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1、第三章机械结构设计第三章机械结构设计结构方案的设计的基本原则结构方案的设计的基本原则结构方案的设计的原理结构方案的设计的原理一、结构方案设计的基本原则一、结构方案设计的基本原则l原则：明确、简单、安全可靠原则：明确、简单、安全可靠明确明确对产品设计中应考虑的问题都应在结构方案中获得明确的对产品设计中应考虑的问题都应在结构方案中获得明确的体现与分担。体现与分担。（1）功能明确）功能明确 （2）工作原理明确）工作原理明确 （3）使用工况及应力状态明确）使用工况及应力状态明确 （4 4）其它）其它简单简单 在确定结构方案时，应使所含零件数目和加工工序类型尽可能在确定结构方案时，应使所含零件数目和加工
2、工序类型尽可能减少，零件外形力求简单，尽量减少加工面、机械加工次数、热处减少，零件外形力求简单，尽量减少加工面、机械加工次数、热处理工序，减少或简化与相关零件的装配关系及调整措施。理工序，减少或简化与相关零件的装配关系及调整措施。安全可靠安全可靠1 1、安全技术的分类、安全技术的分类直接安全技术直接安全技术在结构中直接满足安全要求，使用中不在结构中直接满足安全要求，使用中不存在危险性的技术。存在危险性的技术。间接安全技术间接安全技术通常采用防护系统或保护装置来保证安通常采用防护系统或保护装置来保证安全的技术。全的技术。提示性安全技术提示性安全技术既不能直接保证安全可靠，又没有保护既不能直接保证
3、安全可靠，又没有保护或防护措施，仅能在发生危险之前进行预报和报警的技术。或防护措施，仅能在发生危险之前进行预报和报警的技术。衡量指标：衡量指标：构件的可靠性、功能的可靠性、工作的安全性、环境安全性构件的可靠性、功能的可靠性、工作的安全性、环境安全性2 2、安全可靠的衡量、安全可靠的衡量 含义：在规定的载荷下，在规定的使用条件和时间内，构含义：在规定的载荷下，在规定的使用条件和时间内，构件不发生过度变形、过度磨损，不丧失稳定或不发生破坏，机件不发生过度变形、过度磨损，不丧失稳定或不发生破坏，机器在规定的条件下不丧失功能，不产生对人及环境的危害。器在规定的条件下不丧失功能，不产生对人及环境的危害。
4、直接安全技术直接安全技术 首先要确保构件的可靠性。（特定功能元件、冗余配置）首先要确保构件的可靠性。（特定功能元件、冗余配置）间接安全技术间接安全技术 主要采用防护系统和防护装置。主要采用防护系统和防护装置。二、结构方案设计的原理二、结构方案设计的原理 合理力流原理合理力流原理 变形协调原理变形协调原理 力平衡原理力平衡原理 任务分配原理任务分配原理 自补偿原理自补偿原理 稳定性原理稳定性原理 最小阻尼原理最小阻尼原理 等强度原理等强度原理 等强度原理等强度原理 利用等强度原理设计的结构，材料可得到充分利用，从而减轻利用等强度原理设计的结构，材料可得到充分利用，从而减轻了重量、降低了成本。了重
5、量、降低了成本。增加约束变形附件的结构增加约束变形附件的结构1主体构件主体构件 2附助构件附助构件 合力力流原理合力力流原理 力在传递路线上形成力力在传递路线上形成力线，这些力线汇成力流。线，这些力线汇成力流。力流在构件中不会中断，力流在构件中不会中断，任一条力线都不会突然消失，任一条力线都不会突然消失，必然是从一处传入，从另一必然是从一处传入，从另一处传出。处传出。力流的另一个特性是倾向力流的另一个特性是倾向于沿最短路线传递，从而在于沿最短路线传递，从而在最短路线附近力流密集，形最短路线附近力流密集，形成高应力区。其它部位力流成高应力区。其它部位力流稀疏。稀疏。当力流方向急剧转折时，当力流方
6、向急剧转折时，力流在转折处会过于密集，力流在转折处会过于密集，从而引起应力集中，设计中从而引起应力集中，设计中应在结构上采取相应措施，应在结构上采取相应措施，使力流转向平缓。使力流转向平缓。中心冲工作时的力流中心冲工作时的力流不同形状的杆件不同形状的杆件变形协调原理变形协调原理 变形协调就是使相联结的两零件在外载荷的作用下所变形协调就是使相联结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。产生的变形的方向相同并且使其相对变形尽可能小。不同搭接形式不同搭接形式轴毂轴毂联接的不同情况联接的不同情况力平衡原理力平衡原理 采取结构措施部分或全部平衡掉无功力，采取结构措施部分或
7、全部平衡掉无功力，以减轻或消除不良影响（平衡元件、对称以减轻或消除不良影响（平衡元件、对称布置等）。布置等）。任务分配原理任务分配原理 任务分配是确定功能与载体间的相互关系任务分配是确定功能与载体间的相互关系,即选择零件承担功即选择零件承担功能。有三种方式：能。有三种方式：（1）一载多功能；（）一载多功能；（2）一载一功能；（）一载一功能；（3）多载一功能）多载一功能 例题分析：螺栓、蜗轮、三角胶带、轴颈表面、多根皮带、链。例题分析：螺栓、蜗轮、三角胶带、轴颈表面、多根皮带、链。多轴承。多轴承。自补偿原理自补偿原理 含义：通过选择系统元件及其在系统中的配置来实现加强含义：通过选择系统元件及其在
8、系统中的配置来实现加强功能的相互支持作用，称为自补偿。功能的相互支持作用，称为自补偿。自补偿在正常情况下（额定载荷）下有加强功能、减载自补偿在正常情况下（额定载荷）下有加强功能、减载和平衡的含义，而在紧急情况（超载）下有保护或救援的和平衡的含义，而在紧急情况（超载）下有保护或救援的含义。它有三种形式：含义。它有三种形式：（1）自增强）自增强 当辅助效应与初始效应的作用方向相同时，使得总效应当辅助效应与初始效应的作用方向相同时，使得总效应加强，就是所谓自增强。加强，就是所谓自增强。偏心夹紧示意图偏心夹紧示意图1、工件、工件 2、偏心轮、偏心轮 3、支承轴、支承轴 4、基座、基座（2）自平衡）自平
9、衡 它是使正常载荷下的辅助效应同初始效应相反并达到它是使正常载荷下的辅助效应同初始效应相反并达到平衡或部分平衡状态，以克服不利影响。平衡或部分平衡状态，以克服不利影响。（3）自保护）自保护(超载时超载时)如安全联轴器、摩擦离合器、带传动过载打滑等。如安全联轴器、摩擦离合器、带传动过载打滑等。离心式调速器离心式调速器1、竖轴竖轴 2、重锤、重锤 3、滑套、滑套 4、杠杆、杠杆 5、阀门、阀门稳定性原理稳定性原理 所谓系统的结构稳定是所谓系统的结构稳定是指当干扰使系统状态发生指当干扰使系统状态发生改变的同时，会产生一些改变的同时，会产生一些与干扰作用相反的、使系与干扰作用相反的、使系统恢复稳定的效
10、应。统恢复稳定的效应。活塞导向的稳定性活塞导向的稳定性轴承的热稳定性轴承的热稳定性第一章第一章 思考题思考题1.1.机电一体化包括哪两方面的内容？其重要实质是机电一体化包括哪两方面的内容？其重要实质是什么？什么？2.2.试举例说明常见的分别属于开发性设计、适应性试举例说明常见的分别属于开发性设计、适应性设计和变异性设计的情况。设计和变异性设计的情况。3.3.机电一体化有哪些关键共性技术？机电一体化有哪些关键共性技术？第二章第二章 习题与思考题习题与思考题1 1 1 1、机械系统用来实现机电一体化产品中的什么功能？、机械系统用来实现机电一体化产品中的什么功能？、机械系统用来实现机电一体化产品中的
11、什么功能？、机械系统用来实现机电一体化产品中的什么功能？相对于传统的机械产品来说，机电一体化产品中的机相对于传统的机械产品来说，机电一体化产品中的机相对于传统的机械产品来说，机电一体化产品中的机相对于传统的机械产品来说，机电一体化产品中的机械系统在设计中应考虑哪些问题？械系统在设计中应考虑哪些问题？械系统在设计中应考虑哪些问题？械系统在设计中应考虑哪些问题？2 2 2 2、机电一体化产品对机械系统设计有哪些具体要求？、机电一体化产品对机械系统设计有哪些具体要求？、机电一体化产品对机械系统设计有哪些具体要求？、机电一体化产品对机械系统设计有哪些具体要求？3 3 3 3、哪些机构常用来作为执行机构
12、，每种各举一个实际、哪些机构常用来作为执行机构，每种各举一个实际、哪些机构常用来作为执行机构，每种各举一个实际、哪些机构常用来作为执行机构，每种各举一个实际例子。例子。例子。例子。4 4 4 4、哪些机构常用来作为传动机械，每种各举一个实际、哪些机构常用来作为传动机械，每种各举一个实际、哪些机构常用来作为传动机械，每种各举一个实际、哪些机构常用来作为传动机械，每种各举一个实际例子。例子。例子。例子。5 5 5 5、举例说明机械结构设计的基本原则和原理、举例说明机械结构设计的基本原则和原理、举例说明机械结构设计的基本原则和原理、举例说明机械结构设计的基本原则和原理第四章第四章 机电系统的动态模型
13、及传递函数机电系统的动态模型及传递函数机电系统原理简化图机电系统原理简化图机电系统原理简化图机电系统原理简化图机电系统动力学方程和传递函数机电系统动力学方程和传递函数机电系统动力学方程和传递函数机电系统动力学方程和传递函数第一节第一节 机电系统原理简化图机电系统原理简化图机电系统的动力学必须包括以下三方面内容：机电系统的动力学必须包括以下三方面内容：（1 1）系统的物理描述；）系统的物理描述；（2 2）系统运动微分方程的推导；）系统运动微分方程的推导；（3 3）符合所关心的运动条件的方程解。）符合所关心的运动条件的方程解。1、元件方程、元件方程（1）系统元件的分类）系统元件的分类 a.能源（力
14、、电压或电流）；能源（力、电压或电流）；b.能量储存元件（质量、惯量、弹簧；电容电压、电能量储存元件（质量、惯量、弹簧；电容电压、电感电流）；感电流）；c.能量消耗元件（阻尼、电阻）；能量消耗元件（阻尼、电阻）；d.能量变换元件（电动机、发电机）；能量变换元件（电动机、发电机）；e.能量传输和调节元件（传动机构、执行机构、导线、能量传输和调节元件（传动机构、执行机构、导线、增力机构、放大器等）。增力机构、放大器等）。2、机电系统元件的连接原则、机电系统元件的连接原则电的系统（电网络）电的系统（电网络）机械系统（机械网络）机械系统（机械网络）电的系统（电网络）电的系统（电网络）机械网络机械网络(
15、机械系统机械系统)(1)达朗贝尔原理达朗贝尔原理 含义含义:作用在物体上的全部力平衡且总和为零作用在物体上的全部力平衡且总和为零.（2 2）空间连续律空间连续律空间连续律空间连续律含义含义含义含义:绕任意一个机械回路的全部位移或速度和必须为零绕任意一个机械回路的全部位移或速度和必须为零绕任意一个机械回路的全部位移或速度和必须为零绕任意一个机械回路的全部位移或速度和必须为零.电网络与机械网络的相似性（电网络与机械网络的相似性（1）电网络电网络机械网络机械网络电网络电网络机械网络机械网络当电流当电流i相似于相似于F时时当电压当电压V相似于相似于F时时电电电电网网网网络络络络与与与与机机机机械械械械
16、网网网网络络络络的的的的相相相相似似似似(3 3）3、机电系统的简化图、机电系统的简化图机电耦合系统中第机电耦合系统中第K K个机械节点的平衡力为：个机械节点的平衡力为：式中正负号的解释：弹簧力、惯性力相当于阻力；式中正负号的解释：弹簧力、惯性力相当于阻力；外加的机械力、机电耦合场的作用力相当于主动力。外加的机械力、机电耦合场的作用力相当于主动力。机电系统简化图机电系统简化图第二节第二节 机电系统动力学方程与传递函数机电系统动力学方程与传递函数电动机与旋转变换器相连的系统方程电动机与旋转变换器相连的系统方程(1)机械网机械网络络（2 2 2 2）电气网络）电气网络）电气网络）电气网络对以上两式
17、进行拉氏变换：对以上两式进行拉氏变换：由此可作出，输入、输出的闭环控制系统方块图：由此可作出，输入、输出的闭环控制系统方块图：由此可作出，输入、输出的闭环控制系统方块图：由此可作出，输入、输出的闭环控制系统方块图：第四章第四章 本章习题与思考题本章习题与思考题1、举例说明机电系统的能量元件及其组成。、举例说明机电系统的能量元件及其组成。2、机电系统的连接原则有哪几条，每条各举一、机电系统的连接原则有哪几条，每条各举一 实例说明。实例说明。第七章第七章 机电传动系统设计机电传动系统设计1、常用低压电器元件的工作原理及用途、常用低压电器元件的工作原理及用途 如：主令电器（按钮、行程开关、主令控如：主令电器（按钮、行程开关、主令控制器、接近开关），刀开关、熔断器、继电器制器、接近开关），刀开关、熔断器、继电器（电压继电器、电流继电器、中间继电器、时（电压继电器、电流继电器、中间继电器、时间继电器、速度继电器、热继电器）、接触器、间继电器、速度继电器、热继电器）、接触器、自动开关（或空开）自动开关（或空开）2、电动机的各种典型控制线路、电动机的各种典型控制线路 直接起动、串电阻降压起动、串自耦变压器起动、Y-换接起动、延边三角形起动、反接制动、能耗制动。3、电动机的速度控制系统、电动机的速度控制系统 电压负反馈、电流正反馈、转速负反馈、电压负反馈及电流正反馈、带PI调节器的转速反馈。