哈工大机械系统设计第二章

第二章机械系统总体设计本章重点:1.功能原理设计方法—黑箱法2.结构总体设计的原则和步骤3.挖掘机的原理方案4.结构总体设计的基本原理2.1机械系统的功能原理设计好的功能原理设计应既有创新构思,又能满足用户的需求.既重视机构结构设计有注重功能原理设计.如新概念汽车,结构,原理,能源新概念一.功能的定义及分类功能—是系统必须实现的任务(让学生讲出15个汽车的功能)分类—必要功能(基本功能—必须保证(附加功能---技术条件,结构非必要功能(以汽车为例)---可有可无让学生讲出汽车那些是基本功能,那些是附加,非必要功能二.功能原理设计及其特点现在草地非常多,日常维护工作量比较大,剪草机用量大.让学生说出草地剪草有几种方法.让学生锻炼分析问题,解决问题以及创新能力.针对所设计的产品主要功能提出一些原理性构思例:草地剪草机:[拉—无法使草地整齐[割断—手把住上部才行[剪断---利用剪刀刃合拢可剪断[高速尼龙绳功能原理方案设计的任务:针对某一特定的功能要求,去寻找一些物理效应并借助某些作用原理来求得一些实现该功能目标的解法原理来.功能原理方案设计步骤分析阶段:设计任务—求总功能(黑箱法)—总功能分解(逐级分解)—综合阶段:寻求子功能解(创造性方法,目录法,调查分析法)---原理解综合(形态学矩阵法)---评价和决策阶段:评价与决策(各种评价方法)---最佳原理方案功能原理设计特点:1.是一种新的物理效应替代旧的,工作原理变化2.引入新材料,新工艺,新技术等,设计人员有新想法3.使系统发生质的变化三.功能原理设计的设计方法-黑箱法输入输出黑箱自行车功能原理系统图黑箱法基本内容即根据系统的某种输入及要求获得某种输出的功能要求，从中寻找出某种物理效应或原理来实现输入输出之间的转换，得到相应的解决办法，从而推求出“黑箱”的功能结构，使“黑箱”逐渐变成“灰箱”、“白箱”的一种方法。这样就摆脱了具体设计对象，而按系统（产品）的功能和对三大流进行定性描述来进行思考，使问题简化，以利于启发设计人员构思出更新、更好的功能原理方案来。四.功能元,功能结构1.功能元:由于一个系统可以分解成一些子系统，所以，一个系统的总功能也能分解为一些分功能；如果有些分功能还太复杂，则还可以进一步分解到更低层次的分功能，直到分解到最后不能再分解的基本功能单位为止，这个基本功能单位就叫功能元。机械设计中常用的基本功能元有:物理功能元、数学功能元和逻辑功能元。2.功能结构五.功能元求解例2.4设计手动订书打孔机设计要求：1.操纵手柄旋转运动2.打孔针作直线运动3.杆件数目为44.省力步骤：1.确定总功能2.总共能分解3.旋转运动变为移动运动的四杆机构设计四种可行方案：六.系统原理方案综合例2.5设计露天矿开采挖掘机的原理方案步骤：1.用黑想法寻找总功能的转换关系2.总功能分解3.建立功能结构图4.寻找原理解法和原理解组合技术过程流程图：总功能分解图：功能结构图（上）：功能结构图（下）：从表中可知：组合方案数=3X3X2X3X1X4X4X3X4=10368方案一：履带式正铲挖掘机（A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1）方案二：轮胎式正铲挖掘机（A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H2+I2）通过此例可看到能得到很多方案，这给设计者很多选择，一般采用相容性矩阵或选择表来对众多原理进行筛选1.相容性矩阵为便于检验和了解有联系的分功能之间的相容性，可以列出相容性矩阵。表2.5为一示例。此矩阵可以检验功能元F1和功能元F2所对应的技术物理效应之间的相容性。由表可得：判断功能元F1和F2的技术、物理效应之间是否相容，有三种情况：相容（A3、B1、D1）、条件相容（A1、B3、C1、C3）和不相容。2.选择表对于复杂问题可以采用选择表法。建立选择表之前，拟出选择标准，例如：1.与设计任务相符2.应能满足各项必要要求3.在原理上可实现4.成本可行5.符合安全和人机工程学6.在技术水平、材料供应、制造方法、专利和标准方面可行选择表示例：功能原理设计举例例：瓶盖整列装置的原理方案设计设计要求：把一堆不规则放置的瓶盖整列成口朝上的位置逐个输出。尺寸如图，瓶盖质量m=10g，整列速度100个/min，能量为220V交流，高气压0.6MPa，其余要求参见下表步骤：一.明确任务要求二.功能分析1、总功能：通过黑箱模型示意2.总共能分解：3、功能元求解。采用设计目录法，如下表4.功能元组合。组合功能元的解为N=8X6X6X3X7=60485.评价与决策。评价中用“++”表示“很好”，“+”表示“好”“-”表示不好2.2结构总体设计产品的使用性能，尺寸，外形，重量，生产成本等都与总体设计有密切关系。且不是孤立的系统。本节重点:1.结构总体设计的任务,及设计步骤2.车床和大客车的总体布置一、结构总体设计的任务、原则1.结构总体设计的任务及重要性机构总体设计任务是将原理方案结构化，即把一维或二维的原理方案转化为三维的可制造的形体过程。2.结构总体设计原则明确、简单、安全是结构总体设计阶段鼻血遵守的三项基本原则。保证实现总系统的预期功能、降低成本及保证人和环境的安全。明确原则:功能,工作情况,结构的工作原理明确简单原则:满足功能条件下尽可能简单安全原则:构件的,功能的,人的,环境的安全一端固定一端游动两端固定，轴向载荷与预紧及热膨胀附加载荷有关弹性预紧方案二.结构总体设计步骤（上）二.结构总体设计步骤（下）三.总体布置设计机械系统---由若干个子系统按照总功能的要求互相匹配组成的.形成一个协调完善的造型.总体布局设计的基本要求:1.功能合理,保证工艺过程的连续和流畅2.降低质心高度,减少偏置3.保证精度,刚度和抗震性等要求4.结构紧凑,层次分明,比例协调5.充分考虑产品的系列化发展6.操作,维修,调整简便,造型合理,实用美观7.提高人机系统整体的效能四.总体参数的确定总体参数是结构总体设计和零部件设计的依据。对于不同的机械系统，其总体参数包括的内容和确定的方法也不相同。但一般情况下主要有：性能参数（生产能力等）、结构尺寸参数、运动参数、动力参数等。1.性能参数（生产能力）机械系统的理论生产能力（设计生产能力）——在单位时间内完成的产品数量。设加工一个工件或装备的一个组件所需的时间为)/(1/1QtftgTT：加工一个零件的工作周期的时间tg：工作时间，直接用于加工或装配工件的时间tf：辅助工作时间生产效率：fgttT2.尺寸参数尺寸参数主要是指影响机械性能和工作范围的主要结构尺寸和作业位置尺寸。主要结构尺寸是由整机外形尺寸和主要组成部分的外形尺寸综合而成。外形尺寸受安装、使用空间、包装、运输等要求的限制。作业位置尺寸是机械系统在作业过程中为了适应工作条件要求所需的尺寸，如机床的加工范围、中心高度、主要运动零部件的工作行程及主要零部件之间位置关系尺寸等。例题：确定颚式破碎机钳角α受力图如图所示，设物料与颚板之间的摩擦力为μ，物料重力不计。当物料被夹牢在颚腔内而不被推出腔外时，各力平衡，在xy方向上合力分别等于零。0sincos,00sincos,0221221ααμμΞαμαΞnnnnnnFFFyFFFx0sin)1(cos22αμαμ212tanμμα将两式合并并简化后得又为摩擦角，则为使破碎机工作可靠，必须使φφμ,tanφφφα2tantan1tan2tan2φα2一般μ=0.2-0.3，故钳角最大值为22°-33°。为防止楔塞现象，因此一般取18°-22°3.运动参数机械系统的运动参数一般是指机械执行件的运动速度等。机械系统中执行件的速度一般是根据工作的对象的工艺过程要求和生产效率等因素确定。1).最高,最低转速的确定,第四章详介绍2).转速相对损失A与公比Φ,变速范围Rn与级数Z对于有级变速运动，当已知最高和最低转速后，中间各级转速通常按等比数列或等差数列排列。由于采用等比数列能使相邻各级转速的相对损失均匀，且使变速系统中每一个传动比都得到充分利用，使变速系统简化，所以在一般机械系统中大多按等比数列排列，很少采用等差数列排列。nnnjA如机床的变速结构共Z级，其中n1=nmin，nz=nmax，Z级转速分别为n1,n2,n3,n4,…..nj,nj+1……nz加工某一零件需要速度为v，对应转速nNjnnj+1采用nj+1，会降低刀具的耐用度，因此以nj为宜。则转速损失n-nj，相对转速损失率为：最大损失率为n趋近于nj+1时111max1Alim1jjjjjnnnnnnnnnnj转速的损失会直接反应到生产效率中，对于普通机床如果认为每个转速的使用机会都相等，那么Amax为定值11A11maxconstnnconstnnjjjj或jjn1n任意两级转速关系为：机床的转速应按等比数列分级，其公比为各级转速为：max111212312min1......nnnnnnnnnnnzzz%10011Amax）（1111minmaxRzznnnnn1-znR最大转速损失率为变速范围为lg)1(lgZRn或两边取对数，可写成1lglgZnR三个参数中已知任意两个，可求其余的一个参数。国标GC58-60规定了的七个标准公比：1.06、1.12、1.26、1.41、1.58、1.78、2ZRn、、即例：有一台车床，主轴转速共12级，分别为31.5、45、63、90、125、180、250、355、500、710、1000、1400，公比为=1.41，则最大相对转速损失率为：%29%10041.1141.1Amax4541.141.1Rn11112变速范围：4.动力参数动力参数是指电动机的额定功率、液压缸的牵引力、液压马达、启动马达、伺服电机或步进电机的额定转矩等。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。一次能源和二次能源关系图电动机的选择1.电动机的预选各种机械设备对电动机的基本要求是在可靠、经济的基础上保证其生产效率的，电动机的选定主要是指容量即功率的选择。因为当电动机容量选小时，会不可避免地产生电动机过热，同时还可能出现启动困难、经不起冲击负荷等故障甚至损坏电动机，或者在保持电动机不过热的情况下，降低了机械系统的生产效率；若电动机的容量选大了，则不仅设备投资费用增加，而且由于电动机经常处于轻载下运行，使运行效率和功率因数（对异步电动机而言）都会下降。2.电动机的主要类型电动机主要种类有直流电动机和交流电动机两大种。在选择电机时，要注意两方面内容：1.工作机械的工艺特点2.各种电动机自身所具有的特点，包括性能方面、额定功率、瞬时过载能力、额定转数、价格、维修等电机的主要类型电动机额定功率选择的步骤：1.计算机械系统功率2.根据机械系统功率，预选电动机的额定功率及其他3.利用预选电动机的参数和机械参数绘制电动机的负载图，必要时计算过渡过程4.检验预选电动机。五.结构总体设计的基本原则1.任务分配原则2.稳定性原则3.合理力流原则4.自补偿原则5.变形协调原则6.力平衡原则7.等强度原则六.软固体物体自动包装机设计1.原始资料（1）产品本机的包装对象是圆台形柱状固体物料，如图（2）包装材料采用厚度为0.008mm的金色铝箔卷筒纸。（3）关于自动机包装能力的要求根据给定生产定额每班产570Kg，折算后为120块/min,且生产率无级调速70-130块/min2.包装工艺的确定对人工包装动作顺序进行加工提供，使能适合机械动作要求。固体物料不能采用料斗式上料机构，要求解决自动上料问题。第一次工艺试验，采用刚性整体锥形模腔，迫使铝箔纸紧贴固体物料的圆锥面。结果发现固体物料粘模、破纸等问题；第二次工艺实验时，将刚性的锥形模腔改成具有一定弹性的钳物料机械手夹子。组成比较完善的工