機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 第4版 課件 第12章 機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

第12章

機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)12.1機(jī)械總體方案設(shè)計(jì)12.2機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)12.3機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和原動(dòng)機(jī)選擇12.4機(jī)械系統(tǒng)方案評(píng)價(jià)與決策12.1機(jī)械總體方案設(shè)計(jì)12.1.1機(jī)械總體方案設(shè)計(jì)的目的機(jī)械總體方案設(shè)計(jì)的目的，就是通過調(diào)查研究進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品規(guī)劃、確定設(shè)計(jì)任務(wù)、明確設(shè)計(jì)要求和條件，在此基礎(chǔ)上尋求問題的解法及原理方案構(gòu)思，進(jìn)行功能原理設(shè)計(jì)，擬定機(jī)械功能原理方案，選擇機(jī)構(gòu)類型，得出一組可行的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案，為下一步進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作好原理方案方面的準(zhǔn)備，也為最終進(jìn)行評(píng)價(jià)、選優(yōu)、決策提供可行性、先行性等相關(guān)技術(shù)原理方面詳盡的科學(xué)依據(jù)。12.1.2機(jī)械總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容機(jī)械系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成。因此，總體方案設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容就是圍繞這幾部分的方案設(shè)計(jì)。1）執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)2）原動(dòng)機(jī)類型的選擇和傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)3）控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)4）其他輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

12.2機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)是機(jī)械總體方案設(shè)計(jì)的核心，也是整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。執(zhí)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的好壞，對(duì)機(jī)械能否完成預(yù)期的功能目標(biāo)，起著決定性的作用。機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下基本要求：1）保證設(shè)計(jì)時(shí)提出的功能目標(biāo)2）足夠的使用壽命和強(qiáng)度、剛度要求3）各執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)結(jié)構(gòu)合理、配合協(xié)調(diào)本節(jié)主要討論執(zhí)行結(jié)構(gòu)的型式設(shè)計(jì)與執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)。12.2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式設(shè)計(jì)和基本要求所謂機(jī)構(gòu)的選型，就是將前人創(chuàng)造發(fā)明的數(shù)以千計(jì)的各種機(jī)構(gòu)，按照運(yùn)動(dòng)特性或動(dòng)作功能進(jìn)行分類，然后根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象中執(zhí)行構(gòu)件所需要的運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)作功能進(jìn)行搜索、選擇、比較和評(píng)價(jià)，選出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的合適形式。按照?qǐng)?zhí)行構(gòu)件所需的運(yùn)動(dòng)形式和運(yùn)動(dòng)變換功能的要求，從各種常用機(jī)構(gòu)中進(jìn)行選擇、分析和比較，滿足運(yùn)動(dòng)形式的變換和功能的實(shí)現(xiàn)，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型時(shí)首先要考慮的因素。滿足相同功能的機(jī)構(gòu)有多種，而不同的機(jī)構(gòu)又具有不同的運(yùn)動(dòng)特征。將現(xiàn)代機(jī)器、設(shè)備（裝置）和儀表中應(yīng)用的總計(jì)4816個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)例，按照功能用途和運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了分類編排；表12-1列出了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)變換功能的常見機(jī)構(gòu)，可供選型時(shí)參考。12.2.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型表12-1常見機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變換功能12.3機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和原動(dòng)機(jī)選擇

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)是機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的好壞，在很大程度上決定了所設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品是否先進(jìn)合理、質(zhì)高價(jià)廉及具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在完成了執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和原動(dòng)機(jī)的預(yù)選型后，即可根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力條件及原動(dòng)機(jī)的類型和性能參數(shù)，進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。12.3.1傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)過程1）確定傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比。2）選擇傳動(dòng)類型。3）擬定傳動(dòng)鏈的布置方案。4）分配傳動(dòng)比。5）確定各級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)和主要幾何尺寸，計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，為各級(jí)傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算和傳動(dòng)系統(tǒng)方案評(píng)價(jià)提供依據(jù)和指標(biāo)。6）繪制傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。12.3.2傳動(dòng)類型的選擇1、傳動(dòng)的類型和特點(diǎn)（1）機(jī)械傳動(dòng)（2）液壓、液力傳動(dòng)（3）氣壓傳動(dòng)（4）電氣傳動(dòng)2、傳動(dòng)類型的選擇機(jī)械傳動(dòng)類型的選擇關(guān)系到傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和工作性能參數(shù)。技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是確定傳動(dòng)方案的主要因素，只有通過對(duì)多種傳動(dòng)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作細(xì)致的綜合分析和對(duì)比，才能比較合理地選用機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的類型。（1）機(jī)械傳動(dòng)類型選擇的依據(jù)1）執(zhí)行系統(tǒng)的性能參數(shù)和工況要求。2）原動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)速性能。3）對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的性能、尺寸、重量和安裝布置的要求。4）工作環(huán)境（例如高溫、低溫、潮濕、粉塵、腐蝕、易燃、防爆等）的要求。5）制造工藝性和經(jīng)濟(jì)性（如制造和維修費(fèi)用、使用壽命、傳動(dòng)效率等）的要求。（2）機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)選擇的原則1）當(dāng)原動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速或運(yùn)動(dòng)方式完全符合執(zhí)行系統(tǒng)的工況和工作要求時(shí)，可將原動(dòng)機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入軸用聯(lián)軸器直接聯(lián)接輸出軸與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入軸用聯(lián)軸器直接聯(lián)接。2）在固定傳動(dòng)比的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，若原動(dòng)機(jī)可調(diào)速而執(zhí)行系統(tǒng)的工作載荷又變化不大，或執(zhí)行系統(tǒng)有調(diào)速要求并與原動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍相適應(yīng)，則可采用固定傳動(dòng)比的機(jī)械傳動(dòng)裝置。3）當(dāng)執(zhí)行系統(tǒng)要求的調(diào)速范圍較大，或用原動(dòng)機(jī)調(diào)速的機(jī)械特性不能滿足要求時(shí)，可采用可調(diào)傳動(dòng)比的機(jī)械傳動(dòng)裝置。4）對(duì)高速、大功率、長(zhǎng)期工作的工況，應(yīng)選用承載能力高、傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)效率高的傳動(dòng)類型。5）對(duì)速度較低、中小功率、要求傳動(dòng)比較大的工況，可采用單級(jí)蝸桿傳動(dòng)、多級(jí)齒輪傳動(dòng)、帶-齒輪傳動(dòng)、帶-齒輪-鏈傳動(dòng)等多種方案，并進(jìn)行分析比較，從中選擇綜合性能較好的方案。6）傳動(dòng)比較大時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)緊湊的蝸桿傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)，原動(dòng)機(jī)輸出軸和執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入軸平行時(shí)，可采用圓柱齒輪傳動(dòng)；中心距較大時(shí)，可采用帶傳動(dòng)或鏈傳動(dòng)。7）載荷經(jīng)常變化、頻繁換向的傳動(dòng)，宜在傳動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)置一級(jí)具有緩沖、吸振功能的傳動(dòng)如帶傳動(dòng)。8）要求嚴(yán)格控制傳動(dòng)的噪聲時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用帶傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、摩擦傳動(dòng)或螺旋傳動(dòng)，如需要采用其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，應(yīng)從制造和裝配精度、結(jié)構(gòu)等方面采取措施，力求降低噪聲。12.3.3傳動(dòng)鏈的方案設(shè)計(jì)1、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)順序的合理安排1）帶傳動(dòng)為摩擦傳動(dòng)，承載能力較小，傳遞相同轉(zhuǎn)矩時(shí)，結(jié)構(gòu)尺寸較其他傳動(dòng)形式大。2）鏈傳動(dòng)由于瞬時(shí)傳動(dòng)比不斷變化，致使運(yùn)動(dòng)不均勻，有沖擊，故不宜用于高速級(jí)，應(yīng)布置在低速級(jí)。

3）蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)比大，傳動(dòng)平穩(wěn)，效率較低，適用于中、小功率和間歇運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合。4）錐齒輪的加工困難，特別是大模數(shù)錐齒輪，因此只在需要改變軸的方向時(shí)才采用，且應(yīng)盡量布置在高速級(jí)，并限制其傳動(dòng)比，以減小其直徑和模數(shù)。5）斜齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性較直齒輪傳動(dòng)好，常用在高速級(jí)或要求傳動(dòng)平穩(wěn)的場(chǎng)合。6）開式齒輪傳動(dòng)的工作環(huán)境較差，潤(rùn)滑條件不好，磨損較嚴(yán)重，壽命短，應(yīng)布置在低速級(jí)。2、各級(jí)傳動(dòng)比的分配1）各級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比都應(yīng)在各自允許的合理范圍內(nèi)，以保證符合各種傳動(dòng)形式的工作特點(diǎn)并使其結(jié)構(gòu)緊湊。2）分配各種形式的傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)注意使各傳動(dòng)零件尺寸協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)勻稱合理，不會(huì)造成互相干涉碰撞。3）當(dāng)傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)、傳動(dòng)功率較大時(shí)，應(yīng)使大多數(shù)傳動(dòng)在較高速度下工作，然后在進(jìn)行較大的減速，使較少數(shù)量的傳動(dòng)在低速下工作。4）對(duì)于兩級(jí)或多級(jí)齒輪減速器，傳動(dòng)比的合理分配直接影響減速器外廓尺寸的大小、承載能力能否充分發(fā)揮，以及各級(jí)傳動(dòng)零件潤(rùn)滑是否方便等。常用機(jī)械傳動(dòng)類型及特征見表12-2。12.3.4原動(dòng)機(jī)的選擇原動(dòng)機(jī)的選擇，主要根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的工作環(huán)境（溫度、濕度、粉塵、酸堿等）、工作特點(diǎn)（起動(dòng)頻繁程度、起動(dòng)載荷大小等），并考慮各種電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及供應(yīng)情況等來確定。機(jī)械系統(tǒng)中比較常見的幾種原動(dòng)機(jī)及其特性見表12-4，供選用時(shí)參考。表12-4常原動(dòng)機(jī)類型及主要特點(diǎn)

12.3.5機(jī)械控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介機(jī)械系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)是指采用電氣、電子、液壓、氣動(dòng)等技術(shù)，以傳感器件和檢測(cè)診斷手段對(duì)機(jī)械的傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制的信息處理系統(tǒng)，它由控制裝置和被控對(duì)象兩部分組成?？刂茖?duì)象通常分為兩類。第一類是以位移、速度、加速度、溫度、壓力等參數(shù)的數(shù)值大小為控制對(duì)象，并根據(jù)表示數(shù)量信號(hào)的種類分為模擬控制與數(shù)字控制。第二類是以物體的有、無、動(dòng)、停等邏輯狀態(tài)為控制對(duì)象，成為邏輯控制。邏輯控制可用“0”、“1”兩個(gè)邏輯控制信號(hào)來表示。12.4機(jī)械系統(tǒng)方案評(píng)價(jià)與決策12.4.1方案評(píng)價(jià)與決策的意義機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)，是尋求一種既能實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能要求，又性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的設(shè)計(jì)方案。由于功能原理、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、形式設(shè)計(jì)、傳動(dòng)類型的多方案性，機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的過程，就是一個(gè)先通過分析、綜合，使待選方案數(shù)目由少變多，在通過評(píng)價(jià)、決策，使待選方案數(shù)目由多變少，最后獲得滿意方案的過程。12.4.2評(píng)價(jià)指標(biāo)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，通常應(yīng)從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全可靠三方面予以評(píng)價(jià)。但是由于在方案設(shè)計(jì)階段還不可能具體涉及到機(jī)械的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)等細(xì)節(jié)，因此評(píng)價(jià)應(yīng)主要考慮技術(shù)方面的因素，即功能和工作性能方面的指標(biāo)應(yīng)占有較大的比例。表12-5列出了機(jī)械系統(tǒng)功能和性能的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系極其具體內(nèi)容。12.4.3評(píng)價(jià)方法

常用的評(píng)價(jià)方法有經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)法、數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法和試驗(yàn)評(píng)價(jià)法三大類。當(dāng)方案不多、問題不太復(fù)雜時(shí)，可采用經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)法，即根據(jù)評(píng)價(jià)者的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)方案做粗略的定性評(píng)價(jià)。數(shù)學(xué)分析法是使用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行分析、推導(dǎo)和計(jì)算得到定量的評(píng)價(jià)參數(shù)供決策者參考。常用的方法有名次計(jì)分法、評(píng)分法、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)法和模糊評(píng)價(jià)法等。下面介紹評(píng)分法和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)法。1.評(píng)分法評(píng)分法根據(jù)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)用分值作為衡量方案優(yōu)劣的尺度，對(duì)方案進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)一般為5分制和10分制（見表12-6），“理想狀態(tài)”取為最高分，“不能用”取為0分；當(dāng)設(shè)計(jì)方案的具體化程度較低，有些特征尚不清楚時(shí)，建議采用5分制評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)設(shè)計(jì)方案較具體，特征較明顯時(shí)，建議采用10分評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。10分制

012345678910不能用缺陷多較差勉強(qiáng)可用可用基本滿意良好很好超目標(biāo)理想5分制

012345不能用勉強(qiáng)可用可用良好很好理想表12-6評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于多評(píng)價(jià)目標(biāo)的方案，其總分可按分值相加法、分值連乘法、均值法或加權(quán)計(jì)分法（有效值法）等方法進(jìn)行計(jì)算（見表12-7）?？偡值母叩涂删C合體現(xiàn)方案的優(yōu)劣。獲得高分的方案為優(yōu)選方案。表13-3給出的幾種方法中，綜合考慮各評(píng)價(jià)目標(biāo)分值及加權(quán)系數(shù)的有效值作為方案的評(píng)價(jià)依據(jù)較為合理，應(yīng)用最多。方法

公式

特點(diǎn)分值相加法

將個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)評(píng)分值簡(jiǎn)單相加，計(jì)算簡(jiǎn)單、直觀

分值連乘法

將個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)評(píng)分值相乘，使各方案總分差拉開，便于比較

均值法

將相加所得結(jié)果除以評(píng)價(jià)目標(biāo)數(shù)，結(jié)果直觀

相對(duì)值法

將均值法所得結(jié)果除以理想值，使Qi<1,，可看出與理想值的差距加權(quán)計(jì)分法（有效值法）

將各項(xiàng)評(píng)分值乘以加權(quán)系數(shù)后相加，考慮了各評(píng)價(jià)目標(biāo)的重要程度

表12-7

總分計(jì)分法加權(quán)系數(shù)是反映評(píng)價(jià)目標(biāo)重要程度的量化系數(shù)，又稱目標(biāo)重要性系數(shù)。加權(quán)系數(shù)大，則重要程度高。加權(quán)系數(shù)的確定方法有兩種：（1）經(jīng)驗(yàn)法根據(jù)以往或他人經(jīng)驗(yàn)，人為地給定各評(píng)價(jià)目標(biāo)的加權(quán)系數(shù)

<1，并滿足

（2）判別表計(jì)算法式中，Ki

——各評(píng)價(jià)目標(biāo)的總分；

n——評(píng)價(jià)目標(biāo)數(shù)；2、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)法技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)法的特點(diǎn)是，對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)不但考慮各評(píng)價(jià)目標(biāo)的加權(quán)系數(shù)，而且所取的技術(shù)價(jià)和經(jīng)濟(jì)價(jià)都是相對(duì)于理想狀態(tài)的值，更便于決策時(shí)進(jìn)行判斷和選擇，也有利于改進(jìn)方案。其做法是，分別求出被評(píng)價(jià)方案的技術(shù)價(jià)和經(jīng)濟(jì)價(jià)，然后進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。（1）技術(shù)評(píng)價(jià)技術(shù)價(jià)時(shí)，x值越大，則技術(shù)性能越好。理想方案的技術(shù)價(jià)為1。在一般情況下，x>0.8，則