机械系统考试02.ppt

方案设计与总体设计 第二章 2 本章提要 方案设计的内容总体设计的内容总体布置的基本要求总体主参数确定 3 机械系统的方案设计 机械设计的整个过程 是从抽象到具体 从模糊到明朗 逐步完善的过程 也是创造性思维同工程技术文件相结合的过程 2 1机械系统的方案设计 方案设计是机械系统设计的核心环节 是保证设计水平和质量的重要阶段 4 方案设计的工作内容 研究给定任务设计任务抽象化确定工艺原理确定技术过程引进技术系统并确定系统边界确定基本结构布局设计方案评价 2 1机械系统的方案设计 根据给定任务 明确核心要求和约束条件根据同外部系统的联系 明确功能要求根据功能要求 选择工艺原理根据功能关系 明确工艺流程根据技术过程 确定功能载体组合根据功能载体组合 确定空间位置根据系统指标 确定技术方案 5 研究设计任务 虽然在开发计划书中明确了设计的任务 目的和要求 但可能存在不确切 不合适甚至相互矛盾的要求 例如强度与轻量化 精度与经济性 性能指标与已有技术水平及条件等 根据给定任务 明确核心要求和约束条件 必须对各项要求逐项分析 明确核心要求和约束条件 必要时提出修改和补充建议 对相互矛盾的要求提出解决方法 6 设计任务抽象化 是一种思维方式和工作方法 通过分析设计任务的基本功能要求 把设计任务抽象为只表达其核心任务的简单模式 不涉及具体的解决方案和途径 使设计者视野更宽广 思维不易受到某些框框的束缚 有利于创造新的方案 根据外部系统的关系 明确功能要求 黑箱 是研究同外部系统相互关系的有效工具 7 黑箱模型 黑箱 是指仅知输入量和输出量而不知其内部结构的表述设计任务的一种模式 黑箱 待设计技术系统 黑箱明确表达了设计任务的基本功能要求和主要约束条件 设计过程就是逐步打开黑箱 确定其内部结构 实现由输入量转化为输出量的过程 8 自走式谷物联合收获机 自走式谷物联合收获机 通过任务抽象化 明确功能要求 9 确定工艺原理 根据功能要求 选择工艺原理 同一物理效应往往可以实现多种作业对象的转化 一种转化常可以由多种物理效应来实现 工艺原理是指各种物理效应的具体应用 物理效应包括物理学 化学 生物学等自然科学中的定理 定律 原理和效应 不同的工艺原理将使机械系统具有不同的技术经济效果 因此设计时应从各种可行的工艺原理中择优选用 10 同一物理效应可实现多种转化 切刀切割冲击 揉搓和挤压作用振动 气流和重力作用 杠杆 摩擦 切断作物茎杆籽穗分离谷粒同茎杆和颖壳等杂物分离 作业对象的简单转化可能只采用一种工艺原理便可实现 复杂的转化有时需要多种工艺原理组合使用 应注意不同工艺原理组合与连接的适宜性和相容性 一种转化可由多种物理效应来实现 11 确定技术过程 根据功能关系 明确工艺流程 作业对象本身的转化为主流程 为实现主流程通常需要其他辅助流程的补充和支持 例如作业对象的支承 定位 夹紧 驱动能量的转换 输入和传递 各种信息量的检测 操纵 调整 控制等 因此技术过程是若干分过程和工序组合而成的复合过程 12 根据技术过程 确定功能载体组合 技术系统是实现技术过程各项转化的人为系统 有的转化靠机械系统实现 有的转化靠人的参与完成 需要根据技术过程的要求确定机械系统的具体任务 良好的技术系统应是合理的机械系统与人的完美结合 例如联合收获机作业速度是否自动控制 根据发动机负荷 脱粒部件负荷 脱粒质量 13 根据技术过程 确定功能载体组合 确定功能结构 确定功能载体组合确定系统边界 14 确定功能结构 系统常具有多项功能 比如基本功能 辅助功能等 可进行功能分解 在系统分解的基础上逐项逐级分解 直至找到不宜再分解的功能元及相应的功能载体为止 功能的分解和组合关系称为功能结构 同级分功能组合起来应满足上一级分功能的要求 最后组合的整体应满足总功能的要求 15 功能元和功能载体 功能元 具有确切功能的基本单元 功能载体 实现相应功能的实体结构 齿轮传动功能元 动力和运动的传递功能载体 齿轮及相关结构 在产品的系列化 模块化设计中 通用的独立部件或模块都可以作为功能载体 16 材料试验机的功能结构 利用力和变形关系检验试件 主要功能是试件加载和参数测量 17 功能载体组合 实现一项功能常可采用多种不同的功能载体 为获得满意的总体方案 应寻找合适的功能载体及其组合 形态学矩阵是有效方法 对于复杂系统 可先建立分功能的形态学矩阵 考虑局部设计方案后再综合为整体方案 分析前应将明显不合理或意义不大的方案先舍弃 集中精力研究合理可行的组合 18 挖掘机的形态学矩阵 共有6 5 4 4 3 1440种组合 剩有2 4 3 3 3 216种组合 目标标记 分功能目标特征 分功能的各种解法 19 挖掘机的形态学矩阵 履带式挖掘机 A2 目标标记 分功能目标特征 分功能的各种解法 A5 B1 C1 D2 E1 B5 C2 D3 E1 液压轮式挖掘机 20 确定系统边界 人机分工同外部系统的影响 划分系统边界的主要依据 21 确定系统边界 根据人机分工的要求 例如工件的定位 夹紧 调整 测量 温度 压力 速度 物流量的控制等 技术过程中的很多转化程序既可以由机械系统完成 也可由操作者参与完成 不同的人机分工体现了系统的机械化 自动化程度 并影响系统的复杂程度和制造成本 提高机械化 自动化程度对于提高系统性能 保证运行质量和可靠性 提高生产率有着显著效果 22 确定系统边界 根据同外部系统的影响 技术系统在转化过程中同外部环境有密不可分的联系 受外部环境的影响和干扰对外部环境产生影响 是否对这些影响和干扰进行控制以及怎样控制也是确定系统边界的依据 例如温度 湿度 尘埃 振动 噪声及外部能量的稳定性 23 确定基本结构布局 结构布局是指结构元件 功能载体 在空间的相对位置 不同的结构布局会得到不同的总体设计方案 得到不同的外形 总体布置和技术性能 产生不同的技术经济效果 结构布局不考虑各部分的具体尺寸 是总体布置设计的前提 24 机械系统的总体设计 2 2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 是进行系统技术设计的依据 总体布置设计 确定总体主要参数绘制总体设计图编写总体设计文件 25 总体布置设计 保证系统工艺过程的连续和顺畅降低质心高度 减小偏置保证精度 刚度 提高抗振性及热稳定性充分考虑产品系列化和发展要求结构紧凑 层次分明操纵 维修和调整简便外形美观 总体布置是结构布局的细化 任务 具体确定各零部件之间的相对位置及联系尺寸 运动和动力的传递方式及主要参数 绘制总体布置图 基本要求 26 总体布置设计的基本要求 保证系统工艺过程的连续和顺畅 合理的相互位置和相关尺寸 保证前后作用工序的连续和流畅 能量流 物料流和信息流的流动途径合理 确保运动零部件必需的安全空间 相互间不发生运动干涉 应考虑零部件的惯性力 弹性变形 过载变形 磨损 制造及装配误差等影响 27 联合收获机的技术过程主流程 联合收获机 28 总体布置设计的基本要求 降低质心高度 减小偏置 直接影响行走机械和工程机械的前后轴载荷分配 纵向和横向稳定性 操纵性 附着性 影响固定机械的基础稳定性 应验算质心位置 必要时留有放置配重的可能 29 总体布置设计的基本要求 降低质心高度 减小偏置 重心越高 下坡时前轮分力越大 使转向操纵力加大 重心越高 转向时倾复力矩越大 使稳定性降低 30 总体布置设计的基本要求 保证精度 刚度 提高抗振性及热稳定性 合理确定传动件精度 尽可能简化和缩短传动链 合理安排传动机构顺序 提高结构刚度和抗振性 受力均匀 减小扰力的偏心距 提高支承刚度 采取隔振 柔性连接 分离驱动等措施 采用隔热及散热措施 对称布置有利于均匀传热和减小热变形 31 总体布置设计的基本要求 保证精度 刚度 提高抗振性及热稳定性 机床的底座 床身采用框架式封闭断面结构和双立柱对称布置 不用悬臂或减小悬臂长度 32 总体布置设计的基本要求 保证精度 刚度 提高抗振性及热稳定性 电动机与变速箱 主轴箱分开布置 33 总体布置设计的基本要求 充分考虑产品系列化和发展要求 考虑变型设计和产品系列设计的可能性 尽可能提高产品的标准化因数和重复因数 提高标准化程度 考虑产品更新换代的适应性组织生产线和实现自动化的可能性 34 总体布置设计的基本要求 结构紧凑 层次分明 结构紧凑可节省空间 减少零部件 便于安装调试 带来良好的造型条件 电机 传动等部件 附件 操纵控制部件布置在支承大件内部 如缝纫机 用立式布置代替卧式布置来减小占地面积 35 总体布置设计的基本要求 缝纫机结构示意图 36 总体布置设计的基本要求 操纵 维修和调整简便 改善操作者的劳动条件 操作力求方便舒适 减少操作失误 操作位置 修理位置和信息源的数目尽量减少并适当集中 使操作 观察 调整 维修等尽量方便省力 便于识别 以适应人的生理机能 37 总体布置设计的基本要求 外形美观 产品的外观造型和色彩是机械的功能 结构 工艺 材料和外观形象的综合表现 是科学性 实用性和艺术性的结合 外观 色彩和表观特征应符合美学原则 零部件的组合匀称协调 形体的比例和尺度具有比率美 轻重配置对称和谐 有稳定感和安全感 外形轮廓有整体感 38 总体布置要点 根据总体布置设计的基本要求绘制总体布置草图和总体布置图 先布置执行系统 再布置动力 传动 操纵系统和支承结构 39 执行系统的布置 减少构件和运动副数目 减小构件几何尺寸 以减小其磨损和变形对执行机构运动精度的影响 原动件尽量接近执行机构并尽量隐蔽安装 相互联系的多个执行机构应集中在一根轴或少数几根轴上 考虑作用对象装夹和传送的方便和安全 40 传动系统的布置 简化传动链 降低材料消耗和制造费用 提高传动效率 可靠性和精度 合理安排传动机构顺序 提高传动效率 精度和动力学性能 保证传动系统润滑和密封的便利性和可靠性 对于食品 药品 纺织等机械应保证可靠的密封和隔离 防止产品污染 41 传动系统的布置 合理安排传动机构顺序 把转变运动形式的机构 凸轮机构 连杆机构 螺旋和齿条 安排在低速端 以便简化传动链 减小传动系统的惯性冲击 带传动因承载能力小宜布置在高速端 恒功率无级变速传动宜布置在高速端 链传动因振动和噪声大宜布置在低速端 蜗杆易发热承载能力较小 传递动力为主时布置在高速级 前置可减小体积 传递运动为主时布置在低速级 减小传动误差 42 传动顺序对运动误差的影响 运动误差 前 i后 后如 w g通常iw ig所以 a b 齿轮传动在前 蜗轮传动在前 传递运动为主时蜗轮传动宜布置在低速级 43 传动顺序对动力性能的影响 小齿轮可能悬臂设置 传动性能和承载能力下降 蜗杆易发热承载能力较小 总体结构尺寸增大 齿轮传动在前 蜗轮传动在前 传递动力为主时蜗轮传动宜布置在高速级 44 操纵件的布置 操纵件的布置要便于操纵观察 符合方便宜人 与环境协调的要求 常用件布置在操作员近旁 必要时采用联动装置 紧急制动按钮应在每一个操作位置都设置 要醒目 便于识别 仪表和仪器的位置要便于观察和维护 被加工物体相对与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 常用操纵件有电源开关 旋钮 离合器和变速器手柄 行程或速度调节手柄等 45 总体布置图的内容和要求 确定整机的布置形式和主要尺寸 按比例绘制 基本确定各部件的基本形式和特性参数可估算主要零部件的尺寸 质量和基本加工要求 可进行初步技术经济分析 46 总体布置设计示例 手扶拖拉机的总体布置铣床的总体布置 47 手扶拖拉机的总体布置 通常配带机具作业 如犁 旋耕机 拖车等 挂接的机具不同 机组的质心位置就不同 在机架前部和扶手架上安置配重块调节质心位置 设支承架供停放时用 总体平衡 48 手扶拖拉机的总体布置 发动机和传动系统布置 发动机卧式 振动方向以上下 前后为主 对操纵影响较小 传动轴均横置 结构简单 紧凑 高速级V带传动 便于动力输出 被动轮高位 避免V带同驱动轮干涉 离合器设置在被动轮内部 结构紧凑 链传动驱动旋耕机 设倒档连锁机构 防止倒车时旋耕刀反向转动 49 手扶拖拉机的总体布置 操纵机构布置 转向 变速 油门 离合和制动等的操纵装置均集中在扶手架上 扶手架的长度和高度可调 摇手柄有足够空间 50 铣床的总体布置 执行部件三向 左右 前后 上下 运动的选取同工件的重量和大小有关 卧式 工作台滑鞍升降台 龙门式 工作台铣头横梁 立式 工作台滑鞍铣头 地坑式 龙门架 铣头 铣头 51 总体主要参数的确定 总体参数是总体设计和零部件设计的依据 主要总体参数有尺寸参数 运动参数和动力参数 52 尺寸参数 主要指影响机械性能的重要尺寸 如总体轮廓尺寸 特性尺寸 加工范围 中心高度 主要运动零部件工作行程 主要零部件的安装连接尺寸 尺寸参数一般依据设计任务书中的原始参数 方案设计的结构布局 或者与同类机械类比或分析计算确定 所定尺寸参数应符合 优先数和优先数系 GB321的和 标准尺寸 GB2822的规定 53 颚式破碎机的钳角 的确定 矿石 钳角 定颚板 动颚板 功能要求 破碎过程中矿石不向上滑动 54 颚式破碎机的钳角 的确定 1 m 2 m 钳角 1 2 2 m 是必要条件而不是充要条件 通常 tg m 0 2 0 3则2 m 22 33 常取钳角 18 22 功能要求 破碎过程中矿石不向上滑动 55 运动参数 指机械执行构件的转速 移动速度及调速范围 如机床等加工机械的主轴 工作台 刀具的运动速度 移动机械的行驶速度 连续作业机械的生产节拍 轮式排种器型孔轮的转速有级变速系统的转速 56 排种器型孔轮的转速 充填条件 种子必须在自重作用下和限定时间内充填入型孔内 种子箱 型孔轮 刮种板 护种板 57 排种器型孔轮的转速 充填条件 种子必须在自重作用下和限定时间内充填入型孔内 为什么不分析大头朝前呢 58 机械中执行构件的速度通常根据作业对象的工艺过程要求 工作条件和生产率等因素确定 没有通用的计算方式 许多执行构件的运动很复杂 其速度除作理论分