机械系统设计实例
吉林大学机械系统设计实例第1章绪论
三、机械系统的组成
现代机械种类繁多，结构也 愈来愈复杂，但从实现系统功能 的角度来分解，主要包括动力系 统、传动系统、执行系统、操纵 控制系统、支承结构系统等子系 统。
（一）动力系统
动力系统包括动力机及其配套装置，是机 械系统工作的动力源。按能量转换性质的不同， 动力机可分为一次动力机和二次动力机。一次 动力机是把自然界的能源转变为机械能的机械， 如内燃机、汽轮机、水轮机等。二次动力机是 把二次能源（如电能、液能、气能）转变为机 械能的机械，如电动机、液压马达、气动马达 等。动力机输出的运动通常为转动，而且转速 高。
四、机械系统的功能要求
（1）运动要求 如速度、加速度、转速、调速范围、
行程、运动轨迹以及移动的精确性等。 （2）动力要求
包括传递的功率、转矩、力等。
（3）体积和重量要求 如尺寸、重量、功率、重量比等。
（4）可靠性和寿命要求 包括机械和零部件执行功能的可靠
性、零部件的耐磨性和使用寿命等。
（5）安全性要求
平 地 机 驾 驶 室
控制系统是指通过人工操作或测量 元件获得的控制信号，经由控制器， 使控制对象改变其工作参数或运行 状态而实现上述要求的装置，如伺 服机构、自动控制装置等。
此外，根据机械系统的功能要求， 还可有冷却、润滑、计量、行走等 系统。
G
P
S 自 动 找 平
汽 车 起 重 机 控 制 系 统
执行系统通常处在机械系统的 末端，直接与作业对象接触，其输 出也是机械系统的主要输出。因此， 执行系统工作性能的好坏，直接影 响整个系统的性能，执行系统除应 满足强度、刚度、寿命等要求外， 还应充分注意其运动精度和动力学 特性等要求。
装载机的执行系统－铲斗工作装置
旋臂吊执行系统－电动葫芦
机械实例分析
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根据三角形转子的结构可知，曲轴每转一周即产生一个动力冲程，相对四冲程往复式发动机，曲轴每转两周才产生一个动力冲程，可知旋转式发动机的功率容量比是四冲程往复式发动机的两倍。
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结构设计。旋转式发动机结构简单，只有三角形转子和输出轴两个运动构件。它需要一个化油器和若干火花塞，但无须连杆、活塞以及复杂的阀门控制装置。零件数量比往复式发动机少40%，体积减少50%，重量下降1/2～2/3。
(2) 运动设计。偏心的三角形转子如何将运动和动力输出？在旋转式发动机中采用了内啮合行星齿轮机构，如图所示。
行星齿轮机构
10.1 新型内燃机的开发实例
10.1 新型内燃机的开发实例
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三角形转子相当于行星内齿轮2，它一面绕自身轴线自转，一面绕中心外齿轮1在缸体3内公转，系杆H转子内齿轮与中心外齿轮的齿数比是1.5∶1，这样转子转一周，使曲轴转3周，输出转速较高。
10.3 全自动送筷机创新设计实例
本实例就开发新型全自动送筷机采用的创新思维(新型、实用、快捷)和创新技法(系统分析法、组合创新法、形态分析法、机构构型创新设计法等)作了一些简单的介绍，以期对创新设计有所启发。
1. 设计目的 学生每天到食堂就餐都得从筷筒里胡乱地抓取筷子，这样既不方便又不卫生，因此设计一种自动送筷机具有很大的实用性。如图所示为全自动送筷机外观图。
10.1 新型内燃机的开发实例
1
2
设计目的 本实例就圆柱凸轮加工原理开发中运用综合创新技法、反求创新法，通过创造性的综合和巧妙的构思，使综合体发生质的飞跃，做了简单的说明，从而体现出综合创新是一种更具实用性的创新思路。 圆柱凸轮作为一种机械传动控制部件，具有结构紧凑、工作可靠等突出优点，但其加工制作比较困难。东北大学东软集团生产的医用全身CT扫描机，有一对复杂的圆柱凸轮，过去一直采用手工加工，不仅制造精度低，而且劳动强度大，生产效率低，成本高。为此，负责机械加工的东北大学机械厂提出要研制一种精度较高、操作方便、成本较低的圆柱凸轮加工装置，故于2002年年末，其成立了跨年级的研究小组，开始对这一问题进行研究。经过一年多的时间，完成了圆柱凸轮数控铣削装置的综合创新设计，由东北大学机械厂完成制造，并成功地投入使用，满足了圆柱凸轮加工的精度和生产率的要求 。
机械设计基础案例分析与实例讲解
机械设计基础案例分析与实例讲解1. 引言机械设计是机械工程的核心领域之一，它涵盖了各种机械设备和系统的设计、分析和优化。
在机械设计过程中，案例分析和实例讲解可以帮助学习者加深对于机械设计原理和方法的理解，并提供实际问题解决的思路和方法。
本文将通过分析两个机械设计案例，结合实际应用，详细介绍机械设计的基础原理、方法和实例应用。
2. 案例一：传动装置设计案例一是一个传动装置的设计问题。
传动装置是机械设备中用于传递动力和运动的关键部件，其设计的合理性直接影响到机械设备的性能和可靠性。
在这个案例中，我们需要设计一台齿轮传动装置，将电机的旋转运动转换为需要的输出转速和转矩。
首先，我们需要确定传动比和输出转矩的要求。
通过分析机械设备的工作原理和负载特点，确定所需的输出转速和转矩。
然后，选择合适的齿轮类型和参数，确保传动装置满足传动比和输出转矩要求。
在设计过程中，需要考虑齿轮的强度、噪声和传动效率等因素，并进行相应的计算和分析。
接下来，进行传动装置的制图和CAD建模。
通过使用计算机辅助设计软件，将传动装置的设计绘制成详细的图纸和三维模型。
这些图纸和模型将作为制造和装配的依据，并在后续的工程实施中发挥重要作用。
最后，进行传动装置的实际制造和装配。
基于前期的设计和制图，制造各个零部件并进行装配。
在装配过程中，需要确保各个零部件的配合精度和运动精度，以保证传动装置的性能和可靠性。
完成装配后，对传动装置进行实验和测试，验证设计的准确性和可行性。
3. 案例二：结构分析与优化案例二是一个机械结构的分析与优化问题。
机械结构是机械设备中用于支撑和传递负载的组成部分，其设计的合理性和强度是保障机械设备安全可靠运行的关键。
在这个案例中，我们需要对一个机械结构进行有限元分析，并优化结构设计，提高其强度和刚度。
首先，根据机械设备的工作原理和负载特点，建立机械结构的有限元模型。
通过将机械结构分割为有限个单元，构建有限元模型，并指定材料特性、加载条件和边界条件。
机械传动系统设计实例
机械传动系统设计实例设计题目：V带——单级斜齿圆柱齿轮传动设计。
某带式输送机的驱动卷筒采用如图14-5所示的传动方案。
已知输送物料为原煤，输送机室内工作，单向输送、运转平稳。
两班制工作，每年工作300天，使用期限8年，大修期3年。
环境有灰尘，电源为三相交流，电压380V。
驱动卷筒直径350mm，卷筒效率0.96。
输送带拉力5kN，速度2.5m/s，速度允差±5%。
传动尺寸无严格限制，中小批量生产。
该带式输送机传动系统的设计计算如下：例9-1试设计某带式输送机传动系统的V 带传动，已知三相异步电动机的额定功率P ed =15 KW, 转速n Ⅰ=970 r/min ，传动比i =2.1，两班制工作。
[解] （1） 选择普通V 带型号由表9-5查得K A =1.2 ，由式 (9-10) 得P c =K A P ed =1.2×15=18 KW ，由图9-7 选用B 型V 带。
（2）确定带轮基准直径d 1和d 2由表9-2取d 1=200mm, 由式 (9-6)得()6.41102.012001.2)1(/)1(12112=-⨯⨯=-=-=εεid n d n d mm ，由表9-2取d 2=425mm 。
（3）验算带速由式 (9-12)得11π970200π10.16100060100060n d v ⨯⨯===⨯⨯ m/s ，介于5～25 m/s 范围内，合适。
（4）确定带长和中心距a由式(9-13)得)(2)(7.021021d d a d d +≤≤+，)425200(2)425200(7.00+≤≤+a ，所以有12505.4370≤≤a 。
初定中心距a 0=800 mm ， 由式(9-14)得带长21221004)()(22a d d d d a L -+++=π，2(425200)2800(200425)2597.624800π-=⨯+++=⨯mm 。
由表9-2选用L d =2500 mm ，由式(9-15)得实际中心距 2.7512/)6.25972500(8002/)(00=-+=-+=L L a a d mm 。
机械系统设计大作业
1 健身球检验分类机（学号尾号1-3）设计要求设计健身球自动检验分类机，将不同直径尺寸的健身球（石料）按直径分类。
检测后送入各自指定位置，整个工作过程（包括进料、送料、检测、接料）自动完成。
健身球直径范围为ф40～ф46mm，要求分类机将健身球按直径的大小分为三类。
1. ф40≤第一类≤ф422. ф42<第二类≤ф443. ф44<第三类≤ф46其他技术要求见表1：表1 健身球分类机设计数据方案号电动机转速r/min生产率（检球速度）个/minA 1440 20B 960 10C 720 15设计要求设计加工下图所示工件ф12mm孔的半自动钻床。
进刀机构负责动力头的升降，送料机构将被加工工件推入加工位置，并由定位机构使被加工工件可靠固定。
图1 工件简图半自动钻床设计数据参看表2.表2 半自动钻床设计参数方案号进料构工作程mm定位构工作行程mm动力头工作行程mm电动机转速r/mm工作节拍（生产率）件/minA 40 30 15 1450 1B 35 25 20 1400 2设计要求设计旋转型灌装机。
在转动工作台上对包装容器（如玻璃瓶）连3：图2 旋转型灌装机该机采用电动机驱动，传动方式为机械传动。
技术参数见表3。
表3 技术参数表方案号转台直径mm电动机转速r/min灌装速度r/minA 600 1440 10B 550 1440 12C 500 960 104 巧克力糖包装机（学号尾号9-16）设计要求设计巧克力糖自动包装机。
如下图3所示：包装对象为圆台状巧克力糖(图6)，包装材料为厚0.008mm的金色铝箔纸。
包装后外形应美观挺拔，铝箔纸无明显损伤、撕裂和褶皱（图7）。
包装工艺方案为：纸坯型式采用卷筒纸，纸片水平放置，间歇剪切式供纸（图8）。
包装工艺动作为：1.将64mm×64mm铝箔纸覆盖在巧克力糖ф17mm 小端正上方；2.使铝箔纸沿糖块锥面强迫成形；3.将余下的铝箔纸分半，先后向ф24mm大端面上褶去，迫使包装纸紧贴巧克力糖。
机械系统创新设计机械系统创新实例
图7－3
第九页，共69页。
图7－4的左上图就不能用A·凯莱作图法，因为 三个连杆机构压缩成一条直线。把O1ABO2作为一 个原始机构，为了找到连杆AB延长线上K点的同轨 迹机构，在机架O1O2 的延长线上作O3，使O1O2： O2O3＝AB：BK，然后，依次作三个平行四边形。 于是得到了同迹四杆机构 O2O3B2C2，C2B2延长 线上点K与原始机构中的K点轨迹相同。
由外激波摆动活齿传动与带传动机构的从动带轮合二为一形成的 行星减速带轮，是一种新型减速装置。它具有带传动可靠性高、减振 能力强等优点，又保持了摆动活齿传动无W输出机构带来的一系列优 点，并成功地克服了外激波摆动活齿传动外激波器尺寸大带来的动平 衡性能差的缺点。 ⑴带轮与外激波器的组合(zǔhé) ⑵带轮激波器使绕固定轴传动的带轮成为外激波器的一部分 ⑶卸荷带轮设计
素，运用各种创造技法对可变元素进行变化，列出形态矩阵表，从 表中组合，获得新方案。确定元素为：A－联接功能；B－传递功能； C－补偿调节功能，运用智力激励法、相似类比法等创造技法，对 可变元素进行变化，分析如下(rúxià)： ①实现联接的作用效应有形联接、力联接、化学分子联接等。联接 性质：刚性、弹性。 ②实现传递功能。作用效应有：摩擦效应、啮合效应、磁效应、粘 附效应等。措施有：齿轮传动、带传动、摩擦轮传动、链传动、液 压传动、蜗杆传动等。
图7－11
第二十四页，共69页。
图7－12
第二十五页，共69页。
第五节 过载(guò zà i)保护装置的机械结 构设计
1.偏心轮连杆机构 图7－13所示的偏心轮连杆机构。主动轮1通过
偏心轮2驱动连杆头3。连杆4将运动传递给摇臂5， 从而驱动从动轴6。要求设计(shèjì)一个功能可靠、 制造方便的过载保护装置，它可使得当从动轴过载时， 连杆机构的运动和力的传递中断，但主动轴仍可继续 运转。此外，要求过载中断以后，该装置容易恢复到 先前状态。过载精度为±3%，主动轴转速50r/min， 转矩400N·m，生产批量2台。
4.7 机械系统设计综合应用实例
五、副面精调系统关键零件
根据设计图生产出来的套筒和滚珠丝杠
五、副面精调系统关键零件
装配完成的直线运动单元
五、副面精调系统整装准备
整体装配前对各 驱动分支电气系统进 行进一步调试，确保 运行的稳定性。
六、副面精调系统整体装配
整体装配中……
六、副面精调系统整体装配
整体装配中……
六、副面精调系统整体装配
轴向间隙（预压）的选择 导程：
滚珠丝杠底径：
预压载荷为：
Fa 0 5500 N
Ph 10 mm
d1 75 mm 挫曲载荷 P 1 >2500N 拉伸压缩载荷 P 2 >2500N
N2>132rpm
拟采用双螺母
BNFN 8010-5
容许轴向负荷：
容许转速 螺母的选择 初选型号 静态安全系数
65米射电望远镜落成典礼
上海 65 米射电望远镜天线 系统已于 2012 年 10 月 28 日正式 落成，研发的基于 Stewart 并联 机构的副反射面调整系统运行 状况良好，完全满足高运动精 度、恶劣环境适应性及工作可 靠性要求。
4.7机械系统设计案例2—翻转机构设计
一、自动翻转机构技术指标
分支杆结构设计
直线运 动单元 虎 克 铰
分支杆具体结构
球铰
三、副面精调系统结构设计
连接箱体 端盖 蜗轮蜗杆 减速器 双螺母 套筒 丝杠螺母 吊环 端盖 组合轴承 滚珠丝杠 磁栅尺
导向单元
直线运动单元内部结构
伺服电机的选型——瑞诺FP0711
额定功率1.92KW 实现真正无间隙转矩 高动态响应
额定转矩6.10Nm
± 100mm +8度至-2度 ±2度 大于1600Kg X γ Y β Z
机械系统设计课程设计实例解析
机械系统设计课程设计实例解析机械系统设计课程设计题⽬：分级变速主传动系统设计（题⽬30）专业：机械设计制造及其⾃动化班级：姓名： xxx xxx xxxx 学号： xxx xxx xxxx指导教师：2012年⽉⽇《⽬录》摘要 (2)第1章绪论 (3)第2章运动设计 (5)1.确定极限转速，转速数列，结构⽹和结构式 (5)2.主传动转速图和传动系统图 (7)3.确定变速组齿轮齿数，核算主轴转速误差 (8)第3章动⼒计算 (9)1.传动件的计算转速 (9)2.传动轴和主轴的轴径设计 (10)3.计算齿轮模数 (11)4.带轮设计 (15)第4章主要零部件选择 (20)第5章校核 (21)结束语 (22)参考⽂献 (23)摘要设计机床得主传动变速系统时⾸先利⽤传动系统设计⽅法求出理想解和多个合理解。
根据数控机床主传动系统及主轴功率与转矩特性要求，分析了机电关联分级调速主传动系统的设计原理和⽅法。
从主传动系统结构⽹⼊⼿，确定最佳机床主轴功率与转矩特性匹配⽅案，计算和校核相关运动参数和动⼒参数。
本说明书着重研究机床主传动系统的设计步骤和设计⽅法，根据已确定的运动参数以变速箱展开图的总中⼼距最⼩为⽬标，拟定变速系统的变速⽅案，以获得最优⽅案以及较⾼的设计效率。
在机床主传动系统中，为减少齿轮数⽬，简化结构，缩短轴向尺⼨，⽤齿轮齿数的设计⽅法是试算，凑算法，计算⿇烦且不易找出合理的设计⽅案。
本⽂通过对主传动系统中三联滑移齿轮传动特点的分析与研究，绘制零件⼯作图与主轴箱展开图及剖视图。
第⼀章绪论（⼀）课程设计的⽬的《机械系统课程设计》课程设计是在学完本课程后，进⾏⼀次学习设计的综合性练习。
通过课程设计，使学⽣能够运⽤所学过的基础课、技术基础课和专业课的有关理论知识，及⽣产实习等实践技能，达到巩固、加深和拓展所学知识的⽬的。
通过课程设计，分析⽐较机械系统中的某些典型机构，进⾏选择和改进；结合结构设计，进⾏设计计算并编写技术⽂件；完成系统主传动设计，达到学习设计步骤和⽅法的⽬的。
吉林大学机械系统设计实例第7章机械系统总体设计
吉林大学机械系统设计实例第7章机 械系统总体设计
• 1）功能的进一步分解或重新组合。
• 2）顺序的改变。例如能量进入系统 以后，其转换与传递顺序不同，实体解 答方案亦将不同。
• 3）分功能联接型式改变。
• 4）系统边界的改变。必要时可扩大 或缩小系统的功能，以求得更合理的解 答方案。提高系统机械化、自动化程度 是其重要方面。
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吉林大学机械系统设计实例第7章机 械系统总体设计
• 4.筛选法
• 将有可能实现该功能要求的工作原理、 工艺动作及实现该运动的基本机构和组 合机构尽可能按层次罗列出来，进行排 列组合；再按可行性、先进性、方便性、 经济性逐个分析审查，淘汰不适合的。 经过不断筛选，剩下两三个方案再按方 案设计的有关步骤进行 。
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吉林大学机械系统设计实例第7章机 械系统总体设计
•（二）方案设计的一般步骤
• 根据产品功能要求、工作性质及动作 过程等基本要求进行新机械的方案设计时， ①要将总功能分解为各分功能以及各功能 元，并找出各功能元的动作要求和运动规 律；②按各功能元的动作要求和运动规律 确定机械示意图（亦可称为机械运动方 案）；③按各功能元的运动规律、动作过 程、动力性能等要求来进行机械运动简图 的尺度综合。
•（1）串联结构 反映了分功能之间的因果 关系或时间、空间顺序关系。
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吉林大学机械系统设计实例第7章机 械系统总体设计
•（2）并联结构 又称选择结构，几个分 功能作为手段共同完成一个目的，或同 时完成某些分功能后才能继续执行下一 个分功能，则这几个分功能处于并联关 系 。例如车床需要工件与刀具共同运动 来完成加工物料的任务 。
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吉林大学机械系统设计实例第7章机 械系统总体设计
吉林大学机械系统设计实例--第2章载荷与动力装置选择
二、电动机容量的选择计算
电动机功率的确定主要应考虑电动机的 发热、允许的过载能力和起动能力三个因 素，其中发热问题最为重要。
选择电动机容量的步骤 ：
1）预选电动机容量：按照工作机械的负 载特性绘制工作负载图，即转矩负载图或 功率负载图，据此可初步估算电动机功率， 并预选电动机。
2）绘制电动机的负载图：根据工作机械 的负载图和预选的电动机特性绘制电动 机的负载图，其中包括转矩负载图、电 流负载图或功率负载图 。
对于静载荷需要采用静强度判据，对 于动载荷就需应用疲劳强度的计算方法。 也可用名义载荷乘以动载系数近似动载荷 计算。P44表2-3动载系数推荐值，通过实 验得到。
二、工作载荷的确定方法
工作载荷可归纳为以下几种形式：
1）摩擦力为主要工作载荷的机械，如带式运输 机、汽车(牵引力)、装载机等；
2）提升重物机械的工作载荷，如起重类机械； 3）切削阻力，如各种切削机床、推土机； 4）物质破碎产生的工作阻力，如各种破碎机、 球磨机等；
包括工作机械的载荷特性、工作制度、结 构布局和工作环境等。
2）分析动力机本身的机械特性，包括 动力机的功率、转矩、转速等特性，以及 动力机所能适应的工作环境。使动力机的 机械特性与工作机械的负载特性相匹配。
3）进行经济性比较，当同时可 用多种类型的动力机进行驱动时，经 济性的分析是必不可少的，包括能量 的供应和消耗，动力机的制造、运行 和维修成本的对比等。
对于有调速要求的设备如电梯及某些机床等， 可选用笼型多速感应电动机。
绕线转子感应电动机可以限制起动电流，提 高起动转矩，多用于起重机和矿井提升机等， 它在转子中串接电阻后，可以进行小范围调速。
如果电动机的容量大于 100kw，又无调速要 求时，可采用交流同步电动机，它能提高功率 因数。