机电一体化设计基本原理及方法

1、机电一体化设计机电一体化设计基本原理及方法基本原理及方法机电一体化二、相关知识二、相关知识（二）方案设计方法3.移植法移植法是受其他事物的启迪，触发灵感，运用联想将其原理合理应用到当前设计中。如图2-9所示，金属轧制系统设计时采用了移植法，图a为轧钢机原理图，图（b）行星轧辊原理图。a）轧钢机原理图 （b）行星轧辊原理图图2-9 移植法示例 机电一体化二、相关知识二、相关知识（二）方案设计方法4.筛选法筛选法是在设计时将有可能实现该功能要求的工作原理、工艺动作及实现该运动的基本机构和组合机构尽可能按层次罗列出来，进行排列组合，按可行性、先进性、方便性、经济性等原则逐个分析审查，筛选最优方案。机

2、电一体化二、相关知识二、相关知识（三）产品的结构设计结构设计是功能原理方案设计的实现，要确定产品的总体布局主要技术参数计算、确定元器件规格、尺寸零件图、总装图的绘制技术经济分析 技术文档的整理等。机电一体化二、相关知识二、相关知识（三）产品的结构设计步骤图2-10 结构设计步骤示意图机电一体化二、相关知识二、相关知识（三）产品的结构设计常用的基本原理1.任务分配原理（1）任务分解将任务分解，由不同的结构实现整体功能。图下图为两种带轮的安装结构，图（a）所示的结构是将弯矩和扭矩同时作用于转轴；图（b）所示的结构将弯矩作用于机架、扭矩作用于转轴。显然，图（b）所示的结构有利于减小轴的尺寸，提高轴的

3、旋转精度。机电一体化二、相关知识二、相关知识（三）产品的结构设计常用的基本原理1.任务分配原理（2）任务合成将任务合成，由同一结构实现不同的功能。图下图所示的齿式联轴器既实现了转速与转矩的传递，又解决了两端轴线的误差补偿、适应了工作时外载荷引起的轴线变位。机电一体化二、相关知识二、相关知识（三）产品的结构设计常用的基本原理2.自补偿原理（1）自增强在正常工作状态下，负载效应与初始效应的作用方向相同，总效果变好。图下图所示为自增强作用的密封装置，压力p使锥面圆盘1更紧密地压在密封2上，这就是利用压力p产生了增强密封的效果。机电一体化二、相关知识二、相关知识（三）产品的结构设计常用的基本原理2.自

4、补偿原理（2）自平衡在正常工作状态下，自平衡是指将工作力对零件的不利影响自我抵消掉。图2-14所示为齿轮泵的径向力平衡问题，在图2-14（a）所示的结构中，p1为液压力，p2为齿轮啮合力，p为主动齿轮轴承和被动齿轮轴承所承受的径向力，轴承上的径向力未实现平衡，加快了轴承的磨损，图2-14所示的结构中，在泵壳或是侧板上开有径向力平衡槽，把高压油引到低压区对应的轴上，把低压油引到高压区对应的轴上，轴承上的径向力得到了平衡，延长了轴承的寿命。机电一体化二、相关知识二、相关知识（三）产品的结构设计常用的基本原理2.自补偿原理（2）自平衡图2-14 齿轮泵径向力平衡机电一体化二、相关知识二、相关知识（三

5、）产品的结构设计常用的基本原理3.力传递原理机械中的构件与运动副都要承受并传递力，力流路线最短、力流转向平缓是减小体积提高寿命的有效方式。（1）力流路线最短如图下图为实现拉力传递的结构设计，图（a）所示结构为力流路线最短、结构尺寸最小；图（b）（c）所示的结构力流路线都长，故尺寸较大。机电一体化二、相关知识二、相关知识（三）产品的结构设计常用的基本原理3.力传递原理（2）力流转向平稳当结构的断面尺寸突然发生变化时，易引起力流方向的急剧改变，使得力流密度增加，产生引力集中。在结构设计时，应使力流变化方向平缓，以减小应力集中。如图所示为轴毂连接，图（a）所示的力流方向变化急剧，A处产生应力集中；（

6、b）所示的力流方向变化平缓，应力集中较小。机电一体化二、相关知识二、相关知识（三）产品的结构设计常用的基本原理3.力传递原理（2）力流转向平稳当结构的断面尺寸突然发生变化时，易引起力流方向的急剧改变，使得力流密度增加，产生引力集中。在结构设计时，应使力流变化方向平缓，以减小应力集中。如图所示为轴毂连接，图（a）所示的力流方向变化急剧，A处产生应力集中；（b）所示的力流方向变化平缓，应力集中较小。机电一体化二、相关知识二、相关知识（三）产品的结构设计常用的基本原理4变形协调原理在外载荷作用下，两个相邻零件的连接处，由于各自受力与变形不同，两零件间产生相对变形将引起力流密度不同形成应力集中。所谓变

7、形协调，就是使相邻零件在外载荷作用下下的变形方向相同，并尽可能减小相对变形。图2-17（a）为两板受拉；图2-17（b）为一板受拉，另一板受压，相对变形较大，变形不协调，应力分布不均匀；2-17（c）为改进设计，两板改为板厚呈线性变化的斜接口，两板相对变形几乎等于零，应力分布非常均匀。机电一体化二、相关知识二、相关知识（三）产品的结构设计常用的基本原理4变形协调原理图2-17 两焊接板的变形及应力分布机电一体化二、相关知识二、相关知识（三）产品的结构设计常用的基本原理5等强度原理若一个零件各处应力相等称为等强度。等强度充分利用了材料的力学性能，是一个好的设计方案。图2-18（a）所示强度不等，

8、而且强度差；图2-18（b）强度不等，浪费了材料；图2-18（c）所示适用于铸铁的等强度结构；图2-18（d）所示适用于钢的等强度结构。图2-18 强度机电一体化二、相关知识二、相关知识（三）产品的结构设计常用的基本原理6稳定性原理结构的稳定性是指倾翻力被恢复力平衡，系统处于稳定状态。在图2-19中，图2-19（a）所示的活塞易偏斜，是不稳定的结构；图2-19（b）所示的气缸压力能使活塞有恢复到垂直位置的倾向，达到稳定的工作状态；图2-19（c）所示的气缸压力达到活塞的下端，活塞不易倾斜；图2-19（d）所示的活塞铰接点达到上端，活塞同样不易倾斜。图2-19 保持活塞稳定的结构机电一体化二、相

9、关知识二、相关知识（三）产品的结构设计常用的基本原理7降低噪声原理噪声对人是有害的，根据JB377411984工程机械噪声限值标准规定，操作人员位置处的噪声不得大于90dB。机械噪声是由固体振动产生的，因此减小振动是降低噪声的有效手段，如图2-20所示为综合控制噪声的措施。机电一体化二、相关知识二、相关知识（三）产品的结构设计常用的基本原理7降低噪声原理图2-20 综合控制噪声的措施机电一体化二、相关知识二、相关知识（四）结构设计方法结构设计应首先满足功能的需要，其次是形体简单、美观、易于制造，便于转配、受力合理、成本不高。结构设计的方法有类比方法与计算方法，类比方法只确定零件的几何形态与相对

10、关系；计算方法确定零件的几何尺寸和装配关系。机电一体化二、相关知识二、相关知识（四）结构设计方法1.类比设计方法图2-21所示为改变阀芯表面的形状而得到不同结构的阀门；2-21（a）所示为锥形阀，2-21（b）所示为球形阀，功能基本相同，但因阀体的工作表面形状不同，流体进入阀腔内流场不同，引起的温升和能量损失也不同，图2-21（b）所示的结构性能优于2-21（a）的。图2-21 不同阀芯的阀门机电一体化二、相关知识二、相关知识（四）结构设计方法1.类比设计方法图2-21所示为改变阀芯表面的形状而得到不同结构的阀门；2-21（a）所示为锥形阀，2-21（b）所示为球形阀，功能基本相同，但因阀体的工作