机械设计学

1．合理安排传动机 构的顺序
例：三轴钻床中，传 动机构的顺序是这样 安排的： 主运动链：电动机— —皮带传动——齿轮 传动——钻头转动； 进给运动链：电动 机——皮带传动—— 蜗扦传动——凸轮机 构——工作台升降进 给
由此可知：在机构的排列顺序上一般遵循的规律是：
转变运动方式的机构(如凸轮机构)通常总是安置在运
根据这个设想， 能满足有等速段 子功能的机构， 除了凸轮机构外 还有曲柄摇杆机 构、双曲柄机构、 曲柄导杆机构及 椭圆齿轮机构等 与曲柄(或摆杆) 滑块机构、正弦 机构等的组合。
除凸轮机构外，其它方案均由两个以上机构组合 而成，因而就有双曲柄机构—偏置曲柄滑块机构、 双曲柄机构—正弦机构、椭圆齿轮一正弦机构、椭 圆齿轮一偏置曲柄滑块机构、曲柄导杆机构一摇杆 滑块机构等近十种方案。
1)转动(或摆动)变成移动的机构有：曲柄(或摆杆)滑 块机构、正弦机构、凸轮机构、齿轮齿条机构等。 2)具有急回特性的机构
有：偏臵曲柄滑块机构
、曲柄摇杆机构、凸轮
机构、曲柄导杆机构等。
3）工作行程具有近似等速段的机构：这个功能 特性要求除凸轮机构能单独完成外，其余机构均 需要相互配合才能完成。如：双曲柄机构、曲柄 摇杆（导杆）机构
（1）拉力——可以拉断草，但无法控制被拉断的草的高 度，无法使草地整齐； （2）割断力——像农夫割麦一样，需要握住草的上部才 能割断；
（3）剪断力——利用剪刀刃合拢，可以剪断。
二、S－Field（Substance-Field）法(物——场分析法) 2、完善 原设计中有时会出现缺少F或S1的情况，并因此而造成功 能不良的后果。应该通过补全F或S1的措施来使S－Field模式 完善化。
动链的末端，与执行机构最近，这样使传动环节简单。 皮带传动及其他摩擦传动在传递同样转矩的条件下， 与其他传动相比，其外廓尺寸要大很多。
皮带传动既可过载保护，又不影响主轴与各执行构
件之间的运动协调关系，且传动中心距大。为诚小尺 寸和重量，这些传动机构一般安装在靠近原动机的地 方。
2．合理分配传动比 • 大传动比可分多级传动，在同类的几级 传动装置中，通常把传动比最大的一级装 在转速最低的位置，因而可使其他各级在 较高的转速下工作，使各级中间轴上的转 矩较小，这样可使轴和轴上零件尺寸较小， 从而获得较为紧凑的机构。
在这些方案中性能最好的，经运动分析知为双曲 柄机构一偏心曲柄滑块机构的组合，它在工作行程 的70%范围内有良好的等速运动性能．且有较好的 急回特性，结构尺寸也合理。其次是曲柄导杆机构 一摆动滑块机构。其运动性能与上述机构不相上下， 但结构尺寸比较大，制造比较复杂，用在锯床中有 点大材小用。但却广泛用于各种类型的牛头刨床中。
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示例3：铣床的总体布臵：图2—19中列出了四种不同的铣床布 臵型式，它们的特点是：
1）图2-19a：升降台卧式铣床，铣刀只作回转运动，工件的三 个方向移动分别由工作台、滑鞍和升降台完成。一般用于加工 较小的工件； 2）图2—19b：工作台不升降立式铣床，工作台不能升降，只能 使工件作纵、横方向运动，上下的运动由铣头完成。适宜于加 工较大的工件。 3）图2—19c：横梁移动式龙门铣床，工件随工作台作纵向移动， 升降和横向运动出横梁和铣头完成．适用于加工大型的工件， 4）图2—19d：地坑式龙门铣床，工件不动，三个方向的运动由 龙门架和铣头完成，可加工特大型的工件。
二、S－Field（Substance-Field）法(物——场分析法) 3、增加 一个最小技术系统至少应具有S1、S2和F，但有时还 应辅以S1’和F’，才能更好地完成希望实现的功能。
F 切削力
S1 刀具
S2 钢工件
F’分子吸附膜 S1’切削液 金属切削过程的 S—F 法分析
二、S－Field（Substance-Field）法(物——场分析法) 4、变换
5、小结
个体生产对缝纫速度的要求。凸轮控制已无法满 足高速缝纫的需要。若将凸轮的设计、制造精度 提高，则将提高产品的成本，因此．用连杆机构 来代替凸轮机构已成了高速缝纫机的一种趋势， 因为连杆机构制造方便，成本低而高速运转性能 良好。图4-19所示为一高速缝纫机的送布机构的 机动示意图，轨迹发生机构未改变，但控制机构 均己改成连杆机构。（图中CDEF为送布调节机 构，手动调节杆调节E点的位置。）
五、布臵型式举例
示例1：图5—2是悬臂式掘进机，主要用于巷道掘 进，是一种采掘、装载、运输、除尘联合作业的掘进 设备。该设备机型种类很多，但在总体布臵上有如下 共同特点： (1)切割机构由悬臂和回转台组成，位于机器前上部， 作业时悬臂能上下、左右回转； (2)装载铲板是在机器下部前方，后接中间刮板运输 机，两者组成装运机构，贯穿掘进机的纵向轴线； (3)考虑掘进机的横向稳定平衡，主要部件按掘进机 纵向平面对称布臵，如电控箱、液压装臵分别装在运 输机两侧；
三、机械运动系统方案设计举例——家用缝纫机的送布机构设计
1．家用缝纫机送布机构的功能原理要求 1) 衣料必须在压脚板与入口平板之间作步进式移动。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2) 送布牙的轨迹为近似矩形，特别是在送进阶段应是近似直线。
3) 送布牙用棘齿状零件构成，其送布量在一定范围内可作无级 调节 2 ．送布机构的功能分解 根据送布机构的功能原理要求．可分解成以以下几个子功能：
二、功能原理的分解和机构的选择 分解的原则是所分解出的分功能能够用一个简单机 构去完成，故经常将这复杂的动作功能分解成一组由 直线和圆弧组成的运动。 直线运动有曲柄滑块机构、凸轮机构、齿轮齿条机 构等。 选哪一个机构，这除了要按第二节的原则外，还要 看这些机构能否组合在一起．即所谓机构间的相容问 题。如在要求精密运动的系统中，不能插入摩擦传动 ；在高速旋转传动中不能插入双曲柄机构等等。
3、机构组合举例：工厂备料车间用的锯床
它是将整根元钢锯成小段送到各制造车间加 工。这种锯床的锯弓所要求的锯断分功能至 少应包含以下三个运动特性要求： A)旋转运动变换成直线往复运动；
B)工作行程的时间大于回程时间的急回特性； C)防止锯齿在工作时受到冲击载荷，要求在 工作行程的中间段具有近似的等速运动。这 三个运动特性要求均有多种机构可以选择， 如：
比较难设计的是送布牙的前后运动控制、因为前
后运动的送布量要无级可调，要达到这个要求，控 制凸轮必须与主轴直接相联。送布与后退的时间和 大小由主轴控制，然后通过一调节机构，它只改变 送进量的大小，即改变传递给轨迹发生机构的ψ角。
凸轮机构如图4-16a所 示，为一等宽摆动凸 轮机构，凸轮上有相 对应的两个大小圆弧 R及r，摆杆上槽宽L 恰等于R十r。在图示 位置，凸轮转动时摆 杆不动、这两圆弧的 对应角δ就是送布牙 作上、下运动的时间， 两圆弧间用直线相联， 凸轮的转角为180°δ ，这时摆杆摆动ε角， 这就是输给轨迹发生 机构控制送布牙的送 布大小。
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示例2：图5—3是车床布臵型式： 图(a)是卧式水平布臵，用于车削轴类或盘形零件， 如普通车床；
图(b)是落地式布臵，用于大直径盘形或环形零件加 工；
图(c)是单柱立式布臵，用于加工短、粗、重量大的 盘形零件； 图(d)是双柱立式布臵，用于加工长、宽尺寸都较大 的零件。 这些不同的布臵型式都是由于加工对象不同而决 定的。由此可知：工件的重量和大小是影响机械系 统总体布臵及外观造型设计的重要间索。 34
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(4)为保证作业的稳定性，履带位于机器的下部中 间，前有落地铲板，后有稳定器支撑，整个机器的 重心在履带接地面积的形心面积范围内； (5)为了保护司机安全，同时又便于观察、操作， 将司机位臵布臵在机器后部左例或右侧，这与地面 挖掘机明显不同； (6)由于掘进机是地下巷道作业，所以整个机器呈 长条形，而且机身越矮越稳定．
对已有的工艺功能解法中的S1和F进行分析后，常常可发现 它们并不是不可替换的，有时通过变换会产生意想不到的效果。
４ 变换
第三节 按机械动作功能原理要求作 机械运动系统的方案设计
一、功能原理解与机械运动系统的方案设计 机械产品的功能原理设计完成后 ，得到一个 “功能结构图”，有：总功能的各个分功能和它们 之间的相互关系。按本章第一节的原理就可以分析 这些分功能中哪些适合用机械功能来完成；按第二 节的原理分析这些功能是属于传动类型还是属于执 行类型，再根据选择机构的原则从已有的机构中选 出能完成这些分功能的最佳机构。但在这些工作中 将会存在以下两个问题：
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二、S－Field（Substance-Field）法(物——场分析法) 这种方法是前苏联的科学家提出的，最适合求解工艺功能。 这个方法的基础是对“最小技术系 统”的理解和分析。 在任何一个最小技术系统中，至少 有一个主体（S1），一个客体（S2）和 一个场（F）。这三者缺一即不可能发 生技术作用。S1（主体）即对客体发生 作用的物体，也就是所说的工作头；S2 （客体）即被加工的物体，也就是工艺 动作的对象。F（场）即指S1向S2作用 时发生的一切作用场。
4、机械运动系统的方案设计 机构选择完后，就要根据功能分解的原理将这些 机构组合在—起，完成送布的分功能，这就称为送 行机构的运动方案设计。从上可知，分功能的分解 方法不同，每个部分所选择机构的不同．得到的机 械运动方案也就不同。设计者应该在这众多的方案 中选择—个最优的方案，本例的机械运动方案的方 框图如图4—18a所示，图4—18b为其机构示意图。
1) 发生矩形轨迹的子功能。
2) 能控制矩形轨迹各段生成时，与引线机构相配合的控制子功能 3) 改变送布牙送进量的调节子功能。 4) 送布机构与传动轴之间的运动传递子功能。
3．实现子功能的机构选择
(])矩形轨迹生成机构 先根据选择机构要力求简 单的原则，作如下分析：
(2)矩形轨迹生成的控制机构 由于上述轨迹生成 机构，己把矩形的上下和前后运动分开，由ψ和φ 两个转角独立控制，因此控制机构就变得简单。在 目前情况下用凸轮机构特别方便，如：控制上下的 凸轮机构，只要在凸轮摆动时，当需要送布牙作上 升运动时，在凸轮上作一段上升曲线其余部分均用 圆弧即可。当凸轮反转时上升曲线就变成下降曲线。