《机械系统设计》电子教案cue

机械系统设计电子教案 第一章 绪论重点：机机械，机机械系统统的相关关概念及及学科中中的位置置。难点：学学习机械械系统设设计课程程的重要要性。讲授提示示与方法法：回顾顾机械工工程的发发展历程程，注重重机械系系统的整整体性，提提高学生生对机械械系统设设计的认认知程度度。1.1机机械系统统设计在在机械工工程科学学中的地地位及作作用一、机械械工程科科学1. 机械工程程科学的的定义：机械工程程科学是是研究机机械产品品（或系系统）的的性能、设设计和制制造的基基础理论论与技术术的科学学。2. 机械工程程科学的的组成：P1图11.1（1） 机械学：机械设设计过程程（核心心部分）；（2） 机械制造造：机械械制造过过程（基基础部分分）。3. 机械学所所包含的的内容：P3图11.5二、机械械、机械械系统、系系统1. 机械：关关于机械械的定义义，目前前尚无严严格的定定论，一一般可归归纳为：（1） 须由两个个以上的的零、部部件组成成；（2） 这些零、部部件的运运动部件件，应按按设计要要求作确确定的运运动；（3） 将外来的的能源转转变为有有用的机机械功。【举例】 机械械产品：汽车、拖拖拉机、机机床、钟钟表2. 系统：是是指具有有特定功功能的、相相互间具具有一定定联系的的许多要要素构成成的一个个整体。即即由两个个或两个个以上的的要素组组成的具具有一定定结构和和特定功功能的整整体都是是系统。3. 机械系统统：由若若干个零零、部件件及装置置组成的的，彼此此间有机机联系，并并能完成成特定功功能的系系统，称称之为机机械系统统。4. 系统应具具有下述述特性：（1） 目的性：完成特特定的功功能（2） 相关性与与整体性性：1） 相关性：各构成成要素之之间是相相互联系系的2） 整体性：评价一一个系统统的好与与坏要看看该系统统的整体体功能（3） 环境的适适应性：系统对对外部环环境变化化和干扰扰有良好好适应性性三、机械械系统的的组成：P4图11.61. 动力系统统：为系系统提供供能源（动动力源）2. 执行系统统：是系系统的执执行输出出部分3. 传动系统统：把运运动和动动力由动动源传递递给执行行系统的的中间环环节4. 操纵、控控制系统统：使前前三者协协调动作作和运行行5. 支承系统统：支承承和联系系各机件件6. 润滑、冷冷却与密密封系统统：四、机械械系统的的地位与与作用几乎任何何产品都都离不开开机械系系统，它它涉及到到社会的的各领域域。1.2机机械系统统设计的的任务、基基本原则则及要求求一、机械械系统设设计的任任务及设设计类型型：1. 机械系统统设计的的任务：是开发新新的产品品和改造造老产品品。最终目的的是为市市场提供供优质高高效、价价廉物美美的机械械产品，以以取得较较好的经经济效益益。2. 设计类型型：（1） 全创新设设计（2） 适应性设设计（3） 变异性设设计二、机械械系统设设计的基基本原则则及要求求1. 设计的基基本原则则和法规规：（1） 需求原则则（2） 信息原则则（3） 系统原则则（4） 优化、效效益原则则2. 设计要求求：（1） 功能要求求（2） 适应性要要求（3） 可靠性要要求（4） 生产能力力要求（5） 使用经济济性要求求（6） 成本要求求 三、产品品设计、产产生过程程 P10图图1.112产品策化化 产品品设计 产品生生产 产产品销售售 产品品运转 产品报报废回收收1.3机机械系统统设计方方法及机机械设计计学发展展简介一、机械械系统的的设计方方法1. 传统设计计方法静态的半半理论半半经验的的设计方方法2. 现代设计计方法是一种广广义的设设计和分分析科学学方法学学的简称称，其实实质是科科学方法法论在设设计中的的应用。（1） 现代设计计方法的的特征1） 时域特征征2） 哲理特征征3） 质量特征征4） 目标与手手段特征征（2） 现代设计计方法的的主要内内容信息方法法、系统统论方法法、控制制论方法法、优化化方法、对对应论方方法、智智能论方方法、寿寿命论方方法、离离散论方方法、模模糊论方方法、突突变论方方法、艺艺术论方方法等。3. 现代设计计方法与与传统设设计方法法的比较较二、机械械设计发发展简史史1. 直觉设计计阶段2. 经验类比比设计阶阶段3. 传统设计计阶段（定定性设计计阶段）4. 现代设计计阶段（计计算机辅辅助设计计阶段）P14图图1.113三、发展展方向及及前沿技技术1. 计算机辅辅助设计计2. 并行工程程设计3. 虚拟设计计4. 动态设计计5. 快速设计计6. 设计自动动化技术术7. 工业设计计作业题题与思考题题1. 什么是机机械工程程科学？它由那那几个部部分组成成？2. 机械的基基本特征征有哪些些？3. 什么叫机机械系统统？它有有哪些主主要组成成部分？4. 什么是系系统？它它有哪些些特征？5. 机械系统统有哪些些种设计计类型？6. 机械系统统设计有有哪些基基本设计计原则和和法规？7. 机械系统统设计应应满足哪哪些设计计要求？8. 机械系统统设计中中传统设设计方法法与现代代设计方方法有哪哪些区别别？9. 机械设计计可以分分为哪几几个发展展阶段？第二章 机械系统统总体设设计重点：功功能原理理设计的的基本概概念，主主要设计计参数及及其确定定方法。难点：各各主要设设计参数数的特点点及所适适用场合合。讲授提示示与方法法：强调调总体设设计在机机电产品品开发应应用中的的重要性性，强化化机械系系统的设设计方法法和步骤骤；充分分利用多多媒体课课件，多多以实例例说明解解释各概概念和各各项设计计参数。总体设计计是产品品设计的的关键，对对产品的的技术性性能，经经济指标标，外观观造型等等具有决决定性意意义。内容包括括：功能能原理设设计、总总体布局局、主要要技术参参数、技技术经济济分析。2.1机机械系统统的功能能原理设设计一、功能能的定义义及其分分类1. 功能：是系统必必须实现现的任务务，或者者说是系系统具有有转化能能量、运运动或其其它物理理量的特特性。或或称：指指输入、输输出量之之间的因因果关系系。2. 功能的分分类： 基基本功能能必要功能能功能 附加功功能非必要功功能二、功能能原理设设计及其其特点1. 功能原理理设计：是针对所所设计产产品的主主要功能能提出一一些原理理性的构构思。【例2.1】剪剪草机 P177图2.1【例2.2】平平板玻璃璃制造 P17图图2.222. 功能原理理方案设设计的任任务：针对某一一确定的的功能要要求，去去寻求一一些物理理效应并并借助某某些作用用原理来来求得一一些实现现该目标标的解法法原理。3. 主要工作作内容：构思能实实现功能能目标的的新的解解法原理理。尽可可能多地地提出创创新构思思。比较较后择优优。4. 工作步骤骤：P18图图2.33分析 综综合 评评价决策策5. 功能原理理设计具具有如下下特点：（1） 功能原理理设计是是用一种种新的物物理效应应来代替替旧的物物理效应应，使所所设计系系统的工工作原理理发生根根本变化化。（2） 功能原理理设计中中往往要要引入某某种新技技术、新新材料、新新工艺，但但首先要要求设计计人员有有一种新新想法、新新构思。（3） 功能原理理设计的的系统发发生质的的变化。三、功能能原理设设计的设设计方法法“黑箱法法”“黑箱法法”是根据据系统的的输入、输输出关系系来研究究实现系系统功能能目标的的一种方方法，即即根据系系统的某某种输入入及要求求获得某某种输出出的功能能要求，从从中寻找找出某种种物理效效应或原原理来实实现输入入输出出之间的的转换，得得到相应应的解决决办法，从从而推求求出“黑箱”的功能能结构，使使“黑箱”逐渐变变成“灰箱”、“白箱”的一种种方法。1. “黑箱法法”原理：P19图图2.66用“黑箱箱法”与输入入量、输输出量及及周围环环境的信信息联系系。了解解系统（产产品）的的功能、特特性，进进一步探探索系统统的机理理与功能能。 2. 注意的问问题：（1） 突出必要要功能和和基本功功能。（摒摒弃附加加功能和和非必要要功能）。（2） 输入、输输出量的的内容：1） 物料流：材料、毛毛坯、半半成品、成成品、液液体、气气体等。2） 能量流：电能、光光能、机机械能、热热能等。3） 信息流：数据、测测量值、控控制信号号、波形形等。（3） 摆脱具体体的设计计对象。（按按系统功功能和三三大流的的描述来来简化问问题）【例图】自自行车功功能原理理系统图图P18图图2.44【例图】车车床“黑箱”示意图图 P19图图2.55四、功能能元、功功能结构构1. 功能元：只能直接接从技术术效应（物物理效应应、数学效应应等）及及逻辑关关系中找找到可以以满足功功能要求求的最小小单位。总功能 分功功能 基本功功能单元元（功能能元）（1） 物理功能能元：输入、输输出量（能能量、物物料、信信号流）的的基本物物理动作作。P220表22.1（2） 数学功能能元：机械传动动中的数数学关系系。P221表22.2（3） 逻辑功能能元：主要用信信息和控控制系统统中。PP21表表2.332. 功能结构构：P22图图2.77功能的分分解和组组合关系系称为功功能结构构。（1） 功能结构构示意图图：（2） 以功能元元为基础础，组合合成功能能结构的的方式有有三种基基本类型型：串联联结构、并并联结构构和循环环结构（又又称环状状结构）。P22图2.8（3） 功能结构构图的绘绘制步骤骤：P223图22.100注意问题题：需逐逐渐完善善系统功功能结构构，不是是一次完完成，要要随设计计不断修修改。【例2.3】材材料拉伸伸试验机机的功能能结构图图 P23图图2.99五、功能能元（分分功能）求求解 功能元元是功能能结构图图中最基基本的单单位，每每个功能能元都要要找出相相应的技技术、物物理效应应来实现现。功能元的的求解方方法：1. 参考有关关资料、专专刊或产产品求解解法（利利用所学学知识类类比）；2. 利用各种种创造性性方法以以开阔思思想去探探讨求解解法（新新构思）；3. 利用设计计目录求求解法（把把各种机机构综合合成表）P2425图图2.111、112、113【例2.4】设设计手动动订书打打孔机设计要求求：手柄柄旋转、打打孔针直直线往复复运动、杆杆件数目目为4个个、省力力。求解步骤骤：第一步：确定总总功能第二步：总功能能分解第三步：查目录录求解 P255图2.13第四步：增力机机构 PP25图图2.112第五步：绘制原原理方案案图 PP26图图2.114六、系统统（产品品）原理理方案的的综合各功能元元的局部部解合理理地组合合，就可可以得到到一个系系统的多多个原理理解。组组合的方方法可以以用形态态矩阵法法（模幅幅箱法利用用形态方方法建立立）。1. 形态矩阵阵法（模模幅箱法法）：把每个（系系统的）功功能元和和所对应应的各解解分别作作为纵、横横坐标，列列出“功能求求解矩阵阵”，然后后从每个个功能元元中取一一个对应应解进行行组合，以以构成系系统解的的方法。【例2.5】试试设计露露天矿开开采挖掘掘机的原原理方案案求解步骤骤：第一步：总功能能转换关关系“黑箱箱法”P266图2.15第二步：总功能能分解（1） 分解依据据 PP27图图2.116（2） 总功能分分解 P277图2.17第三步：建立功功能结构构图 P288图2.18（1） 输入、输输出关系系（2） 建立一级级功能结结构图（3） 建立二级级功能结结构图第四步：寻找原原理解和和原理解解组合 P228表22.4组合方案案数=103368方案1为为履带式式正铲机机械挖掘掘机(AA1+BB1+CC2+DD2+EE1+FF1+GG2+HH2+II1)方案2为为轮胎式式正铲液液压挖掘掘机(AA3+BB1+CC1+DD2+EE1+FF2+GG3+HH1+II2)根据设计计对功率率的要求求可知，在在能量传传递与分分配过程程中，采采用链传传动和皮皮带传动动是不相相容的，应应去掉。故故组合方方案数=51184。在在众多的的方案中中，进行行定性筛筛选，然然后进行行详细评评价，最最后决策策最佳方方案。2. 相容性：两种功能能或结构构比较后后的可行行性分析析结果。（1） 相容性矩矩阵 P229表22.5（2） 选择表 P300表2.6、22.7七、功能能原理设设计举例例【例2.6】瓶瓶盖整列列装置的的原理方方案设计计设计要求求：把一一堆不规规则放置置的瓶盖盖整列成成口朝上上的位置置逐个输输出。瓶瓶盖的形形状和尺尺寸见图图2.119。瓶瓶盖质量量为m=10gg；整列列速度1100个个/分钟钟；能量量为2220V交交流和高高压气（压压力0.6Mppa）；其余功功能要求求见表22.8。求解步骤骤：第一步：明确任任务要求求第二步：功能分分析（1） 总功能 P332图一一（2） 总功能分分解 P322图二第三步：功能元元求解 P332表22.9第四步：功能元元组合 P333图22.200 解的方方案数：N=886637=660488种第五步：评价与与决策 P333表22.1002.2结结构总体体设计一、结构构总体设设计的任任务和原原则1. 结构总体体设计的的任务及及重要性性（1） 结构总体体设计的的任务：是将原理理方案设设计结构构化，即即绘制结结构总图图。（2） 结构总体体设计的的重要性性：满足功能能要求，保保证产品品质量和和可靠性性，降低低产品成成本等。工作包括括两个方方面，即即“质”的设计计和“量”的设计计。所谓谓“质”的设计计是指“定形”设计，有有系统的的定形和和零部件件的定形形。这部部分工作作对产品品的质量量有决定定性意义义。“量”的设计计则指选选择材料料、确定定尺寸和和零部件件进一步步详细设设计等。2. 结构总体体设计原原则（1） 明确原则则：包括括功能明明确、工工作情况况明确和和结构的的工作原原理明确确。（2） 简单原则则：在满满足使用用要求（总总功能）的的前提下下，尽量量使整机机，部件件和零件件的结构构简单，且且数目少少。同时时具有简简化、简简便、简简明、简简易、减减少等多多重含义义。（3） 安全可靠靠原则：包括构构件的可可靠性、功功能的可可靠性、工工作安全全性和环环境安全全性。二、结构构总体设设计步骤骤P35图图2.2221. 初步设计计：（1） 设计要求求（2） 主要功能能载体的的初步设设计主要功能能载体：完成主主要功能能的构件件。（3） 按比例绘绘制主要要结构草草图（4） 检查主、辅辅功能载载体结构构（5） 设计结果果初评及及选择2. 详细设计计：（1） 各功能载载体的详详细设计计（2） 补充、完完善结构构总体设设计草图图（3） 对完善的的结构总总体草图图进行审审核（4） 进行技术术、经济济评价3. 结构总体体设计的的完善和和审核：主要对关关键问题题和薄弱弱环节进进行技术术经济分分析（是是否达到到目标）。方法：优优化设计计、可靠靠性设计计、专家家系统使使用、经经济性评评价等。三、总体体布置设设计就是确定定机械系系统中各各子系统统之间的的相对位位置关系系及相对对运动关关系，使使总系统统具有一一个协调调完善的的造型。考虑问题题：设计计内容、人人机关关系、对对环境的的适应性性、对外外界环境境的影响响（性能能、操作作、观察察、调整整、控制制、防护护等）。1. 总体布置置设计的的基本要要求：（1） 功能合理理（2） 结构紧凑凑、层次次清晰、比比例协调调（3） 充分考虑虑产品的的系列化化及发展展2. 机械系统统总体布布置的基基本类型型：（1） 按工作机机构的空空间几何何位置可可分为：1） 平面式2） 空间式（2） 按执行机机构的布布置方向向可分为为：1） 平式2） 直立式3） 倾斜式4） 圆弧式（3） 按原动机机与机架架的相对对位置可可分为：1） 前置式2） 中置式3） 后置式（4） 按工作机机构的运运动关系系可分为为：1） 转式2） 直线式3） 振动式（5） 按机架（或或机壳）的的形式可可分为：1） 整体式2） 剖分式3） 组合式4） 单柱式（开开式）5） 龙门式（闭闭式）6） 悬臂式 P337图22.233四、总体体（主要要）参数数的确定定总体参数数是结构构总体设设计和零零部件设设计的依依据。1. 性能参数数（生产产能力）：机械系统统的理论论生产能能力是指指设计生生产能力力在单单位时间间内完成成的产品品数量，亦亦可以称称之为机机械系统统的生产产率。设设加工一一个工件件或装备备一个组组件所需需的循环环时间为为式中：TT机械械系统的的一个工工作循环环时间或或称工作作周期时时间，常常用单位位有小时时、分钟钟等；工作作时间；辅助助工作时时间。则机械系系统的生生产率QQ为生产率QQ的单位位由工件件的计量量和计时时单位而而定，常常用的单单位有件件/小时时、米/分钟、米米/分钟钟、米/小时、千千克/分分钟等。2. 尺寸参数数：尺寸参数数主要是是指影响响机械性性能和工工作范围围的主要要结构尺尺寸和作作业位置置尺寸。如：外形形尺寸、主主要部件件尺寸、工工作行程程、加工工范围等等。【例2.10】确确定颚式式破碎机机钳角PP41图图2.2293. 运动参数数：（1） 最高、最最低转速速：1） 最高转速速：2） 最低转速速：3） 变速范围围：【例2.11】P42表2.11（2） 转速数列列：，（按等等比数列列分级）1） 转速级数数Z2） 公比值:则变速范范围：3） 转速损失失率：a. 相对转速速损失率率：b. 最大相对对转速损损失率：【例2.12】（3） 标准公比比和标准准数列：转速是由由小到大大递增的的，所以以应大于于1，并并规定最最大相对对转速损损失率不不超过550%，则则相应公公比不应应大于22，故112。1） 标准公比比：1.06、11.122、1.26、11.411、1.58、11.788和22） 标准数列列：P445表22.122（4） 公比的选选用：从使用性性能方面面考虑，公公比最好好选得小小一些，以以便减少少相对转转速损失失。但公公比越小小，级数数就越多多，系统统的结构构就越复复杂。1） 对于一般般生产率率要求较较高的普普通设备备，减少少相对转转速损失失率是主主要的，所所以公比比取得较较小，如如=1.26或或=1.41等等。2） 有些小型型机械系系统希望望简化机机构，此此时公比比可取得得大些，如如=1.58或或=2等等。3） 对于自动动机床，减减少相对对转速损损失率的的要求更更高，常常取=11.122或=11.266。【例】型型孔轮式式排种器器P455图2.304. 动力参数数动力参数数是指电电动机的的额定功功率、液液压缸的的牵引力力、液压压马达、气气动马达达、伺服服电动机机或步进进电动机机的额定定转矩等等。P446图22.322（1） 动力力参数确确定得过过大导致致机器笨笨重、浪浪费能源源和材料料（2） 动力参数数确定得得过小则则不能满满足使用用要求学生自学学：P44652 电机机学中的的内容五、结构构总体设设计的基基本原理理1. 任务分配配原理：（1） 一个载体体完成一一个功能能（2） 一个载体体承担多多个功能能（3） 多个载体体共同承承担一个个功能2. 稳定性原原理：系统结构构的稳定定性是指指当出现现干扰使使系统状状态发生生改变恢恢复稳定定的效应应。P53图图2.334、图图2.3353. 合理力流流原理：（1） 力传递特特点：力力流不会会中断，力力线不会会消失，从从一处传传入从另另一处传传出。（2） 内力与外外力 P553图22.366、图22.377（3） 按力的情情况合理理选择结结构 P533图2.37、PP54图图2.338、图图2.339（4） 避免应力力集中 P555图22.4004. 自补偿原原理：通过选择择系统零零部件及及其在系系统中配配置来自自行实现现加强功功能的相相互支承承的作用用，称为为自补偿偿。（1） 自增强 P555图22.411（2） 自平衡 P555图22.422（3） 自保护5. 变形协调调原理：使两零件件的连接接处在外外载荷作作用下所所产生的的变形方方向（从从应力分分布图来来看）相相同，且且使其相相对变形形量尽可可能小。P56图2.436. 力平衡原原理：力平衡的的目的就就是通过过相应的的结构措措施，使使这些无无用的力力在其产产生处就就部分或或全部平平衡掉，以以减轻或或消除不不良影响响。如人人字齿轮轮的使用用。7. 等强度原原理：对于同一一个零件件来说，各各处应力力相等，各各处寿命命相同，称称为等强强度原理理。按等等强度原原理设计计的结构构，材料料可以得得到充分分利用，从从而减轻轻了重量量，降低低了成本本。P56图图2.444六、软固固体物料料自动包包装机设设计举例例1. 原始资料料：（1） 产品本机的包包装对象象是圆台台形柱状状软固体体物料，见图2.45。（2） 包装材料料采用厚度度为0.0088mm的的金色铝铝箔卷筒筒纸。（3） 关于自动动机包装装能力的的要求根据给定定生产定定额每班班产7550，折折算后自自动包装装机正常常生产率率为1220块/分钟。采采用无级级调速自自动包装装机的生生产率可可调范围围是7001300块/分分钟。2. 包装工艺艺的确定定：（1） 整体锥形形模腔：粘模、破破纸（2） 弹性的钳钳物料机机械手夹夹子：工工艺性好好3. 包装机总总体设计计：回转转式多工工位自动动机型送料 分料 顶顶料、接接料 抄纸 转位位 开开手、出出料供纸 剪纸P57图图2.446、图图2.447P58图图2.448、图图2.4494. 传动系统统设计 P599图2.505. 工作循环环图 PP59图图2.551作业题题与思考题题1. 什么是机机械系统统的功能能？功能能可分为为哪几类类？2. 什么是功功能原理理设计？包括有有哪些重重要设计计步骤？3. “黑箱法法”设计有有什么优优点？4. 什么是功功能元？机械设设计中有有哪些基基本功能能元？5. 什么是功功能结构构？绘制制功能结结构图有有何功用用？6. 功能结构构（以功功能元为为基准，组组合成的的）有哪哪几种基基本类型型？7. 什么是功功能元（分分功能）的的求解？8. 什么是原原理解的的相容性性？相容容性的求求解方法法有哪几几种？相相容性可可分成哪哪几种情情况？9. 为什么要要进行结结构总体体设计？它有哪哪些设计计原则？10. 总体布置置设计有有哪些基基本要求求？常用用的有哪哪几种分分类形式式？11. 总体（主主要）参参数包括括有哪几几类？（及及基本概概念） T、QQ、n（、）、Z、标准数列12. 结构总体体设计有有哪几种种基本原原理？它它们各是是什么内内容？13. 什么是任任务分配配原理？它有哪哪几种情情况？各各有何优优缺点？14. 什么是自自补偿原原理？它它有哪几几种情况况？15. 有一摇臂臂钻床，最最大钻孔孔直径440mmm，=550m/minn，=44m/mmin，求求：、Z及及列出各各级转速速。16. 某机械设设备，=45rr/miin，=1.441， Z=112，求求：，及列出出它的转转速数列列。第三章 传动系统统设计重点：转转速图的的定义，转速图拟定方法和原则，扩大变速范围方法，齿轮齿数的确定，功率扭矩特性，传动件的计算转速，无级变速传动系统设计。难点：拟拟定转速速图的方法和和步骤，设设备的功功率扭矩矩特性和和传动件件计算转转速的求求解方法法，无级级变速传传动系统统设计特特点。讲授提示示与方法法：引入入实例讲讲解转速速图所表表示内容容和含义义，根据据转速图图拟定原原则“口诀”结合实例例讲授转速速图的拟定方方法和步步骤，注注重讲解解传动齿齿轮齿数数配齿表表的使用用特点，比比较设备备功率扭扭矩特性性特点和和调速电电动机功功率扭矩矩特性关关系讲解解无级变变速传动动系统的的设计方方法和特特点；讲讲授中充充分利用用多媒体体课件。传动链：动源+传传动件+执行系系统执行系统统+传动动件+执执行系统统1. 外联传动动链：传传动链两两端件之之间无严严格的传传动比要要求的传传动链。主要保证证：运动动和动力力的传递递。2. 内联传动动链：传传动链两两端件之之间有严严格的传传动比要要求的传传动链。主要保证证：传动动的准确确性。3.1传传动系统统的类型型和组成成一、传动动系统的的类型及及其应用用1. 按动源分分：（1） 电动机（2） 液压驱动动（3） 气动驱动动（4） 内燃机驱驱动2. 按执行件件的被驱驱动数目目分：（1） 独立驱动动（2） 集中驱动动（3） 联合驱动动3. 按传动装装置的类类型分：（1） 机械式（2） 液压式（3） 气动式（4） 电气式（5） 组合式4. 按变速的的形式分分：（1） 无级变速速（2） 有级变速速（3） 定比传动动（一） 无级变速速和有级级变速传传动系统统1. 无级变速速传动系系统是指执行行件的转转速（或或速度）能能在一定定范围内内连续变变化的传传动系统统。特点：（1） 可以获得得执行机机构所需需的任何何速度（2） 可在运动动中变速速，便于于实现自自动化（3） 结构上比比较复杂杂（工艺艺性差，成成本高） 种类：（1） 机械无级级变速主要依靠靠摩擦力力来传递递运动和和动力。类型：钢钢球式，宽宽带式，锥锥碗式等等。特点：结结构简单单，传动动平稳，噪噪声小，使使用维修修方便，效效率高。存存在转速速损失（磨磨擦中的的弹性滑滑动），调调速精度度低，力力值小。（2） 液压无级级变速利用油液液为介质质，改变变供油量量来无级级调速。特点：传传动平稳稳载荷大大，换向向平稳。（3） 电气无级级变速是通过变变换电动动机的转转速来实实现调速速。包括：直直流并激激电动机机，交流流变频电电动机，直直流伺服服电动机机，步进进电机等等。特点：机机械结构构简单，但但电气控控制部分分成本高高（尤其其是大功功率下）。2. 有级变速速传动系系统是指执行行件的转转速（或或速度）在在一定范范围内有有级变化化的传动动系统。特点：功功率大，变变速范围围宽，传传动比准准确，工工作可靠靠，转速速损失较较大。结构类型型：滑移移齿轮，交交换齿轮轮（挂轮轮），交交换皮带带轮等。P127图4.13. 固定传动动比的传传动系统统是指执行行件仅能能获得某某一固定定转速（或或速度）的的传动系系统。PP1288图4.2（二） 独立和联联合驱动动传动系系统1. 独立驱动动传动系系统是指各执执行件分分别由独独立动力力源驱动动的传动动系统。特点：传传动简单单，易于于设计，可可减少各各传动链链间的振振动影响响。适用场合合：较大大载荷，较较高精度度，执行行件距离离远。（1） 机械系统统只有一一个执行行件 PP1288图4.3（2） 机械系统统有多个个运动不不相关的的执行件件 P1128图图4.44（3） 数控机械械系统 P1229图44.52. 集中驱动动传动系系统是指多个个执行件件由一个个动源驱驱动的传传动系统统。特点：动动源少，便便于传动动件之间间的联系系，传动动系统集集中。适用场合合：（1） 执行件间间有严格格传动比比要求内联联传动链链 P1130图图4.77（2） 各执行件件间运动动有顺序序或协调调的要求求自动动设备 P1331图44.8（3） 各执行件件的运动动相互独独立3. 联合驱动动传动系系统两个（多多个）动动源经各各自的传传动链联联合驱动动一个执执行件。适用场合合：低速速，重载载，大功功率，执执行件少少且惯性性大。二、传动动系统的的组成变速装置置，定比比传动机机构，开开停、换换向和制制动机构构，运动动转换和和安全保保护装置置。（一） 变速装置置改变动力力源的输输出转速速和转矩矩。1. 交换齿轮轮变速 P1330图44.7特点：结结构简单单（无操操纵机构构），轴轴向尺寸寸小，结结构紧凑凑，交换换（变速速）不方方便，刚刚度低，润润滑差（悬悬臂安装装）。场合：不不经常变变速的情情况2. 滑移齿轮轮变速 P1227图44.1特点：变变速方便便，但不不能在运运动中变变速，结结构较复复杂。场合：经经常变速速的情况况。3. 离合器变变速 PP1322图4.10特点：接接合平稳稳，可在在运动中中变速，传传递大转转矩，（用用斜齿，人人字齿轮轮），结结构上较较为复杂杂。场合：大大转矩，运运动中变变速。注意问题题：减小小离合器器尺寸，避避免出现现超速现现象。4. 上述变速速方式的的组合 P1330图44.75. 啮合器变变速（1） 普通啮合合器：无无同步过过程（2） 同步啮合合器：PP1333图4.11 特点：运动中中的大载载荷变速速。（二） 起停和换换向装置置 基本要要求：省省力（操操作），安安全可靠靠，结构构简单，能能传递足足够的动动力。1. 机械系统统的工况况（1） 不需要换换向且起起动不频频繁如：自动动电阻装装帽机 P1331图44.8（2） 需要换向向但起动动不频繁繁如：龙门门起重机机 PP1288图4.2（3） 需要换向向且起动动频繁如：普通通车床2. 动力源的的类型（1） 电动机：允许在在负载下下起动，可可以正反反转，但但起动电电流大，反反接制动动。特点：结结构简单单，操纵纵方便。（2） 内燃机：不充许许在负载载下起动动，不能能制动和和换向。特点：功功率大，不不需要电电源。3. 起停和换换向装置置的结构构（1） 齿轮：P1344图4.12摩摩擦离合合器P1344图4.13钢钢球摩擦擦离合器器（2） 齿轮换向向机构：P355图4.14（三） 制动装置置作用：使使执行机机构的运运动能够够迅速停停止。基本要求求：工作作可靠，操操纵方便便，制动动迅速平平稳，结结构简单单，尺寸寸小，磨磨损小，散散热好。场合：频频繁起动动和换向向，惯性性大的机机件，安安全性要要求高的的设备。P1366图4.16（四） 安全保护护装置作用：防防止过载载而损坏坏传动机机构（件件）注意：摩摩擦副过过载“打滑”，有保保护功能能。1. 销钉安全全联轴器器 PP1377图4.172. 钢珠安全全离合器器 PP1377图4.183. 摩擦安全全离合器器 PP1355图4.13、PP1355图4.193.2传传动系统统的运动动设计一、有级级变速传传动系统统的运动动设计1. 转速图（1） 转速图 P1440图44.211可以表达达主轴每每一级转转速是通通过哪些些传动副副得到的的，这些些传动副副之间的的关系如如何，各各传动轴轴的转速速等等。1） 轴线：是是用来表表示轴的的一组间间距相等等的竖线线。2） 转速线：是一组组间距相相等的水水平线，用用它来表表示转速速的对数数坐标。3） 转速点：是指在在轴线上上画的圆圆点，用用它来表表示该轴轴所具有有的转速速值。4） 传动线：是指轴轴线间转转速点的的连线，它它表示相相应传动动副及其其传动比比值。 （2） 转速图分分析 PP1400图4.21、PP1388图4.201） 从转速图图中可以以看出主主轴各转转速下的的传动路路线。2） 从转速图图中可以以看出每每个传动动组数，及及每个传传动组中中的传动动副数、级级数。3） 传动组的的级比和和级比指指数：级比：一一个传动动组（变变速组）内内相邻传传动副传传动比的的比值，用用表示。级比指数数：级比比的指数数称为级级比指数数，或传传动特性性指数。4） 基本组和和扩大组组：基本组：传动组组的级比比指数为为1的传传动组。a. 传动组i. 级比指数数：ii. 传动副数数：扩大组：在基本本组已经经起作用用的基础础上，起起到了再再将转速速级数增增加的作作用的变变速组称称为扩大大组。同同理第一一次起扩扩大作用用的称为为第一扩扩大组，第第二次起起扩大作作用的称称为第二二扩大组组，依此此类推第第i次起扩扩大作用用的变速速组称为为第i个扩大大组。b. 传动组i. 级比指数数：ii. 传动副数数：c. 传动组i. 级比指数数：ii. 传动副数数：（3） 变速组的的变速范范围1） 变速组的的变速范范围：变变速组内内最大传传动比与与最小传传动比之之比，称称为变速速组的变变速范围围r即 2） 任一变速速组的变变速范围围 ：基本组的的变速范范围：第一扩大大组的变变速范围围：第二扩大大组的变变速范围围：3） 变速范围围关系：二、结构构式和结结构网1. 结构网：表示传传动比的的相对关关系，而而不表示示传速值值的线图图。 PP1433图4.222. 结构式：3. 综合分析析：（1） 可以看出出传动链链的组成成和传动动顺序；（2） 可以看出出各传动动组的级级比指数数；（3） 可以看出出扩大顺顺序。三、转速速图的拟拟定已知条件件：设备备类型、级级数、公公比、各各级转速速和电机机转速。设计步骤骤：1. 确定传动动组数、各各传动组组的传动动副数2. 拟定结构构网或结结构式3. 拟定转速速图【例4.1】PP1433解：1.确定转转速数列列查表P445表22.122查得：331.55、455、633、900、1225、1180、2250、3355、5500、7710、110000、14400rr/miin2. 确定传动动组和传传动副数数方案：（11）122=34（22）122=43（3）112=3322（44）122=232（55）122=223原则一：“前多后后少”，传动动副多的的传动组组放置在在前面，即即在尽可可能的高高速位置置，可使使结构紧紧凑。3. 写结构式式或画结结构网（1） 结构网和和结构式式 P1144图图4.223原则二：“升2降降4”1） 主运动链链：最小小传动比比：最大传动动比：斜齿轮：变速范围围：2） 进给传动动链：检查方法法：检查查最后一一个扩大大组（因因为其它它的传动动组的变变速范围围较小）。【查看】PP1444图4.23（1） 方案：aa、b、cc、d，可以选选用（2） 方案：ee、f，不可用用原则三：“前密后后疏”即：基本本组和扩扩大组的的排列顺顺序：应应尽可能能使扩大大顺序与与传动顺顺序一致致，使结结构紧凑凑。【查看】PP1444图4.23 选定：4. 拟定转速速图（1） 动机转速速：（2） 中间传动动轴转速速：原则四：“早升晚晚降”P1446图44.244.图44.255即：前级级传动组组尽可能能设计在在较高速速位置，而而较低的的输出转转速应设设计在后后级传动动组实现现，从而而使得结结构紧凑凑。原则四的的变化：“早降晚晚升”P1447图44.266图4.27即：为使使得噪声声小，传传动振动动小，中中间轴转转速应取取得低些些，但结结构尺寸寸会有所所增大。四、分级级变速的的几种特特殊情况况1. 具有交换换齿轮的的传动链链（1） 交换齿轮轮的传动动比：设设计成对对称分布布（2） 优点：减减少交换换齿轮的的数目（3） 缺点：升升速传动动比高（且且在高速速下），噪噪声高，振振动大。2. 具有多速速异步电电动机的的传动链链（1） 750/15000r/minn（8/4级） 15000/330000r/mmin（44/2级级）（2） 10000/15500rr/miin（66/4级级） （在设设计中一一般不用用）（3） 750/15000/330000r/mmin（88/4/2级）分析：情情况（11）： 情情况（22）：注意：（1） 公比应为为的整数数方根（2） 把第一扩扩大组提提到基本本组之前前优点：减减少传动动组数，简简化传动动机构缺点：（1） 高速下功功率不能能完全输输出 如：7750/15000r/minn，7.5/110kWW（2） 扩大组在在前，不不适合“前密后后疏”的原则则3. 具有公用用齿轮的的传动链链公用齿轮轮：既是是前一传传动组的的被动齿齿轮，又又是后一一传动组组的主动动轮优点：减减少齿轮轮数目，减减少轴向向尺寸缺点：设设计中不不易实现现，径向向尺寸可可能增大大4. 具有双公公比（混混合公比比）的传传动链如：两端的公公比值大大，相对对速度损损失率比比较大，不不常用优点：可可减少转转速级数数，简化化结构注意问题题：（1） 基本组的的级指数数x应为为奇数，否否则会出出现转速速重复（2） Z=88为实际际级数Z=100为理论论计算级级数，5. 某些结构构上的原原因引起起转速图图的变化化摩擦片离离合器如：CAA61440（11）结构构式：，（22）电机机：先降降后升注意：（11）轴向向尺寸（22）摩擦擦片转速速（3）摩摩擦片径径向尺寸寸大（齿齿轮大）五、扩大大变速系系统调速速范围的的办法如果最后后一个扩扩大组由由二个传传动副组组成，则则：（1），ZZ=122级 （2），ZZ=188级 例如：普普通车床床，某某些新型型设备，扩扩大变速速范围的的方法有有以下几几种：1. 转速重合合即：增加加一个传传动组：级，重重复中间间9级转转速缺点：会会出现转转速重复复2. 背轮机构构（回曲曲机构） P1448图44.288极限传动动比：注意问题题：（1） 合上离合合器：应应使背轮轮机构脱脱离传动动，防止止背轮转转速升高高，导致致振动和和噪声增增大，发发热。（2） 如果主轴轴箱与变变速箱间间用皮带带传动，应应尽可能能提高皮皮带所传传递的最最低转速速，防止止尺寸过过大。3. 采用分支支传动 可以看看作是“并联”优点：高高速下，短短传动链链具有机机械效率率高，振振动小，精精度高。4. 采用混合合公比扩大范围围小六、齿轮轮齿数的的确定：1. 确定齿轮轮齿数要要注意的的问题：（1） 转速误差差：式中：nn实际际输出转转速 nn标准准（理论论）转速速（2） 齿数和SSz不宜宜过大：Sz1000-12201） 防止尺寸寸过大2） 降低齿面面线速度度（3） 齿数和SSz不宜宜过小：1） 根切的问问题 ZZminn18-202） 保证轮鼓鼓强度 a2m P1449图44.300（4） 三联滑移移齿轮的的滑移干干涉 PP1499图4.312. 齿轮齿数数的确定定（1） 相同模数数传动组组 查表表P1550表44.1（2） 不同模数数传动组组七、齿轮轮的布置置与排列列1. 基本要求求（1） 滑移省力力尽可能使使小齿轮轮块滑动动。（2） 防止滑移移干涉必须使啮啮合齿轮轮完全脱脱离啮合合后，另另一个齿齿轮进入入啮合。P154图4.33 1） 双联滑移移齿轮块块 P1154图图4.334（左左图）2） 三联滑移移齿轮块块 P1154图图4.335（上上排左图图）（3） 变速操纵纵方便1） 尽量靠近近“前”箱面（操操作位置置）2） 两相邻变变速组的的滑移齿齿轮放在在同一根根轴上2. 一个传动动组内齿齿轮的排排列（1） 双联滑移移齿轮块块 P1154图图4.334（2） 三联滑移移齿轮块块 P1154图图4.3353. 缩短轴向向尺寸的的方法（1） 采用窄式式排列（2） 三联齿轮轮块“一分为为二”（3） 两个传动动组统一一安排 P1554图44.366八、计算算转速的的确定1. 设备的功功率和转转矩特性性：（1） 功率扭矩矩特性曲曲线 PP1555图4.38（2） 计算转速速：传递递最大功功率的最最低转速速。2. 设备主轴轴的计算算转速值值（1） 直线运动动：（工工作在恒恒功率段段）。（2） 旋转运动动： PP1566表4.2【例4.3】 P1557图44.3993. 注意的问问题：若若计算转转速（主主轴）在在二转速速之间（1） 安全角度度考虑：取小值值（2） 材料发展展的角度度：取大大值4. 转速图的的进一步步分析（1） 旋转运动动主运动动系统（2） 恒扭矩设设备的计计算转速速（3） 高传动件件计算转转速的方方法九、无级级变速传传动系统统设计：1. 直流和交交流调速速电动机机的功率率扭矩特特性 PP1588图4.40（1） 调速电动动机的恒恒功率区区间：1） 直流并激激电动机机：2） 交流调速速电动机机：式中：额定定转速（2） 注意的问问题：1） 用于恒扭扭矩设备备：恒扭扭矩段较较宽，可可以适用用。2） 旋转主运运动传动动链：要要扩大电电动机的的恒功率率区间。2. 扩大恒功功率区间间方法：利利用有级级变速扩扩大恒功功率区间间。（1） 有级变速速公比与与电动机机恒功率率调速范范围相等等可以有效效利用电电机功率率。【例4.4】PP1588 PP1599图4.41欲设计一一台数控控机床。主主轴的最最高转速速n主mmax=40000r/minn，最低低转速为为30rr/miin，计计算转速速为njj=1445r/minn，最大大切削功功率为55.5kkW。拟拟采用交交流调频频主轴电电动机，额额定转速速nr=15000r/minn，最高高转速nnmaxx=45500rr/miin，试试拟定有有级变速速传动系系统并选选择电动动机的功功率和型型号。解：主轴轴要求的的恒功率率调速范范围为电动机的的恒功率率调速范范围为令则： （级）电机功率率：，选77.5kkW。（2） 有级变速速公比大大于电机机恒功率率调速范范围电机功率率增大（浪浪费），但但可以简简化机械械变速机机构。【例4.5】PP1599 PP1600图4.42欲设计一一台数控控机床。主主轴的最最高转速速=40000rr/miin，最最低转速速为300r/mmin，计计算转速速为=1145rr/miin，最最大切削削功率为为5.55kW。拟拟采用交交流调频频主轴电电动机，额额定转速速nr=15000r/minn，最高高转速=45000r/minn，为了了简化变变速箱和和操纵机机构，改改串联的的滑移齿齿轮为双双联，试试设计其其传动系系统，并并选择电电动机功功率。解：主轴轴要求的的恒功率率调速范范围为电动机的的恒功率率调速范范围为因为：所以：最大输出出功率：P1660图44.4221） 76/444：44000013330rr/miin2） 30/990：77732577r/mmin电机功率率：，选115kWW。（3） 有级变速速公比小小于电机机恒功率率调速范范围连续工作作变速区区间较宽宽，有利利于设备备工作，但但机械变变速装置置较复杂杂。【例4.6】P1660图44.433见【例44.5】，恒恒功率连连续切削削：解：主轴轴要求的的恒功率率调速范范围为电动机的的恒功率率调速范范围为因为：所以：最大输出出功率：1） 76/444：44000013330rr/miin2） 54/666：1190006330r/minn3） 34/886：99003000r/mmin4） 19/1101：42551445r/minn（4） 注意问题题：1） 变速箱有有不同的的公比，级级数Z（通通常为22、3、44级），功功率形成系系列化；2） 变速箱，操操作机构构，润滑滑系统已已由专门门厂家生生产。3. 机械无级级变速器器（1） 机械无级级变速器器的类型型（机械械特性）1） 恒功率型型2） 恒转矩型型3） 变功率变变转矩型型（2） 扩大恒功功率的方方法：加加机械有有级变速速或P1661图44.444左图考虑到摩摩擦副的的滑动，应应使略小小于值，取取值：又因为：则：P1161图图4.444右图图【例4.7】P11623.3内内联传动动系统的的设计原原则一、误差差的来源源各传动件件的制造造和装配配误