第11章 机械系统的方案设计

第十一章机械传动系统方案的设计由若干种不同机构组合而成，能实现机械工艺过程所需运动的系统。单一的常用基本机构机械传动系统工程实际中：方案１方案２方案n优化选取创造性的工作！要求：1)注重多学科知识的综合应用；2)注重总结与实践经验的积累；3)充分发挥创造思维和想象能力，灵活应用各种设计方法与技巧。以便设计出新颖、灵活、高效的机械传动系统拟定过程考虑因素：实现运动学要求；成本、重量、尺寸、机械效率、寿命等。1.执行系统的方案设计主要有功能原理设计、动作及运动设计、执行机构的型式设计、执行系统的协调设计和执行系统的方案评价与决策。机械传动方案设计的内容2.原动机类型的选择机械执行系统运动方案设计执行系统是直接完成机械系统预期工作任务的部分。由一个或多个执行机构组成。执行构件的数量及运动形式、运动规律和传动特性等要求，决定了整个执行系统的结构方案。机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的核心。一、主要内容和过程执行系统运动方案设计，是在产品规划明确拟定了其功能目标后进行的。其过程表示在图中。⑴功能原理设计考虑选择何种工作原理来实现机械预期的功能。采用的工作原理不同，设计出的机械会有很大的差异，因此必须根据机械的具体工作要求，如强度、精度、寿命、效率、产量、成本、环保等诸多因素综合考虑确定，尽可能多采用几个方案。⑵动作及运动设计根据工艺要求进行工艺动作的分解及执行运动的确定。同一个工作原理，可以有多种工艺动作分解。不同的工艺动作分解，将会得到不同的设计结果。⑶执行机构型式设计实现同一种运动，可以选择不同型式的机构。选用何种机构来实现所需运动，这需要考虑机构的动力特性、机械效率、制造成本等因素。⑷执行系统的协调设计对于由多个执行构件及执行机构组合而成的复杂机械，必须使这些执行构件的运动以一定的次序协调配合，以完成预期的工作要求。⑸机构的尺度设计对所选择的各个执行机构进行运动和动力设计，确定各执行机构的运动学尺寸，如转动副间的相对位置尺寸、移动副的导路位置、高副运动副元素的几何形状及尺寸等等。⑹运动和动力分析对整个系统进行运动分析和动力分析，检验是否满足运动要求和动力性能方面的要求。⑺方案评价与决策方案评价包括定性评价和定量评价。实现同一种功能要求，可以采用不同的工作原理；实现同一种工作原理，可以选择不同的运动规律；实现同一种运动规律，可以采用不同型式的机构。因此，为了实现同一种预期的功能要求，可以有多种不同的方案。机械执行系统方案设计所要研究的课题，就是如何合理地利用设计者的专业知识和分析能力，创造性地构思出各种可能的方案，并从中选出最佳方案。二、执行系统运动方案设计策略(一)功能分析与功能求解1.功能分析功能分析法是系统设计中拟定功能原理方案的主要方法。一台机器所能完成的功能，称为机器的总功能。功能分析法就是将机械产品的总功能分解成若干功能元，然后求解功能元，再将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案，以供评价选择。2.功能求解⑴根据机构的基本功能，归纳整理为功能元。任何一个复杂的机构系统所要实现的运动，都可以认为是由一些基本的功能元按一定规律组成的，根据功能元就易于找到相应的功能载体，实现功能元的求解。基本功能元及符号表示⑵列出功能元解的目录。为了便于设计人员进行功能原理的构思，可以将有关的功能元解，按一定的分类排序原则，用矩阵表的形式列出。⑶注意功能求解的技巧。注意：机械执行系统的功能原理及运动方案设计的多方案性为实现同一预定的功能目标，可以选择不同的功能原理来实现，选用不同的技术原理来完成。例１齿轮加工方法无屑加工(精密铸造、粉末冶金成型、滚压成型)、切削加工(成型法、展成法)、成型法加工的盘状齿轮铣刀和指状齿轮铣刀、展成法的滚齿和插齿例２糖果包装机设计例３自动输送料板的装置纽结式折叠式接缝式机械推拉平板摩擦工艺动作分解与运动方案选择有着密切关系。实现同一机器功能时，应尽可能采用动作简单、工序少数的动作过程。例４加工内孔摩擦轮底部气吸顶部气吸车床镗床钻床拉床例５加工平面（二）执行机构的型式设计、创新与系统的协调机械传动系统的作用就是将原动机的运动和动力传递到执行构件，执行构件的选择,就是根据拟定的工作原理和工艺动作过程，确定执行构件的数目、运动形式、运动参数、运动协调关系。这是项创造性的工作，直接影响到整个机械系统的传动方案。牛头刨床－刀具往复运动龙门刨床－工件往复运动即使对于同一功能原理，也会有不同的运动方案。一个执行构件两个执行构件１、执行构件的运动设计1)执行构件的数目根据工作原理工艺动作过程执行构件的数目运动形式运动参数运动协调关系——取决于机械分功能或分动作的多少，两者不一定相等，要具体分析确定。如立式钻有两种方案:2)执行构件的运动形式和运动参数直线运动曲线运动复合运动往复摆动执行构件运动形式回转运动每分钟转数rpm——由两个以上单一运动合成间歇回转停歇往复直线停歇单向直线沿可变曲线运动连续回转沿固定曲线运动往复直线每分钟转位次数、转角大小、运动系数每分钟摆动次数、转角大小、行程速比系数每分钟行程数目、大小、行程速比系数每循环停歇次数、位置、时间、行程大小和工作速度。——每次进给量的大小。砂轮工件砂轮架２、各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图1）各执行构件间运动的协调配合关系a)运动彼此独立无需协调配合：外圆磨床的砂轮和工件的四个运动彼此独立。故应为每个运动单独设计各自的运动链。b)动作协调配合：图示冲床的两个执行构件中，要求：▲送料构件将原料送入模孔上方后，冲头才可进入模孔进行冲压；图示折叠包装机构的两个执行构件中，要求：饼干1342饼干2右折边构件43包装纸左折边构件1饼干1342饼干1342饼干1342左折边构件右折边构件饼干1342包装纸MBA两个构件不能同时位于区域MAB中，以免干涉。▲当冲头上移一段距离后，才能进行下次送料动作。c)各执行构件运动速度的协调配合：范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。对于有运动协调配合要求的构件，往往采用以一台原动机，通过传动系统分配运动，实现协调动作。2）机械的工作（运动）循环图定义：设计机械时，用以表示机械在一个工作循环过程中，各执行构件之间运动配合关系的图形。定标件：用其运动位置（转角或位移）作为确定其它执行构件运动先后次序的基准。形式：直线式、圆周式、直角坐标式三种。▲直线式工作循环图退回停止冲制进给冲头送料器曲柄转角φ0˚90˚180˚270˚360˚此例中主轴作为定标件。▲圆周式工作循环图图示为单缸四冲程内燃机的工作循环图。曲轴为定标件，转2圈为一个工作循环。启排气门开启进气门开进气排气压缩膨胀闭进气门关火点曲轴0˚540˚360˚180˚排门闭关气进退静止静止静止进退MM左执行机构1左执行机构2分配轴转角φ0˚90˚180˚270˚360˚▲直角坐标式工作循环图饼干包装机工作循环图中，横轴表示定标件的转角，纵轴表示执行构件的转角。饼干1342饼干2右折边构件43包装纸左折边构件1饼干1342饼干1342饼干1342左折边构件右折边构件饼干1342包装纸MBA两个构件不能同时位于区域M把MAB中，以免干涉。饼干1342饼干2右折边构件43包装纸左折边构件1饼干1342饼干1342饼干1342左折边构件右折边构件饼干1342包装纸MBA３、常用机构1）传递连续回转运动的机构啮合传动机构连杆机构传递连续回转运动的机构摩擦传动机构摩擦轮传动带传动蜗杆传动链传动齿轮传动平行四边形机构双曲柄机构2）实现单向间歇回转运动的机构棘轮机构齿轮--连杆机构单向间歇回转运动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。3）实现往复移动往复摆动运动的机构凸轮机构组合机构往复运动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。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。螺旋机构的特点：可获得大的减速比和较高的运动精度，常用作低速进给和精密微调机构。齿轮齿条机构的特点：适用于移动速度较高的场合，精密齿条制造困难，传动精度及平稳性不及螺旋机构。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。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。齿轮齿条机构或螺旋机构可满足大行程的要求。4）再现轨迹的机构齿轮——连杆组合机构联动凸轮机构再现轨迹连杆机构凸轮——连杆组合机构一般而言，除了凸轮机构能实现精确的曲线轨迹之外，其它机构都只能近似实现预定的曲线轨迹。齿轮——连杆组合机构作者：潘存云教授搅拌机构CBADE凸轮——连杆组合机构联动凸轮机构４、机构的变异当所选机构不能满足机械提出的运动和动力要求时，或者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获得新的机构或特性。此称为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目的：获得新的机构或特性，已满足使用要求。机构的变异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，运动到左侧时，可获得较长时间的停歇。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3）选不同的构件作为机架——机构的倒置摆动凸轮机构123123连杆--凸轮机构A1BCO234罐头封口机构要求C点沿接合缝运动。4）选不同的构件作为原动件电机ABDC风扇座蜗轮蜗杆双摇杆机构中，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。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。123B654M3１）机构的串联组合５、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。前一个机构的输出，作为下一个机构的输入，依次串联。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。51234ω1IIIω1s3s4III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。123A54DCBFEM123A54DCBM123A4DCBE织布机开口机构。M点通过直线段时，从动导杆作较长时间的停歇。III齿轮机构与连杆机构的串联组合。行星轮上各不同点的轨迹是各种内摆线，故选择不同点C可使从动杆4获得不同的运动规律。特殊串联组合的表示符号：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。表示框图某航空发动机附件传动系统主动轴VIⅡⅥⅢⅣ特殊并联组合：各分支机构间有严格的运动协调配合关系。(a)有速比要求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。(b)有轨迹配合要求图示联动凸轮机构中，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。圆珠笔芯自动送料机构154326ω11(c)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090˚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IIIIII主轴(d)有运动形式配合要求左图所示搅拌机除了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。砂轮工件砂轮架搅拌机构如右图磨床中的主轴回转、砂轮回转、工件进给也属于运动形式上的配合。CBADE三、机械传动方案的评价1）评价指标▲机械功能的实现质量——精确性、稳定性、适应性、扩展性；▲机械工作性能——运转的平稳性、传力性能、承载能力等；▲机械的动力性能——冲击、振动、噪声、耐磨性能等