第二十二章 机械系统设计

机械设计第二十二章机械系统设计第一节机械系统的组成第二节机械系统方案设计概述第三节原动机的选择第四节机械执行系统的方案设计第五节机械传动系统的方案设计第六节机械控制系统简介返回章目录第一节机械系统的组成一、机械系统的组成原动机传动系统执行机构控制系统机械系统的组成机械系统通常由原动机、传动系统、执行机构（又称工作机）和控制系统及其他辅助零部件组成。辅助系统辅助系统原动机是机械系统中的驱动部分，它为系统提供能量或动力，并将能量转化为系统所需要的运动形式。工作机是机械系统中的执行部分，系统通过这部分中某些构件的运动实现系统的功能。传动装置则是把原动机和工作机有机联系起来，实现能量传递和运动形式的转换。控制系统的功能是通过控制元件或控制装置对系统进行控制。辅助系统的作用是保证系统正常工作，改善操作条件，延长使用寿命等，如系统中使用的冷却装置、润滑装置、消声装置、安全保险和防尘装置等。电动大门的组成第二节机械系统方案设计概述机械系统方案设计的主要内容——原动机的选择传动系统的方案设计执行系统的方案设计控制系统的方案设计机械系统方案设计的目的就是通过调查研究进行机械产品规划，确定设计任务、明确设计的要求和条件，在此基础上寻求问题的解法及原理方案构思，进行功能原理设计，拟定机械功能原理方案，选择机构类型，得出一组可行的机械系统运动方案，为下一步进行详细的结构设计作好原理方案方面的准备，也为最终进行评价、优选、决策提供诸如可行性、先进性等等相关技术原理方面详尽的科学依据。机械系统方案设计的设计思想机械系统机械系统的方案设计除了需要丰富的实践经验和扎实的理论知识，更需要科学的设计思想和方法，需要设计者具有现代设计的观念、系统工程的观念和工程设计的观念。其主要思想如下：（1）现代设计的观念是指在确定机械系统方案时以信息论、控制论、智能理论等现代科学理论为基础，并适当引入优化设计、可靠性设计、工业造型设计、计算机辅助设计和反求设计等现代设计方法，使设计具有理论性、创造性和广义性等特点。（2）系统工程的观念是指在确定机械系统方案时应把开发设计的机械产品作为一个系统来对待，首先从系统的整体目标出发，将总体功能分解成若干功能单元，然后寻找出能完成各个功能的技术方案，再把这些方案有机地结合起来，综合进行分析、评价和优选，进而实现给定环境条件下的整体优化。（3）工程设计的观念是指在确定机械系统方案时还要考虑人文、经济、艺术等非自然科学因素。因此在评价机械系统方案的优劣时，还应考察其市场适应性、生产经济性、造型艺术性、操作安全性和维修方便性等方面是否达到要求。第三节原动机的选择一、原动机的类型及性能原动机的选择是机械系统方案设计中的重要内容。原动机按其输入能量的不同可以分为两种类型。第一种类型叫做一次原动机，即把自然界的能源直接转变为机械能,此类原动机主要有燃汽轮机和内燃机等。第二种类型叫做二次原动机，即将发电机等变能机所产生的各种形态的能量转变为机械能,此类原动机有电动机、液压马达、气动马达、汽缸和液压缸等。1.内燃机内燃机是将燃料中的化学能转变为机械能的动力装置。按燃料种类分,可分为柴油机、汽油机和煤油机等；按主要机构的运动形式分,可分为往复活塞式和旋转活塞式内燃机；按一个工作循环中的冲程数分,可分为四冲程和二冲程内燃机；按气缸数目分,可分为单缸和多缸内燃机。内燃机的优点是功率范围宽、操作简便、启动迅速，适用于工作环境无电源的场合,多用于船舶、车辆、工程机械和农业机械等。缺点为对燃油的要求高、排气污染环境、噪音大、结构复杂。2.电动机电动机是将电能转变为机械能的动力装置。常用的电动机有直流电动机、交流电动机、交流和直流伺服电动机等。直流电动机使用直流电源,其主要优点是调速性能好、调速范围宽、启动转矩大，缺点为结构较复杂、维护工作量较大,且价格较高。交流电动机分同步电动机和三相异步电动机。伺服电动机是指能精密控制系统位置和角度的一类电动机。它体积小、重量轻，具有宽广而平滑的调速范围和快速响应能力，其理想的机械特性和调节特性均为直线。3.液压马达4.气动马达液压马达是把液压能转变为机械能的动力装置，常用的有齿轮式、叶片式和柱塞式。主要优点是可获得很大的动力或转矩,通过改变油量来进行无级调速,能快速响应,操作控制简单,易实现复杂工艺过程的动作要求。缺点是要求有高压油的供给系统,液压系统的制造装配要求高,否则易影响效率和运动精度。气动马达是以压缩空气为动力,将气压能转变为机械能的动力装置，常用的有叶片式和活塞式。主要优点是工作介质为空气,容易获取且成本低廉；易远距离输送,无污染；能适应恶劣环境；动作迅速、反应快。其缺点是工作稳定性差、噪音大,输出转矩较小,只适用于小型轻载的工作机械。二、原动机的选择原动机的选择应考虑以下几个方面的因素。（1）考虑现场能源供应情况。在有电源的条件下尽可能选择电力驱动，因为其成本低，操作控制方便，机械活动范围广，离电源远或无电源时可考虑选择柴油机或汽油机。当有现成气源时可选用气动马达和汽缸。（2）考虑工作机械的负载特性、调速范围、工作的平稳性、启动和制动的频繁程度。（3）考虑机械系统整体结构外形的需要。如在相同功率下,要求外形尺寸尽可能小、重量尽可能轻时,宜选用液压马达。（4）考虑工作环境的因素，如防爆、防尘、防腐蚀等。对于易燃、易爆、多尘、振动大等恶劣环境中,宜采用气动马达。对于食品机械等要求对工作环境不能造成污染、且便于清洗时,宜选用电动机或气动马达，如选择油缸，则会因漏油而污染食品。（5）考虑机械系统的经济效益，如初始成本和运转维护成本。此外，所选原动机的额定功率虽必须满足负载需要，但也不宜过大。对电动机来说，如所选的电动机功率过大，会造成功率因素过低而浪费；在额定功率相同的情况下,额定转速越高的电动机尺寸越小,重量和价格也越低,所以高速电动机反而经济。第四节机械执行系统的方案设计1.功能原理设计是根据机械预期实现的功能,考虑选择何种工作原理来实现所需的功能要求。例如要求设计一个齿轮成形设备,成形的原理既可选择基于材料弹塑性变形原理的冲压、滚扎等方法，也可选择基于熔融成形原理的、化学腐蚀的或电化学的方法，还可以采用基于材料切削的仿形法和展成法等等。2.动作及运动设计是在工作原理选定之后，根据工艺要求进行工艺动作的分解及执行运动的确定。例如齿轮成形选择用展成法进行加工，则根据展成工艺，可以分解为切削、展成、进刀三个工艺动作，由此确定了该齿轮加工机床要具有三个独立的执行运动，即往复直线运动（切削）、对滚运动（展成）和径向进刀（直线）运动。执行运动确定之后，也就确定了执行构件的数目。一个执行构件可以完成一个执行运动，也可完成几个执行运动。例如在齿轮加工机床中，刀具可以完成切削和进刀两个动作。3.执行机构型式设计4.执行系统的协调设计所谓机构型式设计，是指究竞选择何种机构来实现上述运动。例如，为了实现刀具的上下往复运动，既可以采用曲柄滑块机构和齿轮齿条机构，也可采用螺旋机构或凸轮机构，还可以采用组合机构。机械通常由多个执行构件及执行机构组合而成，这些执行构件在运动时应互相配合，按一定的次序协调动作，否则就会破坏机械的整个工作过程。因此执行系统的协调设计就是根据工艺过程对各动作的要求,分析各执行构件应如何协调和配合。5.机构的尺度设计6.运动和动力分析7.方案评价与决策是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、螺旋机构的螺纹头数与螺距等，然后绘制出各执行机构的运动简图。对整个执行系统进行运动分析和动力分析，以检验是否满足运动要求和动力性能方面的要求。评价包括定性评价和定量评价。从而对设计做出决策。第五节机械传动系统的方案设计一、传动类型的选择传动系统根据其结构、运动及动力传递与变换等特征，可划分成多种型式。为了获得理想的设计方案，需要合理选择传动类型。1、按传动的结构及工作原理分机械传动流体传动电气传动一、传动类型的选择①机械传动啮合传动摩擦传动单级齿轮传动(圆柱齿轮、圆锥齿轮、蜗杆蜗轮、螺旋齿轮)齿轮系传动(定轴轮系、周转轮系)挠性啮合传动(链传动、同步齿形带传动)螺旋传动(滑动螺旋、滚动螺旋)挠性摩擦传动摩擦轮传动(带传动)一、传动类型的选择②流体传动液压传动气压传动液力传动③电气传动利用电动机和电气装置实现的传动。液体黏性传动2、按传动比和输出速度的变化情况分定传动比变传动比恒定齿轮传动、带传动、链传动、蜗杆传动、螺旋传动，不调速的电力、液压及气压传动有级变速无级变速周期性变速可调恒定可调恒定可调恒定数控的电力传动非圆齿轮传动，凸轮机构，连杆机构及组合机构内燃机调速传动，电力、液压及气压无级调速传动机械无级变速器，磁粉离合器液力耦合器及变矩器，电磁滑块离合器，流体粘性传动电力、液压传动中的有级调速传动带塔轮的带传动,滑移齿轮变速箱二、传动链的方案设计在根据系统的设计要求及各项技术、经济指标选择了传动类型后,若对选择的传动机构作不同的顺序布置或作不同的传动比分配,则会产生出不同效果的传动方案。只有合理安排传动路线、恰当布置传动机构和合理分配各级传动比,才能使整个传动系统获得满意的性能，这是传动链方案设计的主要任务。1.传动路线的选择串联式传动路线原动机传动机构1执行机构传动机构n传动机构2……全部能量流过每一个传动机构，故所选的传动机构必须都具有较高的效率，以保证传动系统具有较高的总效率。串联式传动路线并联式分路传动路线原动机传动机构11传动机构21传动机构m1传动机构1n传动机构2n传动机构mnN自由度执行机构特点是系统中只有一个原动机，但需多个传动机构。并联式分路传动路线连杆-齿轮机构的并联组合2.传动链中传动机构的顺序传动链中传动机构的先后顺序关系到对整个机械的工作性能和结构尺寸。当采用几种传动形式组成多级传动时，应合理安排各机构在传动链中的顺序。通常应注意以下几点。（1）带传动一般宜布置在高速级。带传动的承载能力较低，传递相同转矩时，结构尺寸较其它传动机构大，但其传动平稳，能缓冲减振，且过载时容易打滑，可防止后续传动机构中其它零件损坏。（2）链传动一般宜布置在中、低速级。链传动冲击振动较大,运转不均匀，不宜布置在高速级。（3）斜齿轮传动宜布置在高速级上。斜齿轮传动较平稳、结构紧凑且承载力高，当与直齿圆柱齿轮机构组成两级传动时应安排在高速级。（4）蜗杆蜗轮机构宜安排在高速级。蜗杆蜗轮机构传动平稳，但效率较低，不适合用于长期连续运转或传递较大功率的机械。当与齿轮机构组成两级传动时，将蜗杆蜗轮机构安排在高速级可以减小蜗轮尺寸，节约有色金属，并且在高速下蜗轮与蜗杆能形成较高的相对滑动速度,有利于形成润滑油膜而提高传动效率。（6）开式齿轮传动机构宜布置在低速级。开式齿轮传动机构工作环境较差，不利于润滑，磨损严重。（5）锥齿轮传动机构宜布置在高速级。大直径、大模数的锥齿轮加工较困难，应尽量安排在高速级，并限制传动比的大小，以减小锥齿轮的直径和模数。3.传动比的分配传动系统各级传动比分配得是否合理，关系到传动系统的外廓尺寸是否紧凑，零件之间是否会干涉以及安装是否方便等。每一级传动比应在各类传动机构的合理范围内选取，当齿轮传动链的传动比比较大时，通常应采用多级齿轮传动。各种传动的传动比常用值平带传动i=24，最大5V带传动i=24，最大7圆柱摩擦轮传动i=24，最大5链传动i=25，最大6圆柱齿轮传动i=35，最大8蜗杆传动i=1040，最大80圆锥齿轮传动i=23，最大5二级圆柱齿轮传动i=240，最大60二级锥柱齿轮传动i=815，最大40齿轮—蜗杆传动i=6090，最大320三、应用举例如图为半自动三轴钻床，它需要完成两个动作：一是3个钻头同时同速进行钻削运动，二是工件垂直向上的进给运动，因此需要两个执行机构。由于两路传动的功率都不大且均需减速，可采用一个原动机，共用第一级减速，然后再分路传动。故采用了混合式传动路线。第六节机械控制系统简介一、机械控制系统的组成比较环节给定环节