所有的机械设计方法都有自身的特点,机械产品设计方法简括为下述3大类型:(1)系统化设计方法的主要特点:将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统,每个设计要素具有独立性,各个要素间存在有机的联系,并具有层次性,所有的设计要素结合后即可实现设计系统所需完成的任务。我国许多设计学者在进行产品设计时还借鉴和引用了其他发达国家的系统化设计思想,从而形成了自身的设计方法。由于每个设计者研究问题的角度及考虑问题的侧重点不同,进行方设计时采用的具体研究方法亦存在差异。(2)智能化设计方法的主要特点:根据设计方法学理论,借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术,以及多媒体工具进行产品的开发设计,表达产品的构思、描述产品的结构。(3)结构模块化设计方法:从规划产品的角度提出:定义设计任务时以功能化的产品结构为基础,引用已有的产品(标准零件部件等)描述设计任务,即分解任务时就考虑每个分任务是否存在对应的产品,这样,能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾,早期预测生产能力、费用,以及开发设计过程中计划的可调整性,由此提高设计效率和设计的可靠性,同时也降低新产品的成本。
1 机械设计方法概述
首先,在调查分析的基础上,对传统优化设计方法的总结中发现,该优化方法传通常是在,参照同类产品,通过估算、经验类比或试验等方法来确定产品的初步设计方案,然后对产品的设计参数进行强度、刚度和稳定性等性能分析计算,检查各项性能是否满足设计指标要求。如果不能满足要求,则根据经验或直观判断对设计参数进行修改。整个传统设计的过程是人工试凑和定性分析比较的过程。实践证明,按照传统方法得出的设计方案,可能存在有较大改进和提高的余地。在传统设计中也存在“选优”的思想,设计人员可以在有限的几种合格设计方案中,按照一定的设计指标进行分析评价,选出较好的方案。但对于有些复杂的零件,往往难以分解成若干基本体,使组合或分解后产生的基本体过多,导致成型困难。所以,仅有基本体系还不能完全满足机器零件三维实体造型的要求。为此,可在二维几何元素构造中先定义零件的截面轮廓,然后在三维实体造型中通过拉伸或旋转得到新的“基本体”,进而通过交、并、差等得到所需零件的三维实体造型。实体装配图的生成。在零件实体构造完成后,利用机器运动分析过程中的资料,在运动的某一位置,按各零件所在的坐标进行“装配”,这一过程可用CAD软件的三维编辑功能实现。其次,要施行零部件设计检查:使用三维CAD系统,可以在装配环境中设计新零件,也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件,既方便又快捷。还可以保证新零件与相邻零件的精确配合,避免了单独设计零件导致装配的失败。资源查找器中的零件回放还可以把零件造型的全过程通过动画连续的演示出来,使人一目了然。
2 模块化理论在机械设计中的作用
2.1 模块及模块化的概念
模块是一组具有同一功能和结合要素(指联接部位的形状、尺寸、联接件间的配合或啮合等),但性能、规格或结构不同却能互换的单元。模块化设计是将产品中同一功能的单元设计成具有不同性能,可以互换的模块,选用不同模块,即可组成不同类型、不同规格的产品。模块化设计的原则是:力求以少数模块组成尽可能多的产品,并在满足用户要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉。
2.2 模块化设计的特点
模块化设计在技术上和经济上都具有明显的特点,经理论分析和实践证明,其优越性主要体现在下述几个方面:(1)容易实现局部更新,产品更新换代快;(2)只需更换部分模块,或设计、制造个别模块即可更新产品,缩短了设计和制造周期;(3)同一模块可以用于数种产品,降低了生产成本;(4)模块互换性强,便于维修;(5)功能划分和模块设计保证了机械的性能,产品稳定可靠;(6)适用于小批量生产。
2.3模块化与创新设计
模块化设计是一种先进的设计方法,它的核心思想是将系统根据功能分解为若干模块,通过模块的不同组合,可以得到不同的品种、不同规格的产品。它能与CAD技术、成组技术、柔性加工技术等先进技术密切联系起来,应用到实际产品的设计和制造之中。早在20世纪70年代,法国的Potain公司、瑞典的Linden公司以及德国的Liebherr公司等就将模块化设计的方法应用到塔机产品的开发过程中,用有限的模块组合成适用于各种具体施工需要的塔机。例如,瑞典的Linden公司采用61个标准模块和一些非模块零部件,经过选择理论上可组合成 4万多种不同性能的回转塔机。美国Case公司将模块化设计方法应用于小型装载机产品上,在发动机功率为13.2~44.1kW 的范围内,开发出30多种基型和变型的产品。近年来,我国的工程技术人员和专家学者也将机械系统的模块化应用于各种机械创新设计之中。
3 模块化设计的应用举例
齿轮减速器在现代机械中应用非常广泛,随着市场经济的发展和减速器市场的变化,用户对减速器的的需求呈现出差异而多变,这迫使企业跟随用户采用多品种、小批量的生产方式,按订单组织生产。同时,面对瞬息万变的市场环境,更要求企业不断地开发新产品,以吸引顾客,这样才能保证企业在竞争环境中立于不败之地。通过减速器的模块化设计的实施,可以使企业具备从捕捉产品信息到及时投放市场的全面快速响应能力。
3.1减速器的模块划分
模块划分的出发点是功能分析。根据产品的总功能分解为分功能、功能元,求相应的功能载体(功能模块),然后具体化成加工单元(生产模块)。减速器的总功能可用图1所示的黑箱来进行分析。根据减速器的工作要求,可知
n1>n2,T2>T1(1)
式中,n2为输出转速;n1为输入转速;T2输出转矩;T1输入转矩。由式(1)可知,减速器的总功能为降速增矩,功能分析如图2所示。
3.2 减速器主要模块设计
(1) 箱体模块:中心距相同而速比不同的二级、三级减速器可采用相同箱体模块,只是二级传动时,原箱体高速级孔不需要镗出或用闷盖封死。当输入轴与输出轴需要垂直,高速级采用圆锥齿轮传动时,同样可使用原基本箱体,只需要在输入端增加侧盖即可。为了增加减速器安装的灵活性,以适应各种不同的安装场合,在箱体的上下、前后、轴向端面分别设置安装平面和安装孔,箱体就可以实现4种方位的安装方式:卧式和立式各两种。
(2) 齿轮模块:在具体确定各级传动齿轮的技术参数时,应尽可能提高各系列箱体之间齿轮的互换程度,除了用于相同中心距和速比的传动齿轮互换外,不同中心距和速比的传动齿轮也应能实现一定的互换比例。为了实现标准中心距,齿轮应采用角度变位,具体几何尺寸参数需要进一步优化。另外以单级齿轮为基础模块,二级、三级传动齿轮从单级齿轮模块中选取,尽量减少齿轮品种提高通用化程度。
(3) 轴模块:轴模块的设计主要是根据轴和其它零部件如轴承、密封圈等之间的装配关系确定,不同传动比尽可能选用结构尺寸相同的轴,即使轴的其他尺寸不同,装轴承处的直径和该段长度应尽量相同,以便于轴承、端盖密封等模块的通用。
3.3设计结果
模块化齿轮减速器是由箱体、齿轮、轴、轴承、端盖等通用模块和较少数量专用模块所组成。通用模块可事先规划设计并可成批进行制造。当用户需要一台新的齿轮减速器时,只需设计制造其中的专用零部件,然后与现有的通用模块和外购标准件采用搭积木的方法组装在一起即可。这种模块化减速器产品具有很大适应性和灵活性,且有设计周期短、制造成本低等一系列优点,使其在市场上具有很强的竞争力。
采用112对斜齿圆柱齿轮和70对锥齿轮作为基型进行模块化设计,可组成 332种平行轴和220 种相交轴传动的减速器,它可代替非模块化设计的 1252 对齿轮所组成的减速器。模块化设计的减速器只需3种箱体。表1为减速器模块化系列中的主要零部件的通用化程度。由该表可知,减速器模块化系列中的主要零部件的通用化程度较高,降低了成本,且便于管理。
4 改进机械设计方法,促进机械教学的正迁移
教育心理学考试大纲指出:教学目标是一些工作的出发点和最终归宿,一切教学工作都是为教学目标服务的。即教学目标是教师对学生的学习期望,是课堂教学的出发点。职业教育的价值取向应从“适应现在”的传统教育转向“适应未来”的创新教育;从单一或某一特定岗位的能力训练转向重视学生的技术知识和能力的储备、发展潜力、技能迁移能力的培养;从只重视特定的现有岗位专业能力和技术的养成转向重视培养在职业活动中能创造性地运用职业知识和技能,独立地解决生产过程中不可预测的问题的能力;从只重视专业知识教育,转向追求从业人员良好的职业心理、职业情感、职业道德和职业文化全面发展,完整的人格培养是学习迁移的重要前提。
4.1 科学选择教学材料
教学内容要随着科学的发展而不断的变化更新,精选的教学内容必须注意用科学的新成就来代替过时的材料,不断取舍是指符合科学发展的水平。在机械设计教学中纳入新知识、新技术、新材料、新工艺的教学内容,建立体现新科技发展变化特点的教学内容体系,为学生思考、探索发现和创新提供最大的空间,引导他们去探索更新知识,培养他们的创新精神,培养具有宽厚知识基础,适应能力强,发展潜力大,综合性复合型人才。
4.2注重问题解决的思维过程
教师通过精心设计的问题情境,让学生在问题的情境中去积极探索,以解决问题调动思维的参与,激发内驱力,让学生愿学,想学,积极主动的学。课堂上采用讨论式教学,要注意发挥学生的主体作用,让学生发表意见,互相评价,互相启发,互相补充,知识互补。讨论的过程也是激发学生情趣,让学生质疑、求异、解疑的活动过程。例如,机械设计中轴零件的设计,重点是结构设计,设计内容实践性强。为使学生顺利掌握这部分知识,采用“错例置疑”的教学方法达到教学目的。通过课堂讨论,让学生的共同参与可以调动他们思维和记忆的积极性,挖掘学生集体和个人的潜力,扫除学生个人掌握知识和认识上的障碍,唤起课堂上的积极情绪,同时锻炼了学生的口语表达能力,进而有助于活化学生的思维过程,强化学生的认知发展体验,旨在唤醒学生的问题意识,批判意识,使他们去大胆追求发散思维给自身带来的种种创新意念,达到学习正迁移的目的。
4.3 注重知识结构性和教学方法的多样性
一切学习都是在原有的知识基础上进行的,不受已有知识结构影响的学习是没有的。那么,学生原有的认知结构(或知识结构)是怎么影响学习迁移的呢?现有机械设计学分为两大部分,第一部分为机械原理,第二部分为机械零件,机械原理是基本理论部分,它为机械零件设计提供理论依据,提供基本原理和方法。因此机械原理是一种概括水平高的理论课,对它的学习掌握是一种下位学习。机械原理学好了,学习机械零件设计就比较容易。针对这种情况,在进行这门课教学中,首先要加强实践性教学,让学生对各种机构有一定的感性认识;其次,加强多媒体教学。在教学过程中,根据教学目标和教学对象的特点,通过教学设计以多种媒体信息作用于学生,形成合理的教学过程结构,是学生在最佳的学习条件下学习。由于多种媒体的交互应用,形成了声、光、行、色、动等直接对学生的视觉和听觉器官共同作用的情境,具有良好的强化效果和整体效果,有利于最佳教学效果的获得;并保留和集中了不少传统视听媒体的优势,即直观性、生动性和简洁性。这样,就减少了学生学习的难度,提高了教学效果。■
参考文献
[1] 黄纯颖.机械创新设计[M].北京:高等教育出版社, 2000.
[2] 杨家军.机械系统创新设计[M].武汉:华中理工大学出版社, 1999.
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