机电系统设计第二章

1第二章机械系统的方案设计与总体设计主要内容§2-1机械系统的方案设计§2-2机械系统的总体设计学习方法建议理解各种设计分析方法的应用领域，在解决具体问题上下功夫。2§2-1机械系统的方案设计一﹑设计任务抽象化二、确定工艺原理三、确定技术过程四、引进技术系统并确定系统边界五、确定功能结构六、确定设计方案3方案设计是整体设计的关键，是从质的方面保证设计水平的重要步骤。方案设计时，一般先从系统的功能出发，通过分析机械工作过程的工艺原理，确定人在技术过程中的参与程度，确定技术过程中各作业的顺序，并经过优化筛选，找出实现预定设计目标的最佳原理方案。概括的说，这一过程要解决的主要问题是把复杂的设计要求通过功能关系的分解抽象为简单的模式，以找出能满足设计对象主要功能关系的原理方案。下面我就把机械系统方案设计的大体步骤简单叙述如下。一、设计任务抽象化这一过程不涉及具体的解决方案，只需要知道所设计的机械产品的基本功能和主要约束条件就行了，这样就可以突出设计中的主要矛盾。抽象过程一般用黑箱原理来表示。4如图2－1所示，用黑色的方框框住待设计的技术系统，具体如何，我们不去管它，因为它已经用黑箱框住，看不见内部结构，所要表示清楚的就是系统的输入、输出以及系统与环境的连接。输入、输出量一般包括物料（毛坯、半成品、成品、液体等各种物体，用双箭头表示）；能量（机械能、热能、电能等各种能量，用单箭头表示）；信息（各种数据、测量值、指示值、控制信号等，用虚线箭头表示）。5下面，我们以谷物联合收割机为例，看一看它的黑箱示意图。大家知道，谷物联合收割机的作用是收割地里长成熟的水稻和小麦，并将其脱干净。所以它输入的物料是谷物，输出的物料为脱好的谷粒、切下的茎杆以及碎壳等杂质，驱动能多为柴油机（机械能）等等，外界对收割机工作情况的影响主要有土壤（干、湿）、空气状况（湿度、温度、风力）等，输出影响等，见图2-2所示。6二、确定工艺原理我们要设计的是黑箱内部的东西，因此要设法确定黑箱所要求的能实现作业对象转化的工艺原理（如谷物转化为谷粒的原理），而每一种转化可以由多种不同的工艺原理来实现。比如齿轮轮齿的加工，就可以采用滚、插、铣、拉齿等，不同的工艺过程会使机械系统具有不同的技术经济效果，要选择最佳的工艺原理。如图用人工收割谷物，大家知道，首先必须收割，然后脱粒，脱粒可以用冲击或挤压的方法，最后获得干净的谷粒。因此，自走式谷物联合收割机黑箱给出的物料转化可由以下工艺原理来实现。1）用切刀将作物茎杆切断；2）将切下的作物通过冲击、搓擦和挤压使谷粒和谷穗分离；3）利用振动、重力、气流将茎杆、婴壳和杂质等分离，清选谷粒。7三、确定技术过程也就是按照选定的工艺原理确定转化所需的程序及其顺序，如图2－3为技术过程的一般模式。在一般模式中，包括有各种类型的作业，像信号的检测、调节、控制，物料的输入、输出、能量的转化等等，其中只有根据工艺原理所进行的作业对象的转化，为技术过程的主流程，如状态1经过一系列转化变为状态2，在整个工作过程中，主流程不断得到物料流、能量流、信息流的支持和补充。自动式谷物联合收割机的技术过程的主流程（谷物由进给至分离输出的过程）如图2－4所示。谷物先被切割刀扶持，然后被切断送至脱粒系统脱粒，脱粒后长茎杆直接输出，谷粒、断穗、短茎杆，轻混合物等进入清粒系统，经振动，气流将谷粒、短茎杆、轻混合物（颖壳、灰尘）分离，清选输出，而一些断穗等还有许多颗粒，丢弃很可惜，收获率低。8910四、引进技术系统并确定系统边界引进技术系统就是根据技术过程的要求确定机械系统的具体任务，并把这些任务分配给各个子系统。采用几个技术系统来实现这些效应，人在其中参与的程度如何，将取决于机械化和自动化程度的要求，同时也涉及系统边界的划分。由于各设计对象的目标要求不同以及设计人员的着眼点不同，技术系统的数量和边界的划分往往会有很大差别。五、确定功能结构功能是系统的属性，它表明系统的效能及可能实现的能量、物料、信息的传递和转换。由于系统的总功能一般很多，为便于分析和研究，需进行功能分解。总功能分解到什么程度，取决于在哪个层次上能找到相应的技术物理效应和结构来实现其功能要求。对于复杂的技术系统往往要将其总功能分解为若干级分功能，甚至要分解到不能再分的基本单位——功能元。11下面我们以材料实验机为例，看一下它的功能结构。大家知道材料实验机的用途是测试某种材料在力的作用下的应力和应变，因此它的总功能黑箱为图2－5a。打开黑箱，并进行功能分解，根据实际情况这种试验机的总功能可以分解为这么四个主要功能，即加载能量（输入能量）转化为力和位移，试件加载、测力、测变形，如图2－5b所示，输入能量对试件施加力和位移，试件产生变形并储存能量，载荷的大小和变形的大小通过测力系统和测变形系统反映出来，这样就建立了功能结构的基本雏型，进一步还需要对功能进行完善。例如，试件加载前应能固定，载荷的大小应能调节，力和变形的测量值很小应能放大，并且应和目标值进行比较，图2－5c就是较完善的材料试验机功能结构图。121314对于我们前面介绍的自走式谷物收割机这类比较复杂的机械系统甚至像石油钻机这种更为复杂的机械系统，它们本身有许多子系统组成，如收割系统、脱粒系统、清粮系统、行走系统、传动系统、控制系统、输送系统、支承系统。要是把这些系统的功能结构都详细地绘在一张图上，不仅绘制困难，而且很乱，这时可以分别做出各子系统的功能结构图。并在做图过程中，与功能相当的一系列机械，如收割机、脱粒机、拖拉机、汽车等的相应系统进行比较，以取得最佳的功能结构。六、确定设计方案确定设计方案可以分为以下三步：1、首先寻找实现分功能的方法和载体这需要查阅、借鉴大量的文献及别人的成果。15在找出实现分功能的方法和载体后，应该再把这些载体根据功能结构进行合理组合，这样就可以得到实现总功能的多种总体方案。然后从物理学原理的相容性、技术经济性、功率、速度、尺寸等方面对方案进行评审，从中选出少数几个好的作为候选方案。功能结构的组合可用形态学矩阵来进行。具体是这样的：将系统的分功能作为形态学矩阵的目标标记，将分功能的各种解法作为目标特征，由此可以求出可能的组合方案数。下面我们以挖掘机为例来看一下。挖掘机的主要功能有两个：一个是取物（包括传动、取物），另一个是运动（包括传动、移位）。这样我们可以列出挖掘机的形态学矩阵。16表2－1挖掘机的形态学矩阵解法分功能123456A(动力源)电动机汽油机柴油机蒸气透平液动机气动马达B(移位传动)齿轮传动蜗轮传动带传动链传动液力耦合器C(移位)轨道及车轮轮胎履带气垫D(取物传动)拉杆绳传动气缸传动液压缸传动E(取物)挖斗抓斗钳式斗可能的组合方案数：144034456N。17不同的组合，可以得到不同的方案，如：12343EDCBA履带式挖掘机24255EDCBA液压轮胎式挖掘机对于一些结构非常复杂的机械，如前面我们所讲的自走式谷物收割机这类复杂的机械，如果只采用一个形态学矩阵就过于庞大复杂，这时可将各分功能先建立形态学矩阵，分别考虑局部的设计方案，然后再综合为整体方案。3、确定基本结构布局确定基本结构布局时不必考虑各部分的具体布置和尺寸参数，但它是总体设计的前提，因此结构布局时应考虑总体布置设计的要求。例如，自走式谷物收割机，它的发动机、驾驶室、粮箱可以有三种不同的布置方案，因而就会有不同的总体设计方案，技术效果也就不同，如图2－6所示。1819§2-2机械系统的总体设计一、总体布置设计的基本要求二、执行系统的布置三、传动系统的布置四、操纵件的布置五、总体布置设计举例六、总体主要参数的确定20机械的使用性能、尺寸、外形、重量、生产成本等都与总体设计密切相关，同时，由于所设计的机械不是一个孤立的系统，因此它还要和外部系统发生联系，所以总体设计时必须扩大系统范围，使整个机械系统与其它相关的外部系统相适应，使设计达到完善的程度。总体设计大体分两步：1、初步总体设计初步总体设计的主要目的是根据设计方案绘制总体布置草图，进行初步计算和运动分析，并进行初步技术经济分析。注意改进薄弱环节，必要时应对方案中的关键技术系统进行试验研究。2、总体设计对初步总体设计做进一步完善，形成技术文件和图纸。1）设计任务书、技术任务书；2）机构运动简图和系统简图；3）总装配图及关键部件装配图；4）电、光、气、液控制图；5）总体设计报告书及技术说明书。21一、总体布置设计的基本要求总体布置设计是带有全局性的重要问题，它对机械产品的性能、制造和使用都有很大影响。总体布置时一般先布置执行系统，然后再布置传动系统、操纵系统及支承形式等，通常是从粗到细，从简到繁，需要反复多次才能确定。包括以下七个方面：1、保证工艺过程的连续和流畅。也就是说要保证前后作业工序的连续和流畅，能量流、物料流、信息流的流动途径合理，各零部件间的相对运动不发生干涉。对于复杂运动，还要考虑零部件的惯性力、变形。例如：汽车的货厢与驾驶室后壁之间的间隙不能过小，否则当汽车行驶过程中紧急刹车时就可能引起货厢与驾驶室的相互撞击和摩擦。2、降低质心高度，尽量对称布置，降小偏置。以保证稳定，减小振动。223、保证精度、刚度及抗振性等要求。4、充分考虑产品标准化、规格化、系列化和发展的要求。设计时不仅要注意解决目前存在的问题，还应考虑今后进行变形设计和系列设计的可能性，及产品更新换代的适应性等问题，对于单机的布置还应考虑组成生产线和实现自动化的可能性。5、结构紧凑，层次分明。为此要充分利用机械系统的内部空间，比如把电动机、传动部件、操作控制部件等安装在支承件的内部。6、操作、维修、调整方便。要符合人的生理机能，可采用自动控制和联动装置。7、外形美观。23二、执行系统的布置执行系统的布置应注意以下几个问题：1、减少构件和运动副的数目，缩小构件的几何尺寸。以便减小其磨损和变形对执行机构运动精度的影响。2、使原动件尽量接近执行机构。在布置相互联系型的多个执行机构时，应尽量将各原动件集中在一根或少数几根轴上，以提高操作安全性。3、布置执行机构时，应考虑与中间联接件的装卡、传递，注意安全。三、传动系统的布置传动系统的布置应注意以下几点：1、简化传动链。简化传动链不仅可以减少材料的消耗和制造费用，也利于提高传动效率和精度。对较复杂的传动系统，有时将其分解成几条简短的传动链，然后分别由各自的动力机驱动。242、合理安排传动机构顺序传动机构的安排顺序对传动系统的性能是有影响的。我们举个例子来看一下，如图2－9所示。25图a、图b为两种减速方案，其中421,,zzz为齿轮，3z为蜗杆。两种方案中，齿轮、蜗杆的精度完全相同，差别在传动顺序上，图a是齿轮传动在高速轴上，蜗轮传动在低速轴上，图b与图a正好相反。假设齿轮副与蜗杆副的传动误差分别为wc,，传动必分别为：312zzic，30/34zziw，两种传动方案最后一级总误差分别为：wcwwcai30；cwccwbi3若c与w相近，则ba，即方案a（齿轮传动在高速级）传动精度高。26但是这种布置方案也有缺点：一是噪声大，二是由于小齿轮采用悬臂结构，所以传动性能，承载能力都下降。另外，蜗杆传动的齿面相对滑动速度大，易发热和胶合，也限制了它的承载能力。所以方案a会增加其负载和总体结构尺寸，降低传动效率。因此，对于以传递动力为主的传动系统，应优先考虑方案b；对于以传动运动为主的传动系统，尤其要求传动精度较高的系统，选用方案a。另外要注意，要把转变运动形式的机构（凸轮机构、四连杆机构）布置在传动链的低速端，与执行机构靠近，以使传动链简单，惯性冲击小；带传动安排在传动链的高速端，可以减小传动带所受拉力，减小尺寸，由于带本身吸振，可以减小传动系统的振动；链传动由于振动、冲击、噪声大，应放在低速端上。273、注意传动系统的润滑和密封特别是食品机械、药品机械、纺织机械等。四、操纵件的布置操纵件的布置应注意这么几个问题：1、操纵件的运动方向应与被驱动件的运动