河南理工大学机械系统设计复习课件

1、机械系统设计复习机械系统设计复习第一章第一章 概述概述整体性、相关性、自组织与动态性、目的性、优化原则整体性、相关性、自组织与动态性、目的性、优化原则 一、系统的特性一、系统的特性二、二、 机械系统的构成机械系统的构成从实现系统从实现系统系统：动力系统、传动系统、执行系统、操纵系统及系统：动力系统、传动系统、执行系统、操纵系统及控制系统等。控制系统等。功能角度功能角度来看，其主要包括下列一些子来看，其主要包括下列一些子能量流系统和信息流系统能量流系统和信息流系统从从“流流”的观点的观点出发出发，将机械系统划分为物料流系统、，将机械系统划分为物料流系统、系统的原理方案的构思系统的原理方案的构思结

2、构方案设计结构方案设计总体布局与环境设计总体布局与环境设计主要参数及技术指标主要参数及技术指标总体方案的评价与决策总体方案的评价与决策总总体体设设计计一、总体设计的主要内容一、总体设计的主要内容二二 设计任务的类型设计任务的类型2. 适应性设计适应性设计3. 变型设计变型设计1. 开发性设计开发性设计三三 设计任务的来源设计任务的来源1.指令性设计任务指令性设计任务2.来自市场的设计任务来自市场的设计任务3.考虑前瞻的预研设计任务考虑前瞻的预研设计任务1) 主功能主功能实现系统目的的功能实现系统目的的功能2) 动力功能动力功能为系统运行提供必要的能量为系统运行提供必要的能量3) 控制功能控制功

3、能信息检测、处理和控制信息检测、处理和控制4) 结构功能结构功能将各要素组合起来、形成一个统一的整体将各要素组合起来、形成一个统一的整体四四 系统的功能描述系统的功能描述五五 螺纹加工机的总体原理方案分析螺纹加工机的总体原理方案分析六六 输送液体原理解法输送液体原理解法1.1.负压效应负压效应 1)利用压力利用压力p与溶积与溶积v的关系的关系（pv=常数）常数） 2)利用流速与压力的关系，即利用流速与压力的关系，即文丘里喉管原理文丘里喉管原理2 2 惯性力效应惯性力效应1)1)利用离心惯性力将水引出利用离心惯性力将水引出。2)2)利用往复运动的惯性力利用往复运动的惯性力。3)3)虹吸原理。虹吸

4、原理。3 3 毛细管效应毛细管效应 例：例：某厂在开发一种新产品时，总体设计时选定了某厂在开发一种新产品时，总体设计时选定了A1、 A2两个候选方案。为了确定选择哪个方案，组织了一个两个候选方案。为了确定选择哪个方案，组织了一个由由10位专家组成的评价小组用模糊综合评价法对两个方位专家组成的评价小组用模糊综合评价法对两个方案进行评价。案进行评价。 专家组进行了如下几项工作：专家组进行了如下几项工作：1. 确定评价指标及评价尺度确定评价指标及评价尺度2. 确定评价指标加权系数确定评价指标加权系数3. 构造评价方案构造评价方案A1、A2的隶属度矩阵的隶属度矩阵4. 计算评价方案的综合模糊评价隶属度

5、矩阵计算评价方案的综合模糊评价隶属度矩阵5. 计算评价方案的综合得分（优先度）并优选计算评价方案的综合得分（优先度）并优选模糊评价法模糊评价法在开发某机器时，总体设计选定了两种备选方案，为了在开发某机器时，总体设计选定了两种备选方案，为了确定选择哪个方案，组织了一个由确定选择哪个方案，组织了一个由20位专家组成的评价位专家组成的评价小组用模糊综合评价法对两个方案进行评价。已知：小组用模糊综合评价法对两个方案进行评价。已知：1) 评价指标：产品性能（评价指标：产品性能（B1）、可靠性（）、可靠性（B2）、使用）、使用 方便性（方便性（B3）、制造成本（）、制造成本（B4）、使用成本（）、使用成本

6、（B5）；）； 每个评价指标划分为优、良、中等、较差、很差每个评价指标划分为优、良、中等、较差、很差5个个 等级：等级：0.9，0.7，0.5，0.3，0.1；2) 评价指标评价指标B1、B2、B3、B4、B5的权分别为：的权分别为： 0.3、0.2、0.2、0.2、0.1；3) 投票结果如下表所示：投票结果如下表所示：七七 利用模糊评价法进行方案的评选利用模糊评价法进行方案的评选评评价价指指标标评价等级（评价等级（A方案）方案）优优 良良中中等等较较差差很很差差B110 4420B210 4420B384242B484440B586420评评价价指指标标评价等级（评价等级（B方案）方案）优优

7、 良良中中等等较较差差很很差差B186420B284422B384242B464424B564640一一 物料流的基本概念及其重要性物料流的基本概念及其重要性物料流指的是机械系统工作过程中的一切物料的运动变化过物料流指的是机械系统工作过程中的一切物料的运动变化过程。各种物料的流动构成了机械工作的整个过程。物料流系程。各种物料的流动构成了机械工作的整个过程。物料流系统设计的重要性主要体现在以下几个方面：统设计的重要性主要体现在以下几个方面：1.物料流系统决定了机械系统的总体布置。物料流系统决定了机械系统的总体布置。物料流的输入和输出受制于周围环境，当输入和输出确定后，物料流的输入和输出受制于周围

8、环境，当输入和输出确定后，其系统的能量流的位置就能确定下来。其系统的能量流的位置就能确定下来。2.物料流系统决定了能量流系统的主要参数。物料流系统决定了能量流系统的主要参数。能量流所提供的能量主要用于物料的运动、变形等目的。能能量流所提供的能量主要用于物料的运动、变形等目的。能量流中动力机的容量主要取决于物料的量和性质。量流中动力机的容量主要取决于物料的量和性质。3.物料流系统是信息流系统的主要控制对象。物料流系统是信息流系统的主要控制对象。信息流的主要作用是根据机械系统工作进程的具体情况对工信息流的主要作用是根据机械系统工作进程的具体情况对工作进程进行必要的操纵和调整。作进程进行必要的操纵和

9、调整。二二 物料流的组成物料流的组成 物料流一般由物料流一般由加工加工、输送输送、储存储存、检验检验几部分组成。几部分组成。存储子系统存储子系统、输送子系统输送子系统以及以及定位装夹装置定位装夹装置，执行子系统执行子系统。三三 物料流系统的构成物料流系统的构成四四 储料装置可设计成料仓式或料斗式储料装置可设计成料仓式或料斗式。料仓式储料装。料仓式储料装置需要人工将坯料按一定方向摆放到仓内，料斗式储置需要人工将坯料按一定方向摆放到仓内，料斗式储料装置只需将坯件倒入料斗，由料斗自动完成定向。料装置只需将坯件倒入料斗，由料斗自动完成定向。 带输送系统带输送系统主要由主要由输送带输送带、传动装置传动装

10、置、托辊托辊、张紧张紧装置装置组成。利用带与组成。利用带与物料之间的摩擦力物料之间的摩擦力实现输送功能。实现输送功能。 链输送系统链输送系统由由链条链条、链轮链轮，以及，以及动力设备动力设备、减速器减速器、联轴器联轴器等组成的传动装置构成。长距离输送时，还应等组成的传动装置构成。长距离输送时，还应附加附加张紧装置张紧装置和和链条支撑导轨链条支撑导轨。五五 带式输送系统和链输送系统的组成带式输送系统和链输送系统的组成六六 定位与夹紧定位与夹紧 在机械系统的工作过程中，物料应占有正确的位置（在机械系统的工作过程中，物料应占有正确的位置（定位定位），并在一定的力作用下保持这一正确位置相对不变（并在一

11、定的力作用下保持这一正确位置相对不变（夹紧）夹紧），这一整个过程称为这一整个过程称为装夹。装夹。七七 工件在夹具中的定位通常有几种情况工件在夹具中的定位通常有几种情况安全定位 不完全定位 欠定位 重复定位1) 六点的定位原则六点的定位原则 把用适当分布的与工件接触的六个支撑点来限制六个把用适当分布的与工件接触的六个支撑点来限制六个自由度的规则。自由度的规则。2) 夹紧夹紧夹紧装置组成：力源装置和夹紧机构夹紧装置组成：力源装置和夹紧机构 第四章第四章 机械系统的能量流设计机械系统的能量流设计一一 机械系统的能量流理论主要包括以下几个要点机械系统的能量流理论主要包括以下几个要点1. 机械工作状态机

12、械工作状态能量信息论能量信息论2. 机械工作状态机械工作状态能量损失论能量损失论3. 机械工作过程机械工作过程节能效益论节能效益论由于机械工作过程中工作状态和系统结构的变化，都会引起某一部分由于机械工作过程中工作状态和系统结构的变化，都会引起某一部分能量状况的变化，因此机械系统的能量流动状态是工作机械运行状态能量状况的变化，因此机械系统的能量流动状态是工作机械运行状态的综合反映，包含着丰富的工作状态信息。的综合反映，包含着丰富的工作状态信息。 机械工作过程中，由于工作系统自身运转要消耗很大一部分功率，即空载机械工作过程中，由于工作系统自身运转要消耗很大一部分功率，即空载功率，这部分能量在系统输

13、入的总能量汇总所占的比例较大。其次，载荷功率，这部分能量在系统输入的总能量汇总所占的比例较大。其次，载荷损耗也在系统输入能量中占有一定比例损耗也在系统输入能量中占有一定比例,特别是变负载过程，存在能量损失特别是变负载过程，存在能量损失非常严重。非常严重。 机械在工作过程中的几个关键性指标如磨损、噪声、振动、热变形等都机械在工作过程中的几个关键性指标如磨损、噪声、振动、热变形等都与机械的能量损耗存在着密切联系或一定的依存关系，因此，在进行机与机械的能量损耗存在着密切联系或一定的依存关系，因此，在进行机械系统设计时，进行节能研究，减少机械的能量损失，有利于改善机械械系统设计时，进行节能研究，减少机

14、械的能量损失，有利于改善机械的其他性能。的其他性能。 二、工作机械载荷的构成二、工作机械载荷的构成1. 1. 工作阻力工作阻力2. 2. 摩擦力摩擦力3. 3. 自重载荷自重载荷4. 4. 外部动载荷外部动载荷5. 5. 传动系统的动载荷传动系统的动载荷6. 6. 其它载荷其它载荷动力机是一种将动力机是一种将其他能源转换成机械能的装置其他能源转换成机械能的装置，是机械，是机械系统中的驱动部分，又称原动机。常用的动力机有电动系统中的驱动部分，又称原动机。常用的动力机有电动机、内燃机、液压马达及气动马达等。机、内燃机、液压马达及气动马达等。三三 动力机的概念及组成动力机的概念及组成动力机的机械特性

15、动力机的机械特性动力机输出的转矩与动力机输出的转矩与转速的关系转速的关系四四 内燃机的机械特性内燃机的机械特性1） 全负荷速全负荷速度特性度特性2） 负荷特性负荷特性3） 通用特性通用特性全负荷速度特性用来判断发动机的动力性，用负全负荷速度特性用来判断发动机的动力性，用负荷特性来判断发动机在某一转速下运行的经济性。荷特性来判断发动机在某一转速下运行的经济性。通用特性能全面地表示发动机性能。通用特性能全面地表示发动机性能。在电动机的工作段，电动机转速随转矩的增加而略降低的机械特性在电动机的工作段，电动机转速随转矩的增加而略降低的机械特性称为硬特性。称为硬特性。MN五五 电动机的机械特性电动机的机

16、械特性 在各种机械系统中都大量的存在着各种运动构件，在各种机械系统中都大量的存在着各种运动构件，它们分别具有传动、操纵和执行功用。根据其功它们分别具有传动、操纵和执行功用。根据其功用不同，称之为用不同，称之为传动系统传动系统 、执行系统、操纵系统，、执行系统、操纵系统，总称为机械运动系统总称为机械运动系统传动系统处于能量流系统中的中间位置，传动系统处于能量流系统中的中间位置，组成组成传动联系的一系列传动件称为传动链传动联系的一系列传动件称为传动链，所有，所有传传动链动链及它们之间的及它们之间的相互联系相互联系组成传动系统。组成传动系统。作用：是将原动机的运动或动力传给执行机构。作用：是将原动机

17、的运动或动力传给执行机构。传动系统传动系统主要是由主要是由变速装置、起停与换向装置、变速装置、起停与换向装置、制动装置以及安全保护装置制动装置以及安全保护装置组成。组成。 对于降速传动链，传动顺序应对于降速传动链，传动顺序应 “前多后少前多后少” ，使位于高速轴的传动构件多些，这对于节省材使位于高速轴的传动构件多些，这对于节省材料，减小变速箱的尺寸和重量都是有利的。料，减小变速箱的尺寸和重量都是有利的。变速顺序是指变速顺序是指基本组基本组和和扩大组扩大组的排列顺序的排列顺序 确定各变速组传动比确定各变速组传动比 确定变速顺序确定变速顺序 确定传动顺序确定传动顺序多轴变速传动系统的设计步骤多轴变

18、速传动系统的设计步骤已知某制管机的变速传动系统中，电动机已知某制管机的变速传动系统中，电动机转速转速1440r/min，工作主轴转速，工作主轴转速n=45250r/min，变速级数为变速级数为6级。试设计该传动系统。级。试设计该传动系统。解：解：1） 确定结构式确定结构式 采用两个变速组，根据传动轴顺序应前多后少，采用两个变速组，根据传动轴顺序应前多后少，变速顺序基本组在前、扩大组在后的原则，采用变速顺序基本组在前、扩大组在后的原则，采用结构式为结构式为6=3(1) 2(3)例题例题2） 确定传动链中是否需要定比传动副确定传动链中是否需要定比传动副 本例执行机构的转速都比电动机转速低，属于降速

19、本例执行机构的转速都比电动机转速低，属于降速传动链，总降速比传动链，总降速比i总总=nm/nl=1440/45=32。 若一对齿轮的最大降速比为若一对齿轮的最大降速比为4，则至少需要三对，则至少需要三对降速传动副。降速传动副。 根据总体布置需要，电动机和变速箱之间要用根据总体布置需要，电动机和变速箱之间要用一级带传动一级带传动3） 拟定转速图拟定转速图由已知条件知道所需变速范围由已知条件知道所需变速范围 R=n6/n1=250/45=5.6相应的公比为相应的公比为6-1=5.6，即，即=1.41。设系统的最大变速级数为设系统的最大变速级数为Z，则由，则由nminZ-1=nmax得：得：111+

20、41.1lg)45/1440lg(=1+lg)/lg(=minmaxnnZ画画12条等距水平线表示转速线条等距水平线表示转速线分配降速传动比分配降速传动比画变速组的其他传动副连线画变速组的其他传动副连线画出传动副的全部连线画出传动副的全部连线 轴上用点轴上用点A代表电动机转速，在轴代表电动机转速，在轴V上标出上标出12级转速级转速的数值。最低转速的数值。最低转速n1=45r/min与轴与轴V交点标上交点标上E。由转。由转速图可以看出速图可以看出A点和点和E点相邻大约点相邻大约10格，表示总降速比格，表示总降速比大约为大约为1010 画画12条等距水条等距水平线表示转速线平线表示转速线分配降速传

21、动比分配降速传动比 首先，确定中间轴的首先，确定中间轴的B、C、D三个点的位置，三个点的位置，其中其中AB和和DE代表代表两对定两对定比传动副比传动副的降速比，的降速比，BC和和CD代表两个变速组的代表两个变速组的最大降速比。最大降速比。 取轴间取轴间、的降速比为的降速比为，轴，轴、间的降速比为间的降速比为2 2，轴轴、间的降速比为间的降速比为3 ，轴，轴、间的降速比为间的降速比为4，符，符合降速传动比合降速传动比“前小后大前小后大”递降递降的原则，有利于中间轴的转速。的原则，有利于中间轴的转速。画变速组的其他传动副连画变速组的其他传动副连线线 轴轴、间是基本组，间是基本组，其级比指数为其级比

22、指数为1，故三，故三条连线在转速图上各相条连线在转速图上各相邻一格，从邻一格，从C点向上每点向上每隔一格取隔一格取C1、C2点，连点，连接接BC、BC1和和BC2得基得基本组的三条传动副连线，本组的三条传动副连线，它们的传动比分别为它们的传动比分别为 2 2 、 、和、和1 1 轴轴、间是扩大组，间是扩大组，有两对齿轮副，其级比有两对齿轮副，其级比指数为指数为3，故两条连线，故两条连线在转速图上相邻三格，在转速图上相邻三格，从从D点向上隔三格取点向上隔三格取D1点，连接点，连接CD和和CD1得得扩大组的两条传动副扩大组的两条传动副连线，它们的传动比连线，它们的传动比分别为分别为3 3和和1 1

23、画出传动副的全部连线画出传动副的全部连线 转速图上两根轴线之转速图上两根轴线之间的平行线代表同一对间的平行线代表同一对齿轮传动，所以从轴齿轮传动，所以从轴的的C1、C2点分别画点分别画C和和CD1的平行线，使轴的平行线，使轴得到六种转速，再画得到六种转速，再画DE的平行线，使轴的平行线，使轴得到得到6种转速。种转速。根据普通车床的主传动系统图绘制转速图根据普通车床的主传动系统图绘制转速图三个传动组：三个传动组： 三对传动副三对传动副 两对传动副两对传动副 两对传动副两对传动副I, II, III, IV分别有分别有1，3，6，12个转速。个转速。齿轮齿轮1与主轴固连，与主轴固连，齿轮齿轮6通过

24、进给箱与通过进给箱与丝杠相连丝杠相连传递路线传递路线123456操纵手柄反时针旋操纵手柄反时针旋转角度后为虚线位转角度后为虚线位置，置，2脱离啮合脱离啮合传递路线传递路线13456齿轮换向机构（惰轮机构）齿轮换向机构（惰轮机构） (a)外侧布置外侧布置 (b) 内侧布置内侧布置 设计带式制动器时，应分析制动轮的转动方向及制动设计带式制动器时，应分析制动轮的转动方向及制动带的受力状态。带的受力状态。 3）控制元件控制元件 对系统中油液压力、流量等进行调节对系统中油液压力、流量等进行调节或控制的元件，如溢流阀、节流阀等或控制的元件，如溢流阀、节流阀等4） 辅助元件辅助元件 油箱、过滤器、油管等油箱

25、、过滤器、油管等2）能量输入元件能量输入元件 包括泵等包括泵等1）能量的输出元件能量的输出元件 通过机械接头将流体能量通过机械接头将流体能量 传递给载荷，包括马达、液压缸等传递给载荷，包括马达、液压缸等液压传动的主要元件液压传动的主要元件 执行系统由执行系统由执行末端件（执行构件）执行末端件（执行构件）和与之相连的和与之相连的执行机执行机构构组成。组成。执行机构的作用是传递和变换运动与动力，即把传动系统传执行机构的作用是传递和变换运动与动力，即把传动系统传递过来的运动与动力进行必要的变换，以满足执行构件的要递过来的运动与动力进行必要的变换，以满足执行构件的要求。其功能如下：求。其功能如下：夹持夹持搬运搬运分度与转位分度与转位检测检测加载加载按执行系统按执行系统对运动和动力的不同要求对运动和动力的不同要求可分为：可分为：动作型、动力型、动作动力型