1、返回,二、SField（Substance-Field）法(物场分析法),这种方法是前苏联的科学家提出的，最适合求解工艺功能。,这个方法的基础是对“最小技术系统”的理解和分析。在任何一个最小技术系统中，至少有一个主体（S1），一个客体（S2）和一个场（F）。这三者缺一即不可能发生技术作用。S1（主体）即对客体发生作用的物体，也就是所说的工作头；S2（客体）即被加工的物体，也就是工艺动作的对象。F（场）即指S1向S2作用时发生的一切作用场。,二、SField（Substance-Field）法(物场分析法),讨论:如何用SField模式来求解工艺功能的功能原理问题。,1、F、S1搜索,如需要完成
2、修剪草地的任务，如何构思剪草机的工作原理呢？,在这个问题里，S2草，寻求合适的F和S1。,可能被利用的F：,（1）拉力可以拉断草，但无法控制被拉断的草的高度，无法使草地整齐；,（2）割断力像农夫割麦一样，需要握住草的上部才能割断；,（3）剪断力利用剪刀刃合拢，可以剪断。,二、SField（Substance-Field）法(物场分析法),2、完善,原设计中有时会出现缺少F或S1的情况，并因此而造成功能不良的后果。应该通过补全F或S1的措施来使SField模式完善化。,二、SField（Substance-Field）法(物场分析法),3、增加,一个最小技术系统至少应具有S1、S2和F，但有时还
3、应辅以S1和F，才能更好地完成希望实现的功能。,二、SField（Substance-Field）法(物场分析法),4、变换,对已有的工艺功能解法中的S1和F进行分析后，常常可发现它们并不是不可替换的，有时通过变换会产生意想不到的效果。, 变换,一、功能原理解与机械运动系统的方案设计机械产品的功能原理设计完成后，得到一个“功能结构图”，有：总功能的各个分功能和它们之间的相互关系。按本章第一节的原理就可以分析这些分功能中哪些适合用机械功能来完成；按第二节的原理分析这些功能是属于传动类型还是属于执行类型，再根据选择机构的原则从已有的机构中选出能完成这些分功能的最佳机构。但在这些工作中将会存在以下两
4、个问题：,第三节 按机械动作功能原理要求作机械运动系统的方案设计,1)在功能结构图中，有的分功能比较复杂，不可能用一个巳知的机构来完成。这里就需要根据分功能的特点，挑选几个机构组成一个机械运动系统，由这些机构共同完成这个分功能的机械动作。这就是所谓“机械运动系统的方案设计”，或称为“机构的创新设计”。2)当功能结构图中的各机械分功能均已根据分功能的要求选择好相应的机构后，怎样使这些分散的机构组成一个协调运动的整体，这也称为“机械运动系统的方案设计”，只是这个系统比较大，其综合后完成的机械功能，就是整个机械产品的总功能中的全部机械功能。这种机械运动系统方案设计也称为“机械运动系统的协调设计”。,
5、二、功能原理的分解和机构的选择分解的原则是所分解出的分功能能够用一个简单机构去完成，故经常将这复杂的动作功能分解成一组由直线和圆弧组成的运动。 直线运动有曲柄滑块机构、凸轮机构、齿轮齿条机构等。 选哪一个机构，这除了要按第二节的原则外，还要看这些机构能否组合在一起即所谓机构间的相容问题。如在要求精密运动的系统中，不能插入摩擦传动；在高速旋转传动中不能插入双曲柄机构等等。,1合理安排传动机构的顺序 例：三轴钻床中，传动机构的顺序是这样安排的： 主运动链：电动机皮带传动齿轮传动钻头转动； 进给运动链：电动机皮带传动蜗扦传动凸轮机构工作台升降进给,由此可知：在机构的排列顺序上一般遵循的规律是： 转变
6、运动方式的机构(如凸轮机构)通常总是安置在运动链的末端，与执行机构最近，这样使传动环节简单。皮带传动及其他摩擦传动在传递同样转矩的条件下，与其他传动相比，其外廓尺寸要大很多。 皮带传动既可过载保护，又不影响主轴与各执行构件之间的运动协调关系，且传动中心距大。为诚小尺寸和重量，这些传动机构一般安装在靠近原动机的地方。,2合理分配传动比大传动比可分多级传动，在同类的几级传动装置中，通常把传动比最大的一级装在转速最低的位置，因而可使其他各级在较高的转速下工作，使各级中间轴上的转矩较小，这样可使轴和轴上零件尺寸较小，从而获得较为紧凑的机构。,3、机构组合举例：工厂备料车间用的锯床,它是将整根元钢锯成小
7、段送到各制造车间加工。这种锯床的锯弓所要求的锯断分功能至少应包含以下三个运动特性要求： A)旋转运动变换成直线往复运动； B)工作行程的时间大于回程时间的急回特性； C)防止锯齿在工作时受到冲击载荷，要求在工作行程的中间段具有近似的等速运动。这三个运动特性要求均有多种机构可以选择，如：,1)转动(或摆动)变成移动的机构有：曲柄(或摆杆)滑块机构、正弦机构、凸轮机构、齿轮齿条机构等。2)具有急回特性的机构 有：偏置曲柄滑块机构 、曲柄摇杆机构、凸轮 机构、曲柄导杆机构等。,3）工作行程具有近似等速段的机构：这个功能特性要求除凸轮机构能单独完成外，其余机构均需要相互配合才能完成。如：双曲柄机构、曲
8、柄摇杆（导杆）机构,根据这个设想，能满足有等速段子功能的机构，除了凸轮机构外还有曲柄摇杆机构、双曲柄机构、曲柄导杆机构及椭圆齿轮机构等与曲柄(或摆杆)滑块机构、正弦机构等的组合。,除凸轮机构外，其它方案均由两个以上机构组合而成，因而就有双曲柄机构偏置曲柄滑块机构、双曲柄机构正弦机构、椭圆齿轮一正弦机构、椭圆齿轮一偏置曲柄滑块机构、曲柄导杆机构一摇杆滑块机构等近十种方案。在这些方案中性能最好的，经运动分析知为双曲柄机构一偏心曲柄滑块机构的组合，它在工作行程的70%范围内有良好的等速运动性能且有较好的急回特性，结构尺寸也合理。其次是曲柄导杆机构一摆动滑块机构。其运动性能与上述机构不相上下，但结构尺
9、寸比较大，制造比较复杂，用在锯床中有点大材小用。但却广泛用于各种类型的牛头刨床中。,三、机械运动系统方案设计举例家用缝纫机的送布机构设计 1家用缝纫机送布机构的功能原理要求 1) 衣料必须在压脚板与入口平板之间作步进式移动。 2) 送布牙的轨迹为近似矩形，特别是在送进阶段应是近似直线。 3) 送布牙用棘齿状零件构成，其送布量在一定范围内可作无级调节 2 送布机构的功能分解 根据送布机构的功能原理要求可分解成以以下几个子功能： 1) 发生矩形轨迹的子功能。 2) 能控制矩形轨迹各段生成时，与引线机构相配合的控制子功能 3) 改变送布牙送进量的调节子功能。 4) 送布机构与传动轴之间的运动传递子功
10、能。,3实现子功能的机构选择 ()矩形轨迹生成机构 先根据选择机构要力求简 单的原则，作如下分析：,(2)矩形轨迹生成的控制机构 由于上述轨迹生成机构，己把矩形的上下和前后运动分开，由和两个转角独立控制，因此控制机构就变得简单。在目前情况下用凸轮机构特别方便，如：控制上下的凸轮机构，只要在凸轮摆动时，当需要送布牙作上升运动时，在凸轮上作一段上升曲线其余部分均用圆弧即可。当凸轮反转时上升曲线就变成下降曲线。,比较难设计的是送布牙的前后运动控制、因为前后运动的送布量要无级可调，要达到这个要求，控制凸轮必须与主轴直接相联。送布与后退的时间和大小由主轴控制，然后通过一调节机构，它只改变送进量的大小，即
11、改变传递给轨迹发生机构的角。,凸轮机构如图4-16a所示，为一等宽摆动凸轮机构，凸轮上有相对应的两个大小圆弧R及r，摆杆上槽宽L恰等于R十r。在图示位置，凸轮转动时摆杆不动、这两圆弧的对应角就是送布牙作上、下运动的时间，两圆弧间用直线相联，凸轮的转角为180- ，这时摆杆摆动角，这就是输给轨迹发生机构控制送布牙的送布大小。,(3)送布量的调节机构 调节机构的任务是将摆杆BB的送布输出信息，改变成大小可调的送布多少的参数 。调节机构的种类很多。如图4-17所示的四连杆机构，如改变曲柄的长度r就可改变摆杆的摆角。当曲柄的长度为“0时摆杆的摆角也为“0”，其缺点是调节曲柄的长度不方便。,工作原理：当
12、导轨CD放在水平位置时时(图中粗实线)，凸轮转动控制摆杆摆动时，C点摆动轨迹a一a。与导轨直线相近这时摆杆BB绕B点摆动；当导轨CD摆动成倾斜时(图中双点划线)，摆杆BB 摆动时，就迫使滑块沿导轨滑动铰链中心C也随着移动，带动摆杆作上、下移动，摆杆摆动中心B也随着上下移动。摆杆中心B与以O为转动中心，这样B点的上下移动就转变成到导杆OB的摆角 ，大小是受导轨CD的倾斜角控制。,4、机械运动系统的方案设计机构选择完后，就要根据功能分解的原理将这些机构组合在起，完成送布的分功能，这就称为送行机构的运动方案设计。从上可知，分功能的分解方法不同，每个部分所选择机构的不同得到的机械运动方案也就不同。设计
13、者应该在这众多的方案中选择个最优的方案，本例的机械运动方案的方框图如图418a所示，图418b为其机构示意图。,5、小结 个体生产对缝纫速度的要求。凸轮控制已无法满足高速缝纫的需要。若将凸轮的设计、制造精度提高，则将提高产品的成本，因此用连杆机构来代替凸轮机构已成了高速缝纫机的一种趋势，因为连杆机构制造方便，成本低而高速运转性能良好。图4-19所示为一高速缝纫机的送布机构的机动示意图，轨迹发生机构未改变，但控制机构均己改成连杆机构。（图中CDEF为送布调节机构，手动调节杆调节E点的位置。）,30,五、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
14、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；,31,(4)为保证作业的稳定性，履带位于机器的下部中间，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
15、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,33,34,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：工件的重量和大小是影响机械系统总体布置及外观造型设计的重要间索。,35,37,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
16、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。,38,39,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
17、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。,40,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
18、万向节和传动轴与前后驱动轴相连。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。,42,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。,43,示例5：轧钢机轧辊是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
19、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)。,44,45,46,47,各类轧机轧辊在工作机座中有不同的布置方法(见图520)。,48,一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)：,49,示例6：食品机械在食品加工机械中，机械的总布置是多种多样的，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等的自动机。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
20、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。,50,该自动机的主要执行机构是沿加工对象自上而下的运动路线来布置的，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。,(1)功能明确 所选择结构要达到预期的功能，每个分功能有确定的结构来承担，各部分结构之间有合理的联系。要避免冗
21、余结构，尽量减少静不定结构。在图6-2(a)中，传递转矩是键还是圆锥面，零件的轴向定位是轴的台阶面还是圆锥面，两者均不明确。这是一种功能不明确的结构。图6-2(b)两种功能都是由圆锥面承担，是一种好结构,（3)使用工况及承载状态明确图6-3为组合轴承设计的两种方案。图6-3(a)设计者原意是滚针轴承承担径向力，球轴承承受轴向力。图6-3(b)径向力和轴向力承受者都很清楚。,2）安全技术法 为了保证安全可靠性，而采取的技术措施： (1)直接安全技术法：是指在结构设计中充分满足安全可靠要求，保证在使用中不出现危险。 如采用安全销、安全阀和易损件等。对于可能松脱的零件加以限位，使其不致 脱落造成机器
22、事故。 如图67(a)表示螺钉松脱后 落入机器内，不能工作。 图67(b)表示螺钉松脱时， 受到限位不致掉入系统中。,二、结构方案设计原理在结构设计中常应用下述各项原理：1 . 等强度原理对于同一个零件来说，各处应力相等，各处寿命相等，叫等强度。这样可使结构有相等强度，从而达到充分利用材料，提高经济效益。如图5-12a)的结构强度不等，而且强度差，b)图的结构强度不等，c)图适用于铸铁的等强度结构，d)图适用于钢的等强度结构。,图6-9所示为增加约束变形附件以降低高应力区应力的两个实例。图中构件1为承受载荷的主体构件，当在结构中增加一个约束变形的辅助构件2时，就使构件1左半部的应力显著减小，两
23、部分应力趋于均匀。,2. 合理力流原理 可以认为力在其传递路线上形成所谓力线，这些力线汇成力流。力在构件中的传递轨迹就像电场中的电力线、磁场中的磁力线、水流中的流线一样，按力流路线传递。 力流密集程度反映力的大小。 力线和力流方向用箭头表示。 力线和力流在连续物体中传递， 数量不变，且连续不断,力流路线直接、最短原则 可以使零件尺寸缩小、 节省材料，变形小，刚度好。固6-11a的力流路线最短，结构尺寸最小；b的力流路线比图a的长，故尺寸大。,力流转向平缓原则：当结构断面发生突然变化，引起力流方向的急剧改变，使得力流密度增加，产生应力集中。在结构设计时，应采取措施，使力流方向变化平缓，减小应力集
24、中。图6-13所示为轮毂联结：图a)力流方向变化急剧，A处应力集中;图b)力流方向变化较平缓，应力集中小。,3变形协调原理所谓变形协调，就是使相联接的两零件在外载荷的作用下所产生的变形的方向相同，并且使其相对变形尽可能小。图6-12为两焊接板的变形及应力分布。图a)为一板受拉另一板受压，两零件在接缝的上端应力集中很大，相对变形 大，变形不协调，应力 分布不均匀；图b)为两 板受拉，相对变形小， 符合变形协调原理应 力分布均匀。,7稳定性原理所谓系统的结构稳定是指当出现干扰，使系统状态发生改变的同时，会产生一种与干扰作用相反的、使系统恢复稳定的效应。,汽缸压力和作用在活塞杆上的工作抗力对活塞的状
25、态的不同影响,图625是几种加强结构稳定性的措施：,对于热膨胀变形而产生的干扰，需要在结构设计中采取措施，使之消除。如图617(a)结构，由于轴发热伸长，使轴承内部的游隙缩小甚至卡死，造成工作不稳定；图(b)则不会。,4合理利用材料特性材料的抗弯、抗拉和抗压特性差别较大，结构设计时应充分利用这一特点，尽量扬长避短。例如：材料为钢时应尽量用拉、压代替受弯；材料为铸铁时，则考虑用受压代替受拉或受弯。图622所示为用三角珩架代替简支梁；图623所示为结构和大小完全相同，仅安装方法不同的两个铸铁托架。显然图623b方案合理。,当螺栓受拉和螺母受压时，由于螺栓和螺母在旋合段内所受轴向力的不同，导致旋合各
26、圈螺纹牙载荷相差很大。图6-27所示：第1圈牙受力可为第7圈的十几倍，这对于重载荷或重要部位的螺母是很严重的问题。图6-28所示为均化螺纹牙载荷的三种螺母结构形式。由图可见，各结构都在不同程度上减小了牙上的最大载荷，使载荷趋于均匀。,用螺栓联接时，联接部分可有不同形式，如图638所示。其中图a）的结构简单，但局部刚度差为提高局部刚度，可采用图638b或图638c的结构形式。,图6-39a所示为车床床身，其导轨与本体连接刚度较差，若在局部加肋，如图s39b所示，则可提高刚度。图639c为龙门刨床床身，其V形导轨处的局部刚度低，若改为如图639d所示的结构，即加一纵向肋板，则刚度得到提高。,(二)
27、铸造件的工艺性 1、铸造工艺对结构设计的要求,(1)造型方法 尽量采用整体模在平板上使用二箱造型。如图614(a)所示，改进前铸件是三箱造型，改成图(b)后成为两箱造型，减少了分型面，简化了造型工艺过程。 (2)拔模斜度 为起模方便，应流有拔模斜度。如图615(a) 无拔模斜度。由图(b) 内、外腔在起模方向均有。,(3)铸件的内腔 利用型芯可以铸出形状极为复杂的铸件内腔，但生产成本会明显地增加，所以在结构设计时应尽量不用或少用型芯。 （4)铸件壁 铸件壁不宜过厚，尤应避免局部材料积聚，形成过大热节、以致产生较大的铸造应力，使该处出现裂纹和缩孔等缺陷。图617(a)为铸件改进前的设计方案，出现很大的热节；图(b)为改进后的结构，消除了热节。,一、机械加工的工艺性机械加工的工艺性可按表65所示的四个原则来考虑：,二、零件装配的工艺性 零件装配的工艺性可以按表66所示原则来描述：,2、总之，铸件的工艺性可按便于造型等原则来考虑，表67所示。,2、焊接件的结构设计，除应当正确选择焊缝形式外，还应注意表68所示的几个方面。,
