1、1,第五章 机械产品的实用化设计,第一节 产品设计核心和外围问题一、产品设计的核心1、设计理解为一个“空间”：整个设计“空间”分为两部分：1）内部空间：设计应遵循的主要阶段，其任务是使设计要求转化为“硬件”以满足需求，这也是设计的最终目的，故称内部空间为设计核心工作。2）外部空间：所列举的问题为对设计的各种要求和应用的技术方法，是设计的外围问题。,2,2、设计含义： 是为提供社会所需的产品进入市场所必要的一系列创新思维和活动。最后以技术文件的形式，提供产品制造依据的全过程工作。 设计活动主要经过以下几个阶段：了解市场需求、拟定设计任务和技术要求、功能原理设计、实用化设计、商品化设计、制造和销售
2、。3、产品设计的核心即核心技术(内部空间设计）： 是指产品实现总功能和主要要求的技术。对不同的机械其核心技术是不相同的。核心技术对于产品设计主要体现为产品的性能指标：,3,a)对于以能量转换为主的机械如动力机械，其主要性能指标是热效率；b)对于轻工机械，常要完成各种繁杂灵巧的动作，其机构设计问题比较突出，主要性能指标是生产率、有节奏地可靠工作、自动化程度高；c)重型机械特点是巨型、重载，其承载能力、强度和刚度是其性能指标；d)对于金属切削机床，主要性能指标是生产率、加工精度和加工范围；e)对于以信号为主的仪器，主要性能指标是灵敏度、精度和稳定性；f)对于以材料转换为主的各种离心机、筛选机和过滤
3、器的主要性能指标是生产效率和分离出物料的纯净度。,4,4、关键技术和核心技术是两个不同的概念：关键技术是实现某种功能过程中需要解决的技术难题。它与核心技术是两个不同的概念，在核心技术中也有关键技术问题。例如，对于板(带)轧钢机：可采用液压弯辊，利用液压缸的压力，在轧制过程中随时根据轧制条件变化迅速对轧辊施以附加弯曲力、使产生附加弯曲变形。为了实现对板厚偏差和板型的合理控制，在轧制过程中希望轧机当量刚度系数K能够根据不同工艺要求随时调整，一般是采用液压压下系统来实现。核心技术问题：液压弯辊和液压压下。关键技术：其中厚度、压力、位置传感器、数据处理系统等组成的电液闭环控制系统则是解决核心技术问题的
4、关键技术(参见图52、图53)。,5,轧钢机主传动装置是由联轴器、减速机、齿轮座和接轴等部件所组成，作用是将电动机的运动和力矩传给工作机座中的轧辊进行轧制。,6,二、设计的外围问题,1、主要设计要求（1）功能要求 （2）适应性要求（3）性能要求（4）生产能力要求（5）可靠性要求（6）使用寿命要求（7）效率要求 （8）成本要求 （9）人机工程要求（10）安全性要求（11）包装、运输要求,2、其它设计要求（1）强度、刚度要求 （2）制造工艺要求（3）零件加工技术要求 （4）工作循环图要求,由销售反馈信息，进行市场分析，改进技术要求，再进行设计的循环，是一个相互作用不断完善的迭代过程，使产品不断地发
5、展。产品设计过程中的各种设计要求，是设计的依据和前提，它们就是设计的外围问题。,9,第二节 实用化设计的任务和主要内容1、实用化设计： 实用化设计是在功能原理设计成熟的基础上，把原理方案结构化、实体化，使原理构思转化为具有实用水平的实体机械达到实用的要求。实用化设计的前期工作：工作原理确定后首先要进行工艺动作构思和分解，初步拟定各执行构件的动作和各动作的相互协调关系，即进行机械运动方案设计和机械简图设计。 该阶段总的任务：完成产品的总体设计、部件、零件设计、完成交付制造的和施工的图样资料，同时编制全套技术文件。,10,2、具体工作： 如果说功能原理设计是产品创新和保证质量的关键，则实用化设计就
6、是得到高质量产品的保证。在实用化设计阶段。工作既要具体化又要精细化，要处理大量的结构设计等方面的问题，主要有： 零部件的形状、装配关系、材料选择、尺寸大小、加工要求、表面处理、总体布置、安装等。这些问题处理合理与否，对产品功能、性能指标和技术经济指标，对机器的强度、刚度、寿命、对靠性、振动、噪声等有着直接的影响。,11,3、实用化设计步骤一般为： 1）绘制总体布置和总装草图； 2）由总装草图画出部件、零件草图； 3）经审核再由零件工作图、部件装配图画出总装图和总图； 4）最后编制技术文件如设计说明书、使用说明书、标准件、外购件明细表等等。,12,第三节 总体设计的基本任务和内容 一、总体设计的
7、基本任务 机械产品设计通过原理方案设计、结构设计，使主要功能得到满足。但是，从系统论观点分析，机器本身不是独立的系统，它不能孤立存在。它需要人操纵和控制，需要人装配和安装。机器工作在环境之中，环境对它有约束，相反机器对环境又施加影响，并受到有关规范和法律限制，它与其它机器还有关联等等。这些问题有些在结构设计中考虑到了，但大部分没有涉及，需要在总体设计中，全面综合考虑。与此同时，总体设计对各部件、零件设计要提出主要参数和设计要求，以保证各部件、零件在设计时满足总体设计各种约束条件。,13,总之：总体设计是产品设计的中心环节，它对机械产品的技术性能、经济指标和外观具有决定意义。总体设计的任务： (
8、1)完善和扩大方案设计和结构设计内容 (2)使各部件、零件得到合理的组合； (3)综合人一机器一环境三者关系，使之协调和适应，以保证全面满足机械产品的技术性能、经济性能和美学性能的所有要求。二、总体设计的内容各种具体机器总体设计内容虽然有所不同，但纵观全局，总体设计内容包括：1）工艺方案的确定。在进行机械总体设计时，应对不同类型的工艺方案进行分析比较，选择符合实际情况的具有先进性的工艺方案。,14,2）确定机器的总体参数总体参数是表明机器技术性能的主要指标，包括机器性能参数和结构参数两方面：（1）性能参数是指生产率、功率和重量等；（2）结构参数是指主要结构尺寸，它由整机外形尺寸、主要部件的外形
9、尺寸及工作机构作业位置尺寸等组成。 对具体机器而言，总体参数内容还更多些，如采煤机的性能参数除了上面所指外，还包括采高、鼓深、滚筒直径、滚筒转速、牵引力和牵引速度等。若机器性能参数和作业位置尺寸有国家或部级标准时，则计算后取值一定要符合上级标准。性能和结构参数的确定，可采用计算法、类比法、相似设计法以及优化设计法等。,15,3)机械运动系统方案设计和确定机械运动简图。根据工艺动作过程选用合适执行机构，完成各个基本运动。再用一定的组合方式构成机械系统来实现产品的功能。机械运动方案就是机械系统的综合。将机械运动方案中各个机构运动尺寸计算确定之后就得到机械运动简图。4）总体布置设计 主要是确定各部件
10、、零件的相互位置和联接方式，并考虑安全操作，整体造型等问题。 5)机械驱动系统(Drive system)设计。根据所需的载荷，从直接承载零件开始，选择或设计机器的工作构件，然后按驱动链的顺序向上，对机构和零件逐个进行设计、直到选择原动机。,16,6）计算整机的平衡和稳定 平衡是指整机处于不同工作状态时，所有机构作用力和重力的合力不超出规定范围。对某些机器如挖掘机，平衡问题实质是确定平衡重的问题。 稳定性是指整机的平衡，是研究机器在工作和行定时是否发生倾翻的可能性。这一点对地面行走机器和工程机械尤其重要。7）动力源特性分析 若设计任务书没有对原动机种类作出明确规定时，应首先确定动力源种类，是电
11、动机还是柴油机或其它，然后再作动力源特性分析。8）人一机一环境系统设计 主要是操作和控制系统设计。,17,9）附属装置设计 为增加机器功能，扩大机器使用范围或减少环境对人机影响而设计附属装置，如井下巷道掘进机增加打铆杆孔的装置，采煤机、掘进机的高压水喷雾灭尘装置10）机器造型设计对机器外形、色彩进行艺术设计，11）产品故障分析和对策12）明确易损件、外购件、标准件13）明确产品包装和运输要求,第四节 确定工艺方案,为了实现同一工艺目的，可以采用不同的工艺方案，各方案决定了设备不同的结构、性能、产品质量、生产率和成本。选择工艺方案时应综合考虑下列问题：1)工艺方案的先进性2)合理的运动规律3)工
12、艺方案实现的可能性和稳定性4)与生产率要求相适应，经济上合理,18,19,第五节 整机总体参数确定,总体参数的确定是产品总体设计的一个重要组成部分，它与机器各部件性能、结构有密切关系。在总体设计过程中，必须首先初步确定总体参数，据此进行各部件的技术设计，最后准确计算出机器的总体参数，但有时总体参数和技术设计需要交叉反复进行。 在确定总体参数时，必须正确处理相互制约的有关参数间关系，例如在矿山工程机械产品中，机重是一个重要性能指标过份减轻机重，势必影响采掘力和机器强度、刚度。反之，过份考虑强度、刚度必然导致机器笨重、经济性差。因此，各参数间要互相匹配和协调，形成一个优化的整体。合理的总体参数应符
13、合下列条件：,20,21,1）先进性与国内外同类产品比较，其主要技术经济指标和工作性能优先；2）实用性满足实际使用要求，可靠度高、维修方便、使用寿命长；3）经济性充分利用发动机功率、节约能源、原材料消耗少，在满足功能的情况下，体积小、重量轻、价格便宜。总体参数包含：生产率Q、功率参数、重量参数、总体结构参数。总体参数的初步确定，可采用理论计算法、经验公式法和相似类比法。,22,一、理论计算法 根据拟定的产品原理方案，在理论分析与试验数据基础上进行分析计算，确定总体参数。 1机械设备的理论生产率Q 机械设备的理论生产率是指设计生产能力。在单位时间内完成的产品数量，就是机械设备的生产率。加工一个工
14、件或装配一个组件所需的循环时间T为：T=tg+tfT为在设备上加工一个工件的循环时间或称工作周期时间；tg 工作时间，即直接用在加工或装配一个工件的时间；tf辅助工作时间，即在一个循环内除去tg 所消耗的时间，如上下料、间歇等所消耗的时间。,23,设备的生产率Q为：2、功率参数(包括运动参数、力能参数)（1)运动参数 机械的运动参数有移动速度、加速度和调速范围等，主要取决于工艺要求： 一般情况是希望速度尽可能地高，但却因受到惯性、振动、定位精度、结构、制造和装配水平，以及新技术应用程度等的影响和限制。,24,机械的速度常由生产率确定，如带式连续输送机，带的运动速度v可由下式确定：,其中：v带的
15、运动速度 (m/s)Q带式输送机的理论生产率 (t/h)s被运物料在输送带上的堆积面积 (m2)散粒物料的堆积密度 (t/m3) c倾角系数，当水平时c=1，倾角为20时 c0.82,25,(2)力能参数 包括承载力(如成型力、破碎力、运行阻力、挖掘力)和原动机功率。工作装置是载荷直接作用的构件,力参数是其设计计算的依据，也是力学性能的主要标志，如30000KN水压机。 1)机器的作用力(承载力) 大部分材料输送操作，机器载荷由加速工件的惯性力载荷、移动工件的摩擦力载荷或材料提升的重力载荷组合而成。而对成型机械、加工机械主要需求的力是用于材料成型或切削加工，下面举例介绍金属成型所需的力。例1：
16、图56表示三种常用于材料弯曲的形式：折边、弯V形和弯U形。要使金属成形必须施加压力到其塑性区，假设所有的应变硬化材料均能完全地弯曲，则弯曲力通常以材料的极限抗拉强度的经验公式来计算。,26,27,例2：设计剪切机时，需要计算最大剪切力Fmax。剪切机的公称剪切力是根据Fmax 确定的。最大剪切力Fmax 为: Fmax Kmax A A被剪切轧件横断面面积(mm2)；max 被剪切轧件金属在剪切温度下的最大剪切应力(Mpa/mm2)； K 考虑由于刀刃磨钝、刀片间隙增大而使剪切力提高的系数。,28,2)原动机功率 反映了机械的动力级别，它与其它参数有函数关系，常是机械分级的标志。也是机械中各零
17、、部件的尺寸(如轴和丝杠的直径、齿轮的模数等)设计计算的依据。 机器需要的输出功率等于机器工作的动力加上所损耗的动力。大部分机器载荷是力(扭矩)以某速度作用一段距离(角度)。如果使用重量大、速度高的工作头，则在载荷中要考虑惯性分量的作用。,29,举例1：如图57所示为机器之输出功率Pmax ，系由一固定力F在t时间内作用一段线性距离x，此种运动如同一个液压臂弯曲金属板。机器输出的功率可表示为：,30,举例2： 图58表示固定扭矩T在瞬间t作用一个角度时机器之输出功率Pmax。此种功率发生在工具机的铣刀切削情况，通常我们考虑机器在刀具轴的输出为扭矩，它可用刀具的切削力与力臂来表示。此种机器的输出
18、功率Pmax为：,31,3重量参数 重量参数包括整机重量、各主要部件重量、重心位置等。它反映了整机的品质，如自重与载重之比，生产能力与机重之比等。重心位置反映了机器的稳定性及车轮轮压分布等问题。 对于定行机械如履带式装载机的重量，主要根据作业时所需的牵引力来确定，同时必须满足地面附着条件和作业、行走稳定性要求，否则机器行走时将产生打滑或倾翻。 机器提供的最大牵引力必须克服工作阻力和总的行走阻力，其表达式为：,32,33,综合举例：下面以矿用蟹爪式装载机为例加以说明。A）组成：蟹爪式装载机由铲板装载部、刮板运输部、履带行走三部分组成，见图51蟹爪式装裁机。,34,35,36,37,38,39,4
19、0,41,B）结构及工作原理：结构：图5-25 所示，主要由蟹爪工作机构、转载机构、履带行走机构、电动机及控制各部运动的液压系统组成。工作原理：蟹爪式装岩机按其工作原理属于侧取式装岩机，其工作机构为一对耙爪，犹如螃蟹的蟹爪，故称蟹爪式装岩机。由于两耙爪交替地耙矿，其动作可看成是连续的，故在装岩机的高度和宽度不很大的条件下有较高的生产率。其行走机构采用履带式，有较高的机动性。装岩机本身带有转载运轮机，可与大容量的矿车配合，使准备、调车等辅助性作业时间减小，机器的操作简单方便。,42,43,C）装载机的种类：（1）按所装物料的性质分为装煤机和装岩机。（2）按工作机构的结构可分为铲斗装载机、耙斗装载
20、机、蟹爪装载机和立爪装载机。常见的是前三种。（3）按所用动力分为电动装载机、气动装载机、液动装载机。目前我国多用电动装载机。（4）按行走方式可分为轨轮式装载机、履带式装载机、轮胎式装载机。,44,D）蟹爪装载机 主要优点是连续装载，生产率高，工作高度很低，适合在较矮的巷道中使用。早期生产的蟹爪装载机，因结构和材质的原因只能用于装煤或软岩。近年来由于采用了合理的结构和优质材料，蟹爪装载机亦可装中硬以上的岩石。,45,E）总体参数计算如下：1）总体性能参数装载机的总体性能参数主要包括生产率、重量和功率等。(1)理论生产率Q 理论生产率是指装载机的设计生产能力，即耙爪满载情况下，将物料从铲板上装入运
21、输机的能力，以每小时装载物料体积计算，其表达式为：Q=60znV,46,(2)机器重量 蟹爪式装载机的重量，主要根据作业时所需的牵引力来确定，同时必须满足地面附着条件和作业、行走稳定性要求，否则机器行走时将产生打滑或倾翻。 机器提供的最大牵引力必须克服铲板与蟹爪插入阻力和总的行走阻力，其表达式为：,47,(3)原动机功率 装载机的总功率由蟹爪机构功率P1、运输机构功率P2、行走机构功率P3和液压功率P4组成，即P P1+P2+P3+P4 各部分功率计算由相应的力、速度、效率等因素决定。,48,4总体结构参数 总体结构参数包括主要结构尺寸和作业位置尺寸。主要结构尺寸是由整机外形尺寸和主要组成部分
22、的外形尺寸综合而成。作业位置尺寸是机器在作业过程中为了适应工作条件要求所需尺寸。例如，矿用蟹爪式装载机总体尺寸，要考虑机器工作条件(巷道尺寸、配套车辆尺寸等)。 总体参数确定，除上面一般理论分分析计算外，还有参数优化计算。例如蟹瓜式装载机总体参数优化： 在满足生产率、工作条件、物料块度等要求的前提下，建立目标函数，使总功率消耗最小。也就是建立性能参数和结构参数与功率消耗之间的函数关系，以便求解出消耗功率最小的总体参数。,49,二、经验公式法 对同类产品参数按概率统计，归纳得出经验公式，然后求解总体参数。在新产品设计中，利用经验系数来确定总体参数，有如下优点：便于比较现有产品的各种参数，从而提出
23、最优数据；有利于老产品更新换代和发展新系列；为计算机辅助设计创造条件。,50,下面以液压挖掘机为例，说明经验公式法。 液压挖掘机的经验设计，一般以斗容量、发动机功率和机重三者之一作为主参数，并依此决定其它参数。国内外学者都习惯以机重G为主参数。通过对国内外百余种液压挖掘机的机重统计分析提出了液压挖掘机各种参数的经验公式，其中K值为经验系数。,51,52,三、相似类比法 采用相似类比法确定总体参数时，是以相似理论为基础，选用国内外先进名牌产品为典型样机，或国内外有关该产品的设计标准，求出相似系数(级差系数)，然后再确定其它主要参数。但应注意相似类比法只适用于同类型产品即结构型式、工作对象、环境条
24、件基本相同者。 相似类比法有以下优点：如果样机的性能参数和结构参数是优选的，则可得到一个优化的系列产品，它简化了设计计算，加快了设计进度，可以迅速研制出新产品。这是仿制性能优良产品的一种有效方法。,53,机器的总体布置，关系到整机的性能、质量和整机的合理性。也关系到操作方便、工作安全和工作效率。因此，总体布置是总体设计中极为重要的内容。 总体布置的任务是合理布置各部件、零件在整机上的位置，按照简单、合理和安全的原则，使其实现工作要求；确定机器的重心坐标，确定总体尺寸。,第六节 机械总体布置设计,54,一、总体布置的基本要求 1保证产品整机的平衡和稳定性能； 2在满足强度、刚度要求的前提下，尽量
25、做到结构紧凑、外形尺寸小、重量轻； 3动力传递路线力求简短、直接，做到传动效率高； 4各部件或零件在装配和使用中，其位置调整、拆装和维修等，力求简单、方便、互锁，保护要安全可靠； 5、司机室的布置，要求操作安全、方便、司机视野开阔、空气净化、温度宜人， 6电气线路、气路、液压管路的布置，要整齐、清楚、醒目， 7机器外形平整、美观、大方、紧凑、色泽调和。,55,二、总体布置型式 总体布置视其机器用途不同，布置型式是多种多样的。但从众多的型式中进行分析和研究，根据顺序、位置、数量、形状、大小等五要素综合考虑，总体布置的型式大致分为如下几类： (1)按照发动机与机架的相对位置，如大客车发动机可分为前
26、置式、中置式、后置式和偏置式； (2)按照主要作业装置轴线方向，如矿用钻机有水平式、垂直式和倾斜式 (3)按照机器主轴的运动轨迹，可分为回转式、直线式和振动式；,56,(4)按机架型式，可分为整体式、剖分式和组合式； (5)按动力传递路线，可分为开式、闭式； (6)按工作机构布置方向，可分为平面和空间式； (7)按照传动方式，可分为单发动机传动、多发动机传动。,57,三、机械化生产线的布置 机械化生产线(参见图59)是按产品工艺过程，把主要机械设备和辅助设备用运输和中间存贮设备等连接起来，组成独立控制和连续生产的系统。,58,机械化生产线由机械设备组成，根据其在生产上的作用及工作特点，机械设备
27、归纳起来可分为下列几种类型：,59,在机械化工艺流程中，存在各种分散的作业，需要解决协调联接的问题。一般说来，机械是以循环的移动作业动作来处理工件的，可以采用连续工艺方法进行作业，如连续轧制、连续浇铸、化工过程等(参见图510)。,60,作业动作是在工件连续运行中进行的，如飞剪、飞锯等，参见图511。,61,过程：当钢筋通过平移式下切刀台进入承料架并触动定长开关后，电磁铁带动转键离合器使飞轮轴与曲柄轴联接，曲柄上的连杆推动平移式下切刀台在四连杆机构的作用下前进。摆动式上切刀片的一端固定在机架上，另一端刃口紧贴在平移式下切刀台的刃口处，当平移式下切刀台沿圆弧轨迹运动时，两刀片刃口相对运动，切断钢
28、筋，曲柄使刀台复位，等待下一次剪切。 分析：该机构设计巧妙，通过四连杆机构可使下切刀台自身平行地且绕摆杆做摆动，是一种飞剪。,上下移动式剪切：该系统主要由承料架、定长开关，电磁铁，转键离合器，曲柄连杆，平移式下切刀台，摆动式上切刀片，制动器等组成，如右图：,62,在机械加工、装配作业和手工操作等很多生产流程中，大多是断续的工艺方法，流程是间歇的因此在移动停止时需要定位及吸收惯性动能，则可用步进运动机构(见图5l2)。,63,移动作业 (Transfer operation)是使工件向处理方向移进。因而，附带而来的是工件的抓取、定位、向下一道工序的送进等。移动方式：1）有直进式(line)：处理
29、大工件的重型机械和加工种类少的作业机械大多采用直进式。如轧制生产线、轻工生产线等。(见图513),64,2）旋转式(rotary)：小件的机械可采用旋转式(见图514)。,65,二、生产作业机械的总体布置 总体布置的任务是合理布置各部件，零件在整机上的位置，按照简单、合理和安全的原则，使其实现工作要求，确定机器重心坐标、确定总体尺寸。 生产作业机械：是指完成作业操作的单体机械。作业操作：是指包括滚轧、挤压、拉拔、剪切、弯曲、包装等多种生产作业。如果称实际作业的部件为工作头(工作构件)，那么作业进行的场所就是工位是工件停止时接受作业的位置。如多工位自动机(见图515、图516）。另外移动式的生产
30、作业机械如挖掘机、装载机等可完成多种作业，但工位是不确定的，没有工位的概念，而有不同的工序。,66,67,五、布置型式举例 示例1：图52是悬臂式掘进机，主要用于巷道掘进，是一种采掘、装载、运输、除尘联合作业的掘进设备。该设备机型种类很多，但在总体布置上有如下共同特点：(1)切割机构由悬臂和回转台组成，位于机器前上部，作业时悬臂能上下、左右回转；(2)装载铲板是在机器下部前方，后接中间刮板运输机，两者组成装运机构，贯穿掘进机的纵向轴线；(3)考虑掘进机的横向稳定平衡，主要部件按掘进机纵向平面对称布置，如电控箱、液压装置分别装在运输机两侧；,68,(4)为保证作业的稳定性，履带位于机器的下部中间
31、，前有落地铲板，后有稳定器支撑，整个机器的重心在履带接地面积的形心面积范围内；(5)为了保护司机安全，同时又便于观察、操作，将司机位置布置在机器后部左例或右侧，这与地面挖掘机明显不同；(6)由于掘进机是地下巷道作业，所以整个机器呈长条形，而且机身越矮越稳定,69,70,示例2：图53是车床布置型式：图(a)是卧式水平布置，用于车削轴类或盘形零件，如普通车床；图(b)是落地式布置，用于大直径盘形或环形零件加工；图(c)是单柱立式布置，用于加工短、粗、重量大的盘形零件；图(d)是双柱立式布置，用于加工长、宽尺寸都较大的零件。 这些不同的布置型式都是由于加工对象不同而决定的。由此可知：工件的重量和大
32、小是影响机械系统总体布置及外观造型设计的重要间索。,71,72,示例3：铣床的总体布置：图219中列出了四种不同的铣床布置型式，它们的特点是：1）图2-19a：升降台卧式铣床，铣刀只作回转运动，工件的三个方向移动分别由工作台、滑鞍和升降台完成。一般用于加工较小的工件；2）图219b：工作台不升降立式铣床，工作台不能升降，只能使工件作纵、横方向运动，上下的运动由铣头完成。适宜于加工较大的工件。3）图219c：横梁移动式龙门铣床，工件随工作台作纵向移动，升降和横向运动出横梁和铣头完成适用于加工大型的工件，4）图219d：地坑式龙门铣床，工件不动，三个方向的运动由龙门架和铣头完成，可加工特大型的工件
33、。,73,74,示例4： 轮式装载机 总体布置的任务是确定装载机各部件位置，控制各部分的尺寸和重量，使载荷分配合理。布置操纵机构及驾驶员座位，校核运动零部件的运动空间，排除干涉。总布置草图通常以下列平面为基准： 1)以车架上平面作为各部件上下位置的基准，也是作为部件垂直方向安装尺寸的基准。 2)以通过后桥中心线并与车架平面垂直的平面作为前后位置的基准，也是部件纵向安装尺寸的基准。 3)以装载机的纵向对称面作为左右位置的基准。 此外地平线通常作为辅助基准，是装载机的高度、离地间隙等尺寸的基准。,75,装载机主要是装载散状物料，并将物料卸入自卸卡车或将物料直接运往卸料地点，装载机有时也承担轻度的铲
34、掘、推土和修整场地等作业。为完成上述工作现代装载机一般是将铲斗及工作装置安装在最前端(如图518)。 发动机布置在装载机的后部，起到配重作用，有利于提高稳定性。发动机的输出端接液力变矩器，再通过万向节和传动轴与前后驱动桥相连。驾驶室布置在工作装置之后的中部。位置应尽量向前，使前方视野开阔，利于作业准确。 为了保证装载机作业的稳定性，使铲斗与料堆相对位置准确，现代装载机不安装弹性悬架，,76,但为防止在凹凸地上行驶时出现车轮悬空现象，使一个驱动桥能上下摆动，即将驱动架铰接于车架上。绝大多数装载机采用四轮驱动，以提高牵引力和能在恶劣地面上行驶。工作装置多采用液压传动。,77,示例5：轧钢机 轧辊是
35、轧机进行轧制的工作头件。在大轧机中它是巨型零件，可达几十吨重，因此，必须具有特殊的轴承、轴承座和机架等起支承作用的零部件。为了保证轧辊开度，还设有压下调整装置，对重量大又要移动的零部件如轧辊和轴承座等都有平衡装置，来消除传动件的间隙减少受力零件的冲击和磨损。轧机的主传动部件有万向连接轴、平衡装置、齿轮座、主联轴器、减速机、电动机联轴器和电动机等(参见图519)。,78,79,80,81,各类轧机轧辊在工作机座中有不同的布置方法(见图520)。,82,一般轧机的轧辊皆作旋转运动，进行纵轧或斜轧，但也可作行星运动如高效的行星轧机(图521)：,83,示例6：食品机械 在食品加工机械中，机械的总布置
36、是多种多样的，属于平面水平转子式的机器有：转子式灌瓶机、夹心糖的转子分装自动机等；属于立体直线式机器有包装散状物料和牛奶的许多自动机。 图5-22所示为包装散状物料的自动机：从卷筒1退下的包装带被圆盘刀2纵向剖开，切开的两条包装带翻转后分别绕过两对导辊5，而后又汇合一起，形成纵缝，由加热器6焊合。通过圆管3向所形成的软袋内装入定量的散状物料，由电熨斗7焊合横缝。依靠辊子8牵引软袋，也就是将软带从卷筒退下，四边均焊合住的装有产品的袋子由剪切装置9割开，然后落入溜槽10。借助光电装置4调整预先印有图案的软带的运动，从而保证图案在袋上的中心位置。,84,该自动机的主要执行机构是沿加工对象自上而下的运
37、动路线来布置的，占地空间小，工艺流程方向与物料重力方向一致。因此，采用立式布置是比较合理的。,85,第七节 机械驱动系统设计 一选择机构的类型和拟定机构简图机构按完成的功能:可分为执行机构和传动机构两大类。执行机构是根据工作头的功能去实现轨迹、运动和力的变换和传递。一般情况下执行机构与动力源有着不同的运动形式，不同的速度和不同的动力等要求，而运动和动力通常要由高速旋转的原动机提供，因此，要满足执行机构的要求，必须进行运动形式的转换和变速。这就要有相应的传动机构来完成。传动机构联系起来，就组成了传动链，传动链可能是一条或若干条，汇总起来就构成了设备的传动系统。,86,1机械传动系统 它包括定传动
38、比机构、变速机构、运动转换机构和操纵控制机构等几部分组成。按其能量流动路线的不同，传动系统可分为：(1)单流传动 单流传动是指动力输出能量依次经过每一个传动件的传动形式。这样传动级数越多。传动效率就越低。因此多用于小功率、传动链短的机器。单流传动框图如图523。,87,(2)分流传动 分流传动是指动力输出的能量分成多个分支传到各执行机构的传动形式，显示分流传动有利于灵活安排传动线路、提高传动效率、缩小传动件的结构尺寸，一般适合于执行件较多的机器。图524所示(3)汇流传动 所谓汇流传动就是动力源经几条线路汇交于执行机构，图524。,88,这种能量流动路线的特点是将低速、重载、大功率机器的动力源
39、配备为多台中小型动力机，以减小传动机构提高传动效率。使执行机构有效地完成所需的复合运动形式及速度变化节拍，然而为了保证各动力机均载和同步，要在结构系统中设有浮动或柔性的构件。(4)混流传动 所谓混流传动，就是传动系统中既有分流传动又有汇流传动，是前述三种传动形式组合的传动系统。 对于轻工机械多采用一个原动机带动多个执行机构如图5-26。而重型机械常采用一个原动机带动一个执行机构，如单独驱动的起重机运行机构(如图5-27)，有时甚至用多个原动机共同驱动一个执行机构，如图5-28、图5-29。,89,90,图5-28为悬挂式多点啮合柔性传动，用于转炉、回转窑等多种重型机械上用多个各自带有初级减速器
40、的小齿轮带动同一个末级大齿轮。这样可以大大减小末级大齿轮和整套机构的尺寸和重量而轴的挠曲变形不影响齿轮副的正常啮合，悬挂箱体则用柔性防扭装置来支承。因而传动平稳，降低了动载荷，安全性能也好。,91,2机械传动链的类型 设计机械传动系统时，首先要考虑采用什么样的传动路线(即传动链)来保证所需的运动。图530和图531为自动机械原理图，它表示了传动链的情况。u1、u2为“换置器官”，它代表定传动比或变传动比的传动机构。外联传动链：联系动力源和执行件(如机械主轴或分配轴)的传动链、是运动和外部(动力源)的联系，称为外联传动链。内联传动链：复合运动的内部联系，如分配轴至各执行件，称为内联传动链。只有复
41、合运动才有内联传动链，无论是简单运动还是复合运动都必须有一条外联传动链。,92,如：图5-30中的ul和u2均为外联传动链。而从分配轴至各执行件，都可以看作为内联传动链，图5-31的u2为内联传动链，它决定加工对象的特性，如螺纹的导程等。,93,所以内联传动链必须用传动比准确的传动副，而不能用摩擦传动副(如带、摩擦无级变速器)、液压传动等。外联传动链则没有这种要求，传动比的误差对加工或处理产品的质量不会有什么影响。因此可以用传动比不太准确的传动副。设计外联传动链时，主要应保证要求的速度和传递的功率；设计内联传动链时主要应保证传动比精度。两者考虑的重点是个同的。 二、机械驱动系统的设计步骤 机器
42、的驱动系统又称传动系统，它是指原动机、传动机构、工作机构和工作构件的整个机械系统，图532为驱动系统的设计步骤。,94,95,第八节 机械的总体设计实例粒状巧克力糖包装机设计一、原始资科1产品(如图533所示)本机的加工对象是圆台形柱状巧克力糖2包装材料巧克力糖采用厚为0.008mm的金色铝箔卷筒纸。3关于自动机生产能力的要求根据给定生产定额每班产570kg。约合自动机正常生产率为120块min。采用无级调速自动机的生产率可调范围为70130块 min 。,96,二、包装工艺的确定 对人工包装动作顺序进行加工提高，使能适合机械动作要求。巧克力糖不能采用料斗式上料机构，要求解决白动上料问题。第一
43、次工艺试验采用刚性整体锥形模腔。迫使铝箔纸紧贴巧克力糖的圆锥面上。结果发现糖块粘模、破纸等问题，第二次工艺试验时，将刚性的锥形模腔收成具有一定弹性的钳糖机械手夹子。组成了比较完善的工艺方案。 三、包装机总体设计 1机型选择 从产品的数量看，属于大批量生产。因此，选择全自动机型。,97,从产品工艺过程看，选择回转式工艺路线多工位自动机型。 根据工艺路线分析，实际需要两个工位，一个是进料、成型、折边工位，另一个是出料工位。自动机采用六槽槽轮机构作工件步进传送。 2自动机的执行机构 根据巧克力糖的包装工艺，可确定自动机执行机构为送糖机构、供纸机构、接糖和顶糖机构、抄纸机构、拨糖机构、钳糖机械手的开合
44、机构、转盘步进传动机构等七种。,98,(1)机械手及进、出糖机构 如图534所示送糖盘7从输料带10上取得糖块，并与钳糖机械手反向同步旋转至进料工位I，经顶糖、折边后，产品被机械手送至出糖工位II 后落下或由拨糖杆推下。 机械手开闭由机械手开合凸轮1控制，该凸轮的轮廓线是由两个半径不同的圆弧组成，机械手的夹紧主要靠弹簧力。,99,(2)顶糖和接糖机构 图535。接糖杆的运动，不仅具有时间上的顺序关系，而且具有空间上的相互干涉关系。因此它们的运动循环设计必须遵循空间同步化的设计原则，在结构设计时应予以充分重视。 此外，当接糖杆与顶糖杆同步上升时应使糖块上夹紧力不能太大、以免损伤糖块，同时，应使夹
45、紧力保持稳定。因此在接糖杆的头部采用橡皮类弹性元件制成。,100,(3)抄纸和拨糖机构 抄纸和拨糖机构如图536所示。,101,（4)工位间步进传送机构 工件在工位间的步进传送，即钳糖机械的间歇转位由六槽槽轮机构带动两组螺旋齿轮副分别传动机械手的转盘和送糖盘见图5-38,102,3、巧克力糖包装机的总体布置 将上述各机构组装在一起，形成巧克力糖包装机的总体布置如图5-37所示。,103,4、巧克力糖包装机传动系统设计 粒状巧克力糖包装机系专用自动机。宜采用械传动方式。图538为该机的传动系统图。,104,5、粒机状巧克力糖包装机的工作循环图巧克力糖包装机的工作循环图如图5-39所示。随后的结构设计包括总装配图、部件装配图和零件工作图的设计等此处从略。,
