第2章 机械系统设计的方案设计与总统体设计20100908

第2章方案设计与总体设计本章要点：1.明确系统方案设计和总体设计的工作内容；2.理解总体设计的基本要求；3.掌握总体主要参数的确定。2.1机械系统的方案设计1.研究给定设计任务；2.构思原理方案；3.确定工艺原理；4.确定技术过程；5.引进系统边界；6.分析结构布局；7.拟定设计方案并评价。方案设计的主要工作内容：2.1机械系统的方案设计2.1.1设计任务抽象化(总功能的确定)——黑箱法利用对该系统的外部观测，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的方法称为黑箱法。2.功能结构的三种基本形式⑴串联(顺序)结构，反映了功能之间的因果关系或时间、空间顺序关系。⑵并联(选择)结构，几个分功能作为不同的手段共同完成一个目的，或同时完成某些分功能之后，才能继续执行下一个分功能。⑶混联(顺序+选择)结构2.1.2功能分析(功能结构的确定)1.功能分解功能分解是在系统分析的基础上，将各个子系统的功能逐项逐级分解，直至分解到能直接找到解法的功能元。功能元是指组成总功能或分功能的、具有确切功能的基本单元。2.1.3功能结构图—把分功能按因果关系，时空顺序关系或逻辑关系组织起来，得出功能结构图。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。2.2总体设计2.2.1总体设计的内容⑴总体布置设计；⑵确定总体主要参数；⑶绘制总体设计图样；⑷编写总体设计报告书及技术说明书2.2.2总体布置的基本要求1.保证工艺过程的连续和流畅——最基本要求例如一台联合收获机从作物切割、脱粒、分离、清选直至获得清洁的谷粒要经过许多工序。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。2.降低质心高度、减小偏置a.对于机床、精密机械等设备，为保证被加工件的精度，总体布置时必须充分考虑精度、刚度、抗振性以及热稳定性等。b.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。c.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。d.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。2.2总体设计2.2.2总体布置的基本要求1.保证工艺过程的连续和流畅——最基本要求2.降低质心高度、减小偏置3.保证精度、刚度，提高抗振性及热稳定性2.2总体设计2.2.2总体布置的基本要求1.保证工艺过程的连续和流畅——最基本要求2.降低质心高度、减小偏置3.保证精度、刚度，提高抗振性及热稳定性4.充分考虑产品系列化和发展_20121009a.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更新换代的适应性。b.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。c.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。2.2总体设计2.2.2总体布置的基本要求1.保证工艺过程的连续和流畅——最基本要求2.降低质心高度、减小偏置3.保证精度、刚度，提高抗振性及热稳定性4.充分考虑产品系列化和发展5.结构紧凑，层次分明a.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。b.为使结构紧凑，应注意利用机械的内部空间，如把电动机、传动部件、附件、操纵控制部件等布置在支承大件内部。c.为使占地面积小，可用立式布置代替卧式布置。2.2总体设计2.2.2总体布置的基本要求1.保证工艺过程的连续和流畅——最基本要求2.降低质心高度、减小偏置3.保证精度、刚度，提高抗振性及热稳定性4.充分考虑产品系列化和发展5.结构紧凑，层次分明6.操作、维修、调整方便7.外形美观2.2.3总体布置的要点历程:顺序:2.2总体设计2.2.1总体设计的内容2.2.2总体布置的基本要求2.2.3总体布置的要点2.2.4总体布置的内容1.执行系统的布置2.传动系统的布置3.操纵件的布置1.执行系统的布置依据拟定的工艺要求，将执行机构和执行构件布置在预定的工作位置，然后布置其原动件和中间连接件。要点：⑴.尽量减少构件和运动副的数目，减小构件的几何尺寸，以减小其磨损和变形对执行机构运动精度的影响；⑵.尽量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。对外露的执行机构，最好将原动件隐蔽布置，以提高操作安全性；⑶.由于执行构件往往与作业对象直接接触，所以布置执行构件和中间连接件时应充分考虑作业对象装卡和传送的方便性与安全性。2.2总体设计2.2.4总体布置的内容1.执行系统的布置2.传动系统的布置(1).简化传动链在保证运动要求的前提下，传动链愈简短，零件数就愈少，材料的消耗和制造费用就愈低，同时也有利于提高传动效率、可靠性和精度。(2).合理安排传动机构顺序各种不同传动机构的传递运动和动力的性能不同，传动机构的安排顺序对传动系统的效率、尺寸、精度和动力学性能等都有影响。2.2总体设计2.2.4总体布置的内容1.执行系统的布置2.传动系统的布置(1).简化传动链(2).合理安排传动机构顺序传动精度：gwggwbwgwwga3i30i动力性能：传动箱体积：例析：2.2.4总体布置的内容1.执行系统的布置2.传动系统的布置(1).简化传动链(2).合理安排传动机构顺序⑶.密封与润滑的便利与可靠性2.2.4总体布置的内容1.执行系统的布置2.传动系统的布置3.操纵件的布置2.2总体设计A.常见的操纵件—开关、按钮、操纵和调节手柄B.布置注意事项：a.给操作人员留有合适的空间和距离，便于观察和操作;b.符合人类的操作习惯;c.集中布置在便于观察、操作频繁、常出故障的部位;d.布置在大型设备的几个操作位置上。2.2.1总体设计的内容2.2.2总体布置的基本要求2.2.3总体布置的要点2.2.4总体布置的内容2.2.5总体布局示例2.2总体设计2.2总体设计2.2.5总体布局示例1.手扶拖拉机的总体布置的特点A.保持总体平衡——配重、与农机具整体考虑、支撑架3228一般手扶拖拉机的接近角离地间隙h=180～250mm。A.保持总体平衡——配重、与农机具整体考虑、支撑架3228一般手扶拖拉机的接近角离地间隙h=180～250mm。2.2总体设计2.2.5总体布局示例1.手扶拖拉机的总体布置的特点A.保持总体平衡B.发动机和传动系统横置—简化传动系统、便于作为抽水、脱粒等其他作业的动力机用、有利于减小拖拉机横向振动，减轻了驾驶者的不舒适感。2.2总体设计2.2.5总体布局示例1.手扶拖拉机的总体布置的特点A.保持总体平衡B.发动机和传动系统横置C.多片式常闭离合器布置在从动V型带轮内—结构紧凑、为避免V带与驱动轮相碰增设V带张紧轮，使二者之间的间距保持在mm30S32.2总体设计2.2.5总体布局示例1.手扶拖拉机的总体布置的特点A.保持总体平衡B.发动机和传动系统横置C.多片式常闭离合器布置在从动V型带轮内D.链传动与传动箱的倒档有联锁机构—旋耕刀与驱动轮之间的安全间距s2=40～80mm，为防止旋耕刀反向转动而发生事故，应使手扶拖拉机倒驶时旋耕刀停止转动。2.2总体设计2.2.5总体布局示例1.手扶拖拉机的总体布置的特点A.保持总体平衡B.发动机和传动系统横置C.离合器布置在从动V型带轮内D.倒档联锁机构D.操纵机构集中布置—转向、变速、油门、离合器和制动器等的操纵件集中布置在扶手架上；为适应不同作业和人体高度的操作要求，左右扶手把之间的距离为550～700mm，扶手把离地高度h=900-1000mm。扶手把端部到驱动轮轴的距离L=1300-1500mm。同时，将扶手架设计成在高度和长度方向均可进行调节的结构。2.2总体设计2.2.5总体布局示例1.手扶拖拉机的总体布置的特点A.保持总体平衡B.发动机和传动系统横置C.离合器布置在从动V型带轮内D.倒档联锁机构D.操纵机构集中布置E.加装乘座装置和尾轮—减轻手扶步行操作的劳动强度F.足够的手摇起动空间—保证手摇起动时不碰伤手，在起动手柄四周留出足够的空间2.2总体设计2.2.5总体布局示例1.手扶拖拉机的总体布置的特点2.铣床的总体布置铣刀与工件相对铣削运动可有不同的分配方案，因而铣床有不同的总体布置方案。2.2总体设计2.2.5总体布局示例1.手扶拖拉机的总体布置的特点2.铣床的总体布置3.连续缠管机的总体布置工作过程：心轴1立式布置，工作时由牵引辊2驱动作垂直移动，六层工作台沿垂直方向布置，各层工作台的旋转方向如图右示。当心轴1通过第一层工作台3时，将浸渍树脂的玻璃纤维布带4螺旋绕在心轴上；当心轴1通过第二、三层工作台5、8时，玻璃纤维纱6在经过树脂浸渍槽7后螺旋绕在心轴上，工作台5、8的旋转方向相反；第四层工作台9不旋转，包纵向纱；第五、六层工作台10、13分别以不同螺旋方向缠绕外层玻璃纤维布带11和玻璃纸带14，张力器12使玻璃纸带14以一定张力缠绕在心轴表面，起表面定型作用。缠满一根心轴后将玻璃钢管切断，经固化炉固化后，再将玻璃钢管从心轴上脱模即可。优点：a)心轴不会因自重而变形，也不会在玻璃钢管内产生附加应力；b)树脂不易流淌到偏于管子的一侧，造成含树脂量不匀的现象；c)因各层缠绕工作台均水平布置。纵向纱和横向纱都可在缠绕前通过树脂槽，实现湿法缠绕；d)占地面积小。缺点：立式布置的自动化程度较低，需另行设置固化及脱模等辅助设备，难以实现连续生产。3.1立式布置2.2总体设计2.2.5总体布局示例1.手扶拖拉机的总体布置的特点2.铣床的总体布置3.连续缠管机的总体布置3.1立式布置3.2卧式布置工作过程：在心轴4的局围，有若干纵向纤维带盘2固定在盘架上，纵向纤维3经分配器均匀分布在心轴的表面。若干个环向纤维带盘5周向分布在环向纤维带盘架上，带盘架绕心轴转动时将玻璃纤维带螺旋状缠绕在心轴上。为使缠绕的相邻各层反向重叠。各相邻带盘架的转向相反。缠绕好的管子由履带牵引机9牵引前进，经固化炉7，尔后进入切割区，将管子切成所要求的长度。工作过程：特点：卧式连续缠管机可使缠绕、固化、结构简单，操作方便，但难以进行湿法缠绕，脱模、切翻等工序连续进行，心轴固定不动且因用履带牵引机脱模易使管子变形。2.3总体主要参数确定20121012总体主要参数包括:尺寸参数、运动参数和动力参数2.3.1尺寸参数=总体轮廓尺寸(总长、总宽、总高)+特性尺寸(加工范围、中心高度)+主要运动零部件的工作行程+主要零部件之间位置关系的安装连接尺寸等。尺寸参数常用联系尺寸图示出.2.3总体主要参数确定总体主要参数包括:尺寸参数、运动参数和动力参数2.3.1尺寸参数=总体轮廓尺寸(总长、总宽、总高)+特性尺寸(加工范围、中心高度)+主要运动零部件的工作行程+主要零部件之间位置关系的安装连接尺寸等。尺寸参数常用联系尺寸图示出.例：颚式破碎机的钳角a的确定00yxFF0sincos0sincos221221nnnnnnFFFFFF0sin)1(cos22tan2tantan1tan2tan222.3总体主要参数确定总体主要参数包括:尺寸参数、运动参数和动力参数2.3.1尺寸参数=总体尺寸+特性尺寸+工作行程+连接尺寸例：播种机排种轮转速n的确定2.3.2运动参数—执行构件的转速(或移动速度)及调速范围等，如机床等加工机械主轴、工作台、刀架的运动速度，移动机械的