機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述課件

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述§19.1機(jī)械系統(tǒng)（產(chǎn)品）的構(gòu)思設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)（產(chǎn)品）的設(shè)計(jì)是創(chuàng)造性地建立滿足功能要求的技術(shù)系統(tǒng)的活動(dòng)過(guò)程。設(shè)計(jì)的目的是滿足社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展不斷提出的一定功能要求，從而促進(jìn)機(jī)械系統(tǒng)（產(chǎn)品）的發(fā)展。機(jī)械系統(tǒng)（產(chǎn)品）的設(shè)計(jì)工作是影響機(jī)械系統(tǒng)（產(chǎn)品）性能、質(zhì)量、成本和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的一項(xiàng)重要工作。

機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量首先是設(shè)計(jì)出來(lái)的。機(jī)械設(shè)計(jì)是研制新機(jī)器和新產(chǎn)品的第一道工序，設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量和水平，直接關(guān)系到機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、研制周期長(zhǎng)短和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，影響機(jī)械產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。為了適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)形式不斷發(fā)展的需要，必須努力推廣和研究發(fā)展機(jī)械系統(tǒng)（產(chǎn)品），提高設(shè)計(jì)水平。一、機(jī)械系統(tǒng)(產(chǎn)品)的構(gòu)思設(shè)計(jì)方法

1、構(gòu)思設(shè)計(jì)方法的原理構(gòu)思設(shè)計(jì)方法是研究如何合理進(jìn)行設(shè)計(jì)思維的科學(xué)，是研究解決設(shè)計(jì)課題進(jìn)程的一般性理論；一方面研究進(jìn)程的戰(zhàn)略（即進(jìn)程總路線），另一方面研究各工作步驟相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)方法，在總結(jié)規(guī)律性的同時(shí)，啟發(fā)創(chuàng)造性，采用現(xiàn)代化的先進(jìn)技術(shù)和理論方法，使設(shè)計(jì)過(guò)程完善合理。在機(jī)械設(shè)計(jì)中采用這種方法，能使所設(shè)計(jì)的機(jī)械系統(tǒng)（產(chǎn)品）推陳出新，在質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、進(jìn)程速度等方面有較大改進(jìn)。1）技術(shù)過(guò)程和技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)思設(shè)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)是建立在系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)之上的。所謂系統(tǒng)就是具有特定功能的、相互間有聯(lián)系的許多要素構(gòu)成的一個(gè)整體。根據(jù)需要，系統(tǒng)可以進(jìn)一步劃分為子系統(tǒng)和系統(tǒng)單元。系統(tǒng)的功能是指具有特定結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，在其內(nèi)部和外部的聯(lián)系和關(guān)系中表現(xiàn)出來(lái)的能夠滿足需要的特性和能力。設(shè)計(jì)就是實(shí)現(xiàn)既定的功能要求。

人類社會(huì)發(fā)展過(guò)程中有各種形式的需要，這些需要可以概括為物料、能量、信號(hào)的轉(zhuǎn)換，這一轉(zhuǎn)換過(guò)程被稱為技術(shù)過(guò)程。技術(shù)過(guò)程是一個(gè)人工過(guò)程，它是在人和技術(shù)系統(tǒng)的共同作用下，按照預(yù)期的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)物料、能量和信號(hào)轉(zhuǎn)換的過(guò)程。技術(shù)系統(tǒng)是設(shè)計(jì)時(shí)分析研究的對(duì)象，即機(jī)械系統(tǒng)。2）黑箱法（BlackBox）黑箱法是一種尋求系統(tǒng)總功能的創(chuàng)造性思維方法。“黑箱”就是一個(gè)未知其內(nèi)部機(jī)理和結(jié)構(gòu)的箱子，“黑箱法”就是將所研究的復(fù)雜系統(tǒng)看作一個(gè)黑箱，在不打開(kāi)它的前提下，暫時(shí)忽略次要因素，首先集中考慮系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系，通過(guò)觀測(cè)與分析黑箱和外部環(huán)境的相互關(guān)系，求解待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能，從而進(jìn)一步了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的機(jī)理。例如：電鈴（功能：機(jī)械信號(hào)變?yōu)槁曇粜盘?hào)）機(jī)→黑箱→聲發(fā)電機(jī)（功能：機(jī)械能變位電能）機(jī)→黑箱→電

3）功能分析功能分析是從功能的角度尋找設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決辦法。首先根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)確定系統(tǒng)的總功能，體現(xiàn)在將輸入條件轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的輸出條件上?？偣δ艽_定后，在進(jìn)行功能分解，將總功能分解為分功能、子功能直到功能元。功能元是最小的功能單位，是可以直接從物理效應(yīng)、邏輯關(guān)系方面找到解法的基本功能單元。例如，拉伸材料試驗(yàn)機(jī)的總功能是：試件拉伸、測(cè)量力和相應(yīng)的變形值?？梢詫⒖偣δ芊纸鉃楣δ軉卧缦聢D。

4）方案確定及評(píng)價(jià)方案的確定過(guò)程就是功能結(jié)構(gòu)組合過(guò)程，也就是將系統(tǒng)的分功能元進(jìn)行綜合得到總功能的過(guò)程。由于將各個(gè)功能單元的局部解相互組合，可能會(huì)產(chǎn)生很多的設(shè)計(jì)方案。由于設(shè)計(jì)方案的數(shù)目過(guò)大，難以逐一進(jìn)行評(píng)價(jià)，所以一般需要首先進(jìn)行篩選，將明顯不合適設(shè)計(jì)方案淘汰，只保留少數(shù)幾個(gè)難以分辨差異（功能性、經(jīng)濟(jì)性等）方案功評(píng)價(jià)決策使用。初步篩選必須遵守以下原則：1）相容性：分功能之間必須相容，否則給予淘汰。2）優(yōu)先選用主要分功能的最佳解，由該解出發(fā)選擇與之相容的其它分功能解。3）刪除對(duì)設(shè)計(jì)要求、約束條件不滿足，或令人不滿意的解，如成本高、效率低、污染大、不安全、難加工等。

經(jīng)過(guò)以上的篩選可能留下不多的備選方案，此時(shí)必須對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)，最終確定我們的設(shè)計(jì)方案。所謂評(píng)價(jià)就是對(duì)方案的質(zhì)量、價(jià)值或就其某一性質(zhì)作出說(shuō)明；所謂決策就是對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果或?qū)λ峁┑哪承┣闆r，根據(jù)預(yù)定目標(biāo)作出選擇或決定，其結(jié)果就是擬采用的方案。

常用的評(píng)價(jià)方法有經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)法、數(shù)學(xué)分析法和試驗(yàn)評(píng)價(jià)法三種。當(dāng)方案不多、問(wèn)題比較簡(jiǎn)單時(shí)，可以采用經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)法，即根據(jù)評(píng)價(jià)者的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)方案作粗略的定性評(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)作為決策參考，常用的的有名次記分法、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。對(duì)于比較重要的方案，用數(shù)學(xué)分析法計(jì)算后仍沒(méi)有足夠把握時(shí)，應(yīng)該通過(guò)模擬試驗(yàn)或樣機(jī)試驗(yàn)對(duì)方案進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)，這種方法得到的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確，但是代價(jià)較高。（我們后面課程技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)會(huì)涉及這部分內(nèi)容）§19.2機(jī)械系統(tǒng)（產(chǎn)品）的設(shè)計(jì)方法和程序

一、現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)的組成我們?cè)谡n程開(kāi)始時(shí)就已經(jīng)說(shuō)過(guò)：任何現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)，盡管構(gòu)造和用途繁多，但是其結(jié)構(gòu)組成均包括：原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和工作機(jī)構(gòu)三個(gè)部分。此外，為保證機(jī)械系統(tǒng)的正常工作，還應(yīng)有操作裝置或控制系統(tǒng)。

例如，如圖所示的球磨機(jī)是由電動(dòng)機(jī)（原動(dòng)機(jī)）驅(qū)動(dòng)齒輪減速器和開(kāi)式齒輪傳動(dòng)（傳動(dòng)系統(tǒng)）帶動(dòng)內(nèi)裝研磨鋼球的滾筒（工作機(jī)構(gòu)）及帶有操作裝置、控制裝置的進(jìn)料部分、給料部分和出料部分組成。

現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖所示，各部分的作用主要是：1）原動(dòng)機(jī)：是機(jī)械系統(tǒng)完成工作任務(wù)的動(dòng)力來(lái)源，提供或轉(zhuǎn)換機(jī)械能，最常用的為電動(dòng)機(jī)。2）傳動(dòng)系統(tǒng)：是將原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳給工作機(jī)構(gòu)的中間傳動(dòng)裝置，常用的有各種機(jī)械傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)可用于傳遞平行軸、相交軸或交錯(cuò)軸間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，有時(shí)也用作運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)換，如將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或擺動(dòng)變換為往復(fù)運(yùn)動(dòng)或間歇運(yùn)動(dòng)等。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的作用是通過(guò)減速（或增速）、變速、換向或變換運(yùn)動(dòng)形式，將原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力傳遞并分配給工作機(jī)構(gòu)，使之獲得所需的運(yùn)動(dòng)形式和生產(chǎn)能力。

3）工作機(jī)構(gòu)：是直接完成生產(chǎn)任務(wù)的執(zhí)行裝置，又稱執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)形式完全取決于機(jī)械系統(tǒng)本身的用途。

4）操作及控制裝置：是操作及控制機(jī)械系統(tǒng)各組成部分協(xié)調(diào)動(dòng)作并準(zhǔn)確可靠地完成工作任務(wù)的裝置。此外，為了保證機(jī)械系統(tǒng)的正常工作和使用壽命，現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)還需要裝設(shè)一些輔助裝置，如冷卻、潤(rùn)滑、計(jì)數(shù)和照明等裝置。

因此，現(xiàn)代機(jī)器的定義應(yīng)該是：在人或其它智能體的操作和控制下，能實(shí)現(xiàn)確定的功能，具有確定運(yùn)動(dòng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，完成有用的機(jī)械功或能量、物料和信息的轉(zhuǎn)換和傳遞的具有兩個(gè)以上構(gòu)件組裝而成的裝置。二、機(jī)械系統(tǒng)(產(chǎn)品)的設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)程序

機(jī)械系統(tǒng)（產(chǎn)品）種類繁多。形式多樣、用途各異，但在設(shè)計(jì)方法上基本相同，大致可以劃分為三類：1．理論設(shè)計(jì)主要是根據(jù)一定的科學(xué)理論及試驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以分為設(shè)計(jì)計(jì)算與校核計(jì)算兩種。

設(shè)計(jì)計(jì)算是指根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)中零件運(yùn)動(dòng)要求、受力情況、材料性能及失效形式等，用理論公式計(jì)算出零件危險(xiǎn)剖面的尺寸，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)與工藝等方面的要求，設(shè)計(jì)出機(jī)械零件的具體結(jié)構(gòu)。校核計(jì)算則是參照已有的實(shí)物、圖紙和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即根據(jù)零件的形狀和尺寸，通過(guò)理論公式校核其強(qiáng)度是否滿足使用要求。2．經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)是根據(jù)現(xiàn)有機(jī)械系統(tǒng)在使用中總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，或與同類機(jī)械系統(tǒng)相類比進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、可靠，避免了繁瑣費(fèi)時(shí)的計(jì)算過(guò)程，是一種實(shí)用有效的設(shè)計(jì)方法。但有時(shí)由于缺乏相似形式的機(jī)械系統(tǒng)相類比，而使此法受到一定限制。3．模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)于一些巨大的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的重要機(jī)械系統(tǒng)，由于往往難以進(jìn)行可靠的理論設(shè)計(jì)，可采用模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)。通過(guò)模型試驗(yàn)，測(cè)定其主要零部件的實(shí)際應(yīng)力分布情況和極限承載能力，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修正初步設(shè)計(jì)的模型，這樣便彌補(bǔ)了理論設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不足。

設(shè)計(jì)一個(gè)新的機(jī)械系統(tǒng)（產(chǎn)品）是一項(xiàng)復(fù)雜細(xì)致的工作，要提供性能好、質(zhì)量好、成本低、競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)、受用戶歡迎的新的機(jī)械產(chǎn)品，必須有一套科學(xué)的工作程序。基本程序如圖所示。1）制定設(shè)計(jì)任務(wù)書任務(wù)書可以由主管部門指令性下達(dá)或由用戶提出，也可由設(shè)計(jì)部門根據(jù)需要提出。不論設(shè)計(jì)任務(wù)書是誰(shuí)提出的，都應(yīng)由主管部門召開(kāi)可行性論證會(huì)，通過(guò)專家評(píng)議審查，才能確定設(shè)計(jì)任務(wù)書。設(shè)計(jì)任務(wù)書中應(yīng)明確規(guī)定：產(chǎn)品的名稱（代號(hào)）、功用、生產(chǎn)率、主要性能指標(biāo)、可靠性和使用維護(hù)要求、工作條件、生產(chǎn)批量、預(yù)期成本、設(shè)計(jì)和制造完成日期以及其它特殊要求等等。2）方案設(shè)計(jì)（構(gòu)思設(shè)計(jì)方法）

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書規(guī)定的要求，進(jìn)行充分的調(diào)查研究，包括：收集類似產(chǎn)品的技術(shù)數(shù)據(jù)及有關(guān)圖紙資料；了解國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)狀況；了解制造單位的設(shè)備、材料供應(yīng)情況等等，根據(jù)產(chǎn)品的性能要求，提出若干個(gè)切實(shí)可行的方案，召開(kāi)方案審查會(huì)，對(duì)方案進(jìn)行對(duì)比分析、可行性分析，必要時(shí)還可以進(jìn)行試驗(yàn)分析，最后選定一種較好的方案。方案設(shè)計(jì)包括機(jī)械產(chǎn)品的整體方案、傳動(dòng)系方案及工作機(jī)構(gòu)選擇等等，它是下一步技術(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。方案設(shè)計(jì)的好，可以說(shuō)設(shè)計(jì)成功了一半，如果方案設(shè)計(jì)不好，將影響設(shè)計(jì)甚至導(dǎo)致設(shè)計(jì)的失敗。

3）技術(shù)設(shè)計(jì)方案確定之后，為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案就要進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)，其中包括運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、動(dòng)力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要零部件工作能力（強(qiáng)度、剛度、壽命等）設(shè)計(jì)。這一階段要完成裝配圖、零件工作圖及編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書等技術(shù)文件，它是把設(shè)計(jì)方案變成技術(shù)文件的過(guò)程。4）樣機(jī)試制用技術(shù)設(shè)計(jì)所提供的圖紙等技術(shù)文件進(jìn)行樣機(jī)試制。5）樣機(jī)測(cè)試對(duì)試制提供樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)樣機(jī)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題對(duì)圖紙進(jìn)行進(jìn)一步修改。6）技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)可以從多種設(shè)計(jì)方案的比較中找到理想的設(shè)計(jì)方案，遇到兩個(gè)評(píng)價(jià)相似的方案，其中之一技術(shù)價(jià)值較高，而另一個(gè)經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高，這時(shí)最好選擇技術(shù)價(jià)值較高的方案。7）修改設(shè)計(jì)針對(duì)樣機(jī)試驗(yàn)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)中暴露的問(wèn)題，修改原來(lái)設(shè)計(jì)方案，使設(shè)計(jì)趨于完善。8）生產(chǎn)設(shè)計(jì)根據(jù)修改設(shè)計(jì)后所得的圖紙等技術(shù)文件，考慮生產(chǎn)批量，進(jìn)行工藝流程和工藝裝備的設(shè)計(jì)，以確保產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。9）正式投產(chǎn)按照修改后的技術(shù)文件和確定的批量，正式組織生產(chǎn)合格的產(chǎn)品，投放市場(chǎng)?！?9.3機(jī)械系統(tǒng)原動(dòng)機(jī)的選擇一、原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)我們知道機(jī)械系統(tǒng)都是由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式比較單一，現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)多采用作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)機(jī)，如電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、旋轉(zhuǎn)式液壓馬達(dá)等。電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、效率高、控制使用方便等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)有最為廣泛。

電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)為轉(zhuǎn)速（r/min）。當(dāng)工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速或移動(dòng)速度較高時(shí)，應(yīng)選用高轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)。因?yàn)檫@樣不但可以減小電動(dòng)機(jī)的尺寸和重量、降低電動(dòng)機(jī)的價(jià)格，還能縮短運(yùn)動(dòng)鏈和提高傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率。但是，當(dāng)工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速或移動(dòng)速度很低時(shí)，則不應(yīng)采用高速電動(dòng)機(jī)，否則傳動(dòng)鏈過(guò)長(zhǎng)、零件增多、機(jī)械效率降低，反而不經(jīng)濟(jì)。因此，確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)綜合考慮電動(dòng)機(jī)的重量、尺寸、價(jià)格、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及機(jī)械效率等因素。

電動(dòng)機(jī)的主要指標(biāo)有功率P（kW）、轉(zhuǎn)矩T（Nm）和轉(zhuǎn)速n（r/min），它們之間的關(guān)系為：電動(dòng)機(jī)的容量（功率）選擇是否合適，會(huì)影響到電動(dòng)機(jī)的工作性能和經(jīng)濟(jì)性。容量小于工作要求，則不能保證工作機(jī)正常工作，或使電動(dòng)機(jī)過(guò)早損壞；容量過(guò)大，則造成浪費(fèi)。

選擇電動(dòng)機(jī)的容量，以電動(dòng)機(jī)工作時(shí)溫度升高數(shù)值不超過(guò)允許值為原則，方法較為復(fù)雜。對(duì)于靜載荷作用下長(zhǎng)期運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，可以選擇電動(dòng)機(jī)的額定功率Ped略大于傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入功率Pd

，一般不必驗(yàn)算發(fā)熱和起動(dòng)力矩。當(dāng)工作機(jī)構(gòu)和原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定以后，就可以計(jì)算出運(yùn)動(dòng)鏈的總傳動(dòng)比，然后選擇機(jī)構(gòu)和進(jìn)行機(jī)構(gòu)的組合設(shè)計(jì)。二、原動(dòng)機(jī)類型的選擇

原動(dòng)機(jī)的類型影響機(jī)械傳動(dòng)形式和機(jī)構(gòu)類型的選擇。例如原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式、速度、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、調(diào)速和制動(dòng)性能好壞以及可否逆轉(zhuǎn)等一系列因素的不同，都將對(duì)機(jī)械傳動(dòng)形式和機(jī)構(gòu)類型提出不同要求。因此，首先應(yīng)選好原動(dòng)機(jī)。機(jī)械系統(tǒng)比較常用的幾種原動(dòng)機(jī)及主要特點(diǎn)見(jiàn)下表格。

電動(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)載荷大小等等），并考慮各種電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及供應(yīng)情況等而選型。在生產(chǎn)中，對(duì)于一些不經(jīng)常起動(dòng)和無(wú)特殊要求的機(jī)械系統(tǒng)，應(yīng)盡量采用三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)；對(duì)于經(jīng)常起動(dòng)、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)的場(chǎng)合（如起重、提升設(shè)備），要求電動(dòng)機(jī)具有較大的過(guò)載能力和較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，應(yīng)選用起重及冶金設(shè)備用的三相異步電動(dòng)機(jī)。對(duì)于野外工作機(jī)械、移動(dòng)式機(jī)械及特殊要求的機(jī)械可用內(nèi)燃機(jī)、液壓馬達(dá)等作為動(dòng)力機(jī)?！?9.4傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)方案?jìng)鲃?dòng)裝置是將動(dòng)力機(jī)的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞給執(zhí)行裝置的中間裝置。設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工作需要提出的動(dòng)作要求，擬定產(chǎn)品的傳動(dòng)方案。一般以傳動(dòng)動(dòng)力為主的傳動(dòng)稱為動(dòng)力傳動(dòng)，以傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)為主的傳動(dòng)稱為運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)。機(jī)器中采用不同的傳動(dòng)方式構(gòu)成的傳動(dòng)裝置可以起到以下作用：1）改變運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如減速、增速、間歇運(yùn)動(dòng)等。2）改變運(yùn)動(dòng)形式，將連續(xù)的勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榘茨撤N規(guī)律變化的旋轉(zhuǎn)、非旋轉(zhuǎn)的其它運(yùn)動(dòng)，如曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)等。3）實(shí)現(xiàn)由一個(gè)動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)若干個(gè)運(yùn)動(dòng)形式和速度各異的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如彎曲成型機(jī)等。4）傳遞動(dòng)力，即將動(dòng)力機(jī)的動(dòng)力傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。5）物料輸送，如生產(chǎn)線上的物料輸送裝置。傳動(dòng)方案是否合適，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量具有決定性影響，所以擬定產(chǎn)品的傳動(dòng)系統(tǒng)是設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一環(huán)。傳動(dòng)方案與機(jī)械產(chǎn)品的工作原理密切相關(guān)，而機(jī)械產(chǎn)品的工作原理又是多種多樣的，即使是完成同一任務(wù)，也可以有多種不同的工作原理來(lái)完成。例如，加工齒輪可以采用仿形法或展成法。工作原理不同，傳動(dòng)方案不同，即使工作原理相同也可以擬定幾種不同方案。因此，在設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)綜合考慮各方面因素，對(duì)各種傳動(dòng)方案加以比較，選擇其中的最佳方案。二、機(jī)械傳動(dòng)型式與選擇

我們前面已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)各種傳動(dòng)方式，這里進(jìn)行綜合回顧。根據(jù)不同的傳動(dòng)原理，機(jī)械傳動(dòng)可以分為摩擦傳動(dòng)。嚙合傳動(dòng)和推壓傳動(dòng)三類，見(jiàn)下圖。

根據(jù)傳動(dòng)比能否改變，機(jī)械傳動(dòng)可分為固定傳動(dòng)比傳動(dòng)、可調(diào)傳動(dòng)比傳動(dòng)和變傳動(dòng)比傳動(dòng)三類?？烧{(diào)傳動(dòng)比又分為有級(jí)變速和無(wú)級(jí)變速。機(jī)械傳動(dòng)類型選擇關(guān)系到整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)和工作性能參數(shù)。1、選擇機(jī)械傳動(dòng)類型的依據(jù)工作機(jī)的性能參數(shù)和工況；原動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)速性能；對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的性能、尺寸、重量和安裝布置上的要求；工作環(huán)境要求；制造工藝性和經(jīng)濟(jì)性要求等。2、選擇傳動(dòng)系統(tǒng)的原則1）簡(jiǎn)化傳動(dòng)環(huán)節(jié)a）當(dāng)原動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)形式完全符合工作機(jī)構(gòu)的工況要求時(shí)，可將原動(dòng)機(jī)的輸出軸與工作機(jī)構(gòu)的輸入軸用聯(lián)軸器直接聯(lián)接。這種方式結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率也最高。但是當(dāng)原動(dòng)機(jī)的輸出軸與工作機(jī)構(gòu)的輸入軸不在同一軸線上時(shí)，如兩軸平行、相交或交錯(cuò)，就需要采用一定類型的機(jī)械傳動(dòng)裝置；b）若原動(dòng)機(jī)可調(diào)速而工作機(jī)構(gòu)的載荷又變化不大，或者工作機(jī)構(gòu)有調(diào)速要求并與原動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍相適應(yīng)，可采用固定傳動(dòng)比的機(jī)械傳動(dòng)裝置。

c）當(dāng)工作機(jī)構(gòu)要求的調(diào)速范圍比較大，而原動(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。在滿足工作要求的前提下應(yīng)盡量采用有級(jí)變速傳動(dòng)，盡量不用結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)較高的無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)。

2）提供機(jī)械傳動(dòng)效率a）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)、效率高的傳動(dòng)類型；

b）速度降低，中、小功率，要求傳動(dòng)比比較大的工況，可采用單級(jí)蝸桿傳動(dòng)多級(jí)齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)－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，從中選擇效率較高的方案；c）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)輸出軸和工作機(jī)構(gòu)輸入軸平行時(shí)，可采用圓柱齒輪傳動(dòng)，若中心距較大時(shí)可采用帶傳動(dòng)或鏈傳動(dòng)。兩軸平面相交時(shí)可用圓錐齒輪傳動(dòng)，兩軸空間相交可用蝸桿傳動(dòng)，兩軸同軸布置時(shí)可用二級(jí)同軸式圓柱齒輪傳動(dòng)或行星齒輪傳動(dòng)。3）合理安排傳動(dòng)機(jī)械的順序多種傳動(dòng)協(xié)同使用時(shí)，帶傳動(dòng)應(yīng)用在高速級(jí)以降低所傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩；斜齒輪傳動(dòng)常用在高速級(jí)和要求傳動(dòng)平穩(wěn)的場(chǎng)合；圓錐齒輪傳動(dòng)宜用在高速級(jí)以減小尺寸；鏈傳動(dòng)因運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻宜用在低速級(jí)；開(kāi)式齒輪傳動(dòng)因工作環(huán)境差應(yīng)用在低速級(jí)；蝸桿傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)同時(shí)使用時(shí)，宜用在高速級(jí)以節(jié)約有色金屬。4）確保機(jī)械系統(tǒng)安全運(yùn)轉(zhuǎn)工作環(huán)境惡劣，粉塵較多時(shí)，盡量采用閉式傳動(dòng)以延長(zhǎng)傳動(dòng)零件壽命。工作環(huán)境溫度較高或易燃易爆場(chǎng)合不宜采用帶傳動(dòng)等。5）合理分配傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比在進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)方案分析比較中，為確定出最佳方案，可用采用最優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，把設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)問(wèn)題，建立數(shù)學(xué)模型，借助于計(jì)算機(jī)求解得到最優(yōu)方案。也可以采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)法。具體可以參考有關(guān)資料?！?9.5機(jī)械傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算

一、傳動(dòng)系統(tǒng)的效率效率是機(jī)器的一項(xiàng)重要指標(biāo)，也是選擇動(dòng)力機(jī)的依據(jù)之一。一般在設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行效率計(jì)算。傳動(dòng)系統(tǒng)的效率與基本機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)副性質(zhì)以及基本機(jī)構(gòu)的組合方式有關(guān)，基本傳動(dòng)類型的效率見(jiàn)下表。1）串聯(lián)設(shè)k個(gè)機(jī)構(gòu)依次串聯(lián)，各個(gè)機(jī)構(gòu)的效率分別為、、……、則傳動(dòng)系統(tǒng)的效率為：2）并聯(lián)設(shè)k個(gè)機(jī)構(gòu)依次串聯(lián)，各個(gè)機(jī)構(gòu)的效率分別為、、……、則傳動(dòng)系統(tǒng)的效率為：（Wr為輸出功、Wd為輸入功）二、傳動(dòng)系統(tǒng)的功率

功率是選擇動(dòng)力機(jī)以及進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的主要依據(jù)之一。由于所以其中：Pd為傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入功率（kW），由動(dòng)力機(jī)提供。

Pw為傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率（kW），即工作機(jī)構(gòu)的工作功率。

工作機(jī)構(gòu)所需的工作功率應(yīng)根據(jù)機(jī)器的工作阻力和運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算得到。在靜載荷作用時(shí)工作機(jī)影響平穩(wěn)的情況下，工作功率可按下式計(jì)算：或其中：F為工作機(jī)阻力（N）；v為工作機(jī)的線速度（m/s）；T為工作機(jī)的阻力矩（Nm）；

nw為工作機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）；工作機(jī)的效率。如圖所示齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)為例，設(shè)軸承（一對(duì)）和齒輪（一對(duì)）的效率分別為和，各軸的輸入功率分別為PⅠ、PⅡ、PⅢ，則：

PⅠ＝PdPⅡ＝PⅠ＝PdPⅢ＝PⅡ＝PdPw＝PⅢ

＝Pd軸的各級(jí)傳動(dòng)一般都取各自的輸入功率作為計(jì)算的名義功率。

三、傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩

已知軸的輸入功率P以及轉(zhuǎn)速n時(shí)，則轉(zhuǎn)矩為其中：P為軸的輸入功率（kW）；n為軸的轉(zhuǎn)速（r/min）；T為作用于軸上的轉(zhuǎn)矩（Nm）?？芍狠S的轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n成反比。減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩增大，增速運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩減小。傳動(dòng)系統(tǒng)常采用減速傳動(dòng)獲得較大的轉(zhuǎn)矩。四、串聯(lián)聯(lián)接的傳動(dòng)比的分配

當(dāng)電動(dòng)機(jī)選定之后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與工作機(jī)的轉(zhuǎn)速之比即為傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比，串聯(lián)聯(lián)接系統(tǒng)的總傳動(dòng)比等于各子結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)比的乘積，分配傳動(dòng)比時(shí)應(yīng)該考慮以下幾點(diǎn)：1）各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)勻稱合理。如由帶傳動(dòng)和齒輪減速器組成的傳動(dòng)裝置中，一般應(yīng)使帶傳動(dòng)比控制在一定范圍，避免大帶輪尺寸過(guò)大，影響傳動(dòng)質(zhì)量和安裝。2）通過(guò)調(diào)節(jié)各級(jí)傳動(dòng)比，應(yīng)使傳動(dòng)裝置的總體尺寸緊湊、重量最輕。

3）閉式齒輪傳動(dòng)，應(yīng)使各級(jí)大齒輪有合理的浸油深度，以利于各級(jí)齒輪傳動(dòng)得到良好潤(rùn)滑，以及避免某級(jí)大齒輪浸油過(guò)深而增加攪油損失。因此高速級(jí)的傳動(dòng)比應(yīng)比低速級(jí)傳動(dòng)比略大?！?9.6機(jī)械傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)示例

【例】設(shè)計(jì)一連續(xù)工作的帶式輸送機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，要求傳動(dòng)平穩(wěn)、維護(hù)方便、效率高、已知輸送帶的工作拉力F＝7000N，輸送帶的速度v＝0.8m/s，卷筒直徑D＝250mm，效率＝0.96。試設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)方案。

【解】1）確定工作機(jī)需要的功率Pw和卷筒的轉(zhuǎn)速nw

＝5.83（kW）

＝61.11（r/min）2）初定電動(dòng)機(jī)類型和轉(zhuǎn)速初估系統(tǒng)的總效率η為0.8～0.9，需要電動(dòng)機(jī)的功率為：＝6.48～7.29（kW）

根據(jù)Ped≥Pd

，則可以選用的電動(dòng)機(jī)有：Y132S2－2、Y132M－4、Y160M－6三種。以這三種方案比較，見(jiàn)下表：

方案電動(dòng)機(jī)型號(hào)額定功率/kW滿載轉(zhuǎn)速/r˙min-1總傳動(dòng)比重量/N價(jià)格/單位1Y132S2－27.5290047.473012Y132M－47.5144023.69301.23Y160M－67.597015.911201.5綜合考慮傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比、重量、價(jià)格三個(gè)方面的因素，可以看出選用Y132M－4型號(hào)電動(dòng)機(jī)較好。

3）功能分析總傳動(dòng)比為：＝23.6

根據(jù)傳動(dòng)比的大小，可以采用兩級(jí)減速傳動(dòng)。系統(tǒng)的功能是傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩，每級(jí)傳動(dòng)可以作為子功能，可以列出各級(jí)方案矩陣（模幅箱或稱形態(tài)