(Po+Pl)
Pl=[Po(1-η)/ η]=1071W
必要风速；
Q=m*cp*(T-Ta)=ρv*cp*(T-Ta)
V=Q/ρ*cp*(T-Ta)=[1071/1.1*1000*(60-30)]
=0.032[米立方/s]
=1.92[米立方/min]
最大风速为 V1=V*（1.5~2）
空气密度 ρ=1.1
空气比热 cp =1000
惯性惯量计算公式：
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