機械設計簡介設計過程機器是機構與其他零件的組合，為了有益的用途而轉換，傳遞或利用能量，力或運動。實例有發動機，渦輪，車輛，卷揚機，印刷機，洗衣機和電影攝影機。許多適用于機器設計的原理和方法也適用于不是真正機器的制成品，從輪轂蓋和檔案櫥柜到儀表和核壓力容器。“機械設計”這一術語比“機器設計”更為廣義，它包括機器設計。而對于某些儀器，如用以確定熱，流動線路和體積的熱力以及流體方面的問題要單獨考慮。但是，在機械設計時要考慮運動和結構方面的問題以及保存和封裝的規定。在機械工程領域以及其他工程領域應用機械設計，都需要諸如開關，凸輪，閥門，容器和攪拌器等機械裝置。設計始于真正的或想象的需要?，F有的儀器可能需要在耐用性，效率，重量，速度或成本上加以改進?？赡苄枰碌膬x器來完成以前由人做的功能，如計算，裝配或保養。目標全部或部分地確定后，設計的下一步就是構思能夠完成所需功能的機構及其布置。為此，徒手畫草圖價值極大，它不但作為一個人想法的記錄和其他人討論的輔助手段，而且尤其適于與自己的想法交流，作為創造性思路的興奮劑。還需要有關部件的廣泛知識，因為一臺新機器常常由熟知的各類零件重新安排或替換而成，也許改變了尺寸和材料。無論在構思過程中還是之后，一個設計者都會進行快速或粗略的計算或分析以確定一般尺寸和可行性。當一些關于所需或可用空間量的想法確定后，可以按比例畫草圖。當幾個零件的大致形狀和幾個尺寸出來時，分析可以真正開始了。分析的目的在于使其具有令人滿意的或者優越的性能，以及在最小重量下的安全性和耐用性和有競爭力的成本。設計師將為每一個關鍵的承載截面尋找最佳的比例和尺寸，以及幾個零件強度的平衡。然后選擇材料和處理方法。這些重要的目標只有通過基于機械原理的分析才可以得到，如關于反作用力和摩擦的最優利用的靜力學原理；關于慣性，加速度和能量的動力學原理；關于應力和撓度的材料的彈性和強度原理；關于材料的物理行為原理；關于潤滑和水力驅動的流體力學原理。分析可以由構思機械安排的同一個工程師來做，或者在大公司里由獨立的分析部門或研究組來做。分析的結果，可能需要新的安排和新的尺寸。不管是正式做的或非正式做的，設計是一個反復的和合作的過程，分析人員可以對所有階段起作用而不僅僅是他自己的階段。最后，一項基于功能和可靠性的設計完成了，就可以制造樣機了。如果測試滿意，而且如果裝置要大量生產，就要對最初的設計進行一定的修改以確保以較低的成本大量生產。在隨后幾年的制造和使用期間，設計有可能因構思了新想法或者基于測試和經驗基礎上的進一步分析所顯示的改變而改變。銷售吸引力，客戶滿意度和制造成本都與設計有關，設計能力與工程投資的成功密切相關。一些設計準則在這一部分，有人建議運用創造性的態度進行的分析，這種分析可以引起重大改進以及對備用產品的構思和完善，也許產品功能更多，更經濟，更耐用。創造階段無需是最初和獨立的階段。雖然分析人員可能并不負責整個設計，但是他不僅僅是能從數字上提出要他解決的問題的正確答案，不僅僅是給出應力值，尺寸或者工作限制。他可以提出更廣泛的見解，以便改進規范或方案。由于在分析前或分析過程中，他會熟悉裝置及其工作條件，他就處于一個構思備選方案的有利位置。最好他能提出建議改變形狀來消除力矩或應力集中，而不是允許構建具有大截面和過多動態載荷的機構。最好是他報廢他的細致的設計而不是后來看到的機械報廢。為了激發創造性思維，建議設計人員和分析人員使用以下準則。前6條準則尤其適用于分析人員，雖然他可能涉及到所有這10項。1創造性地利用所需的物理性能并控制不需要的。2認識實用載荷及其重要性。3預選考慮沒有作用的載荷。4發明更有利的加載條件。5提供最小重量的最有利的應力分布和剛性。6用基本方程計算比例并使尺寸最優化。7選取材料以獲得性能組合。8在備件和集成零件間仔細選擇。9修改功能設計以適應生產過程和降低成本。10考慮裝配中使部件精確定位和互不干擾。北京理工大學學報，1998，VOL7,NO2汽車變速器性能實驗臺自動控制閻清東項昌樂馮永存（北京理工大學車輛工程學院，北京100081）摘要目的實現汽車變速器性能實驗臺自動控制。方法采用了潤滑油油溫自動恒溫控制技術，微機控制變速器自動換檔，動力電機無級調速，加載電渦流測功機變載，試驗數據的自動采集與實時處理技術。結果潤滑油油溫控制在設定溫度；自動2換檔簡單，可靠，準確；無級調速調載快速準確。加載轉矩偏差為R/MIN。結論將5上述技術應用于汽車變速器性能試驗臺，利用該試驗臺對某型變速器進行了微機程控性能試驗，效果良好。關鍵詞汽車變速器；性能試驗；計算機輔助測試；自動控制。分類號U463212；U46712為提高民族產品性能而對汽車各部件進行試驗和理論的復雜研究是發展民族汽車工業的重要途徑。齒輪箱是汽車變速器的一個關鍵部分，其特性會直接影響到變速器的性能。主要的性能參數是變速器效率，潤滑油，噪音等等。因此，對各性能進行快速而精確的測試是很必要的。在本文中，汽車變速器性能多功能試驗臺應用了自動控制技術，實現了潤滑油自動恒溫控制，可編程自動換檔，無級調速和負載調整，試驗數據的自動采集和處理，試驗報告和測試曲線的自動輸出，嚴格監控了試驗環境，精度和速度。1自動恒溫控制技術性能測試中必須嚴格控制潤滑油的溫度，在整個試驗過程中油溫必須控制在設定溫度范圍內。在本文中，采用了PID自動控制技術混合冷熱機油來實現潤滑油溫度2恒定。該系統由潤滑油強制循環系統和帶有反饋的PID電子控制系統組成。圖1是潤滑油的強制循環系統圖，圖2是帶有反饋的PID電子控制系統圖。圖1潤滑油強制循環系統1電機2機油泵3壓力氣壓表4溢流閥5滑閥6過濾器7輔助油箱8截流閥9冷卻裝置10電子加熱器和熱機油箱11三通電子驅動閥12液壓油管13溫度傳感器14被測變速器帶有反饋的PID自動控制系統用于控制三通電子可調閥的驅動電機。如果反饋溫度值低于設定溫度值，驅動電機將順時針轉動，熱機油流量增加，否則，驅動電機將逆時針轉動，冷機油流量增加。冷潤滑油來自于冷卻裝置，熱潤滑油來自裝有電子加熱器的熱潤滑油油箱，溫度計用于監測變速箱機油溫度為PID溫度控制器提供了基本的設定數。輔助溫度控制器用于控制熱潤滑油箱中油溫保持在PID設定溫度的一定范圍內。圖2PID自動控制原理圖1PID溫度控制器2溫度計3輔助溫度控制器4電子加熱器5熱機油箱溫度傳感器6變速器油溫傳感器7反饋溫度傳感器8三通電子可調閥驅動電機2計算機控制系統圖3是計算機自動控制流程圖系統功能如下1監測性能參數；輸入轉速和扭矩，輸出轉速和扭矩，潤滑油溫度，檔位。2調整主可變頻率電機的轉速和電渦流電力測功機的負載。圖3計算機自動控制流程圖21換檔控制換檔桿的運動是由用于換檔和位置控制的汽缸活塞曲柄機構控制的，活塞行程是由電磁開關控制的。換檔過程完全是由單片機上的CPU控制的。圖4是換檔氣動系統，圖5是換檔控制電路布置圖，CPU通過向單片機上的CPU發送換檔指令以閉合相應的繼電器來控制電磁滑閥的動作，同時不同的氣動電路接通來實現不同的換檔和位置動作。圖4氣動換檔示意圖1油水分離器2儲氣筒3氣壓表4，5，10，11電磁滑閥6單向閥7換檔控制氣缸8電磁開關9位置控制氣缸圖5換檔控制電路示意圖1，2，3，4整體式繼電器5，6，7，8滑閥控制電磁鐵9主CPU10單片機上的CPU11位置開關22轉速和負載的控制液晶示波器的頻率是1832MHZ。第一級分離頻率的時間常數是2頻率分離器的頻率是9216KHZ，而后，系統控制軟件為下級頻率分離器設定連續的時間常數以獲得連續的電壓。時間常數和頻率之間的關系是時間常數9216/頻率。控制轉速和負載的自動控制器帶有與計算機連接的電壓通道端口。再通過F/D（頻率/電壓）轉換器可以獲得控制電壓。輸入頻率，輸出電壓，驅動電機轉速和測功機。磁化電流之間的相應關系如下表表1對應關系輸入頻率/KHZ輸出電壓/V驅動電機轉速/（R/MIN）測功機磁化電流/A000055600053計算機數據實時采集和處理31數據實時采集傳感器的信號在傳送到計算機以前，被高精度的V/F（電壓/頻率）和I/F轉換器轉變成類似的線性頻率信號。通過8253時間計數器和相應的計算，可以得出被測工程的可變值。對應關系ACN，A是工程值，N是時間計數器的脈沖值，C為轉換器的校對系數。32數據實時處理從傳感器獲取的原始數據的基礎上，輸入功率，輸出功率，比例，效率會直接計算出來。同時，計算機屏幕上會顯示出效率曲線。4實驗臺的結構性能實驗臺是一臺動力開環測試臺，由機械框架，電控系統，計算機系統，潤滑油自動恒溫控制系統和可編程控制自動換檔系統組成。圖6是實驗臺的框架圖。動力組是55KW的高轉速可變頻電機，可以實現06000R/MIN范圍內的連續可變調速。因此，變速器輸入可以省去一臺調速器，在很大范圍內降低了實驗臺的噪音。負載組是一臺160KW的電渦流電力測功機，動力可以單邊或雙邊輸入，以達到配有差速齒輪或無差速齒輪的變速器的要求。在變速器的輸出端采用了同步帶，可以簡化實驗臺的結構和降低噪音。圖6實驗臺框架結構圖155KW可變頻電機2輸入扭矩，轉速傳感器3被測變速器4輸出扭矩，轉速傳感器5同步帶6160KW電渦流電力測功機7潤滑油泵工作臺8換檔機構系統5試驗舉例在實驗臺上對ALTO變速器進行性能測試，通過原始數據處理，效率曲線如圖7所示。試驗過程中，檢測參數被控制在實驗臺許可范圍內。試驗數據如下圖圖7效率曲線輸入轉速（