机械系统设计 (5)

举例：剪草机 浮法玻璃 取核桃仁
2.1 机械系统的功能原理设计
功能原理设计主要工作内容：
构思能实现功能目标的新的解法原理。
功能原理设计的特点：
1、用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使所设计系统的 工作原理发生根本改变；
2、功能原理设计中，往往要引入某种新技术、新材料、新工艺 等等，但首先要求设计人员有一种新想法、新构思；
常见的自补偿原理应用形式有自增强、自平衡和自保护三种。
自增强：当辅助效应与初始效应的作用方向相同时，使总效应 得到加强。
自平衡：在正常载荷下，使辅助效应同初始效应相反并达到平 衡状态，从而取得令人满意的总效应。
2.2 结构总体设计
自保护：超载时，特别是超载有可能反复出现时，应有自动防 止零部件被损坏的措施。 5.变形协调原理
Rn
nmax nmin
式中： vmax 、 v
——最高、最低切削速度m / min ； ——变速范围；
Rn
d min 、 d max ——最小、最大加工直径 (mm)。
变速传动可以用无级变速传动，也可以采用有级变速传动。
2.2 结构总体设计
（2）有级变速转速相对损失率A与公比φ 、变速范围Rn与级数Z 对于有级变速传动，转速通常采用等比级数排列，因为采用等 比数列能使相邻各级转速的相对损失均匀，所以在一般机械系统中 大多数按等比数列排列。 设实际所需的合理转速为n，则当n处于某两级转速nj与nj+1之间 时，转速相对损失率A 定义为：
第一步：黑箱法 第二步：总功能分解
2.1 机械系统的功能原理设计
2.1 机械系统的功能原理设计
第 三 步 ： 建 立 功 能 结 构 图
2.1 机械系统的功能原理设计
第四步：寻找原理解和原理解组合
作业：
http://www.xfwlt.com/index.asp

扒渣机专用履带底盘

A=(n- nj)/n
最大转速相对损失率是当所需的合理转速n趋近于nj+1 而实际确选用 了nj时，也就是：
Amax=（nj+1- nj）/ nj+1 =1- nj /nj+1
2.2 结构总体设计
从上式可以看出，如果Amax为一定值，则nj /nj+1必为一定值，即相 邻转速之比为一定值，也就是相邻各级转速按等比级数排列。 设 nj/nj+1=1/φ 则 nj+1/nj=φ
车床的总体布置形式
2.2 结构总体设计
四、总体设计的基本原理 1.任务分配原理 所谓任务分配就是确定功能与载体之间的关系。 任务分配的三种情况：一个载体完成一个功能；一个载体承担 多个功能；多个载体共同承担一个功能。 2.稳定性原理 是指当出现干扰使系统状态发生改变的同时，系统会产生一种 与干扰作用相反，并使系统恢复稳定的效应。
2.2 结构总体设计
三、总体布置设计 总体布置设计就是确定机械系统中各子系统之间的相对位置关 系及相对运动关系，并使总系统具有一个协调完善的造型。 总体布置设计一般是先布置执行系统，即总系统的主功能载体 系统，然后再布置传动系统、动力系统、操纵系统及支承形式等， 从粗到细，从简到繁，反复多次，最终确定出较理想的方案。
2.2 结构总体设计
加工一般的轴类或盘类零 件时，车床均采用卧式水平布 置形式，如普通车床图a； 用于加工大直径但重量相 对较轻的盘形或环形工件，可 用落地式布置形式，如图b； 当用来加工短而粗且重量大的 盘形零件时，则采用立式布置 形式，工件直径较小，可采用 单柱立式布置，如图c； 工件直径较大，可采用双 柱立式布置形式，如图d。
3、利用设计目录求解法。
2.1 机械系统的功能原理设计
设计目录是把能实现某种功能元的各种原理和结构综合在一起的一种 表格和分类资料。如图表2.11，2.12，2.13所示。
图 2.12 机械一次增力功能元解法目录
2.1 机械系统的功能原理设计
六、系统原理方案的综合
把各种功能元的局部解 合理地予以组合，就可以得 到一个系统的多个原理解。
φ = Rn1/(Z-1) lgRn＝(Z－l)lgφ
两边取对数，可写成
即
Z =lgRn /lgφ +1
(2.10)
由（2.9）（2.10）当已知Rn、 φ及Z 三个参数中任意两个时， 即算出另一个参数。但应注意算出的φ值应圆整为标准值，算出的Z 值应圆整为整数，并按圆整后的φ或Z值修改Rn值。Z值最好是由因 子2和3所组成，以便于用双联或三联齿轮变速组组成变速系统，从 而使获得相同的转速级数时所用的齿轮对数最少。
3、使所设计的系统发生质的变化。
பைடு நூலகம்
功能原理方案设计步骤：如图所示 设计任务 求总功能 总功能分解 寻求子功能解 原理解组合 黑箱法 功能逐步分解
创造性方法、目录法、调 查分析法
形态学矩阵法
各种评价方法
评价与决策
最佳原理方案
功能原理方案设计步骤
2.1 机械系统的功能原理设计
三、功能原理设计的设计方法——“黑箱法”
2.结构总体设计原则
（1）明确原则(功能明确、工作情况明确、结构的功能原理明确)
（2）简单原则（简化、简便、简明、简易） （3）安全可靠原则（构件、功能的可靠性，工作、环境的安全性）
2.2 结构总体设计
二、机构总体设计步骤 一般分为三个阶段：初步阶段、 详细设计及完善和审核阶段。 1.初步设计 （1）明确设计要求 （2）主功能载体的初步设计 然 后，根据主功能及主功能载体的类型 和方位来定形——进行总体布置。 （3）按比例绘制主要结构草图
2.2 结构总体设计
1.总体布置设计的基本要求 功能合理；结构紧凑、层次清晰、比例协调；充分考虑产品的 系列化及发展。
2.机械系统总体布置的基本类型
有平面式和空间式；水平式（卧式）、倾斜式、直立式和圆弧 式；前置式、中置式和后置式；回转式、直线式和振动式等；整体 式、剖分式、组合式、龙门式和悬臂式等。 3.机械系统总体布置示例 例：车床的总体布置，如图所示，
2.2 结构总体设计
3.运动参数 一般是指机械执行件的运动速度等。通常是根据工作对象的工 艺过程要求和生产率等因素来确定。 （1）最高、最低转速的确定
nmax 1000 vmax r / min d min
min
nmin
1000 vmin r / min d max
φ被称为等比级数的公比。
于是，若有Z 级转速，各级转速有下述关系: nl=nmin n2=n1φ n3=n2φ=n1φ2 ┆ nZ=nZ-1φ=n1φZ-1= nmax nZ/n1=φZ-1
2.2 结构总体设计
最大转速相对损失率 变速范围 或 Amax=(1-1/φ)×100% (2.9)
Rn＝nmax/nmin= nZ/n1=φZ-1
2.1 机械系统的功能原理设计
五、功能元（分功能）
求解
功能元是功能结构图中最 基本的单位，每一个功能元 都要求找出相应的技术、物 理效应来实现它，这便是功 能元的求解。
方法主要有： 1、参考有关资料、专刊或 产品求解；
图 2.11 部分常用物理基本功能元解法目录
2、利用各种创造性方法以 开阔思想去探讨求解法；
2.2 结构总体设计
3.合理力流原理 力流在传递时会沿最短路线行进，在同一截面上各处力流密度 不同，最短处附近力流密集，形成高应力区。设计时，应尽量遵守 力流直接、最短原理，使材料得到最有效的利用。 4.自补偿原理 通过选择系统零部件及其在系统的配置来自行实现加强功能的 相互支承作用，称为自补偿。
第二章
机械系统总体设计
机械系统总体设计是产品设计的关键，它对产品 的技术性能、经济指标及外观造型均具有决定性意义。
2.1 2.2
机械系统的功能原理设计 结构总体设计
2.1 机械系统的功能原理设计
一、功能的定义及其分类
二、功能原理设计及其特点
所谓“功能原理设计”就是针对所设计产品的主要功能提出 一些原理性的构思，亦即针对产品的主要功能进行原理性设计。
五、总体参数的确定 总体参数是结构总体设计和零部件设计的依据。主要有：性能 参数（生产能力等）、机构尺寸参数、运动参数、动力参数等。 1.性能参数（生产能力） 机械系统的理论生产能力是指其设计生产能力，即在单位时间内 完成的产品数量。
2.尺寸参数
主要是指影响机械性能和工作范围的主要机构尺寸和作业位置尺 寸。 尺寸参数一般依据设计任务书中的原始参数、方案设计时的总 体布置草图和与之同类机械的类比或通过分析计算确定。
了解设备（自选）的应用条件（功能）、 基本原理、总体结构、基本参数等； 系统功能分解 制作PPT； 上台讲解；
2.2 结构总体设计
一、结构总体设计的任务、原则 1.结构总体设计的任务 结构总体设计的任务是将原理方案设计结构化。其工作包括两 个方面，即“质”的设计和“量”的设计。 “质” “量” “定形” “定材料、尺寸、零部件”
2.2 结构总体设计
4.动力参数 动力参数是指电动机的额定功率、液压缸的牵引力、液压马达、 气动马达、伺服电动机或步进电动机的额定转矩等。执行系统及 传动系统中的所有零、部件的参数都是根据动力参数来计算的。 动力机选取的一般原则：凡工作过程中需改变工作地点的机械 装备如飞机、轮船、火车、汽车、拖拉机等，常选用内燃机、蒸汽 机、燃气轮机等来获取机械能；而工作地点固定不动的如机床、各 类测量仪器等则选用电动机、液压马达、气压马达等。但不论选用 何种动力机，在确定动力参数时都应根据被带动的工作机械的负荷 特性要求及动力机本身的机械特性和经济性等条件来决定。下面以 电动机的选择为例来介绍动力参数的选取方法和步骤。
2.功能结构：
将总功能分解成分功能，并相应找出实现各分功能的原理方案，从 而简化了实现总功能的原理构思。反之，同一层次的功能单位组合起来， 应能满足上一层功能的要求，最后组合成的整体应能满足总功能的要求。 这种功能的分解和组合关系称为功能结构。
以功能元为基础，组合成功能结构的方式有三种基本类型： 即串连结构、并联结构和循环结构。
2.2 结构总体设计
不同的机械系统所选用的公比 φ可能不同，我国机床专业规定 的七个标准公比为：1.06、1.12、1.26、1.41、1.58、1.78和2。 （3）制定公比φ的原则：速度递增，最大相对转速损失率不超 过50％，故1﹤φ≤2；公比φ 为2的某次方根，使转速n每隔几级就 出现一个转速2n；公比φ 为10 的某次方根，使转速n每隔几级就出 现一个转速10n。在机床专业的七个标准公比中，只有三个完全符 合上述三条原则，其余四个只符合其中的两条。这七个标准公比中， 后六个都与1.06有方次关系，即1.12＝1.062，1.26＝1.064，1.41 ＝ 1.066，1.58＝1.068 ，1.78＝1.0610 ，2＝1.0612。因此，当采 用标准公比后，就可以从1.06的标准数列表中直接查出主轴标准转 速，见表2.12。 公比φ的选用应具体情况具体分析。
2.2 结构总体设计
（1）电动机的预选 1）电动机功率的预选 电动机功率的预选要针对工作机械即总 机械系统的负载及效率计算，这是选择电动机额定功率的依据。 工作机械的负载特性主要有以下几种类型： 恒转矩负载特性，即转矩与转速无关。
2.1 机械系统的功能原理设计
四、功能元、功能结 构
1.功能元：
是能直接从技术效应（如 物理效应、化学效应等）及逻 辑关系中找到可以满足功能要 求的最小单位。也即基本功能 单位。 机械设计中常用的基本功 能元：物理功能元、数学功能 元和逻辑功能元，见表2.1， 2.2，2.3。
2.1
2.1 机械系统的功能原理设计
（4）检查主、辅功能载体结构
（5）设计结果初评及选择
2.2 结构总体设计
2.详细设计 （1）各功能载体的详细设计 材料、连接尺寸及方式等。 主要是载体的具体形状、尺寸、 具体考虑加工方法、结构
（2）补充、完善结构总体设计草图 工艺性及计算成本等。
（3）对完善的结构总体草图进行审核。 （4）进行技术经济评价。 3.结构总体设计的完善和审核 结构总体设计的过程是一个从质到量、从抽象到具体、从粗略 到详细的工作过程，它除了应该同样具有创新思想之外，更多地则 涉及到复杂的、具体的综合分析、设计和较核工作。
就是使两零件的连接处在外载荷的作用下所产生的变形方向 （从应力分布图来看）相同，且使其相对变形量尽可能小。
6.力平衡原理 即通过一定的结构措施，使对系统无用的力在其产生处立即被 部分或全部平衡掉，以减轻或消除不良的影响。 7.等强度原理 即对于同一个零件来说，各处应力相等，各处寿命相同。
2.2 结构总体设计