机械系统的载荷特性及动力机的选择
机械系统设计试题及答案1179391565
《机械系统设计》习题选集机械设计教研室第一章1．系统的概念。
2．系统的特点。
3．机械系统的特性。
4．从流的观点出发，机械系统的组成。
5．机械系统设计的特点。
6．机械系统设计的基本思想。
7．机械系统设计的一般过程。
第二章1．总体设计过程中应形成的基本技术文件。
2．设计任务的类型。
3．设计任务的来源。
4．试拟定播种、施肥机的设计任务书。
5．画出播种、施肥机的功能构成图。
6．试建立播种、施肥机的功能树。
7．形态学矩阵的概念。
8．试建立挖掘机的形态学矩阵，并根据总体方案确定的基本原则，确定几种合理的方案，并作简要说明。
9．机械系统方案评价的基本原则。
常用的评价方法。
10．在某机器设计中，有两种备选方案，为了确定选择哪个方案，组织了一个由20位专家组成的评价小组用模糊综合评价法对两个方案进行评价。
已知：1)评价指标：产品性能（B1）、可靠性（B2）、使用方便性（B3）、制造成本（B4）、使用成本（B5）；每个评价指标划分为优、良、中等、较差、很差5个等级：0.9，0.7，0.5，0.3，0.1；2)评价指标B1、B2、B3、B4、B5的权分别为：0.25、0.2、0.2、0.2、0.15；3)投票结果如下表所示：11．总体布置的基本原则。
12．总体布置的基本形式。
13．试分析手扶拖拉机的总体布置方案。
14．机械系统常用技术参数及指标的类型。
第三章1．物料流系统的基本概念。
2．物料流设计在机械系统设计中的重要地位。
3．物料流系统的组成。
4．简述常用存储子系统。
5．简述常用输送、搬运子系统。
6．简述六点定位规则。
7．夹紧装置的组成。
8．试结合生产实习中所见的一种物料系统，分析制造系统物料流系统的组成。
9．如图所示，某物料流系统设计时，要把工件从A工位送至B工位，请提出你自己的设计方案。
注意：1)工件输送过程中姿态要求保持不变；2)需要给出方案简图。
第四章1．简介机械系统能量流理论。
试结合机械工作过程的能量损失论谈一谈曲柄压力机设计中的动力机容量选择问题。
机械系统动力学特性的模态分析
机械系统动力学特性的模态分析机械系统动力学是研究物体在受到外力作用下的运动规律和机械系统动态特性的学科。
其中，模态分析是一种重要的方法，用于研究机械系统的固有振动特性。
本文将介绍机械系统动力学特性的模态分析方法及其应用。
一、模态分析的基本概念模态分析是研究机械系统振动模态的一种方法。
模态是指机械系统在自由振动状态下的振动形式和频率。
模态分析通过分析机械系统的初始条件、约束条件和外力等因素，确定机械系统的固有频率和振型，并进一步得到机械系统的振荡特性。
二、模态分析的基本步骤模态分析一般包括以下几个步骤：1. 系统建模：根据实际情况，将机械系统抽象为数学模型，包括质量、刚度、阻尼等参数。
2. 求解特征值问题：通过求解系统的特征值问题，得到系统的固有频率和振型。
3. 模态验算：将得到的固有频率和振型代入原始方程，验证其是否满足振动方程。
4. 模态分析：通过对系统的振动模态进行进一步分析，得到系统的动态响应和振动特性。
三、模态分析的应用模态分析在机械工程领域有广泛的应用。
主要包括以下几个方面：1. 结构优化设计：通过模态分析，可以评估机械系统的固有频率和振型，判断系统是否存在共振现象或其他异常振动情况，为结构设计提供依据。
2. 动力学特性分析：通过模态分析，可以了解机械系统的振动特性，包括固有频率、阻尼特性和模态质量等指标，为系统的动力学性能评估和优化提供依据。
3. 故障诊断与预测：模态分析可以用于机械系统的故障诊断和预测。
通过对机械系统振动模态的变化进行监测和分析，可以判断系统是否存在故障，并提前发现潜在的故障。
4. 振动控制技术：通过模态分析，可以了解机械系统振动的特征，并采取相应的振动控制措施。
比如调节系统的阻尼、改变系统的刚度等，来减小系统的振动幅度，提高系统的稳定性和工作性能。
四、模态分析存在的问题与挑战模态分析作为一种成熟的技术方法，仍然面临一些问题和挑战。
例如，模态分析需要对机械系统进行精确的建模，包括质量、刚度和阻尼等参数的准确度和全面性。
机械系统设计课后答案
机械系统设计课后答案【篇一：机械系统设计习题(有答案版)】：具有特定功能的、相互间具有一定联系的许多要素构成的一个整体，即由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体都是系统。
2、机械系统的组成：1、动力系统。
2、执行系统。
3、传动系统。
4、操纵、控制系统。
5、支承系统。
6、润滑、冷却与密封系统。
3、产品设计类型：完全创新设计、适应性设计、变异性设计。
4、机械系统的设计要求：功能、适应性、可靠性、生产能力、使用经济性、成本六方面的要求。
5、产品的产生过程分哪几个阶段？产品策划---产品设计---产品生产---产品运转---产品报废或回收。
6、产品的设计过程分哪几个阶段？功能原理方案设计阶段---结构总体设计阶段---技术设计阶段第二章机械系统总体设计1、功能原理方案设计步骤设计任务-求总功能-总共能分解-寻求子功能解-原理解功能-评价与决策-最佳原理方案2、什么是“黑箱法”：根据系统的某种输入及要求获得某种输出的功能要求，从中寻找出某种物理效应或原理来实现输入-输出之间的转换，得到相应的解决方法，从而推求出“黑箱”的功能结构，使“黑箱”逐渐变成“灰箱”、“白箱”的一种方法。
3、功能元、功能结构功能元：在一个系统中，总功能可以分解为一些分功能，其中可以分解到最低层次的分功能，并且分解到最后不能再分解的基本功能单位叫做功能元。
功能结构：将总功能分解为分功能，并相应找出实现各分功能的原理方案，从而简化了实现总功能的原理构思。
反之，同一层次的功能单位组合起来，应能满足上一层次功能的要求，最后组合成的整体应能满足总功能的要求。
这种功能的分解和组合关系称为功能结构。
4、机械系统总体参数包括哪些性能参数、结构参数、尺寸参数、运动参数、动力参数。
5、七个标准公比为：1.06、1.12、1.26、1.41、1.58、1.78和2。
第三章执行系统设计1、执行系统的组成：由执行末端和与之相连的执行机构。
2、以机床执行轴机构——主轴组件为例介绍执行轴机构设计的内容和要求。
联轴器的选用注意事项
联轴器的选用注意事项联轴器是指联接两轴或轴与回转件，在传递运动和动力过程中一同回转，在正常情况下不脱开的一种装置。
有时也作为一种安全装置用来防止被联接机件承受过大的载荷，起到过载保护的作用。
联轴器的选用注意事项(一)动力机的机械特性动力机到工作时之间，通过一个或数个不同品种或不同型式、规格的联轴器将主、从动端联接起来，形成轴系传动系统。
在机械传动中，动力机不外乎电动机、内燃机和汽轮机。
由于动力机工作原理和结构不同，其机械特性差别很大，有的运转平稳，有的运转时有冲击，对传动系统形成不等的影响。
动力机的机械特性对整个传动系统有一定的影响，不同类型的动力机，由于其机械特性不同，应选取相应的动力机系数KW，选择适合于该系统的最佳联轴器。
动力机的类别是选择联轴器品种的基本因素;动力机的功率是确定联轴器的规格大小的主要依据之一，与联轴器转矩成正比。
固定的机械产品传动系统中的动力机大都是电动机，运行的机械产品传动系统(例如般舶、各种车辆等)中的动力机多为内燃机，当动力机为缸数不同的内燃机时，必须考虑扭振对传动系统的影响，这种影响因素与内燃机的缸数、各缸是否正常工作有关。
此时一般应选用弹性联轴器，以调整轴系固有频率，降低扭振振幅，从而减振、缓冲、保护传动装置部件，改善对中性能，提高输出功率的稳定性。
(二)载荷类别由于结构和材料不同，用于各个机械产品传动系统的联轴器，其承载能力差异很大。
载荷类别主要是针对工作机的工作载荷的冲击、振动、正反转、制动、频繁启动等原因而形成不同类别的载荷。
为便于选用计算，将传动系统的载荷分为四类。
传统系统的载荷类别是选择联轴器品种的基本依据。
冲击、振动和转知变化较大的工作载荷，应选择具有弹性元件的挠性联轴器即弹性联轴器，以缓冲、减振、补偿轴线偏移，改善传动系统工作性能。
起动频繁、正反转、制动时的转矩是正常平稳工作时转矩的数倍，是超载工作，必然缩短联轴器弹性元件使用寿命，联轴器只允许短时超载，一般短时超载不得超过公称转矩的2~3倍，即[Tmax]≥2~3Tn。
机电一体化(第2章 机械系统)
与一般的机械系统设计要求相比，机电一体化系统 的机械系统要求定位精度高，动态响应特性好（即响应要 快，稳定性要好），为达到要求，在设计中常提出无间隙、 低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等 要求。为达到上述要求，主要从以下几方面采取措施：
（1）单推-单推式
可预拉伸安装，预紧力大， 轴向刚度较高。
简易单推-单推式支承
（2）双推-双推式
轴向刚度最高，适于高刚度、 高速、高精度的丝杠传动。 对丝杠热变形敏感。
（3）双推-简支式
预紧力小，寿命长，常用 于中速、高精度的长丝杠 传动系统。注意丝杠热变 形影响。
（4）双推-自由式
承载能力小，轴向刚度低，多用于 短程、轻载、低速的垂直安装。
4) 缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形的 措施； 5) 提高刚度 改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振 动、降低噪声。选材上；结构轻型化、紧密化。
这些措施反映了机电一体化系统设计的基本特点。
二、机械传动部件的选择与设计
机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速，它实质上 是一种转矩、转速变换器，其目的是使执行元件与负载之间在 转矩与转速方面得到最佳匹配。
（3）谐振频率 包括机械传动部件在内的弹性系统，若不计 阻尼，可简化为质量-弹簧系统，为多自由度系统，有第一谐振 频率和高阶谐振频率等。当外界传来的激振频率接近或等于系 统固有频率时，系统产生谐振，不能正常工作。
还有电气驱动部件的谐振频率。
（4）摩擦 摩擦分为粘性摩擦、库仑摩擦和静摩擦。
实际机械导轨的摩擦特性随材料和表面状态的不同有很 大的不同。
（一）机械传动部件的功能要求及常用的传动部件
机械传动部件的传动类型、传动方式、传动刚性以及传 动可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重 要影响。机电一体化系统设计时，需要选择传动间隙小、精度 高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。
第三章机械系统的载荷特性和动力机选择
缺点：因工作的可压缩性而使工作稳定性差，噪声 大，因工作压力较低，其输出的转矩不大。
通常适用于小型机械。
内燃机 优点：功率范围宽，操作简便，便于移动。
缺点：需用柴油或汽油做燃料，且要求较高，排气 污染环境，噪声大，多用于野外工作的机械，如 农用机械、工程机械和船舶车辆等。
液压马达 优点：可获得的转矩和机械力大，与电动机相比 较，在相同功率时尺寸小、重量轻，快速反应的 灵敏度高，容易实现无级调速，操作、控制简便 ，易于实现复杂的工艺动作。
缺点：需有高压油供给系统，液压元件的制造、 装配精度要求高，否则因漏油而影响工作效率、 运动精度并污染环境。
气动马达 优点：工作介质为空气，易获得，且排除的气体不
•工作机的负载特性
工作机在运行过程中其运动参数（速度、位移等 ）与动力参数（转矩、功率等）的变化规律称为 工作机的负载特性。
恒转矩负载特性：负载转矩于其转速无关
恒功率负载特性：转速变化时负载功率基本保持不变 负载转矩随转速变化而变化： 离心式鼓风机、水泵 负载转矩是行程或转角函数：如活塞式空气压缩机 、曲
•5 4 3 2 1 •载荷级数 Nhomakorabea•r
3 •r
•r
•r •r 2
1
4
7
•r
•r 6
5
•r
8
•时 间
•r1=4、r2=2、r3=3、r4=4、r5=2、 r6=1、r7=2、r8=4
•1 2 3 4 5 •载荷级数
•雨流计数法
原理： 取垂直向下的纵坐标表示时间，横坐标表示载荷，
这样载荷历程形同一座宝塔，雨点依次以峰值或谷值为起点向下 流动，根据雨点向下流动的轨迹确定出载荷循环，并计算出每个 循环的幅值大小。
机械系统设计 第三章机械系统的载荷特性与动力机选择
工作机械的负载特性是指工作机 械在运行过程中其功率、转矩和转 速或位移间的关系。选择动力机的 容量时，主要考虑工作机械在输入 动力端的转矩、功率和转速之间的 关系。Tz=f(n)，Pz=f(n)。
负载特性有 ： 1）恒转矩负载特性
恒转矩特性是指转矩与转速无关， 即当转速变化时，转矩保持常数。 如起重机起升机构负载特性。
计算法即根据机械的功率要求和结 构特点运用各种力学原理、经验公式 或图表等计算确定载荷的方法。
例如设计起重机时，要计算： （1）起重量(吊重)表
起升载荷包括起重机的额定起重力 和随货物一起升降的装置的重力 。
100吨全地面起重机配重28吨时起 重 量 表
带 副 臂 起 重 量 表
第三章 载荷与动力装置选择
第一节 机械系统的载荷分析
一、载荷类型
所有机械在工作中都会受到多种外 力的作用，这些外力工程上称之为载 荷。确定载荷类型、大小、变化规律 是机械系统设计的重要内容。用以计 算强度、刚度、稳定性、可靠性和寿 命，选择动力机类型和容量。
1．按载荷的作用方式分类 直接作用载荷——载荷以力或力矩的形 式直接作用在机械上，如由工作阻力产生 的载荷、惯性载荷、风载荷、驱动力、制 动力等。 间接作用载荷——以变形的形式间接作 用在机械上，如温度、地震的作用引起的 载荷。 2.按零件发生变形的不同分 拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷和扭转 载荷。
确定载荷通常有三种方法：类比 法、计算法和实测法。 1．类比法
参照同类或相近的机械，根据经验 或简单的计算确定所设计机械的载荷， 这种方法称为类比法。它主要应用在 载荷较难确定的情况或初步设计阶段。 仿造（测绘）。
使用类比法确定载荷一般需要一定的实际 经验，否则容易出现载荷过大或过小的情况。 应用类比法时常可采用相似原理进行推断，其 中常用的有：
02 机械设计基础 拓展阅读：机械传动装置总体设计方法
机械传动装置总体设计方法机器由原动装置、传动装置、执行装置和控制装置四部分组成，传动装置是将原动机的运动和动力传递给工作机的中间装置。
它可以改变执行装置的速度大小、方向，力或力矩的大小等。
如带式输送机是一台简单机器，电动机是它的原动装置，带传动和减速器是它的传动装置，输送带部分是它的执行装置。
如何对机器的传动装置进行总体设计呢？下面就设计任务、设计内容和设计步骤向大家作详细的介绍。
机械传动装置总体设计任务是选定电动机型号、合理分配各级传动比及计算传动装置的运动和动力参数。
一、电动机的选择一般机械中多用电动机为原动机。
电动机是已经系列化和标准化的定型产品。
设计时，须根据工作载荷大小与性质、转速高低、启动特性、运载情况、工作环境、安装要求及空间尺寸限制和经济性等要求从产品目录中选择电动机的类型、结构形式、容量（功率）和转速，并确定电动机的具体型号。
常用的电动机型号及技术数据可由机械设计手册中查取。
那么电动机类型和结构形式如何选择呢？电动机分为交流电动机和直流电动机，工业上常采用交流电动机。
交流电动机有异步电动机和同步电动机两类，异步电动机又分为鼠笼型和绕线型两种，其中以普通笼型异步电动机应用最广泛。
如无特速要求，一般选择Ｙ系列三相交流异步电动机，它高效、节能、噪声小、振动小，运行安全可靠，安装尺寸和功率等级符合国际标准（ＩＥＣ），适用于无特殊要求的各种机械设备，设计时应优先选用。
电动机的结构有防护式、封闭自扇式和防爆式等，可根据防护要求选择。
同一类型的电动机又具有几种安装形式，可根据不同的安装要求选择。
其次确定电动机功率其次，电动机功率如何确定？如果选用电动机额定功率超出输出功率较多时，则电动机长期在低负荷下运转，效率及功率因数低，增加了非生产性的电能消耗；如所选电动机额定功率小于输出功率，则电动机长期在过载下运转，使其寿命降低，甚至使电动机发热烧毁。
因此，我们必须通过下面的计算来正确选择电动机。
第1步，确定电动机的输出功率。
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机械系统的载荷特性及动力机选择原则
本章介绍机械系统的载荷特性及动力机选择，掌握机械系统的载荷特性及动力机选择原则
26.1.1工作机械的载荷
载荷类型机械设计中载荷的组合及其类别工作载荷的确定方法1）按作用形式分
直接作用载荷--载荷以力或力矩形式直接作用在机器上；如由工作阻力产生的载荷、惯性载荷、风载荷、驱动力、制动力等。
间接作用载荷--以变形的形式间接作用在机器上；如温度、地震的作用引起的载荷。
对于绝大多数的机器来说，直接作用的载荷是主要的。
2）按照载荷产生的来源分
(1) 工作载荷由机器工作阻力产生的载荷。
工作载荷是各种机器最重要最基本的载荷。
(2) 动力载荷动力载荷包括惯性载荷、振动载荷和冲击载荷。
当机器或机器的某机构运动速度的大小或方向发生变化时(如起动或制动)将产生惯性载荷。
(3) 自重载荷设备自身重量产生的载荷。
(4) 风载荷具有一定质量的空气以一定速度流动被结构物表面阻挡时，对结构物产生压力。
(5) 温度载荷温度变化使构件热胀冷缩，当构件的胀缩受到约束时，在构件中产生附加力。
(6) 水力载荷水对构件产生的压力和流动阻力等。
3）按载荷是否随时间变化分
静载荷指大小，位置和方向不变的载荷。
在工程中大多数机械承受的都是变载荷，严格意义的静载荷是很少见的，但在设计上常把变化不大或变化速度缓慢的载荷，近似地作为静载荷来处理
变载荷指随时间有显著变化的载荷。
一般机械承受的变载荷主要有周期载荷，冲击载荷和随机载荷等几种。
a）周期载荷
载荷的大小是随时间作周期性变化的，它可用幅值、频率和相位角三个要素来描
述。
b）冲击载荷
载荷作用时间短，而且幅值较大，例如，锻锤在锤打坯料时所受的载荷就属于冲击载荷。
在设计中对于数值较小，频率较高的多次冲击载荷，常按一般的周期载荷来处理。
c）随机载荷
载荷的幅值和频率都是随时间变化的，且变化规律不能用一个函数确切地进行描述，只能应用数理统计方法才能获得它们的统计规律。
26.1.2 动力机的种类及其机械特性
电动机液压马达气动马达内燃机
电动机在额定电压和额定频率下工作，并按规定的接线方法，定子和转子电路中不外接电阻，此时获得的机械特性称为电动机的固有机械特性。
右图是电动机的机械特性曲线。
根据转矩增加使电动机转速下降的程度不同，电动机的机械特性分为硬特性和软特性两类。
同步电动机、一般交流异步电动机和直流并激电动机属于硬特性，即其负载转矩在允许范围内变化时，电动机转速变化不大，而且同步电动机的转速可保持恒定。
转子回路串电阻的交流绕线型异步电动机和直流串激电动机则属于软特性，即随负载转矩的增加，电动机的转速显著下降，但是它们的起动转矩比较大。
电动机改变某些参数时获得的机械特性称为人为机械特性。
可通过降低供电电压、在转子或定子电路内串接对称电阻及在转于电路接入并联电阻等方法，获得人为机械特性。
交流电动机根据电动机的转速与旋转磁场的转速是否相同，分为同步电动机和异步电动机两种。
同步电动机是一种用交流电流励磁建立旋转的电枢磁场，用直流电流励磁构成旋转的转子磁极，依靠电磁力的作用旋转磁场牵着旋转磁极同步旋转的电动
机。
同步电动机的最大优点是能在功率因数为1的状态下运行，不需从电网吸收无功功率。
三相异步电动机使用三相交流电源，是生产中广泛应用的一种电动机，它的品种很多，主要分类如下：
(1)按转子结构型式分类根据转子的结构型式可分为笼型电动机和绕线型电动机。
(2)按外壳结构形式分类根据外壳结构形式可分为开启式、防护式、封闭式和防爆式。
(3)按安装型式分类按不同的安装型式可分为立式、卧式及带有特殊安装结构等型式，以适应各种不同的安装需要。
此外，还有齿轮减速异步电动机，电磁调速异步电动机、异步整流子变速电动机等多种类型。
直流电动机需使用直流电源，与交流电动机相比，它具有调速性能好、调速范围宽，起转矩大等特点。
26.1.3 动力机的选择
电动机作为动力机时具有以下特点：
1、较其他动力机有较高的驱动效率。
2、与被驱动的工作机械联接简便。
3、种类和型号较多，并具有各种运行特性，可满足不同类型机械的工作要求。
4、电动机还具有良好的调速性能，起动、制动，反向和调速的控制简便，可以实现远距离的测量和控制，便于集中管理和实现生产过程的自动化。
5、但使用电动机必须具备相应的电源，对野外工作的机械及移动式机械常因缺乏所需电源而不能选用。
液压马达作为动力机时具有以下特点：
1、可以获得很大的机械力或转矩。
2、与电动机相比在相同功率时的外形尺寸小、重量轻，因而运动件的惯性
小，快速响应的灵敏度高。
3、液压马达可以通过改变油量来调节执行机构的速度，传动比较大，低速性能好，容易实现无级调速，操作和控制都比较简便，易于实现复杂工艺过程的动作并满足其性能要求。
4、但使用液压马达必须具有高压油的供给系统，应使液压系统元件有必要的制造和装配精度，否则容易漏油，这不仅影响工作效率，而且还影响：工作机械的运动精度。
使用气动马达作为动力机时具有以下特点：
1、与液压马达相比较，因用空气作为工作介质，容易获得，用后的空气可直接排入大气而无污染，压缩空气还可以进行集中供给和远距离输送。
2、气动马达动作迅速、反应快、维护简单、成本比较低，对易燃，易爆、多尘和振动等恶劣工作环境的适应性较好。
3、但因空气具有可压缩性，因此气动马达的工作稳定性差，气动系统的噪声较大，又因工作压力较低，输出的转矩不可能很大，一般只适用于小型和轻型的工作机械。
使用内燃机作为动力机时具有以下特点：
1、具有功率范围宽，操作简便，起动迅速和便于移动等优点，大多用于野外作业的工程机械、农业机械以及船舶，车辆等。
2、主要缺点是需要柴油或汽油作为燃札通常对燃料的要求也比较高，特别是高速内燃机需使用洁净度高的汽油和轻质柴油，内燃机的排气污染和噪声都较大，在结构上也比较复杂，而且对零部件的加工精度要求较高。
在设计机械系统时，应选用何种形式的动力机，主要应从以下三个方面进行分析比较：
1）分析工作机械的负载特性和要求，包括工作机械的载荷特性、工作制度，结构布置和工作环境等。
2)分析动力机本身的机械特性，包括动力机的功率、转矩、转速等特性，以及动力机所能适应的工作环境。
应使动力机的机械特性与工作机械的负载特性相匹配。
3)进行经济性的比较，当同时可用多种类型的动力机进行驱动时，经济性的分析是必不可少的，包括能源的供应和消耗，动力机的制造，运行和维修成本的
对比等。
除上述三方面外，有些动力机的选择还要考虑对环境的污染，其中包括空气污染和噪声污染等。
例如，室内工作的机械使用内燃机作为动力机就不很合适。
根据各类动力机的特点，选择时可进行各种方案的比较，首先确定动力机的类型，然后根据工作机械的负载特性计算动力机的容量。
有时也可先预选动力机，在产品设计出来后再进行校核。