机械工程 机械系统和机器结构

1、.,第2讲 机械系统和机器结构,.,主要内容,机械系统的基本概念 机器的功能、性能与组成 机器的功能与结构的关系 机械运动形态与变换 机械运动与控制,.,2.1 机械系统的基本概念,系统是指具有特定功能的、相互间具有一定联系的许多要素构成的一个整体，即由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体都是系统。 系统本身可分成若干个子系统，反之，系统本身可作为更大系统的一个子系统。 任何机械产品是由若干个零件、部件及装置组成的一个特定系统。,.,机器的功能与性能,机器是具有一定用途、功能的机械设备或机电一体化设备，它实际上就是一个机械系统。,机器的功能,功能即某种产品使用中表现出来的具体

2、功用。功能分为必要功能和非必要功能。必要功能又分为基本功能和附加功能。,机器的功能总是以成本为代价的，所以设计时应对机器需要哪些必要功能，去掉哪些非必要功能作出明确的决定。,.,.,同样用途、同样基本功能的机器存在的差别主要集中在规格与性能的差异上。 产品的规格反映了该产品适合的工作能力与范围。 产品的性能反映了产品的工作能力与工作质量方面的差异，经常用一系列技术指标将其表现出来。,2. 机器的规格和性能,各种机器实现其功能的性能要求大体可归纳为： 1）运动要求，如速度、加速度等； 2）动力要求，包括传递的功率、转矩等； 3）可靠性和寿命要求，如零部件的耐磨性和使用寿命等； 4）安全性要求，包

3、括系统工作安全性及操作人员安全性等； 5）体积和质量要求，如尺寸、质量等； 6）经济性要求； 7）环境保护要求； 8）产品造型要求； 9）其他特殊要求。,.,2.2 机器的组成,机器主要包括动力系统、传动系统、功能执行系统和操作与控制系统。,.,1. 动力系统,动力系统包括动力机及其配套装置，是整个机器工作的动力源。按能量转换性质的不同，动力机可分为一次动力机和二次动力机。 一次动力机是把自然界的能源（一次能源）直接转变为机械能的机械； 二次动力机是把二次能源（电能）或由电能产生的液压能、气压能转变为机械能的机械。,传动系统是把动力机的动力和运动传递给功能执行系统的中间装置，是连接动力系统和功

4、能执行系统的“桥梁”。 传动系统的主要功能有： 1）减速或增速。2）变速。3）改变运动规律形式。4）传递动力。,2.传动系统,.,操作和控制系统是使动力系统、传动系统、功能执行系统彼此协调运行，并准确可靠地完成整机功能的装置。 它的功能是控制或操作上述各子系统的起动、离合、制动、变速、换向或各部件间运动的先后次序及行程。 传统的控制系统通常由接触器、继电器、按钮开关、行程开关、电磁铁等电器组成。,3. 功能执行系统,4. 操作和控制系统,功能执行系统由执行构件和与其相连的执行机构组成，是直接完成机器本身所具有功能的部分。 功能执行系统通常处在机械系统的末端，直接与作业对象接触，其输出也是机械系

5、统的主要输出。,.,2.2 机器的结构,机器设备的用途、功能与性能的实现是靠机器的结构来保证的。,2.2.1 机器的功能与结构的关系,1. 机器的表达,在分析机器组成时，常需要特定符号、线条等图形语言来表明机器内部的构成及机构运动的传递情况，这样的图形称为机器的表达，简称机器简图。,.,机器的功能主要由机械的运动来实现，而机械的运动又需要具体的机械结构来完成。机械结构由各种机构组成。以下机构的基本型是最基本、最常用的机构形式。,2. 工程中常用的基本类型,（1）四杆机构的基本型 包括：a）全转动副四杆机构的基本型；b）含有一个移动副四杆机构的基本型；c）含有两个移动副四杆机构的基本型。,.,包

6、括： a）圆柱齿轮传动机构的基本型； b）锥齿轮传动机构的基本型； c）蜗杆传动机构基本型； d）内啮合行星齿轮传动机构的基本型。,（2）齿轮机构的基本型,.,行星齿轮,蜗轮蜗杆传动,.,包括：,（3）凸轮机构的基本型,c）直动从动件圆柱凸轮机构的基本型； d）摆动从动件圆柱凸轮机构的基本型。,a）直动从动件平面凸轮机构的基本型； b）摆动从动件平面凸轮机构的基本型；,.,包括：a）带传动机构的基本型；b）链传动机构的基本型。,（4）带、链传动机构的基本型,包括：a）液压传动机构的基本型；b）气压传动机构的基本型。,（5）液压、气压传动机构的基本型,.,（6）螺旋传动机构的基本型,（7）电磁传

7、动机构的基本型,车床进给箱,.,（8）间歇运动机构的基本型,.,3、机构的组合,单一的机构经常不能满足不同的工作需要。把一些基本机构通过适当的方式连接起来，从而组成一个机构系统，称之为机构的组合。,.,2.2.2 机械运动形态与变换,机械的主要特征就是要有运动的变换和传递。机械的运动形态只有定轴传动（含摆动和间歇转动）、往复移动及平面运动三种。 实现这三种基本运动形态的机构种类有很多，它们起到变换运动形式、变换运动速度、传递运动、合成及分解运动的作用。其中，定轴转动为基本运动形式的变换最为常用。,.,1.连续转动到连续转动的运动变换与实现机构,转动到转动的运动变换是机械中最常见的运动形式，用于

8、运动、动力的传递和速度的转换。能实现这种运动形式变换的机构有：,（1）齿轮传动机构,齿轮传动是两齿轮轮齿之间直接接触的啮合传动。它可以传递平行轴和交叉轴之间的运动和动力。前者如圆柱齿轮机构，后者如锥齿轮机构。,（2）蜗杆传动机构,蜗杆传动机构主要由蜗杆和蜗轮组成。蜗杆传动机构是用来传递两空间相错90度轴之间的运动和动力的。,.,（3）带传动机构,带传动分为平带传动、圆带传动、V带传动、同步齿形带传动等多种形式。交叉安装可实现反向传动。,.,（5）绳索传动机构,除具有带传动功能外，还可以在两轮中间加入多个中间轮，但不能传递较大载荷。,（4）链传动机构,链传动机构由主动链轮、从动链轮和链条组成，它

9、是通过链条的链节与链轮上的轮齿相啮合来传动来传递两平行轴间的运动和动力。,.,（6）液力传动机构,液力传动利用液体的动能把主动轮的转动传递到从动轮。,由于用软轴相连接，主、从动件的位置具有随意性。,（7）钢丝软轴传动机构,.,瞬心线机构如椭圆形瞬心线机构和四叶卵形瞬心线机构，可实现连续的周期性的、变速转动输出。,（8）瞬心线机构,.,能实现转动到转动运动变换的连杆机构有双曲柄机构、平行四边形机构、转动导杆机构及双转块机构等。,（9）连杆机构,.,万向联轴器是一种空间连杆机构，广泛应用在不同轴线的传动机构。可分为单万向联轴器和双万向联轴器，分别提供变速和等速转动。,（10）万向联轴器,.,2.

10、连续转动到间歇运动的变换与实现机构,在生产中某些机构常需要时动时停的间歇运动。常见的转换机构有棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、分度凸轮机构等。,（1）槽轮机构,槽轮机构由装有圆柱拨销的拨盘1和具有径向槽的槽轮2以及机架组成。拨盘是主动件，作匀速转动。槽轮是从动件，是而转动时而静止，作间歇运动。,.,棘轮机构主要由棘轮、棘爪和机架组成。 当原动件逆时针摆动时，棘轮转动一定的角度；当原动件顺时针摆动时，棘轮静止不动。故当原动件连续地往复摆动时，棘轮作单向的间歇运动。,（2）棘轮机构,.,3. 连续转动到往复摆动的运动变换与实现机构,实现连续转动到往复摆动的运动变换机构主要有曲柄摇杆机构、曲柄摇

11、块机构、摆动导杆机构、摆动从动件凸轮机构等。 如鄂式破碎机将原动机输出的连续转动变成工作机的往复摆动。,.,4.连续转动到往复直线移动的运动变换与实现机构,实现连续转动到往复直线移动的运动变换与实现机构有：曲柄滑块机构、正弦机构、凸轮机构、带或链传动机构、齿轮齿条传动机构、螺旋传动机构以及一些机构的组合。,螺旋传动由螺杆和螺母组成，当螺杆转动时，螺杆上的螺旋沿着螺母的螺旋槽运动，从而将旋转运动变换为直线移动。螺旋传动按用途可分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋三类。,(3) 螺旋传动机构,.,(4)齿轮齿条传动机构 (5)凸轮机构 (6)曲柄滑块机构,.,5.直线移动转换为直线移动的运动变换与实现

12、机构,这类转换机构大多采用液压机构，用于送料、夹紧等装置。如各类液压阀芯机构，还有如斜面机构、移动凸轮机构等。,.,6. 直线移动转换为定轴转动或往复摆动的运动变换与实现机构,直线到摆线的运动变换机构有摆臂移动凸轮机构、直线螺旋到摆动的转换机构等。,.,机、电、液机构组合的运动与控制,机、液机构组合中，液压缸一般是主动件，并驱动各种连杆机构完成预定的动作。其基本型包括单出杆固定缸、双出杆固定缸和摆动缸等。,1. 机、液机构组合的运动形态,机、液机构组合主要是液压缸系统与连杆机构系统的组合。,（1）机、液机构组合的基本型,.,单出杆固定缸和连杆机构组合的应用实例很多。可实现移动到移动的运动变换，

13、也可实现移动到摆动的运动变换。,（2）机、液机构组合的常见运动形式,1）固定液压缸式机构,活塞相对于缸体的移动转换为从动构件的摆动和缸体本身的摆动。,2）摆动液压缸式机构,.,2、电磁机构 电磁机构可用于开关机构、单磁振动机构等，其运动形态变换为电磁机械运动。,.,1) 改变电动机转向。 2) 限位开关换向：限位开关有机械式、光电式、磁式等。 3) 介轮换向：汽车的前进与倒退就是利用变速箱中的介轮来实现的。,2.2.4 机械运动与控制,机械的运动形态由机械的组成形式和机械的控制方式所决定。特别是现代机械，其机械运动形态的改变与控制方法的关系更为密切。,1. 机械运动的换向与控制,（1）旋转运动

14、的换向与控制,很多机器都有正转、反转或正转一定角度再反转一定角度的要求。,.,4) 棘轮换向,5) 摩擦轮换向,.,1) 改变电动机转向来实现往复的直线运动。 如推拉式电动大门启动，电动感应推拉门。,(2) 直线移动的换向与控制,2) 液压换向 在液压传动中，改变液流方向可实现液压缸的往复直线运动。,.,(2) 直线移动的换向与控制,这类机构有曲柄滑块机构、双滑块机构和凸轮机构等。这里机构的特点是主动机连续转动，从动件作往复直线移动。,3) 自动换向机构,.,2. 机械运动的调速与控制,在一般情况下，机械中的工作机转速不等于原动机转速，所以很多机械中都需要协调原动机和工作机之间速度的装置。即有减速器、增速器和变速器等。常见的减、变速方式有：,1）调速电动机； 2）齿轮减速器； 3）其他减速装置； 4）变速器。,.,3. 机械运动的离合与控制,机械中，有时需要在不停止原动机运转的状态下，暂时中止执行机构的工作。常用的离合器有压嵌式离合器、多片式摩擦离合器