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AE机械系统设计方案练习资料
机械系统设计复习资料
一、名词解释
1．“黑箱法”：
是指机械产品进行功能原理设计时采用的一种抽象化的方法，此方法暂时摒弃那些附加功能和非必要功能，突出必要功能和基本功能，并将这些功能以抽象的方式加以表达。
“黑箱法”是根据系统的输入、输出关系来研究实现系统功能的一种方法。
要设计的产品就是“黑箱”，通过分析黑箱与输入量、输出量及周围环境的的信息联系来使问题简化，从而寻找某种物理效应或者原理来实现输入与输出关系的转化。
2．主轴合理跨距：
在主轴前端受力时主轴端部产生的位移是由主轴本身及其支承产生的变形引起的。
对于一个已确定主轴前端悬伸量的主轴组件来说，存在一个最佳支承跨距L0可以使得主轴组件的综合刚度最大，即可以使得主轴端部产生位移最小。
由于当0.75≤L实/L0≤1.5时主轴组件的刚度损失不超过5%~7%，这在工程上可以认为是合理的刚度损失，所以称（0.75~1.5）L0为主轴合理跨距L。
3．功能原理设计：
针对所要设计产品的主要功能提出一些原理性的构思，即针对产品的主要功能进行原理性设计。
即构思能实现目标的新的解法原理。
4．转速扩大顺序：
在进行传动系统的结构式或结构网设计时，从基本组、第一扩大组、到第二扩大组。
。
。
的排列顺序称为转速扩大顺序。
即按级比指数由小到大进行排列时的变速组的顺序。
5．主轴旋转精度：
是指主轴组件装配后，在无载荷低速转动条件下，主轴安装刀具或者工件部位相对于理想旋转中心线的空间瞬时旋转误差。
包括径向跳动、轴向串动和角度摆动等。
6．基本组：
指进行等比数列的有级变速传动系统设计时，变速组内级比等于公比的变速组。
或者指级比指数等于1的变速组。
7．计算转速：
指传动轴、齿轮等传动件传递全部功率的最低转速，该转速主要用来计算传动轴和传动件的最大传递转矩，从而确定传动轴和传动件的尺寸。
8．卸荷导轨：
指采用机械式、液压式或气压式等方法对滑动导轨工作面上的压强进行卸荷，这样可以减小滑动导轨工作面上的压强，提高导轨的耐磨性和低速运动平稳性（防止爬行现象的发生）。
9．内联传动精度：
指机械系统内联传动系统两末端执行件之间运动的协调性与均匀性。
二.填空题
1．导轨的功用是导向和承载。
2．支承件的的静刚度包括自身刚度、局部刚度和接触刚度。
3．直线运动导轨的截面形状主要有三角形、矩形、燕尾形和圆柱形。
4．传动精度是指机械产品传动系统的传动链各末端执行件之间运动的协调性和均匀性。
5．从系统完成的不同功能来分，机械系统主要由动力系统、执行系统、传动系统、操纵与控制系统和支承系统、润滑冷却与密封系统组成。
6．支承件的变形包括自身变形、局部变形和接触变形三种。
7．总体参数是机械系统结构总体设计与零部件设计的依据，一般情况下机械系统的总体参数主要有动力参数、运动参数、性能参数和尺寸参数。
8．对一般机械承受的动载荷，按其载荷历程的不同可分为周期载荷、冲击载荷和随机载荷。
9．为了保证三联滑移齿轮左右滑移时能从固定齿轮上顺利通过，在齿轮模数相同时变速组内滑移齿轮的齿数应该满足滑移齿轮上最大齿轮与次大齿轮的齿数差大于4。
10．常用的机械变速装置有交换齿轮、滑移齿轮、离合器变速和啮合器变速以及上述几种变速方式的组合。
11．对于一般机床的主轴组件主要进行刚度验算，对粗加工、重载机床的主轴组件则还需进行强度验算。
12．执行轴机构设计的基本要求包括旋转精度、静刚度、抗振性、热变形和耐磨性。
13．纵向隔板主要用来提高支承件的抗弯刚度，横向隔板主要用来提高支承件的抗扭刚度。
14．导轨间隙的调整通常是采用压板和镶条。
15．机械系统功能原理设计时常采用一种“抽象化”的方法称作黑箱法，它是根据系统的输入输出关系来研究实现系统功能的一种方法。
16．电动机容量的选择应分为预选和校验两大步。
电动机校验的主要内容有温升和过载能力，必要时还要校验起动能力。
17．角接触球轴承的组配方式有三种：
背靠背、面对面和同向安装。
机床主轴上为了提高支承刚度常采用背靠背组合的双联角接触球轴承。
18．电动机校验的主要内容有发热温升、过载能力和起动能力。
19．轴承的径向跳动直接影响主轴的旋转精度，在提高主轴的旋转精度时，一方面应当采用高精度轴承，另一方面在装配时可再采用选配法进行分组组装。
三.简答题
1．图示并说明什么是背轮机构，为什么要采用背轮机构？
答：
图略。
结构特点是两个同轴线的轴通过一个中间传动轴，利用一个双向离合器将两对齿轮组成的变速装置联系起来。
可以获得最大传动比为1和最小传动比为1/4乘以1/4即可得1/16的最小传动比的一种机构。
与普通的滑移齿轮变速组相比它扩大了变速组的极限变速范围，可以用来扩大传动系统的变速范围。
2.图示并分析双支承主轴组件前端位移的组成，简介主轴最佳跨距和合理跨距的确定方法。
答：
图略。
在主轴前端受力时主轴端部产生的位移是由主轴本身及其支承产生的变形引起的。
对于一个已确定主轴前端悬伸量的主轴组件来说，存在一个最佳支承跨距L0可以使得主轴组件的综合刚度最大，即可以使得主轴端部产生位移最小。
由于当0.75≤L实/L0≤1.5时主轴组件的刚度损失不超过5%~7%，这在工程上可以认为是合理的刚度损失，所以称（0.75~1.5）L0为主轴合理跨距L合。
３．介绍制定等比数列标准公比的原则，分析通用机床、自动机床和小型机械如何选用等比数列的公比？
答：
制定等比数列标准公比的原则有3条：
一是大于1小于等于2；公比为2的某次方根；公比为10的某次方根。
从使用性能方面考虑，标准等比数列的公比最好选小一些，以便减少相对转速损失。
但公比越小，转速级数就越多，系统结构将越复杂。
对于生产率要求较高的通用机械设备，减少相对转速损失率是主要的，故取较小公比，如1.26或1.41。
对于非自动化小型机床，为了简化结构，可将转速公比选的大一些。
如一般为1.58，甚至可取为2。
对于批量生产用的自动机床或大批生产用的专用机床，对减少相对转速损失的要求很高，所以常取很小的公比如1.12或1.26。
４．画图说明三相交流异步电动机的机械特性，并标注出四个特征点的转矩与转速。
答：
图略：
这是三相异步电动机的固有机械特性曲线。
起动点，n=0，M=Mst为电动机的起动力矩。
空载工作点n=n0，M=0此时电动机处于理想空转状态。
额定工作点n=nN，M=MN为额定转矩。
最大转矩点n=nM，M=Mm为电动机的最大转矩点。
5．简述提高支承件自身刚度的措施。
答：
正确选择截面的形状和尺寸：
1）截面积相同时空心截面刚度大于实心截面刚度。
2）圆环形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低。
3）封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，不封闭的截面比封闭的截面刚度显著下降，特别是抗扭刚度下降更多。
2.合理布置肋板，纵向隔板布置在弯曲平面内，其抗弯刚度较高；斜向隔板的抗弯刚度和抗扭刚度均较高。
3.合理选择支承件的壁厚4.合理开孔和加盖。
6．图示并分析说明主运动为旋转运动的通用机床的功率与转矩特性
答：
图略，图为通用机床旋转主传动的功率与转矩特性。
从特性曲线上看，首先存在一个计算转速nj，在nj处主轴开始传递机床电动机的全部功率。
在计算转速之前，即在nmin和nj之间机床属于恒转矩特性。
在计算转速之后，即在nj和nmax之间机床属于恒功率特性。
7．什么是离合器变速时的超速现象？
为什么离合器变速设计时要避免超速现象？
画图说明如何予以避免。
答：
在采用离合器进行变速的机械传动系统中，可能存在的当一条传动路线工作时在另一条不工作的传动线上出现的传动件高速空转的现象称为离合器的超速现象。
超速现象会引起空转功率的消耗，还会导致齿轮的噪声和磨损加剧。
超速现象可以通过摩擦离合器的结构设计予以避免。
8．画出结构式12=2[3]·3[1]·2[6]的结构网，说明哪个是基本组、第一扩大组和第二扩大组，并求出当公比为1.41时各变速组的级比、级比指数和变速范围。
答：
12=2[3]·3[1]·2[6]的结构网略
12=2[3]·3[1]·2[6]的3[1]为基本组，2[3]为第一扩大组，2[6]为第二扩大组。
当公比为1.41时：
3[1]的级比为1.41，级比指数为1，变速组的变速范围为1.412=2。
2[3]的级比为1.413，级比指数为3，变速组的变速范围为1.413=2.8。
2[6]级比为1.416，级比指数为6，变速组的变速范围为1.416=8=rmax。
9．普通滑动导轨的材料有哪些？
选用滑动导轨副材料的原则是什么？
答：
普通滑动导轨的材料有铸铁、镶钢和镶装有色金属材料导轨、镶装塑料导轨等。
为了提高导轨副之间的耐磨性和防止咬焊，动导轨和支承导轨的材料应不同，原则上是一软一硬。
若材料相同时也必须采用不同的热处理方法使得双方硬度不同。
10．分析说明提高内联传动链传动精度的措施有哪些。
答：
措施有：
缩短传动链，原因是存在误差累积现象。
采用降速传动，这是因为采用降速传动时，前面传动副的误差会在传递过程中被逐步缩小。
合理分配各传动副的传动比，并且应使末端件的传动比最小。
这是因为传动比直接影响各个传动副误差的传递特性，而且最后一级传动副将直接参与总误差的合成。
合理选择传动件，这是考虑各个传动件的制造难易程度不一样，可能达到的精度等级不一样。
而且不允许采用传动比不准确的传动副，如摩擦传动副不能在内联传动系统中使用。
合理确定传动副的制造精度，比如末端传动件的误差将直接复印给执行件，因此需要更高的精度。
采用校正装置。
采用带反馈的校正装置有时比直接提高传动副的制造精度成倍更低，也更容易实现。
常用的校正装置有光学校正装置、数控校正装置等。
11．介绍制定等比数列标准公比的原则，分析通用机床、自动机床和小型机械如何选用等比数列的公比？
答：
制定等比数列标准公比的原则有3条：
一是大于1小于等于2；公比为2的某次方根；公比为10的某次方根。
从使用性能方面考虑，标准等比数列的公比最好选小一些，以便减少相对转速损失。
但公比越小，转速级数就越多，系统结构将越复杂。
对于生产率要求较高的通用机械设备，减少相对转速损失率是主要的，故取较小公比，如1.26或1.41。
对于非自动化小型机床，为了简化结构，可将转速公比选的大一些。
如一般为1.58，甚至可取为2。
对于批量生产用的自动机床或大批生产用的专用机床，对减少相对转速损失的要求很高，所以常取很小的公比如1.12或1.26。
12．画出结构式18=3[3]·3[1]·2[9]的结构网，说明哪个是基本组、第一扩大组和第二扩大组，并求出当公比为1.26时各变速组的级比、级比指数，验证变速组的变速范围。
答：
18=3[3]·3[1]·2[9]的结构网略
18=3[3]·3[1]·2[9]的3[1]为基本组，3[3]为第一扩大组，2[9]为第二扩大组。
当公比为1.26时：
3[1]的级比为1.26，级比指数为1，变速组的变速范围为1.262=1.58。
3[3]的级比为1.263，级比指数为3，变速组的变速范围为1.266=4。
2[9]级比为1.269，级比指数为9，变速组的变速范围为1.269=8=rmax。
13．数控机械系统的各个执行件可以分别采用动力源驱动吗？
为什么？
答：
数控机械系统的各个执行件是可以分别采用动力源驱动的。
各种数控机械一般都有多个执行件，并且各个执行件之间彼此有严格的速比与位置要求，以便实现复杂的组合或加工复杂表面。
但是由于数控机械是采用数字指令进行运动控制。
即各个执行件是由数控程序发出的指令控制，可以通过程序的编制来控制执行件按照某种运动规律运行，所以在数控机械中每个执行件都采用单独的动力源进行驱动。
14.分析主轴组件前端位移的组成并说明主轴最佳跨距和合理跨距的确定方法。
当由于结构原因不能采用合理跨距时应该如何提高主轴组件的刚度？
答：
主轴合理跨距：
在主轴前端受力时主轴端部产生的位移是由主轴本身及其支承产生的变形引起的。
对于一个已确定主轴前端悬伸量的主轴组件来说，存在一个最佳支承跨距L0可以使得主轴组件的综合刚度最大，即可以使得主轴端部产生位移最小。
由于当0.75≤L实/L0≤1.5时主轴组件的刚度损失不超过5%~7%，这在工程上可以认为是合理的刚度损失，所以称（0.75~1.5）L0为主轴合理跨距L合。
当由于结构原因不能使用合理跨距时，应该区别对待：
当支承跨距大于合理跨距时应该加大主轴的刚度，当支承跨距小于合理跨距时应该加大支承的刚度——轴承与轴承座的刚度。
15．简述执行轴机构设计的基本要求。
答：
（1）旋转精度及精度保持性的要求，其径向跳动，轴向串动，角度摆动不超出允许范围。
（2）静刚度，要求主轴具有抵抗静态外载荷引起变形的能力。
（3）抗振性，要求主轴受到交变载荷时，能平稳运转而不发生振动。
（4）温升支热变形，要求主轴的设计、制造、安调中控制温升及产生的热变形，保证正常运行。
（5）耐磨性，要求主轴具有长期保持原始精度的能力即精度保持性，具体体现在主轴组件的抗磨损性能。
16.简述主轴组件前端定位轴向精度的特点及应用。
答：
主轴前端定位前支承发热大，温升高，但主轴受热膨胀后向后伸长，不影响轴向精度。
主轴受轴向载荷部分较短，变形小，精度高，间隙调整较不方便，主轴前端悬伸量当推力轴承在前支承两侧的较长，均在同一侧的较短，应用于对轴向精度和刚度要求较高的精密机床。
17.机床主运动与进给运动传动系统中齿轮变速组的极限变速范围是什么？
它是如何确定的？
答：
对于直齿圆柱齿轮变速组的极限变速范围是rmax≤8，对于斜齿圆柱齿轮的极限变速范围是rmax≤10。
这是因为升速传动时过大的传动比会导致齿轮的振动与噪声显著增加，所以限制了升速的极限传动比为imax≤2，在降速传动时过小的传动比将导致大齿轮的径向尺寸比较大，会增加变速箱体的尺寸，因此限制了直齿圆柱齿轮的极限传动比为imin≥1/4。
对于斜齿圆柱齿轮来说由于斜齿轮在前面一个轮齿未脱开时后一个轮齿已经进入啮合，所以传动平稳性较好。
规定的升速的极限传动比为ixma≤2.5。
对于进给传动系统来说，由于其传递的功率比较小，引起的振动和噪声有限，同时传递转矩不大，传动件的尺寸也不算很大。
因此规定其极限传动比为1/5≤i极≤2.8，所以其极限变速范围是rmax≤14
18．画图说明采用惰轮实现换向功能时惰轮轴应该怎样布置，为什么？
答：
图略首先，惰轮轴应该尽量使用双支承结构。
若无法使用双支承结构而采用悬臂轴支撑时，由于支承刚性较差，应该通过改善其受力状况来减少刚度不够可能带来的影响。
如图所示，根据主动齿轮的旋转方向，左图布置方式惰轮受到向外侧的作用力，会破坏正常的工作位置关系，所以不是理想的布置方式。
按照右图布置方式则主动齿轮给惰轮的作用力使得惰轮趋近于刚性很好的齿轮轴及齿轮，因此传递的刚性较好。
四.综合题
（1）
根据已知条件设计某升降台式铣床的主传动系统。
已知：
主轴最低转速nmin=30rpm，主轴最高转速nmax=1500rpm，公比φ＝1.26。
要求采用一级定比传动以便进行机床产品的变型设计。
1.确定主轴转速的级数Z。
2.列出机床主轴的各级标准转速。
3.求出该主轴的最大相对转速损失率。
4.写出6个可供选择的结构式。
5.确定一个合理的结构式并说明其合理性。
6.画出选定结构式的对应结构网。
7.确定各变速组的传动比，画出转速图，并说明其合理性。
8.指出基本组与扩大组，并验证各变速组的变速范围。
9．确定各传动轴的计算转速[注：
主轴的计算转速公式：
nj=nmin*φ（z/3-1）]
附：
标准数列表（φ＝1.06）
1.06
1.12
1.18
1.25
1.32
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
2.12
2.24
2.36
2.5
2.65
2.8
3.0
3.15
3.35
3.55
3.75
4.0
4.25
4.5
4.75
5.0
5.3
5.6
6.0
6.3
6.7
7.1
7.5
8.0
8.5
9.0
9.5
10
10.6
11.2
11.8
12.5
13.2
14
15
16
17
18
19
20
21.2
22.4
23.6
25
26.5
28
30
31.5
33.5
35.5
37.55
40
42.5
45
47.5
50
53
56
60
63
67
71
75
80
85
90
95
100
解：
1．
所以，经过圆整之后机床转速级数取为18级。
2．根据1.064=1.26,所以查表得到机床各级标准转速：
30，37.5,47.5,60,75,95,118,150,190,236,300,375,475,600,750,950,1180,1500
3.
4．
5．
理由：
变速组的传动副数为3或者2，按照前多后少原则安排变速组，按照前紧后松原则安排转速扩大顺序。
6．结构网略
7．转速图略理由：
根据主轴最大转速为1500确定电动机的同步转速为1500，n电=1440r/min。
由于29第二扩大组为极限变速范围，按照极限传动比确定的传动比为φ3/1和1/φ6即传动比为i2max=2,i2min=1/4。
根据降速比前慢后快的原则分配i1和i0的传动比，结合电动机的转速在电动机和i0之间串联一级定比传动，得到传动比分别为：
i1max=φ2,i1mid=1/φ，i1min=1/φ4；i0max=1,i1mid=1/φ，i1min=1/φ2。
i电=475/1440=1/3
8．根据通用机床计算转速的计算方法得到：
n主轴Ⅳj为95r/min。
并由此知道95r/min向上各级转速都将传递全部功率，所以得到各传动轴的计算转速：
nⅢj为118r/min。
nⅡj为300r/min。
nⅠj为475r/min。
四.综合题
（2）
根据已知条件设计某升降台式铣床的主传动系统。
已知：
主轴最低转速nmin=31.5rpm，转速级数为18级，公比φ＝1.26。
要求采用一级定比传动以便进行机床产品的变型设计。
1.列出机床主轴的各级标准转速。
2.计算主轴的最大相对转速损失率。
3.确定变速组数和传动副数，写出4个可供选择的结构式。
4.画出上述结构式的对应结构网。
5.确定一个合理的结构式与结构网并说明理由。
6.选择电动机的转速并说明理由。
7.确定各变速组的传动比，画出转速图。
8.指出基本组与扩大组，并验证各变速组的变速范围
附：
标准数列表（φ＝1.06）
解：
1．根据nmin=31.5rpm，转速级数为18级，公比φ＝1.26有1.064=1.26,所以查表得到机床各级标准转速：
31.5，40,50,63,80,100,125,160,200,250,315,400,500,630,800,1000,1250,1600
2.
3．
4.结构网略
5．
理由：
变速组的传动副数为3或者2，按照前多后少原则安排变速组，按照前紧后松原则安排转速扩大顺序。
6．根据传动系统的最大转速1600，取电动机同步转速和最大转速趋于接近，所以n电=1440r/min。
7．转速图略由于29第二扩大组为极限变速范围，按照极限传动比确定的传动比为φ3/1和1/φ6即传动比为i2max=2,i2min=1/4。
根据降速比前慢后快的原则分配i1和i0的传动比，结合电动机的转速在电动机和i0之间串联一级定比传动，得到传动比分别为：
i1max=φ2,i1mid=1/φ，i1min=1/φ4；i0max=1,i1mid=1/φ，i1min=1/φ2。
i电=475/1440=1/3
8．根据结构式和结构网可知：
基本组为31，第一扩大组为32，第二扩大组为29。
一般只要验证最后一级扩大组的变速范围即可。
r2=φ（2-1）9=1.269=23=8=rmax。
所以满足直齿圆柱齿轮极限传动比的要求。
四.综合题（3）
根据已知条件设计一台普通卧式车床的主传动系统。
已知：
主轴转速范围为45~2000r/min，从结构及工艺要求为Z=12级的机械有级变速系统。
试完成下述内容：
1.求出机床主轴的变速范围Rn。
2.确定主轴的转速公比φ。
3.查表确定机床主轴的各级标准转速。
4.确定变速组数和传动副数，写出4个可供选择的结构式，并画出对应的结构网。
5.确定一个合理的结构式与结构网并说明理由。
6.确定各变速组的传动比，画出转速图。
7.指出基本组与扩大组，并验证各变速组的变速范围
附：
标准数列表（φ＝1.06）
解：
1．Rn=2000/45=44.4。
2．
，经过圆整为
3．根据45~2000r/min，Z=12，公比φ＝1.41，查表得到机床各级标准转速：
45，63,90,125,180,250,355,500,710,1000,1400,2000
4．
结构网略
5．
理由：
变速组的传动副数为3或者2，按照前多后少原则安排变速组，按照前紧后松原则安排转速扩大顺序。
6．根据传动系统的最大转速2000，取电动机同步转速1500，所以n电=1440r/min。
转速图略。
选择过程如下：
由于26第二扩大组为极限变速范围，按照极限传动比确定的传动比为φ2/1和1/φ4即传动比为i2max=2,i2min=1/4。
根据降速比前慢后快的原则分配i1和i0的传动比，结合电动机的转速在电动机和i0之间串联一级定比传动，得到传动比分别为：
i1max=1,i1min=1/φ3；i0max=1,i1mid=1/φ，i1min=1/φ2。
i电=1000/1440=0.7
7．根据结构式和结构网可知：
基本组为31，第一扩大组为23，第二扩大组为26。
一般只要验证最后一级扩大组的变速范围即可。
r2=φ（2-1）6=1.416=23=8=rmax。
所以满足直齿圆柱齿轮极限传动比的要求。
四.综合题（4）
根据已知条件设计一台普通卧式车床的主传动系统。
已知：
主轴转速范围为37.5~1700r/min，从结构及工艺要求为Z=12级的机械有级变速系统。
试完成下述内容：
1.求出机床主轴的变速范围Rn。
2.确定主轴的转速公比φ。
3.查表确定机床主轴的各级标准转速。
4.确定变速组数和传动副数，写出4个可供选择的结构式，并画出对应的结构网。
5.确定一个合理的结构式与结构网并说明理由。
6.确定各变速组的传动比，画出转速图。
7.指出基本组与扩大组，并验证各变速组的变速范围
。
8.确定各传动轴的计算转速[注：
主轴的计算转速公式：
nj=nmin*φ（z/3-1）]
附：
标准数列表（φ＝1.06）
解：
1．Rn=1700/37.5=45.3。
2．
，经过圆整为
3．根据37.5~1700r/min，Z=12，公比φ＝1.41，查表得到机床各级标准转速：
37.5，53,75,106,150,212,300,425,600,850,1200,1700
4．
结构网略
5．
理由：
变速组的传动副数为3或者2，按照前多后少原则安排变速组，按照前紧后松原则安排转速扩大顺序。
6．根据传动系统的最大转速1700，取电动机同步转速和最大转速趋于接近，所以n电=1440r/min。
转速图略。
选择过程如下：
由于26第二扩大组为极限变速范围，
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