湖工大機械工程設計考試重點

1、勞動勞動能力、思維能力創(chuàng)造性設計的能力設計：通過制作使產品得以實現思維能力；具有創(chuàng)造性制作技能（建筑物的基礎工程，橋梁、建筑等大型基礎工程，挖掘機與汽車的行走系統）設計與國家競爭力英、德、美、蘇、日改善設計工作對我國的重要性制造大國與制造強國設計與科學研究科學研究：求知欲與好奇心發(fā)現自然規(guī)律 設計：需求發(fā)明新產品近代設計科學的重大發(fā)展一、“設計學”從古代到現代的三個發(fā)展階段 階段1：為“功能”目標而發(fā)明某種器械階段2：以經典力學為基礎發(fā)展的機械設計體系，包括機械原理和機械零件。運動學動力學。階段3：回歸“功能”近代“設計學”的重大發(fā)展 1、“功能”(Function)思想的提出和發(fā)展 2、“人

2、機學”(Ergonomics，Human Factor)思想的形成和發(fā)展3、“工業(yè)設計”(Industrial Design)學科體系的發(fā)展相成熟以上三項是近代設計學發(fā)展的核心內容。同時：CAD/CAM技術、可靠性技術、有限元、優(yōu)化、并行工程等。機械設計學”的學科組成 機械設計學學科體系包括：(1)功能原理設計(2)實用化設計(3)商品化設計機械設計概述1、機械是機器和機構的統稱。2、“設計”是把各種先進技術成果轉化為生產力的一種手段和方法。它是從合理的目標參數出發(fā)，通過各種方法和手段創(chuàng)造出一個所需的優(yōu)化系統或結構的過程。3、由想法到產品的過程。機械產品設計的一般過程：認識需求目標界定問題求解

3、分析選優(yōu)評價決策表達實現。機械設計特點：(1)多解性；(2)系統性；(3)創(chuàng)新性。機械設計的類型 適應性設計、變型性設計、創(chuàng)新性設計“設計過程”研究及其新發(fā)展 設計過程、并行工程、協同設計、集成設計質量功能配置(QFD)和質量屋(House of Quality) 質量屋”是質量功能配置（QFD）的核心 QFD是一個非常結構化的、矩陣驅動的過程，其運行包括4個階段：（1）將顧客需求轉化產品特性 （2）將產品特性轉化成零件特性（3）將零件特性轉化成關鍵工藝操作（4）將關鍵工藝操作轉化成生產要求1.機器的定義：有兩個或兩個以上相互聯系配合的構件所組成的聯合體，通過其中某些構件的限定的相對運動，能將

4、某種原動力和運動轉變，以執(zhí)行人們預期的工作，在人或其他智能體的操作或控制下，實現位置設計的某種或幾種功能。2.機器的組成2.1原有觀點2.2從不同的角度看從機構學的角度看：各種基本機構，自由度=原動機數從結構學的角度看：各種基本零件 ；從專業(yè)的角度看：各種主要部件2.3從功能的觀點看機器（總功能）分功能系統 1分功能系統 i分功能系統 n工作機傳動機工作頭執(zhí)行機構原動機控制器3.機器的分類按行業(yè)按輕重按功能機器工藝類機器加工機床通用機械食品機械動力機械 醫(yī)療機械起重運輸機械機密機械非工藝類機器紡織機械印刷機械第三章機械產品的功能原理設計：功能原理設計：針對主要功能的原理性設計。功能原理設計重點

5、：盡量使思維盡量“發(fā)散”，力求多解，便于選優(yōu)。為什么要突出功能原理設計：功能原理設計對產品的成敗起決定性作用。任何一種機器的更新換代都存在三個途徑：一是改革工作原理；二是通過改進工藝、結構和材料提高技術性能；三是加強輔助功能使其更適應使用者的心理。功能原理設計的工作特點和工作內容用一種新的物理效應來代替舊的物理效應，使機器的工作原理發(fā)生根本的變化的設計。手動變速箱（圖略）液力變矩器原理（圖略）轉矩傳遞過程：（1）泵輪轉動，渦輪不動。（2）泵輪與渦輪轉速差較大時，形成渦流。（3）泵輪與渦輪轉速接近時，形成環(huán)流。磁帶機（圖略）無人駕駛小車（圖略）。構思新原理的步驟：1、明確功能目標：裝設導向系統的

6、費用要?。辉试S擴充和調整設備，變動運輸路線；在擁擠的工作環(huán)境中小車能靈活運行。2、提出的原理性設想：應用慣性導航技術，利用所設參考點用于制程序給出理論軌跡并作軌跡誤差的修正；應用傳感器引導繞過障礙物；在共建轉接戰(zhàn)上用超聲波定向，使小車實現準確定位。功能、功能單元和功能結構機器（總功能）分功能系統 1分功能系統 i分功能系統 n工作機傳動機工作頭原動機控制器執(zhí)行機構什么是功能：某一機器(或裝置)所具有的轉化能量、運動或其它物理量的特性。系統工程學的觀點：一個技術系統在以實現某種任務為目標時，其輸入量和輸出量之間的相互轉換的關系。系統工程學：用“黑箱”描述技術系統的功能技 術 系 統信息流S（進行

7、 能量流E 的轉換)物料流M輸入(IN)輸出(OUT)信息S能量E物料MSEM（黑箱）（BLACK BOX)設計者的任務：使“黑箱”變成“白箱”：獲得一個完美的機械產品，實現預定的功能。任何技術系統都可以視為三種流的處理系統：能量流、物料流、信息流。硬幣計數包卷機外形圖（圖略）功能單元：將總功能分解成較為簡單的、具有一定的獨立性、可以直接求解“功能單元”，也稱“功能元”。直接實現總功能的各分功能稱為一階分功能；實現一階分功能的分功能稱為二階分功能，并以此類推。分解到末端的為功能元。硬幣計數包卷機功能分解圖（圖略）功能結構功能結構圖：用來表示各分功能之間關系的框圖。功能分析：由總功能分解為分功能

8、，最后作出功能結構圖。也可稱為“系統分析”。用功能樹法進行露天礦開采挖掘機的方案設計（略）功能元組合：相容矩陣法露天礦開采挖掘機黑箱示意圖（圖略）功能原理的發(fā)展歷史及基本類型功能原理設計的兩個工作特點：1、功能原理設計是一種綜合，無定法可循。2、功能原理設計所要求解的問題是有多解的問題，即既不是只有唯一解，也不是絕對無解，而且也很難得到絕對理想的解。功能原理分類：動作功能、工藝功能根據功能的技術特點分類：綜合技術功能：綜合運用機、光、電、磁、熱、化各種“廣義物理效應”（非純機械）去實現各種動作功能和工藝功能?！瓣P鍵技術”（“Know How”）：某個企業(yè)或部門獨有的技術，暫時還沒有被別人掌握。

9、磁記錄的記錄方式示意圖（圖略）功能類型總結：功能類型動作類工藝類簡單動作功能復雜動作功能工藝功能關鍵技術功能綜合技術功能（純機械）（廣義物理效應）兩種動作功能及其對應的求解思路類型：簡單動作：一次性動作；復雜動作工藝功能及其對應的求解思路工藝功能：工件頭和工作對象相互配合，實現一種功能。兩個重要因素：（1）采用哪種工藝方法（2）工作頭采用什么形狀和動作工藝功能的特點：工作頭的形狀、運動方式和作用場是完成工藝功能的三個主要因素。犁的工作曲面，絞肉機，水刀切割工藝，家用切碎機，電火花加工原理圖，電火花線切割原理圖（圖略）物一場分析法：S：對象或物體(Substance)。主體(S1)，客體(S2)

10、F：場，這不單指某種物理場，而是廣義地指S1向S2作用時發(fā)出的力、運動、電磁、熱、光一切作用場。“最小技術系統”：在任何一個最小技術系統中，至少有一個主體(S1)，一個客體(S2)和一個場(F)。缺一即不可能發(fā)生技術作用。用SField模式探求工藝功能原理的解法：尋求合理的F和S例：為了完成修剪草地的任務，如何構思剪草機的工作原理?在這個問題里，S2是草地上的草。剩下的問題是尋找合適的F和S1了。首先要尋找各種可能被利用的F并加以分析和比較：拉力可以拉斷草，但無法控制被拉斷的草的高度，無法使草地整齊。割斷力像農夫割麥一樣，需要握住草的上部才能割斷。剪斷力利用剪刀刃合攏，可以剪斷。顯然，人們常常

11、選擇剪斷力作為理想的F，當然S1就只能是剪刀可以通過“完善”、“增加和“變換”的方法來尋求新的解法。1完善：原設計中有時出現缺少F或S1的情況并因此而造成功能不良的后果。應該通過補全F或S1的措施來使SField模式完善化。2增加：一個最小技術系統至少應具有S1、S2和F，但有時還應輔以S1和F，才能更好地完成希望實現的功能。3變換：對已有工藝功能解法中的S1和F進行分析后，常?？梢园l(fā)現它們并非是不可替換的。有時通過變換可能會產生意想不到的好效果。焊接：氣焊、電焊、摩擦攪拌焊、超聲波焊（圖略）關鍵技術功能、綜合技術功能及其求解思路 一、關鍵技術功能（1）材料：例如高強度、高耐磨性、特殊的潤滑油

12、、特殊輕質材料(例如復合材料)、特殊物理性能要求等。（2）制造工藝：高精度、小的表面粗糙度、高的熱處理要求。（3）設計：通過設計實現特殊的功能原理，尤其是實現以前從未有人實現過的功能或是比別人已經實現的功能更好的功能水平。存儲技術：穿孔紙帶、磁盤、磁帶機、閃存、硬盤、微硬盤、光盤（圖略）關鍵技術的求解思路：“技術矛盾分析法”機電控制人工假手（圖略）解決思路：在傳動路線上再串接一套減速比i210的減速裝置，然后通過兩個聯動的切換開關來操作。從不同的角度分析技術矛盾，則可以得到不同的分析結果，并可導出另一些解法。解決關鍵技術功能的特點：用常規(guī)技術或已有技術難以達到的技術難點，或是別人目前尚難以實現

13、的技術高度、總的來說它的技術要求高，而解決的方法也往往是出奇制勝。二、綜合技術功能1、動作功能高速平面電機式自動繪圖機（略）2、工藝功能：非機械的工作頭連桿頭的爆炸切斷工藝（圖略）綜合技術功能的特點：在某些特定的條件下、采用廣義物理效應。綜合技術功能的求解思路：物理效應引入法。在人工臟器的設計中，需要一種微型液體泵來幫助體液循環(huán)。以前這種泵都是用微型電動機帶動微型機械泵來工作的。由于存在磨損等機械問題，效果不理想。有一位生物醫(yī)學專家想出了用金屬的熱膨脹效應來做體液泵，效果很理想。用石英晶體振蕩器控制的電磁擺來代替機械游絲擺制成的石英電子鐘表，也是運用物理效應引入法的很典型的例子。在潤滑油中添加

14、某些成分，就有可能使這種油在高壓或電場中產生特殊的性能(如粘性變大等)。在機械傳動中已經在利用這些新效應。近年出現的“機電一體化”或“機械電子學”，就是引入微電子技術和計算機技術的產物，它是物理效應引入法中一個較突出的成功的例子。功能原理設計的工作要點1明確所要設計的任務的功能目標，提出具體問題肌電假手：手指應能實現0.5rads的抓握運動速度，以模仿人手的真實運動。手指觸物后，應能產生50N左右的捏緊力，以滿足實際工作的需要。所用微型電動機需在假手掌心中放置，故其外徑應不大于20mm。傳動機械的效率應足夠高，以保證充電電池至少能工作1天。2調查、分析已有的解法原理，供設計時參考手的結構，牽引

15、式假手，大腦控制假手，德國OTTO BOCK公司產品3進行創(chuàng)新構思、尋求更合理的解法原理設計者應該有一個信念：現有的產品決不是頂峰，肯定還會有更好的設計出現。要爭取由自己推出新一代的創(chuàng)新產品。設計者應重視基本科學知識的積累，避免陷入一些違反基本科學原理的“錯覺”。例如，有人設計了一種機械式的“功率增大器”，認為能把小功率輸入變?yōu)榇蠊β瘦敵?，他采用了一種特殊的行星齒輪傳動方式來實現他的理想。當然，他所作的原理設計中存在著基本力學知識上的錯誤。4初步預想實用化的可能性大量例子說明一個好的原理構思最后不能成為產品。在專利文獻中有大量的專利都沒有能夠成為有用的技術。其中部分的原因就是因為結構、材料和工

16、藝問題無法得到合理的解決。這充分說明創(chuàng)新構思時要粗略考慮一些主要的結構工藝問題。5認真進行原理性試驗這是功能原理設計階段的最后一步，也是最重要的一步。在進行創(chuàng)新構思時，盡管反復檢驗過他的發(fā)明原理。但是實際做一下試驗，往往會出現意想不到的問題。例如在假手的原理試驗時，發(fā)生手指捏緊后的反彈松脫現象，令人百思不得其解，不知是何原因。后來才弄清楚，這是在切換時有一瞬間出現了兩個離合器同時處于脫開的狀態(tài)。使得手指失控，造成反彈松脫。找到了原因，才采取了相應的措施，解決了上述反彈問題。6評價、對比、決策必須要根據實驗的結果進行評價和對比，從技術和經濟兩方面的對比結果來做出決策。設計工作過程中，有兩項重大決

17、策問題：一是在創(chuàng)意階段，這是決定產品方向的決策。要能判斷5年或10年以后市場所需要的產品二是在構思階段，這是決定產品的技術方向的決策。個產品可能有兩個以上的技術方向，在未來的發(fā)展中有可能出現完全不同的命運。例如，不久以前，人們提出了一種創(chuàng)意，就是壁掛式電視，沒有人懷疑這種創(chuàng)意的合理性，于是各大公司都花大量的人力、物力投入研究、試制。但是隨后出現的功能原理設計中，就出現了技術方向的問題，是用液晶技術，還是用固體發(fā)光技術。又例如，目前市場上的噴墨打印技術，也存在兩個技術方向的選擇，現在兩個方向(汽化噴墨和壓電噴墨)正在激烈競爭，最后的勝利將由市場作出判決，只有市場才是決定勝負的唯一標準。因此，在選

18、擇技術方向的決策中，實際上不存在方法，只有像象棋大師那樣，用深刻的洞察力、精密地分析比較、超人的預測能力，最后通過直覺判斷，作出天才的決策。不過任何天才的決策成功率也不可能是100?？傊?，決定產品方向和技術方向的決策是一個非常重要。又是非常困難的問題，千萬不要輕信那些草率的決策，它將帶來災難性的后果。山核桃采摘的自動化解決方案（略）第四章機械功能原理的實現機械運動系統的方案設計第一節(jié)機構能實現的動作功能機構能實現哪些動作功能：1運動形式或運動規(guī)律變換1)勻速運動(平動、轉動)與非勻速運動(平動轉動或擺動)的變換2)連續(xù)轉動與間歇式的轉動或擺動的變換。3）實現預期的運動軌跡。2實現開關、聯鎖和檢

19、測等1）用來實現運動離合或開停。2）用來換向、超越和反向止動。3）用來實現聯鎖、過載保護、安全制動。4)實現鎖止、定位、夾壓等。5)實現測量、放大、比較、顯示、記錄、運算等。3.實現程序控制或手動控制1)利用時間的序列進行控制發(fā)動機（圖略）2)利用動作的序列進行控制電磁閥控制液壓缸的順序操作過程（圖略）3)利用運動的變化等進行控制汽車發(fā)動機的離心調速器（圖略）選擇機構實現功能原理的原則和范圍：1實現功率性的機械運動形式或規(guī)律的變換功能各式各樣的交直流變速電動機和直線電機vs.鼠籠型異步電動機+變速機構 or 曲柄滑塊機構、正弦機構2實現固定軌跡或簡單可調的軌跡功能例如各種自動機上的上、下料，加

20、工、檢測等工序需要的運動軌跡，均可全部用機構來完成。對于復雜軌跡，采用電子或電氣來控制，但其軌跡功作部分還必須使用機構，如機器人的手臂、手腕、手爪、計算機繪圖儀的繪圖筆的動作等。3在特定條件下能優(yōu)質地實現開關、聯鎖和檢測等功能如電燈開關，一般是用機械式的，但也有觸模式、光電式的開關，都能安全可靠地完成開關任務，至于操作方便和經濟性只能在特定條件下作具體的分析。4實現簡單的固定程序或可變程序的控制由于超導的發(fā)現，磁懸浮技術的成熟，直線電動機將使用在磁懸浮的高速列車上。電視機最初出現時，采用機械式頻道變換開關，已被遙控開關所取代。電子技術的發(fā)展雖然能控制許多復雜的自動化機器和設備，但其本身的結構也

21、日趨復雜，因而引起可靠性、安全性的下降。例如飛機上的自動導航儀，可以自動按給走路線飛行，而不需駕駛員動手，但是為了保證絕對安全可靠，這種飛機上還是安裝了結構簡單、工作安全可靠的手動控制裝置。第二節(jié)傳動機構和執(zhí)行機構一、傳動機構將原動機的運動和動力傳給執(zhí)行機構，已完成預期的功能。齒輪機構 連桿機構 凸輪機構 螺旋機構 楔塊機構 棘輪機構 槽輪機構 摩擦輪機構 撓性件機構 彈性件機構 液氣動機構 電器機構 及各種基本構件的組合機構。運動速度或力的大小變換：嚙合方式、摩擦方式、楔塊原理、流體作用原理。運動形式或傳力方式的變換：轉動、平動、擺動。二、執(zhí)行機構執(zhí)行機構最常見的運動變換是旋轉與直線運動的變

22、換。如蒸汽機將活塞的直線運動變換成旋轉運動，而空氣壓縮機中曲軸、連桿和滑塊執(zhí)行機構則是將旋轉運動變換成活塞的往復直線運動。（1）滿足特定運動規(guī)律等速輸出，瞬時或長時間停歇，有急回特性、周期性轉位和步進分度動作等。（2）滿足特定的運動軌跡抓片機構（圖略）：采用聯動凸輪機構，通過兩凸輪的聯動作用，使抓片爪按矩形軌跡運動，從而達到間歇抓片的目的。圓珠筆裝配線（圖略）：采用聯動凸輪機構，使筆芯托架沿著矩形軌跡運動，從而達到使圓珠筆芯步進式地向前送進的目的。（3）滿足某種特殊的信息傳遞利用機構不僅能完成機械運動和動力的傳遞，還能完成諸如檢測、計數、定時、顯示或控制等功能。這一類應用很多，例如杠桿千分尺、

23、家用水表、電表等使用的機械式計數器，家用洗衣機、電風扇等使用機械式定時器。還可以用機構來實現速度、加速度等的測量和數據記憶等功能。三、工作頭1什么是工作頭各種工藝類機械都有一定的工藝功能，其功能是通過與工作對象相關的工作頭來表現出來的。例如挖掘機的鏟斗，推土機的刀架，起重機的吊鉤，銑床的銑刀，軋鋼機的軋輥，縫紉機的機針，工業(yè)機器人的手爪等等。工作頭是直接接觸并攜帶工作對象完成一定的工作(例如：夾持、搬運、轉位等)，或是在其上完成一定的工藝動作(例如噴涂、洗滌、鍛壓等)。2、工作頭的作用(1)夾持：工作頭要對工件進行操作，要對工件施加作用力，需要首先將工件夾持住。例如。機床要加工工件；挖掘機要實

24、現鏟土的功能，必須先將鏟斗深入土中。(2)搬運、輸送及轉換工位(3)施力：工作頭有時要對工作對象施加力或力矩以達到完成任務的目的。例如，材料的壓力加工與實驗，重物起吊與搬運等。各種鏟斗、各種抓斗（圖略）四、選擇機構類型和擬定機構簡圖中的幾個問題選型時除應滿足工藝功能的動作和運動的基本要求外，還應注意以下幾個問題：1、在滿足工藝功能動作和運動要求的情況下應使機構最簡單，傳動鏈最短。2使機構有有利的傳力條件對行程不大但克服工藝阻力很大的連桿機構(如沖壓機構)，應采用增力機構，使其在近于死點位置工作。這種增力機構常用于剪切機、沖壓機、破碎機等機械中，在主動件上施加較小的驅動力，可以克服從動構件上很大

25、阻力。3使機構有盡可能好的動力性能在高速機構中，為了使動載荷最小，在機構選用時要盡量考慮其對稱性。對機構或回轉構件進行平衡使其質量分布合理，對于傳動力的機構則要盡量增大機構的傳動角，以防止機構的自鎖，增大機器的傳動效益，減少原動機的功率及其損耗。4使機器操縱方便，調整容易，安全耐用在擬定機器運動方案時適當地加入一些開、停、離合、正反轉、剎車、手動裝置，可使操縱方便，調整容易；機器中加入過載保護裝置，可預防機器的損壞等。第三節(jié)機械運動系統的方案設計一、功能結構圖，機械功能or非機械功能，傳動類型or執(zhí)行類型挖掘機的結構，底盤，工作裝置組成（圖略）1、將一個基本機構裝在另一個基本機構的輸出構件上。

26、1）每一個基本機構都有一個動力源。2）后一個基本機構的相對機架是前一個機構的輸出構件。臥式多工位冷墩機，C1325自動車床刀架系統（圖略）2、各子機構間無嚴格的運動協調配合關系某航空發(fā)動機附件傳動系統（圖略）3、各子機構在動作的先后次序上有嚴格的要求（1）選用現成的機構；（2）機構組合與創(chuàng)新；（3）機械運動系統的協調設計。二、功能原理的分解和機構的選擇功能原理的分解和機構的選擇：分解的原則是所分解出的分功能能夠用一個簡單機構去完成，故經常將這復雜的動作功能分解成一組由直線和圓弧組成的運動。如直線運動就有曲柄滑塊機構、凸輪機構、齒輪齒條機構等。機構間的相容問題：如在要求精密運動的系統中，不能插入

27、摩擦傳動；在高速旋轉傳動中不能插入雙曲柄機構等等。1合理安排傳動機構的順序主運動鏈：電動機皮帶傳動齒輪傳動鉆頭轉動；進給運動鏈：電動機皮帶傳動蝸扦傳動凸輪機構工作臺升降進給在機構的排列順序上一般遵循的規(guī)律是：轉變運動方式的機構(如凸輪機構)通常總是安置在運動鏈的末端，與執(zhí)行機構最近，這樣使傳動環(huán)節(jié)簡單。皮帶傳動及其他摩擦傳動在傳遞同樣轉矩的條件下，與其他傳動相比，其外廓尺寸要大很多。皮帶傳動既可過載保護，又不影響主軸與各執(zhí)行構件之間的運動協調關系，且傳動中心距大。為減小尺寸和重量，這些傳動機構一般安裝在靠近原動機的地方。2合理分配傳動比大傳動比可分多級傳動，在同類的幾級傳動裝置中，通常把傳動比

28、最大的一級裝在轉速最低的位置，因而可使其他各級在較高的轉速下工作，使各級中間軸上的轉矩較小，這樣可使軸和軸上零件尺寸較小，從而獲得較為緊湊的機構。3、機構組合舉例：工廠備料車間用的鋸床將整根元鋼鋸成小段送到各制造車間加工。這種鋸床的鋸弓所要求的鋸斷分功能至少應包含以下三個運動特性要求：A)旋轉運動變換成直線往復運動；B)工作行程的時間大于回程時間的急回特性；C)防止鋸齒在工作時受到沖擊載荷，要求在工作行程的中間段具有近似的等速運動。1)轉動(或擺動)變成移動的機構有：曲柄(或擺桿)滑塊機構、正弦機構、凸輪機構、齒輪齒條機構等。2)具有急回特性的機構有：偏置曲柄滑塊機構、曲柄搖桿機構、凸輪機構、

29、曲柄導桿機構等。3）工作行程具有近似等速段的機構：這個功能特性要求除凸輪機構能單獨完成外，其余機構均需要相互配合才能完成。那些機構可以實現：凸輪機構、組合機構。除凸輪機構外，其它方案均由兩個以上機構組合而成，如：雙曲柄機構偏置曲柄滑塊機構、雙曲柄機構正弦機構、橢圓齒輪正弦機構、橢圓齒輪偏置曲柄滑塊機構、曲柄導桿機構搖桿滑塊機構等近十種方案。方案優(yōu)選“雙曲柄機構偏心曲柄滑塊機構”在工作行程的70%范圍內有良好的等速運動性能。且有較好的急回特性，結構尺寸也合理。其次是曲柄導桿機構擺動滑塊機構。其運動性能與上述機構不相上下，但結構尺寸比較大，制造比較復雜，用在鋸床中有點大材小用。但卻廣泛用于各種類型

30、的牛頭刨床中。第四節(jié)發(fā)揮機構固有潛力的方法機構的創(chuàng)新設計從機械運動系統方案設計中可知，功能原理的分解和按分解后的分功能選擇設計機構是一個很重要的工作，分解得不合理，選擇機構不當，都會影響分功能的完成。按功能原理來選擇或設計機構是一個創(chuàng)造性的工作，能否設計出個優(yōu)秀的新機構是方案設計中的一項重要工作。一、簡單機構運動特點的利用1平行四邊形移動式抓取機構如圖46所示的平行四邊形移動式抓取機構，當活塞1上的推桿2上移時，通過扇形齒輪3帶動平行四邊形機構OABO1，使手爪5、6作平行移動，而夾緊工件。圖(b)為通過蝸桿、蝸輪帶動平行四邊形機構的移動式抓取機構。二、鏈傳動的變異與創(chuàng)新將導軌鏈傳動設計成各種

31、輸出機，導軌鏈傳動中沒有從動輪。三、無死點機構在曲柄滑塊機構中，當滑塊為主動件時，機構有死點出現。如何構思一個無死點機構?1、若采用圖428(a)所示結構形式，則無死點出現。再如蒸汽機動力設備是90°開式雙氣缸結構，這樣的結構也可避開死點(圖428(b)。2、圖429所示為一種巧妙的無死點機構，其巧妙之處是：滑板與活塞桿相連接，利用滑板上的曲線形長孔及與之配合的曲柄銷驅動曲柄輪轉動，在曲柄銷的左右死點位置上，由于滑板的曲線形長孔的斜面與曲柄銷接觸，所以就能消除一般曲柄機構的死點問題。曲線形長孔的傾斜方向確定了曲柄軸的旋轉方向，并使其保持固定的旋轉方向。四、連桿機構1、曲柄滑塊與齒輪齒

32、條機構圖71所示為平臺印刷機中的主傳動機構，為了使印刷機構結構緊湊，采用了曲柄滑塊機構與齒輪齒條機構(下齒條為固定的)串聯組合而成的機構系統，上齒條往復運動的行程是齒輪轉動中心點C往復運動行程的兩倍。2凸輪連桿機構如圖73所示，用于訂扣機工作臺縱向運動的凸輪連桿機構，原動件為凸輪1，從動件為工作臺5，被訂的鈕扣夾緊在該工作臺上，隨工作臺作往復運動，同時縫針(圖中未畫出)作上下往復運動，完成訂扣動作。凸輪輪廓線形狀控制其每轉一周工作臺往復運動次數(即訂扣針數)，構件CB的長度可調節(jié)，以增大工作臺的往復行程。3齒輪連桿機構在圖74所示的包裝機推包機構中，機構在凸輪1的驅動下，使推板5按一定的運動規(guī)

33、律往復移動，將工件推到包裝位置。其中，齒輪連桿機構主要是用于放大推板的行程，所需的放大比例可根據實際需要確定。其中，構件2為扇形齒輪、3為齒輪、4為擺桿。4凸輪移動式行程放大機構利用凸輪機構來獲取大運動距離時，常常感到需要較大的結構空間，不然就要求有很大的凸輪機構。這時，可以采用如圖75所示的機構，與盤狀凸輪相關的軸銷帶動滑桿左右移動，移動距離為凸輪升程S，滑桿上裝有可擺動的扇形齒輪，扇形齒輪與齒條相嚙合。由于滑桿的移動使扇形齒輪擺動，而扇形齒輪另一側的臂桿擺動，將帶動上邊的滑桿(滑塊)滑移，其滑移距離將依桿長與齒輪扇形半徑之比而放大。五、改變機構的某些尺寸參數，使機構出現一種新的功能1）a)

34、圖AB小功率的旋轉運動時，滑塊能產生巨大的沖壓力。2）AB的尺寸增加：“瞬時停歇”現象。有利于被沖壓工件的永久變形，提高沖壓零件的尺寸精度。3）若把AB的尺寸繼續(xù)增加，曲柄相應的轉角也增大，這時可看到滑塊有明顯的上、下運動。利用此運動特性制成的壓力機稱為“二次壓印機”。六、運用機構的串聯組合，改變機構的運動特性2）設計思路：就是利用機構的串聯組合拓寬機構原有的瞬時停歇特性，圖422a中的六桿增力機構ABCDE，當主動構件轉過20°時，滑塊作瞬時停歇運動(圖422中為了作圖清楚將放大到40 °)。如將滑塊E用作壓邊機構，只要滑塊二次擺動的升距不超過0.05mm，就可以看作滑塊

35、E是作連續(xù)壓緊動作，但問題是這個停歇時間太短，與100 °相比還差得太多。若把主動連架桿改成擺動、滑塊在最下面的位置時，作為主動擺桿的一個極限位置，如粗實線ABCDE；ABCDE（細實線）為主動擺桿的另一個極限位置。壓邊角度：A1轉到AB，經過四次微小擺動（位移0.05mm）拓寬停歇時間：增加曲柄搖桿機構FGHA。七、運用機構的并聯組合，得到某種特殊的運動規(guī)律或軌跡八、利用機構組成原理發(fā)現新的機構機構組成原理：機構是由若干個構件組成，其最基本的形式是構件間全部用轉動副組成。用相同數目的構件組合起來完成給定的運動規(guī)律的機構將不止一種，研究機構組成的結構形式，探討其組成原理，用不同的組合

36、方法，將可演變出具有各種不同運動特性的各種機構。九、引進當前的最新技術，使舊的機械功能得到新的生命例如機床切削加工是一項古老的機械功能，用以加工各種機械零件。幾十年來，機床的種類、加工精度等方面雖均有不斷的提高，但都沒有突破性的進展。自從引進了數控技術，根據數控技術的要求，改進了機床的滾珠絲杠進給系統，使機床行業(yè)迅速向高精度，自動控制方向發(fā)展。到80年代、又引進了電子計算機的控制技術，把機床發(fā)展成自動加工中心，因而使機械加工功能不斷地提高，也設計出一大批配合新技術的機構。第五節(jié)機械運動的協調設計和運動循環(huán)圖一、機械運動協調設計當功能結構圖中各分功能均設計完畢后，怎樣將這些分功能協調動作，共同完

37、成總功能?這就需進行總體范圍內的運動系統方案設計機械運動協調設計。完成各分功能的機構(執(zhí)行機構)均是相對獨立的，其運動動作的先后是根據總功能的要求，在一個周期中按時間序列安排的。但怎樣使各執(zhí)行機構嚴格按規(guī)定的時間運動這就是機械運動協調設計的關鍵控制方法設計。在控制的方法上，一般有如下兩種：1集中驅動、分散控制：在比較小型的機器上，一般均采用本方法，它由一個總驅動源(一般是電動機)，經過變速后達到合適的工作轉速，作為機器的總傳動軸，即稱為分配軸。執(zhí)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(zhí)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

38、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(fā)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(huán)圖為了清楚地了解各執(zhí)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(zhí)行機構的運動循環(huán)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(huán)時間內，機器的各執(zhí)行機構要完成一定的周期運動，執(zhí)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

39、執(zhí)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(huán)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(huán)內各運動區(qū)段的時間(或分配軸的轉角)，縱坐標表示執(zhí)行機構的運動特性如位移等。因而可以表示出各執(zhí)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(huán)圖，直角坐標式工作循環(huán)圖（圖略）第五章機械產品的實用化設計第一節(jié)產品設計核心和外圍問題1、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2、核心技術和關鍵技術：核心技術：產品實

40、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(huán)控制系統第二節(jié)實用化設計的任務和主要內容1、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。2、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(jié)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

41、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(huán)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(wěn)定動力源特性分析人一機一環(huán)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(jié)確定

42、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(guī)律3)工藝方案實現的可能性和穩(wěn)定性4)與生產率要求相適應，經濟上合理第五節(jié)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?？傮w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1、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(huán)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

43、：輔助工作時間，即在一個循環(huán)內除去tg 所消耗的時間，如上下料、間歇等所消耗的時間。2、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

44、材料成型或切削加工。例1：圖56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(qū)，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:FmaxKmaxAA：被剪切軋件橫斷面面積(mm2)；max：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

45、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57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58表示固定扭矩T在瞬間t作用一個角度時機器之輸出功率Pmax。此種功率發(fā)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

46、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(wěn)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(yè)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(yè)、行走穩(wěn)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(yè)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(yè)位置尺寸是機器在作業(yè)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

47、(巷道尺寸、配套車輛尺寸等)?？傮w參數確定，除上面一般理論分分析計算外，還有參數優(yōu)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(yōu)點：（1）便于比較現有產品的各種參數，從而提出最優(yōu)數據；（2）有利于老產品更新換代和發(fā)展新系列；（3）為計算機輔助設計創(chuàng)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(fā)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

48、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(huán)境條件基本相同者。相似類比法有以下優(yōu)點：如果樣機的性能參數和結構參數是優(yōu)選的，則可得到一個優(yōu)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(yōu)良產品的一種有效方法。第六節(jié)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(xù)生產的系統。

49、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(yè)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

50、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(xù)的工藝方法間歇的流程（略）移動作業(yè)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(yè)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(yè)機械的總體布置生產作業(yè)機械：是指完成作業(yè)操作的單體機械。作業(yè)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(yè)?？傮w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

51、、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(fā)動機與機架的相對位置，如大客車發(fā)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(yè)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(fā)動機傳動、多發(fā)動機傳動

52、。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(fā)動機布置在裝載機的后部，起到配重作用，有利于提高穩(wěn)定性。發(fā)動機的輸出端接液力變矩器，再通過萬向節(jié)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(yè)準確。為了保證裝載機作業(yè)的穩(wěn)定性，使鏟斗與料堆相對位置準

53、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519)。

54、各類軋機軋輥在工作機座中有不同的布置方法(見圖520)。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521)。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(zhí)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(jié)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

55、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(zhí)行機構如圖5-26。而重型機械常采用一個原動機帶動一個執(zhí)行機構，如單獨驅動的起重機運行機構(如圖5-27)，有時甚至用多個原動機共同驅動一個執(zhí)行機構，如圖5-28、圖5-29。圖5-28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

56、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(wěn)，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(zhí)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(zhí)行件，稱為內聯傳動鏈。只有復合運動才有內聯傳動鏈，無論是簡單運動還是復合運動。都必須有一條外聯傳動鏈。u1、u2為“換置器官”，它代表定傳動比或變傳動比的傳動機構（圖略）。內聯傳動鏈必須用傳動比準確的傳動副，而不能用摩擦傳動副(如帶、摩擦無級變速器)、液壓傳動等。外聯傳動鏈則沒有這種要求，傳動比的誤差對加工或處理產品的質量不會有什么影響。因此可以用傳動比不太準確的傳動副。設計外聯傳動鏈時，主要應保證要求的速度和傳遞的功率；設計內聯傳動鏈時主要應保證傳動比精度。兩者考慮的重點是個同的。二、機械驅動系統的設計步驟機器的驅動系統又稱傳