吉林大学机械系统设计实例--第7章机械系统总体设计

第七章机械系统总体设计第一节机械系统的方案设计方案设计由三个基本活动组成，即创造、分析和决策。设计过程的开始是提出一种需求，即为预定设计目标，它可以由使用者或生产者提出。机械产品的方案设计是先确定它的工作原理方案，再确定机械运动方案。机械产品的工作原理方案和机械运动方案的好坏是决定产品性能、成本，关系到产品水平和竞争能力的关键所在。因此，机械运动方案的设计阶段是机械产品设计中的最重要的设计阶段。一、方案设计的方法和步骤对于机械产品来说，在功能分析和工作原理确定的基础上进行工艺动作构思和工艺动作分解，初步拟定各执行构件动作相互协调配合的运动循环图，提出机械运动方案和进行机械运动简图的设计，这就是机械产品方案设计阶段的主要内容。（一）方案构思的常用方法1．黑箱法对于要解决的问题，设计人员难以立即认识，犹如对待一个不透明、不知其内部结构的“黑箱”。利用对未知系统的外部观测，分析该系统与环境之间的输入和输出，通过输入和输出的转换关系确定系统的功能、特性所需具备的工作原理与内部结构，这种方法称为黑箱法。2．列举法以现有功能类似的机械作对象，列举其优点，在新方案中保留；列举其缺点，以便避免；列举其不足（或不同）之处，以便作必要的补充。在继承基础上创新，可使新方案尽可能完善。3．移植法受其它事物（也许与本课题毫无直接关系的事物）的启迪，触发灵感，运用联想将其原理合理地应用到自己的课题上。如将香水喷雾器原理移植到内燃机上，发明了内燃机燃油雾化喷嘴；将移动推杆盘形凸轮机构的工作原理移植到齿轮上，发明了活齿齿轮。4.筛选法将有可能实现该功能要求的工作原理、工艺动作及实现该运动的基本机构和组合机构尽可能按层次罗列出来，进行排列组合；再按可行性、先进性、方便性、经济性逐个分析审查，淘汰不适合的。经过不断筛选，剩下两三个方案再按方案设计的有关步骤进行。（二）方案设计的一般步骤根据产品功能要求、工作性质及动作过程等基本要求进行新机械的方案设计时，①要将总功能分解为各分功能以及各功能元，并找出各功能元的动作要求和运动规律；②按各功能元的动作要求和运动规律确定机械示意图（亦可称为机械运动方案）；③按各功能元的运动规律、动作过程、动力性能等要求来进行机械运动简图的尺度综合。将机械运动方案中各个机构运动尺寸计算确定之后就得到机械运动简图。机械运动简图的设计就是机械运动系统的尺度综合。机械运动方案设计阶段，要求完成机械产品的功能分析，功能原理求解和通过评价决策得到最佳功能原理和机械运动方案，也就是初步完成机械运动简图设计中的机构选型和组合应用的分析和设计。机械运动简图设计中几个主要步骤的大致内容：1、机械总功能的分解根据机械总功能要求，选定机械的工作原理、工艺动作过程以及实现工艺动作过程的功能原理解。根据机械的工作原理和功能原理解，就可以确定出机械所需要的执行构件的数目、运动形式以及它们之间的运动协调配合关系等要求。2．绘制机械运动循环图按机械的工作原理、执行构件运动协调配合要求，绘制出机械运动循环图，作为各执行机构的选型和拟定机构的组合方案的依据。3．各执行机构综合确定各执行构件的运动参数和生产阻力，选择合适的原动机。然后选择各机构的类型，进行综合。在进行机构综合时要考虑机构功能、结构、尺寸、动力特性等多种因素，同时要考虑机械运动循环图所提出的运动协调配合要求。机构选型时应该进行综合评价，择优选用。4．作出机械运动示意图（机械运动方案图）根据机械的工作原理、执行构件运动的协调配合要求和所选定的各执行机构，拟定机构的组合方案，画出机械运动示意图，这种示意图表示了机械运动配合情况和机构组成状况，代表了机械运动系统的方案，对于运动情况比较复杂的机械，机械运动示意图还可以采用轴测投影的方法绘制出立体的机械运动示意图。5．各机构的尺度综合根据各执行构件、原动件的运动参数及各执行构件运动的协调配合要求，同时还要考虑动力性能要求，确定各机构中各构件的几何尺寸（指机构的运动尺寸）或几何形状（如凸轮廓线）等。在进行机构的尺度综合时要考虑机构的静态和动态误差的分析。6．绘制机械运动简图对各机构尺度综合所得结果，要从运动规律、动力条件、工作性能等多方面进行综合评价，确定合适的机构运动尺寸。然后绘制出机械运动简图。机械运动简图应按比例尺画出各机构运动尺寸和几何形状。根据机械运动简图所求得的运动参数、动力参数、受力情况可以作为机械详细设计（总图、零部件设计等）的依据。二、设计任务抽象化与功能结构功能是抽象地描述机械产品输入量和输出量之间的因果关系。对具体产品来说，功能是指产品的效能、用途和作用。人们购置的是产品功能，人们使用的也是产品功能。按照功能的重要程度，功能可分为两类：基本的功能和辅助功能。基本功能是实现产品使用价值必不可少的功能，辅助功能即产品的附加功能。（一）设计任务抽象化抽象化的目的是为了确定产品的总功能。设计任务抽象化的步骤：①确定总功能，抓住本质，扩展思路，寻找解决问题的多种方法；②将总功能分解为子功能直至功能元；③寻求子功能（功能元）的解；④原理解组合，形成多种原理设计方案；⑤方案评价与决策。（二）功能结构类似电气系统线路图，分功能的关系也可以用图来描述，表达分功能关系的图为功能结构图，功能结构图的建立是结合初步的工作原理或简单的构形设想进行的。1.基本功能结构任何功能结构图，都由下面三种基本结构形式组成：（1）串联结构反映了分功能之间的因果关系或时间、空间顺序关系。（2）并联结构又称选择结构，几个分功能作为手段共同完成一个目的，或同时完成某些分功能后才能继续执行下一个分功能，则这几个分功能处于并联关系。例如车床需要工件与刀具共同运动来完成加工物料的任务。（3）回路结构它又称循环结构，输出反馈为输入的结构为循环结构。2．建立功能结构图的要求1）体现功能元或分功能之间的顺序关系。这是功能结构图与功能分解图之间的重要区别。2）各分功能或功能元的划分及其排列要有一定的理论依据（物理作用原理）或经验支持（以确保分功能或功能元有明确解答）。3）不能漏掉必要的分功能或功能元，要保证得到预期的结果。4）尽可能简单明了，但要便于实体解答方案的求取。3．功能结构图的变化实现同一总功能的功能结构可有多种，改变功能结构常可发展出新的产品。改变的途径有：1）功能的进一步分解或重新组合。2）顺序的改变。例如能量进入系统以后，其转换与传递顺序不同，实体解答方案亦将不同。3）分功能联接型式改变。4）系统边界的改变。必要时可扩大或缩小系统的功能，以求得更合理的解答方案。提高系统机械化、自动化程度是其重要方面。4．建立功能结构图的步骤1）通过技术过程分析，划定技术系统的边界，定出其总功能。2）划分分功能及功能元。通常是首先考虑所应完成的主要工作过程的动作和作用，具体作法可参见功能分解。3）建立功能结构图，根据其物理作用原理、经验或参照已有的类似系统，首先排定与主要工作过程有关的分功能或功能元的顺序，通常先提出一个粗略方案，然后检验并完善其相互关系，补充其它部分。为了选出较优的方案，一般应同时考虑几个不同的功能结构。4）评比，选出最佳的功能结构方案。进行评比的方面是：实现的可能性；复杂程度；是否易于获得解答方案；是否满足特定要求。通常可取少数较好的方案进一步具体化，直至实体解答完全确定，可以明确看出差异时再最后选定。把总功能分解成一系列分功能（功能元）之后，构思的着重点在于：1）确定这些分功能，即工艺动作的运动规律，不同的运动规律匹配不同的机构；2）同一种运动规律，可用（选用或创造）不同的机构型式来实现；3）同一种功能，可选用不同的工作原理，不同的机构来满足功能要求；4）同一种工作原理，可选用、创造不同的机构及其组合来实现。例：衣物洗涤，如图2-6，2-7。根据机构在运动转换中的功能，可把各种机构分成如下五类：1）实现运动形式变换的机构；2）实现运动合成与分解的机构；3）实现运动轴线位置变换的机构；4）实现转速变换的机构；5）实现运动分支、连接、离合、过载保护等其它功能的机构或装置。机械系统方案设计实例（一）四工位专用机床方案设计举例分析1、机器的功能和设计要求四工位专用机床可完成装卸工件、钻孔、扩孔、铰孔工作。其执行机构有2个，回转工作台和主轴箱（带3把专用刀具）。2、工艺动作分解和机械运动循环图3、机构选型和机械运动方案的评比第二节机械系统的总体设计一、总体设计的内容总体设计是机械系统内部设计的主要任务之一，也是进行系统技术设计的依据。总体设计对机械的性能、尺寸、外形、质量及生产成本具有重大影响。因此，总体设计时必须在保证实现已定方案的基础上，尽可能充分考虑与人－机－环境、加工装配、运行管理等外部系统的联系，使机械系统与外部系统相协调和适应，以求设计更臻完善。总体设计的主要内容有：1）总体布置设计；2）确定总体主要参数；3）绘制总体设计图样；4）编写总体设计报告书及技术说明书等。二、总体布置设计（一）总体布置的基本要求总体布置是结构布局的细化，需具体确定各零部件之间的相对位置及联系尺寸、运动和动力的传递方式及主要技术参数，并绘制总体布置图。总体布置的基本要求如下：1．保证工艺过程的连续和流畅通常机械系统工作的工艺过程包含多项作业工序，例如一台联合收割机从作物切割、脱粒、分离、清选直至获得清洁的谷粒要经过许多工序；包装机械则有供料、充填、裹包、封口、甚至清洗、堆码、盖印、计量等多项工序。保证工艺过程的连续和流畅是总体布置的最基本要求。对于工作条件恶劣和工况复杂的机械，还应考虑运动零部件惯性力、弹性变形、过载变形及热变形、磨损、制造及装配误差等因素的影响，确保运动零部件必需的安全空间，相互间不发生运动干涉。例如，汽车的货厢与驾驶室后壁之间必需留有足够的间隙，以免当汽车在行驶中紧急制动时引起货厢与驾驶室相互撞击和摩擦。2．降低质心高度、减小偏置任何机械都应能平衡、稳定地工作，如果机械的质心过高或偏置过大，则可能因扰力矩增大而造成倾倒或加剧振动。所以，在总体布置时应力求降低质心高度，尽量对称布置，减小偏置。整机的质心位置将直接影响行走机械和工程机械如汽车、拖拉机、叉车等的前后轴载荷分配、纵向稳定性、横向稳定性、操纵性及附着性等，对于固定式机械则将影响其基础的稳定性。因此，在总体布置时必须验算各零部件和整机的质心位置，控制质心的偏移量。有些机械在完成不同作业或工况改变时，整机质心位置可能改变，此时在总体布置时应考虑这种情况，必要时留有放置配重的位置。3．保证精度、刚体，提高抗振性及热稳定性对于机床、精密机械设备等，为了保证被加工工件的精度及所需的性能指标，总体布置时必须充分考虑精度、刚度、抗振性及热稳定性的要求。为此，在总体布置时应使运动和动力的传递尽量简捷，以简化和缩短传动链，提高机械的传动精度。对于受力较大及自重较大的零部件，更应注意提高其结构刚度和抗振性，使受力均匀，避免偏载。如柱、梁、底座、床身等大型结构件，宜采用框架式封闭断面结构和双立柱对称布置。对于扰力较大的机械应尽量减小扰力的偏心距，提高支承刚度，必要时还应采取隔振措施，如设置隔振装置或采用柔性连结，以减小振动的传递。热传导的不均匀也会降低机械的精度。把热源部件与主要工作部件分开布置，或采用隔热及散热措施，采用结构对称布置等均有利于均匀传热和减小热变形。4．充分考虑产品系列化和发展设计机械产品时不仅要注意解决当前存在的问题，还应考虑今后进行产品系列化设计的可能性及产品更新换代的适应性。机械产品设计时应尽可能提高产品的标准化因数和重复因数，以提高产品的标准化程度。产品系列化通过把产品的主要参数、尺寸、型式、基本结构等作出合理的安排与规划，形成并合理地简化产品的品种规格，实现零部件最大限度的通用化，可以在只增加少数专用零部件的情况下即可发展变型产品或实现产品的更新换代。产品系列化设计中的重要内容，如主要参数、尺寸和型式、基本结构的标准化、规格化、模块化，都与总体布置密切相关。5．结构紧凑，层次分明紧凑的结构不仅可节省空间，减少零部件，便于安装调试，往往还会带来良好的造型条件。为使结构紧凑，应注意利用机械的内部空间，如把电动机、传动部