复习：《机械系统设计学》(08级).ppt

机械系统设计学 复习 2009 2010学年度第二学期07机41班用 1 机械系统2 形态学矩阵3 噪声4 平均无故障工作时间 MTBF 5 总体布局6 安全存在原理 1 机械系统 机械是机器或机构的统称 任何机械都是由若干个零件 部件和装置组成的一个特定系统 机械系统是一个由确定的质量 刚度和阻尼的物体组成并能完成特定功能的系统 机械零件是其基本要素 机械系统本身是结合系统 2 形态学矩阵 进行功能组合时 将系统的各个分功能和功能元为目标作为 列 分功能和功能元的各个解法为目标特征作为 行 排成矩阵形式 称为形态学矩阵 3 噪声 令人不愉快或人们不希望有的声音 是多种不同频率 不同强度声音无规律的组合 4 平均无故障工作时间 MTBF 可修复产品的相邻两次故障间系统能正常工作时间的平均值 5 总体布局 机器的有关零 部件在整机中相对空间位置的合理配置叫总体布局 6 安全存在原理 组成技术系统的各个零件和部件之间的连接在规定的载荷和时间内完全处于安全状态 必须做到 构件中的受力 使用时间和使用环境清楚 选择的计算理论和方法 材料经过验证是可靠的 试验负荷高于工作负荷 严格限制使用时间和使用范围 6 机械系统的特性 1 整体性 2 相关性 3 目的性 4 环境适应性 5 集合性 7 机械系统的组成 1 动力系统 它包括动力机及其配套装置 是机械系统的动力源 按能量转换性质的不同 其可分为一次动力机和二次动力机 一次动力机是把自然界的能源 一次能源 转变为机械能的机械 如内燃机 汽轮机 水轮机等 二次动力机是把二次能源 电能 液能 气能等 转变为机械能的机械 如电动机 液压马达 气动马达等 2 执行系统 它包括执行机构和执行构件 它是利用机械能来改变作业对象的性质 状态 形状和位置 或对作业进行检测 度量等 总之 它是以进行生产或达到其他预定要求的装置 执行系统通常处于机械系统的末端 直接与作业对象接触 其输出也是机械系统的主要输出 因此 执行系统工作性能的好坏 直接影响着整个系统的性能 3 传动系统 传动系统是把动力机的动力和运动传递给执行系统的中间装置 传动系统有下列主要功能 1 减速或增速运动2 无级变速运动3 改变运动规律4 传递力和转矩 4 操纵和控制系统 操纵和控制系统部是使动力 传动 执行系统间彼此协调运行并准确地完成整机功能的装置 二者的主要区别是 操纵系统多是指通过人工操作来实现上述要求的装置 包括 起动 离合 制动 变速 换向等装置 控制系统是指通过人工操作或由测量元件获得的信号 经控制器使控制对象改变工作参数或运行状态的装置 如伺服机构 自动控制装置等 良好的控制系统可以使机械系统处于最佳的运行状态 提高稳定性和可靠性 并有较好的经济性 5 框架支承系统 包括基础部件 底座 立柱等 和支承构件 支架 箱体等 用于安装和支承动力系统 传动系统 执行系统和操纵控制系统等 机械系统中各部件之间的相对位置及其位置精度 运动部件的运动精度 承载能力等主要由框架支承系统来保证 机械系统的功能和性能要求不同 对框架支承系统的要求也不同 8 产品设计开发各个环节的重要性 1 生产和制造费用判断错误 20 2 组织管理原因 15 3 研制失败 5 4 生产失败 5 5 销售失败 5 6 对市场判断错误 30 7 对技术发展判断错误 20 9 平均无故障工作时间MTBF MeanTimeBetweenFailure 10 平均修复时间MTTR MeanTimeToRepair 11 有效度 可利用率 A 12 设计的分类 13 机械系统设计的方法 14 直接安全技术法遵循三个原理 1 安全存在原理 2 有限损坏原理 3 冗余配置原理 安全存在原理 组成技术系统的各个零件和部件之间的连接在规定载荷和工作时间内完全处于安全状态 要求构件的受力 使用时间和环境明确 计算理论正确 构件和零件的材料可靠 严格限制工作时间和范围 有限损坏原理 使用中 当出现功能干扰或断裂等故障时 不会使主要的部件或整机遭到破坏 要求零件易于更换或查找 代替 冗余配置原理 当技术系统发生故障或失效时会人身安全或重大设备事故 为了提高可靠性 常采用多个设备系统 如飞机发动机的双驱动 副油箱 压力容器的双安全阀等 15 自补偿 16 方案构思常用的方法 17 功能的分类 18 基本功能结构 19 形态学矩阵 执行构件 直接完成工作任务的零 部件 20 执行系统的组成 执行机构 传递 变换运动和力以满足执行构件的要求 21 执行系统的功能 1 转动 移动 2 分度 3 转位 4 抓取与夹持 5 搬运与输送 6 施力 7 检测 8 完成复杂动作 22 对执行系统的设计要求 1 实现预期精度的运动或动作 2 各执行机构之间的动作要协调配合 3 有足够的强度和刚度 4 结构合理 造型美观 便于制造 安装 调试和维修 5 工作安全可靠 有足够的使用寿命 23 绘制工作循环图 24 机械手的分类 传动系统 是将动力机的运动和动力传递给执行机构或执行构件的中间装置 组成传动联系的一系列传动件称为传动链 传动链及其传动链之间的相互联系组成传动系统 25 传动系统 1 将动力机的等速回转转化为执行机构的运动形式 如间歇 变速等 26 传动系统的功能 2 改变动力机的力 力矩 满足执行系统的需要 3 将一个动力机的力 速度等传递给多个执行机构 1 按传动比变化情况 27 传动系统的类型 2 按驱动形式 3 按工作原理 28 对变速装置的基本要求 1 传递足够的功率 转矩和传递效率 2 噪声在允许范围内 3 结构简单 具有良好的结构 装配工艺性和使用 维修性 4 润滑 密封良好 防止漏油 漏水 漏气现象 29 常用制动装置的类型 30 制动器设计步骤 1 根据系统运行状况 工作条件 传动系统结构选择制动器类型 布置 计算所需的制动力矩 2 进行制动器的结构设计 选择摩擦副材料 计算摩擦面所需要的压紧力和操纵机构的操纵力 3 对主要受力零件进行必要的强度 刚度计算 4 对摩擦元件机进行发热验算和热平衡计算 5 如选用标准制动器 进行制动力矩验算 31 变速组传动比 32 转速图 1 距离相等的一组竖线表示传动轴的各轴 2 距离相等的一组横线表示各级转速 3 与横 竖线相交的圆圈表示各轴的转速 4 相邻两轴各圆圈之间的连线表示传动比 变速组和传动副数的确定 传动系统的变速级数是各变速组传动副的连乘积 上图的变速顺序 变速级数为 31 23 26 123 2 2表示变速组传动副数和顺序 下标1 3 6表示对应的变速组级比指数 格数 传动副数目的确定遵循最少传动副原则 例 18级转速传动系统的组成方案有以下三种 18 9 2 需要9 2 11个齿轮 18 6 3 需要6 3 9个齿轮 18 3 3 2 需要3 3 2 8个齿轮 显然 方案 最好 能减小机构体积和重量 33 传动顺序的确定 遵循 前密后疏 的原则 遵循 前多后少 的原则 34 变速顺序的确定 35 转速图举例 传动比 轴I II之间为第一变速组 基本组 轴II III之间为第一变速组 第一扩大组 轴III IV之间为第一变速组 第二扩大组 36 无级变速传动链设计原则 1 无级变速机械特性和变速范围都符合传动链要求时 可直接应用或与若干级定比传动副联合使用 2 无级变速机械特性符合传动链要求 但变速范围小 不能满足需要 可将有级和无级变速机构串联 以扩大变速范围 串联时应将无级变速机构置于高速端 3 无级变速机械特性不符合传动链要求时 则不宜采用 应另选或重新设计无级变速机构 或改用电力或流体无级变速机构 37 机械系统的等效构件 研究机械系统的运转状况时 不必对系统的所有构件都进行分析 只要确定某一构件的运转状况即可 这一构件具有虚拟的惯性参量 此参量与机械中所有运动构件的惯性参量的动力学效应相当 此构件上作用一外力 此外力与机械系统中所有外力作用的动力学效应相同 这个构件的运动学规律必与它在原系统中的运动规律相同 则这个构件称为等效构件 38 机械系统动力学判断题 正确Y 不正确N 1 机械运转速度波动调节的目的是为了完全消除机械的速度波动 N 2 为了减轻飞轮的重量 最好将飞轮安装在转速较高的轴上 Y 3 为了使机器稳定运转 机器中必须安装飞轮 N 4 机器中安装飞轮后 可使机器运转时的速度波动完全消除 N 5 机器稳定运转的含义是指原动件 机器主轴 作等速转动 N 7 冲床中安装飞轮的主要目的是降低其机械速度波动 8 机器产生速度波动的主要原因是驱动力矩之功和阻力矩之功不时时相等 9 非周期性速度波动产生的原因是驱动功和阻力功的平衡关系被破坏 Y N 10 机器作稳定运转 必须在每一瞬时驱动功率等于阻抗功率 N Y 6 冲床中安装飞轮的主要目的是降低原动机的功率 Y 11 为了调节机器运转的速度波动 在一台机器中可能需要既安装飞轮 又安装调速器 Y 12 最大盈亏功的计算是按机器主轴在一个运动循环内的驱动力矩和阻力矩的变化曲线所围成的各面积中的最大一个来计算的 N 13 机器等效动力学模型中的等效质量 转动惯量 是一个假想质量 转动惯量 它的大小等于原机器中各运动构件的质量 转动惯量 之和 N 14 机器等效动力学模型中的等效质量 转动惯量 是一个假想质量 转动惯量 它不是原机器中各运动构件的质量 转动惯量 之和 而是根据动能相等的原则转化后计算得出的 Y 15 机器等效动力学模型中的等效力 矩 是一个假想力 矩 它的大小等于原机器所有作用外力的矢量和 N 16 机器等效动力学模型中的等效力 矩 是一个假想力 矩 它不是原机器中所有外力 矩 的合力 而是根据瞬时功率相等的原则转化后算出的 Y 17 若刚性转子满足动平衡条件 这时我们可以说该转子也满足静平衡条件 Y 18 不论刚性回转体上有多少个平衡质量 也不论它们如何分布 只需要在任意选定两个平面内 分别适当地加平衡质量即可达到动平衡 Y 19 经过动平衡校正的刚性转子 任一回转面内仍可能存在偏心质量 Y N 21 绕定轴摆动且质心与摆动轴线不重合的构件 可在其上加减平衡质量来达到惯性力系平衡的目的 Y 20 作往复运动或平面复合运动的构件可以采用附加平衡质量的方法使它的惯性力在构件内部得到平衡 40 简谐振动的基本性质 1 两个频率相同的简谐振动的合成仍然为简谐振动 并且保持原来的频率 2 两个频率不同的简谐振动的合成不再为简谐振动 频率比为有理数时 合成为周期振动 频率比为无理数时 合成非周期振动 证 x1 t A1sin 1t 1 x2 t A2sin 2t 2 令 1 2 m n 如果m n互为质数 则 判断下列振动是否为周期振动 如果是 求其振动周期 解 1 根据性质 2 为有理数 2 3 为无理数 所以振动为非周期振动 41 振动的控制 42 机械结构设计的基本原则 功能明确 工作原理明确 43 误差和真值 误差的定义 对某个物理量进行测量时 所测得的数值Xi与真值X0之间的差值 即 Xi X0 误差的特点 1 真误差是客观的 2 误差的不确定性 3 真误差是未知的 误差的表示方法 1 绝对误差 X X0 2 相对误差 X0 误差的分类 真值1 理论真值 名义值 设计或计算所得的给定值 2 约定真值 公认的物理量或几何量的基准值 3 相对真值 标准仪器误差为一般仪器误差小得多 为后者的1 3 1 10 则标准仪器的测定值为相对真值 4 残差 残差 算术平均值 相对真值 44 控制系统的时域性能指标 45 导轨的功用 分类 要求 一 导轨的功用 导向和承载 即保证运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动 运动的部件称为动导轨 不动的部件称为支承导轨 二 导轨的分类 1 按运动形式 直线运动导轨 回转运动导轨2 按摩擦性质 滑动导轨 滚动导轨 流体介质摩擦导轨 弹性摩擦导轨3 按受力结构 开式导轨 闭式导轨 三 对导轨的要求 1 导向精度 直线度和圆度 导轨与其他运动件之间的相互位置准确性 2 导轨刚度 抵抗恒定载荷和交变载荷变形的能力 3 精度保持性 由导轨自身的耐磨性决定 指长期使用后 保持一定导向精度的能力 4 低速运动平稳性 在作低速运动或微量位移时不出现速度不均匀 时走时间停 或快或慢的 爬行 现象 5 热敏感性和结构工艺性 指在温度变化的情况下 能正常工作 并保持良好的架构工艺性的能力 46 操纵件的布置原则 最常用和最重要的操纵件 应布置在人的肢体活动和视觉最有利的区域内 操纵件的排列应符合人的操作习惯 按操作顺序和逻辑关系进行安排 同一台机器的操纵件 操纵运动方向应一致 操纵件的空间布置 一般应尽量布置在视线范围内 紧急停车操纵件应与其他操纵件分开布置 并要在最方便操作和最显眼处 操纵件之间应保持一定的距离 使操作方便和操作时互不干扰 例 47 机械系统基础的构造 对机械系统基础的要求 保证在静力和动载荷作用下具有足够的整体刚度和强度 防止基础构件的过大变形和开裂 并便于施工 1 基础的顶面尺寸应比安装在其上面的机械设备的底面尺寸稍大 一般地 每边大出的尺寸不小于100mm 2 除锻锤基础外 在底座下应预留二次灌浆层 其厚度不小于25mm 二次灌浆层应在设备安装就位并初调后 用微膨胀混凝土填充密实 且与混凝土基础面结合 3 地脚螺栓的设置 1 地脚螺栓轴线距离基础边缘轴线不应小于4d d 地脚螺栓直径 或80mm 预留地脚螺栓孔边缘至基础