第十四章 机械系统的方案设计

Northwest A&F University,第十四章 机械系统的方案设计,第一节,概述,第二节,机械工作原理的拟定,第四节,机构的选择和变异,第三节,执行构件的运动设计和,原动机的选择,机械原理,第五节,机构的组合,第六节,机械系统方案的拟定,第一节 概述,第十四章 机械系统的方案设计,机械传动系统,是指将原动机的运动和动力传递到执行构件的中间环节，它是机械的重要组成部分。机械传动系统的作用不仅是转换运动形式，改变运动大小和保证各执行构件的协调配合工作等，而且还要将原动机的功率和转矩传递给执行构件，以克服生产阻力。除此之外，现代完善的机械传动系统，还具有运动操纵和控制功能，将光、机、电、液有机地组合，借助微机控制，自动实现机械所需要的完整工作过程。,机械传动系统的设计是机械设计中极其重要的一环，设计得正确和合理与否，对提高机械的性能和质量，降低制造成本与维护费用等影响很大，应认真对待。机械传动系统方案设计是一项创造性活动，要求设计者善于运用已有知识和实践经验，认真总结过去的有关工作，广泛收集、了解国内外的有关信息，充分发挥创造思维和想象能力，灵活应用各种设计方法和技巧，以便设计出新颖、灵巧、高效的传动系统。,第一节 概述,第十四章 机械系统的方案设计,第十四章 机械系统的方案设计,一、机械设计的一般过程,:,阶段,内容,应完成的工作,计划,1.,提出设计任务,2.,进行可行性研究,3.,编制设计任务书,1.,提出可行性报告,2.,提出设计任务书,3.,签订技术经济合同,方案设计,1.,提出若干个可行方案,2.,确定最佳方案,提出最佳方案的原理图和机构运动简图,技术设计,1.,绘制总装图和部件装配图,2.,绘制零件工作图,3.,绘制电路系统图、润滑系统图等,4.,编制各种技术文件,1.,提出整个设备的全套图纸,2.,提出设计计算说明书、使用维护说明书、外购件明细表,试制试验,通过试制、试验发现问题，加以改进,1.,提出试制、试验报告,2.,提出改进措施,投产以后,根据用户意见、发现的问题及市场变化改进设计,收集问题，发现问题，改进问题,第十四章 机械系统的方案设计,二、机械系统的方案设计,机械系统方案设计的一般步骤：,1.,拟定机械的工作原理。,制定机械的总功能，拟定实现总功能的工作原理和技术手段，确定机械所要实现的工艺动作。,2.,执行构件和原动件的运动设计。,确定执行构件的数目、运动形式、运动参数以及运动协调配合关系，并选定原动机的类型和运动参数。,3.,机构的选型、变异与组合。,根据机械的运动以及动力的要求，选定机构的类型，在机构变异、组合的基础上获得机械系统方案，绘制系统的示意图。,第十四章 机械系统的方案设计,二、机械系统的方案设计,4.,机构的尺寸综合。,确定各构件的运动尺寸，绘制机械系统的机构运动简图。,5.,方案分析。,对机械系统进行运动和动力分析，根据机械对运动和动力的功能的要求，进行适当的调整。以便为机械的工作能力和结构设计提供必要的依据。,6.,方案评审。,通过对众多方案的评比，选出最佳的机械系统方案。,第十四章 机械系统的方案设计,第二节 机械工作原理的拟定,实现机械功能的工作原理，决定着机械产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构形式和成本等。所以需利用各种“创造技法”，并借鉴同类产品的经验和最新科技成果，以便拟定出合理的工作原理。 实现同一功能要求，不同的工作原理和许多不同的运 动方案。则其中必有好坏优劣之分。因此，在设计机械时，要其工作原理和运动方案进行综合评价，从中选出最佳设计方案。,车床,拉床,钻床,镗床,内螺纹孔加工,第十四章 机械系统的方案设计,第十四章 机械系统的方案设计,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,很难把衣物各处都刷洗到,易损坏衣物,洗衣机,第十四章 机械系统的方案设计,(1),执行构件的数目执行构件的数目取决于机械分功能或分动作的数目的多少，但两者不一定相等，要针对机械的工艺过程及结构复杂性等进行具体分析。,(2),执行构件的运动形式和运动参数执行构件的运动形式取决于要实现的分功能的运动要求。常见的运动形式有回转运动、直线运动、曲线运动及复合运动等四种。前两种运动形式是最基本的。,1.,执行构件的运动设计,第十四章 机械系统的方案设计,(2),执行构件的运动形式和运动参数,间歇旋转运动,往复摆动,旋转运动,连续旋转运动,缝纫机轴,自动机床工作台的转位,步进滚轮的步进运动,铣床主轴,车床主轴,电风扇的摆头,腭式碎石机的动腭板的打击运动,第十四章 机械系统的方案设计,执行构件上某点特定的曲线轨迹运动,间歇往复移动,单向间歇直线移动,直线运动,往复移动,冲床冲头的冲压运动,压缩机活塞的往复运动,供料机构的间歇供料运动,自动机床刀架的进退刀运动,缝纫机的送布牙运动,刨床工作台的进给运动,曲线运动,(2),执行构件的运动形式和运动参数,电影放映机抓片机构中的抓片爪运动,第十四章 机械系统的方案设计,(2),执行构件的运动形式和运动参数,啮合传动机构,连杆机构,实现连续旋转运动的机构,摩擦传动机构,带传动,齿轮传动,双曲柄机构,摩擦轮传动,蜗杆传动,链传动,平行四边形机构,棘轮机构,齿轮,-,连杆机构,实现间歇旋转运动的机构,槽轮机构,不完全齿轮机构,凸轮式间歇运动机构,适用于转角固定的转位运动,每次转角小，或转角大小可调的低速场合,大转角而速度不高的场合,运动平稳、分度、定位准确，但制造困难、高精度定位、高速场合,特殊要求的输送机构,第十四章 机械系统的方案设计,(2),执行构件的运动形式和运动参数,第十四章 机械系统的方案设计,(2),执行构件的运动形式和运动参数,凸轮机构,组合机构,实现往复移动往复摆动运动的机构,连杆机构,螺旋机构,齿轮齿条机构,液压缸、气缸,正弦机构,正切机构,六连杆机构,曲柄滑块机构,第十四章 机械系统的方案设计,(2),执行构件的运动形式和运动参数,图,14,-,4,联动凸轮机构,图,14,-,3,齿轮,-,连杆组合机构,图,14,-,1,搅拌机构,A,B,C,D,E,图,14,-,2,凸轮,-,连杆组合机构,曲线运动又可分为如下两种：即沿固定不变的曲线运动，沿可变的曲线运动。复合运动是由上述几种单一运动组合而成的，复合运动的参数根据各单一运动形式及它们的协调配合关系而定。,1.,执行构件的运动设计,第十四章 机械系统的方案设计,原动机的运动形式主要是回转运动、往复摆动和往复直线运动等。当采用电动机、液压马达、气动马达和内燃机等原动机时，原动件作连续回转运动；液压马达和气动马达也可作往复摆动；当采用油缸、气缸或直线电动机等原动机时，原动件作往复直线运动。有时也用重锤、发条、电磁铁等作原动机。,2.,原动机的类型及其运动参数的选择,第十四章 机械系统的方案设计,往复摆动,电 动 机,活塞式气缸,原动件运动形式,连续运动,往复移动,原动件的类型及其运动参数：,液压马达,气动马达,内 燃 机,液压马达,气动马达,直线电机,液压缸,柴油机,燃气轮机,汽油机,步进电机,使用最广泛的是交流异步电动机，其运动参数,同步转速：,3000,、,1500,、,1000,、,750,、,600,r/mim,间歇运动,直流电动机,交流变频变速电动机,伺服电机,力矩电机,交流异步电动机,第十四章 机械系统的方案设计,第十四章 机械系统的方案设计,(1).,动力电动机,主要优点为：驱动效率高、有良好的调速性能、可远距离控制，启动、制动、反向调速都易控制，与传动系统或工作机械联接方便，作为一般传动，电动机的功率范围很广。,主要缺点为必须有电源，不适于野外使用。,根据使用电源的不同，又分为,交流电动机,和,直流电动机,两大类。,第十四章 机械系统的方案设计,(2).,控制电动机（伺服电动机）,伺服电动机是指能精密控制系统位置和角度的一类电动机。,特点： 它,体积小、重量轻；具有宽广而平滑的调速范围和快速响应能力,，其理想的机械特性和调节特性均为直线。,应用,:,伺服电机广泛应用于工业控制、军事、航空航天等领域，如数控机床、工业机器人、火炮随动系统中。,第十四章 机械系统的方案设计,（,3,）,.,内燃机,按燃料种类分：柴油机、汽油机和煤油机,按工作循环中的冲程数分,:,四冲程和二冲程内燃机,按汽缸数目分,:,单缸和多缸内燃机,按主要机构的运动形式分,:,往复活塞式和旋转活塞式,特点及应用,优点：,功率范围宽、操作简便、启动迅速；适用于工作环境无电源的场合,，多用于工程机械、农业机械、船舶、车辆等。,缺点：对燃油的要求高，排气污染环境、噪音大、结构复杂。,第十四章 机械系统的方案设计,液压马达又称为油马达，它是把液压能转变为机械能的动力装置。其主要优点是,可获得很大的动力或转矩，可通过改变油量来调节执行机构速度，易进行无级调速，能快速响应，操作控制简单，易实现复杂工艺过程的动作要求,。缺点是要求有高压油的供给系统，液压系统的制造装配要求高，否则易影响效率和运动精度。,（,4,）,.,液压马达,第十四章 机械系统的方案设计,气动马达是以压缩空气为动力，将气压能转变为机械能的动力装置。常用的有叶片式和活塞式。其主要优点为：,工作介质为空气，故容易获取且成本低廉；易远距离输送，排入大气也无污染；能适应恶劣环境；动作迅速、反应快,。缺点为：工作稳定性差、噪音大，输出转矩不大，只适用于小型轻载的工作机械。,(5).,气动马达,第十四章 机械系统的方案设计,(1).,选择原则,原动机的选择,考虑工作机械的负载特性、工作制度、启动和制动的频繁程度。,考虑原动机本身的机械特性能否与工作机械的负载特性,(,包括功率、转矩、转速等,),相匹配，能否与工作机械的调速范围、工作的平稳性等相适应。,考虑机械系统整体结构布置的需要。,考虑经济性，包括原动机的原始购置费用、运行费用和维修费用等。,第十四章 机械系统的方案设计,原动机类型的选择,若工作机械要求有较高的驱动效率和较高的运动精度，应选用电动机。电动机的类型和型号较多，并具有各种特性，可满足不同类型工作机械的要求。,在相同功率下，要求外形尺寸尽可能小、重量尽可能轻时，宜选用液压马达。,要求易控制、响应快、灵敏度高时，宜采用液压马达或气动马达。,要求在易燃、易爆、多尘、振动大等恶劣环境中工作时，宜采用气动马达。,要求对工作环境不造成污染，宜选用电动机或气动马达。,要求启动迅速、便于移动或在野外作业场地工作时，宜选用内燃机。,要求负载转矩大，转速低的工作机械或要求简化传动系统的减速装置，需要原动机与执行机构直接联接时，宜选用低速液压马达。,第十四章 机械系统的方案设计,（,3,）,.,原动机转速的选择,原动机的额定转速一般是直接根据工作机械的要求而选择的。但需考虑：,原动机本身的综合因素。例如，对于电动机来说，在额定功率相同的情况下，额定转速越高的电动机尺寸越小，重量和价格也低，即高速电动机反而经济。,传动系统的结构。若原动机的转速选得过高，势必增加传动系统的传动比，从而导致传动系统的结构复杂。,（,4,）,.,原动机容量的选择,原动机的容量主要指功率。它是由负载所需的,功率,、,转矩,及,工作制,来决定的。负载的工作情况大致可分为连续恒负载；连续周期性变化负载；短时工作制负载和断续周期性工作制负载等。各种工作制负载情况下所需的原动机容量的计算方法，可查阅有关手册。,冷霜自动灌装机完整的执行系统,第十四章 机械系统的方案设计,3.,各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图,定量泵活塞的往复运动,顶杆的往复运动,轮盘的间歇转动,输送带的连续运动,第十四章 机械系统的方案设计,第十四章 机械系统的方案设计,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，这就需要进行,执行系统的协调设计,。,1),各执行构件运动的协调配合关系：,对于各个执行构件之间的运动不需要协调配合而是彼此独立的机械，可分别为每一种运动设计一个独立的运动链，并有单独的原动机驱动。但是对于只有依靠各执行构件的协调配合才能完成工作的机械就必须使其满足所需要的协调关系。,3.,各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图,第十四章 机械系统的方案设计,3.,各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图,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。,协调设计的原则：,第十四章 机械系统的方案设计,3.,各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图,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。,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,基本动作,各行程区段所需时间的计算详见机械运动循环图。,第十四章 机械系统的方案设计,3.,各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图,确定各执行构件动作间的协调配合关系,第十四章 机械系统的方案设计,3.,各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图,第十四章 机械系统的方案设计,2),机械的工作循环图,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。,机械运动循环图的功能：,保证各执行构件的动作相互协调、紧密配合，使机械顺利实现预期的工艺动作。,为进一步设计执行机构的运动尺寸提供了重要的依据。,为机械系统的安装调试提供了依据。,(2).,机械运动循环图的种类及绘制方法：,(1).,机械运动循环图的定义：,直线式,圆周式,直角坐标式,第十四章 机械系统的方案设计,形式,绘制方法,特点,直线式,将机械在一个运动循环中各个执行构件各行程区段的起止时间和先后顺序，按比例绘制在直线坐标上。,绘制方法简单，能清楚表示一个运动循环中各执行构件运动的顺序和时间关系；直观性差，不能显示各执行构件的运动规律。,2),机械的工作循环图,第十四章 机械系统的方案设计,2),机械的工作循环图,形式,绘制方法,特点,圆周式,以极坐标系原点为圆心作若干个同心圆，每个圆环代表一个执行构件，由各相应圆环引径向直线表示各执行构件不同运动状态的起始和终止位置。,能比较直观地看出各执行机构主动件在主轴或分配轴上的相位；当执行机构多时，同心圆环太多不能一目了然，无法显示各构件的运动规律。,形式,绘制方法,特点,直角坐标式,用横坐标表示机械主轴或者分配轴转角，纵坐标表示各执行构件的角位移或者线位移，各区段之间用直线相连。,不仅能清楚地表示各执行构件动作的先后顺序，而且能表示各执行构件在各区段的运动规律。,2),机械的工作循环图,运动循环图形式,形式,绘制方法,特点,直线式,将机械在一个运动循环中各个执行构件各行程区段的起止时间和先后顺序，按比例绘制在直线坐标上,绘制方法简单，能清楚表示一个运动循环中各执行构件运动的顺序和时间关系；直观性差，不能显示各执行构件的运动规律,圆周式,以极坐标系原点为圆心作若干个同心圆，每个圆环代表一个执行构件，由各相应圆环引径向直线表示各执行构件不同运动状态的起始和终止位置,能比较直观地看出各执行机构主动件在主轴或分配轴上的相位；当执行机构多时，同心圆环太多不能一目了然，无法显示各构件的运动规律,直角坐标式,用横坐标表示机械主轴或者分配轴转角，纵坐标表示各执行构件的角位移或者线位移，各区段之间用直线相连,不仅能清楚地表示各执行构件动作的先后顺序，而且能表示各执行构件在各区段的运动规律,2),机械的工作循环图,第十四章 机械系统的方案设计,第十四章 机械系统的方案设计,第四节 机构的选型和变异,1.,机构的选型,首先根据已知的设计要求，按执行构件的运动形式及运动功能要求，先在,基本机构,中进行类比选择，当基本机构不能满足运动或动力要求时，才考虑对基本机构进行组合、变异等方法形成新的机构，或选用组合机构。有时很难找到满足工作要求的现有机构，这时要求改变机械的工作原理和工艺动作，或创造新型机构。,选型分为选出与选定。,第十四章 机械系统的方案设计,1.,机构的选型,机构选型时应注意原则,1,）按已拟定的工作原理进行机构选型时，应尽量满足或接近运动形式要求；,2,）机构选型时应力求结构简单、尺寸适度、在整体布置上占的空间小，达到布局紧凑；,3,）机构选型时要注意选择那些加工制造简单、容易保证较高的配合精度的机构；,4,）机构选型时要保证在高速运转时有良好的动力特性；,5,）机构选型时应考虑机械效率等问题；,6,）机构选型时还要考虑动力源的形式。,第十四章 机械系统的方案设计,各种运动与实现对应运动要求的机构类型,运 动 形 态,机 构 类 型,1.,转动转换为连续转动,齿轮机构；带传动机构；链传动机构；平行四边形机构；转动导杆机构；双转块机构等,2.,转动转换为往复摆动,曲柄摇杆机构；摆动导杆机构；摆动凸轮机构等,3.,转动转换为间歇转动,棘轮机构；槽轮机构；不完全齿轮机构；分度凸轮机构等,4.,转动转换为往复移动,齿轮齿条机构；曲柄滑块机构；正弦机构；凸轮机构；螺旋传动机构等,5.,转动转换为平面运动,平面连杆机构；行星轮系机构,6.,移动转换为连续转动,齿轮齿条机构（齿条主动）；曲柄滑块机构,(,滑块主动,),；反凸轮机构,7.,移动转换为往复摆动,反凸轮机构；滑块机构（滑块主动）,8.,移动转换为移动,反凸轮机构；双滑块机构,第十四章 机械系统的方案设计,各种功能要求与对应该要求的机构类型,功能要求,机 构 类 型,1.,轨迹要求,平面连杆机构；行星轮系机构,2.,自锁要求,蜗杆蜗轮机构；螺旋机构,3.,微位移要求,差动螺旋机构,4.,运动放大要求,平面连杆机构,5.,力的放大要求,平面连杆机构,6.,运动合成或分解,差动轮系与而自由度的其他机构,第十四章 机械系统的方案设计,1.,机构的选型,摩擦传动机构的优缺点：,优点：结构简单、传动平稳、易于实现无级变速、过载保护。,缺点：传动比不准确、传递功率小、效率低。,连杆机构的特点：制造容易、承载能力大，但难以实现精确运动，适用于,无严格运动规律的场合。,连杆机构可以获得较大行程，但不能太大，否则机构尺寸会过于庞大。,凸轮机构的特点：能实现任意复杂的运动和各构件之间的运动协调，承载,能力不大。,凸轮机构的推杆行程一般较小，否则会使压力角过大或尺寸过大。,齿轮齿条机构或螺旋机构可满足大行程的要求。,一般而言，除了凸轮机构能实现精确的曲线轨迹之外，其他机构都只能近似实现预定的曲线轨迹。,第十四章 机械系统的方案设计,当所选机构不能全面满足对机械提出的运动和动力要求时，或为了改善所选机构的性能或结构时，可以通过改变机构中某些构件的结构形状、运动尺寸、更换机架或原动件、增加辅助构件等方法以获得新的机构或特性，此称为,机构的变异,。,2.,机构的变异,构件结构形状,运动尺寸,更换机架或原动件,增加辅助构件,机构的变异,第十四章 机械系统的方案设计,1,）改变构件结构形状,若将摆动导杆机构中的直线导槽改为圆弧导槽（如,图,14-5,所示 ）,，运动到左侧时，可获得较长时间的停歇。,图,14,-,5,单侧停歇导杆机构,2.,机构的变异,2,）改变构件运动尺寸,槽轮直径变为无穷大，槽数无穷多时,槽条机构，如,图,14,-,6,所示 。,图,14,-,6,槽条机构,第十四章 机械系统的方案设计,2.,机构的变异,3,）选不同的构件作为机架,机构的倒置,，,如,图,14-7,所示。,摆动凸轮机构,1,2,3,1,2,3,连杆,-,凸轮机构,A,1,B,C,O,2,3,4,罐头封口机构,要求,C,点沿接合缝运动。,图,14,-,7,第十四章 机械系统的方案设计,2.,机构的变异,4,）选不同的构件作为原动件,双摇杆机构中，选连杆作为原动件，可把风扇转子的旋转转化为连架杆的摇动，如,图,14,-,8,所示,。,作者：潘存云教授,A,B,D,C,风扇座,蜗轮,蜗杆,电机,电机,A,B,D,C,风扇座,蜗轮,蜗杆,电机,A,B,D,C,风扇座,蜗轮,蜗杆,图,14,-,8,风扇,5,）增加辅助构件作为原动件,图示手动插秧机分秧、插秧机构中增加了一个辅助构件,活,舌,3,，从而使,M,点实现预定轨迹，如,图,14-9,所示,。,1,2,3,B,6,5,4,M,3,图,14,-,9,手动插秧机分秧、插秧机构,第十四章 机械系统的方案设计,2.,机构的变异,6),利用最小阻力原理实现机构的变异,最小阻力定律,在自由状态下，刚体总是沿阻力最小的方向运动。,当原动件数目小于机构自由度数目时，机构遵循最小阻力定律，用此可以简化机构。,2,3,1,4,5,3,a,a,送料机构,工作原理：送料机构的自由度为,2,，推程时因转动摩擦力比滑动摩擦力小而构件,3,先逆时针转动，碰到下挡销时止。这一过程使推爪向下运动，并插入工件的凹槽中。此后推杆、工件、滑块三者为一体，向左推送工件。回程时，推杆先顺时针转动，推杆与工件脱离，碰到上挡销时，推杆与滑块一起返回。,理论上机构运动不确定,自由度：,F=2,第十四章 机械系统的方案设计,第五节 机构的组合,为了实现执行机构的运动形式、运动参数以及运动协调关系，或者为了改善机械的动力特性，需要将选定的各种机构组合在一起。,在以下几个方面常常需机构组合：,3,）由于不具备某种动力源，或受其它条件的限制，只有进行机构组合才能实现所要求的工艺动作。,机构组合是指机构选型的基础上，根据使用要求或工艺动作要求，将几个基本机构按一定的原则或规律组合成一个复杂的、新的机构系统。,1,）机构的工艺动作较复杂,若采用简单的、单一的基本机构无法实现复杂的工艺动作，这种情况下减小机构组合常采用并联式、复合式或叠加式的组合方式，组合时应注意各个子工艺动作协调配合问题。,2,） 所选择的机构其运动和动力特性不好，但又无更好的机构可选,这种情况下常用串联组合方式来改善机构的性能，如增程、增力，实现各种特殊运动要求等。,机构的组合方式可划分为以下四种：,第十四章 机械系统的方案设计,第五节 机构的组合,1.,机构的串联组合,前后几种机构依次联接的组合方式称为机构的,串联组合,。,一般串联组合：后一级机构的主动件固连在前一级机构的一个连架杆上。,5,1,2,3,4,1,II,I,1,s,3,s,4,II,I,一般串联组合,1,2,3,A,5,4,D,C,B,F,E,M,特殊串联组合,特殊串联组合,：后一级机构的主动件串接在前一级机构的一个连杆上。,第十四章 机械系统的方案设计,2.,机构的并联组合,一个机构产生若干个分支后续机构，或若干个分支机构汇合后于一个后续机构的组合方式。,一般并联组合：各分支机构间无任何严格的运动协调配合关系。各分支部分可独立设计。如,图,14,-,11,所示,某航空发动机附件传动系统。,(b),表示框图,(a),某航空发动机附件传动系统,主动轴,V,I,图,14,-,11,第十四章 机械系统的方案设计,特殊并联组合：各分支机构间有严格的运动协调配合关系。,各分支部分常共用一台原动机（或集中数控），各部分严格按速比设计。,有轨迹配合要求：,如,图,14,-,12,所示,联动凸轮机构中，两个分支凸轮共同驱动一个从动件，实现矩形轨迹完成送料。,图,14,-,12,圆珠笔芯自动送料机构,1,5,4,3,2,6,1,1,有速比要求：,2.,机构的并联组合,第十四章 机械系统的方案设计,有时序要求：,各分支机构在动作的先后次序上有严格的要求。,如,图,14-13,所示,自动车床上三个并联凸轮的工作顺序有先后要求。,凸轮,I,凸轮,II,凸轮,III,凸轮转角,0 90 180 270 360,放松,(,送料,),车外圆道角,挡料,切断,夹 紧,工件（铆钉）,外圆车刀,棒料,切断刀,倒角刀,凸轮轴,挡板,I,II,III,主轴,图,14,-,13,2.,机构的并联组合,第十四章 机械系统的方案设计,有运动形式配合要求：,如,图,14,-,14,所示,搅拌机除了,E,点按曲线运动外，还要求搅拌釜作自旋运动，但两者无速比要求。,砂轮,工件,砂轮架,如,图,14,-,15,所示,磨床中的主轴回转、砂轮回转、工件进给也属于运动形式上的配合。,图,14,-,15,磨床,图,14,-,14,搅拌机构,A,B,C,D,E,2.,机构的并联组合,汇集式并联组合：若干分支机构汇集一道共同驱动一后续机构。常用于重型机械传动。,直线电机,禁翼,直线电机,图,14,-,15,大型船舶主传动机构,图,14,-,16,某型飞机的禁翼操纵机构,一个直线电机失灵后，另外一个仍能工作,图,14,-,17,汇集式并联组合的符号框图,第十四章 机械系统的方案设计,第十四章 机械系统的方案设计,将一个多自由度,(,通常为二自由度,),的机构,(,称为基础机构,),中的某两个构件的运动用另一机构,(,称为约束机构,),将其联系起来，使整个机构成为一个单自由度机构的组合方式称为,封闭式组合,。 根据被封闭构件的不同，又可分为如下两种。（,1,）一般封闭式组合将基础机构的两个主动件或两个从动件用约束机构封闭起来的组合方式称为机构的一般封闭式组合。（,2,）反馈封闭式组合通过约束机构使从动件的运动反馈回基础机构的组合方式，称为反馈封闭式组合。,3.,机构的封闭式组合,第十四章 机械系统的方案设计,将一机构装载在另一机构的某一活动构件上的组合方式称为机构的,装载式组合,。它又可根据自由度的多少而分为如下两种：（,1,）单自由度的装载式组合（,2,）双自由度的装载式组合,4.,机构的装载式组合,第六节 机械传动系统方案的拟定,第十四章 机械系统的方案设计,在确定了机械的工作原理，并完成了执行机构构件和原动机的运动设计之后，通过进行机构的选型、变异及组合，即可形成机械传动系统方案。最后通过分析与评价，从众多的方案中选出最佳方案。,一、拟定机械传动方案的一般原则,1,、采用尽可能短的运动链,理由：降低重量和制造成本、提高效率、减少累计误差,方法：在无严格速比要求时，各分支选用独立原动机。,2,、优先选用基本机构,理由：基本机构结构简单、设计方便、技术成熟。在不满足要求时，才考虑变异或组合。,3,、应使机械有较高的机械效率,4,、合理安排不同类型传动机构的顺序,1),转变运动形式的机构（如凸轮机构、连杆机构、螺旋机构等）通常安排运动链的末端，与执行机构靠近,.,2),带传动和摩擦传动一般应安排转速较高的运动链的起始端，以减小传动的扭矩，并减小外形尺寸。,第十四章 机械系统的方案设计,一、拟定机械传动方案的一般原则,:,第十四章 机械系统的方案设计,一、拟定机械传动方案的一般原则,:,5,、合理分配传动比,（,1,）每一级传动比应在合理范围内选取；,（,2,）减速传动时，按前小后大的原则分配，有利于减小尺寸；,传动机构种类 平带,V,带 摩擦轮 齿轮 蜗杆 链,圆周速度,m/s 5,25 5,30 15,25 15,120 15,35 15,40,减速比 ,5 8,15 7,10 4,8 80 6,10,最大功率,kw,2000 750,1200 150,250 50000 550 3750,常用传动机构的合理取值范围,6,、保证机械的安全运转,为防止倒转可采用自锁装置或制动器，防止过载损坏可采用摩擦传动或安全联轴器。,拟定机械传动系统的方法较多，下面介绍两种较常用的方法。（,1,）功能分解组合法功能分解组合的基本思路是：首先对设计任务进行深入分析，将机械要实现的总功能分解为若干个分功能，再将各分功能细分为若干个元功能，然后为每一元功能选择一种合适的功能载体,(,机构,),来完成该功能，最后将各元功能的功能载体加以适当地组合和变异，就可构成机械传动系统的一个运动方案。由于一个元功能往往存在多个可用的功能载体，所以用这个方法经过适当排列组合可获得很多的传动系统方案。,第十四章 机械系统的方案设计,2.,拟定机械传动系统方案的方法,（,2,）模仿改造法,第十四章 机械系统的方案设计,2.,拟定机械传动系统方案的方法,先找出完成设计任务的关键技术；,然后寻找具有类似技术的设备装置；,分析利用原装置完成现设计任务的有利条件、不利条件、还缺少哪些条件；,保留有利条件，去掉不利条件，增设缺少的条件， 对原装置进行改进，使之能满足现设计的需要。,注意：,为了更好地完成设计，一般应多选几种原型机。,（,1,）评价指标机械传动方案评价的指标应由所设计机械的具体要求加以确定。一般说来，评价指标应包括下列五个方面。,第十四章 机械系统的方案设计,3.,机械传动系统方案的评价,1),机械功能的实现质量,精确性、稳定性、适应性、扩展性；,2),机械工作性能,运转的平稳性、传力性能、承载能力等；,3),机械的动力性能,冲击、振动、噪声、耐磨性能等；,4),机械的经济性,设计工作量大小、制造成本、维修难易、能耗等,5),机械结构的合理性,复杂程度、尺寸及重量大小等。,（,2,）评价方法下面仅介绍其中一种使用较为简便的专家记分评价法。在进行记分评价时，首先应建立评价质量指标体系，即应根据被评价对象的特点，确定用哪些指标来衡量各方案的优劣。其次，为每个指标确定评分的分值，各分值是根据所设计机械的具体要求和各指标的重要程度来确定的，各指标分值的和应为,100,。,第十四章 机械系统的方案设计,3.,机械传动系统方案的评价,第三：专家评分，一般采用五级相对评分制，即用,0,、,0,25,、,0,5,、,0,75,、,1,分别表示方案在某指标方面为很差、差、一般、较好、很好。,最后：计算各方案得分，将各专家对某方案某指标的评分进行平均，再乘以该指标的分值，即为该方案在该指标上的得分，将各指标的得分相加，即得该方案的总分。根据各方案总分的高低，即可排出各方案的优劣次序，从中选出最佳方案。,第十四章 机械系统的方案设计,3.,机械传动系统方案的评价,第七节 机械传动系统设计举例,第十四章 机械系统的方案设计,1,试设计育秧钵制作机传动系统,设计要求,:,育秧钵如图,14-18,所示，每分钟生产,50,个。,工艺过程：填肥土、压实、脱模。,核心技术：冲制、脱模如图,14,-,19,所示。,模仿改造的原型机：蜂窝煤制作机。,图,14,-,18,育秧钵,1,）,分析,:,60,20,25,60,图,14,-,19,冲制、脱模,第十四章 机械系统的方案设计,2,）,图,14,-,20,所示蜂窝煤制作,机传动系统中，包括：,电机,带传动,圆柱齿轮、,锥齿轮,槽轮,实现工作台间歇转动。,冲头,凸轮机构,实现清扫,电机,带传动,圆柱齿轮、,曲柄滑块机构,实现冲压与脱模。,1,2,8,7,6,5,4,3,11,10,9,14,13,12,图,14,-,20,蜂窝煤制作机传动系统,因为模盘靠槽轮实现间歇回转，周期较长，生产效率低，机构也较复杂，成本较高,可以考虑改成连续旋转,;,土壤间粘结性好，改造方案中可以考虑去掉；,缺混合搅拌装置，新方案拟增加。,注意,:,1,试设计育秧钵制作机传动系统,第十四章 机械系统的方案设计,1,2,5,6,4,3,图,14,-,21,育秧钵制作机传动系统,9,7(8),III,II,I,10,11,16,15,14,13,12,14,13,9,17,K,K,向,3,）,改造成育秧钵制作机：,电机,带传动,圆柱齿轮、,锥齿轮,圆柱齿轮,实现工作台连续转动。,轴,III,直接驱动搅拌器 。,电机,带传动,圆柱齿轮、,曲柄滑块机构,实现冲压与脱模。,1,试设计育秧钵制作机传动系统,第十四章 机械系统的方案设计,2.,多头专用钻床的机械传动系统设计,设计任务：,设计一台自动钻床，用来同时加工图,14,-,21,所示零件上的三个孔，能自动送料。并设计运动循环图。,1,）,确定工作原理,钻削工艺：,钻头一边旋转，同时相对于工件作移动。,三种运动方案如图,14,-,22,所示,：,图,a,：,钻头旋转，同时轴向进给，工作台静止；,图,b,：,钻头旋转，工作台带动工件进给；,图,c,：,工作台旋转，钻头作轴向进给；,30,20,3-,8,20,20,50,20,10,图,14,-,21,图,14,-,22,(a),(b),(c),第十四章 机械系统的方案设计,2.,多头专用钻床的机械传动系统设计,送料机构可以采用从料仓推送工件的方式，如,图,14,-,23,所示,。,工作台,送料杆,料仓,三个执行构件：,钻头、工作台、送料杆,2,）,执行构件的运动设计,工艺过程：,送料杆往右推出零件，,并顶出加工好的零件,夹具将工件定位，并夹紧；,送料杆返回，工作台带动工件快速上移接近钻头；,工作台慢速进给；,钻孔结束后，工作台快速退回，完成一个循环。,图,14,-,23,第十四章 机械系统的方案设计,2.,多头专用钻床的机械传动系统设计,钻头的转速：,n,c,=1000v/(,d),其中：,d,钻,头直径，,d,=8 mm,v,切削速度，查手册,45,钢，可选,v,=12.5m/min,代入得：,n,c, 500 r/min,工作台为往复运动。钻孔工艺要求：,工作台带动工件快速上移接近钻头；,工作台改用工作进给速度先钻凸台上的孔，待钻到 一定深度时，三个钻头才同时钻进，因工作阻力增加，故进给速度应减小；,钻孔结束后，工作台快速退回，完成一个循环。,设工作台完成一个工作循环所需的时间为,T,1,，,则有：,T,1,=,t,1,+,t,2,+,t,3,+,t,4,+,t,5,第十四章 机械系统的方案设计,2.,多头专用钻床的机械传动系统设计,其中：,t,1,单孔,钻削时间。设,单孔,钻削每转进给量为,s,1,=0.2 mm/r ,单孔,钻削深度为,10mm,，,并考虑,3mm,的提前工作量。求得：,t,2,三孔同时,钻削时间，设进给量为,s,1,=0.16 mm/r,，,单孔,钻削深度为,10mm,，,并考虑,3mm,的越程量。求得,t,2,=(10+3)/(,s,2,n,c,)=0.163 min =9.8 s,t,3,快速接近时间，取,t,3,=1.5 s,t,4,快速退回时间，取,t,4,=2.5 s,t,5,工作台停歇等待更换工件时间，取,t,5,=3 s,；,工作台一个工作循环总时间：,T,1,=,t,1,+,t,2,+,t,3,+,t,4,+,t,5,=24.6 s,工作台每分钟工作循环数：,n,1,= 60 /,T,1,=2.44,t,1,=(10+3)/(,s,1,n,c,)=0.13 min = 7.8 s,送料杆的运动为往复直动。循环时间与工作台相同：,T,s,= 24.6 s,工作台的行程：,H,f,=,h,0,+,h,1,+,h,2,h,0,工作台快速趋近钻头的运动距离，取,h,0,=15 mm,；,=41 mm,h,1,单,孔钻削深度，取,h,1,=13 mm,；,h,2,三,孔同时钻削深度，取,h,0,=13 mm,。,送料杆的行程取工件的两倍：,H,s,= 100 mm,送料杆的运动与工作台的运动必须协调，而钻头的旋转与送料杆和工作台之间的运动是独立的。,凸轮转角,0 90 180 270 360,送料杆 送料 静 止 送料,工作台 停止 单孔钻 三孔钻 快退,快 进,工作循环图：,第十四章 机械系统的方案设计,2.,多头专用钻床的机械传动系统设计,类型,交流异步感应电动机,(,由机床的工作要求确定,),为了减少原动机的数量，三个钻头共用一个原动机。,3,）,原动机的选择,4,）,计算运动链的总传动比,切削运动链的总传动比：,i,c,=,n,n,/,n,c,=1440/500=2.88,进给运动链的总传动比：,i,f,=,i,s,=,n,n,/,n,f,=1440/2.44=563,5,）,机构选型,转数,额定转数,:,n,n,= 1440 r/min,切削运动链的设计：,钻头作连续回转运动，运动链的总传动比为,2.88,无需运动转换，但需要减速。,第十四章 机械系统的方案设计,2.,多头专用钻床的机械传动系统设计,三个钻头应同向旋转，且各钻头之间的距离很小，即要求具有运动分解功能，其尺寸受到限制。,电动机轴一般为水平放置，与钻头的方向不一致，即要求具有改变运动轴线方向的功能。,机构选型,具有减速功能的传动有：齿轮传动、带传动、链传动。考虑到速度较高，距离较远等因素，此处选用,V,带传动。,电动机与钻头之间有较大的传动距离，即要求运动链作远距离传动。,能变换运动轴线方向的传动有：圆锥齿轮传动、交错轴斜传动、蜗杆传动。考虑到两轴线垂直相交且传动比较小，此处选择圆锥齿轮传动。,第十四章 机械系统的方案设计,2.,多头专用钻床的机械传动系统设计,三个钻头应同向旋转，此处选择一个中心齿轮带动,周围三个从动齿轮的定轴轮系，如,图,14-24,所示,。,选用万向联轴节或钢丝软轴将运动传递给钻头。,进给运动链的设计：,工作台作往复直线运动，且运动规律较复杂，但行程不大。此处选用凸轮机构。,将以上所选机构经适当组合，就得到钻削运动链。,进给运动链应实现很大的传动比,563,，但进给力不需要太大。选用带传动与蜗杆传动实现二级减速。,进给运动的方向和位置与电动机不一致，选用蜗杆传动实现回转轴线方向的变化。,由于结构尺寸的限制，三个从动齿轮轴线之间的距离远大于三个钻头之间的距离。,图,14,-,24,第十四章 机械系统的方案设计,2.,多头专用钻床的机械传动系统设计,送料运动链的设计：,送料杆行程较大，采用连杆机构放大。,送料运动链减速比与进给运动链相同 ，故直接由蜗杆轴带动。,送料运动规律较复杂，故选用凸轮机构。,6,）,机构的组合,III,工作台,1,5,6,4,3,2,10,9,8,7,12,11,13,15,14,将以上所选机构组合就得到如,图,14,-,25,所示,自动钻床的机械传动系统。,图,14,-,25,第十四章 机械系统的方案设计,2.,多头专用钻床的机械传动系统设计,电动机,带传动,(2),凸轮机构,(10),带传动,(8),带传动,(3),锥齿轮传动,(4),圆柱齿轮传动,(5),工作台,凸轮机构,(12),连杆机构,送料杆,蜗杆传动,(9),万向联轴节,钻头,万向联轴节,钻头,万向联轴节,钻头,机构的组合示意框图：,第十四章 机械系统的方案设计,2.,多头专用钻床的机械传动系统设计,图,14,-,25,第十四章 机械系统的方案设计,机构选型、变异与组合,机构的尺寸综合,方案分析,拟定机械的工作原理,执行机构的运动设计和原动机的选择,方案评审,设计步骤,设计步骤总结：,