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1、 了解产品设计过程和机械总体方案设计的内容 了解机械执行系统方案设计的过程和内容 了解常用原动机的类型和特点及其选取原则 了解拟定简单机械传动系统方案的过程 本章教学目标 第十二章 机械总体方案的设计 1 12 1 机械总体方案设计概述 12 2 机械执行系统的方案设计 12 3 原动机的选择 12 4 机械传动系统的方案设计 本章教学内容 第十二章 机械总体方案的设计 2 一 机械产品的设计过程 初期规划设计阶段 总体方案设计阶段 结构技术设计阶段 生产施工设计阶段 机械产品设计是一个通过分析 综合与创新获得满足某 些特定要求和功能的机械系统的过程 12 1 12 1 机械总体方案设计概述
2、机械新产品的开发设计过程一般可以分为四个阶段 3 1 初期规划设计阶段 选题 调研和预测 可行性论证 确定设计任务 阶段成果 调研报告 设计任务书 产品开发可行性论证报告 2 总体方案设计阶段 目标分析 创新构思 方案拟定 方案评价 方案决策 总体方案示意图 机械系统运动简图 方案设计计算说明书 阶段成果 一 机械产品的设计过程 续 4 3 结构技术设计阶段 结构方案拟定 造型设计 结构设计 材料选择与尺寸设计 设计图绘制 阶段成果 全套设计图纸 设计计算说明书 4 生产施工设计阶段 工艺设计 工装设计 施工设计 阶段成果 工艺流程卡片 工装设计图 基础安装图 技术文件 使用说明书 备件明细表
3、 一 机械产品的设计过程 续 5 二 机械总体方案设计的目的 总体方案设计阶段的工作是实现机械产品初期规 划阶段所提出的设计目标的关键 产品设计的好坏 包括产品的功能是否齐全 性 能是否优良 经济效益是否显著 在很大程度上取决 于总体方案设计阶段的工作 取决于方案的构思和方 案拟定时的设计思想 机械系统主要是由原动机 传动系统 执行系统和 控制系统所组成 三 机械系统的组成 6 四 机械总体方案设计的内容 执行系统的方案设计 主要包括执行系统的功能 原理设计 运动规律设计 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 原动机类型的选择和传动系统的方案设计 其中 传动系统的
4、方案设计主要包括传动类型和传动路线的 选择 传动链中机构顺序的安排和各级传动比的分配 控制系统的方案设计 其它辅助系统的设计 主要包括润滑系统 冷却 系统 故障监测系统 安全保护系统和照明系统等的 设计 7 一 执行系统方案设计的过程 12 2 机械执行系统的方案设计 功能原理设计 就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这一功能要求 运动规律设计 是指为实现上述工作原理而决定选择何 种运动规律 执行机构型式设计 是指究竟选择何种机构来实现上述 运动规律 框图表示 二 执行系统方案设计的内容 执行机构的协调设计 就是根据工艺过程对各动作的 要求 分析各执行机构应当如何协调和配合
5、 设计出协调 配合图 8 机构尺度设计 是指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尺寸 绘制出各执行机 构的运动简图 运动和动力分析 即对整个执行系统进行运动分析和动 力分析 以检验其是否满足运动要求和动力性能方面的要求 方案评价与决策 方案评价包括定性评价和定量评价 前者是指对结构的繁简 尺寸的大小 加工的难易等进行 评价 后者是指将运动和动力分析后所得的执行系统的具 体性能与使用要求所规定的预期性能进行比较 从而对设 计方案作出评价 二 执行系统方案设计的内容 续 9 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
6、种运动规律 可以选择不同型式的机构 二 执行系统方案设计的内容 续 获得多种不同的方案 给定某种预期功能要求 机械执行系统方案设计所要研究的问题 就是如何合理 地利用设计者地专业知识和分析能力 创造性地构思出 各种可能地方案并从中选出最佳方案 10 机械预期实现的功能 功能 原理 摩 擦 传 动 原 理 流 体 传 动 原 理 电 磁 传 动 原 理 机 械 推 拉 原 理 材 料 变 形 原 理 光 电 原 理 其 它 原 理 运动 规律 二 执行系统方案设计的内容 续 机械执行系统方案设计流程图 11 工 艺 动 作 分 解 方 法 1 工 艺 动 作 分 解 方 法 2 工 艺 动 作
7、分 解 方 法 3 机构 型式 工 艺 动 作 分 解 方 法 n 连 杆 机 构 凸 轮 机 构 其 它 机 构 机 构 组 合 结 构 变 异12 一 原动机的类型和特点 12 3 原动机的选择 电动机的类型很多 不同类型的电动机具有不同的 结构型式和特性 可满足不同的工作环境和机械不同的 负载特性要求 主要优点为 驱动效率高 有良好的调速性能 可远距 离控制 启动 制动 反向调速都易控制 与传动系统 或工作机械联接方便 作为一般传动 电动机的功率范 围很广 主要缺点为必须有电源 不适于野外使用 根据使用 电源的不同 又分为交流电动机和直流电动机两大类 1 动力电动机 13 伺服电动机是指
8、能精密控制系统位置和角度的 一类电动机 特点 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 应用 伺服电机广泛应用于工业控制 军事 航空航 天等领域 如数控机床 工业机器人 火炮随动系 统中 2 控制电动机 伺服电动机 一 原动机的类型和特点 续 14 1 分类 按燃料种类分 柴油机 汽油机和煤油机 按工作循环中的冲程数分 四冲程和二冲程内燃机 按汽缸数目分 单缸和多缸内燃机 按主要机构的运动形式分 往复活塞式和旋转活塞式 2 特点及应用 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 多用于工程机械 农业机械 船舶 车辆
9、等 缺点为对燃油的要求高 排气污染环境 噪音大 结构复杂 3 内燃机 一 原动机的类型和特点 续 15 液压马达又称为油马达 它是把液压能转变为机械能的 动力装置 其主要优点是可获得很大的动力或转矩 可通过 改变油量来调节执行机构速度 易进行无级调速 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 4 液压马达 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 其主要优点为 工 作介质为空气 故容易获取且成本低廉 易远距离输送 排 入大气也无污染 能适应恶劣环境 动
10、作迅速 反应快 缺 点为 工作稳定性差 噪音大 输出转矩不大 只适用于小 型轻载的工作机械 5 气动马达 一 原动机的类型和特点 续 16 1 选择原则 二 原动机的选择 考虑工作机械的负载特性 工作制度 启动和制 动的频繁程度 考虑原动机本身的机械特性能否与工作机械的负载特 性 包括功率 转矩 转速等 相匹配 能否与工作机械的 调速范围 工作的平稳性等相适应 考虑机械系统整体结构布置的需要 考虑经济性 包括原动机的原始购置费用 运行费用 和维修费用等 考虑经济性 包括原动机的原始购置费用 运行费用 和维修费用等 17 2 原动机类型的选择 若工作机械要求有较高的驱动效率和较高的运动精度 应选
11、用电动机 电动机的类型和型号较多 并具有各 种特性 可满足不同类型工作机械的要求 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 要求易控制 响应快 灵敏度高时 宜采用液压马达或气 动马达 要求在易燃 易爆 多尘 振动大等恶劣环境中工作时 宜采用气动马达 要求对工作环境不造成污染 宜选用电动机或气动马达 要求启动迅速 便于移动或在野外作业场地工作时 宜选 用内燃机 要求负载转矩大 转速低的工作机械或要求简化传动系统 的减速装置 需要原动机与执行机构直接联接时 宜选用低 速液压马达 18 3 原动机转速的选择 原动机的额定转速一般是直接根据工作机械的要求而选择的 但需考虑
12、原动机本身的综合因素 例如 对于电动机来说 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 重量和价格也低 即高速电动机反而经济 传动系统的结构 若原动机的转速选得过高 势必增加 传动系统的传动比 从而导致传动系统的结构复杂 4 原动机容量的选择 原动机的容量主要指功率 它是由负载所需的功率 转 矩及工作制来决定的 负载的工作情况大致可分为连续恒 负载 连续周期性变化负载 短时工作制负载和断续周期 性工作制负载等 各种工作制负载情况下所需的原动机容 量的计算方法 可查阅有关手册 19 一 传动系统的作用及其设计过程 12 4 机械传动系统的方案设计 传动系统位于原动机和执行系统之间 将
13、原动机的 运动和动力传递给执行系统 除进行功率传递 使执行 机构能克服阻力作功外 它还起着如下重要作用 实现 增速 减速或变速传动 变换运动形式 进行运动的合 成和分解 实现分路传动和较远距离传动 实现某些操 纵控制功能 如启动 离合 制动 换向 等 传动系统方案设计是机械系统方案设计的重要组成 部分 当完成了执行系统的方案设计和原动机的预选型 后 即可根据执行机构所需要的运动和动力条件及原动 机的类型和性能参数 进行传动系统的方案设计了 20 3 拟定传动链的布置方案 即根据空间位置 运动和动力传递 路线及所选传动装置的传动特点和适用条件 合理拟定传动路 线 安排各传动机构的先后顺序 以完成
14、从原动机到各执行机 构之间的传动系统的总体布置方案 4 分配传动比 即根据传动系统的组成方案 将总传动比合理 分配至各级传动机构 5 确定各级传动机构的基本参数和主要几何尺寸 计算传动系 统的各项运动学和动力学参数 为各级传动机构的结构设计 强度计算和传动系统方案评价提供依据和指标 6 绘制传动系统运动简图 2 选择传动类型 即根据设计任务书中所规定的功能要求 执 行系统对动力 传动比或速度变化的要求以及原动机的工作特 性 选择合适的传动装置类型 1 确定传动系统的总传动比 传动系统设计过程 21 二 传动类型的选择 1 传动的类型和特点 按传动的方式分 机械传动 利用机构所实现的传动称为机械
15、传动 其优点是工作稳定 可靠 对环境的干扰不敏感 缺点 是响应速度较慢 控制欠灵活 液压 液力传动 利用液压泵 阀 执行器等液压元器 件实现的传动称为液压传动 液力传动则是利用叶轮通过液 体的动能变化来传递能量的 液压液力传动的主要优点是速度 扭矩和功率均可连续 调节 调速范围大 能迅速换向和变速 传递功率大 结构 简单 易实现系列化 标准化 使用寿命长 易实现远距离 控制 动作快速 能实现过载保护 缺点主要是传动效率低 不如机械传动精确 制造 安装精度要求高 对油液质量 和密封性要求高 22 按传动的方式分 续 气压传动 以压缩空气为工作介质的传动称为气压传动 气压传动的优点是易快速实现往复
16、移动 摆动和高速转 动 调速方便 气压元件结构简单 适合标准化 系列化 易制造 易操纵 向应速度快 可直接用气压信号实现系统 控制 完成复杂动作 管路压力损失小 适于远距离输送 与液压传动相比 经济且不易污染环境 安全 能适应恶劣 的工作环境 缺点是传动效率低 因压力不能太高 故不能 传递大功率 因空气的可压缩性 故载荷变化时 传递运动 不太平稳 排气噪音大 电气传动 利用电动机和电气装置实现的传动称为电气 传动 电气传动的特点是传动效率高 控制灵活 易于实现自 动化 23 按传动比和输出速度的变化情况分 定传动比传动 输入与输出转速对应 适用于执行 机构的工况固定 或其工况与原动机对应变化的场合 变传动变传动 比有级变级变 速传动传动 一个输输入转转速可对应对应 于 若干个输输出转转速 适用于原动动机工况固定 而执执行机构 有若干种工况的场场合 或用于扩扩大原动动机的调调速范围围 变传动变传动 比无级变级变 速传动传动 一个输输入转转速对应对应 于某 一范围围内无限多个输输出转转速 适用于执执行机构工况很多 或最佳工况不明确的情况 变传动变传动 比周期性变变速传动传动 输输出角速度是
