机械原理(第3版)课件 第7、8章 机械动力学、机械系统的方案设计_第1页
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文档简介

第七章机械动力学第一节概述

第二节机械中的摩擦与效率

第三节机构的动态静力分析

第四节机械的平衡

第五节机械的运转及动力学模型

第六节机械系统速度波动及其调节本章研究在外力作用下机械运动速度的调节

机构原动件的运动规律往往是随时间而变化的

(t)第一节概述t

0启动阶段(startingperiodofmachinery)启动驱动功--Wd阻抗功--WrWd

WrWd=

Wr+EK

动能

一、机械运转过程的三个阶段t

TT

m0稳定运转阶段(steadymotionperiodofmachinery):

m=常值abT

a=

b启动稳定运转一个运动循中

Wd=

Wr称为周期变速稳定运转*一个运动循环中动能EK=0t

TT

m0启动稳定运转停车停车阶段(stoppingperiodofmachineryWr=EK

角速下降直到

=0为加速停车而安装制动装置(如虚线所示)t

TT

m0启动稳定运转停车t

TT

m0启动稳定运转停车

起动与制动频繁的机械大都在过渡阶段运行一般可忽略不计作用在机械上的力生产阻力驱动力重力惯性力运动副中的摩擦力取决于机械的工艺特点一般可忽略不计Md=f(s)

(蒸汽机,内燃机)Md=f(

)(电动机)二、作用在机械上的力o

M电动机特性曲线直流并激电动机电动机发出的驱动力矩与其运动参数间的函数关系曲线转速、角速度

oMo

M直流并激电动机直流串激电动机电动机特性曲线

oM

oMo

M直流并激电动机交流异步电动机直流串激电动机电动机特性曲线o

MCANBMN

0

N交流异步电动机特性曲线AB段——非稳定运转段

r

,

使机器在某一速度下稳定运转

r

,

易发生停车BC段——稳定运转段o

MCANBMN

0

N交流异步电动机特性曲线ML

L同步角速度

0额定角速度

N极限角速度

L额定力矩MN极限力矩MLo

MCANBMN

0

N交流异步电动机特性曲线机器在

N附近运转,特性曲线可用直线NC代替Md

o

MCANBMN

0

NMd

Md/(

0-

)=MN/(

0-

N

)Md=MN(

0-

)/(

0-

N

)o

MC(

0,0)AN(

N,MN)B(

L,ML)o

MC(

0,0)AN(

N,MN)B(

L,

ML)机器在整个稳定段运转,用通过B、N、C三点的二次曲线(

,Md)Md=a+b

+c

2O

MC(

0,0)AN(

N,MN)B(

L,

ML)MdMd=a+b

+c

2用边界条件B(

L,ML),N(

N,MN),C(

0,0),代入上式,可求到式中常数a、b、c

o

MC(

0,0)AN(

N,MN)B(

L,ML)MdMd=a+b

+c

2电机产品目录中可查出:

N、MN、

0,B点的

L、ML可由下式求到

过载系数o

MC(

0,0)AN(

N,MN)B(

L,ML)(

,Md)Md=a+b

+c

21)平面摩擦1移动副中的摩擦

滑块与平面构成的移动副,滑块在自重和驱动力的作用下向右移动。效率是衡量机械性能的重要指标研究机械中摩擦的主要目的在于寻找提高机械效率的途径第二节机械中的摩擦与效率2)斜面摩擦沿斜面等速上升沿斜面等速下滑3)槽面摩擦当量摩擦系数:当量摩擦角:

2螺旋副中的摩擦1).矩形螺纹螺旋副中的摩擦

2).三角形螺纹螺旋副中的摩擦拧紧力矩:防松力矩:3转动副中的摩擦1).径向轴颈的摩擦2).止推轴颈的摩擦2机械效率与自锁

1)机械效率的表达形式作用在机械上的力:驱动力生产阻力有害阻力通常把驱动力所做的功称为驱动功(输入功)Wd克服生产阻力所做的功称为输出功Wr克服有害阻力所做之功称为损耗功Wf

机械稳定运转时:机械效率:1.效率以功或功率的形式表达

机械效率等于理想驱动力与实际驱动力的比,也等于理想驱动力矩和实际驱动力矩之比。2.效率以力或力矩的形式表达1)克服同样生产的阻力Q以力的形式表达以力矩的形式表达2.效率以力或力矩的形式表达机械效率等于实际机械克服的生产阻力Q与理想机械所能克服的生产阻力Q0之比,也等于机械所能克服的实际生产阻力矩与理想生产阻力矩之比。1)克服同样生产的阻力Q以力的形式表达以力矩的形式表达2)同样驱动力F2)机械系统的机械效率

1.串联

结论:串联系统的总效率等于各机器的效率的连乘积。串联的级数越多,机械系统的效率越低。系统的总效率:

结论:并联系统的总效率不仅与各组成机器的效率有关,而且与各机器所传递的功率也有关。2.并联系统的总效率:3.混联由串联和并联组成的混联式机械系统。其总效率的求法按其具体组合方式而定。设串联部分效率为

并联部分效率为系统的总效率:3)机械的自锁机械的自锁:在实际机械中,由于摩擦的存在以及驱动力作用方向的问题,有时会出现无论驱动力如何增大,机械都无法运转的现象。此时无论F多大,均无法使滑块运动,出现自锁现象。此时驱动力作用在摩擦角内。驱动力有效分力:阻力为摩擦力:当

时有1)移动副

由于驱动力矩总小于它产生的摩擦阻力矩,故无论Q如何增大,也不能使轴转动,即出现自锁现象。作用在轴颈上的载荷为Q,当2)转动副即Q作用在摩擦圆之内。此时(,)1.机械是否发生自锁,与驱动力作用线的位置和方向有关。

1)在移动副中,若驱动力作用在摩擦角之外,则不会发生自锁;

2)在转动副中,若驱动力作用在摩擦圆之外,则不会发生自锁。总结2.若一个机械的某个环节发生自锁,则该机械必发生自锁。自锁时,驱动力不超过它产生的摩擦阻力,即此时驱动力所做的功总小于或等于由它所产生的摩擦阻力所作的功。此时机械的效率小于或等于零。

故一个机械是否会发生自锁,可以通过分析组成机械的各个环节的自锁情况来判断。故可借机械效率的计算式来判断机械是否自锁和分析自锁产生的条件。

3.系统任意环节自锁则系统自锁,故在分析机械系统的自锁特性时应注意。1)机械通常有正反两个行程,它们的机械效率一般并不相等,反行程的效率小于零的机械称为自锁机械。2)自锁机械常用于卡具、螺栓连接、起重装置和压榨机械上。3)但自锁机械的正行程效率都较低,因而在传递动力时,只适用功率小的场合。

机械运转中影响其效率的主要因素为机械中的损耗,而损耗主要是由摩擦引起的。

要提高机械的效率必须采取措施减少摩擦。一般从设计、维护和使用三个方面来考虑。3提高机械效率的途径设计方面主要采取以下措施:

尽量简化机械系统选择合适运动副形式在满足强度,刚度的条件下,减小构件尺寸设法减小摩擦减小因惯性力引起的动载荷

1.摩擦离合器12.4摩擦在机械中的应用主动轴靠近从动轴并紧密接触,两盘间的摩擦力带动从动轴转动。2.摩擦制动器3.摩擦连结刹车时,刹车片靠紧钢片,摩擦力使钢片停下来。顶尖柄撞入顶尖座后,由于顶尖柄存在小锥度,在顶尖柄和顶尖座之间产生摩擦力,锁紧顶尖。一、等效动力学模型的建立目的:通过建立外力与运动参数间的函数表达式,研究机械系统的真实运动原则:使系统转化前后的动力学效果保持不变等效构件的动能,应等于整个系统的总动能等效构件上所做的功,应等于整个系统所做功之和。第三节机构的动态静力分析等效动力学模型等效力矩:Me

等效转动惯量:Je等效力:Fe

等效质量:me二、等效量的计算等效力矩和等效力2.等效转动惯量和等效质量动能不变等效质量等效转动惯量例10-1

在图示轮系中,已知各轮齿数数分别为Z1、Z2、Z3各齿轮和系杆的质心均在其回转中心处,它们绕质心的转动惯量分别为J1、J2、J3、

JH。有二个行星轮,每个行星轮的质量为m2.若齿轮Z1处设置等效构件,求其等效转动惯量Je例10-1解:等效构件的动能为机构系统的动能为两者相等,考虑传动比关系,整理后得例10-2

在图示正弦机构中,已知曲柄1为l1,绕A轴的转动惯量为J1,构件2、3的质量为m2、m3

,作用在构件3上的阴抗力为F3=c.若等效构件在构件1处,求等效转动惯量质量,并求出阻抗力F3的等效阻抗力矩。例10-2解:根据动能相等的条件,有代入上述方程中,解得由运动分析可得例10-2由阻抗力的功率=等效阻抗力的功率,有一.研究机械平衡的目的构件的不平衡惯性力

运动副中的动压力

摩擦和内应力

机械的效率和使用寿命

,严重的会导致共振。惯性力的不良影响:机械平衡的目的:将构件的不平衡惯性力加以平衡以消除或减小惯性力的不良影响。有一些机械是利用不平衡惯性力来工作的,如:振实机、按摩机、蛙式打夯机、振动打桩机、振动运输机等。第四节机械的平衡二.机械平衡的种类1)刚性转子的平衡2)挠性转子的平衡2.机构的平衡刚性转子——刚性好、共振转速高、工作转速一般低于、弹性小。

挠性转子——质量很大、跨度很大、径向尺寸小、共振转速低、产生的变形较大。方法:基于弹性梁的横向振动理论。

对整个机构加以研究,设法使各运动构件惯性力的合力和合力偶达到完全地或部分的平衡。1.转子的平衡通过重新调整转子上质量的分布,使其质心位于位于旋转轴线上。

转子平衡设计一.刚性转子平衡设计1.静平衡设计

当转子(回转件)的宽度与直径之比(宽径比)D/b

≥5时,其所有的质量都可以看作分布在垂直于轴线的同一个平面内。根据转子结构定出偏心质量的大小和方位;计算出为平衡偏心质量需添加的平衡质量的大小及方位;在转子设计图上加上该平衡质量,以便使设计出来的转子在理论上达到静平衡。设计过程:1.静平衡设计已知:

分布于同一回转平面内的偏心质量为m1,m2和m3

从回转中心到各偏心质量中心的向径为r1,r2和r3。当转子以等角速度w转动时,各偏心质量所产生的离心惯性力分别为:F1,F2,F3。

增加一个平衡质量mb,其向径为rb

所产生的离心惯性力为Fb。要求平衡时,Fb,F1,F2,F3所形成的合力F应为零:

F=F1+F2+F3+Fb=0

质量与向径的乘积称为质径积,表示在同一转速下转子上各离心惯性力的相对大小和方位。m和e分别为转子的总质量和总质心的向径;mi和ri分别为转子各个偏心质量及其质心的向径;mb和rb分别为所增加的平衡质量及其质心的向径。转子平衡后,其总质心将与回转轴线相重合,即e=0。(2)对于静不平衡的转子,无论它有多少个偏心质量,都只需要适当地增加一个平衡质量即可获得平衡,即对于静不平衡的转子,需加平衡质量的最少数目为1。

结论:(1)静平衡的条件:分布于转子上的各个偏心质量的离心惯性力的合力为零或质径积的向量和为零。

根据质径积mbrb,确定rb和平衡质量大小。安装方向:向量图上所指的方向。为了使设计出来的转子质量不致过大,一般应尽可能将rb选大些,这样可使mb小些。

在向径rb的相反方向上去掉一部分质量来使转子得到平衡!若转子的实际结构不允许在向径rb的方向上安装平衡质量,如何做?2.动平衡设计

径宽比D/b<5的转子(多缸发动机的曲柄、汽轮机转子)。特点:轴向宽度较大,其质量分布在几个不同的回转平面内。转子的动平衡设计:根据转子结构确定出各个不同回转平面内偏心质量的大小和位置。计算出为使转子得到动平衡所需增加的平衡质量的数目、大小及方位;在转子设计图上加上这些平衡质量,以便使设计出来的转子在理论上达到动平衡。动不平衡问题:2.动平衡设计设转子上的偏心质量m1,m2和m3分别在回转平面1,2,3内,其质心的向径分别为r1、r2、r3。当转子以等角速度

w转动时,平面1内的偏心质量m1所产生的离心惯性力:

F1=m1w2。在转子的两端选定两个垂直转子轴线的平面

T'

T"

。设

T'与

T"相距

l,平面1到平面

T'

T"的距离分别为、F1可用分解到平面

T‘

和T"中的力、

来代替。2.刚性转子的动平衡设计由理论力学的知识可知

、分别为平面、

中向径为r1的偏心质量、所产生的离心惯性力。原分布在平面1、2、3上的偏心质量、、,完全可以用平面

、上的

所代替,它们的不平衡效果是一样的。对于平面

:2.动平衡设计这样,刚性转子的动平衡设计问题可以用静平衡设计的方法来解决!对于平面

无论是用解析法还是图解法,均可解出,的大小及方位。结论:

(1)动平衡的条件:当转子转动时,转子上分布在不同平面内的各个质量所产生的空间离心惯性力系的合力及合力矩均为零。2.动平衡设计(2)

对于动不平衡的转子,需加平衡质量的最少数目为2。动不平衡又称为双面平衡,而静平衡则称为单面平衡。

(3)经过动平衡的转子一定静平衡;反之,经过静平衡的转子则不一定是动平衡的。二、挠性转子平衡设计当转子的工作转速超过第一临界转速时,由离心惯性力所引起的弯曲变形增加到不可忽略的程度,且其变形量随转速变化,这类转子称为挠性转子。由于转子在运转中产生明显的变形---动挠度。要平衡其离心惯性力尽量消除其动挠度!!!用刚性转子的平衡方法是不能解决挠性转子动平衡问题二、挠性转子平衡简介(2)消除或减小转子的支承动反力,并不一定能减小转子的弯曲变形程度,而明显的动挠度对转子具有不利的影响。(1)由于存在着随角速度ω变化的动挠度y,因此在一个角速度下平衡好的转子,不能保证在其它转速下仍处于平衡状态。挠性转子动平衡的特点:机构的平衡一般存在往复运动或平面复合运动构件,其惯性力和惯性力矩不可能在构件内部平衡。设法使总惯性力和总惯性力矩在机架上得到完全或部分平衡。一.平面机构惯性力的平衡条件

要使机构作用于机架上的总惯性力F得以平衡,就必须满足

F=-mas

=0

m

机构中活动构件的总质量

as—

机构总质心S的加速度平衡条件:欲使总惯性力F=0,只有设法使总质心S静止不动。1.加平衡质量法

在某些机构中,可通过在构件中添加平衡质量的方法来完全平衡其惯性力。二、机构惯性力的完全平衡质量替代法:将构件的质量简化成几个集中质量,并使它们所产生的力学效应与原构件所产生的力学效应完全相同。

用来确定平衡质量的方法:质量替代法主导点向量法线性独立向量法本课程仅介绍质量替代法。

1.加平衡质量法

为使替代前后的力学效应完全相同,必须满足下列条件:

(1)所有替代质量之和与原构件质量相等;

(2)所有替代质量的总质心与原构件的质心重合;

(3)所有替代质量对质心的转动惯量与原构件对质心的转动惯量相同。

设一构件质量为m,其对质心S的转动惯量为Js。若以n个集中质量m1,m2...mn来替代,替代点的坐标为(x1,y1),(x2,y2),...(xn,yn)1.加平衡质量法

两点动替代:

满足上述三个条件时,替代质量产生的总惯性力和惯性力矩与原构件的惯性力和惯性力矩相等。注意:

质量动替代后,替代质量的动能之和与原构件的动能相等;而质量静替代后,动能则不相等。

质量静替代:

若只满足前两个条件,则替代质量的总惯性力和原构件的惯性力相同,而惯性力矩不同。2.对称布置法

当机构本身要求多套机构同时工作时,可采用对称布置方式使惯性力得到完全平衡由于机构各构件的尺寸和质量完全对称,故在运动过程中其总质心将保持不动。利用对称机构可得到很好的平衡效果,但机器的体积将会增大。三、机构惯性力的部分平衡部分平衡:平衡机构总惯性力中的一部分。常用的方法有:

(1)加平衡质量法

(2)近似对称布置法

(3)加平衡机构法三、机构惯性力的部分平衡

1、加平衡质量法

图示的曲柄滑块机构:用质量静替代可得到两个可动的替代质量mB和mC。

质量mB所产生的惯性力,只需在曲柄1的延长线E点处加一平衡质量me2即可完全被平衡。

质量mC作往复移动,会产生往复惯性力。可在曲柄延长线上E处再加一平衡质量me2来平衡此力。

但质量me2产生的惯性力只部分平衡往复惯性力。这只是一种近似平衡法。2.近似对称布置法

由于采用的是非完全对称布置,所以只能使惯性力在机架上得到部分的平衡。3.加平衡机构法

平衡曲柄滑块机构中一阶惯性力:用齿轮机构作为平衡机构。

只要设计时保证me1re1=me2re2=mclAB/2,就可使曲柄滑块机构中的一阶惯性力得到平衡。平衡二阶惯性力:采用一对转向相反、角速度大小为2ω的齿轮机构(图b)。

齿轮1、2上的平衡质量用来平衡一阶惯性力,齿轮3、4上的平衡质量用来平衡二阶惯性力。作用在机械上的力工作阻力驱动力第五节机械的运转及动力学模型机械的运转过程及特征作用在机械上的力及机械的运转过程阶段速度特征能量特征启动原动件的速度从零逐渐上升到开始稳定的过程Wd-Wc=E2-E1>0稳定运行原动件速度保持常数或在正常工作速度的平均值上下作周期性的速度波动Wd-Wc=E2-E1=0停车原动件速度从正常工作速度值下降到零Wd-Wc=E2-E1<0三个运转阶段的特征:1等效动力学模型的建立机械的等效动力学模型目的:通过建立外力与运动参数间的函数表达式,研究机械系统的真实运动原则:使系统转化前后的动力学效果保持不变等效构件的动能,应等于整个系统的总动能等效构件上所做的功,应等于整个系统所做功之和。等效动力学模型等效力矩:Me

等效转动惯量:Je等效力:Fe

等效质量:me2等效量的计算功率和不变等效力等效力矩等效力矩的特征:等效力矩是一个假想力矩;等效力矩为正,是等效驱动力矩,反之,为等效阻力矩;等效力矩不仅与外力(矩)有关,而且与各构件相对于等效构件的速度比有关;等效力矩与机械系统驱动构件的真实速度无关。动能不变等效质量等效转动惯量等效转动惯量的特征:等效转动惯量是一个假想转动惯量;等效转动惯量不仅与各构件质量和转动惯量有关,而且与各构件相对于等效构件的速度比平方有关;等效力矩与机械系统驱动构件的真实速度无关。机械运动方程式的建立与求解能量形式方程式机械运动方程式的建立与求解力矩形式方程式1周期性速度波动及其调节原因分析:第六节机械系统速度波动及其调节速度波动衡量指标:周期性速度波动的调节方法:安装飞轮:

机械出现盈功时,飞轮以动能的形式存储能量;机械出现亏功时,飞轮释放其存储的能量。2非周期性速度波动及其调节原因:机械工作阻力或者驱动力在工作过程中发生突变调节方法(1):自调性系统调节方法(2):安装专用调速器第八章机械系统的方案设计第一节概述

第二节机械执行系统的方案设计

第三节机械传动系统的方案设计和原动

一、机械产品设计的特点设计类型:1.开发性设计;2.适应性设计;3.变异性设计;机械设计系统组成的三大要素:1.设计工作时间表达的程序;2.解决问题的逻辑思维方式;3.解决问题的具体方法、手段;第一节概述二、机械产品的设计进程机械新产品的开发设计过程:1.计划阶段2.方案设计阶段3.技术设计阶段4.施工设计阶段计划确定设计任务书(明确设计目标、功能、性能指标)方案设计解决设计任务内容、编制要求明细决策抽象、功能分解决策寻求满足功能要求的方案方案评价不可行不可行可行可行技术设计总体设计图总体设计的技术经济评价施工设计零部件设计及优化决策编制方程式文件决策寻样制造与试验成本核算不可行不可行可行可行改进设计方案确定整体最优设计方案投产三、设计过程中的逻辑思维问题分析系统综合总体评价决策优化第二节机械执行系统方案设计1执行系统方案设计的过程和内容2执行系统的功能原理设计

根据机械预期实现的功能,考虑选择何种工作原理来实现这一功能要求。1)功能原理的构思与选择

功能原理设计的任务,就是根据机械预期实现的功能要求,构思出所有可能的功能原理,加以分析比较并根据使用要求或者工艺要求,从中选择出既能很好的满足功能要求,工艺动作又简单的工作原理。

举例:自动送料板装置的功能原理设计机械推拉原理摩擦传动原理(摩擦板)摩擦传动原理(摩擦轮)气吸原理(底吸法)气吸原理(顶吸法)总结实现某种预期的要求,可以采用多种不同的工作原理;不同的工作原理需要不同的工艺动作,这样所设计出的机械在工作性能、工作品质和适用场合等方面都会有很大的差别。2)功能原理的创造性分析综合法

将机械预期实现的功能分解为各种分功能,分析其本质,进行各分功能原理设计,最后把分功能原理组合起来,组成一个新的系统。美国阿波罗登月

思维扩展法

在进行机械功能原理设计时,设计者一定要拓宽自己的思路,广泛采用气、液、光、声。电、新材料等新技术,构思出新的功能原理。

挖土机

还原创新法

跳出已有的创造起点,重新返回到创造的原点,紧紧围绕机械预期实现的功能要求另劈新径,构思新的功能原理。

洗衣机揉搓原理

刷擦原理

捶打原理

设计模仿人手的机械手,难度大

易损坏衣物

很难把衣物各处都刷洗到

波轮洗衣机滚筒洗衣机

工艺动作十分简单,针杆做往复移动,拉线杆和摆梭做往复摆动,送布牙的轨迹由复合运动实现,这几个动作的协调配合,便实现了缝联布料的功能要求。

家用缝纫机的发明

采用摆梭使底线绕过面线将布料加紧的原理

3执行系统的运动规律设计1)工艺动作分解和运动方案选择

工艺动作分解是运动规律设计的基础,工艺动作分解的方法不同,形成的运动方案也相同。

内孔加工车床

拉床

钻床

镗床

总结同一个工艺动作,可以分解成各种简单运动,工艺动作分解的方法不同,所得到的运动规律和运动方案也相同,它们很大程度上决定了机械的特点、性能和复杂程度。

在进行运动规律设计和运动方案选择时,应综合考虑各方面的因素,根据实际情况对各种运动规律和运动方案加以认真分析和比较,从中选出最佳方案。

2)运动规律设计的创造性

运动规律的设计是一种创造性的工作。

仿真法

模拟人或者动物的动作将工艺动作进行分解,构思出实现某一工作原理的运动规律。吊车:模仿人手拿东西的动作搓元宵机

整个装置由旋转圆盘1、连杆2和3、转动构件4和机架5所组成的空间五杆机构。运动由圆盘1输入,通过装在圆盘外圈上的球形铰链带动连杆3、2和转动构件4运动,从而使工作箱做空间振摆运动,工作箱中的元宵馅在些许湿润的元宵粉末中多方向滚动,即可制成元宵。

思维扩展法

从传统的定式思维方式转向发散思维,拓展思路,尽可能采用简单易行的运动规律。钢球综合检测的装置利用滚珠在平面上跳动所走的路线来判定其是否合格。

分选不同直径钢珠的装置钢珠沿着两个斜放的不等距棒条滚动,实现钢珠尺寸分级的目的。

典型例题绘图机4

执行机构的型式设计

1)执行机构型式设计的原则1.满足执行构件的工艺动作和运动要求

运动形式、运动规律和运动轨迹2.尽量简化和缩短运动链

精确直线导向机构近似直线导向机构

简化结构减轻重量冲压机:保证曲柄转速不变

3.尽量减小机构的尺寸

保证滑块行程不变利用杠杆行程放大原理

利用活动齿轮倍增行程原理

4.选择合适的运动副形式

运动副在机械传递运动和动力的过程中起着重要作用,它直接影响到机械的结构形式、传动效率、寿命和灵敏度等。一般来说,转动副易于制造,易于保证运动副元素的配合精度,且效率较高;移动副制造较困难,不易保证配合精度,效率低且易自锁或楔紧,故一般只宜用于作直线运动或将转动变为移动的场合。转动副代替移动副实例近似直线导向机构5.考虑动力源的形式选择合适的动力源,有利于简化机构结构和改善机械性能。例:执行构件作等速往复直线运动需要单独的电动机和传动机构驱动原动件,且采用连杆机构把转动变为执行机构的等速往复直线运动,结构复杂。不仅省去了传动机构,而且一个动力源可以驱动多个执行机构,机构简单紧凑,反向时运转平稳,易于调节移动速度。

6.使执行系统具有良好的传力条件和动力特性

设计时,应注意选用具有最大传动角、最大增力系数和最高效率的机构,这样可以减小主动轴上的力矩和原动机的功率及机构的尺寸和重量;应尽量避免采用虚约束;高速运转机构应考虑平衡设计等。

7.使机械具有调节某些运动参数的能力具有调节滑块最大行程功能的机构

摆杆1可绕铰链转动,它所处的位置不同,滑块的最大行程也随之变化。摆杆1调到合适的位置后锁紧,则机构只有一个自由度。此时滑块2在1上上下滑动。

8.保证机械的安全运转必须考虑防止出现机械意外损坏或生产、人身事故。例如可以采取具有过载保护功能的带传动、设置具有自锁功能的蜗杆蜗轮机构等。

2)机构的选型利用发散思维的方法,将前人创造发明的各种机构按照运动特性或动作功能进行分类,然后根据设计对象中执行构件所需要的运动特性或动作功能进行搜索、选择、比较和评价,选出执行机构的合适形式。

1.按照执行构件所需的运动特性进行机构选型

从具有相同运动特性的机构中,按照执行构件所需的运动特性进行搜寻。当有多种机构均可满足所需要求时,则可根据上节所述原则,对初选的机构形式进行分析和比较,从中选择出较优的机构。

2.按照动作功能分解与组合原理及型机构选型

任何一个复杂的执行机构都可以认为是由一些基本机构组成的,这些基本机构具有如下基本功能:

动作功能分解组合原理总体功能可以分解成若干分功能:

U=(Ui)

i=1,2,…,m

每一个分功能又可以用不同的机构来实现:

Tj=(ti1,ti2,…,tin)

j=1,2,…,n功能-技术矩阵:

只要在矩阵的每一行任找一个元素,把各行中找出的机构组合起来,就组成一个能实现总体功能的方案。在确定了各分功能顺序的前提下方案总数为:

N=nm得到各种方案后,先剔除一些明显不成立的、不符合要求的方案,然后按照上节所述的原则,筛选出一些较合理的方案,以供进一步评价。这种方法有利于利用计算机存储、分析和选择,具有广阔前景。精锻机主机构选型举例总体功能

当加压执行构件(冲头)上下运动时,能锻出较高精度的毛坯。根据空间条件,驱动轴必须水平布置,加压执行构件沿铅垂方向移动。试构思该执行机构的若干方案。动作功能分解运动形式变换功能:将驱动轴的转动变换为冲头的移动;运动轴线变向功能将水平轴运动变换为铅垂方向运动;运动位移或速度缩小功能减小位移量(或速度),以实现增力要求。

功能-技术矩阵图

将各分功能进行组合,得出可行方案将三个分功能按不同的顺序排列,得到各种方案的示例

几种典型方案示例方案1

先由曲柄滑块机构将转动变换成移动并实现运动大小变换功能,再采用斜面机构将水平轴运动变换为铅垂方向运动并实现运动大小变换功能。特点:采用斜面机构增强了系统刚度,经过两次运动大小变换增加了锻压力。方案2

先由曲柄滑块机构将转动变换成移动并实现运动大小变换功能,再采用液压机构将水平轴运动变换为铅垂方向运动并实现运动大小变换功能。特点:经过两次运动大小变换,可见有较大的锻压力。方案3

先由曲柄滑块机构实现运动大小变换功能,再采用摆杆滑块机构将水平轴运动变换为铅垂方向的移动并实现运动大小变换功能。特点:经过两次运动大小变换,具有较大的力。缺点:系统刚度较差。方案4

先由摩擦轮机构将水平轴转动变换为铅垂轴转动,再采用螺旋机构将转动变换为往复移动并实现运动大小变换功能。特点:螺旋机构具有很好的运动大小变换功能,可产生很大的锻压力。3)机构的构型

1.选择对现有的数千种机构进行分析、研究,通过类比选择出基本机构的雏形。

2.突破以选择的雏形作为创新构型的生长点,通过扩展、组合和变异等方法去尝试突破,以获得新构思。3.重新构型在突破的基础上,重新构筑能完成预期功能且性能优良的新机构。

扩展法用类比法选择的基本机构雏形在满足运动特性或功能上有欠缺时,可以以此机构为生长点,在其上联接若干基本杆组构筑出新的机构形式。

优点:是在不改变机构自由度的情况下,能增加或改善机构的功能。

例:设计一个急回特性比较显著、运动行程比较大的执行机构

以摆动导杆机构ABC为基本机构,在其导杆CB的延长线上D点处连接一个双杆组,形成六杆机构,满足急回、扩大行程等工作要求。(2)组合法

将几种基本机构用适当的方式组合起来,实现基本机构不易实现的运动或功能。常用组合方式组合法实例

要使做往复摆动的执行构件具有显著急回特性和较大摆动行程,当不能完全满足要求时,可将摆动导杆机构与齿轮机构串联组合,这样,固结在小齿轮上的执行构件不仅具有显著急回特性,且可获得较大的摆动行程。(3)变异法

通过运动副形状、尺寸和位置安排上的变化生成新的机构型式。常用的方法有运动倒置和运动副变换等。

运动倒置

运动倒置就是机架变换。利用机架变换发现现有机构的内在联系是机构发生变异。例:人类正常步行时,脚跟相对于腰部的轨迹

以六杆机构来模拟人脚的运动,以不同构件为机架可得到不同的方案。

运动副变换

运动副是机构运动变换的主要元素,通过运动副变换生成新的机构型式是机构创新构型的途径之一。

常用的变换方式低副变异为高副

典型例题

干粉压片机的功能是将不加粘结剂的干粉料压成圆型片坯。根据生产条件和粉料的特性,决定选用电动机作为动力源,选择刚体推压传动原理。其工作过程如下:加入粉料→下冲头下沉→上下冲头加压→上冲头退回,下冲头上顶→推走片坯。试对上冲头主加压机构进行机构型式设计。根据动作功能分解与组合原理进行机构选型基本功能运动形式变换功能(将驱动轴的转动变为冲头的移动)运动方向交替变换功能(冲头往复运动)、运动缩小功能(减小速度,以获得较大压力)运动停歇功能(冲头加压)。

功能技术矩阵初选方案方案1方案2方案3方案5方案4

由于上冲头在下移行程的末端还有停歇的附加要求,而初选方案均不具备这种功能,故需进行机构创新构型,以达到设计要求。选择方案4作为原型进行机构创新构型(1)扩展法

在四杆机构连杆BC的延长线上找一点H,该点的运动轨迹中有一段直线或近似直线。在该点加一个RPR双杆组,且使GH与此直线轨迹段平行,则当H点运动在直线段上时,导杆GH将处于停歇状态,即使冲头F有了停歇功能。(2)组合法

采用四杆机构与曲柄滑块机构的串联组合,将两机构于极限位置时串联,则该位置时滑块F的速度为零,即滑块实现了近似的停歇。(3)变异法

将铰链四杆机构变为摆杆机构,得到摆动导杆机构与摆杆滑块机构的串联组合方案。再将导杆槽改为曲线槽,则可使冲头F获得准确的停歇功能。5执行系统的协调设计1)执行系统协调设计的原则

当根据生产工艺要求确定了机械的工作原理和各执行机构的运动规律、并确定了各执行机构的型式及驱动方式后,还必须将各执行机构统一于一个整体,形成一个完整的执行系统,使这些机构以一定的次序协调工作,互相配合,以完成机械预定的功能和生产过程—执行系统的协调设计。满足各执行机构动作先后的顺序性要求;满足各执行机构动作在时间上的同步性要求;满足各执行机构在空间布置上的协调性要求;满足各执行机构操作上的协同性要求;各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率;各执行机构的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高。

2)执行系统协调设计的方法工程实际中的大多数机械的工作都是周期性的,即经过一定的时间间隔后,各执行构件的位移、速度和加速度等运动参数就周期性的重复。

协调设计的步骤确定机械的工作循环周期;确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行程段及其所需时间;确定各执行构件动作间的协调配合关系。

例:冷霜自动灌装机

确定机械的工作循环周期

根据设计任务书中给定的理论生产率Q=30盒/min,计算出该机械运动的循环周期T=60/30=2s

确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行程段及其所需时间

基本动作1.输送带的连续运动

2.轮盘的间歇转动

3.顶杆的往复运动

4.定量泵活塞的往复运动

确定各执行构件动作间的协调配合关系

冷霜自动灌装机各执行机构协调配合的完整的执行系统

3

)机械运动循环图

描述各执行构件运动间相互协调配合的图—机械运动循环图

由于机械在主轴或分配轴转动一周或若干周内完成一个运动循环,故运动循环图常以主轴或分配轴的转角为坐标来编制。

例:冷霜自动灌装机的运动循环图直线式圆周式直角坐标式6方案评价与决策1).方案评价的意义

寻求一种既能实现预期功能要求,又性能优良、价格低廉的设计方案。由于工作原理、工艺动作分解方法及机构型式的不同,会形成多种设计方案。方案评价的目的在于通过科学的评价、决策来优选出最佳的方案。2).评价准则、评价指标和评价体系评价准则

设计目标从哪些方面、以什么原则、达到什么标准为优;

设计指标具体的约束限制。

评价指标系统功能:实现运动规律或运动轨迹、实现工艺动作的准确性、特定功能等;运动性能:运转速度、行程可调性、运动精度等;动力性能:承载能力、增力特性、传力特性、振动噪音等;工作性能:效率高低、寿命长短、可操作性、安全性、可靠性、适用范围等;经济性:加工难易、能耗大小、制造成本等;结构紧凑性:尺寸、重量、结构复杂性等。评价体系通过一定范围内的专家咨询,确定评价指标及其评定方法。建

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