机械系统设计第8章ppt课件.ppt
机械系统设计,81 操纵系统概述811 操纵系统的作用和设计要求 操纵系统的作用是按照用户的控制要求，对执行机构进行控制，即把人施加于机械的信号，经过转换传递到执行机构，以实现机械的启动、停止、制动、换向、变速、变力及完成各种辅助动作等。 操纵系统在人与整机之间起纽带作用，虽然不直接参与机械做功，对机械的精度、强度、刚度和寿命没有直接影响，但是，整机工作性能的好坏、工作效率的高低及操作者工作强度大小等，都与操纵系统有直接的关系，因此，在确定整机总体方案时就应对操纵系统加以全面考虑。对操纵系统的设计有下列几方面的要求：,第八章 操纵系统设计,对操纵系统的设计有下列几方面的要求：1结构设计合理 2易于操纵、便于记忆3操纵轻便省力4操纵行程适当5操纵系统的反馈准确迅速6操纵系统应有可调性7操纵方便和舒适8操纵安全可靠,健身增肌 二次发育,WeiXin,TaoBao,812 操纵系统的组成 操纵系统主要由操作件、执行件、传动件等组成。 1操作件 操作件是发出指令动作或指令信号的元件。 2执行件 执行件是直接带动被操纵件动作的元件。 3传动件 传动件是将操作件的指令动作或指令信号传给执行件的元件。传动件是操纵系统中的中间元件，它将操作体上的力、运动传递到执行件上。 有些操纵机构还具有一些其他辅助装置和元件，如：控制件(凸轮、孔盘等)用来控制制操纵件按所要求的方向和行程运动；互锁装置用来防止有互锁要求的各执行件同时动作；指示器可显示教操纵件的运动结果。另外还有导向、定位与限位装置等，如定位元件、锁定元件及回位元件等。,813操纵系统的分类 操纵机构种类很多，可以按以下方法分类： 1)按一个操作件所控制的被操纵件数目，可分为单独操纵机构和集中操纵机构。 2)接执行件的动作方式，可分为摆动式操纵机构和移动式操纵机构等。 3)按操纵力和能量的不同，可分为人力操纵机构、助力操纵机构、液压操纵机构和气压操纵机构。 4)按传动方式，可分为机械式、混合式(如机械液压式或机械气压式)及电气传动等。用电气操纵可以实现远距离的遥控。 5)按人体器官又可分为手动操纵机构和脚踏操纵机构。,82 单独和集中操纵机构 一个操作件可控制一个被操纵件或多个被操纵件，前者为单独操纵机构，后者为集中操纵机构，这要根据控制需要来进行设计。 821 单独操纵机构 采用单独操纵机构时，一个操作件只能控制一个执行件，其优点是结构简单、箱内布局容易、安排手柄位置灵活等。缺点是手柄数多、不好记忆、操作不便等。 1摆动式操纵机构，如图8-l所示 。 2移动式操纵机构，如图8-3所示工作台。,(1)摆杆转轴的布置摆杆转轴D应布置在滑移齿轮左右两极限位置连线的中垂线上，并使滑块的上、下偏移量e相等(见图8-2a)。只有在布局设计发生困难时，才考虑使摆杆转轴左或右偏置(见图8-2b)，但应控制偏置量e不致过大。(2)摆杆转轴与滑移齿轮轴线之间距离H的确定 从图8-2c可知，当滑移齿轮的移动距离L一定时，H越小，则偏移量e及摆角越大；但H过大会使操纵机构不紧凑，并使摆角过小，难以准确定位，摆角的取值范围一般应在60 90 之间。通常，滑移齿轮的滑移距离L与齿轮的轴向布局有关，偏移量e的确定应保证滑块不会与滑槽脱离，e、L、H三者之间的几何关系式为：H=L2(16e)。在设计时，还需通过校核做适当修正，以取得一个较为合理的方案。 为使滑移齿轮顺利移动，拨动齿轮块的推动力必须克服滑移齿轮与轴间的摩擦阻力。操纵机构的齿轮块移动不应发生自锁现象。,2移动式操纵机构移动式操纵机构通常用于滑移齿轮移动距离较大的场合。最常用的移动式操纵机构是齿轮齿条操纵机构。如图8-3所示，转动手柄2，经齿轮3带动齿条4，使拨叉1沿导向轴5移动，从而使滑移齿轮移动。,822 集中操纵机构 集中操纵机构是指一个操作件控制多个执行件的操纵机构，优点是使用方便，可缩短操作时间。缺点是结构较复杂。 集中操纵机构可分为顺序变速、选择变速和预选变速等。 顺序变速时各级转速的变换是按一定顺序进行的，当一个转速需要变换到非相邻的另一个转速时，滑移齿轮必须经过中间各级转速的啮合位置。顺序变速机构一般采用圆柱凸轮或圆盘凸轮来实现控制。优点是结构简单、紧凑，并且工作可靠。缺点是滑移件经常出现重复和多余的移动，操作时间较长、较费力。常应用于变速级数不多的场合，如CA6140型卧式车床主轴箱中的六速变速操纵机构。,选择变速是指从一个转速变换为另一个非相邻的转速时，滑移齿轮不必经过中间各级转速的啮合位置，如铣床中的孔盘操纵机构。选择变速克服了顺序变速的缺点，缩短了变速时间，并使操作简便；缺点是结构较复杂。,83 离合器和制动器操纵机构 离合器和制动器的操纵机构是车辆及各种机械中最常用、最典型的操纵机构。其结构形式由于离合器和制动器的类型、用途、大小和总体布置的要求不同而呈现多种多样。常见的离合器和制动器操纵机构有机械操纵机构、液压操纵机构和气压操纵机构等。 831机械操纵机构 机械操纵机构是指操纵系统中的传动主要是由机械传动来完成，如采用杠杆机构、连杆机构、齿轮传动和蜗杆传动等，其操纵力由人力提供。当操纵力较大时，在操纵系统中增加助力器以完成操纵的功能。 1人力操纵机构：如图8-5所示 。 2助力操纵机构：操纵力较大，大于上述的推荐值，就应当考虑采用助力装置实现助力操纵。常用的助力装置有弹簧式和液压式两种，它们适用于各种大中型机械。,(1)弹簧式助力装置 这种装置是在操纵机构中安装一个助力弹簧，利用它把离合器接合时压紧弹簧放出的一部分势能贮存起来，供下次分离时使用。操纵力的变化如图8-7所示。,设计时应使Sc略大于Sa，即助力弹簧死点应安排在自由行程完全消失，离合器开始分离之后，以便利用助力弹簧压紧的力量促使助力弹簧退过死点回到原始位置。 助力弹簧除了拉伸式以外，还可以做成压缩式的。助力弹簧装置结构简单，工作可靠，因此在中型离合器上采用较为适宜。,(2)液压式助力装置扳动操纵手柄使分配滑阀向右移动，阀头的锥面堵住液压油流向油箱的孔道，油压便推动活塞右移将离合器分离。液压式助力装置的工作压力一般为2.02.5 MPa。,832液压操纵机构 液压操纵机构结构紧凑，且只需操作者施加较小的力就能获得较大的操纵力，因此，被广泛用于各种大中型机械中。 1离合器用液压操纵机构 对于大功率传动用的离合器，因其操纵力较大，一般均采用液压操纵方式。 油缸的施压方式有活塞施压和缸体施压两种。图8-9为活塞施压，油液对活塞的力通过摩擦钢片3、摩擦片4和承压盘5传到缸体上，与油液直接对缸体的力相平衡，不传到轴上。图8-10为缸体施压，油液对缸体的力通过摩擦片、内鼓、轴承等传到轴上，与油液对活塞的力相平衡。这使轴承及用于轴向定位的挡圈、螺母等承受较大的轴向力。,旋转油缸的一个重要问题是排油困难。以图8-9的油缸为例，当离合器分离时，油腔C虽与溢油路连通；但因其中的油液随油缸旋转而具有离心力。这种离心力使油的压力达到相当高的程度，它阻止活塞回位，使摩擦片难以分离。用加大弹簧分离力的办法强制活塞回位是不可取的，这不仅增加弹簧尺寸，而且增加离合器接合时的阻力。为此，可在缸体(或活塞)上开油孔D，不过，当离合器接合时，压力油也会从孔D溢出，延长接合时间。较好的措施是设置几个专门的钢球排油。钢球排油阀的原理如图8-11所示。,图8-12为液压操纵换挡示意图。图中I挡离合器处于分离状态，I挡油缸中的油液可从油口B溢回油箱。挡离合器处于接合状态。当挡离合器开始接合时，从油泵来的压力油经油口A进人挡的油缸，推动活塞压紧摩擦片。在摩擦片被压紧之后，油口A不再进油，油液便推开压力控制阀5，从油口C进入轴中心的油道流向摩擦片的油槽、并润滑轴承等零件。因此，压力控制阀的作用是保证油液在流动过程中对摩擦面产生合乎要求的压力。这一压力可通过压力控制阀5中的弹簧进行调节。,2制动器用液压操纵机构 对于大功率制动器用的液压操纵机构有液压式人力操纵机构和液压式动力操纵机构两种。 (1)液压式人力操纵机构 液压式人力操纵机构是操作者施加较小的力，由液压系统施加较大的操纵力。图8-13为车辆用液压式人力操纵机构。 (2)液压式动力操纵机构 以车辆制动操纵为例介绍这种操纵机构，原理如图8-14所示 。,833 气压操纵机构 气压式动力操纵机构具有操纵力大，且动作快等特点。因此，它也广泛应用于各种车辆的制动系统中或各种机械设备的操纵机构中。下图为一种车辆用气压制动系统简图。,84 操纵机构的定位和互锁 操纵机构必须具有完备的安全保护装置，使操纵机构能够实现可靠的定位、自锁和互锁。 841操纵机构的定位 为保证操作安全和机床的正常运转，操纵机构应能够实现可靠的定位。操纵机构的定位方式有钢球定位、圆销定位、槽口定位等。如图8-16为钢球定位机构，挡圈2上钻有与各个变速位置相对应的定位孔。变速时，转动手柄1至选定的变速位置，则钢球被弹簧推入定位孔，实现了操纵机构的定位。图8-17所示为圆锥销定位机构。,定位机构安装位置对定位精度有不同的影响，定位机构的安装位置可以在操作件上、执行件上或被操纵件上。 (1)定位机构布置在操作件上(图8-16、图8-17) 定位机构到被操纵件之间的传动环节较多，传动累积误差较大，所以被操纵件的定位误差也较大。 (2)定位机构布置在执行件(拨叉)上(图8-18) 这时传动环节少，累积误差较小，故被操纵件的定位误差也较小。 (3)定位机构布置在被操纵件上(图8-19) 这种操纵方式，可使被操纵件的位置精度最高。为防止被操纵件在动作过程中超程，在行程终点处装有固定挡圈。图8-19a所示是将定位孔设计在轴上，使装配、调整比较方便，但有时定位不够可靠。图8-19b所示的双钢球结构，定位可靠，但调整不太方便。,842 自锁机构 自锁机构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。只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。图8-20为滑移齿轮操纵系统中采用的钢球自锁机构。钢球在弹簧力的作用下，使钢球压紧在齿轮的V形槽内起到自锁作用。当作用在齿轮上的轴向力大于压紧力在齿轮轴向上的分力时，齿轮才能滑移。这就保证了齿轮不能自动滑移，也不会影响正常的传动。 钢球自锁机构上切制的槽型一般有两种：半圆形和V形，见图8-21。槽的夹角口将影响移动滑杆需要的操纵力大小。半圆形槽型在球窝边缘磨损后，角减小，会使滑杆移动的轴向力减小。因此，它的自锁性能不如v形槽型。,843 互锁机构 整台设备上凡是可能互相干涉的运动都应互锁。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。 集中操纵时，机构本身保证了动作的次序，故不存在互锁问题。单独操纵时，一般在下列情况下要采用互锁装置：防止几个运动同时传动某一部件，如卧式车床中丝杠和光杠不能同时接通溜板箱；防止两轴间有两对或两对以上的齿轮同时啮合；防止同时接通两种不应同时动作的运动，如普通车床中的纵、横向进给不能同时接通；保证机床上一些动作按一定次序工作，如制动器放松才能启动主轴，又如铣床的主轴不转工作台不能进给等。互锁装置可以是机械的、电气的、液压的或组合的等多种形式。 互锁机构可以采用机械的、液压的和电气的等多种方式来实现。,机械互锁机构根据对不同运动方式之间互锁要求，常见的有下列几种： 1旋转运动间互锁 图8-22为用于平行轴间的几种互锁机构。 图8-23所示为互相垂直旋转轴运动间的互锁机构。 2直线运动间互锁 图8-24为两直线运动间的互锁机构。 3直线运动与旋转运动间互锁 图8-25为直线运动与旋转运动间的互锁机构。,844 操纵变速应当注意的问题 1变速过程保证齿轮顺利啮合的措施 变速时，特别是在集中变速时，为保证齿轮顺利啮合，必须消除顶齿现象。 为了避免打齿，变速往往是在停车后进行。为了防止停车变速时两个齿轮端面相互顶住，变速机构中的齿轮在进入啮合处的轮齿端面应倒成大圆角。即便如此，仍不一定能保证滑移齿轮顺利啮合，常需采取以下措施来消除顶齿现象。,(1)手动操纵 用手慢速转动主轴或带轮，使滑移齿轮的轮齿对准另一个齿轮的齿槽，而后由操纵机构操纵滑移齿轮轴向移位啮合。 (2)机动操纵 电动机点动，使各轴低速转动一下，让滑移齿轮的轮齿对准另一个齿轮的齿槽，同时由操纵机构操纵滑移齿轮轴向移位，使之进入啮合位置。 机动操纵有两种方法：一种是由操作者点动按钮，使电动机点动，多用在变速级数少或变速不频繁的机床上。另一种方法是进行变速操作时让变速手柄与点动开关联动，让滑移齿轮在换位以前，手柄先触及点动开关，使电动机点动。不宜用在经常需要变速的集中操纵机构中。 (3)变速时使各轴做连续的低速回转 如图8-26所示 。,变速时，停止主电动机转动，合上离合器M，开动小功率电动机，经蜗杆蜗轮及齿轮副降速后传至轴，使轴在变速过程中连续缓慢转动，转速一般为10100 rmin。这时，滑移齿轮很容易进入啮合。变速完毕，脱开离合器肘，并使小电动机停转，由主电动机传动。在蜗轮轴必须装一个离合器M，这是为了防止运动的干涉，这种方法较完善，但结构复杂些，一般用于要求在规定时间内完成变速的自动变速场合，如自动车床。,2变速过程中保持传动的连续性为了消除变速过程中的顶齿现象，还应考虑传动的连续性问题。因为在集中变速时，各滑移齿轮不可能同时进入啮合，总是有先有后，。 为保证传动连续性，可采用如下方法： (1)加宽或减薄相应变速齿轮的齿厚 如图8-27所示的传动系统，可使传动组a的齿轮比传动组b的略宽一些，从而保证a组齿轮先啮合。 (2)在推动滑移齿轮的机构内设置弹性元件 当顶齿时，弹性元件压缩，使齿轮间保持一定的压力，齿轮缓慢转动，不再顶齿时，在压力作用下顺利进入啮合。,如图8-27a所示，发生顶齿时，电动机点动，这时应使离电动机近的传动组a先啮合，然后才能使轴转动，以便消除传动组b的顶齿。如果像图8-27b所示，则当传动组b发生顶齿时，由于传动组a尚未啮合，即使点动，轴也不能旋转，顶齿现象仍不能消除。,85 操纵系统设计 851 操纵系统设计的基本步骤 操纵系统存在于各种机械、车辆、船舶和飞机等机械系统中。就其工作原理和结构形式而言是多种多样的，因此，对于不同的操纵系统其设计和计算的内容是不同的。但总的讲，操纵系统的设计是按以下的步骤进行的。 1原理方案设计 2结构设计 3操纵件的造型设计,1原理方案设计 根据操纵的要求，如执行件的运动轨迹、速度和被操纵件的数目以及各执行件之间的关系，首先需要拟订操纵系统中操纵件、执行件和传动机构的原理方案，紧接着还要确定设计的主要参数(如操纵力、操纵行程和传动比)及有关的几何尺寸等。 设计方案时，应搜集国内外同类操纵机构的先进资料，结合所设计任务的特点，拟订出技术先进、切实可行的操纵系统。为得到好的设计方案，应遵循以下三个原则； 1)机构应尽量简单，传动路线应尽量缩短 2)尽量减小机构及构件尺寸 3)应具有较高的机械效率,2结构设计 结构设计是在原理方案的基础上，完成操纵系统中操纵件、执行件和传动件的结构形状及尺寸设计。必要时，为确保操纵安全可靠，要增加安全保护元件或装置。 结构设计应保证功能、提高性能和降低成本。保证功能就是在结构设计中体现功能结构的明确性、简单性和安全性；提高性能要使结构合理承载，要提高结构强度、刚度、精度、稳定性、减小应力集中等；降低成本要从选材、加工和安装的合理性等方面追求良好的经济性。 3操纵件的造型设计 操纵件不仅用来完成操纵系统的任务，而且也是一种装饰和点缀品。它的艺术造型对提高整机的价值具有一定的作用。不同操纵件在不同功能的机械上，应有自己独特的造型和风格，并与机械整体相协调。要符合人机工程学。,852 设计实例分析与计算例8-1 设计一种经常接合式摩擦片离合器的脚踏板机械操纵机构。解：(1)原理方案设计 (2)初步确定主要的几何尺寸 (3)确定主要的设计参数 此操纵机构的主要设计参数有操纵力、操纵行程和传动比。 1)操纵力Fc的确定：操纵力Fc是操作者施加给操纵件的最大作用力，取决于执行件的工作阻力Fz、操纵系统的传动比ic和操纵系统的传动效率。 2)操纵行程Sc的确定：操纵行程是指执行件从初始位置到完成操纵的终了位置，操纵件所走过的位移。 3)传动比ic的确定：操纵系统的传动比ic为传动件的主动力臂与从动力臂之比，其值决定于传动机构中构件的尺寸，应按在克服最大操纵阻力时，构件所在的位置确定。,例8-2 车辆用液压助力转向操纵机构的设计分析与计算。 解：1)设计原理及要求 液压助力转向操纵机构的传动简图如图8-29所示。它的组成包括机械转向器、转向传动机构、油泵、油缸、控制调节装置(包括转向阀、安全阀、流量控制阀等)和辅助装置(包括油箱、管路、滤油器等)。 1)具有伺服作用，导向轮的偏转角与转向盘的转角成比例。 2)转向可靠，且液压失效时能以人力实现机械式操纵。 3)保证直线行驶，允许导向轮自动回正 4)操纵轻便，转向灵敏 5)最好能具有“地面感觉”(2)液压助力转向机构的结构与布置 按转向器、转向阀和油缸的相互位置，其结构分为整体式和分开式两种。(3)主要设计参数的确定 1)转向油缸 2)转向油泵 3)其他液压元件,
