机械系统设计第2章ppt课件.ppt

机械系统设计,机械系统与其他系统一样，各要素是有机结合、相互协调、相互适应的，并以此来实现整体功能的要求。机械系统也应具备一般系统的特征，如整体性、相关性、层次性和时序性、目的性和环境适应性。但是，由于机械系统的能量流、物质流和信息流的传递和变换的特殊性，机械系统设计也必然具有特殊性。因此，寻找机械系统设计的规律，掌握其原理和方法显得尤为重要。,第二章 机械系统设计总论,21 机械系统设计思想 机械系统设计是从系统的观点出发，对机械系统进行的设计。机械系统设计思想从根本上改变了传统的设计思想，从而有利于机械系统设计的创新性、多样性和综合性的体现。它包括以下几个方面： 1创新性设计 机械系统创新性设计是把实现总功能和功能分解作为设计的出发点，由于功能的抽象化和功能分解的多样化，将会大大有利于机械系统的创新性设计。 2全面性设计 机械系统全面性设计是考虑产品生命周期全过程各个阶段的要求。机械系统设计中考虑的问题全面，可大大提高设计水平和产品质量。,健身增肌 二次发育,WeiXin,TaoBao,3系统性设计 机械系统系统性设计是强调各要素的整体性。各要素的要求离不开整体的需要，系统性设计使机械系统的设计更具有整体优良性能。一个系统中各要素的作用是通过总体来体现的，有了总体的概念，才能处理好各要素的设计。 4优化性设计 机械系统设计方案是多种多样的。这是由机械系统功能的抽象化和功能分解的多样化决定的。优化性设计思想是追求机械系统整体最优、全局最佳。为了达到这一目标，通常采用综合评价方法来寻求综合最优的机械系统方案。 以上机械系统的设计思想贯穿在整个设计过程之中，以实现机械系统质量优、性能好、成本低等设计目的。,22 机械系统设计原则 机械系统设计的目的是为了满足人们日益增长的物质和精神生活的需要，提供优质高效、价廉物美的机械产品。因此，机械系统设计时，应从系统的观点出发，以合理确定系统功能、增强可靠性、提高经济性、保证安全性为机械系统设计的原则。,221合理确定系统功能 产品是以社会需求而生存的。没有社会需求就没有市场，产品也就失去了存在的价值和依据。 所谓需求就是对产品功能的需求。人们购买产品实际上就是购买产品的功能。产品功能F和成本C之比(即V=FC)称为产品的价值，它反映了产品的价廉物美的程度。 确定系统功能时，应遵循保证基本功能、满足使用功能、剔除多余功能、增添新颖功能、恰到好处地利用外观功能的原则，降低现实成本，提高功能价值，务求使产品达到更加物美价廉的境地。,222 增强可靠性 可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性是衡量系统质量的一个重要指标。增强系统可靠性的最有效方法是进行可靠性设计。了解影响机械系统可靠性的因素，采取相应的措施，对提高系统的可靠性也是有益的。 1故障或失效的预测和预防 机械系统规定功能的丧失称为失效，对于可修复的系统失效称为故障。 2采用零部件的可靠性设计 机械系统的可靠性是由零部件的可靠性保证的。只有零部件可靠性高，才能使系统的可靠性高。 3提高维修性 4简化结构，提高标准化程度,223提高经济性机械系统的经济性表现在设计、制造和使用的全过程中。 1提高设计和制造的经济性 (1)合理确定可靠性要求和安全系数 (2)贯彻标准化 标准化通常包括产品标准化、系列化和通用化。机械工业的技术标准有以下三大类：1)物品标准; 2)方法标准;3)基础标准。 (3)采用新技术 (4)改善零部件结构工艺性 (5)选用经济的技术要求,2提高使用和维修的经济性 (1)提高产品生产的效率 提高产品生产的效率，可以降低能耗，省电、省油、省煤等。机械设备的效率主要取决于传动系统和执行系统的效率。 (2)合理确定经济寿命 产品从开始使用至主要功能丧失所经历的时间称为功能寿命。根据产品使用费用最低、经济效益最高所确定的寿命称为经济寿命。通常，产品的经济寿命低于功能寿命。 (3)提高维修保养的经济性 在机械设备中，目前应用较多的是定期维修方式 。随着故障诊断技术和可靠性技术的发展，维修技术也得到了相应的发展。如实时维修方式,224保证安全性 机械系统的安全性包括机械系统执行预期功能的安全性和人机环境系统的安全性。 1机械系统执行预期功能的安全性 机械系统执行预期功能的安全性是指机械系统运行时系统本身的安全性。应根据工作载荷特性及机械本身的要求，按有关规定和标准进行设计和计算。为了避免由于意外原因造成故障和失效，常需配置过载保护、安全互锁等装置。,2人机环境系统的安全性 机工程学就是一门研究人一机一环境安全性的新兴学科。它将人、机和环境作为一个系统加以研究。以人为主体，研究人、机、环境之间的相互作用和协调，使机械系统能更好地适宜于人体的各种体能和特点要求，便于安全操作和使用，消除对人身构成伤害的各种危险因素，并使人类的生存环境能得到良好的保护和改善。 能量的类型也是多种多样的。 人一机一环境系统安全性包括劳动安全和环境保护两个方面。 (1)劳动安全 (2)环境保护,23 机械系统设计方法 机械系统应用广泛，种类繁多，设计的方法也不尽相同。 231 机械系统设计的类型 1开发设计 针对新任务，提出新方案，完成产品规划、概念设计、构形设计的全过程。 2变异设计 在已有产品的基础上，针对原有缺点或新的工作要求，从工作原理、功能结构、执行机构类型和尺寸等方面进行一定的变异，设计出新产品以适应市场需要，增强市场竞争力。 3反求设计 针对已有的先进产品或设计，进行深入分析研究，探索掌握其关键技术，在消化、吸收的基础上，开发出同类型、但能避开其专利的新产品。,232 机械系统设计的特点 机械系统设计时，特别强调系统的观点，就是必须考虑广义机械系统的运行，而不是只关心各组成部分的工作状态和性能。 机械系统设计时，应在调查研究的基础上，搞清外部环境对该机械的作用和影响。 同时，也不能忽略内部系统对外部环境的作用和影响，包括该系统运行后或该产品投入市场后，对周围环境的影响、竞争对手及潜在竞争对手的反映、市场竞争格局的变化等。,233 机械系统设计的一般程序和内容 为了提高机械系统设计的质量和水平，必须有一个科学的设计程序。目前较为广泛实施和应用的机械系统设计程序可归纳为表2-1所示的框图程序。,1产品规划 产品规划要求进行需求分析、市场预测、可行性分析、确定设计参数及制约条件，最后给出详细的设计任务书，作为设计、评价和决策的依据。,2概念设计 需求是以产品的功能来实现的，功能与产品设计的关系是因果关系。体现同一功能的产品可以有多种多样的工作原理。因此，这一阶段的最终目标就是在功能分析的基础上，通过构想设计理念，创新构思、搜索探求、优化筛选取得较理想的工作原理方案。,3构形设计 构形设计是将方案(主要是机械运动方案等)具体转化为零部件的合理结构和形状。也就是要完成机械产品的总装图设计、部件和零件设计，完成全部生产图样并编制设计说明书等有关技术文件。 构形设计时要求零件、部件设计满足机械的功能要求；零件结构形状要便于制造加工；常用零件尽可能标准化、系列化、通用化；总体设计还应满足总功能、人机工程、造型美学、包装和运输等方面的要求。 构形设计时一般先由总装图分析成部件、零件草图，经审核无误后，再由零件工作图、部件工作图绘制出总装配图。,234 机械系统设计的系统法 系统法就是把研究的对象作为系统或系统的要素和结构，从整体上系统地、全面地进行确定的科学方法。它从系统的观点出发，着眼于整体与局部、系统与环境、人与机之间的相互联系和相互作用，并且综合地、精确地考察研究对象，从而最佳地处理所研究的问题。 1系统分解 (1)按空间结构关系进行分解 (2)按系统总目标进行分解 (3)按系统模型的关联性进行分解 (4)按系统控制和管理过程进行分解 机械系统的分解采用第2种方法居多。 系统分解可以平面分解，也可以分级分解，或者兼有二者的组合分解，如图2-1所示。,系统分解时应注意下述各点： 1)分解数和层次应适宜分解数太少 2)避免过于复杂的分界 3)保持能量流、物质流和信息流的合理流动途径 4)了解系统分解与功能分解的关联及不同,2系统分析 系统分析是一种科学的决策方法，其目的是帮助决策者，对所要决策的问题逐步提高其清晰度。它是采用系统的观点和方法，用定性和定量的工具，对所研究的问题进行系统结构和系统状态的分析，提出各种可行的方案和替代方案，并进行分析和评价，为决策者选择最优系统方案提供主要依据。 系统分析的一般程序如下： 1)系统目标设定 2)构造模型 3)系统最优化 4)系统评价,24 机械系统设计原理 机械系统设计由于涉及面十分广泛，在设计过程中需要考虑方方面面的问题，因此就产生面向制造、装配、拆装、维修、环境、回收等的设计原理。 241 面向制造的设计原理 面向制造设计(design for manufacturing)简称DFM。 面向制造的设计是在设计过程中充分考虑机械系统功能的同时，使机械系统的制造工艺尽量简化，制造成本尽量减少。 1面向制造的机械系统方案设计 机械系统方案设计往往会涉及它的工作原理、基本组成以及功能结构解的选择。方案设计阶段虽然还无法断定各个功能解的结构和构形的具体参数，但是应该考虑机械系统的工作原理、基本组成及功能结构解的制造的难易程度及制造成本。,2面向制造的机械系统构形设计 机械系统构形设计要求各零部件设计易于制造，具体来说应考虑： 1)零件、部件的构形尽可能简单； 2)零件、部件的各加工部分要易于加工制造； 3)零件、部件的选材要符合便于加工的原则。,242面向装配的设计原理 面向装配的设计(design for assembly)简称DFA。 面向装配的设计是在设计过程中，在充分考虑机械系统的功能的同时，使机械系统的装配工艺尽量简化，易于进行装配和调整。 1面向装配的机械系统方案设计 方案设计阶段应充分考虑机械系统工作原理、基本组成和功能结构解的易装配性，实现基本组成的模块化。功能结构解的简单化有利于装配工艺简化、装配易于调整。 2面向装配的机械系统构形设计 机械系统构形设计中应充分考虑零部件的装配性。这就需要在设计时考虑下面一些基本原则： 1)减少装配的工作量 2)易于装配 3)减少装配零件的多样性,243 面向拆卸的设计原理 面向拆卸的设计(design for disassembly)简称DFD。 面向拆卸的设计在设计过程中充分考虑机械系统功能的同时，使机械系统易于拆卸，可以有利于系统各部分的维修和再利用。 1面向拆卸的机械系统方案设计 方案设计阶段应考虑机械系统工作原理、基本组成和功能结构解对于拆卸方便性的影响。做到这一点需要有较丰富的实际经验和对功能结构解的全面了解。 2面向拆卸的机械系统构形设计 机械系统构形设计中应考虑零部件易于拆卸、便于维修。在设计零件时应考虑的基本原则是： 1)减少拆卸的工作量 2)易于拆卸 3)减少零件的多样性 4)尽量采用插接和螺纹连接,244 面向环境的设计原理 面向环境的设计(design for environment)简称DFE。 面向环境的设计就是考虑环境影响问题，使机械系统对环境的总体影响尽量减少。 1面向环境的机械系统方案设计 面向环境的机械系统方案设计是在保证机械系统功能和质量以及其他必要条件的前提下，使其资源利用率尽可能高，环境污染尽可能小。不同的方案对环境的影响是不同的。 2面向环境的机械系统构形设计 面向环境的机械系统构形设计的主要目标是采用尽可能合理和优化的零部件构形，以减少资源的消耗和浪费，从而减少对环境的影响。其主要途径和措施如下： 1)简化零部件的结构 2)优化零部件尺寸 3)改善构件受力状况 4)可拆卸性设计,25 机械系统的功能原理设计 机械系统的功能原理设计是机械系统目标设定后进行产品设计的第一步，是产品的工作原理和结构原理的开发阶段。它是从质的方面保证整个设计水平的关键，因此，特别需要创新思维，才能设计出具有市场竞争力的新颖产品来，这是任何现代电子计算机所不能替代的。 机械系统的功能原理设计的思路步骤是系统目标(设计任务)抽象化，确定系统的总功能将总功能分解成子功能，直到功能元寻找子功能(功能元)的解将原理解进行组合，形成多种原理设计方案对众多方案进行评价与决策，选定最佳原理设计方案。,251 功能分析 功能的确定是功能原理设计的前提。功能分析可以帮助设计者逐步深化对功能原理的设计。 1功能的概念 功能是产品或技术系统的特定工作能力的抽象化描述。功能既然是产品设计的依据，那么如何对特定工作能力进行抽象化描述，是产品功能原理设计的关键。各种不同类型的产品，它的功能定义的表达方式会有所不同。机械产品功能的定义应该结合机械的特点。机械的特点是利用或转换机械能。因此，机械产品的功能可定义为：功能是对能量流、物质流、信息流进行传递和变换的程序、功效与能力的抽象化描述。 功能具有以下的特性： 1)功能是行为的抽象。 2)功能是产品与环境相互作用过程中的体现。 3)功能具有可变性。,2功能的分类 按照功能所起的作用可分为核心功能和总功能。 核心功能是指机械产品或技术系统的关键功能，是机械产品或技术系统的特定工作能力的抽象化描述。通常情况下，核心功能的确定为产品设计的关键。 但是，机械产品仅仅能完成核心功能，还不能成为一台完整的机械产品。还必须根据完成与核心功能相关的一系列行为来确定出机械产品的总功能。因此，总功能是机械产品为了完成核心功能所需一系列功能的总和。总功能的构思是具有概括性、综合性和创造性的工作。,3功能分解 为了更好地寻求机械产品功能原理方案，将机械产品的总功能分解为比较简单的分功能是一种行之有效的方法。总功能的分解一般如下所述：(1)按解决问题的因果关系或手段目的的关系来分解功能 例如，核桃取仁机，按手段目的关系可以分解为核桃储存和输送核桃壳和核桃仁的分离核桃仁的清选和输送核桃壳的收集4个分功能。,(2)按机械产品工艺过程的顺序来分解功能 例如，啤酒灌装机按照工艺动作过程的顺序可分解为7个分功能，即： 瓶、瓶盖、啤酒的储存与输送3个分功能是并联结构；啤酒灌入瓶中、加盖和封口、贴商标、瓶装啤酒的输送4个分功能是属串联结构。 为了使功能分解的结果在形式上更加简单、直观、往往采用功能树的表达形式。功能树可以清晰地表达各分功能的层次和相互关系，有利于机械产品的功能原理方案设计。图2-2所示为啤酒灌装机的功能树。,功能分解的过程实际上是对机械产品不断深入认识的过程。同时亦是机械产品创新设计的过程。对总功能进行分解可以得到若干分功能，通过对分功能的描述，抓住其本质，尽量避免功能求解时的种种框框，使思路更为开阔。,252 分功能求解 通过功能分析可以得到机械产品的一些分功能，将这些分功能求解，可以求得机械产品功能原理方案。分功能求解的目的是为了寻求分功能载体。分功能求解过程是先对实现分功能的动作行为进行描述，然后寻求实现动作的可行的执行机构。 实现分功能的执行机构可以称之为分功能载体。 1分功能动作行为描述 分功能是机械产品的子目标。在机械产品中任何分功能都可以用动作行为来实现。因此动作行为的描述是求解分功能的关键。分功能的动作行为描述可按下列步骤进行。 1)详细分析分功能功用、相关条件，深入了解分功能的具体内涵。 2)利用发散思维寻找利用各种工作原理实现分功能的具体动作行为。,例如，“螺纹成形”的功能，它是在工件上形成螺纹。它的动作行为可以描述为： 1)车削; 2)铣削; 3)板丝;4)搓丝。如图2-3所示。,又如，“分纸”的功能，要求在一叠纸上分出一张纸。它的动作行为可以描述为：1)削纸：利用削纸杆的切向力将纸分出。2)滚纸：利用滚轮的摩擦力将纸送出。3)吸纸：利用负压吸力将纸吸起。4)抓纸：利用负压将纸掀起再用爪子抓取纸张。,2分功能动作行为载体 在机械产品中完成分功能动作行为的载体是各种相应的执行机构。执行机构按其能完成的行为动作分为等速转动、变速转动、往复移动、往复摆动、间歇转动、间歇移动，给定轨迹运动等等。例如，图2-3a车削的行为动作，包括工件的等速转动，成形车刀进刀、退刀移动(属于往复移动)和刀架的等速移动。上述3种行为动作可以由3个执行机构来完成。 又如，图2-4a削纸的行为动作就是削纸杆的往复移动，可以由1个执行机构来完成。,253 黑箱法 1黑箱法的基本原理 随着现代设计方法的发展及应用越来越广泛，人们对系统功能原理设计时常采用一种抽象化的方法黑箱法。黑箱法是将实现给定功能的机械系统看作为一个未知内部功能结构和功能载体的“黑箱”，通过对它的输入量和输出量的全面分析，逐步掌握输入和输出的基本特征和转换关系，寻求能实现这种基本特性和转换关系的工作原理和功能载体的可行方案。这种从未知到已知，使黑色逐步白化的过程就是功能载体的求解过程。 黑箱法要求设计者不首先从机械产品具体结构出发考虑设计方案，而应以系统的功能出发构思机械产品的可行方案。这种设计思想的转变使黑箱法有利于抓住问题本质、扩大思路、摆脱传统结构的旧框框，从而获得具有创造性和高水平的设计方案。,图2-5所示为黑箱法表示待求机械产品的输入、输出以及与环境的关系。,2黑箱求解法 黑箱法求解的过程就是黑箱白化的过程。具体求解步骤如图2-6所示。 黑箱输入量和输出量的表示尽可能细化、详尽和具体，这样有利于黑箱求解。通过建立输入和输出间关系可以寻求合适的实例。这就需要设计师对各种机械的能量流、物质流和信息流的各自规律和特点很好的掌握。有了合适的实例，可以帮助我们去设定所要设计的机械产品的总功能，然后可以对总功能进行分解，并寻找功能解，最后做出评价和决策，使黑箱完全白化。,254形态学矩阵法 在求得分功能的解后，需将分功能的解加以组合，形成实现系统总功能的原理解。在组合时通常采用形态学矩阵法。这种方法对探求科学的创新方案十分有效。 1形态学矩阵法的基本特点 是一种系统搜索和程式化分功能组合的求解方法。 因素和形态是形态学矩阵法中的两个概念。所谓因素是指构成机械产品的各分功能。而相应的实现各分功能的载体，则称之为形态。 形态学矩阵法是建立在功能分解和功能求解的基础上，为了尽可能获得多种多样的功能解，可以参考现有的解法目录和机构类型手册。 形态学矩阵法是进行机械系统组成和创新的基本途径，由得到的多种可行方案，经筛选、评价可以获得最佳方案。,2形态学矩阵法的运用步骤 (1)总功能分解：通过总功能分解可以求得若干分功能。 (2)形态构想和功能求解。 这就要从分功能的性质寻找实现的工作原理，然后从工作原理寻求功能载体。 (3)功能解组合 在功能分解和功能求解的基础上，采用形态学矩阵法将功能解组合，如表2-2所示。 在全体方案中，还必须考虑相容性条件、连接条件等，因此有些方案并无存在价值或价值不大，可在初步筛选时去除。 (4)方案评价和选择 由于根据形态学矩阵法所得可行方案数目往往很大，必须先进行初评。初评的标准可以定位新颖性、先进性和实用性，把一些“三性”不好的先加以筛除。然后用适合该机械系统的技术经济指标进行综合评价，选择出综合最优的方案。,若机械系统的分功能有3个，分别为A、B、C，它们的对应的功能载体数为3、5、4个。从理论上将可以组合成的方案数为：N=354=60,255 功能原理设计实例 1单缸洗衣机功能原理设计 第一步设定功能目标 洗衣机是为了实现洗洁衣物的功能，使污物和衣物分离。 第二步功能分析单缸洗衣机的黑箱法表达如图2-8所示。,(1)总功能完成脏衣物的输入到洁净衣服的输出的传递和变换。(2)功能分解可以分解为“盛装衣物”、“分离脏物”、“控制洗涤”3个分功能。功能树如图2-9所示。,第三步分功能求解 盛装衣物的功能载体有铅桶、塑料桶、玻璃钢桶、陶瓷桶等4种；分离脏物的功能载体有机械摩擦、电磁振荡、超声波等3种；控制洗涤的功能载体有人工手控、机械定时、电脑控制等3种。 第四步功能解组合 由分功能解列出形态学矩阵。如表2-3。 由表理论上可组合出433=36种方案。,第五步方案评价和决策 从新颖性、先进性和实用性来看，一般选用A1，A2；B1，B2；C1，C2。因此主要有8种方案：Al一BlC2；Al一BlC3；A1一B2一C2；Al一B2一C3；A2一BlC2；A2一BlC3；A2一B2一C2；A2一B2一C3。 根据技术经济指标进行综合评价，可以按得分高低来进行最后决策，选择最佳方案。评价指标体系有专业工程师们来确定。,2露天矿开采挖掘机的功能原理设计 第一步设定功能目标。 露天矿开采挖掘机的黑箱法表达如图2-10所示。由图中可见，其总功能是将煤输入，通过挖掘机装入卡车输出的转换。同时必须有能量流和信息流的传递和变换。,第二步 功能分解，建立功能树。 按挖掘机的手段目的关系可分解为驱动功能、执行功能、行走功能、控制功能、辅助功能、支承和连接功能等6个分功能。然后建立功能树，如图2-11所示。,第三步分功能求解。 推压煤层分功能的载体有齿条、钢丝绳和油缸3种；铲斗铲煤分功能的载体有正铲斗、反铲斗和抓斗3种；提升分功能的载体有油缸和绳索2种；回转分功能的载体有内齿轮传动、外齿轮传动和液轮3种；能量转换分功能的载体为柴油机；能量传递与分配分功能的载体有齿轮箱、油泵、链传动、皮带传动4种；制动分功能的载体有带式制动、闸瓦式制动、片式制动、圆锥形制动4种；变速分功能的载体有液压式、齿轮式、液压齿轮式3种；行走分功能的载体有履带、轮胎、迈步式、轨道车轮式4种。 第四步分功能解组合。 由以上分功能解列出形态矩阵，如表2-4所示。,第五步方案评价和决策。 由挖掘机形态学矩阵表理论上可以组合出332314434=10368种方案。根据设计对功率的要求可知，在能量传递与分配过程中采用链传动和皮带传动是不相容的，应除去。故组合方案数为332312434=5 184种。在众多的方案中，可进行定性筛选，然后进行技术经济评价，最后决策最佳方案。,26 机械系统的总体设计 机械系统通过功能原理设计，选定了最佳功能原理设计方案，确定了功能的载体(即行为的执行机构)，但尚未最终完成概念设计，还须进行机械系统的总体设计。总体设计是机械系统内部设计的主要任务之一，也是构形设计的依据。总体设计对机械的性能、尺寸、外形、重量及生产成本有重大影响。因此，总体设计时必须在保证实现功能原理方案的基础上，尽可能充分考虑人机环境、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。,261 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。总体布置设计是带全局性的设计，因此，在总体布置设计中，始终贯穿系统观念、全局观念、整体观念显得尤为重要。 1总体布置设计的基本要求 (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、刚度，提高抗震性和热稳定性 (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,2子系统布置设计 总体布置设计时一般先从布置执行系统开始，然后再布置传动系统、动力系统、操纵控制系统及支承系统等，通常都是从粗到细、从简到繁，需要反复多次才能确定。各子系统布置设计时各有自身的特点，分别阐述如下。 (1)执行系统的布置 (2)传动系统的布置 (3)操纵件的布置,(1)执行系统的布置 布置执行系统时，一般是先根据拟定的工艺要求，将执行机构和执行构件布置在预定的工作位置，然后布置其原动件和中间连接件。布置时应注意以下几点： 1)减少构件和运动副数目，减小构件的几何尺寸，以减少其磨损和变形对执行机构运动精度的影响。 2)使原动件尽量接近执行机构。在布置相互联系型的多个执行机构时，应尽量将各原动件集中在一根或少数几根轴上。对外露的执行机构，最好将原动件隐蔽布置，以提高操作安全性； 3)由于执行构件往往与作业对象直接接触，所以布置执行构件和中间连接件时应充分考虑作业对象装卡和传送的方便与安全。,(2)传动系统的布置 机械产品传动系统对运动动力的传递精度和性能、传动效率、振动和噪声、制造和维修费用等有较大影响，为此在布置传动系统时应考虑以下几点： 1)简化传动链 2)合理安排传动顺序 3)注意传动系统润滑和密封的可靠性,2)合理安排传动顺序 各种不同传动机构其运动和动力性能是不同的。传动顺序的安排对其动力学性能的发挥以及精度、效率、结构尺寸等都有影响。当传动链中同时采用蜗杆传动和齿轮传动时，有两种传动顺序，一种是齿轮传动布置在高速级，如图2-12a所示，另一种则相反，如图2-12b所示，两者的传动效果不同。,I传动链传动精度的比较： 设齿轮副和蜗杆副的传动误差分别为g和w，齿轮副传动比ig=z2z1=3，蜗杆副传动比iw=z4z3=30，则两个方案的传动的总误差分别为：若g和w接近相等，则a b，可见蜗杆传动布置在低速级时传动链的传动精度较高。此结论可推广为：为了提高降速传动链的传动精度，应尽可能增大传动链最后一级传动副的传动比。,传动链动力性能的比较： 采用齿轮传动布置在高速级，蜗杆传动布置在低速级传动顺序方案时，蜗杆传动副的齿面相对滑动速度较大，发热和胶合作用限制承载能力，且齿面压力油膜不易建立，摩擦负载和磨损增大，传动效率降低，总体结构尺寸也增大。因此，当传动链以传递动力为主时应将蜗杆传动布置在高速级。 当采用转变运动形式的结构和传动(如齿轮机构、连杆机构、螺旋和齿条传动等)时，应将其布置传动链的低速端，与执行机构靠近，这样布置可使传动链简单，且可减小传动系统的惯性冲击。 带传动宜布置在传动链的高速端，由于在传递同样大小功率时，转速高则转矩小，传动带所受的拉力减小，结构尺寸也随之减小，也对减小传动的弹性滑动和速度损失及提高传动带的寿命均有利，此外，还可以减小传动系统的振动。 链传动宜布置在传动链的低速级，以减小振动、冲击和噪声。 当传动链中含有机械无级变速传动时，对恒功率传动，应把无级变速传动布置在传动链的高速端，最好与电动机直接连接，以减小相对滑动现象的产生，而导致转速不连续。同时使结构紧凑；对恒转矩传动，则无级变速传动的布置位置一般不受限制，因为传递转矩相同，无级变速传动无论布置在高速端还是低速端，其产生相对滑动的现象的概率几乎无多少差别。,(3)操纵件的布置 机械系统的操纵件常有电源开关、旋钮、离合器及变速器的操纵手柄、执行机构的行程和速度的调节手柄等，这些操纵件的布置应便于操纵和观察，保证操作人员和操纵件之间有合适的空间位置，符合方便及与环境协调的要求。 按习惯，被加工的对象应相对于操作人员自左向右运动，或顺时针转动。操纵件的运动方向应与被驱动件的运动方向一致。一般规定调速手轮顺时针转动为增速。为便于调试和避免误操作，应附设指示牌。 操作位置应设置在工序最集中、操作最频繁、容易出现故障和便于观察的部位。常用操纵件应尽量布置在操作人员的近旁。对于大型复杂的机械往往需要在几个位置上操作，可以采用联动装置，以便在不同位置都可进行操纵，也可采用可移动的集中操纵按钮站。紧急制动按钮应在每个操作位置上都设置，而且要醒目，便于识别。 仪表和仪器等的位置应便于操作人员观察和维护。,3总体布置设计实例 不同机械系统的总体布置设计有其不同的内容和要求，考虑的侧重点也有所不同，以下各例从不同侧面阐述了总体布置设计中可能碰到的一些特殊问题及其解决办法。 (1)铣床的总体布置设计 铣床用于铣削工件。根据铣刀与工件的相对铣削运动可有不同的配置方案。因而，铣床有不同的总体布置方案。图2-13所示为铣床的四种不同布置形式，它们各有不同的特点。,(2)连续缠管机的总体布置设计 连续缠管机是生产玻璃钢管的设备。一般采用连续缠绕法生产，其工艺过程是将浸有树脂的玻璃纤维品(无捻粗纱、无纬带、纤维毡等)按一定的成型规律缠绕在芯轴或其他模具上，经过成型、固化、脱模、切割等工序即制成玻璃钢管。连续缠管机一般包括传动系统、成型心轴、纤维(或其他增强材料)供给装置、树脂供给装置、固化炉、切割装置、翻管机构和控制台等部分。连续缠管机有立式和卧式两种布置形式，各有不同特点。,立式布置的优点是： 1)缠绕时心轴不会因自重而变形，也不会在玻璃钢管内产生附加应力； 2)树脂不易流淌到偏于管子的一侧，不会造成含树脂量不匀的现象； 3)因各层缠绕工作台均水平布置，纵向纱和横向纱都可以在缠绕前通过树脂槽，实现湿法缠绕； 4)占地面积小。,(3)手扶拖拉机的总体布置设计 手扶拖拉机为田间作业和运输作业的单缸轮式移动机械。田间作业时驾驶员一般步行扶持驾驶。所以手扶拖拉机的总体布置设计体现如下一些特点。1)保持总体平衡 2)发动机轴和传动系统轴横向平行布置 3)操纵机构集中布置,262 总体主要参数的确定 总体参数能够反映机械系统的概貌和特征，是构形尺寸的依据。总体参数系数主要是指与作业对象的使用范围、生产能力等有关的性能参数。结构尺寸、运动学和动力学参数等。对于不同的机械系统其总体参数包括的内容和确定方法也不相同。一般有以下几个方面的参数。 1生产能力(生产率)生产能力是指机械系统在单位时间内生产的产品数量。 (1)理论生产能力：是指设计生产能力，即在理想状态下单位时间内生产的产品数量。(2)实际生产能力：是指机械系统在正常运行期间单位时间内平均生产合格产品的实际数量。,2尺寸参数 总体设计的尺寸参数主要是指影响机械性能的一些重要尺寸。如总体轮廓尺寸(总长、总宽、总高)、特性尺寸(加工范围、中心高度)、主要运动零件的工作行程以及表示主要零部件之间位置关系的安装连接尺寸等。尺寸参数常用联系尺寸图示出。 尺寸参数一般依据设计任务书中的原始数据、总体布置草图和与同类机械的类比或通过分析计算确定，必要时经试验确定。,图2-17所示为一专用立式镗床的联系尺寸图，图中标明了该镗床的重要尺寸。,3运动参数 机械的运动参数一般是指机械执行构件的转速(或移动速度)及调速范围等。例如，机床等加工机械的主轴转速、工作台和刀架的运动速度，移动机械的行驶速度，连续作业机械的生产节拍等。 执行构件的工作速度一般应根据作业对象的工艺过程要求、工作条件及生产率等因素确定。 通常，除少数专用机械只需在某一特定速度下工作外，一般机械往往需多种工作速度。作业范围广、适用性越强，则所需工作速度的变化范围也越大。,现以机床为例，确定其运动参数。 (1)主轴最高、最低转速的确定 (2)转速数列 (3)公比 (4)相对转速损失率 (5)变速范围 (6)制定公比的原则 (7)公比选择原则,(1)主轴最高、最低转速的确定 根据典型加工工序进行分析计算，然后与同类型机床有关资料进行类比，并考虑机床的发展，最后确定主轴的最高、最低转速。分析计算公式为,(2)转速数列 对于有级变速运动，当已知最高和最低转速后，中间各级转速通常按等比数列或等差数列排列。由于采用等比数列能使相邻各级转速的相对损失均匀，且使变速系统中每一个传动比都得到充分利用，使变速系统简化，所以在一般机械系统中大多数按等比数列排列。 如机床的有级变速机构共有z级，其中n1=nmin，nz=nmax。Z级转速分别为n1到nz是从小到大按等比数列排列，即,(3)公比 等比数列中任意两相邻转速比为一常数，此常数称之为公比，因此，各级转速应为,(4)相对转速损失率 如果加工某一工件所需要的合理切削速度为v，则相应的转速为n。通常，有级变速机构不能恰好得到这个转速，而是n处于某两级转速nj和nj+1之间：如果采用较高的转速nj+1，则必将提高切削速度，刀具的耐用度将降低。为了不降低刀具耐用度，以采用较低的转速nj为宜。这时转速的损失为n-nj，相对转速损失率为：最大相对转速损失率是当所需的转速n趋近于nj+1，而实际却选用了nj时，也就是：,由此可见，采用等比数列，由于每次转速的使用机会都相等的，因此Amax为一定值。在其他条件(直径、进给、切深)不变的情况下，转速的相对损失率就反映了生产率的损失。,(5)变速范围或两边取对数，可写成即当三个参数中已知任意两个时，即可用上式算出其余的一个参数。但应注意：算出的应圆整为标准值，算出的Z应圆整为整数，并按圆整后的或Z修改Rn。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组数时所用齿轮对数最少。,6)制定公比的原则 对于不同的机械系统所选用的公比可能不同，我国机床专业标准规定了的七个标准公比：1.06、1.12、1.26、141、1.58、1.78和2。制定公比的原则如下： 1)机床主轴转速是由小到大递增的，所以应大于1，并且最大相对转速损失率不超过50，则相应公比不应大于2，故12。 2)公比为2的某次方根，使转速n每隔几级就出现一个转速2n，这样，不仅记忆方便，而且便于使用双速或多速电动机，以简化变速机构。 3)公比为10的某次方根，使转速n每隔几级后的转速为前面的10倍，而且还可使转速整齐好记。,我国机床专业规定的这7个标准公比中，只有3个标准公比符合上述三条原则，即= =1.26，其余四个标准公比符合上述三条原则当中的两条，即= ，= =1.41，=2。 这7个标准公比中，后6个都与1.06有方次关系，即1.12=1.062，1.26=1.066，1.4l=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2-5。表中给出了以1.06为公比的110000的数值。 例如，欲设计一台卧式车床，nmin=12.5 rmin，nmax=2000 rmin，=1.26。查表2-5，首先找到12.5，然后，每隔3个数(1.26=1.064)取一个值，可得如下数列：12.5、16、20、25、31.5、40、50、63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、700、1000、1250、1600、2000等23级。,(7)公比选择原则 公比取小时，相对转速损失率小，生产率就高，但级数多，系统的结构就复杂。反之，公比取大，系统结构简化，但生产率低。因此，应综合考虑各种因素。一般公比选择原则如下：1)中型尺寸的通用机床变速范围较大，取=1.261.41较为适中。 2)自动与半自动机床用于成批大量生产，自动化程度高，辅助时间所占比重较小，可选择较小的公比。一般取=1.121.26。 3)大型机床加工大尺寸零件时机动时间较长，选择合理的切削速度对提高生产率的作用较大，应取小的公比，甚至无级变速。虽一般取=1.121.26。 4)小型机床结构一般比较简单，机动时间短，辅助时间占的比例较大，应取较大的公比，一般取=1.582。 5)若变速范围很大而又不允许采用较大公比时，为了避免复杂的结构，可采用多速电动机或另加交换齿轮。 6)采用多速异步电动机驱动时，公比应是电动机转速比的整数次方根。,4动力参数 动力参数一般指机械系统的动力源参数，如电动机、液压马达、内燃机的功率及其机械特性。动力参数是机械中各零部件进行承载能力计算以确定其尺寸参数的依据。动力参数确定恰当与否，既影响机械系统工作性能，也影响其经济性。,