机械系统设计全解

机械系统设计
第一章
一、系统：
指具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素构成的一个整体。

二、系统的一些特性：
整体性、相关性、目的性、环境适应性
三、机械系统的组成：
动力系统、执行系统、传动系统、操作系统和控制系统
四、机械设计的一般过程包括：
计划、外部系统设计、内部系统设计、制造销售
五、系统分解（了解）P17
第二章
一、方案设计的工作内容：
研究给定的设计任务、构思实现功能的原理和方法、选择工艺原理、确定技术过程、引进技术系统、分析结构布局、拟定设计方案并进行设计方案评价、确定能实现预定设计目标的最佳方案
二、黑箱：
指仅知输入量和输出量而不知其内部结构的表述设计任务的一种模式。

黑箱明确表示了设计任务的基本功能要求和主要约束条件
三、工艺原理：
指各种物理效应（包括物理学、化学、生物学等自然科学中的定理、定律、原理及效应）的具体应用。

四、系统的功能结构：P22
五、方案评价的目的：
是通过对可行的候选方案进行技术、经济、外部环境等方面的评定，提出方案的评价意见，为决策者最后确定设计方案提供信息和依据。

六、方案的评价原则：
客观性原则、可比性原则、合理性原则、整体性原则
七、总体设计的主要内容：
总体布置设计、确定总体主要参数、绘制总体设计图样、编写总体设计报告书计技术说明书等
八、总体设计的基本要求：
（1）保证工艺过程的连续和流畅
（2）降低质心高度、减小偏置
（3）保证精度、刚体，提高抗振性及热稳定性
（4）充分考虑产品系列化和发展
（5）结构紧凑，层次分明
（6）操作、维修、调整方便
（7）外形美观
九、传动系统的布置
（1）简化传动链：在保证运动要求的前提下，传动链愈简短，零件数就愈少，材
料的消耗和制造费用就愈低，同时也有利于提高传动效率、可靠性和精度。

（2）合理安排传动机构顺序:若以传递动力，应优先考虑蜗杆传动布置在高速级的方案；若以传递运动为主，尤其是传动精度要求较高时，应考虑蜗杆传动布置在低俗级的方案。

（3）注意传动系统润滑和密封的便利性和可靠性
第三章
一、载荷的分类：
静载荷和动载荷
二、静载荷：
指大小、方向和位置都不变的载荷
三、动载荷：
指大小、方向和位置都改变的载荷
四、载荷历程：
工程上常把载荷随时间的变化称为载荷的——时间历程，简称载荷历程
五、载荷的处理方法：
对静载荷：可用静强度判据来设计计算
对周期载荷和非周期载荷：利用疲劳强度理论进行设计计算
六、编制载荷的方法：
功率谱法和循环计数法
七、常用的循环计数法：
峰值计数法、穿级计数法、幅程计数法和雨流计数法
八、选择电动机的一般原则：
在满足使用要求的前提下，交流电动机优选于直流电动机，笼行型电动机优选与绕线型电动机，专用电动机优选与通用电动机
九、决定电动机功率的因素：
电动机的发热、允许的过载能力和起动能力
十、电动机的负载图和发热计算（P62）
十一、内燃机：
指燃料在汽缸内进行燃烧，直接将产生的气体所含的热能转化为机械能的装置十二、内燃机按燃料种类的分类：柴油机和汽油机
第四章
一、执行系统的功能：
（一）夹持：
示例1
抓取动作：夹持器向下运动，手指碰上工件1后，在工件对手指反力的作用下，压缩
弹簧4，使手指3张开，完成抓取动作。

夹持动作：夹持器继续向下运动，手指伸入工件后，在弹簧4作用下，手指闭合，夹
持工件。

放开动作：这种夹持器不能单独放开工件，要由其它装置夹持工件后，夹持器向上运动，在工件反作用力下，手指打开，才能将工件卸下。

示例2
抓取动作：斜楔3向下运动，两滚子的间隙加大，使拉簧1伸长，手指4抓住工件5。

夹持动作：斜楔3继续向下运动，手指4对工件5的夹持力加大。

放开动作：斜楔3向上运动，两滚子的间隙变小，拉簧1使手指4、5张开，放开工件5。

示例3
抓取动作：活塞4向下运动，通过活塞杆4及连杆5使手指2绕固定销轴转动，抓取工件1。

夹持动作：活塞4继续向下运动，使手指2以较大的力夹持工件1。

放开动作：活塞4向上运动，通过活塞杆及连杆5使手指绕固定销轴反向转动，放开工件1。

（二）搬运：
示例1
车门关闭时位置在BB，这是初始位置；车门开启时位置在B1B1，这是最终位置。

用摆杆摇块机构（1-2-3-5）和摆杆滑块机构（3-4-6-5）组合，可实现车门的两个位置。

原动件为活塞2，它作往复运动；车门装在连杆4上，它随连杆4作平面运动。

活塞2伸缩到两个极限位置，车门就会从初始位置运动到最终位置
示例2
用齿轮-齿条机构和正弦机构组合，来实现a）、b）两个位置。

齿条在活塞带动下往复直线运动，与齿条相啮合的齿轮作往复180°的摆动；摇杆8与齿轮固连，可摆动180°，正弦机构的框架9作往复直线运动，框架上有吸头10，吸住工件从位置a）移动到位置b）。

（三）输送
示例
图4-7是一个间歇式的直线输送装置。

气缸4的活塞是主动件，它作往复直线运动。

当活塞向左运动时，推动棘爪压缩弹簧向左移动，棘爪拨动棘轮逆时针转动，与棘轮装在一根轴上的链条输送装置的链轮，就带动链条1运动，从而实现装在链条上的装配输送带的运动。

当活塞向右运动时，棘爪在弹簧作用下回位，棘轮不转，装配输送带静止。

这样就可实现装配输送带的间歇运动。

（四）分度与转位
示例1
图4-9是用棘轮机构带动的回转工作台。

棘轮2、分度盘1和工作台装在同一个立轴上；有两个气缸4和5；气缸4通过棘爪3推动棘轮2每次转过若干个齿（转过的齿数可以改变）；
气缸5使定位栓6深入分度盘1的槽中进行定位，也可以使定位栓6从分度盘1的槽中取出，使分度盘松动。

示例2
机构中采用的是圆柱凸轮机构（图中未画出），凸轮转动使推杆作摆动。

凸轮每转一圈，与推杆通过铰链铰接的连杆5，便可以带动
驱动板4的手柄有间歇的往复摆动一次。

分度盘3通过驱动销2与驱动板4周向固定。

气缸带动定位栓1作往复运动，可完成3个动作：①驱动销2压入驱动板4的槽中，使分度盘3与驱动盘4分离；②定位栓1伸入分度盘3的凹槽中，对分度盘3定位；③定位栓1退出时，弹簧使驱动销2复位，分度盘3与驱动板又周向固定。

凸轮机构带动的回转工作台工作过程如下：
开始分度转位：见图a ）
定位栓1从分度盘凹槽里退开，弹簧将驱动销2压入分度盘的孔中，分度盘3和驱动板4周向固定。

连杆5开始向左运动，分度盘与驱动板一起开始逆时针转动，分度开始。

分度转位结束：见图b ）
驱动板4带动分度盘3转了一个角度后，连杆5停止运动，驱动板4、分度盘3也停止转动。

定位：见图c）
定位栓1伸入分度盘凹槽进行定位，并将驱动销压出分度盘孔，将分度盘与驱动板分开
返回：见图d ）
拉杆向右运动，驱动盘顺时针转动，分度盘在定位栓作用下不动，直到图a)位置。

（五）检测
示例
螺钉以头部支承放在导轨4里，依靠导轨4上方的驱动皮带5与螺钉头表面间的摩擦力实现螺钉的送进。

导轨4下方有可绕销轴3转动的检测杆2，过长的螺钉可使检测杆2摆动，这时微动开关1发出指令，气缸6推动偏转板转动到红线位置，将其送入废品箱。

长度不过长的螺钉不会碰到检测杆2，偏转板9不动作，在黑线位置将其送入成品箱。

调整检测杆位置，让成品箱中的螺钉再一次通过检测装置，就可检测出过短的螺钉，不过这时碰到检测杆2的是合格品，不接触检测杆的是不合格品。

导轨下设置两套检测装置，先检测出长的，令其掉入废品箱，不过长的继续沿轨道前进，再检测出过短的，这样两道检测可一次完成。

最终的检测结果，即合格品与次品的分离，可以根据检测指令，利用偏转板具有的不同的偏转角度，使两者加以分离和分选。

如有必要，还可以将不合格品继续分选为可修复产品和废品。

（六）施力
（七）完成工艺性复杂动作
二、设计执行系统时，通常要满足下列要求：
（1）实现预期精度的运动或动作
（2）有足够的强度、刚度
（3）各执行机构间动作要协调配合
（4）机构合理、造型美观、便于制造与安装
（5）工作安全可靠，有足够的使用寿命
三、工作循环图
表示各机构动作次序及时间的图形成为工作循环图
第五章
一、传动系统的功能
连接动力机与执行机构，并把动力机的运动和动力经适当变换，以满足执行机构的作业要求。

二、传动系统的分类
（1）按传动比变化情况分类：
固定传动比的传动系统
可调传动比的传动系统（分为有级变速传动、无级变速传动、周期性变速传动）
（2）按驱动形式分类：
独立驱动的传动系统、集中驱动的传动系统、联合驱动的传动系统（3）按工作原理分类：
机械传动、流体传动和电力传动
三、传动系统的组成及各部分的作用
（1）变速装置：其作用是改变动力机的输出转速和转矩以适应执行机构的需要。

常用的变速装置：交换齿轮变速机构、滑移齿轮变速机构、离合器变速机构、啮合器变速机构（为防止啮合套因振动和非操纵轴向力作用下自动脱档，可采用加宽式结构或切槽式结构）
（2）起停和换向装置：其作用是用来控制执行机构的起动、停车以及改变运
动方向。

（3）制动装置：其作用是为了节省辅助时间
（4）安全保护装置：其作用是避免损坏传动机构和起过载保护作用
四、分析题
图一：
图二、图三、M
1
M
2
五、计算 例1、
已知电动机转速nm=1460r/min ，执行构件要求的3个速度分别为：95r/min 、150r/min 、236r/min ，速度按等比级数排列，公比φ =1.58。

试确定合理的转速图方案。

解：(1)计算最大传动比和变速范围：
电动机输出转速nm=1460r/min ，执行构件最低转速n1=95r/min ，传动系统的最大传动比：
变速范围：
(2)确定传动方案：
执行构件要求有3个转速：n1、n2、n3，可以用一个2轴3联滑移齿轮变速组来实现。

但该变速组的最大单级传动比imax ≤4，不能满足要求，故在传动系统中要设有定传动比的
368.1595
1460
1max
===n n i
m
484.295
236
min
max ===
n
n R
减速传动。

(3)确定各对传动副的传动比：
2轴3联移动齿轮变速组与一对定传动比齿轮传动组合。

如图所示：
公比φ的确定：
取2轴3联移动齿轮变速组3个速比为： 取定传动比齿轮副的传动比： 则传动系统的最大传动比：
i
max=15.368
应根据教材P42所列出的标准公比：1.06，1.12，1.41，1.58，1.78，2.0将计算出的
电动机 2轴3联滑移齿
轮变速组
定传动比齿轮传动 执行系
高速处 低速处
n m
Z2
Z1 Z3 Z5 Z6 Z4 Ⅰ
Ⅱ Z7 Z8 Ⅲ n 6
3341max ϕ
ϕϕ=⋅=⋅=i i i
58
.1368.1566max
≈==i
ϕ
公比φ圆整为标准公比。

各级传动比确定：
执行构件的转速：
95r/min
150r/min
236r/min
绘制转速图：
例2、
已知某制管机所用电动机转速nm=1440r/min ，执行构件—主轴转速nw=45~250r/min ，主轴应有6级转速。

试拟定该制管机的变速传动运动设计方案。

解：已知条件：传动系统输入转速nm=1440r/min ，传动系统输出的最低转速nmin=45r/min ，
)
494.3(94.358.1max 1331且接近<=====i i i ϕ50
.258.12
22===ϕi 58
.13==ϕi )
4(94.358.1334
且接近<===ϕi min
/05.9494
.394.314604
11r i i n n m
=⨯=⋅=min /2.14894
.350.21460422
r i i n n m =⨯=⋅=min
/5.23494
.358.11460433r i i n n m =⨯=
⋅=
min
/1460r n m =min /05.941
r n =min /2.1482r n =min
/5.2343r n =
输出的最高转速nmax=250r/min 。

变速级数Z'： Z' =6
减速级数Z ：从传动系统的输入转速nm=1440r/min 到输出的最小转速
nmin=45r/min 的减速级数。

(1)确定变速组结构型式
采用由3联齿轮变速组和2联齿轮变速组组成的3轴变速机构来实现6个输出转速。

3联齿轮变速组放在高速级，为基本组；2联齿轮变速组放在低速级，为扩大组。

变速装置的结构型式为：6=31×23。

(2)确定运动链中，是否需要定传动比的运动副
本例应属于减速传动系统，总减速比：
不设置定传动比传动副，变速组可以实现的最大传动比：
总传动比i=32，使得变速组的最大传动比imax 将大于4，故必须设置定传动比传动副。

在电动机与变速箱间设置一级V 带传动，在变速箱与执行构件—主轴间设置一级齿轮传动，它们都是定传动比的减速装置，传动系统简图如下：
3245
1440
min
0===
n n i 16
44'=⨯=⨯i i
(3)拟定转速图
传动系统由5根轴组成：Ⅰ轴—电动机轴；Ⅱ轴—变速箱输入轴；Ⅲ轴—变速箱中间轴；Ⅳ轴—变速箱输出轴；Ⅴ轴—定传动比齿轮传动输出轴。

计算变速箱的变速范围 ：
确定变速箱的公比φ 由 可得 查P42，公比应选标准值。

由 可得 Z4
Z5
Z6
Z7
Z8
Z9
Z10
Z11
Z1
Z3
Z2
Ⅰ
Ⅱ Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
V 带传动
电动机
定传动比齿轮传动
变速箱
Z12
56.545
250
min max ===n n R 1
'min max -=Z n n ϕ
1
-'=Z R
ϕ41
.156.5161
≈==
--'Z R ϕ10
min
-=Z n n ϕ
m in
01
n n Z =-ϕ
所以
从n0=1440r/min 按公比φ =1.41降到nmin=45r/min ，传动系统划
分的级数为： 由 可得各级传速比为
V 带传动的速比：
基本变速组的速比： 扩大变速组的速比： 定传动比齿轮传动速比：
根据传动比的计算结果，可以画出设计方案的转速图：
m in
lg
lg )1(n n Z =-ϕ1
lg )/lg(min 0+=ϕ
n n Z 11
141
.1lg lg 1lg lg 451440min
0≈+=+=ϕn n Z ϕ/1-=i i n n 41.1==ϕd i 98.141.1221
===ϕi 41.12==ϕi 13=i 80.241.13
3'1===ϕi 1
'2=i )(95.341.14
3
21
11/11144ϕϕϕϕϕϕϕ=⋅⋅=====--i i i i i d Z ch ch 98
.141.12
21
===ϕi
41
.12==ϕi 1
3=i 80
.241.13
3
'
1===ϕi 1
'
2=i 441.41 3.95
ch i =ϕ==
第六章
一、操纵系统
指把人和机械联系起来，使机械按照人的指令工作的机构和元件所构成的总体。

二、操纵系统的组成部分
操纵杆、执行件、传动件
三、自锁机构
是以一定的预压力把操纵件、执行件或中间的某传动件固定在规定的位置上，中有所施加的操纵力大于这个预压力，操纵件或执行件才会动作
四、互锁机构
互锁机构使操纵系统在进行一个操作动作时把另一个操作操作动作锁住，从而避免机械发生不应有的运动干涉，保证在前一执行件的动作完成后才可使另一执行件动作五、操纵系统的安全系统：
操纵系统中的安全保护、操纵环境的安全保护
六、造成操纵系统失误的环境因素有：
机械系统的干扰、操作者的干扰、自然环境的影响
第七章
一、控制系统的组成
控制部分、被控对象
二、经典控制理论
经典控制理论是基于传递函数对系统的数学描述（输入输出描述），以根轨迹法和频率法为研究方法，目的在于研究系统的稳定性以及在给定输入和给定指标情况下的系统综合。

三、现代控制理论
现代控制理论是针对多变量系统、非线性系统、时变系统、大系统以及智能控制系统，基于状态空间分析法对系统的状态进行分析和综合，能方便地利用数字计算机进行运算和求解。

包括：系统辨识、最优控制、最优估计（最佳滤波）。

第八章
一、声压
指声波在其传播方向相互垂直的平面上的压力
二、声功率
指声波辐射、传输或接收的功率
三、声强级
指通过与声波传播方向相互垂直的单位面积上的声功率
四、计权网络
为模拟人耳听觉对不同频率的声音有不同灵敏度的特性，早噪声测试仪内设计了一种特殊的滤波器，称为计权网络。

五、噪声的传播途径
直接传播、反射传播、间接传播
六、机械噪声控制的途径
声源控制、噪声传播途径的控制、噪声接受点控制
七、噪声源控制
噪声控制的根本途径就在于控制噪声源，从本质上看就是控制机械声源处的振动。

八、常用的降噪装置
消声器、隔声罩、隔声屏
九、常用的消声器
抗性消声器、阻性消声器、阻抗复合式消声器。