机械总体方案设计步骤解析

一、拟定机械执行机构方案

机械执行机构方案设计是机械总体方案设计的核心，也是机械设计工作的基础。执行系统方案设计的好坏，对机械能否完成预期的功能目标，起着决定性的作用。

1.机械执行系统方案设计应满足以下基本要求：

（1）保证设计时提出的功能目标。

（2）足够的使用寿命和强度、刚度要。

（3）各执行机构应结构合理、配合协调。

2.机械执行系统方案设计的设计过程如下：

（1）选定工作原理。

根据机器功能要求选择其工作原理。例如加工螺纹，可以车削，也可以用丝锥或者板牙攻丝，还可以滚压。加工齿轮，可以用仿形原理，也可以用展成原理。可见，工作原理不同，设计出来的机器也不同。

（2）选择执行机构的类型。

所谓机构的选型，就是将前人创造发明的数以千计的各种机构，按照运动特性或动作功能进行分类，然后根据设计对象中执行构件所需要的运动特性和动作功能进行搜索、选择、比较和评价，选出执行机构的合适形式。

执行机构选型时首先要考虑的因素是按照执行构件所需的运动形式和运动变换功能的要求，从各种常用机构中进行选择、分析和比较，满足运动形式的变换和功能的实现。

工作原理选定后，就需要正确地选择和设计实现它的机构组合，运动形式不同，机构类型的选择就不同。事实上，即使是同一种运动形式，也可由不同的机构来实现。例如直线移动，可以用齿条齿轮机构实现，也可用螺旋机构或直动从动件凸轮机构来实现。所以在具体的机构选择和设计时，应综合考虑各种要求，对各种常用机构进行分析比较，以便合理地选择应用。

表7－1列出了常见运动形式变换及对应的基本机构。

表7－1　常见运动形式变换及对应的基本机构

3.执行系统协调设计

为了完成机械系统的预定功能和生产过程，各执行机构不仅要完成各自的执行动作，而且相互之间必须协调一致。

1）执行系统协调设计的原则

（1）满足各执行机构动作先后顺序的要求。

（2）满足各执行机构动作在时间上的同步性要求。

（3）满足各执行机构在空间布置上的协调性要求。

（4）满足各执行机构操作上的协同性要求。

（5）各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率。

（6）各执行机构的布置有利于系统的能量协调和效率的提高。

2）执行系统协调设计的步骤

（1）确定机械的工作循环周期。

（2）确定在一个运动循环中各个执行构件各行程段及所需时间。

（3）确定各执行构件动作时间的协调配合关系。

3）机械运动循环图

机械运动循环图描述了各执行构件运动间相互协调配合关系。在编制机械运动循环图时，必须选取机构中某一主要的执行构件作为参考件，取其有代表性的特征位置为起始位置，作为确定其他执行构件相对于该主要执行构件运动的先后次序和配合关系的基准。机械运动循环图是设计机器的控制系统和进行机器调试的依据。

二、选择原动机

原动机的选择，主要依据机械系统的工作环境（温度、湿度、粉尘、酸碱等）、工作特点（启动频繁程度、启动载荷大小等），并考虑各种电动机的特点及供应情况来确定。原动机的运动形式比较单一，一般是回转运动或往复直线运动。电动机、内燃机、液压马达、气动马达等原动机为回转运动；往复式液压缸或气缸等原动机为直线运动。在各种原动机中，由于交流异步电动机具有结构简单、价格低廉、运行可靠、效率高和使用控制方便等优势，因而在一般机械中广泛选用。通常所选用的电动机，其同步转速有3000r／min、1500r／min、1000r／min、750r／min等几种。当输出功率相同时，转速越高，电动机自重越轻、体积越小、价格越低廉。在工作环境无电源的场合，可选用内燃机作为原动机。内燃机多用于工程机械、农业机械、车辆和船舶等。内燃机的缺点在于排气污染环境、噪声大、结构复杂。原动机的选择是否恰当，对整个机械的性能、机械系统的组成及繁简程度将有直接的影响。

三、拟定机械传动系统方案

机械传动系统的方案设计是机械系统方案设计中至关重要的一个环节。传动系统方案设计的好坏，在很大程度上决定了所设计机械产品是否先进合理、质高价廉及具有市场竞争力。在完成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。

1.传动系统方案设计过程

（1）确定传动系统的总传动比。

（2）选择传动类型。

（3）拟定传动链的布置方案。

（4）分配传动比。(www.xing528.com)

（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，为各级传动装置的结构设计、强度计算和传动方案评价提供依据和指标。

（6）绘制传动系统运动简图。

2.传动类型的选择

1）传动的类型

传动的类型主要有机械传动、液压、液力传动、气压传动和电气传动等。

2）机械传动类型的选择

机械传动类型的选择关系到传动系统的方案设计和工作性能参数。技术经济指标是确定传动方案的主要因素，只有通过对多种传动方案的技术经济指标作细致的综合分析和对比，才能比较合理地选用机械传动的类型。

（1）机械传动类型选择的依据。

①执行系统的性能参数和工况要求。

②原动机的机械特性和调速性。

③对机械传动系统的性能、尺寸、重量和安装布置的要求。

④工作环境（例如高温、低温、潮湿、粉尘、腐蚀、易燃、防爆等）的要求。

⑤制造工艺性和经济性（例如制造和维修费用、使用寿命、传动效率等）的要求。

（2）机械传动系统选择的原则。

①简化传动环节。

a.当原动机的功率、转速或运动方式完全符合执行系统的工况和工作要求时，可将原动机的输出轴与执行机构的输入轴用联轴器直接连接。

b.在固定传动比的机械传动系统中，若原动机可调速而执行系统的工作载荷又变化不大，或执行系统有调速要求并与原动机的调速范围相适应，则可采用固定传动比的机械传动装置。

c.当执行系统要求的调速范围较大，或用原动机调速的机械特性不能满足要求时，可采用可调传动比的机械传动装置。

②提高机械传动效率。

a.对高速、大功率、长期工作的工况，应选用承载能力高、传动平稳、传动效率高的传动类型。

b.对速度较低、中小功率、要求传动比较大的工况，可采用单级蜗杆传动、多级齿轮传动、带－齿轮传动、带－齿轮－链传动等多种方案，并进行分析比较，从中选择综合性能较好的方案。

c.传动比较大时，应优先选用结构紧凑的蜗杆传动和行星齿轮传动，原动机输出轴和执行机构输入轴平行时，可采用圆柱齿轮传动；中心距较大时，可采用带传动或链传动。

③确保机械系统安全运转。

3.传动链的方案设计

1）传动机构顺序的合理安排

（1）带传动为摩擦传动，承载能力较小，传递相同转矩时，结构尺寸较其他传动形式大。

（2）链传动由于瞬时传动比不断变化，致使运动不均匀，有冲击，故不宜用于高速级，应布置在低速级。

（3）蜗杆传动的传动比大，传动平稳，效率较低，适用于中、小功率和间歇运转的场合。

（4）锥齿轮加工困难，特别是大模数锥齿轮，因此只在需要改变轴的方向时才采用，且应尽量布置在高速级，并限制其传动比，以减小其直径和模数。

（5）斜齿轮传动的平稳性较直齿轮传动好，常用在高速级或要求传动平稳的场合。

（6）开式齿轮的工作环境较差，润滑条件不好，磨损较严重，寿命短，应布置在低速级。

2）各级传动比的分配

（1）各级传动的传动比都应在各自允许的合理范围内，以保证符合各种传动形式的工作特点并使其结构紧凑。

（2）分配各种形式的传动比时，应注意使各传动零件尺寸协调，结构匀称合理，不会造成互相干涉碰撞。

（3）当传动链较长、传动功率较大时，应使大多数传动在较高速度下工作，然后在进行较大的减速，使较少数量的传动在低速下工作。

（4）对于两级或多级齿轮减速器，传动比的合理分配直接影响减速器外廓尺寸的大小、承载能力能否充分发挥，以及各级传动零件润滑是否方便等。

四、绘制机械系统方案运动简图

拟定执行机构、原动机和传动系统方案之后，即可对总体进行布局，绘制机械系统方案运动简图，完成机械系统方案设计的全过程。