教學機器人 機械設計-1

編著: 夏肇毅

初版: 2026/5/18

1.1 機械設計基礎

1.1.2 機械設計概述

機械設計是將工程理論與製造技術結合，創造功能性機械裝置的工程過程。設計包括結構分析、材料選擇、運動分析及壽命預測。工程應用：汽車傳動系統、機械手臂、泵與壓縮機設計。CAD設計中標註零件尺寸、裝配關係及運動範圍，模擬運動學、力學分析及接觸應力分布。案例：汽車變速箱設計，分析齒輪齒合、軸承受力，計算接觸應力$\sigma = \frac{F}{A}$，並選擇合適鋼材，保證耐久性與可靠性。

1.1.2 設計流程與方法

設計流程包括需求分析、概念設計、詳細設計、原型製作及測試驗證。工程方法：應力分析、疲勞分析、動力學分析及成本分析。CAD標註零件尺寸、容差及裝配配合，模擬運動範圍與干涉檢查。案例：機械手臂設計，分析連桿受力、摩擦力矩及轉動慣量$I = \frac{1}{12} m L^2$，確保運動精度與結構穩定。

1.1.3 材料與加工考量

材料選擇影響強度、耐磨性、疲勞壽命及成本。常用材料：鋼、鋁合金、銅及塑料。加工方式包括車削、銑削、鑄造及鍛造。CAD標註零件材質、表面處理及公差。案例：齒輪設計，選用合金鋼，淬火表面硬度$HRC = 58$，計算齒根應力$\sigma = \frac{2T}{\pi b r^2}$，確保齒輪壽命滿足使用要求。

1.1.4 節名:工程案例

以汽車傳動軸設計為例，計算扭矩傳遞能力、軸承選型與材料強度。CAD標註軸徑、鍵槽及配合尺寸，模擬扭矩、彎矩及振動模式。結合力學分析公式$\tau = \frac{T}{J} r$，確保設計滿足安全系數要求，同時控制成本與重量，提高可靠性。

1.2 機械零件設計 

1.2.1 軸與軸承設計

軸設計需考慮扭矩、彎矩及材料強度。軸承選型根據負載與壽命公式$L_{10} = \left(\frac{C}{P}\right)^3 10^6$轉。工程應用：電機軸、泵軸、傳動軸。CAD標註軸直徑、軸承位置及配合公差，模擬扭矩分布與軸承壓力。案例：泵軸設計，計算最大扭矩、軸彎曲應力$\sigma = \frac{M y}{I}$，選擇滾動軸承型號，確保長期運行可靠性。

1.2.2 齒輪設計

齒輪設計包括模數、齒數、齒形及材料。公式：齒根彎曲應力$\sigma = \frac{F_t}{b m} K$，$K$為應力集中系數。工程應用：傳動系統、齒輪箱。CAD標註齒輪齒形、齒寬及軸孔，模擬齒輪啮合與接觸應力。案例：減速齒輪箱設計，計算扭矩傳遞、齒面接觸壓力及齒輪材料選擇，確保壽命與效率。

1.2.3 鍊條與皮帶傳動

鍊條與皮帶傳動需計算拉力、功率及速度比。公式$T = \frac{P}{v}$，$v$為皮帶速度。工程應用：輸送機、機械動力傳遞。CAD標註鏈輪、皮帶及張緊裝置位置，模擬傳動運動與受力分布。案例：輸送鏈設計，計算鏈條拉力、張緊輪力及功率損失，選擇合適鏈條材質與齒輪，保證平穩運行。

1.2.4 工程案例

以機械手臂關節設計為例，計算軸扭矩、齒輪啮合力及軸承壓力。CAD標註各零件尺寸、配合與安裝順序，模擬動作範圍與應力分布。結合公式分析：扭矩$\tau = F r$、彎矩應力$\sigma = \frac{M y}{I}$，確保運動精度、可靠性及壽命。