机械原理课程设计-第2章 机械系统运动方案设计

2.1概述2.1.1机械设计的一般过程机械产品设计的一般过程可分为四个阶段:产品规划阶段、方案设计阶段、详细设计阶段和改进设计阶段。表2-1详细介绍了这四个阶段中各设计子项目及其相应完成的任务。2.1.2机械系统运动方案设计机械系统运动方案设计是机械产品设计的重要阶段,也是机械设计工作的基础。机械系统运动方案设计的好坏,对机械能否完成预期的工作任务、工作质量的优劣以及产品在市场上的竞争力,都起着决定性的作用。机械系统运动方案设计是一项极具创造性的工作,要求设计者善于运用已有知识和实践经验,认真总结过去的有关工作,广泛收集国内外的有关信息,充分发挥创造性思维和想象力,灵活运用各种设计方法和技巧,设计出新颖、独特、高效的机械系统运动方案。下一页返回2.1概述机械系统运动方案设计包括执行系统方案设计、传动系统方案设计、原动机的选择、机构传动示意图的拟定、综合评价等步骤,最后画出机构运动简图。图2-1表示机械运动方案的设计流程图。上一页返回2.2机械的功能原理与运动规律的设计2.2.1功能原理设计任何机械产品的设计都是为了实现某种预期的功能要求,包括工艺要求和使用要求。所谓功能原理设计,就是根据机械预期实现的功能,考虑选择何种工作原理来实现这一功能要求。实现同一功能要求,可选用不同的工作原理;选择的工作原理不同,需要的工艺动作必然不同。功能原理设计的任务,就是根据机械预期实现的功能要求,充分发挥自己的想象力和创造性思维,构思出所有可能的功能原理,并加以认真的分析比较,从中选择出能很好地满足功能要求且工艺动作简单的工作原理。下一页返回2.2机械的功能原理与运动规律的设计2.2.2运动规律设计实现同一工作原理,可以采用不同的运动规律。所谓运动规律设计,就是根据工作原理所提出的工艺要求,构思出能实现该工艺要求的各种运动规律,从中选出最为简单适用的运动规律作为机械的运动方案。这一方案的优劣,将直接关系到机械的设计质量。实现一个复杂的工艺过程,往往需要多种动作,而任何复杂的动作总是由一些最基本的运动合成的。因此运动规律设计通常是对工艺方法和工艺动作进行分析,把其分解成若干个基本动作,工艺动作分解的方法不同,所形成的运动方案也不相同。上一页下一页返回2.2机械的功能原理与运动规律的设计例如,采用范成法加工齿轮,工艺动作采用不同的分解方法,从而形成不同机械的工作原理。图2-2是插齿机的工作原理,齿条(齿轮)插刀与轮坯之间的运动有:齿条(齿轮)插刀和轮坯之间的范成运动;齿条(齿轮)插刀沿轮坯轴线的切削运动;齿轮插刀向着轮坯方向的进给运动和让刀运动。插齿机由于切削运动是不连续的,所以其生产率受到影响。图2-3是滚齿机的工作原理,其工艺动作可分解为滚刀和轮坯的连续转动和滚刀沿轮坯方向的移动。由于滚刀连续转动时,相当于一根无限长的齿条连续向前移动,其切削运动和范成运动合为一体,因而生产效率大大提高。上一页下一页返回2.2机械的功能原理与运动规律的设计再如,要求设计一台加工内孔的机床,所依据的是刀具与工件间相对运动的原理。根据这一工作原理,加工内孔的工艺动作可以有几种不同的分解方法:一种方法是让工件作连续等速转动,刀具作纵向等速移动和径向进给运动。工艺动作的这种分解方法,就得到如图2-4(a)所示的加工内孔的车床方案。第二种分解方法是让工件固定不动,使刀具既绕被加工孔的中心线转动,又作纵向进给运动和径向调整运动。这种分解方法就形成了如图2-4(b)所示的镗内孔的镗床方案。第三种分解方法是让工件固定不动,而采用不同尺寸的专用刀具———钻头和铰刀等,使刀具作等速转动并作纵向进给运动。这种分解方法就形成了如图2-4(c)所示的加工内孔的钻床方案。第四种方法是让工件和刀具均不转动,而只让刀具作直线运动。这种分解方法就形成了如图2-4(d)所示的拉床方案。上一页返回2.3执行系统的型式设计当根据工艺动作分解,确定了执行机构运动规律后,就要根据各基本动作或功能的要求,选择合适的机构型式来实现这些动作或运动规律。这一工作称为执行机构(系统)的型式设计,又称为机构的型综合。执行机构型式设计的优劣,将直接影响到机械的工作质量、使用效果和结构的繁简程度,它是机械系统方案设计中举足轻重的一环,也是一项极具创造性的工作。选择执行机构的类型,首先应该满足执行构件运动形式的要求,另外还应保证机械的结构简单、紧凑,便于制造与安装;具有足够的强度和工作寿命,工作安全可靠;各执行机构的动作与运动便于协调等。为了选择合理的机构类型,设计者必须具有一定的生产实践经验,并熟悉各种不同类型的常用机构的运动特性,在满足设计要求前提下,优先在基本机构中进行类比选择。当基本机构不能满足运动或动力要求时,才考虑对基本机构进行组合、变异以形成新的机构,或创造新机构。下一页返回2.3执行系统的型式设计为了便于进行机构选型,表2-2列出了常用机构的运动及动力特性。本书第4章给出了实现常见运动功能的机构选例。在进行机构选型时应注意以下原则:1.尽量简化和缩短运动链,使结构简单,空间布局紧凑实现同样的运动要求,尽可能采用构件数和运动副数目少的机构。这是因为运动链的加长势必加大累计误差,降低传动的精度、可靠性及机械系统的刚度。另外,构件的增加,显然会增加成本,运动副的增加会带来更多的摩擦损耗。正因为如此,在进行机构型式设计时,有时宁可采用具有较小设计误差但结构简单的近似机构,而不采用理论上没有误差但结构复杂的机构。图2-5是两种直线轨迹机构,图2-5(a)机构要求BF=FD=DE=BE,AF=AE,AC=CB。上一页下一页返回2.3执行系统的型式设计当原动件1绕C转动时,D点沿垂直于AC的直线qq精确运动;图2-5(b)机构要求AC=1.81AB,BD=1.64AB,当原动件1绕A转动时,D点描绘的轨迹中有一部分近似是直线qq,直线qq垂直于AC。经过实践检验,在一般的制造精度下,采用图2-5(a)机构的实际传动误差为图2-5(b)机构的2~3倍。因此图2-5(b)机构在实践中应用较广。2.选择合适的运动副运动副在机械传递运动和动力的过程中起着重要的作用,它直接影响到机械的结构形式、传动效率、寿命和灵敏度。采用高副的优点是比较容易实现复杂的运动规律和运动轨迹。一般来说可以减少构件数和运动副,缩短运动链。缺点是高副元素形状复杂,制造困难。另外,高副为点接触,易磨损。在有些情况下,虽然采用高副机构缩短了运动链,但有可能增大机构尺寸,增加机械重量。上一页下一页返回2.3执行系统的型式设计3.考虑动力源的形式选择不同的动力源,将设计出不同的执行机构,因此选择动力源一方面要考虑简化机构、满足工作要求,另一方面要考虑现场工作条件。气动和液压传动机构能直接提供直线往复移动和摆动,并且速度可以调节,还可以减振。和电动机相比,省去了转换运动机构及减速机构。因此,在有气、液压时常采用气动和液压传动机构。电动机输出连续转动,与执行机构连接简单,效率高,也有很多方便之处。4.具有良好的动力特性尽量采用压力角较小和增力系数比较大的机构,这样可以减少主动件上的力矩或力,提高效率,减小机构尺寸;执行构件的速度、加速度变化应符合要求,若用凸轮机构,应尽量避免刚性冲击;对于机械中高速运转的机构,如果作往复运动或平面复杂运动的构件惯性质量较大,或转动构件上有较大的偏心质量,则应考虑进行平衡设计,以减少机械运转中的动载荷。上一页下一页返回2.3执行系统的型式设计5.考虑安全因素在执行机构的型式设计中,必须考虑安全问题,防止发生机械损坏,甚至人身事故。例如:带传动靠摩擦传动,过载打滑,能起到安全保护作用;蜗轮蜗杆机构具有反向自锁功能,用于起重机械中,以防止重物因重力反向滑下。以上介绍了执行机构型式设计应遵循的基本原则。在对某一具体执行系统进行机构型式设计时,应综合考虑、统筹兼顾,根据设计对象的具体情况,抓住主要矛盾,有所侧重。上一页返回2.4执行系统的协调设计2.4.1执行系统协调设计的要求1.各执行机构在时间上的协调配合机械的工艺过程必然要求各执行机构的动作要有先后顺序,时间上协调配合。例如:牛头刨床要求工件到位后,刨刀直线移动进行切削,然后刨刀返回,同时工件进给,工件进给到位后,进行下一次切削。如果这两个动作时间上没有配合好,会影响加工质量,甚至损坏刀具。2.各执行机构在空间上的协调配合有些机械除了要求各执行机构在时间上协调配合外,还要求空间上协调一致,以保证在运动过程中,各执行构件之间、执行构件与环境之间不会发生干涉。图2-6所示的是包装机的折边机构,如果左、右折边机构同时到达M点,构件就会相碰,导致损坏。如果左折边完成后,再开始右折边,则会延长工作循环时间,降低工作效率,因此需要在时间、空间上同时考虑。下一页返回2.4执行系统的协调设计3.各执行机构在速度上的协调配合有些机械的执行机构在速度上要满足一定的关系,才能实现工作要求。在插齿机的设计中,插齿刀的转速和毛坯的转速一定要满足齿数关系,才能完成插齿功能。4.多个执行机构完成一个执行动作时,它们之间的运动协调配合图2-7所示为一纸板冲孔机构。完成冲孔工艺动作需要由两个执行机构组合来实现:一个是曲柄摇杆中摇杆的上下摆动,带动冲头滑块上下摆动;另一个是电磁铁动作,四杆滑块机构带动滑块冲头在动导路(摆杆)上移动。只有当冲头移至冲针上方,同时冲头向下摆动时,才能打击冲针,完成冲孔任务。显然,这两个执行机构的运动必须精确地协调配合,否则就会产生空冲现象。上一页下一页返回2.4执行系统的协调设计2.4.2机械运动循环图的类型根据生产工艺的不同,机械的运动分为两大类:一类机械的运动无固定的循环周期,具有很大的随机性,例如起重机械、建筑机械等;另一类机械的运动呈周期性变化,经过一定时间间隔后,执行构件的位移、速度、加速度等运动参数就会重复一次,例如机床、包装机械等。对于有固定循环的机械,为保证机械工作时各执行机构之间动作的协调配合关系,可编制机械运动循环图。由于机械在主轴或分配轴转动一周或若干周内完成一个工作循环,故运动循环图常以主轴或分配轴的转角为坐标来编制。通常选取机械中某一主要的执行构件作为参考件,取其有代表性的特征位置作为起始位置,在主轴或分配轴转过一个周期时,表示出其他执行构件相对于该主要执行构件运动的先后次序和配合关系。机械运动循环图通常有以下三种表示形式。上一页下一页返回2.4执行系统的协调设计1.直线式运动循环图直线式运动循环图,是将机械在一个运动循环中各执行构件各行程区段的起止时间和先后顺序按比例地绘制在直线坐标轴上。图2-8所示为一牛头刨床的直线式运动循环图,它以牛头刨床的主体机构———摆动导杆机构中的曲柄为定标件,以曲柄转角为横坐标(也可用时间),描绘了刨刀和工作台各执行区段的运动起止时间。该牛头刨床是曲柄每转一周为一个运动循环。从运动循环图上可以看出,工作台的进给行程是在牛头刨床的空回程中完成的,刨刀的运动有急回特性。直线式运动循环图绘制方法简单,能清楚地表示出一个运动循环内各执行构件运动的相互顺序和时间关系,但直观性较差,不能显示各执行构件的运动规律。上一页下一页返回2.4执行系统的协调设计2.圆周式运动循环图圆周式运动循环图是以极坐标原点O为圆心作若干个同心圆环,每个圆环代表一个执行构件,由各相应圆环分别引径向直线表示各执行构件的不同运动状态的起始和终止位置。图2-9为牛头刨床的圆周式运动循环图。圆周式运动循环图能直观地看出各执行机构主动件在主轴或分配轴上所处的相位,便于各机构的设计、安装和调试。当执行机构数目较多时,由于同心圆太多,不能一目了然,也无法显示各执行构件的运动规律。3.直角坐标式运动循环图直角坐标式运动循环图是以横坐标表示主轴或分配轴(定标件)的转角,以纵坐标表示各执行构件的角位移或线位移。图2-10为牛头刨床的直角坐标式运动循环图。上一页下一页返回2.4执行系统的协调设计2.4.3机械运动循环图的设计步骤1.确定机械的运动循环周期机械运动循环周期是指机械完成一个完整工艺过程所需时间,通常用T来表示。对于具有固定运动循环周期的机械,一般是用分配轴或主轴将各执行机构的原动件连接起来,采用集中控制。因此,机械的运动循环与各执行机构的运动循环是一致的。执行机构的运动循环时间T可根据机械的设计要求计算出来。2.确定各执行构件在一个运动循环中的组成区段及其所需要的时间根据机械的工艺过程,确定各执行构件在一个运动循环中的组成区段。执行机构的运动循环至少包括一个工作行程阶段和一个空回程阶段,有的执行构件还有停歇阶段。确定各执行机构各区段的运动时间或相应的分配轴转角。上一页下一页返回2.4执行系统的协调设计3.进行各执行构件动作间的协调设计根据机械生产过程对工艺动作先后顺序和配合关系的要求,协调各执行构件各行程段的配合关系。此时,不仅要考虑动作的先后顺序,还应考虑各执行机构在时间上和空间上的协调性,即不仅要保证各执行机构在时间上按一定的顺序协调配合,而且要保证在运动过程中不会产生空间位置上的相互干涉。图2-11干粉压片机机构运动简图。4.初步绘制机械运动循环图根据执行系统协调设计的结果,绘出机械运动循环图。需要说明的是初步设计的执行机构,由于整体布局和结构等方面的原因,在以后的设计中会作修改,因此需要根据最后设计的执行机构的尺寸,对机械运动循环图进行修改。上一页下一页返回2.4执行系统的协调设计下面以干粉压片机为例,说明机械运动循环图的设计过程。图2-11所示为干粉压片机机构运动简图,它是由上冲头(六杆机构8-9-10-11-12-13)、下冲头(双凸轮机构5-6-7-8)、料筛传送机构(凸轮连杆机构1-2-3-4-8)所组成。料筛由传送机构送至上、下冲头之间,通过上、下冲头加压把粉料压成片状。根据生产工艺路线方案,粉料压片机必须实现以下5个动作,如图2-12所示。①移动料筛4,将粉料送至模具8的型腔上方准备装料,并将上一循环中成型的药片推出;②振动料斗,将料筛入型腔;③下冲头7下移,下移一定的距离,以防止上冲头下压时,将粉料扑出;④上冲头向下压,下冲头向上顶,将粉料加压并保压一段时间,使药片成型;上一页下一页返回2.4执行系统的协调设计⑤上冲头快速退回至起始位置,下冲头上升,将成品推出型腔,完成一个动作循环。由图2-11所示机器的运动简图可知,上述工艺动作由4个执行机构来完成。凸轮连杆机构Ⅰ完成工艺动作①、②,凸轮机构Ⅱ完成动作③,平面多杆机构Ⅲ和凸轮机构Ⅳ协调配合完成动作④、⑤。整个机构可由一个电动机带动,所以构件1、5、6、13可装在同一个分配轴上或用机构系统连接起来。首先根据已知干粉压片机的生产率为25片/min,计算机械运动循环周期T=2.4s。然后确定各执行构件的行程区段:上冲头有四个行程区段———下降、保压、上升、停歇;凸轮机构Ⅱ带动下冲头有四个行程区段———下沉、停歇、上升、停歇;凸轮机构Ⅳ带动下冲头有6个行程区段———上升、保压、上升、停歇、下降、停歇;料筛有行程四个区段———送料、振动、退回、停歇。最后协调各执行机构动作的配合关系,画出机械运动循环图。上一页下一页返回2.4执行系统的协调设计粉料压片机的机械运动循环图如图2-13所示,图中横坐标为主轴上的转角,纵坐标为各分系统从动件的位移。运动循环图上的位移线主要着眼于运动的起止位置,而不能准确地表示出运动规律,绘制循环图时应注意以下问题:①由于上冲头的运动轨迹和料筛运动轨迹是相交的,故在安排这两个执行构件的运动时,不仅要注意时间上的协调性,还要注意其空间位置上的协调性,以防止料筛尚未退回而上冲头就已落到底部,造成机件损坏。②由于上冲头和下冲头要对同一对象保压,故在安排这两个构件的运动时,应注意使其协调一致。③在确保各执行机构在空间上不发生干涉的前提下,尽可能使各执行机构的动作重合,以缩短机械运动循环周期,提高生产率。上一页下一页返回2.4执行系统的协调设计④由于可能存在制造、安装误差,为了确保各执行机构动作的先后顺序、工作的安全,在一个执行动作结束点到另一个执行动作开始点之间,应有适当的间隔。需要指出的是,虽然运动循环图的主要功用是表示机械中各执行构件间的相互配合关系,以保证各执行机构动作的相互协调,使机械顺利实现预期的工艺动作,但同时它也为进一步设计各执行机构的运动尺寸以及机械系统的安装和调试提供了重要依据。因此,它在机械系统运动方案设计中占有重要地位。上一页返回2.5原动机及其选择2.5.1原动机的类型现代机械中应用的原动机种类繁多,特性各异,简单描述如下:(1)动力电动机。动力电动机的类型很多,可满足不同的工作环境和不同的机械负载特性要求。其主要优点为:驱动效率高,具有良好的调速性能,可远距离控制启动、制动、反向调速,与传动系统或工作机械连接方便,作为一般传动,电动机的功率范围很广。主要缺点为必须有电源,不适合野外使用。(2)控制电动机(伺服电动机)。伺服电动机是指能精确控制系统位置和角度的电动机。它体积小,重量轻,具有宽广而平滑的调速范围和快速响应能力,但价格相对较高。(3)内燃机。内燃机是热机的一种,它将化学燃料所产生的热能转变为机械能。按燃料种类的不同可分为柴油机、汽油机和煤油机等,适合于工作环境无电源的场合。下一页返回2.5原动机及其选择(4)液压马达与液压缸。采用液压系统驱动,主要由动力元件(液压泵)、执行元件(液压缸或液压马达)、控制元件(各种阀)、辅助元件和工作介质等五部分组成。液压传动具有无级变速、大负载的特点。(5)气动马达与气缸。气压传动装置是将压缩空气的压力势能转换成机械能的驱动装置。气压传动与液压传动有不少类似之处,也要有气源设备、执行机构以及控制、辅助元件。2.5.2原动机的选择选择原动机时要考虑多方面因素,除要考虑工作环境对原动机的要求、整体布置的需要以及经济性等因素外,还要重点考虑执行构件的载荷特性、运动特性,以及原动机的机械特性、适应的工作环境、输出参数可控制性、能源供应情况等。上一页下一页返回2.5原动机及其选择1.原动机类型的选择电动机是最常用的一种原动机。电动机的类型有交流电动机、直流电动机、步进电动机和伺服电动机等。直流电动机和伺服电动机造价高,多用于一些有特殊需求的场合;步进电动机常用于数控设备中。由于交流异步电动机结构简单、成本低、工作稳定可靠、容易维护,且交流电源易于获得,因此成为机械设备最常用的原动机。一般没有特殊要求时均应选用交流电动机,其中以三相鼠笼式异步电动机用得最多。附录中所列Y系列电动机为我国推广采用的新型设计产品,适用于不易燃、不易爆、无腐蚀性气体的场合,以及要求具有较好启动性能的机械。在经常启动、制动和反转的场合(如起重机),要求电动机具有转动惯量小和过载能力大,则应选用起重及冶金用三相异步电动机YZ型(笼型)或YZR型(绕线型)。上一页下一页返回2.5原动机及其选择2.原动机转速及功率的选择原动机的额定转速一般是直接根据工作机械的要求而选择的。对于电动机来说,在额定功率相同的情况下,额定转速越高的电动机尺寸越小,重量和价格也低,即高速电动机反而经济;若原动机的转速选得过高,势必增加传动系统的传动比,从而导致传动系统的结构复杂。故应综合考虑以上两个因素,合理选择转速。对于常用的Y系列电动机,一般常选用同步转速为1000r/min和1500r/min的电动机。原动机的容量主要指功率。它是由负载所需的功率、转矩及工作制来决定的。负载的工作情况大致可分为连续恒负载;连续周期性变化负载;短时工作制负载和断续周期性工作制负载等。各种工作制负载情况下所需的原动机容量的计算方法,可查阅有关手册。上一页返回2.6机械传动系统的方案设计2.6.1传动系统的作用及其设计过程传动系统位于原动机和执行系统之间,其主要作用是将原动机的运动和动力传递给执行机构,使其完成特定的作业要求。在此过程中实现运动速度、运动方向或运动形式的改变,进行运动的合成和分解,实现分路传动和远距离传动,实现某些操纵控制功能以及吸振、减振等。传动系统方案设计是机械系统方案设计的重要组成部分。当完成了执行系统的方案设计和原动机的预选型后,即可根据执行机构所需要的运动和动力条件及原动机的类型和性能参数,进行传动系统的方案设计。一般设计内容与步骤如下:(1)确定传动系统的总传动比。(2)选择传动类型:即根据设计任务书中所规定的功能要求、执行系统对动力、传动比或速度变化的要求以及原动机的工作特性,选择合适的传动装置类型。下一页返回2.6机械传动系统的方案设计(3)拟定传动链的布置方案:即根据空间位置、运动和动力传递路线及所选传动装置的传动特点和适用条件,合理拟定传动路线,安排各传动机构的先后顺序,以完成从原动机到各执行机构之间的传动系统的总体布置方案。(4)分配传动比:即根据传动系统的组成方案,将总传动比合理分配至各级传动机构。(5)确定各级传动机构的基本参数和主要几何尺寸,计算传动系统的各项运动学和动力学参数,为各级传动机构的结构设计、强度计算和传动系统方案评价提供依据和指标。(6)绘制传动系统运动简图。上一页下一页返回2.6机械传动系统的方案设计2.6.2传动的类型及其选择传动的类型很多,按工作原理的不同,可分为机械传动、液压传动、气压传动、电气传动。利用机构所实现的传动称为机械传动。其优点是工作稳定、可靠,对环境的干扰不敏感。缺点是响应速度较慢、控制欠灵活。机械传动按传动原理又可分为啮合传动和摩擦传动两大类。常见的机械传动类型及特点如表2-3所示。利用液压泵、阀、执行器等液压元件实现的传动称为液压传动。液压传动时其扭矩、功率、速度可调,能进行换向和调速,且调速范围大、结构简单、寿命长,但其传动效率低,制造安装精度较高,对油液质量和密封性要求高。上一页下一页返回2.6机械传动系统的方案设计气压传动是利用压缩空气作为工作介质进行传动。气压传动的优点是调速方便快捷,元件结构简单,宜加工制造,响应速度快,经济适用,但其传动效率低,传动不平稳,噪声大。电气传动,是利用电动机和电气装置实现传动,电气传动效率高,易于实现自动控制。选择传动类型时要考虑以下几方面的因素:(1)符合执行系统的工况要求并与原动机的机械特性相匹配。(2)考虑工作要求传递的功率和运转速度。(3)选用效率高的传动类型。(4)考虑结构布局,尽量采用结构简单的传动装置。(5)考虑经济、安全性。上一页下一页返回2.6机械传动系统的方案设计2.6.3传动链布置方案的拟定根据动力、运动以及空间位置,合理拟定传动路线,合理安排各传动机构的先后顺序,可使整个传动系统获得较好的性能。1.传动路线的选择根据功率传递,传动系统中传动路线可分为以下几种。1)串联式传动传动路线如图2-14所示。当系统中只有一个执行机构和采用一个原动机时,采用这种传递路线较为适宜。可以是单级传动,也可以是多级传动。由于全部的能量流过每一个传动机构,所以所选择的传动机构必须具有较高的效率,以保证传动系统具有较高的总效率。上一页下一页返回2.6机械传动系统的方案设计2)并联式分路传动其传递路线如图2-15。当系统含有多个执行构件,而原动机只有一个,可采用这种传递路线,即全部能量分几路串联路线,分别传给几个执行机构。为了使传动具有较高的总效率,在传递功率最大的那条线路上,应注意选择效率较高的传动机构。3)并联式多路传动其传递路线如图2-16所示。当系统只有一个执行机构,但需要多个低速运动,且每个低速运动传递的功率都很大时,宜采用这种传递路线。4)混合式传动其传递路线如图2-17示。它是串联式和并联式几种传动路线的复合。上一页下一页返回2.6机械传动系统的方案设计2.传动链中机构的顺序在安排各机构在传动链中的顺序时,通常遵循下述原则。1)有利于提高传动系统的效率尤其是对于长期连续运转或传递较大功率的机械,提高传动系统的效率更为重要。例如,蜗杆蜗轮机构效率较低,若与齿轮机构同时被选用组成两级传动,且蜗轮材料为锡青铜时,应将蜗杆蜗轮机构安排在高速级,以使其齿面有较高的相对滑动速度,易于形成润滑油膜而提高传动效率。2)有利于减少功率损失功率分配应按“前大后小”的原则,即消耗功率较大的传动应安排在前,这样既可减少传递功率的损失,又可减小构件尺寸。例如,机床中一般带动主轴运动的传动链消耗功率较大,应安排在前;而带动进给运动的机构传递的功率较小,应安排在后。上一页下一页返回2.6机械传动系统的方案设计3)有利于机械运转平稳和减少振动及噪声一般将动载小、传动平稳的机构安排在高速级。例如,带传动能缓冲减振,且过载时易打滑,可防止后续传动机构中其他零件损坏,故一般将其布置在高速级;而链传动冲击振动较大,运转不均匀,一般宜安排在中、低速级。又如,同时采用直齿圆柱齿轮机构和平行轴斜齿圆柱齿轮机构两级传动时,因斜齿轮传动较平稳、动载荷较小,宜布置在高速级上。4)有利于传动系统结构紧凑、尺寸匀称通常,把用于变速的传动机构(如带轮机构、摩擦轮机构等)安排在靠近运动链的始端与原动机相连,这是因为此处转速较高、传递的扭矩较小,因此可减小传动装置的尺寸;而把转换运动形式的机构(如连杆机构、凸轮机构等)安排在运动链的末端,即靠近执行构件的地方,这样安排运动链简单、结构紧凑、尺寸匀称。上一页下一页返回2.6机械传动系统的方案设计5)有利于加工制造应将尺寸大而加工困难的机构安排在高速级。例如,圆锥齿轮尺寸大时加工困难,因此应尽量将其安排在高速轴,并限制其传动比,以减小其模数和直径,有利于加工制造。此外,还应考虑传动装置的润滑和寿命、装拆的难易、操作者的安全以及对产品的污染等因素。例如,开式齿轮机构润滑条件差、磨损严重、寿命短,应将其布置在低速级。将闭式齿轮机构布置在高速级,则可减小其外部尺寸。若机械生产的产品为不可污染的药品、食品等,则传动链的末端(即低速端)应布置闭式传动装置。若在传动链的末端直接安排有工人操作的工位时,也应布置闭式传动装置,以保证操作安全。上一页下一页返回2.6机械传动系统的方案设计2.6.4各级传动比的分配由原动机的输出转速n和执行机构的输入转速nw,可求出传动系统的总传动比,然后分配给各级传动,即:(1)每一级传动比应在各类传动机构的合理范围内选取。(2)当齿轮传动链的传动比比较大时,通常采用多级齿轮传动。当传动比大于8~10时,采用两级齿轮传动;当传动比大于30时,则采用两级以上的齿轮传动。例如某个减速器的传动比为8,若采用如图2-18(b)所示的两级齿轮减速器,则无论在外形或重量上都比图2-18(a)所示的单级齿轮减速器要小得多。但对于带传动,由于外廓尺寸较大,如无特殊需要,很少采用多级传动。上一页下一页返回2.6机械传动系统的方案设计(3)当各中间轴有较高转速和较小扭矩时,轴及轴上的零件可取较小的尺寸,从而使整个结构较为紧凑。因此,在分配各级传动比时,若传动链为升速传动,则应在开始几级就增速,增速比逐渐减小;若传动链为降速传动,则应按传动比逐级增大的原则分配为好,且相邻两级传动比之差值不要太大。(4)对于负载变化的齿轮传动装置,各级传动比应尽可能采用不可约的分数,以避免同时啮合。此外,相啮合两轮的齿数最好为质数。(5)对于传动比很大的传动链,应考虑将周转轮系与定轴轮系或其他类型的传动结合使用。(6)在考虑传动比分配时,还应注意使各传动件之间、传动件与机架之间不要干涉、碰撞。例如,带传动中若传动比选得过大,大带轮直径大于减速器中心轴高度时,则大带轮会与机座碰撞。上一页下一页返回2.6机械传动系统的方案设计(7)设计减速器时还应考虑到润滑问题。为使各级传动中的大齿轮都能浸入油池,且深度大致相同,各级大齿轮直径应接近,高速级传动比应大于低速级。由于考虑问题的出发点不同,会有不同的传动比分配方案。设计者应根据具体要求和条件,综合运用以上原则进行设计。上一页返回2.7机械运动方案评价2.7.1方案评价指标体系机械系统设计方案的优劣,通常应从技术、经济、安全可靠三方面予以评价。但是,由于在机械运动方案设计阶段还不可能具体地涉及机械的结构和强度设计等细节,因此评价指标应主要考虑技术方面的因素,即功能和工作性能方面的指标应占有较大的比例。机械系统传动方案综合评价的指标体系一般共分为五类:(1)机构的功能。包括机构的运动规律的特征、传动精度等;(2)机构的工作性能。包括机构的使用范围、适应性、运转速度、承载能力等;(3)机构的动力性能。包括机构运行时的最大加速度、噪声、耐磨性和可靠性等;(4)经济性。包括制造的难易、运动对制造误差的敏感性、装配维修的方便性和运行时能量消耗的大小等;下一页返回2.7机械运动方案评价(5)机构紧凑。机构所占空间的几何尺寸、重量和结构的复杂性等。2.7.2评价方法评价方法分为三类:(1)经验评价法。根据评价者的经验,对方案作粗略的定性评价。当方案不多、问题不太复杂时,可采用经验评价法。排除法(淘汰法)是一种较简单的评价方法。根据设计要求请专家逐个方案、逐项进行评价,有一项不满足要求就予以排除。未淘汰的待选方案即可进入下一轮设计。排队法是将方案两两对比,优者给1分,劣者给0分,求总分后以高者为佳。该方法一般适用于对创新方案进行初步评价。上一页下一页返回2.7机械运动方案评价(2)数学分析法。运用数学工具进行分析、推导和计算,得到定量的评价参数供决策者参考。这种方法在评价过程中应用最广泛,有评分法、技术经济评价法和模糊评价法等。其中,模糊评价法用于在方案评价过程中有一部分评价目标(如美观、安全性、舒适性、便于加工等)只能用好、差、受欢迎等“模糊概念”来评价的场合。(3)试验评价法。对于一些比较重要的方案环节,采用分析计算仍没有把握时,应通过模拟试验或样机试验,对方案进行试验评价。这种方法得到的评价参数准确,但代价较高。上一页返回2.8机械系统运动方案设计实例2.8.1圆盘印刷机的功能和设计要求1.工作原理及工艺动作过程简易圆盘印刷机是一种简易印刷机,适合于各种八开以下的印刷品。它的工作原理是:将油墨刷在固定的印刷板上,然后将装夹了白纸的平板印头紧密接触而完成一次印刷。简易圆盘印刷机需要实现三个动作,如图2-19所示:印头往复摆动、油辊在固定铅字板上上下滚动、油盘的转动(以使油辊上油墨均匀)。2.原始数据及设计要求(1)实现印头、油辊、油盘运动的机构由一个电动机带动,通过传动系统使其具有30次/min的印刷能力;(2)印头摆角ψ为60°,印头返回行程和工作行程的平均速度之比K=1.1左右;(3)油辊摆杆自垂直位置运动至固定铅字板下端的摆角为β=120°;下一页返回2.8机械系统运动方案设计实例(4)油盘直径为400mm,油辊的起始位置就在油盘边缘,要求油辊自上向下运动前,油盘作一次间歇转动,转角大于或等于45°;(5)要求机构的传动性能良好,结构紧凑,易于制造。3.设计任务(1)根据工艺动作要求拟定运动循环图;(2)进行印头、油辊、油盘机构及其相互连接传动机构的选型;(3)机械运动方案的评定和选择;(4)按选定的电动机及执行机构运动参数拟定机械传动方案;(5)画出机械运动方案简图;(6)对传动机构及执行机构进行运动尺寸计算。上一页下一页返回2.8机械系统运动方案设计实例2.8.2圆盘印刷机的运动方案设计1.运动规律设计———工艺动作分解该印刷机的总功能可以分解成图2-20所示的框图。2.执行机构的选型与评价1)印头往复摆动的实现机构选择电动机为动力源,则此机构是具有将连续的回转运动变换为往复摆动的功能。实现该功能的机构比较如下:(1)各种摆动从动件的凸轮机构。这种机构可以选择从动件的运动规律,以满足急回特性的要求,但当从动件摆角(印头摆角60°)较大时,为了使机构压力角不超过许用压力角,凸轮的基圆半径较大,导致整个凸轮机构的尺寸较大,同时高副机构易磨损,凸轮加工较困难。上一页下一页返回2.8机械系统运动方案设计实例(2)齿轮齿条机构。需要先将连续的回转运动变换为齿条的往复直线运动,然后再将齿条的往复直线运动变换为齿轮的往复摆动,要实现急回运动,则在结构上较复杂。(3)曲柄摇块机构和摆动导杆机构。摆动导杆机构是由曲柄摇块机构中通过摇块与导杆互换而得,其运动性质没有改变,实质上是一个机构。这种低副机构具有受力好、运动副几何封闭、制造简单等优点,而且能满足急回特性的要求。由于摆动导杆机构中导杆的摆角与极位夹角总是相等的,因此在圆盘印刷机中印头摆角为60°,其极位夹角也应为60°。又因为行程速比系数为2,大大超过设计要求,使得回程速度太大,会引起冲击、振动。(4)曲柄摇杆机构。具有低副机构的优点,且结构简单,易于制造,能实现急回运动。上一页下一页返回2.8机械系统运动方案设计实例2)油辊往复摆动的实现机构由于油辊的往复摆动与印头的往复摆动之间要求有一定的位置协调关系,所以可知此机构应将摆动的印头作为原动件,具有将印头的往复摆动变换为油辊的往复摆动的功能。可采用的机构比较如下:(1)齿轮机构。用三个外啮合齿轮,主动轮与印头固连,从动轮与油辊固连,中间是惰轮,这样可以保证印头的摆动与油辊的摆动同步,根据齿轮的齿数比来满足摆角的大小。但当印头摆杆与油辊摆杆的轴线距离较大时,齿轮中心距较大,机构尺寸较大。(2)双摇杆机构。可以实现印头与油辊的同步摆动,且低副机构的结构简单、制造方便。又因为油辊摆动只是给固定铅字板上油墨,摆角不要求十分精确,故选用双摇杆机构。上一页下一页返回2.8机械系统运动方案设计实例3)实现油盘间歇转动的机构棘轮机构、槽轮机构、凸轮式间歇机构以及不完全齿轮机构均可实现间歇运动。由于油盘间歇转动30次/min,属于低速机构,故不需要凸轮式间歇机构。又因油盘间歇转动只是为了达到油墨在油辊上均匀涂敷的目的,不需要精确的转位,所以也无需用槽轮机构和不完全齿轮机构,故选用较简单的棘轮机构即可。3.根据工艺动作顺序和协调性要求拟定运动循环图用运动循环图表示各机构动作的配合协调,如表2-4所示。以曲柄转角360°为一个循环周期,以印头打开最大位置为起始位置。在原动曲柄轴转一周的一个循环中,印头合上的速度比打开的速度慢,所以α1>α2;油盘的间歇转动可取在油辊即将摆到O1E1的位置和油辊自O1E1位置往下摆的时刻,这样油盘的转动不会与油辊的摆动相撞,根据具体情况取α1=195°和α2=165°。上一页下一页返回2.8机械系统运动方案设计实例4.传动系统方案设计1)初选原动机根据圆盘印刷机的工作情况和原动机的选择原则,初选三相异步电动机为原动机,额定转速为nH=960r/min。因额定功率需在力分析后确定,故电动机的具体型号待定。2)计算总传动比题目要求圆盘印刷机的生产率为30次/min,以曲柄每转一周圆盘印刷机印刷一张纸为一个周期,可知从电动机到曲柄的总传动比i为:上一页下一页返回2.8机械系统运动方案设计实例3)拟定传动系统方案根据执行系统的工况和初选原动机的工况及要实现的总传动比,拟选用带传动机构和两级齿轮减速传动组成圆盘印刷机的传动系统,并将带传动机构置于系统的高速级,如图2-21所示。4)分配各级传动的传动比5.印头摆动机构———曲柄摇杆机构的设计由于机构的设计要求中,只知道印头的摆角和行程速比系数,设计中需要的其他已知参数如印头的摆杆长度等还不知道,所以应通过其他途径初步选定这些参数后再进行机构的完整设计。上一页下一页返回2.8机械系统运动方案设计实例1)印头的摆杆长度及摆动中心O2

位置的确定此圆盘印刷机的纸幅为八开以下,八开纸幅尺寸为420mm×297mm,考虑印刷机边框需要留有一定尺寸,大约为30mm,所以取印刷板尺寸为480mm×360mm,选定固定印刷板横幅放置,则固定印刷板高度即为360mm。取印头的高度中点为铰链点B,则铰链B到印头底部距离为180mm,考虑结构因素,初步确定印头摆杆摆动中心O2

到印头底部距离为140mm,则印头摆杆长度为320mm,初定铰链位置B1到固定印刷板端面距离为100mm,则印头摆杆摆动中心O2

即确定,如图2-22所示。上一页下一页返回2.8机械系统运动方案设计实例2)机构的设计已知数据:印头摆杆的两极限位置O2B1和O2B2;摆杆摆角ψ=60°;行程速比系数k=1.1;同时考虑传动角要求,选定最小传动角γmin≥45°。可根据按给定的行程速比系数设计四杆机构的类型,进行此曲柄摇杆机构的设计。极位夹角为:图解法设计过程从略,设计结果如图2-23所示。曲柄转动中心O1