机械系统总体设计

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。例如，汽车的货厢与驾驶室后壁之 间必需留有足够的间隙，以免当汽车在 行驶中紧急制动时引起货厢与驾驶室相 互撞击和摩擦。
机械运动简图设计中几个主要步骤的大 致内容 ：
1、机械总功能的分解
根据机械总功能要求，选定机械的工 作原理、工艺动作过程以及实现工艺动 作过程的功能原理解。
根据机械的工作原理和功能原理解， 就可以确定出机械所需要的执行构件的 数目、运动形式以及它们之间的运动协 调配合关系等要求。
2．绘制机械运动循环图
2、工艺动作分解和机械运动循环图
3、机构选型和机械运动方案的评比
第二节机械系统的总体设计
一、总体设计的内容
总体设计是机械系统内部设计的主要任 务之一，也是进行系统技术设计的依据。 总体设计对机械的性能、尺寸、外形、质 量及生产成本具有重大影响。因此，总体 设计时必须在保证实现已定方案的基础上 ，尽可能充分考虑与人－机－环境、加工 装配、运行管理等外部系统的联系，使机 械系统与外部系统相协调和适应，以求设 计更臻完善。
二、设计任务抽象化与功能结构
功能是抽象地描述机械产品输入量 和输出量之间的因果关系。对具体产品 来说，功能是指产品的效能、用途和作 用。人们购置的是产品功能，人们使用 的也是产品功能。
按照功能的重要程度，功能可分为 两类：基本的功能和辅助功能。基本功 能是实现产品使用价值必不可少的功能 ，辅助功能即产品的附加功能。
2．列举法
以现有功能类似的机械作对象，列 举其优点，在新方案中保留；列举其 缺点，以便避免；列举其不足（或不 同）之处，以便作必要的补充。在继 承基础上创新，可使新方案尽可能完 善。
3．移植法
受其它事物（也许与本课题毫无直接 关系的事物）的启迪，触发灵感，运用 联想将其原理合理地应用到自己的课题 上。如将香水喷雾器原理移植到内燃机 上，发明了内燃机燃油雾化喷嘴；将移 动推杆盘形凸轮机构的工作原理移植到 齿轮上，发明了活齿齿轮。
总体设计的主要内容有：
1 ）总体布置设计； 2 ）确定总体主 要参数； 3 ）绘制总体设计图样； 4 ）编 写总体设计报告书及技术说明书等。
二、总体布置设计
（一）总体布置的基本要求
总体布置是结构布局的细化，需具体 确定各零部件之间的相对位置及联系尺寸 、运动和动力的传递方式及主要技术参数 ，并绘制总体布置图。
2）实现运动合成与分解的机构；
3）实现运动轴线位置变换的机构；
4）实现转速变换的机构；
5）实现运动分支、连接、离合、过 载保护等其它功能的机构或装置。
机械系统方案设计实例
（一）四工位专用机床方案设计举例分析
1、机器的功能和设计要求
四工位专用机床可完成装卸工件、钻孔 、扩孔、铰孔工作。其执行机构有2个，回 转工作台和主轴箱（带3把专用刀具）。
（一）设计任务抽象化
抽象化的目的是为了确定产品的总功能 。设计任务抽象化的步骤 ：①确定总功 能，抓住本质，扩展思路，寻找解决问题 的多种方法；②将总功能分解为子功能直 至功能元；③寻求子功能（功能元）的解 ；④原理解组合，形成多种原理设计方案 ；⑤方案评价与决策。
（二）功能结构
类似电气系统线路图，分功能的关系也 可以用图来描述，表达分功能关系的图为 功能结构图，功能结构图的建立是结合初 步的工作原理或简单的构形设想进行的。
2）同一种运动规律，可用（选用或创 造）不同的机构型式来实现；
3）同一种功能，可选用不同的工作原 理，不同的机构来满足功能要求；
4）同一种工作原理，可选用、创造不 同的机构及其组合来实现。
例：衣物洗涤 ，如图2-6，27。
根据机构在运动转换中的功能，可把 各种机构分成如下五类：
1）实现运动形式变换的机构；
4．作出机械运动示意图（机械运动方案 图）
根据机械的工作原理、执行构件运动的 协调配合要求和所选定的各执行机构，拟 定机构的组合方案，画出机械运动示意图 ，这种示意图表示了机械运动配合情况和 机构组成状况，代表了机械运动系统的方 案，对于运动情况比较复杂的机械，机械 运动示意图还可以采用轴测投影的方法绘 制出立体的机械运动示意图。
将机械运动方案中各个机构运动尺寸 计算确定之后就得到机械运动简图。机 械运动简图的设计就是机械运动系统的 尺度综合。
机械运动方案设计阶段，要求完成 机械产品的功能分析，功能原理求解和 通过评价决策得到最佳功能原理和机械 运动方案，也就是初步完成机械运动简 图设计中的机构选型和组合应用的分析 和设计。
按机械的工作原理、执行构件运动协调配合 要求，绘制出机械运动循环图，作为各执行机 构的选型和拟定机构的组合方案的依据。
3．各执行机构综合
确定各执行构件的运动参数和生产阻力，选 择合适的原动机。然后选择各机构的类型，进 行综合。在进行机构综合时要考虑机构功能、 结构、尺寸、动力特性等多种因素，同时要考 虑机械运动循环图所提出的运动协调配合要求 。机构选械产品来说，在功能分析和工 作原理确定的基础上进行工艺动作构思 和工艺动作分解，初步拟定各执行构件 动作相互协调配合的运动循环图，提出 机械运动方案和进行机械运动简图的设 计，这就是机械产品方案设计阶段的主 要内容。
（一）方案构思的常用方法
1．黑箱法
对于要解决的问题，设计人员难以 立即认识，犹如对待一个不透明、不知 其内部结构的“黑箱”。利用对未知系统 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、特性所需具备的工 作原理与内部结构，这种方法称为黑箱 法。
4．建立功能结构图的步骤 1）通过技术过程分析，划定技术系统的边
界，定出其总功能。 2）划分分功能及功能元。通常是首先考虑
所应完成的主要工作过程的动作和作用，具体 作法可参见功能分解。
3）建立功能结构图，根据其物理作用原理 、经验或参照已有的类似系统，首先排定与主 要工作过程有关的分功能或功能元的顺序，通 常先提出一个粗略方案，然后检验并完善其相 互关系，补充其它部分。为了选出较优的方案 ，一般应同时考虑几个不同的功能结构。
5．各机构的尺度综合
根据各执行构件、原动件的运动参数 及各执行构件运动的协调配合要求，同 时还要考虑动力性能要求，确定各机构 中各构件的几何尺寸（指机构的运动尺 寸）或几何形状（如凸轮廓线）等。在 进行机构的尺度综合时要考虑机构的静 态和动态误差的分析。
6．绘制机械运动简图
对各机构尺度综合所得结果，要从运 动规律、动力条件、工作性能等多方面 进行综合评价，确定合适的机构运动尺 寸。然后绘制出机械运动简图。机械运 动简图应按比例尺画出各机构运动尺寸 和几何形状。根据机械运动简图所求得 的运动参数、动力参数、受力情况可以 作为机械详细设计（总图、零部件设计 等）的依据。
2．降低质心高度、减小偏置
任何机械都应能平衡、稳定地工作，如 果机械的质心过高或偏置过大，则可能因 扰力矩增大而造成倾倒或加剧振动。所以 ，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。
（3）回路结构 它又称循环结构，输出反 馈为输入的结构为循环结构。
2．建立功能结构图的要求
1）体现功能元或分功能之间的顺序关 系。这是功能结构图与功能分解图之间 的重要区别。
2）各分功能或功能元的划分及其排列 要有一定的理论依据（物理作用原理） 或经验支持（以确保分功能或功能元有 明确解答）。
3）不能漏掉必要的分功能或功能元， 要保证得到预期的结果。
总体布置的基本要求如下：
1．保证工艺过程的连续和流畅
通常机械系统工作的工艺过程包含多项 作业工序，例如一台联合收割机从作物切 割、脱粒、分离、清选直至获得清洁的谷 粒要经过许多工序；包装机械则有供料、 充填、裹包、封口、甚至清洗、堆码、盖 印、计量等多项工序。保证工艺过程的连 续和流畅是总体布置的最基本要求。
第七章 机械系统总体设计
第一节 机械系统的方案设计
方案设计由三个基本活动组成，即创造、 分析和决策。设计过程的开始是提出一种需求 ，即为预定设计目标，它可以由使用者或生产 者提出。
机械产品的方案设计是先确定它的工作原 理方案，再确定机械运动方案。机械产品的工 作原理方案和机械运动方案的好坏是决定产品 性能、成本，关系到产品水平和竞争能力的关 键所在。因此，机械运动方案的设计阶段是机 械产品设计中的最重要的设计阶段。
因此，在总体布置时必须验算各零部件和 整机的质心位置，控制质心的偏移量。有 些机械在完成不同作业或工况改变时，整 机质心位置可能改变，此时在总体布置时 应考虑这种情况，必要时留有放置配重的 位置。
3．保证精度、刚体，提高抗振性及热 稳定性
对于机床、精密机械设备等，为了保证 被加工工件的精度及所需的性能指标，总 体布置时必须充分考虑精度、刚度、抗振 性及热稳定性的要求。为此，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。
4）尽可能简单明了，但要便于实体解 答方案的求取。
3．功能结构图的变化
实现同一总功能的功能结构可有多种 ，改变功能结构常可发展出新的产品。 改变的途径有：
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。
热传导的不均匀也会降低机械的精度。把
热源部件与主要工作部件分开布置，或采用 隔热及散热措施，采用结构对称布置等均有 利于均匀传热和减小热变形。