第15章 机械系统设计概论

第15章15.1 概述

机械系统设计概论

15.2 机械系统的方案设计和总体设计 15.3 机械传动系统设计

本章学习目标学习和了解机械系统的组成，机械系统设计的任务 及机械系统设计的一般过程；机械系统方案设计的内容 及方法与机械系统总体设计的内容及方法；机械传动系 统的特性和参数及方案设计。

本章学习要求掌握：机械系统的组成；机械系统的方案设计内容和方法，重点掌握“黑箱”图和功能结构图的表示方法；机 械系统总体设计的内容和方法；重点掌握机械传动 系统的特性和参数及机械传动方案的设计。 了解：机械系统设计的任务及机械系统设计的一般过程。

15.115.1.1 机械系统的组成动力系统 是机械系统 工作的动力源，包括动 力机及其配套装置。

概述动力系统传动系统 执行系统

执行系统 是改变作业对象的 操纵和控制系统 性质、状态、形状或位置， 或对作业对象进行检测、度量等，包括执行机构和执行构件。 传动系统 是传递运动与动力的装置，通过它把动力机的运动 与动力传递给执行系统。 操纵和控制系统 是为了使动力系统、传动系统、执行系统 彼此协调运行，并准确可靠地完成整机功能的装置。

15.1.2 机械系统设计的任务 从系统的观点出发 ; 合理确定机械系统的功能 ; 提高可靠性 ; 提高经济性 ; 保证安全性 。

15.1.3 机械系统设计的一般过程 计划阶段 ; 外部设计阶段 ; 内部设计阶段 ； 制造销售阶段 。

15.1.3 机械系统设计的一般过程 计划阶段 ; 外部设计阶段 ; 内部设计阶段 ； 制造销售阶段 。

15.2 机械系统的方案设计与总体设计15.2.1 机械系统的方案设计1.研究给定的设计任务 2.设计任务抽象化输入 对外界的影响

物料能量 信息

待设计的技术系统 (黑箱)

物料能量信息 输出

来自外界的影响

黑箱示意图试件

变形后的试件

加载能量

利用力和变形 关系检验试件

变形能 力信号 变形信号

信息

材料试验机黑箱示意图

3. 确定工艺原理 4. 确定技术过程 5. 引进技术系统并确定系统边界能量转换为 力和位移

加载能 量 控制信 号

测力

力信号

测变形

变形信 号

试件加载试 件

变形能变形后的试件

材料试验机的四个主要分功能

辅助能量

标准量

比较标准 和实际值

测量值

测力

力信号

放大

加载能量 控制信号

能量转换为 力和位移

调节能 量大小测变形 变形信号

能耗

试件装卡 试件加载试件

变形能 变形后的试件

材料试验机完善的功能结构图

6. 确定基本结构布局 7.方案评价

15.2.2 机械系统的总体设计1.总体布置设计

基本要求：保

证工艺过程的连续和流畅；降低质心 高度、减小偏置；保证精度、刚度，提高抗振性及热稳 定性；充分考虑产品系列化和发展；结构紧凑，层次分 明；操作、维修、调整方便；外形美观。

铣床总体布置型式简图

升降台卧式铣床

工作台不升降立式铣床

横梁移动式龙门铣床

地坑式龙门铣床

2. 总体主要参数的确定 尺寸参数 主要指影响机械系统性能的一些重要尺寸，如 总体轮廓尺寸、特性尺寸、工作行程、主要安装连接尺寸 等。可用联系尺寸图示出。 运动参数 一般指执行构件的速度及调速范围等，如机床 主轴转速、工作台、刀架移动速度 。 动力参数 一般指动力源参数，如电动机、液压马达的功 率及其机械特性 3. 绘制总体设计图及编写设计文件

15.3 机械传动系统设计15.3.1 机械传动的特性和参数1. 转速和圆周速度πnd 60 1000

2. 传动比 3. 功率和转矩

F P 1000

P T 9550 n

4. 功率损耗和传动效率

15.3.2 机械传动的方案设计1. 传动类型的选择 2. 传动顺序的布置 3. 总传动比的分配

i i1 i2 i3 ik15.3.3 机械传动方案设计实例例 15-1 一台带式运输机，已知驱动滚筒所需的转矩 N· m, D 400 带速为2m/s,滚筒直径 mm,载荷平稳，常温单向 连续转动。试确定机械传动方案，选择电动机，计算总传 动比并分配各级传动比，计算各轴功率、转速和转矩。T 420

1. 选择机械传动的类型和拟定总体布局方案 60 1000 60 1000 2 nd nw 95.49 i' πD π 400 nw

r/min

电动机的同步转速一般有 3000r/min、 1500r/min、1000r/min、750r/min

i'

nd 750 3000 7.85 ~31.42 ~ nw 95.49 95.49

三种传动方案

(a)

(b)

(c)

2. 选择电动机P0 Pw

(a)

Tnw 420 95.49 4.20 9550 9550 2 3 g x c2 s 0.972 0.993 0.992 0.97 0.868 Pw

(b) b g x2 c s 0.96 0.97 0.992 0.99 0.97 0.8762 (c) n x c2 s 0.8 0.992 0.992 0.97 0.745

(a) P0 Pw 4.20 0.868 4.84kW (b) P0 Pw 4.20 0.876 4.79kW (c) P0 Pw 4.20 0.745 5.64kWPe 5.5kW

Pe 5.5kW

选择b方案Pe 7.5kW

ne 960

3. 总传动比及其分配i ne nw 960 95.49 10.05ib 2.5

ig i ib 10.05 2.5 4.02

4. 传动系统各轴的转速、功率和转矩各轴转速nI ne ib 960 2.5 384nw nII nI ig 384 4.02 95.52

各轴的输入功率 P0 4.79kW PI P0 b 4.79 0.96 4.60kWPII P0 b g x 4.79 0.96 0.97 0.99 4.42kW2 Pw P0 b g x c 4.79 0.96 0.97 0.992 0