《机械系统设计》电子教案

第一章绪论

重点：机械，机械系统的相关概念及学科中的位置。

难点：学习机械系统设计课程的重要性。

讲授提示与方法：回顾机械工程的发展历程，注重机械系统的整体性，提高学生对机械系统设计的认知程度。

1.1机械系统设计在机械工程科学中的地位及作用

一、机械工程科学

1.机械工程科学的定义：

机械工程科学是研究机械产品（或系统）的性能、设计和制造的基础理论与技术的科学。

2.机械工程科学的组成：

P1图1.1

（1）机械学：机械设计过程（核心部分）；

（2）机械制造：机械制造过程（基础部分）。

3.机械学所包含的内容：

P3图1.5

二、机械、机械系统、系统

1.机械：关于机械的定义，目前尚无严格的定论，一般可归纳为：

（1）须由两个以上的零、部件组成；

（2）这些零、部件的运动部件，应按设计要求作确定的运动；

（3）将外来的能源转变为有用的机械功。

【举例】机械产品：汽车、拖拉机、机床、钟表……

2.系统：是指具有特定功能的、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。

3.机械系统：由若干个零、部件及装置组成的，彼此间有机联系，并能完成特

定功能的系统，称之为机械系统。

4.系统应具有下述特性：

（1）目的性：完成特定的功能

（2）相关性与整体性：

1）相关性：各构成要素之间是相互联系的

2）整体性：评价一个系统的好与坏要看该系统的整体功能

（3）环境的适应性：系统对外部环境变化和干扰有良好适应性

三、机械系统的组成：

P4图1.6

1.动力系统：为系统提供能源（动力源）

2.执行系统：是系统的执行输出部分

3.传动系统：把运动和动力由动源传递给执行系统的中间环节

4.操纵、控制系统：使前三者协调动作和运行

5.支承系统：支承和联系各机件

6.润滑、冷却与密封系统：

四、机械系统的地位与作用

几乎任何产品都离不开机械系统，它涉及到社会的各领域。

1.2机械系统设计的任务、基本原则及要求

一、机械系统设计的任务及设计类型：

1.机械系统设计的任务：

是开发新的产品和改造老产品。

最终目的是为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，以取得较好的经济效益。

2.设计类型：

（1）全创新设计

（2）适应性设计

（3）变异性设计

二、机械系统设计的基本原则及要求

1.设计的基本原则和法规：

（1）需求原则

（2）信息原则

（3）系统原则

（4）优化、效益原则

2.设计要求：

（1）功能要求

（2）适应性要求

（3）可靠性要求

（4）生产能力要求

（5）使用经济性要求

（6）成本要求

三、产品设计、产生过程

P10图1.12

产品策化产品设计产品生产产品销售产品运转产品报废回收

1.3机械系统设计方法及机械设计学发展简介

一、机械系统的设计方法

1.传统设计方法

静态的半理论半经验的设计方法

2.现代设计方法

是一种广义的设计和分析科学方法学的简称，其实质是科学方法论在设计中的应用。

（1）现代设计方法的特征

1）时域特征

2）哲理特征

3）质量特征

4）目标与手段特征

（2）现代设计方法的主要内容

信息方法、系统论方法、控制论方法、优化方法、对应论方法、智能论方法、寿命论方法、离散论方法、模糊论方法、突变论方法、艺术论方法等。

3.现代设计方法与传统设计方法的比较

二、机械设计发展简史

1.直觉设计阶段

2.经验类比设计阶段

3.传统设计阶段（定性设计阶段）

4.现代设计阶段（计算机辅助设计阶段）

P14图1.13

三、发展方向及前沿技术

1.计算机辅助设计

2.并行工程设计

3.虚拟设计

4.动态设计

5.快速设计

6.设计自动化技术

7.工业设计

[作业题与思考题]

1.什么是机械工程科学？它由那几个部分组成？

2.机械的基本特征有哪些？

3.什么叫机械系统？它有哪些主要组成部分？

4.什么是系统？它有哪些特征？

5.机械系统有哪些种设计类型？

6.机械系统设计有哪些基本设计原则和法规？

7.机械系统设计应满足哪些设计要求？

8.机械系统设计中传统设计方法与现代设计方法有哪些区别？

9.机械设计可以分为哪几个发展阶段？

第二章机械系统总体设计

重点：功能原理设计的基本概念，主要设计参数及其确定方法。

难点：各主要设计参数的特点及所适用场合。

讲授提示与方法：强调总体设计在机电产品开发应用中的重要性，强化机械系统的设计方法和步骤；充分利用多媒体课件，多以实例说明解释各概念和各项设计参数。

总体设计是产品设计的关键，对产品的技术性能，经济指标，外观造型等具有决定性意义。

内容包括：功能原理设计、总体布局、主要技术参数、技术经济分析。

2.1机械系统的功能原理设计

一、功能的定义及其分类

1.功能：

是系统必须实现的任务，或者说是系统具有转化能量、运动或其它物理量的特性。或称：指输入、输出量之间的因果关系。

2.功能的分类：

基本功能

必要功能

功能附加功能

非必要功能

二、功能原理设计及其特点

1.功能原理设计：

是针对所设计产品的主要功能提出一些原理性的构思。

【例2.1】剪草机

P17图2.1

【例2.2】平板玻璃制造

P17图2.2

2.功能原理方案设计的任务：

针对某一确定的功能要求，去寻求一些物理效应并借助某些作用原理来求得一些实现该目标的解法原理。

3.主要工作内容：

构思能实现功能目标的新的解法原理。尽可能多地提出创新构思。比较后择优。

4.工作步骤：

P18图2.3

分析综合评价决策

5.功能原理设计具有如下特点：

（1）功能原理设计是用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使所设计系统的工作原理发生根本变化。

（2）功能原理设计中往往要引入某种新技术、新材料、新工艺……，但首先要求设计人员有一种新想法、新构思。

（3）功能原理设计的系统发生质的变化。

三、功能原理设计的设计方法－－“黑箱法”

“黑箱法”是根据系统的输入、输出关系来研究实现系统功能目标的一种方法，即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，得到相应的解决办法，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。

1.“黑箱法”原理：

P19图2.6

用“黑箱法”与输入量、输出量及周围环境的信息联系。了解系统（产品）的功能、特性，进一步探索系统的机理与功能。

2.注意的问题：

（1）突出必要功能和基本功能。（摒弃附加功能和非必要功能）。

（2）输入、输出量的内容：

1）物料流：材料、毛坯、半成品、成品、液体、气体等。

2）能量流：电能、光能、机械能、热能等。

3）信息流：数据、测量值、控制信号、波形等。

（3）摆脱具体的设计对象。（按系统功能和三大流的描述来简化问题）【例图】自行车功能原理系统图

P18图2.4

【例图】车床“黑箱”示意图

P19图2.5

四、功能元、功能结构

1.功能元：

只能直接从技术效应（物理效应、数学效应等）及逻辑关系中找到可以满足功能要求的最小单位。

总功能分功能……基本功能单元（功能元）

（1）物理功能元：

输入、输出量（能量、物料、信号流）的基本物理动作。P20表2.1

（2）数学功能元：

机械传动中的数学关系。P21表2.2

（3）逻辑功能元：

主要用信息和控制系统中。P21表2.3

2.功能结构：

P22图2.7

功能的分解和组合关系称为功能结构。

（1）功能结构示意图：

（2）以功能元为基础，组合成功能结构的方式有三种基本类型：串联结构、并联结构和循环结构（又称环状结构）。P22图2.8

（3）功能结构图的绘制步骤：P23图2.10

注意问题：需逐渐完善系统功能结构，不是一次完成，要随设计不断修改。

【例2.3】材料拉伸试验机的功能结构图

P23图2.9

五、功能元（分功能）求解

功能元是功能结构图中最基本的单位，每个功能元都要找出相应的技术、物理效应来实现。

功能元的求解方法：

1. 参考有关资料、专刊或产品求解法（利用所学知识类比）；

2. 利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法（新构思）；

3. 利用设计目录求解法（把各种机构综合成表）

P24~25图2.11、12、13

【例2.4】设计手动订书打孔机

设计要求：手柄旋转、打孔针直线往复运动、杆件数目为4个、省力。 求解步骤：

第一步：确定总功能 第二步：总功能分解

第三步：查目录求解 P25图2.13 第四步：增力机构 P25图2.12

第五步：绘制原理方案图 P26图2.14 六、系统（产品）原理方案的综合

各功能元的局部解合理地组合，就可以得到一个系统的多个原理解。组合的方法可以用形态矩阵法（模幅箱法——利用形态方法建立）。

1. 形态矩阵法（模幅箱法）：

把每个（系统的）功能元和所对应的各解分别作为纵、横坐标，列出“功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取一个对应解进行组合，以构成系统解的方法。 【例2.5】试设计露天矿开采挖掘机的原理方案

求解步骤：

第一步：总功能转换关系——“黑箱法” P26图2.15 第二步：总功能分解

（1） 分解依据 P27图2.16 （2） 总功能分解 P27图2.17 第三步：建立功能结构图 P28图2.18

（1） 输入、输出关系 （2） 建立一级功能结构图 （3） 建立二级功能结构图

第四步：寻找原理解和原理解组合 P28表2.4

组合方案数=4344213233?????????=10368

方案1为履带式正铲机械挖掘机(A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1) 方案2为轮胎式正铲液压挖掘机(A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2)

根据设计对功率的要求可知，在能量传递与分配过程中，采用链传动和皮带传动是不相容的，应去掉。故组合方案数=434213233????????=5184。在众多的方案中，进行定性筛选，然后进行详细评价，最后决策最佳方案。

2. 相容性：

两种功能或结构比较后的可行性分析结果。

（1） 相容性矩阵 P29表2.5 （2） 选择表 P30表2.6、2.7

七、功能原理设计举例

【例2.6】瓶盖整列装置的原理方案设计

设计要求：把一堆不规则放置的瓶盖整列成口朝上的位置逐个输出。瓶盖的形状和尺寸见图2.19。瓶盖质量为m=10g；整列速度100个/分钟；能量为220V交流和高压气（压力0.6Mpa）；其余功能要求见表2.8。

求解步骤：

第一步：明确任务要求

第二步：功能分析

（1）总功能P32图一

（2）总功能分解 P32图二

第三步：功能元求解P32表2.9

第四步：功能元组合P33图2.20

解的方案数：N=8×6×6×3×7=6048种

第五步：评价与决策P33表2.10

2.2结构总体设计

一、结构总体设计的任务和原则

1.结构总体设计的任务及重要性

（1）结构总体设计的任务：

是将原理方案设计结构化，即绘制结构总图。

（2）结构总体设计的重要性：

满足功能要求，保证产品质量和可靠性，降低产品成本等。

工作包括两个方面，即“质”的设计和“量”的设计。所谓“质”的设计是指“定形”设计，有系统的定形和零部件的定形。这部分工作对产品的质量有决定性意义。“量”的设计则指选择材料、确定尺寸和零部件进一步详细设计等。

2.结构总体设计原则

（1）明确原则：包括功能明确、工作情况明确和结构的工作原理明确。

（2）简单原则：在满足使用要求（总功能）的前提下，尽量使整机，部件和零件的结构简单，且数目少。同时具有简化、简便、简明、简易、

减少等多重含义。

（3）安全可靠原则：包括构件的可靠性、功能的可靠性、工作安全性和环境安全性。

二、结构总体设计步骤

P35图2.22

1.初步设计：

（1）设计要求

（2）主要功能载体的初步设计

主要功能载体：完成主要功能的构件。

（3）按比例绘制主要结构草图

（4）检查主、辅功能载体结构

（5）设计结果初评及选择

2.详细设计：

（1）各功能载体的详细设计

（2）补充、完善结构总体设计草图

（3）对完善的结构总体草图进行审核

（4）进行技术、经济评价

3.结构总体设计的完善和审核：

主要对关键问题和薄弱环节进行技术经济分析（是否达到目标）。

方法：优化设计、可靠性设计、专家系统使用、经济性评价等。

三、总体布置设计

就是确定机械系统中各子系统之间的相对位置关系及相对运动关系，使总系统具有一个协调完善的造型。

考虑问题：设计内容、人——机关系、对环境的适应性、对外界环境的影响（性能、操作、观察、调整、控制、防护等）。

1.总体布置设计的基本要求：

（1）功能合理

（2）结构紧凑、层次清晰、比例协调

（3）充分考虑产品的系列化及发展

2.机械系统总体布置的基本类型：

（1）按工作机构的空间几何位置可分为：

1）平面式

2）空间式

（2）按执行机构的布置方向可分为：

1）平式

2）直立式

3）倾斜式

4）圆弧式

（3）按原动机与机架的相对位置可分为：

1）前置式

2）中置式

3）后置式

（4）按工作机构的运动关系可分为：

1）转式

2）直线式

3）振动式

（5）按机架（或机壳）的形式可分为：

1）整体式

2）剖分式

3）组合式

4）单柱式（开式）

5）龙门式（闭式）

6）悬臂式 P37图2.23

四、总体（主要）参数的确定

总体参数是结构总体设计和零部件设计的依据。

1.性能参数（生产能力）：

机械系统的理论生产能力是指设计生产能力——在单位时间内完成的产品数量，亦可以称之为机械系统的生产率。设加工一个工件或装备一个组件所需的循环时间为

f g t t T +=

式中：T ——机械系统的一个工作循环时间或称工作周期时间，常用单位有小时、分

钟等；

g t －－工作时间；

f t －－辅助工作时间。

则机械系统的生产率Q 为

f

g t t 1T 1Q +==

生产率Q 的单位由工件的计量和计时单位而定，常用的单位有件/小时、米/分钟、米2/分钟、米3/小时、千克/分钟等。 2. 尺寸参数：

尺寸参数主要是指影响机械性能和工作范围的主要结构尺寸和作业位置尺寸。 如：外形尺寸、主要部件尺寸、工作行程、加工范围等。 【例2.10】确定颚式破碎机钳角α P41图2.29

3. 运动参数：

（1） 最高、最低转速：

1） 最高转速：min)/r (d v 1000n min max

max ?π?=

2） 最低转速：min)/r (d v 1000n max

min

min ?π?=

3） 变速范围：m in

m ax

n n n R =

【例2.11】P42表2.11

（2） 转速数列：

1n ，2n ，3n ……，j n ，1j n +，……，Z n （按等比数列分级）

1） 转速级数Z 2） 公比值:j

j n n 1+=

?

????

?????=?=?=?=?=?==--max 1

Z 11Z Z 212312min 1n n n n n n n n n n n M

则变速范围： 1Z 1

1

Z 1min max n n n n n R --?=?==

3） 转速损失率：j n n -

a. 相对转速损失率：n

n n A j

-=

b. 最大相对转速损失率：

1

j j 1

j j

1j j

n n max n n 1n n n n

n n lim

A 1

j +++→-

=-=

-=+

%100)1

1(A max ??

-=

【例2.12】

（3） 标准公比和标准数列： 转速是由小到大递增的，所以?应大于1，并规定最大相对转速损失率不超过50%，则相应公比?不应大于2，故1

1） 标准公比：1.06、1.12、1.26、1.41、1.58、1.78和2 2） 标准数列：P45表2.12 （4） 公比的选用：

从使用性能方面考虑，公比?最好选得小一些，以便减少相对转速损失。但公比越小，级数就越多，系统的结构就越复杂。

1） 对于一般生产率要求较高的普通设备，减少相对转速损失率是主要

的，所以公比?取得较小，如?=1.26或?=1.41等。

2） 有些小型机械系统希望简化机构，此时公比?可取得大些，如

?=1.58或?=2等。

3） 对于自动机床，减少相对转速损失率的要求更高，常取?=1.12或

?=1.26。

【例】型孔轮式排种器P45图2.30

4. 动力参数

动力参数是指电动机的额定功率、液压缸的牵引力、液压马达、气动马达、伺服电动机或步进电动机的额定转矩等。P46图2.32

（1） 动力参数确定得过大导致机器笨重、浪费能源和材料 （2） 动力参数确定得过小则不能满足使用要求 学生自学：P46~52 电机学中的内容

五、结构总体设计的基本原理

1. 任务分配原理：

（1） 一个载体完成一个功能 （2） 一个载体承担多个功能

（3） 多个载体共同承担一个功能 2. 稳定性原理：

系统结构的稳定性是指当出现干扰使系统状态发生改变恢复稳定的效应。 P53图2.34、图2.35 3. 合理力流原理：

（1）力传递特点：力流不会中断，力线不会消失，从一处传入从另一处传出。

（2）内力与外力P53图2.36、图2.37

（3）按力的情况合理选择结构P53图2.37、P54图2.38、图2.39

（4）避免应力集中 P55图2.40

4.自补偿原理：

通过选择系统零部件及其在系统中配置来自行实现加强功能的相互支承的作用，称为自补偿。

（1）自增强P55图2.41

（2）自平衡P55图2.42

（3）自保护

5.变形协调原理：

使两零件的连接处在外载荷作用下所产生的变形方向（从应力分布图来看）相同，且使其相对变形量尽可能小。P56图2.43

6.力平衡原理：

力平衡的目的就是通过相应的结构措施，使这些无用的力在其产生处就部分或全部平衡掉，以减轻或消除不良影响。如人字齿轮的使用。

7.等强度原理：

对于同一个零件来说，各处应力相等，各处寿命相同，称为等强度原理。按等强度原理设计的结构，材料可以得到充分利用，从而减轻了重量，降低了成本。

P56图2.44

六、软固体物料自动包装机设计举例

1.原始资料：

（1）产品

本机的包装对象是圆台形柱状软固体物料，见图2.45。

（2）包装材料

采用厚度为0.008mm的金色铝箔卷筒纸。

（3）关于自动机包装能力的要求

根据给定生产定额每班产750㎏，折算后自动包装机正常生产率为120块/分钟。采用无级调速自动包装机的生产率可调范围是70~130块/分钟。

2.包装工艺的确定：

（1）整体锥形模腔：粘模、破纸

（2）弹性的钳物料机械手夹子：工艺性好

3.包装机总体设计：回转式多工位自动机型

送料

顶料、接料抄纸转位开手、出料供纸

P57图2.46、图2.47

P58图2.48、图2.49

4.传动系统设计 P59图2.50

5.工作循环图P59图2.51

[作业题与思考题]

1. 什么是机械系统的功能？功能可分为哪几类？

2. 什么是功能原理设计？包括有哪些重要设计步骤？

3. “黑箱法”设计有什么优点？

4. 什么是功能元？机械设计中有哪些基本功能元？

5. 什么是功能结构？绘制功能结构图有何功用？

6. 功能结构（以功能元为基准，组合成的）有哪几种基本类型？

7. 什么是功能元（分功能）的求解？

8.

什么是原理解的相容性？相容性的求解方法有哪几种？相容性可分成哪几种情况？

9. 为什么要进行结构总体设计？它有哪些设计原则？

10. 总体布置设计有哪些基本要求？常用的有哪几种分类形式？ 11. 总体（主要）参数包括有哪几类？（及基本概念） T 、Q 、n （max n 、min n ）、Z 、n R 、max A 、?、标准数列 12. 结构总体设计有哪几种基本原理？它们各是什么内容？ 13. 什么是任务分配原理？它有哪几种情况？各有何优缺点？ 14. 什么是自补偿原理？它有哪几种情况？

15. 有一摇臂钻床，最大钻孔直径40mm ，m ax v =50m/min ，min v =4m/min ，求：max n 、

min n 、?、Z 及列出各级转速。

16. 某机械设备，min n =45r/min ，?=1.41， Z=12，求：n R ，max n 及列出它的转速

数列。

第三章传动系统设计

重点：转速图的定义，转速图拟定方法和原则，扩大变速范围方法，齿轮齿数的确定，功率扭矩特性，传动件的计算转速，无级变速传动系统设计。

难点：拟定转速图的方法和步骤，设备的功率扭矩特性和传动件计算转速的求解方法，无级变速传动系统设计特点。

讲授提示与方法：引入实例讲解转速图所表示内容和含义，根据转速图拟定原则“口诀”结合实例讲授转速图的拟定方法和步骤，注重讲解传动齿轮齿数配齿表的使用特点，比较设备功率扭矩特性特点和调速电动机功率扭矩特性关系讲解无级变速传动系统的设计方法和特点；讲授中充分利用多媒体课件。

传动链：

动源+传动件+执行系统

执行系统+传动件+执行系统

1.外联传动链：传动链两端件之间无严格的传动比要求的传动链。

主要保证：运动和动力的传递。

2.内联传动链：传动链两端件之间有严格的传动比要求的传动链。

主要保证：传动的准确性。

3.1传动系统的类型和组成

一、传动系统的类型及其应用

1.按动源分：

（1）电动机

（2）液压驱动

（3）气动驱动

（4）内燃机驱动

2.按执行件的被驱动数目分：

（1）独立驱动

（2）集中驱动

（3）联合驱动

3.按传动装置的类型分：

（1）机械式

（2）液压式

（3）气动式

（4）电气式

（5）组合式

4.按变速的形式分：

（1）无级变速

（2）有级变速

（3）定比传动

（一）无级变速和有级变速传动系统

1.无级变速传动系统

是指执行件的转速（或速度）能在一定范围内连续变化的传动系统。

特点：

（1）可以获得执行机构所需的任何速度

（2）可在运动中变速，便于实现自动化

（3）结构上比较复杂（工艺性差，成本高）

种类：

（1）机械无级变速

主要依靠摩擦力来传递运动和动力。

类型：钢球式，宽带式，锥碗式等。

特点：结构简单，传动平稳，噪声小，使用维修方便，效率高。存在转速损失（磨擦中的弹性滑动），调速精度低，力值小。

（2）液压无级变速

利用油液为介质，改变供油量来无级调速。

特点：传动平稳载荷大，换向平稳。

（3）电气无级变速

是通过变换电动机的转速来实现调速。

包括：直流并激电动机，交流变频电动机，直流伺服电动机，步进电机等。

特点：机械结构简单，但电气控制部分成本高（尤其是大功率下）。

2.有级变速传动系统

是指执行件的转速（或速度）在一定范围内有级变化的传动系统。

特点：功率大，变速范围宽，传动比准确，工作可靠，转速损失较大。

结构类型：滑移齿轮，交换齿轮（挂轮），交换皮带轮等。P127图4.1

3.固定传动比的传动系统

是指执行件仅能获得某一固定转速（或速度）的传动系统。P128图4.2

（二）独立和联合驱动传动系统

1.独立驱动传动系统

是指各执行件分别由独立动力源驱动的传动系统。

特点：传动简单，易于设计，可减少各传动链间的振动影响。

适用场合：较大载荷，较高精度，执行件距离远。

（1）机械系统只有一个执行件P128图4.3

（2）机械系统有多个运动不相关的执行件P128图4.4

（3）数控机械系统P129图4.5

2.集中驱动传动系统

是指多个执行件由一个动源驱动的传动系统。

特点：动源少，便于传动件之间的联系，传动系统集中。

适用场合：

（1）执行件间有严格传动比要求——内联传动链P130图4.7

（2）各执行件间运动有顺序或协调的要求——自动设备P131图4.8

（3）各执行件的运动相互独立

3.联合驱动传动系统

两个（多个）动源经各自的传动链联合驱动一个执行件。

适用场合：低速，重载，大功率，执行件少且惯性大。

二、传动系统的组成

变速装置，定比传动机构，开停、换向和制动机构，运动转换和安全保护装置。（一）变速装置

改变动力源的输出转速和转矩。

1.交换齿轮变速P130图4.7

特点：结构简单（无操纵机构），轴向尺寸小，结构紧凑，交换（变速）不方便，刚度低，润滑差（悬臂安装）。

场合：不经常变速的情况

2.滑移齿轮变速P127图4.1

特点：变速方便，但不能在运动中变速，结构较复杂。

场合：经常变速的情况。

3.离合器变速P132图

4.10

特点：接合平稳，可在运动中变速，传递大转矩，（用斜齿，人字齿轮），结构上较为复杂。

场合：大转矩，运动中变速。

注意问题：减小离合器尺寸，避免出现超速现象。

4.上述变速方式的组合P130图4.7

5.啮合器变速

（1）普通啮合器：无同步过程

（2）同步啮合器：P133图4.11

特点：运动中的大载荷变速。

（二）起停和换向装置

基本要求：省力（操作），安全可靠，结构简单，能传递足够的动力。

1.机械系统的工况

（1）不需要换向且起动不频繁

如：自动电阻装帽机P131图4.8

（2）需要换向但起动不频繁

如：龙门起重机P128图4.2

（3）需要换向且起动频繁

如：普通车床

2.动力源的类型

（1）电动机：允许在负载下起动，可以正反转，但起动电流大，反接制动。

特点：结构简单，操纵方便。

（2）内燃机：不充许在负载下起动，不能制动和换向。

特点：功率大，不需要电源。

3.起停和换向装置的结构

（1）齿轮：

P134图4.12摩擦离合器

P134图4.13钢球摩擦离合器

（2）齿轮换向机构：P35图4.14

（三）制动装置

作用：使执行机构的运动能够迅速停止。

基本要求：工作可靠，操纵方便，制动迅速平稳，结构简单，尺寸小，磨损小，散热好。

场合：频繁起动和换向，惯性大的机件，安全性要求高的设备。

P136图4.16

（四） 安全保护装置

作用：防止过载而损坏传动机构（件） 注意：摩擦副过载“打滑”，有保护功能。 1. 销钉安全联轴器 P137图4.17 2. 钢珠安全离合器 P137图4.18

3. 摩擦安全离合器 P135图

4.13、P135图4.19

3.2传动系统的运动设计

一、有级变速传动系统的运动设计

1. 转速图

（1） 转速图 P140图4.21

可以表达主轴每一级转速是通过哪些传动副得到的，这些传动副之间的关系如何，各传动轴的转速等等。

1） 轴线：是用来表示轴的一组间距相等的竖线。

2） 转速线：是一组间距相等的水平线，用它来表示转速的对数坐标。 3） 转速点：是指在轴线上画的圆点，用它来表示该轴所具有的转速值。 4） 传动线：是指轴线间转速点的连线，它表示相应传动副及其传动比

值。

（2） 转速图分析 P140图4.21、P138图4.20

i i i i x )1p (x p 21:...::1i :...:i :i -??=

1） 从转速图中可以看出主轴各转速下的传动路线。

2） 从转速图中可以看出每个传动组数，及每个传动组中的传动副数、

级数。

3） 传动组的级比和级比指数：

级比：一个传动组（变速组）内相邻传动副传动比的比值，用i x

?表示。 级比指数：级比i x

?的指数i x 称为级比指数，或传动特性指数。 4） 基本组和扩大组：

基本组：传动组的级比指数为1的传动组。

a. 传动组

i. 级比指数：10=x

ii. 传动副数：30=P

扩大组：在基本组已经起作用的基础上，起到了再将转速级数增加的作用的变速组称为扩大组。同理第一次起扩大作用的称为第一扩大组，第二次起扩大作用的称为第二扩大组，依此类推第i 次起扩大作用的变速组称为第i 个扩大组。

b. 传动组

i. 级比指数：3001=?=P x x

ii. 传动副数：21=P c. 传动组

i. 级比指数：6112=?=P x x

ii. 传动副数：22=P

（3） 变速组的变速范围

1） 变速组的变速范围：变速组内最大传动比m ax i 与最小传动比min i 之

比，称为变速组的变速范围r

即 m in

m ax

i i r =

2） 任一变速组的变速范围 ：)

1(-=i i p x i r ?

基本组的变速范围：241.1)13(1)

1(000===--p x r ?

第一扩大组的变速范围：8.241.1)12(3)1(111===--p x r ? 第二扩大组的变速范围：841.1)12(6)

1(222===--p x r ?

3） 变速范围关系：n n r r r r R ????= (210)

二、结构式和结构网

1. 结构网：表示传动比的相对关系，而不表示传速值的线图。 P143图4.22

2. 结构式：i c b a ix cx bx ax p p p p z ????=...

3. 综合分析：

（1） 可以看出传动链的组成和传动顺序； （2） 可以看出各传动组的级比指数； （3） 可以看出扩大顺序。

三、转速图的拟定

已知条件：设备类型、级数、公比、各级转速和电机转速。 设计步骤：

1. 确定传动组数、各传动组的传动副数

2. 拟定结构网或结构式

3. 拟定转速图 【例

4.1】P143

解：1. 确定转速数列

查表P45表2.12

查得：31.5、45、63、90、125、180、250、355、500、710、1000、1400r/min 2. 确定传动组和传动副数 方案：（1）12=3×4（2）12=4×3

（3）12=3×2×2（4）12=2×3×2（5）12=2×2×3 原则一：“前多后少”，传动副多的传动组放置在前面，即在尽可能的高速位置，可使结构紧凑。

3. 写结构式或画结构网

（1） 结构网和结构式 P144图4.23 原则二：“升2降4”

1） 主运动链：最小传动比：4

1

i min ≥

最大传动比：2i max ≤ 斜齿轮：5.2i max ≤ 变速范围：8)1(min

max

max ≤==

-n n p x i i r ? 2） 进给传动链：

8.2i 5

1

进≤≤ 14max ≤r

检查方法：检查最后一个扩大组（因为其它的传动组的变速范围较小）。

【查看】P144图4.23

（1） 方案：a 、b 、c 、d

max )12(6841.1r r n ≤==-，可以选用

（2） 方案：e 、f

max )13(41641.1r r n >==-，不可用

原则三：“前密后疏”

即：基本组和扩大组的排列顺序：应尽可能使扩大顺序与传动顺序一致，使结构紧凑。

【查看】P144图4.23

选定：63122312??=

4. 拟定转速图

（1） 动机转速：

（2） 中间传动轴转速： 原则四：“早升晚降” P146图4.24.图4.25

即：前级传动组尽可能设计在较高速位置，而较低的输出转速应设计在后级传动组实现，从而使得结构紧凑。

原则四的变化：“早降晚升” P147图4.26图4.27

即：为使得噪声小，传动振动小，中间轴转速应取得低些，但结构尺寸会有所增大。

四、分级变速的几种特殊情况

1. 具有交换齿轮的传动链

（1） 交换齿轮的传动比：设计成对称分布 （2） 优点：减少交换齿轮的数目

（3） 缺点：升速传动比高（且在高速下），噪声高，振动大。 2. 具有多速异步电动机的传动链

（1） 750/1500r/min （8/4级） 1500/3000r/min （4/2级）

2750

1500

==

i r 2341.126.12== （2） 1000/1500r/min （6/4级）

5.11000

1500

==

i r （在设计中一般不用） （3） 750/1500/3000r/min （8/4/2级）

4750

3000

==

i r 4641.126.14== 分析：情况（1）41.1=?：4212228??= 4122228??= 2

41.1

26.1=?：63122312??= 61323212??= 3

26.1

情况（2）41.1=?：62123212??= 61222312??= )

13(241.1-

26.1=?：93123318??= 91323318??= )13(326.1-

注意：

（1） 公比?应为i r 的整数方根

（2） 把第一扩大组提到基本组之前 优点：减少传动组数，简化传动机构 缺点：

（1） 高速下功率不能完全输出 如：750/1500r/min ，7.5/10kW

（2） 扩大组在前，不适合“前密后疏”的原则 3. 具有公用齿轮的传动链

公用齿轮：既是前一传动组的被动齿轮，又是后一传动组的主动轮 优点：减少齿轮数目，减少轴向尺寸

缺点：设计中不易实现，径向尺寸可能增大 4. 具有双公比（混合公比）的传动链 如：4212228??= 26.1=?

4232228??= 58.1=?

两端的公比值大，相对速度损失率比较大，不常用 优点：可减少转速级数，简化结构 注意问题：

（1） 基本组的级指数x 应为奇数，否则会出现转速重复 （2） Z ’=8为实际级数

Z=10为理论计算级数，1

-=z n R ?

5. 某些结构上的原因引起转速图的变化 摩擦片离合器

如：CA6140（1）结构式：)23(323121??，（2）电机：先降后升 注意：（1）轴向尺寸（2）摩擦片转速（3）摩擦片径向尺寸大（齿轮大） 五、扩大变速系统调速范围的办法

如果最后一个扩大组由二个传动副组成，则：

2/z n r ?= 8626.141.18==≤n r

（1）41.1=?，Z=12级 4541.1111

===-z n R ?

（2）26.1=?，Z=18级 5026.1171

===-z n R ?

例如：普通车床，200~140=n R ，某些新型设备0>n R ，扩大变速范围的方法有以下几种：

1. 转速重合

即：增加一个传动组

26.1=?：2722339931=???=Z 级，重复中间9级转速

40726.126==n R

缺点：会出现转速重复

2. 背轮机构（回曲机构） P148图4.28 极限传动比：16

141414321min =?=?=

Z Z Z Z i 注意问题：

（1） 合上离合器：应使背轮机构脱离传动，防止背轮转速升高，导致振动

和噪声增大，发热。

（2） 如果主轴箱与变速箱间用皮带传动，应尽可能提高皮带所传递的最低

转速，防止尺寸过大。

3. 采用分支传动

)221(32246621++??= 可以看作是“并联” 优点：高速下，短传动链具有机械效率高，振动小，精度高。 4. 采用混合公比 扩大范围小

六、齿轮齿数的确定：

1. 确定齿轮齿数要注意的问题：

（1） 转速误差：)%1(10'-≤-?n

n

n 式中：n ’——实际输出转速 n ——标准（理论）转速

（2） 齿数和Sz 不宜过大：Sz ≤100-120

1） 防止尺寸过大 2） 降低齿面线速度

（3） 齿数和Sz 不宜过小：

1） 根切的问题 Zmin ≥18-20

2） 保证轮鼓强度 a ≥2m P149图4.30 （4） 三联滑移齿轮的滑移干涉 P149图4.31 2. 齿轮齿数的确定

（1） 相同模数传动组 查表P150表4.1 （2） 不同模数传动组

七、齿轮的布置与排列

1. 基本要求

（1） 滑移省力

尽可能使小齿轮块滑动。 （2） 防止滑移干涉

必须使啮合齿轮完全脱离啮合后，另一个齿轮进入啮合。P154图4.33 1） 双联滑移齿轮块 P154图4.34（左图） 2） 三联滑移齿轮块 P154图4.35（上排左图）