《机械设计基础》第16章：机械系统方案设计.ppt

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1、第16章 机械系统方案设计,（时间：2次课，4学时）,第16章 机械系统方案设计,教学目标： 机械设计的任务是围绕着开发新的机械产品或改造老的机械产品而进行的，是形成机械产品的第一道工序。机械设计的最终目的是提供满足人们需求、具有一定功能、优质高效、价廉物美，并具有市场竞争力的机械产品。从系统工程的角度考虑机械的设计是现代机械设计方法的主要特点之一。本章将介绍机械系统方案设计的基础知识，通过本章的学习，要求读者： (1)了解机械系统方案设计的过程和具体内容和基于功能原理的机械执行系统的方案设计方法。 (2)了解执行机构形式的设计原理和执行机构协调设计的目的和方法，掌握机械运动循环图的绘制方法。

2、 (3)掌握传动系统的方案设计和原动机选择的基本方法。,第16章 机械系统方案设计,教学重点和难点： 机械系统方案设计的过程。 执行系统的功能原理设计。 执行系统的形式设计。 执行机构的协调设计。 传动系统的方案设计。 原动机选择的基本方法。,第16章 机械系统方案设计,案例导入： 在制药、食品、化工、冶金、陶瓷等行业，常常需要将各种颗粒状、晶体状或者流动性好的粉状原料压制成圆片状(或圆柱状、球状、凸面、凹面等其他各种几何形状)的片坯，其压片成形工艺动作的分解如图16-1所示。 移动料筛至模具的型腔上方，将上一循环已经成型的片坯推出(卸料)，并准备将粉料装入型腔。 振动料筛，将粉料装入型腔。

3、下冲头下沉一定深度，以防止上冲头下压时将粉料扑出。 上冲头下行，进入型腔。 上冲头下压，下冲头上压，将粉料加压并保压一定时间。 上冲头快速退出，下冲头随之将成型片坯推出型腔并停歇待料筛推进到型腔上方时推出片坯，下冲头随之下移，开始下一循环。 本章介绍的机械系统方案设计的方法就是要讨论如何设计构思一个机械系统(粉料压片成型机)，使粉料压片成型整个工作过程(送料、压形、脱离)均自动完成。,第16章 机械系统方案设计,第16章 机械系统方案设计,16.1 概 述 16.2 执行系统的功能原理设计和运动设计 16.3 执行机构系统型式设计 16.4 执行系统的协调设计 16.5 传动系统的方案设计和原

4、动机选择 16.6 实验与实训 16.7 习 题,16.1 概 述,16.1.1 机械系统的组成 16.1.2 机械设计的一般程序,16.1 概 述,从系统工程的角度考虑机械的设计是现代机械设计方法的主要特点之一。所谓系统，是指具有特定功能，相互间具有有机联系，由若干要素构成的一个整体。任何机械都是由若干零件、部件和装置组成的，并具有特定功能的一个特定系统，因其有确定的质量、刚度和阻尼，故又称为机械系统。,16.1.1 机械系统的组成,较为复杂的机械系统基本上是由图16-2所示的子系统构成。 (1)动力系统。包括原动机及其配套装置，是机械系统的动力源，如内燃机、电动机、液压马达、气动马达等。

5、(2)执行系统。包括执行机构和执行构件，它的功能主要是利用机械能来改变作业对象的性质、状态、形状和位置，或对作业进行检测度量等。执行系统工作性能的好坏，直接影响整个系统的性能。 (3)传动系统。把原动机的动力和运动传递给执行系统的中间装置，主要有以下功能：改变运动速度。包括增速、减速和变速(包括有级变速和无级变速)等。改变运动规律、把原动机输出的运动(多数为连续旋转)改变为按某种特定规律变化的连续或间歇运动，或改变运动的方向，以满足执行系统的运动要求。传递动力。把原动机输出的动力传递给执行系统。 (4)操纵和控制系统。使原动机、传动系统和执行系统间彼此协调运动，并准确完成整机功能的装置。操纵系

6、统多指通过人工操作实现上述要求的装置；包括启动、离合、制动、变速、换向等装置。控制系统是指通过人工操作或由测量元件获得的信号，经控制器使控制对象改变工作参数或运动状态的装置，如伺服机构、自动控制装置。良好的控制系统可使机械系统处于最佳工作状态，提高其稳定性和可靠性，并有较好的经济性。 (5)架体支承系统用于安装和支承动力系统、传动系统和操纵系统等的构件或部件。 此外，根据机械系统的功能要求还可有冷却、润滑、计数、行走等系统。,16.1.1 机械系统的组成,图16-2 机械系统的组成,16.1.2 机械设计的一般程序,根据机械设计的进程，其基本程序可以分为设计规划、方案设计、技术设计、施工设计和

7、试制投产等阶段，如图16-3所示。 (1)设计规划。机械设计首先必须明确任务和要求。设计规划阶段的主要任务是在深入调查研究的基础上，对所开发的产品进行需求分析、市场预测和可行性分析，提出进行产品开发性设计的可行性报告，决定产品可以进行开发设计时，随即要提出设计任务书，列出产品要求实现的功能和各项设计要求。 (2)方案设计。就是新产品的功能原理设计，即在功能分析的基础上，通过创新构思、优化筛选，最后能获得较为理想的功能原理方案。方案设计包括产品的功能分析、功能原理求解、方案的综合及评价决策，最后得到一个优化的功能原理方案，并绘制产品的原理方案图或初步总体方案。 (3)技术设计。其任务是将功能原理

8、方案具体化，寻求机器及其零部件的合理结构。此阶段要完成产品的总体设计、部件的结构设计(包括构形、确定材料和尺寸等)，并绘制装配草图。 (4)施工设计。其主要内容是完成产品制造所需的全部图样和技术文件，其中包括由总装草图分拆的零件图，绘制全部生产图样；再经审核后的零件图和部件图，绘制出总装图；编制各类技术文件，如设计说明书和计算书，标准件、外购件、备用件和专用工具明细表，产品试车大纲和验收大纲，包装和运输设计等。 (5)试制投产。通过试制、试验发现问题，反馈信息加以改进，完善设计。 上述机械设计的基本程序可以根据具体设计产品的复杂程度或实际情况予以取舍或增减。 机械系统的方案设计是本章讨论的内容

9、，而机械执行系统的方案设计是机械系统方案设计中最具创造性的工作。因此，本章对机械执行系统方案设计的过程及其创新设计方法作重点介绍。主要包括执行系统的功能原理设计，执行系统的运动设计，执行机构的形式设计，执行系统的协调设计，执行系统的方案评价与决策等。,16.1.2 机械设计的一般程序,图16-3 机械设计的程序,16.2 执行系统的功能原理设计和运动设计,16.2.1 机械的功能原理设计 16.2.2 执行构件的运动设计,16.2 执行系统的功能原理设计和运动设计,要设计一部新的机器，首先应明确它的总功能，然后再将总功能分解，使其成为一系列独立的工艺动作，并配置相应的运动规律，据此选择合适的执

10、行机构，再进行各机构的运动协调设计，最后形成执行机构系统的运动方案。这就是执行系统方案设计的主要内容。,16.2.1 机械的功能原理设计,功能原理设计步骤包括：要明确地给出功能目标，该目标既是设计的依据，也是产品验收的依据；明确任务之后用黑箱法分析系统的总功能，将待求的系统看做未知内容的黑箱，然后用黑箱法解决；总功能确定之后，可进行功能分析和整理，画出功能系统图；从功能系统图中可找到各功能元，并寻求功能元的作用原理；功能元求解可采用形态学矩阵，从多个方案中找出功能原理解；最后，经评价优选出最佳功能原理方案。 设计机械产品时，首先应根据使用要求、技术条件及工作环境等情况，明确提出机械所要达到的总

11、功能；然后拟定实现这些功能的工作原理及技术手段；最后设计出机械系统方案。工作原理方案设计的优劣决定了机械的设计水平和综合性能。因此，如何确定最优的工作原理方案是一件十分困难而又复杂的设计、创新工作。 所谓机械产品的功能，即其用途、性能、使用价值等，它是根据人们生产或生活需要提出来的。在确定机械产品的功能指标时应进行科学分析，以保证产品的先进性、可行性和经济性。 实现同一种功能要求，可以采用不同的工作原理。例如，螺栓的螺纹可以车削、套丝，也可以搓丝。再如齿轮加工设备，其预期实现的功能是在轮坯上加工出轮齿，为了实现这一功能要求，既可以选择仿形原理，也可以采用范成原理。若选择仿形原理，则工艺动作除了

12、有切削运动、进给运动外，还需要准确的分度运动；若采用范成原理，则工艺动作除了有切削运动和进给运动外，还需要刀具与轮坯对滚的范成运动等。选择的工作原理不同，所设计的机械在工作性能、工作品质和适用场合等方面会有很大差异。,16.2.1 机械的功能原理设计,家用缝纫机的发明是一个成功的例子。设计缝纫机的目的是为了缝连布料，这是缝纫机预期实现的功能要求，如果模仿人手穿针引线的缝纫动作，将其作为发明创造缝纫机的起点，那么发明缝纫机的梦想将很难实现。发明家突破了模仿人手的动作，采用摆梭使底线绕过面线将布料夹紧的工作原理，才成功地发明了家用缝纫机，使梦想成真。它的工艺动作十分简单：针杆作往复移动，拉线杆和摆

13、梭作往复摆动，送布牙的轨迹由复合运动实现，这几个动作的协调配合，便实现了缝连布料的功能要求。 不同工作原理的机械，其运动方案也就不同，而且即使采用同一种工作原理，也可以拟定出几种不同的机械运动方案。例如，在滚齿机上用滚刀切制齿轮和在插齿机上用插刀切制齿轮，虽同属范成加工原理，但由于所用的刀具不同，两者的机械运动方案也就不一样。 机械的工作原理确定之后，为了便于设计，应将机械的总功能分解为许多分功能，并形成机械的工艺动作过程(见本章案例导入)。,16.2.2 执行构件的运动设计,根据拟定的工作原理和工艺动作过程构思出能够实现该工艺要求的各种运动规律，确定执行构件的数目、运动形式、运动参数，然后从

14、中选取最为简单适用的运动规律，作为机械的运动方案。运动方案选择得是否适当，直接关系到机械运动实现的可能性、整机的复杂程度以及机械的工作性能，对机械的设计质量具有决定性的影响。因此，它是机械执行系统方案设计中十分关键的一步。,16.2.2 执行构件的运动设计,1.执行构件的数目 执行构件的数目取决于机械分功能或分动作的目的多少，但两者不一定相等，要针对机械的工艺过程及结构复杂性等进行具体分析。如在本章案例导入的粉料压片成型机中，可采用三个执行构件(上冲头、下冲头和料筛)分别实现送料、压形、脱模功能。,16.2.2 执行构件的运动设计,2.执行构件的运动形式和运动参数 执行构件的运动形式取决于要实

15、现的工艺动作的运动要求。常见的运动形式有回转(或摆动)运动、直线运动、曲线运动及复合运动等4种。前两种运动形式是最基本的，后两种则是简单运动的复合。 当执行构件的运动形式确定后，还要确定其运动参数，如直线运动的速度、行程及行程速度变化系数等。执行构件运动形式和参数的选择，一般属于相关专业知识问题，此处不作更深入的讨论。,16.3 执行机构系统型式设计,16.3.1 机构的选型 16.3.2 机构的变异 16.3.3 机构的组合,16.3 执行机构系统型式设计,当根据工艺动作分解，确定了执行机构运动规律后，必须根据各基本动作或功能的要求，选择或创造合适的机构型式来实现这些动作或运动规律。这一工作

16、称为执行机构的型式设计，又称为机构的型综合。在进行机构型式设计时，设计者需要在熟悉各基本机构和常用机构的运动形式、功能特点、适用场合等的基础上，综合考虑执行机构系统的运动要求、动力特性、机械效率、制造成本、外形尺寸等因素，通过机构组合或结构变异等创造构思出结构简单、性能优良、成本低廉的机构。这是一项极具创造性的工作。,16.3.1 机构的选型,机构选型就是选择合适的机构形式，以实现机器所要求的各种执行动作和运动规律。机构的选型方法有两种。 1.按执行构件的运动形式进行机构选型 通常原动机的运动形式和运动参数与执行构件的各种运动形式和运动参数不尽相同。因此，在原动机与执行构件之间必须采用具有不同

17、功能的机构来进行运动参数和运动形式的转换，以实现执行构件的预期动作。,16.3.1 机构的选型,2.按执行机构的功能选择机构选型 有的机器执行动作的功能明确，如夹紧、分度、定位、制动、导向等功能。能实现这些功能分类的常用机构见于各种机械设计手册中，供设计时选用，也可以以手册中所列的各种机构为借鉴，从中得到启发，开阔思路，在已有机构形式的基础上组合创造出新的机构，以实现机构动作的功能要求。,16.3.2 机构的变异,当所选机构不能全面满足对机械提出的运动和动力要求时，或为了改善所选机构的性能或结构时，可以采用下面介绍几种较常用的方法实现机构的变异。 (1)改变构件的结构形状。 例如在摆动导杆机构

18、中，若在原直线导槽上设置一段圆弧槽(如图16-4所示)，其圆弧半径与曲柄长度相等，则导杆在右极位时将作较长时间的停歇，即变为单侧停歇的导杆机构。 (2)改变构件的运动尺寸。 (3)选不同的构件为机架。 这几种变异方法在连杆机构一章中已作过介绍。 (4)选不同的构件为原动件。,16.3.2 机构的变异,图16-4 单侧停歇的导杆机构,16.3.2 机构的变异,在一般的机械中，常取连架杆作为原动件，但如前所述，在摇头风扇的摇摆机构中(如图16-5所示)，却取连杆为原动件。这样做可巧妙地将风扇转子的回转运动转化为连架杆的摇动，从而使传动链大为简化。 (5)增加辅助构件。 对机构增加辅助构件，可以使运

19、动副(特别是组合运动副)按预定的走向(位置)保持接触，实现机构的变异。,16.3.2 机构的变异,图16-5 电风扇的摇头机构,16.3.3 机构的组合,常用机构中，结构最简单的(从动系统一般只有一个杆组)机构通称为基本机构。如四连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、螺旋机构、间歇运动机构和差动轮系等。通常原动件作匀速连续转动，实现执行构件的运动较为简单时可选用一个基本机构。当要实现的运动较为复杂时，可将几个相同型的或不同型的基本机构组合应用，即将原来机构能实现的简单运动经机构组合后使运动合成为所需的复杂运动。基本机构的组合方式有五种。 1.串联式 串联式是将前一个基本机构的输出件与后一个基本机构的输

20、入件固接在一起。其优点是可以改善单一基本机构的运动特性。例如，一个对心曲柄滑块机构没有急回运动特性，而且工作行程中滑块的速度是变化的。如果要求有急回特性，便可如图16-6所示，将一曲柄摇杆机构的输出件3与一曲柄滑块机构(或摇杆滑块机构)的输入件3固接在一起，则该机构的输出件6便具有急回运动的特性了。 串联式组合应用的设计步骤是按框图由右向左进行，即先按输出要求设计后一个基本机构，再设计与原动机相连的前一个基本机构。 2.并联式 并联式是原动件的一个运动同时输入n个并列布置的单自由度基本机构，从而转换成另n个输出运动；而这n个运动又输入给一个n自由度的基本机构，再合成为一个输出运动。在常见的组合

21、中大多n2。如图16-7所示机构是由定轴轮系和曲柄摇杆机构以及差动轮系5-6-7-3-4所组成。该机构用两个并列的单自由度基本机构封闭了二自由度的差动轮系，故属并联式组合方式。,16.3.3 机构的组合,图16-6 机构的串联,16.3.3 机构的组合,(a),(b),图16-7 机构的并联,16.3.3 机构的组合,3.复合式 复合式是原动件的运动一方面传给一个单自由度基本机构和转换成一个运动后，再传给一两自由度基本机构；同时，原动件将其运动直接传给该两自由度基本机构，而后者将输入的两个运动合成为一个输出运动。 4.反馈式 反馈式是原动件的运动先输入多自由度基本机构，该机构的一个输出运动经过

22、一单自由度基本机构转换为另一运动后，又反馈给原来的多自由度基本机构。 如图16-8所示机构即为反馈式机构，由直动从动件槽形凸轮机构(附加机构)2-3-4和带有滑架3的蜗杆机构1-2-4(基本机构)组合而成。其中凸轮2和蜗轮2是一个构件，滑架3同时又是凸轮机构的从动件。蜗杆1既能绕自身轴线转动又能由滑架带着沿轴向移动，故该蜗杆机构实质是一个两自由度的高副四杆机构。机构工作时，蜗杆1转动来自于原动件，沿轴线方向的移动通过凸轮机构从蜗轮反馈。,16.3.3 机构的组合,(a),(b),图16-8 反馈式组合机构,16.3.3 机构的组合,5.叠联式 如图16-9所示的由三个摆动液压缸机构(四连杆机构

23、的一种演化机构)组成的液压挖掘机机构即为叠联式机构。 以上主要介绍如何将原动件的匀速连续转动转变为执行构件所需运动的机构组合的五种基本方式。至于为了满足更高的要求，各种方式可以混合使用。,16.3.3 机构的组合,(a),(b),图16-9 叠联式组合机构,16.4 执行系统的协调设计,16.4.1 执行系统的运动协调设计 16.4.2 机械的工作循环图,16.4 执行系统的协调设计,16.4.1 执行系统的运动协调设计,一部复杂的机械，通常由多个执行机构组合而成。各执行机构不仅要完成各自的执行动作，还必须以一定的次序协调动作，相互配合，以完成机器预期的功能要求。否则将破坏机械的整个工作过程，

24、不仅无法实现预期工作要求，甚至会损坏机件和产品，造成生产和人身事故。因此，应进行执行机构系统运动协调设计。 机构系统运动协调设计主要应满足以下要求。 (1)各执行机构的执行动作在时间上要协调配合。使各执行机构在时间上能保证确定的顺序，而且能够周而复始地循环协调工作。 (2)执行机构系统中各执行机构必须保证其在运动过程中的空间协调性和同步性，即在运动过程中不能发生运动轨迹相互干涉。 (3)各执行机构对操作对象的操作必须满足协同性要求。当两个或两个以上的执行机构同时对同一对象实施操作完成同一执行动作时，各执行机构之间的运动必须协同一致。 (4)对于有些机械，除了要求各执行机构的动作满足时间、空间上

25、的同步性和协同性之外，还必须满足运动速度的协调性。如用范成法加工齿轮时，滚齿机或插齿机中的刀具和轮坯的范成运动必须保证预定的传动比。 (5)在安排各执行机构的动作顺序时应尽量缩短执行系统的工作循环周期，有利于提高劳动生产率。,16.4.1 执行系统的运动协调设计,(6)在确保各执行机构动作按先后顺序执行和时间上的同步性的前提下，为避免因制造、安装等误差造成在动作衔接处发生干涉，在一个机构动作结束到另一个机构动作起始之间应保持适当的时间间隔。 现以粉料压片机为例说明执行机构系统的协调设计(见本章案例导入)。 如图16-10(c)所示，粉料压片机执行机构系统由四个执行机构组成。凸轮连杆机构完成工艺

26、动作、；凸轮机构完成工艺动作；串联六杆机构及凸轮机构配合完成工艺动作、。根据协调设计要求，对各执行机构的运动应作如下协调安排。 (1)各执行机构的动作过程必须按以、的顺序进行。显然，在料筛送料期间，上冲头不能下移，以兔压到料筛，只有在料筛不在上下冲头之间时，冲头才能加压。 (2)为了保证各执行机构在运动时间上的同步性，可将各执行机构的原动件1、4、6、7安装在同一根分配轴上或通过一些传动装置把它们与分配轴相联，整个机构系统可由一个电动机带动，从而使各执行机构的运动循环时间间隔相同，并按确定的顺序周而复始地循环协调工作。如图16-10(b)所示，表示电动机转角，通过分配轴和传动机构(图中末画出)

27、将运动并列分支传给凸轮(1)、凸轮(6)、曲柄7(7)和凸轮(4)。而它们又分别通过机构、输出料筛3的位移s3、下冲头5的位移s5、上冲头9的位移s9和下冲头5的位移。这些位移按顺序实现了压片成型的整个工艺动作过程。,16.4.1 执行系统的运动协调设计,(a),(b),(c),图16-10 粉料压片机的协调设计,16.4.1 执行系统的运动协调设计,(3)由于料筛3和上冲头9的运动轨迹是相交的，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，还应注意其空间位置上的协调性和同步性，以防止在其运动过程中料筛和上冲头相撞。 (4)因上冲头9和下冲头5的操作对象是同一片坯，故在安排这两个构

28、件的运动时，应注意使其协同一致。如上、下冲头同时将粉料加压并保压一定时间。此后上冲头快速退出，下冲头稍后并稍慢地上移将成型片坯推出型腔。否则，若上冲头还未退出下冲头就上移的话，本已成型的片坯就会进一步受压而遭破坏。 (5)为了尽量缩短执行系统的工作循环周期，有利于提高劳动生产率，可在保证不发生干涉的前提下，应尽量使各执行机构的动作部分重叠安排。例如上冲头还未退到上顶点，料筛即可开始移动送进；而料筛尚未完全退回，上冲头即可开始下行，只要料筛和上冲头不发生碰撞(阻挡)即行。,16.4.2 机械的工作循环图,为了保证机械系统在工作时其各执行构件间动作的协调配合关系，在设计机械时应编制出用以表明机械在

29、一个工作循环中各执行构件运动配合关系的工作循环图(也称为运动循环图)。在编制工作循环图时，要从机械中选择一个构件作为定标件，用它的运动位置(转角或位移)作为确定其他执行构件运动先后次序的基准。工作循环图通常有3种形式。 (1)直线式工作循环图。图16-11所示为前述粉料压片机的直线式工作循环图。其横坐标表示上冲头机构中曲柄转角7。这种运动循环图将运动循环的各运动区段的时间和顺序按比例绘在直线坐标轴上。其特点是：它能清楚地表示整个运动循环内各执行机构的执行构件行程之间的相互顺序和时间(或转角)的关系，并且绘制比较简单，但执行构件的运动规律无法显示，因而直观性较差。,16.4.2 机械的工作循环图

30、,图16-11 直线式工作循环图,16.4.2 机械的工作循环图,(2)圆周式运动循环图。图16-12所示为粉料压片机的圆周式运动循环图。它以上冲头中的曲柄7作为定标构件，曲柄每转一周为一个运动循环。这种运动循环图将运动循环的各运动区段的时间和顺序按比例绘在圆形坐标上。其特点是：直观性较强。因为机器的运动循环通常是在分配轴转一周的过程中完成。所以通过它能直接看出各个执行机构原动件在分配轴上所处的相位，因而便于凸轮机构的设计、安装、调试。但是，当同心圆太多时，看起来不很清楚。 (3)直角坐标式工作循环图。图16-13所示为粉料压片机的直角坐标式运动循环图。图中横坐标为定标构件曲柄7的运动转角7，

31、纵坐标表示上冲头、下冲头、料筛的运动位移。实际上它就是执行构件的位移线图，但为了简单起见通常将工作行程、空回行程、区段分别用上升、下降和水平的直线来表示。其特点是能清楚地看出各执行的运动状态及起迄时间，并且各执行机构的位移情况及相互关系一目了然。便于指导执行机构的几何尺寸设计。,16.4.2 机械的工作循环图,图16-12 圆周式工作循环图,16.4.2 机械的工作循环图,图16-13 直角坐标式工作循环图,16.5 传动系统的方案设计和原动机选择,16.5.1 传动类型的选择 16.5.2 传动系统的设计过程 16.5.3 原动机的类型及其运动参数的选择,16.5 传动系统的方案设计和原动机

32、选择,为了使机械执行系统能够实现预期的动作和功能，还需要相应的原动机、传动系统和控制系统。 传动系统位于原动机和执行系统之间，将原动机的运动和动力传递给执行系统。它还起着如下重要作用：实现增速、减速或变速传动；变换运动形式；进行运动的合成和分解；实现分路传动和较远距离传动；实现某些操纵控制功能(如启动、离合、换向等)。关于机械系统的控制涉及更多相关专业知识，可参阅有关文献资料。,16.5.1 传动类型的选择,传动装置的类型很多，选择不同类型的传动机构，将会得到不同形式的传动系统方案。为了获得理想的方案，需要合理选择传动类型。 1.传动的类型和特点 1)按传动的方式分 (1)机械传动。利用机构所

33、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。啮合传动传动比恒定、传递功率大、尺寸小(除链传动外)、速度范围广、工作可靠、寿命长，但加工制造复杂、噪音大、需安装过载保护装置；摩擦传动工作平稳、噪音小、结构简单、容易制造、价格低、有吸收冲击和过载保护能力，但传动比不稳定、传递功率较小、速度范围小、轴与轴承承载大、寿命较短。 (2)液压、液力传动。利用液压泵、阀、执行器等液压元器件实现的传动称为液压传动；液力传动则是利用叶轮通过液体的动能变化来传递能量的。 液压液力传动的主要优点是：速度、扭

34、矩和功率均可连续调节；调速范围大，能迅速换向和变速；传递功率大；结构简单，易实现系列化、标准化，使用寿命长；易实现远距离控制、动作快速；能实现过载保护。缺点主要是：传动效率低，不如机械传动精确；制造、安装精度要求高；对油液质量和密封性要求高。,16.5.1 传动类型的选择,(3)气压传动。以压缩空气为工作介质的传动称为气压传动。 气压传动的优点是：易快速实现往复移动、摆动和高速转动，调速方便；气压元件结构简单、适合标准化、系列化，易制造、易操纵；响应速度快、可直接用气压信号实现系统控制，完成复杂动作；管路压力损失小，适于远距离输送；与液压传动相比，经济且不易污染环境，安全、能适应恶劣的工作环境

35、；缺点是传动效率低；因压力不能太高，故不能传递大功率；因空气的可压缩性，故载荷变化时，传递运动不太平稳；排气噪音大。 (4)电气传动。利用电动机和电气装置实现的传动称为电气传动。 电气传动的特点是传动效率高、控制灵活、易于实现自动化。由于电气传动的显著优点和计算机技术的应用，传动系统也正在发生着深刻变化。在传统系统中作为动力源的电动机虽仍在大量应用，但已出现了具有驱动、变速与执行等多重功能的伺服电机，从而使原动机、传动机构、执行机构朝着一体化的最小系统发展。目前，它已在一些系统中取代了传动机构，而且这种趋势还会增强。 2)按传动比和输出速度的变化情况分 (1)定传动比传动。输入与输出转速对应，

36、适用于执行机构的工况固定，或其工况与原动机对应变化的场合。 (2)变传动比有级变速传动。一个输入转速可对应于若干个输出转速，适用于原动机工况固定，而执行机构有若干种工况的场合，或用于扩大原动机的调速范围。 (3)变传动比无级变速传动。一个输入转速对应于某一范围内无限多个输出转速，适用于执行机构工况很多或最佳工况不明确的情况。 (4)变传动比周期性变速传动。输出角速度是输入角速度的周期性函数，以实现函数传动或改善动力特性。,16.5.1 传动类型的选择,2.拟定机械传动系统方案的一般原则 由于机械功能、工作原理和使用场合等的不同，对传动系统的要求也就不同。选择机械传动系统类型时均应遵循一般原则。

37、 1)采用尽可能简短的运动链 采用简短的运动链，有利于降低机械的重量和制造成本，也有利于提高机械效率和减小积累误差。 2)优先选用基本机构 由于基本机构结构简单，设计方便，技术成熟，故在满足功能要求的条件下，应优先选用基本机构。若基本机构不能满足或不能很好地满足机械的运动或动力要求时，可适当地对其进行变异或组合。 3)应使机械有较高的机械效率 机械的效率取决于组成机械的各个机构的效率。因此，当机械中包含有效率较低的机构时，就会使机械的总效率随之降低。但要注意，机械中各运动链所传递的功率往往相差很大，在设计时应着重考虑使传递功率最大的主运动链具有较高的机械效率，而对于传递功率很小的辅助运动链，其

38、机械效率的高低则可放在次要地位，而着眼于其他方面的要求(如简化机构、减小外廓尺寸等)。,16.5.1 传动类型的选择,4)合理安排不同类型传动机构的顺序 一般说来，在机构的排列顺序上有如下一些规律：首先，在可能的条件下，转变运动形式的机构(如凸轮机构、连杆机构、螺旋机构等)通常总是安排在运动链的末端，与执行构件靠近。其次，带传动等摩擦传动，一般都安排在转速较高的运动链的起始端，以减小其传递的转矩，从而减小其外廓尺寸。这样安排，也有利于起动平稳和过载保护，而且原动机的布置也较方便。 5)合理分配传动比 运动链的总传动比应合理地分配给各级传动机构，具体分配时应注意以下几点。 (1)每一级传动的传动

39、比应在常用的范围内选取。如一级传动的传动比过大，对机构的性能和尺寸都是不利的。例如，当齿轮传动的传动比大于860时，一般应设计成两级传动；当传动比在60以上时，常设计成两级以上的齿轮传动。但是，对于带传动来说，一般不采用多级传动。 (2)当运动链为减速传动时(因电动机的速度一般较执行构件的速度为高，故通常都是减速传动)，一般情况下，按照“前小后大”的原则分配传动比，这样有利于减小机械的尺寸。 6)保证机械的安全运转 设计机械传动系统时，必须十分注意机械的安全运转问题，防止发生损坏机械或伤害人身的可能性。,16.5.2 传动系统的设计过程,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

40、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了。通常其设计过程如下。 (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。 (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

41、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。,16.5.3 原动机的类型及其运动参数的选择,原动机的运动形式主要是回转运动、往复摆动和往复直线运动等。当采用电动机、液压马达、气动马达和内燃机等原动机时，原动件作连续回转运动；液压马达和气动马达也可作往复摆动；当采用油缸、气缸或直线电动机等原动机时，原动件作往复直线运动。有时也用重锤、发条、电磁铁等作原动机。 原动机选择得是否恰当，对整个机械的性能及成本、对机械传动系统的组成及其繁简程度将有直接影响。例

42、如，设计金属片冲制机时，冲头的运动既可采用电动机及机械传动来实现，也可采用液压缸及液压系统来得到，两者性能及成本明显不同。 电动机是机械中使用最广的一种原动机，为了满足不同工作场合的需要，电动机又有许多种类。一般用得最多的是交流异步电动机。它价格低廉，功率范围宽，具有自调性，其机械特性能满足大多数机械设备的需要。它的同步转速有3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min、500r/min等5种规格。在输出同样的功率时，电动机的转速越高，其尺寸和重量也就越小，价格也越低。但当执行构件的速度很低时，若选用高速电动机，势必要增大减速装置，反而可能会造成机械系统总体成本

43、的增加。 当执行构件需无级变速时，可考虑用直流电动机或交流变频电动机。当需精确控制执行构件的位置或运动规律时，可选用伺服电机或步进电机。当执行构件需低速大扭矩时，可考虑用力矩电动机。力矩电动机可产生恒力矩，并可堵转，或由外力拖着反转，故其也常用在收放卷装置中用作恒阻力装置。 在采用气动原动机时，需要气压源(许多工厂有总的气压源)。气压驱动动作快速，废气排放方便，无污染(但有噪音)。气动难获得大的驱动力，且运动精度较差。 采用液压原动机时，一般一台设备就需要一台液压源，成本较高。液压驱动可获得大的驱动力，运动精度高，调节控制方便。液压液力传动在工程机械、机床、重载汽车、高级小轿车等中的应用很普遍

44、。,16.6 实验与实训,实训目的 了解几种典型机械的传动方案、各种零部件在机械中的应用及各种机械的基本结构。 通过对机械的传动方案及结构的分析，掌握机械运动方案和结构设计的基本要求。 培养机械系统运动方案设计能力、结构设计能力和创新意识。,16.6 实验与实训,实验内容 实训1 分析本章案例(如图16-1和图16-10所示)粉料压片成型机执行机构的组合关系。 (1)凸轮连杆机构(如图16-14所示)。 (2)串联六杆机构(肘杆机构，见图16-15)。 (3)下冲头5是凸轮机构及凸轮机构的共同的从动件，两个或两个以上单自由度的基本机构共用一个输出构件输出运动，是一种并联式组合。 实训2 考察同

45、类冲压机械的机构，给出另外两种粉料压片成型机冲压机构的可行运动方案。 实训3 粉料压片成型机生产率为每分钟25片，驱动电机的功率为2.2kW，940r/min，试设计其传动系统方案。,16.6 实验与实训,图16-14 凸轮连杆机构,16.6 实验与实训,图16-15 肘杆机构,16.6 实验与实训,实验总结 通过本章的实验和实训，读者应该能对机械系统的组成有一个全面认识，具有机构选型、传动方案设计的初步能力。,16.7 习 题,简答题 (1)一个机械系统包含哪几个子系统，设计的大致步骤如何？ (2)为什么要对机械系统进行功能分析？对机械系统设计有何指导意义？ (3)什么是机械的工作循环图？可

46、有哪些形式？工作循环图在机械系统设计中有什么作用？ (4)机构选型有哪几种途径？ (5)机构的组合有哪几种方式？ (6)拟定机械传动方案的基本原则有哪些？,16.7 习 题,实作题 (1)如图16-16所示为自动冲压机的示意图。 冲头2的运动循环时间Tl由下列部分组成： T1=t01+td1+tK+td2 式中 t0冲头初始位置上的停息时间； td1冲头前进空程时间； tK冲头工作行程时间； td2冲头回退空程时间。 送料机构的运动循环时间T2由三部分组成： T2=t0+tK+td 式中 t0送料机构停息时间； tK送料机构工进即上料时间； td送料机构回退空程时间。 给定自动冲压机的生产指标为每班1200件。试确定自动冲压机的运动循环时间；绘制自动冲压机的运动循环图。 (2)设计一台盒装食品的日期打印机，食品盒为硬纸板制作，尺寸为长宽高=100 mm30mm60mm，生产率为60件/min。试设计该机械的传动系统方案。,16.7 习 题,图16-16 自动冲压机,Q & A?Thanks!,