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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效原理设计时采取一个抽象化方法，此方法临时摒弃那些附加功效和非必需功效，突出必需功效和基础功效，并将这些功效以抽象方法加以表示。“黑箱法”是依据系统输入、输出关系来研究实现系统功效一个方法。要设计产品就是“黑箱”，经过分析黑箱和输入量、输出量及周围环境信息联络来使问题简化，从而寻求某种物理效应或原理来实现输入和输出关系转化。
2．主轴合理跨距：在主轴前端受力时主轴端部产生位移是由主轴本身及其支承产生变形引发。
对于一个已确定主轴前端悬伸量主轴组件来说，存在一个最好支承跨距L0能够使得主轴组件综合刚度最大，即能够使得主轴端部产生位移最小。因为当0.75≤L实/L0≤1.5时主轴组件刚度损失不超出5%~7%，这在工程上能够认为是合理刚度损失，所以称（0.75~1.5）L0为主轴合理跨距L。
3．功效原理设计：针对所要设计产品关键功效提出部分原理性构思，即针对产品关键功效进行原理性设计。即构思能实现目标新解法原理。
4．转速扩大次序：在进行传动系统结构式或结构网设计时，从基础组、第一扩大组、到第二扩大组。。。排列次序称为转速扩大次序。即按级比指数由小到大进行排列时变速组次序。
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，主轴安装刀具或工件部位相对于理想旋转中心线空间瞬时旋转误差。包含径向跳动、轴向串动和角度摆动等。
6．基础组：指进行等比数列有级变速传动系统设计时，变速组内级比等于公比变速组。或指级比指数等于1变速组。
7．计算转速：指传动轴、齿轮等传动件传输全部功率最低转速，该转速关键用来计算传动轴和传动件最大传输转矩，从而确定传动轴和传动件尺寸。
8．卸荷导轨：指采取机械式、液压式或气压式等方法对滑动导轨工作面上压强进行卸荷，这么能够减小滑动导轨工作面上压强，提升导轨耐磨性和低速运动平稳性（预防爬行现象发生）。
9．内联传动精度：指机械系统内联传动系统两末端实施件之间运动协调性和均匀性。
二. 填空题
1．导轨功用是 导向 和 承载 。
2．支承件静刚度包含 本身刚度 、 局部刚度 和 接触刚度 。
3．直线运动导轨截面形状关键有三角形、 矩形 、 燕尾形 和 圆柱形 。
4．传动精度是指机械产品传动系统传动链各末端实施件之间运动 协调性和 均匀性 。
5．从系统完成不一样功效来分，机械系统关键由动力系统 、 实施系统 、 传动系统 、 操纵和控制系统和支承系统、润滑冷却和密封系统组成。
6．支承件变形包含 本身变形 、 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和零部件设计依据，通常情况下机械系统总体参数关键有动力参数 、 运动参数 、 性能参数 和 尺寸参数 。
8．对通常机械承受动载荷，按其载荷历程不一样可分为 周期载荷 、 冲击载荷 和 随机载荷 。
9．为了确保三联滑移齿轮左右滑移时能从固定齿轮上顺利经过，在齿轮模数相同时变速组内滑移齿轮齿数应该满足 滑移齿轮上最大齿轮和次大齿轮齿数差大于4 。
10．常见机械变速装置有 交换齿轮 、 滑移齿轮 、 离合器变速 和 啮合器变速 和上述多个变速方法组合。
11．对于通常机床主轴组件关键进行 刚度 验算，对粗加工、重载机床主轴组件则还需进行 强度 验算。
12．实施轴机构设计基础要求包含 旋转精度 、 静刚度 、 抗振性 、热变形和耐磨性。
13．纵向隔板关键用来提升支承件 抗弯 刚度，横向隔板关键用来提升支承件 抗扭 刚度。
14．导轨间隙调整通常是采取 压板 和 镶条 。
15．机械系统功效原理设计时常采取一个“抽象化”方法称作 黑箱法 ，它是依据系统 输入输出 关系来研究实现系统功效一个方法。
16．电动机容量选择应分为 预选 和 校验 两大步。电动机校验关键内容有 温升 和 过载能力 ，必需时还要校验 起动能力 。
17．角接触球轴承组配方法有三种： 背靠背 、 面对面 和 同向安装 。机床主轴上为了提升支承刚度常采取 背靠背 组合双联角接触球轴承。
18．电动机校验关键内容有发烧温升 、 过载能力 和起动能力。
19．轴承径向跳动直接影响主轴旋转精度，在提升主轴旋转精度时，首先应该采取 高精度轴承 ，其次在装配时可再采取 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，为何要采取背轮机构？
答：图略 。结构特点是两个同轴线轴经过一个中间传动轴，利用一个双向离合器将两对齿轮组成变速装置联络起来。能够取得最大传动比为1和最小传动比为1/4乘以1/4即可得1/16最小传动比一个机构。和一般滑移齿轮变速组相比它扩大了变速组极限变速范围，能够用来扩大传动系统变速范围。
2. 图示并分析双支承主轴组件前端位移组成，介绍主轴最好跨距和合理跨距确实定方法。
答：图略 。 在主轴前端受力时主轴端部产生位移是由主轴本身及其支承产生变形引发。对于一个已确定主轴前端悬伸量主轴组件来说，存在一个最好支承跨距L0能够使得主轴组件综合刚度最大，即能够使得主轴端部产生位移最小。因为当0.75≤L实/L0≤1.5时主轴组件刚度损失不超出5%~7%，这在工程上能够认为是合理刚度损失，所以称（0.75~1.5）L0为主轴合理跨距L合。
３．介绍制订等比数列标准公比标准，分析通用机床、自动机床和小型机械怎样选择等比数列公比？
答：制订等比数列标准公比标准有3条：一是大于1小于等于2；公比为2某次方根；公比为10某次方根。从使用性能方面考虑，标准等比数列公比最好选小部分，方便降低相对转速损失。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通用机械设备，降低相对转速损失率是关键，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，可将转速公比选大部分。如通常为1.58，甚至可取为2。对于批量生产用自动机床或大批生产用专用机床，对降低相对转速损失要求很高，所以常取很小公比如1.12或1.26。
４．画图说明三相交流异步电动机机械特征，并标注出四个特征点转矩和转速。
答：图略：这是三相异步电动机固有机械特征曲线。起动点，n=0，M=Mst为电动机起动力矩。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为电动机最大转矩点。
5．简述提升支承件本身刚度方法。
答：正确选择截面形状和尺寸：1）截面积相同时空心截面刚度大于实心截面刚度。2) 圆环形截面抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低。3) 封闭截面刚度远远大于开口截面刚度，不封闭截面比封闭截面刚度显著下降，尤其是抗扭刚度下降更多。2.合理部署肋板，纵向隔板部署在弯曲平面内，其抗弯刚度较高；斜向隔板抗弯刚度和抗扭刚度均较高。3.合理选择支承件壁厚4.合理开孔和加盖。
6．图示并分析说明主运动为旋转运动通用机床功率和转矩特征
答：图略，图为通用机床旋转主传动功率和转矩特征。从特征曲线上看，首先存在一个计算转速nj，在nj处主轴开始传输机床电动机全部功率。在计算转速之前，即在nmin和nj之间机床属于恒转矩特征。在计算转速以后，即在nj和nmax之间机床属于恒功率特征。
7．什么是离合器变速时超速现象？为何离合器变速设计时要避免超速现象？画图说明怎样给予避免。
答：在采取离合器进行变速机械传动系统中，可能存在当一条传动路线工作时在另一条不工作传动线上出现传动件高速空转现象称为离合器超速现象 。超速现象会引发空转功率消耗，还会造成齿轮噪声和磨损加剧。超速现象能够经过摩擦离合器结构设计给予避免。
8．画出结构式12=2[3]·3[1]·2[6]结构网，说明哪个是基础组、第一扩大组和第二扩大组，并求出当公比为1.41时各变速组级比、级比指数和变速范围。
答：12=2[3]·3[1]·2[6]结构网略
12=2[3]·3[1]·2[6]3[1]为基础组，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]级比为1.41，级比指数为1，变速组变速范围为1.412=2。
2[3]级比为1.413，级比指数为3，变速组变速范围为1.413=2.8。
2[6]级比为1.416，级比指数为6，变速组变速范围为1.416=8=rmax。
9．一般滑动导轨材料有哪些？选择滑动导轨副材料标准是什么？
答：一般滑动导轨材料有铸铁、镶钢和镶装有色金属材料导轨、镶装塑料导轨等。为了提升导轨副之间耐磨性和预防咬焊，动导轨和支承导轨材料应不一样，标准上是一软一硬。若材料相同时也必需采取不一样热处理方法使得双方硬度不一样。
10．分析说明提升内联传动链传动精度方法有哪些。
答：方法有：缩短传动链，原因是存在误差累积现象。
采取降速传动，这是因为采取降速传动时，前面传动副误差会在传输过程中被逐步缩小。
合理分配各传动副传动比，而且应使末端件传动比最小。这是因为传动比直接影响各个传动副误差传输特征，而且最终一级传动副将直接参与总误差合成。
合理选择传动件，这是考虑各个传动件制造难易程度不一样，可能达成精度等级不一样。而且不许可采取传动比不正确传动副，如摩擦传动副不能在内联传动系统中使用。
合理确定传动副制造精度，比如末端传动件误差将直接复印给实施件，所以需要更高精度。
采取校正装置。采取带反馈校正装置有时比直接提升传动副制造精度成倍更低，也更轻易实现。常见校正装置有光学校正装置、数控校正装置等。
11．介绍制订等比数列标准公比标准，分析通用机床、自动机床和小型机械怎样选择等比数列公比？
答：制订等比数列标准公比标准有3条：一是大于1小于等于2；公比为2某次方根；公比为10某次方根。从使用性能方面考虑，标准等比数列公比最好选小部分，方便降低相对转速损失。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通用机械设备，降低相对转速损失率是关键，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，可将转速公比选大部分。如通常为1.58，甚至可取为2。对于批量生产用自动机床或大批生产用专用机床，对降低相对转速损失要求很高，所以常取很小公比如1.12或1.26。
12．画出结构式18=3[3]·3[1]·2[9]结构网，说明哪个是基础组、第一扩大组和第二扩大组，并求出当公比为1.26时各变速组级比、级比指数，验证变速组变速范围。
答：18=3[3]·3[1]·2[9]结构网略
18=3[3]·3[1]·2[9]3[1]为基础组，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]级比为1.26，级比指数为1，变速组变速范围为1.262=1.58。
3[3]级比为1.263，级比指数为3，变速组变速范围为1.266=4。
2[9]级比为1.269，级比指数为9，变速组变速范围为1.269=8=rmax。
13．数控机械系统各个实施件能够分别采取动力源驱动吗？为何？
答：数控机械系统各个实施件是能够分别采取动力源驱动。多种数控机械通常全部有多个实施件，而且各个实施件之间相互有严格速比和位置要求，方便实现复杂组合或加工复杂表面。不过因为数控机械是采取数字指令进行运动控制。即各个实施件是由数控程序发出指令控制，能够经过程序编制来控制实施件根据某种运动规律运行，所以在数控机械中每个实施件全部采取单独动力源进行驱动。
14.分析主轴组件前端位移组成并说明主轴最好跨距和合理跨距确实定方法。当因为结构原因不能采取合理跨距时应该怎样提升主轴组件刚度？
答：主轴合理跨距：在主轴前端受力时主轴端部产生位移是由主轴本身及其支承产生变形引发。 对于一个已确定主轴前端悬伸量主轴组件来说，存在一个最好支承跨距L0能够使得主轴组件综合刚度最大，即能够使得主轴端部产生位移最小。因为当0.75≤L实/L0≤1.5时主轴组件刚度损失不超出5%~7%，这在工程上能够认为是合理刚度损失，所以称（0.75~1.5）L0为主轴合理跨距L合。
当因为结构原因不能使用合理跨距时，应该区分对待：当支承跨距大于合理跨距时应该加大主轴刚度，当支承跨距小于合理跨距时应该加大支承刚度——轴承和轴承座刚度。
15．简述实施轴机构设计基础要求。
答：（1）旋转精度及精度保持性要求，其径向跳动，轴向串动，角度摆动不超出许可范围。（2）静刚度，要求主轴含有抵御静态外载荷引发变形能力。（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，要求主轴设计、制造、安调中控制温升及产生热变形，确保正常运行。（5）耐磨性，要求主轴含有长久保持原始精度能力即精度保持性，具体表现在主轴组件抗磨损性能。
16. 简述主轴组件前端定位轴向精度特点及应用。
答：主轴前端定位前支承发烧大，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较长，均在同一侧较短，应用于对轴向精度和刚度要求较高精密机床。
17. 机床主运动和进给运动传动系统中齿轮变速组极限变速范围是什么？它是怎样确定？
答：对于直齿圆柱齿轮变速组极限变速范围是rmax≤8，对于斜齿圆柱齿轮极限变速范围是rmax≤10。 这是因为升速传动时过大传动比会造成齿轮振动和噪声显著增加，所以限制了升速极限传动比为imax≤2，在降速传动时过小传动比将造成大齿轮径向尺寸比较大，会增加变速箱体尺寸，所以限制了直齿圆柱齿轮极限传动比为imin≥1/4。对于斜齿圆柱齿轮来说因为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，所以传动平稳性很好。要求升速极限传动比为ixma≤2.5。
对于进给传动系统来说，因为其传输功率比较小，引发振动和噪声有限，同时传输转矩不大，传动件尺寸也不算很大。所以要求其极限传动比为1/5≤i极≤2.8，所以其极限变速范围是rmax≤14
18．画图说明采取惰轮实现换向功效时惰轮轴应该怎样部署，为何？
答：图略 首先，惰轮轴应该尽可能使用双支承结构。若无法使用双支承结构而采取悬臂轴支撑时，因为支承刚性较差，应该经过改善其受力情况来降低刚度不够可能带来影响。图所表示，依据主动齿轮旋转方向，左图部署方法惰轮受到向外侧作用力，会破坏正常工作位置关系，所以不是理想部署方法。根据右图部署方法则主动齿轮给惰轮作用力使得惰轮趋近于刚性很好齿轮轴及齿轮，所以传输刚性很好。
四.综合题（1）
依据已知条件设计某升降台式铣床主传动系统。已知：主轴最低转速nmin=30rpm ，主轴最高转速 nmax=1500rpm，公比φ＝1.26。要求采取一级定比传动方便进行机床产品变型设计。
1. 确定主轴转速级数Z。2. 列出机床主轴各级标准转速。3. 求出该主轴最大相对转速损失率。4. 写出6个可供选择结构式。5. 确定一个合理结构式并说明其合理性。6. 画出选定结构式对应结构网。7. 确定各变速组传动比，画出转速图，并说明其合理性。8. 指出基础组和扩大组，并验证各变速组变速范围。9．确定各传动轴计算转速[注：主轴计算转速公式：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，经过圆整以后机床转速级数取为18级。
2．依据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：变速组传动副数为3或2，根据前多后少标准安排变速组，根据前紧后松标准安排转速扩大次序。
6．结构网略
7．转速图略 理由：依据主轴最大转速为1500确定电动机同时转速为1500，n电=1440r/min。
因为29第二扩大组为极限变速范围，根据极限传动比确定传动比为φ3/1和1/φ6即传动比为i2max=2, i2min=1/4。
依据降速比前慢后快标准分配i1和i0传动比，结合电动机转速在电动机和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．依据通用机床计算转速计算方法得到：n主轴Ⅳj为95r/min。并由此知道95r/min向上各级转速全部将传输全部功率，所以得到各传动轴计算转速：nⅢj为118r/min。nⅡj为300r/min。nⅠj为475r/min。
四.综合题（2）
依据已知条件设计某升降台式铣床主传动系统。
已知：主轴最低转速nmin=31.5rpm ，转速级数为18级，公比φ＝1.26。
要求采取一级定比传动方便进行机床产品变型设计。
1. 列出机床主轴各级标准转速。2. 计算主轴最大相对转速损失率。3. 确定变速组数和传动副数，写出4个可供选择结构式。4. 画出上述结构式对应结构网。5. 确定一个合理结构式和结构网并说明理由。6. 选择电动机转速并说明理由。7.确定各变速组传动比，画出转速图。8. 指出基础组和扩大组，并验证各变速组变速范围
附：标准数列表（φ＝1.06）
解：1． 依据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：变速组传动副数为3或2，根据前多后少标准安排变速组，根据前紧后松标准安排转速扩大次序。
6．依据传动系统最大转速1600，取电动机同时转速和最大转速趋于靠近，所以n电=1440r/min。
7．转速图略 因为29第二扩大组为极限变速范围，根据极限传动比确定传动比为φ3/1和1/φ6即传动比为i2max=2, i2min=1/4。依据降速比前慢后快标准分配i1和i0传动比，结合电动机转速在电动机和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．依据结构式和结构网可知：基础组为31，第一扩大组为32，第二扩大组为29。通常只要验证最终一级扩大组变速范围即可。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要求。
四.综合题（3）
依据已知条件设计一台一般卧式车床主传动系统。
已知：主轴转速范围为45~r/min，从结构及工艺要求为Z=12级机械有级变速系统。
试完成下述内容：
1. 求出机床主轴变速范围Rn。2. 确定主轴转速公比φ。3. 查表确定机床主轴各级标准转速。4. 确定变速组数和传动副数，写出4个可供选择结构式，并画出对应结构网。5. 确定一个合理结构式和结构网并说明理由。6. 确定各变速组传动比，画出转速图。7. 指出基础组和扩大组，并验证各变速组变速范围
附：标准数列表（φ＝1.06）
解：1． Rn=/45=44.4。
2．，经过圆整为
3．依据45~r/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,
4．
结构网略
5．
理由：变速组传动副数为3或2，根据前多后少标准安排变速组，根据前紧后松标准安排转速扩大次序。
6．依据传动系统最大转速，取电动机同时转速1500，所以n电=1440r/min。
转速图略。 选择过程以下：因为26第二扩大组为极限变速范围，根据极限传动比确定传动比为φ2/1和1/φ4即传动比为i2max=2, i2min=1/4。 依据降速比前慢后快标准分配i1和i0传动比，结合电动机转速在电动机和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．依据结构式和结构网可知：基础组为31，第一扩大组为23，第二扩大组为26。通常只要验证最终一级扩大组变速范围即可。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要求。
四.综合题（4）
依据已知条件设计一台一般卧式车床主传动系统。
已知：主轴转速范围为37.5~1700r/min，从结构及工艺要求为Z=12级机械有级变速系统。
试完成下述内容：
1. 求出机床主轴变速范围Rn。2. 确定主轴转速公比φ。3. 查表确定机床主轴各级标准转速。4. 确定变速组数和传动副数，写出4个可供选择结构式，并画出对应结构网。5. 确定一个合理结构式和结构网并说明理由。6. 确定各变速组传动比，画出转速图。7. 指出基础组和扩大组，并验证各变速组变速范围
。8. 确定各传动轴计算转速[注：主轴计算转速公式：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．依据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：变速组传动副数为3或2，根据前多后少标准安排变速组，根据前紧后松标准安排转速扩大次序。
6．依据传动系统最大转速1700，取电动机同时转速和最大转速趋于靠近，所以n电=1440r/min。
转速图略。选择过程以下：因为26第二扩大组为极限变速范围，根据极限传动比确定传动比为φ2/1和1/φ4即传动比为i2max=2, i2min=1/4。依据降速比前慢后快标准分配i1和i0传动比，结合电动机转速在电动机和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=850/1440=0.59
7．依据结构式和结构网可知：基础组为31，第一扩大组为23，第二扩大组为26。通常只要验证最终一级扩大组变速范围即可。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要求。
8．依据通用机床计算转速计算方法得到：n主轴Ⅳj为106r/min。
并由此知道106r/min向上各级转速全部将传输全部功率，所以得到各传动轴计算转速：
nⅢj为150r/min。nⅡj为425r/min。nⅠj为850r/min。