【正文】 《機械系統(tǒng)設計》 電子教案 段鐵群 教授 7 七、功能原理設計舉例 【例 】瓶蓋整列裝置的原理方案設計 設計要求：把一堆不規(guī)則放置的瓶蓋整列成口朝上的位置逐個輸出。瓶蓋的形狀和尺寸見圖 。瓶蓋質(zhì)量為 m=10g；整列速度 100個 /分鐘；能量為 220V交流和高壓氣（壓力 ）；其余功能要求見表 。 求解步驟： 第一步：明確任務要求 第二步：功能分析 （ 1） 總功能 P32圖一 （ 2） 總功能分解 P32圖二 第三步：功能元求解 P32表 第四 步：功能元組合 P33圖 解的方案數(shù)： N=8 6 6 3 7=6048種 第五步：評價與決策 P33表 一、結(jié)構總體設計的任務和原則 1. 結(jié)構總體設計的任務及重要性 （ 1） 結(jié)構總體設計的任務： 是將原理方案設計結(jié)構化，即繪制結(jié)構總圖。 （ 2） 結(jié)構總體設計的重要性： 滿足功能要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，降低產(chǎn)品成本等。 工作包括兩個方面，即“質(zhì)”的設計和“量”的設計。所謂“質(zhì)”的設計是指“定形”設計，有系統(tǒng)的定形和零部件的定形。這部分工作對產(chǎn)品的質(zhì)量有決定性意義。“量”的設計 則指選擇材料、確定尺寸和零部件進一步詳細設計等。 2. 結(jié)構總體設計原則 （ 1） 明確原則：包括功能明確、工作情況明確和結(jié)構的工作原理明確。 （ 2） 簡單原則：在滿足使用要求（總功能）的前提下，盡量使整機，部件和零件的結(jié)構簡單，且數(shù)目少。同時具有簡化、簡便、簡明、簡易、減少等多重含義。 （ 3） 安全可靠原則：包括構件的可靠性、功能的可靠性、工作安全性和環(huán)境安全性。 二、結(jié)構總體設計步驟 P35圖 1. 初步設計： （ 1） 設計要求 （ 2） 主要功能載體的初步設計 主要功能載體：完成主要功能的構件。 （ 3） 按比例繪制主要結(jié)構草圖 （ 4） 檢查主、輔功能載體結(jié)構 （ 5） 設計 結(jié)果初評及選擇 2. 詳細設計： （ 1） 各功能載體的詳細設計 《機械系統(tǒng)設計》 電子教案 段鐵群 教授 8 （ 2） 補充、完善結(jié)構總體設計草圖 （ 3） 對完善的結(jié)構總體草圖進行審核 （ 4） 進行技術、經(jīng)濟評價 3. 結(jié)構總體設計的完善和審核： 主要對關鍵問題和薄弱環(huán)節(jié)進行技術經(jīng)濟分析（是否達到目標）。 方法：優(yōu)化設計、可靠性設計、專家系統(tǒng)使用、經(jīng)濟性評價等。 三、總體布置設計 就是確定機械系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的相對位置關系及相對運動關系，使總系統(tǒng)具有一個協(xié)調(diào)完善的造型。 考慮問題：設計內(nèi)容、人 —— 機關系、對環(huán)境的適應性、對外界環(huán)境的影響（性能、操作、觀察、調(diào)整、控制、防護等）。 1. 總體布置設計的基 本要求： （ 1） 功能合理 （ 2） 結(jié)構緊湊、層次清晰、比例協(xié)調(diào) （ 3） 充分考慮產(chǎn)品的系列化及發(fā)展 2. 機械系統(tǒng)總體布置的基本類型： （ 1） 按工作機構的空間幾何位置可分為： 1） 平面式 2） 空間式 （ 2） 按執(zhí)行機構的布置方向可分為： 1） 平式 2） 直立式 3） 傾斜式 4） 圓弧式 （ 3） 按原動機與機架的相對位置可分為： 1） 前置式 2） 中置式 3） 后置式 （ 4） 按工作機構的運動關系可分為： 1） 轉(zhuǎn)式 2） 直線式 3） 振動式 （ 5） 按機架（或機殼）的形式可分為： 1） 整體式 2） 剖分式 3） 組合式 4） 單柱式（開式） 5） 龍門式（閉式） 6） 懸臂式 P37圖 四、總體（主要）參數(shù)的確定 總體參數(shù)是結(jié)構總體設計和零部件設計的依據(jù) 。 1. 性能參數(shù)（生產(chǎn)能力）： 機械系統(tǒng)的理論生產(chǎn)能力是指設計生產(chǎn)能力 —— 在單位時間內(nèi)完成的產(chǎn)品數(shù)量，亦可以稱之為機械系統(tǒng)的生產(chǎn)率。設加工一個工件或裝備一個組件所需的循環(huán)時間為 《機械系統(tǒng)設計》 電子教案 段鐵群 教授 9 fg ttT ?? 式中 ： T—— 機械系統(tǒng)的一個工作循環(huán)時間或稱工作周期時間，常用單位有小時、分鐘等； gt －－工作時間； ft －－輔助工作時間。 則機械系統(tǒng)的生產(chǎn)率 Q為 fg tt1T1Q ??? 生產(chǎn)率 Q的單位由 工件的計量和計時單位而定，常用的單位有件 /小時、米 /分鐘、米 2 /分鐘、米 3 /小時、千克 /分鐘等。 2. 尺寸參數(shù)： 尺寸參數(shù)主要是指影響機械性能和工作范圍的主要結(jié)構尺寸和作業(yè)位置尺寸。 如：外形尺寸、主要部件尺寸、工作行程、加工范圍等。 【例 】確定顎式破碎機鉗角 ? P41圖 3. 運動參數(shù)： （ 1） 最高、最低轉(zhuǎn)速： 1） 最高轉(zhuǎn)速： m in)/r(d v1000n m inm a xm a x ?? ?? 2） 最低轉(zhuǎn)速： m in)/r(d v1000n m a xm inm in ?? ?? 3） 變速范圍：minmaxn nnR ? 【例 】 P42表 （ 2） 轉(zhuǎn)速數(shù)列： 1n ， 2n ， 3n ??， jn ， 1jn? ，??， Zn （按等比數(shù)列分級） 1） 轉(zhuǎn)速級數(shù) Z 2） 公比值 :jjnn 1??? ??????????????????????? m a x1Z11ZZ212312m in1nnnnnnnnnnn? 則變速范圍： 1Z11Z1m inm a xn nnnnR ?? ????? 《機械系統(tǒng)設計》 電子教案 段鐵群 教授 10 3） 轉(zhuǎn)速損失率： jnn? a. 相對轉(zhuǎn)速損失率：nnnA j?? b. 最大相對轉(zhuǎn)速損失率： 1jj1jj1jjnnm a x nn1n nnn nnl i mA1j ???? ??????? %100)11(A m a x ???? 【例 】 （ 3） 標準公比和標準數(shù)列： 轉(zhuǎn)速是由小到大遞增的，所以 ? 應大于 1，并規(guī)定最大相對轉(zhuǎn)速損失率不超過 50%，則相應公比 ? 不應大于 2，故 1? ? 2。 1） 標準公比： 、 、 、 、 、 2 2） 標準數(shù)列： P45表 （ 4） 公比的選用： 從使用性能方面考慮，公比 ? 最好選得小一些，以便減少相對轉(zhuǎn)速損失。但公比越小，級數(shù)就越多，系統(tǒng)的結(jié)構就越復雜。 1） 對于一般生產(chǎn)率要求較高的普通設備，減少相對轉(zhuǎn)速損失率是主要的，所以公比 ? 取得較小，如 ? = ? =。 2） 有些小型機械系統(tǒng)希望簡化機構，此時公比 ? 可取得大些，如? = ? =2等。 3） 對于自動機床，減少相對轉(zhuǎn)速損失率的要求更高，常取 ? = 或? =。 【例】型孔輪式排種器 P45圖 4. 動力參數(shù) 動力參數(shù)是指電動機的額定功率、液壓缸的牽引力、液壓馬達、氣動馬達、伺服電動機或步進電動機的額定轉(zhuǎn)矩等。 P46圖 （ 1） 動力參數(shù)確定得過大導致機器笨重、浪費能源和材料 （ 2） 動力參數(shù)確定得過小則不能滿足使用要求 學生自學： P46~52 電機學中的內(nèi)容 五、結(jié)構總體設計的基本原理 1. 任務分配原理： （ 1） 一個載體完成一個功能 （ 2） 一個載體承擔多個功能 （ 3） 多個載體共同承擔一個功能 2. 穩(wěn)定性原理： 系統(tǒng)結(jié)構的穩(wěn)定性是指當出現(xiàn)干擾使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變恢復 穩(wěn)定的效應。 P53圖 、圖 3. 合理力流原理： （ 1） 力傳遞特點：力流不會中斷，力線不會消失，從一處傳入從另一處傳 《機械系統(tǒng)設計》 電子教案 段鐵群 教授 11 出。 （ 2） 內(nèi)力與外力 P53圖 、圖 （ 3） 按力的情況合理選擇結(jié)構 P53圖 、 P54圖 、圖 （ 4） 避免應力集中 P55圖 4. 自補償原理： 通過選擇系統(tǒng)零部件及其在系統(tǒng)中配置來自行實現(xiàn)加強功能的相互支承的作用，稱為自補償。 （ 1） 自增強 P55圖 （ 2） 自平衡 P55圖 （ 3） 自保護 5. 變形協(xié)調(diào)原理： 使兩零件的連接處在外載荷作用下所產(chǎn)生的變形方向（從應力 分布圖來看）相同，且使其相對變形量盡可能小。 P56圖 6. 力平衡原理： 力平衡的目的就是通過相應的結(jié)構措施，使這些無用的力在其產(chǎn)生處就部分或全部平衡掉，以減輕或消除不良影響。如人字齒輪的使用。 7. 等強度原理： 對于同一個零件來說，各處應力相等，各處壽命相同，稱為等強度原理。按等強度原理設計的結(jié)構，材料可以得到充分利用，從而減輕了重量，降低了成本。 P56圖 六、軟固體物料自動包裝機設計舉例 1. 原始資料： （ 1） 產(chǎn)品 本機的包裝對象是圓臺形柱狀軟固體物料， 見圖 。 （ 2） 包裝材料 采用厚度為 金色鋁箔卷筒紙。 （ 3） 關于自動機包裝能力的要求 根據(jù)給定生產(chǎn)定額每班產(chǎn) 750㎏，折算后自動包裝機正常生產(chǎn)率為 120塊 /分鐘。采用無級調(diào)速自動包裝機的生產(chǎn)率可調(diào)范圍是 70~130塊 /分鐘。 2. 包裝工藝的確定： （ 1） 整體錐形模腔：粘模、破紙 （ 2） 彈性的鉗物料機械手夾子：工藝性好 3. 包裝機總體設計：回轉(zhuǎn)式多工位自動機型 送料 分料 頂料、接料 抄紙 轉(zhuǎn)位 開手、出料 供紙 剪紙 P57圖 、圖 P58圖 、圖 4. 傳動系統(tǒng) 設計 P59圖 5. 工作循環(huán)圖 P59圖 《機械系統(tǒng)設計》 電子教案 段鐵群 教授 12 [作業(yè) 題 與 思考題 ] 1. 什么是機械系統(tǒng)的功能？功能可分為哪幾類？ 2. 什么是功能原理設計？包括有哪些重要設計步驟？ 3. “黑箱法”設計有什么優(yōu)點？ 4. 什么是功能元？機械設計中有哪些基本功能元？ 5. 什么是功能結(jié)構？繪制功能結(jié)構圖有何功用？ 6. 功能結(jié)構（以功能元為基準，組合成的）有哪幾種基本類型？ 7. 什么是功能元（分功能）的求解？ 8. 什么是原理解的相容性？相容性的求解方法有哪幾種？相容性可分成哪幾種情況？ 9. 為什么要進行結(jié)構總體設計？它有哪些設計原則？ 10. 總體布置 設計有哪些基本要求？常用的有哪幾種分類形式？ 11. 總體（主要）參數(shù)包括有哪幾類？（及基本概念） T、 Q、 n（ maxn 、 minn ）、 Z、 nR 、 maxA 、 ? 、標準數(shù)列 12. 結(jié)構總體設計有哪幾種基本原理？它們各是什么內(nèi)容？ 13. 什么是任務分配原理？它有哪幾種情況？各有何優(yōu)缺點？ 14. 什么是自補償原理？它有哪幾種情況？ 15. 有一搖臂 鉆床，最大鉆孔直徑 40mm， maxv =50m/min， minv =4m/min，求： maxn 、minn 、 ? 、 Z 及列出各級轉(zhuǎn)速。 16. 某機械設備， minn =45r/min， ? =， Z=12，求： nR ， maxn 及列出它的轉(zhuǎn)速數(shù)列。 《機械系統(tǒng)設計》 電子教案 段鐵群 教授 13 第三章 傳動系統(tǒng)設計 重點 ：轉(zhuǎn)速圖的定義， 轉(zhuǎn)速圖 擬定方法和原則，擴大變速范圍方法，齒輪齒數(shù)的確定，功率扭矩特性，傳動件的計算轉(zhuǎn)速， 無級變速傳動系統(tǒng) 設計。 難點 ： 擬定 轉(zhuǎn)速圖 的 方法和步驟，設備的功率扭矩特性和傳動件計算轉(zhuǎn)速的求解方法， 無級變速傳動系統(tǒng) 設計特點。 講授提示與方法 ：引入實例講解 轉(zhuǎn)速圖 所表示內(nèi)容和含義，根據(jù) 轉(zhuǎn)速圖 擬定原則“口訣”結(jié)合 實例 講授 轉(zhuǎn)速圖 的 擬定方法和步驟，注重 講解 傳動齒輪齒數(shù)配齒表的使用特點，比較設 備功率扭矩特性特點和調(diào)速電動機功率扭矩特性關系 講解 無級變速傳動系統(tǒng) 的設計方法和特點；講授中充分利用多媒體課件。 傳動鏈： 動源 +傳動