機械設計學知識小結(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 執行機構均分散在其應完成分功能的位置上．其主動構件的運動經分配軸引入，因此各執行機構應何時動作，就由分配軸控制。2．集中控制、分散驅動在比較大的機器中，用分配軸傳送到各處不方便時采用。驅動源一般是電動機或液(氣)壓缸．各分功能均有自己單獨的驅動系統。動作是根據集中控制處發出的指令進行。集中控制的方法，簡單的在控制臺上有許多按鈕或閥門、復雜的則可由計算機根據編程進行控制。二、運動循環圖為了清楚地了解各執行機構在完成總功能中的作用和次序。就必須先繪出整個機器中各執行機構的運動循環圖。（一般含位移、速度、加速度與時間的關系）作用：1）表明各機構的配合關系，并可由它得出某 些機構設計的原始參數；2）設計控制系統和調試設備的依據。在運動循環時間內，機器的各執行機構要完成一定的周期運動，執行機構周期性回到初始位置之間的時間間隔稱為工作周期，當采用分配軸來控制各執行機構時，通常用分配軸轉一圈作為一個工作周期。運動循環圖常用兩種形式表示：1）極坐標式：表達方式與分配軸的分度完全一致，故比較直觀。設計安裝、調試均很方便；2）直角坐標式：橫坐標表示運動循環內各運動區段的時間(或分配軸的轉角)，縱坐標表示執行機構的運動特性．如位移等。因而可以表示出各執行機構的更多運動信息，也是一種廣泛采用的形式。圓周式工作循環圖，直角坐標式工作循環圖（圖略）第五章機械產品的實用化設計第一節產品設計核心和外圍問題內部空間和外部空間內部空間：設計核心工作；外部空間：設計的外圍問題。（1）產品設計的依據和前提（2）設計過程中的各種設計要求核心技術和關鍵技術：核心技術：產品實現總功能和主要要求的技術。關鍵技術：實現某種功能過程中需要解決的技術難題。例：核心技術：液壓彎輥和液壓壓下。關鍵技術：厚度、壓力、位置傳感器、數據處理系統等組成的電液閉環控制系統第二節實用化設計的任務和主要內容實用化設計：總任務：完成產品的總體設計、部件、零件設計，完成交付制造的和施工的圖樣資料，同時編制全套技術文件。實用化設計步驟一般為：1）繪制總體布置和總裝草圖；2）由總裝草圖畫出部件、零件草圖；3）經審核再由零件工作圖、部件裝配圖畫出總裝圖和總圖；4）最后編制技術文件如設計說明書、使用說明書、標準件、外購件明細表等等。第三節總體設計的基本任務和內容一、總體設計的基本任務總體設計包括功能設計和結構設計，此外還須考慮機械系統和其它系統的關系。(1)完善和擴大方案設計和結構設計內容(2)使各部件、零件得到合理的組合；(3)綜合人一機器一環境三者關系，使之協調和適應，以保證全面滿足機械產品的技術性能、經濟性能和美學性能的所有要求。二、總體設計的內容工藝方案的確定確定機器的總體參數機械運動系統方案設計和確定機械運動簡圖機械總體布置設計機械驅動系統(Drive system)設計計算整機的平衡和穩定動力源特性分析人一機一環境系統設計附屬裝置設計機器造型設計產品故障分析和對策畫出機器總裝配圖、零件施工圖編寫全部設計技術文件明確易損件、外購件、標準件、明確產品包裝和運輸要求第四節確定工藝方案為了實現同一工藝目的，可以采用不同的工藝方案，各方案決定了設備不同的結構、性能、產品質量、生產率和成本。選擇工藝方案時應綜合考慮下列問題：1)工藝方案的先進性2)合理的運動規律3)工藝方案實現的可能性和穩定性4)與生產率要求相適應，經濟上合理第五節整機總體參數確定總體參數包含：生產率Q、功率參數、重量參數、總體結構參數。總體參數的初步確定：可采用理論計算法、經驗公式法、相似類比法。確定總體參數的原則：1）先進性；2）實用性；3）經濟性。一、理論計算法機械設備的理論生產率Q，T：為在設備上加工一個工件的循環時間或稱工作周期時間；tg：工作時間，即直接用在加工或裝配一個工件的時間；tf：輔助工作時間，即在一個循環內除去tg 所消耗的時間，如上下料、間歇等所消耗的時間。功率參數(包括運動參數、力能參數)（1）運動參數：機械的運動參數有移動速度、加速度和調速范圍等，主要取決于工藝要求：一般情況是希望速度盡可能地高，但卻因受到慣性、振動、定位精度、結構、制造和裝配水平，以及新技術應用程度等的影響和限制。（2）力能參數：包括承載力(如成型力、破碎力、運行阻力、挖掘力)和原動機功率。工作裝置是載荷直接作用的構件。1)機器的作用力(承載力)：大部分材料輸送操作，機器載荷由加速工件的慣性力載荷、移動工件的摩擦力載荷或材料提升的重力載荷組合而成。而對成型機械、加工機械主要需求的力是用于材料成型或切削加工。例1：圖5—6表示三種常用于材料彎曲的形式：折邊、彎V形和彎U形。要使金屬成形必須施加壓力到其塑性區，假設所有的應變硬化材料均能完全地彎曲，則彎曲力通常以材料的極限抗拉強度的經驗公式來計算。例2：設計剪切機時，需要計算最大剪切力Fmax。剪切機的公稱剪切力是根據Fmax 確定的。最大剪切力Fmax 為:Fmax＝KτmaxAA：被剪切軋件橫斷面面積(mm2)；τmax：被剪切軋件金屬在剪切溫度下的最大剪切應力(Mpa/mm2)；K：考慮由于刀刃磨鈍、刀片間隙增大而使剪切力提高的系數。2)原動機功率：反映了機械的動力級別，它與其它參數有函數關系，常是機械分級的標志。也是機械中各零、部件的尺寸(如軸和絲杠的直徑、齒輪的模數等)設計計算的依據。機器需要的輸出功率等于機器工作的動力加上所損耗的動力。大部分機器載荷是力(扭矩)以某速度作用一段距離(角度)。如果使用重量大、速度高的工作頭，則在載荷中要考慮慣性分量的作用。舉例1：如圖5—7所示為機器之輸出功率Pmax，系由一固定力F在△t時間內作用一段線性距離△x，此種運動如同一個液壓臂彎曲金屬板。機器輸出的功率可表示為：舉例2：圖5—8表示固定扭矩T在瞬間△t作用一個角度△θ時機器之輸出功率Pmax。此種功率發生在工具機的銑刀切削情況，通常我們考慮機器在刀具軸的輸出為扭矩，它可用刀具的切削力與力臂來表示。此種機器的輸出功率Pmax為：3．重量參數重量參數包括整機重量、各主要部件重量、重心位置等。它反映了整機的品質，如自重與載重之比，生產能力與機重之比等。重心位置反映了機器的穩定性及車輪輪壓分布等問題。對于定行機械如履帶式裝載機的重量，主要根據作業時所需的牽引力來確定，同時必須滿足地面附著條件和作業、行走穩定性要求，否則機器行走時將產生打滑或傾翻。機器提供的最大牽引力必須克服工作阻力和總的行走阻力，其表達式為：4．總體結構參數總體結構參數包括主要結構尺寸和作業位置尺寸。主要結構尺寸是由整機外形尺寸和主要組成部分的外形尺寸綜合而成。作業位置尺寸是機器在作業過程中為了適應工作條件要求所需尺寸。例如，礦用蟹爪式裝載機總體尺寸，要考慮機器工作條件(巷道尺寸、配套車輛尺寸等)。總體參數確定，除上面一般理論分分析計算外，還有參數優化計算。二、經驗公式法對同類產品參數按概率統計，歸納得出經驗公式，然后求解總體參數。在新產品設計中，利用經驗系數來確定總體參數，有如下優點：（1）便于比較現有產品的各種參數，從而提出最優數據；（2）有利于老產品更新換代和發展新系列；（3）為計算機輔助設計創造條件。下面以液壓挖掘機為例，說明經驗公式法。液壓挖掘機的經驗設計，一般以斗容量、發動機功率和機重三者之一作為主參數，并依此決定其它參數。國內外學者都習慣以機重G為主參數。通過對國內外百余種液壓挖掘機的機重統計分析提出了液壓挖掘機各種參數的經驗公式，其中K值為經驗系數。（圖略）三、相似類比法采用相似類比法確定總體參數時，是以相似理論為基礎，選用國內外先進名牌產品為典型樣機，或國內外有關該產品的設計標準，求出相似系數(級差系數)，然后再確定其它主要參數。但應注意相似類比法只適用于同類型產品。即結構型式、工作對象、環境條件基本相同者。相似類比法有以下優點：如果樣機的性能參數和結構參數是優選的，則可得到一個優化的系列產品，它簡化了設計計算，加快了設計進度，可以迅速研制出新產品。這是仿制性能優良產品的一種有效方法。第六節機械總體布置設計一、機械化生產線的布置按產品工藝過程，把主要機械設備和輔助設備用運輸和中間存貯設備等連接起來，組成獨立控制和連續生產的系統。機械化生產線由機械設備組成，根據其在生產上的作用及工作特點，機械設備歸納起來可分為下列幾種類型：（1）主要工藝設備；（2）輔助工藝設備；（3）物料儲運裝置；（4）控制裝置。機械化工藝流程，作業動作（略）上下移動式剪切：該系統主要由承料架、定長開關，電磁鐵，轉鍵離合器，曲柄連桿，平移式下切刀臺，擺動式上切刀片，制動器等組成，如右圖：過程：當鋼筋通過平移式下切刀臺進入承料架并觸動定長開關后，電磁鐵帶動轉鍵離合器使飛輪軸與曲柄軸聯接，曲柄上的連桿推動平移式下切刀臺在四連桿機構的作用下前進。擺動式上切刀片的一端固定在機架上，另一端刃口緊貼在平移式下切刀臺的刃口處，當平移式下切刀臺沿圓弧軌跡運動時，兩刀片刃口相對運動，切斷鋼筋，曲柄使刀臺復位，等待下一次剪切。分析：該機構設計巧妙，通過四連桿機構可使下切刀臺自身平行地且繞擺桿做擺動，是一種飛剪。斷續的工藝方法間歇的流程（略）移動作業方式：直進式(line)：處理大工件的重型機械和加工種類少的作業機械大多采用直進式。如軋制生產線、輕工生產線等。旋轉式(rotary)：小件的機械可采用旋轉式二、生產作業機械的總體布置生產作業機械：是指完成作業操作的單體機械。作業操作：是指包括滾軋、擠壓、拉拔、剪切、彎曲、包裝等多種生產作業。總體布置的基本原則：1．功能合理；2．在滿足強度、剛度要求的前提下，盡量做到結構緊湊、外形尺寸小、重量輕；3．動力傳遞路線力求簡短、直接，做到傳動效率高；4．各部件或零件在裝配和使用中，其位置調整、拆裝和維修等，力求簡單、方便、互鎖，保護要安全可靠；總體布置型式根據順序、位置、數量、形狀、大小等五要素綜合考慮(1)按照發動機與機架的相對位置，如大客車發動機可分為前置式、中置式、后置式和偏置式；(2)按照主要作業裝置軸線方向，如礦用鉆機有水平式、垂直式和傾斜式；(3)按照機器主軸的運動軌跡，可分為回轉式、直線式和振動式；(4)按機架型式，可分為整體式、剖分式和組合式；(5)按工件運動回路或機械系統功率傳遞路線，可分為開式、閉式；(6)按工作機構布置方向，可分為平面和空間式；(7)按照傳動方式，可分為單發動機傳動、多發動機傳動。三、布置型式舉例示例1：輪式裝載機（圖略）1)以車架上平面作為各部件上下位置的基準，也是作為部件垂直方向安裝尺寸的基準。2)以通過后橋中心線并與車架平面垂直的平面作為前后位置的基準，也是部件縱向安裝尺寸的基準。3)以裝載機的縱向對稱面作為左右位置的基準。此外地平線通常作為輔助基準，是裝載機的高度、離地間隙等尺寸的基準。鏟斗及工作裝置安裝在最前端發動機布置在裝載機的后部，起到配重作用，有利于提高穩定性。發動機的輸出端接液力變矩器，再通過萬向節和傳動軸與前后驅動橋相連。駕駛室布置在工作裝置之后的中部。位置應盡量向前，使前方視野開闊，利于作業準確。為了保證裝載機作業的穩定性，使鏟斗與料堆相對位置準確，現代裝載機不安裝彈性懸架。但為防止在凹凸地上行駛時出現車輪懸空現象，使一個驅動橋能上下擺動，即將驅動架鉸接于車架上。絕大多數裝載機采用四輪驅動，以提高牽引力和能在惡劣地面上行駛。工作裝置多采用液壓傳動。示例2：軋鋼機（圖略）軋輥是軋機進行軋制的工作頭件。在大軋機中它是巨型零件，可達幾十噸重，因此，必須具有特殊的軸承、軸承座和機架等起支承作用的零部件。為了保證軋輥開度，還設有壓下調整裝置，對重量大又要移動的零部件如軋輥和軸承座等都有平衡裝置，來消除傳動件的間隙。減少受力零件的沖擊和磨損。軋機的主傳動部件有萬向連接軸、平衡裝置、齒輪座、主聯軸器、減速機、電動機聯軸器和電動機等(參見圖5—19)。各類軋機軋輥在工作機座中有不同的布置方法(見圖5—20)。一般軋機的軋輥皆作旋轉運動，進行縱軋或斜軋，但也可作行星運動。如高效的行星軋機(圖5—21)。示例3：食品機械（圖略）在食品加工機械中，機械的總布置是多種多樣的，屬于平面水平轉子式的機器有：轉子式灌瓶機、夾心糖的轉子分裝自動機等；屬于立體直線式機器有包裝散狀物料和牛奶的許多自動機。該自動機的主要執行機構是沿加工對象自上而下的運動路線來布置的，占地空間小，工藝流程方向與物料重力方向一致。因此，采用立式布置是比較合理的。第七節機械驅動系統設計一、選擇機構的類型和擬定機構簡圖1．機械傳動系統它包括定傳動比機構、變速機構、運動轉換機構和操縱控制機構等幾部分組成。按其能量流動路線的不同，傳動系統可分為：（1）單流傳動（2）分流傳動（3）匯流傳動（4）混流傳動：所謂混流傳動，就是傳動系統中既有分流傳動又有匯流傳動，是前述三種傳動形式組合的傳動系統。對于輕工機械多采用一個原動機帶動多個執行機構如圖526。而重型機械常采用一個原動機帶動一個執行機構，如單獨驅動的起重機運行機構(如圖527)，有時甚至用多個原動機共同驅動一個執行機構，如圖52圖529。圖528為懸掛式多點嚙合柔性傳動，用于轉爐、回轉窯等多種重型機械上，用多個各自帶有初級減速器的小齒輪帶動同一個末級大齒輪。這樣可以大大減小末級大齒輪和整套機構的尺寸和重量。而軸的撓曲變形不影響齒輪副的正常嚙合，懸掛箱體則用柔性防扭裝置來支承。因而傳動平穩，降低了動載荷，安全性能也好。2．機械傳動鏈的類型外聯傳動鏈：聯系動力源和執行件(如機械主軸或分配軸)的傳動鏈、是運動和外部(動力源)的聯系，稱為外聯傳動鏈。內聯傳動鏈：復合運動的內部聯系，如分配軸至各執行件，稱為內聯傳動鏈。只有復合運動