第2章 机械系统总体设计.ppt

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1、,机械系统设计,第二章 机械系统总体设计,本章学习重点,功能原理设计的方法：黑箱法 ( 功能结构、功能分解、功能元),结构总体设计的任务、原则、步骤、基本原理,1,任何一种产品的开发，都面临着市场竞争的考验，要提高产品的竞争力，必须在产品的以下几方面下功夫： 1）设计 2）制造 3）销售 4）售后服务 5）改进设计 其中设计是一个最基本的环节，产品的质量、性能、成本等主要是在设计阶段决定的。,第二章 机械系统总体设计,引言,2,产品产生过程,第二章 机械系统总体设计,产品设计阶段对产品的质量、性能、成本等起决定性作用,3,机械系统总体设计的重要性： 机械系统总体设计是产品设计的关键，它对产品的

2、技术性能、经济指标和外观造型均具有决定性意义。,机械系统总体设计的结果：形成技术设计阶段的指导性文件。 主要指原理图和装配图。,第二章 机械系统总体设计,4,什么是功能原理设计？,第二章 机械系统总体设计,功能原理设计,机械系统设计的最初环节,针对该产品的主要功能提出一些原理性的构思,功能原理设计对产品的成败起着决定性的作用,蒸汽机（工业革命）,内燃机,为了不使我们的产品输在起跑线上，所以要做好功能原理设计,“它武装了人类，使虚弱无力的双手变得力大无穷，健全了人类的大脑以处理一切难题。它为机械动力在未来创造奇迹打下了坚实的基础，将有助并报偿后代的劳动。”,5,第二章 机械系统总体设计,评价功能

3、原理设计好坏的标准,构思的创新性,市场的竞争潜力,对于设计者而言，要想具有创造力离不开以下几点： （创造力的五要素） 知识、经验、才能、心理素质、机遇 知识和实践经验的积累是一个重要因素，设计者要进行创新构思，就要具有很广的知识面和坚实的知识基础。,6,创新设计方法是工程设计方法的重要组成部分，应该贯穿于工程技术设计的全部过程中，也是提高产品设计水平，增强产品竞争能力的根本措施和有力手段。特别是在产品的功能原理方案设计阶段，运用创新设计方法尤其重要，可获得更多的原理方案，最终可能产生更多、更好的新产品。,第二章 机械系统总体设计,几种简单的创新技法 智力激励法(集思广益法) 提问追溯法 联想类

4、推法 系统搜索法 组合创新法,7,创新设计方法的应用（补充内容）,(2)集智会法 个人虽具有独创性，但毕竞要受到知识和经验的局限，因此有一种集数人(56个)一起的集智会法。这种方法可集中许多人的创造力，起到多人相互启发的作用。如为了避免各人之间可能出现的相互妨碍和产生无形压力，更便于每个人充分发表意见，也可采用书面集智的形式，如“专家预测法”等。,1智力激励法(集思广益法)-2种,(1)智暴法 指抓住瞬时的灵敏意识流而得到一些新想法时的一种方法。甚至有些想法近乎胡思乱想，五花八门，不着边际，但它们都具有打破常规、突破“框框”的独创性特点。 设计人员只要抓住这瞬时的“灵感”和“顿悟”等一闪念，就

5、有可能得出解决问题的启示。,8,2提问追溯法（4种） 该法是通过对问题进行分析，加以推理来扩展思路，或把复杂问题进行分解，找出各种影响因素，再进行分析推理从中寻求问题解答的一种创新技法。它在思维方面具有逻辑推理的特点。主要包括以下几种方法。,创新设计方法的应用（补充内容）,(1)提问法 如美国麻省理工学院(MIT)的提问法, 它是在设计过程中提出如下问题要求回答： 增加功能能在原有基础上增加新功能吗? 提高性能在耐用、可靠、维修等方面能否改善? 降低成本能用减少零件、更换材料、改变工艺等方法降低 成本吗? 增加销售对商品特点、产品设计、包装等是否作了研究?,9,创新设计方法的应用（补充内容）,

6、(2)反向探求法 对现有的问题解决的方案系统地加以否定或寻求其他甚至相反的意见,找出新的解法或启发新的想法。可分为“逆向”和“转向”两类方法。例如，机械加工时由工件不动发展到工件转动，属于“逆向”的做法。,(3)缺点列举法 针对某一设计方案，列出其所有缺点和不足， 研究改进方法以探求新方案。,(4)向前推演法 从一个最初的设想按一定方向逐步向前探索，寻 找新的想法。 例如，联接两个轴的离合器，其联接方式可以是牙嵌式的、齿形式的、摩擦锥式的、单片或多片摩擦片式、超越离合器式和电磁离合器式等。又如对摩擦式的联接，其压力产生又可以是机械式的、液压式的和电动式的等。,10,创新设计方法的应用（补充内容

7、）,3联想类推法 该法是通过启发、类比、联想、综合等创造出新的想法来解决问题。主要有以下几种方法,(1)相似联想法 通过相似联想进行推理，寻找创造性解法。,(2)抽象类比法 用抽象反映问题实际的类比方法来扩大思路寻求新解法。例如，要发明一种开罐头的新方法，可先抽象出开的概念，列出现有的各种“开”的方法，如打开、撕开、拧开、拉开等。然后从中寻找对开耀头有启示的新方法来。,(3)仿生法 通过对生物的某些特性进行分析和类比，启发出新的想法和创造性方案的一种方法。它是现代发展新技术的重要途径之一。例如，飞机构件中的蜂窝结构就是仿生法在技术设计中的应用实例。,11,创新设计方法的应用（补充内容）,仿生机

8、器鱼,12,4系统搜索法（2种） 对于技术系统，可以根据其组成或影响性能的全部参数，系统地依次分析搜索，以探求更多的解决问题途径。这种方法称为系统搜索法。,如果产品是功能和动作都要求复杂的机械系统，还有两种具体指导设计人员进行创新设计的方法。 (1)机构系统搜寻法 针对设计要求，首先系统地找出各种可能的机构，然后进行评价择优。（并联机构） (2)逻辑积木法 将机械系统的输出要求分解成基本功能，然后根据整个设计综合的约束条件认真构思简单的组件(零件、机构、部件、分系统等)。再将这些组件(即积木)按一定的相互关系，用最简单的形式将输入与输出连接起来。,创新设计方法的应用（补充内容）,13,5组合创

9、新法（2种） 利用事物间的内在联系，用已有的知识和成果进行新的组合而产生新的方案。应该认识到合理的组合也是一种创造。,(1)组合法 是把现有的技术或产品通过功能、原理、机构等组合变化，形成新的技术思想和新的产品。组合的类型包括功能组合、系统组合等。 例如，把刀、剪、挫、锥等功能集中起来的“万用旅行刀”等就是组合法的产品。 （瑞士军刀）,(2)综摄法 是通过已知的东西作媒介，把毫无关联的、不相同的知识要素结合起来，摄取各种产品的长处将其综合在一起，制造出新的产品的一种创新技法。它具有综合摄取的组合特点。 例如日本南极探险队在输油管不够的情况下，因地制宜，用铁管做模子，包上绷带，再层层淋上水使之结

10、成一定厚度的冰，做成冰管子，用作输油管的代用品，这就是综摄法的应用实例。,创新设计方法的应用（补充内容）,14,2.1 机械系统的功能原理设计,2.1.1 功能的定义及其分类 功能 是系统必须实现的任务，或者说是系统具有转化能量、运动或其他物理量的特性。,“功能”是产品的核心和本质,“顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能”。,15,设计者如何看待产品的功能呢？ 或者说在设计中关于功能应该考虑哪些因素呢？,2.1.1 功能的定义及其分类,顾客对功能的需求是有条件的， 设计者也必须考虑如下问题： 1）功能使用的地点及环境条件； 2）功能的定性与定量参数； 3）功能实现的具体结构与手段； 4

11、）功能使用的经济性,16,适合环境：温度：202；湿度：55-65,功能的定性与定量参数： 测量行程（XYZ）500600400（mm） 机台尺寸（长宽高）160012002500（mm） 机台承重：500kg 最大允许误差：长度测量最大允许误差MPEE（2.8L200）um,功能的实现的具体结构与手段 精密花岗岩平台、气浮导轨，保障机构稳定 气源压力：0.4 MPa0.6 MPa 空气流量：90 Lmin（0.4 MPa） 移动位移测量元件：英国RENISHAW品牌，分辨率0.001mm,17,2.1.1 功能的定义及其分类,概念辨析 1)功能 2)功用 3)用途 4)性能 5)能力,18,

12、2.1.1 功能的定义及其分类,功能的分类,在设计中对系统各种功能的对待与处理方法：,2）附加功能 可随技术条件或结构方式的改变而取舍或改变；,3）非必要功能 可能是设计者主观加上去的，因此可有可无。,4）由于系统的功能总是以成本作为代价的，所以，设计时应对一个系统需具有哪些必要功能，去掉哪些非必要功能做出明确的决定。,1）基本功能 必须保证，且在设计中不能改变；,19,2.1.1 功能的定义及其分类,2.1.2 功能原理设计及其特点,【例2.1】设计行走机器人,2.1 机械系统的功能原理设计,“功能原理设计”就是针对所设计产品的主要功能提出一些原理性的构思，亦即针对产品的主要功能进行原理性设

13、计。,基本功能行走,注意： 不要先入为主，抓住一种方案不放手！这样很有可能使你丧失以最佳方式实现产品功能的机会！,20,轮式 足式（双足、四足、六足、八足） 履带式 蠕动式 混合式（轮-足）,方式,21,2.1.2 功能原理设计及其特点,勇气号,机遇号,22,2.1.2 功能原理设计及其特点,如何从众多可实现方案中选择满足特定要求的原理方案？,分析各种行走原理的特点（优点和缺点），并与具体的要求作比较，从中选出最佳原理方案。,与具体要求比较,还要考虑创新性和市场潜力,23,2.1.2 功能原理设计及其特点,【例2.2】设计草地剪草机 对杂草进行剪修通常的办法有： 拉断可以拉断草，但无法控制被拉

14、断草的高度，即无法使草地整齐。 割断像农夫割麦一样，需要握住草的上部才能割断。 剪断利用剪刀刃的合拢可以剪断草。 （剪断是较合理的方案，目前很多剪草机都采用这种方式）,功能原理设计 就是针对所设计产品的主要功能提出一些原理性的构思，亦即针对产品的主要功能进行原理性设计。,24,2.1.2 功能原理设计及其特点,剪草机功能原理设计,25,2.1.2 功能原理设计及其特点,1）垂直引上法（传统方法），此法是把半流体的玻璃从熔池中不断向上引，开始时通过轧辊控制厚度，然后边向上引边凝固。这样加工出来的玻璃表面总是有波纹，且厚度不匀。 2）浮法制造平面玻璃的新工艺，让液态玻璃飘浮在低熔点金属的液面上，边

15、向前流动边凝固。用此方法生产出来的玻璃克服了厚薄不均且有波纹的缺点。,玻璃制作的功能原理设计,26,2.1.2 功能原理设计及其特点,功能原理设计的任务,针对某一确定的功能要求，去寻求一些物理效应并借助某些作用原理来求得一些实现该功能目标的解法原理。,功能原理设计的主要工作内容是： 构思能实现功能目标的新的解法原理。,27,2.1.2 功能原理设计及其特点,功能原理设计思维的特点：发散性和收敛性,收敛性：不管所做的功能原理方案有多少种、采用何种方法，评价功能原理方案是否优秀、合理的条件是技术经济指标。也就是说，最终所选择的功能原理方案收敛于技术经济指标。（技术上可行、经济上效益高）,发散性：功

16、能原理设计工作的重点应放在尽可能多地提出创新构思上，从而使思维尽量“发散”，以力求提出较多的解法供比较和优选。此时，对构件的具体结构、材料和制造工艺等则不一定要有成熟的考虑，故只需用简图或示意图的形式来表达所构思的内容。,28,2.1.2 功能原理设计及其特点,功能原理设计的特点：,功能原理设计中往往要引入某种新技术、新材料、新工艺，但首先要求设计人员有一种新想法、新构思。,功能原理设计使所设计的系统发生质的变化。,所以，功能原理设计的好与坏将对产品的成败起决定性作用，设计人员必须给予高度重视。,功能原理设计是用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使所设计系统的工作原理发生根本变化。,29,2

17、.1.2 功能原理设计及其特点,在功能原理设计阶段需要注意的三个问题 1）某些情况下设计任务不明确,设计者必须亲自通过调查、分析，确定合理明确的功能目标。当功能目标明确之后，就可以寻找一些类似的技术作参考，这样可以使设计者在原有技术的基础上，提出更新，更巧妙的构思，同时，设计者还应重视基本科学知识的积累，避免陷入一些违反基本科学原理的错觉。,30,2.1.2 功能原理设计及其特点,在功能原理设计阶段需要注意的三个问题 1）某些情况下设计任务不明确 2）一个好的原理构思并不一定能成为产品,一个好的原理构思并不一定能成为产品，其部分原因就是因为其结构，材料和工艺（加工、装配、检测）问题无法得到合理

18、的解决。 这充分说明创新构思时一定要粗略考虑一些主要的结构工艺问题的重要性。,31,2.1.2 功能原理设计及其特点,在功能原理设计阶段需要注意的三个问题 1）某些情况下设计任务不明确 2）一个好的原理构思并不一定能成为产品 3）功能原理方案的模型验证，验证原理方案的可行性，对不完善的构思进行修改、完善、提高。,对功能原理构思完毕后，就要进行原理性试验，以验证功能原理是否能完成预定的目标。 功能原理试验装置的结构和材料并不要求完全真实，以不影响功能原理的可靠性为原则。 最后，必须要对实验的结果进行评价和对比，根据技术和经济两方面的对比结果选出一种最优的功能原理，进行下一步的实用化设计。,32,

19、2.1.2 功能原理设计及其特点,功能原理设计的要求(3项)：,2）按照机械系统设计的基本原则、设计要求以及系统功能进行 比较，以便从中选出一个较理想的。,基本原则：1)需求原则; 2）信息原则； 3)系统原则； 4)优化、效益原则； 设计要求: 1)功能要求；2)适应性要求；3)可靠性要求；4)生产能力要求； 5)使用经济性要求；6)成本要求等,3）一个好的功能原理设计应既有创新构思，又能满足用户的需 求，同时兼顾经济效益。,1）应设计出几种不同的功能原理方案；,33,2.1.2 功能原理设计及其特点,功能原理设计的步骤,功能原理方案设计步骤（科学合理的步骤）,34,2.1.2 功能原理设计

20、及其特点,一般设计过程：,一般设计过程的缺点： 1）带有很大的盲目性 2）设计人员知识和经验的局限性，妨碍了思维，束缚了创造力,35,2.1.2 功能原理设计及其特点,2.1 机械系统的功能原理设计,2.1.3 功能原理设计的设计方法黑箱法,“黑箱法” 设计特点： 1）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 2）将必要功能和基本功能用较为抽象的形式(如输入量和输出量)加以表达。 3）通过抽象化可清晰地掌握所设计系统(产品)的基本功能和主要约束条件，从而突出设计中的主要矛盾，抓住问题的本质。,从满足系统功能的角度看黑箱法,36,2.1.3 功能原理设计的设计方法黑箱法,自行车的

21、黑箱,37,黑箱法示意图,如果把具体设计对象抽象化，统称为待设计系统，则有下图形式黑箱法,物料流：材料/毛坯/半成品/成品/液体/气体等 能量流：电能/光能/机械能/热能/核能等 信号流：数据/测量值/控制信号/波形等,38,2.1.3 功能原理设计的设计方法黑箱法,称为黑箱法的原因 对于待设计的系统(产品)来说，在求解之前，犹如一个看不见其内部结构的“黑箱”。这种“黑箱”只是用来描述系统的“功能目标”，至于“黑箱”的内部结构却是未知的，是需要设计人员去进一步构思和设计的,39,2.1.3 功能原理设计的设计方法黑箱法,黑箱法的特点:,2）摆脱了具体设计对象，而按系统(产品)的功能和对三大流进

22、行定性描述来进行思考，使问题简化，以利于启发设计人员构思出更新、更好的功能原理方案来。,3）通过“黑箱”与输入、输出量及周围环境的信息联系，了解系统(产品)的功能、特性，进一步探索出系统的机理和结构，逐步使“黑箱”“灰箱”“白箱”，直至方案拟定。,1） “黑箱法”是根据系统的输入、输出关系来研究实现系统功能目标的一种方法；,40,2.1.3 功能原理设计的设计方法黑箱法,2.1 机械系统的功能原理设计,2.1.4 功能元、功能结构,研究功能元、功能结构的意义,“黑箱法”是根据系统的输入、输出关系来研究实现系统功能目标。只是揭示了物料、信息、能量流由输入到输出的转换，而对于如何实现转换则未给出明

23、确的方法，必须在“黑箱法”的基础上进行功能分解，这就用到了功能元和功能结构的概念。,自行车功能原理系统图,41,2.1.4 功能元、功能结构,功能分解 由于一个系统可以分解成一些子系统，所以，一个系统的总功能也能分解为一些分功能；如果有些分功能还太复杂，则还可以进一步分解到更低层次的分功能，直到分解到最后不能再分解的基本功能单位为止（功能元）。 功能分解的目的是把复杂的问题简单化。,42,机械设计中常用的基本功能元有三类： 1）物理功能元；2）数学功能元；3）逻辑功能元,物理功能元：反映系统中能量流、物料流及信息流的基本物理动作，常用的有五个 。,数学功能元：主要用于机械系统中有一些与数学的加

24、、减、乘、除等有关的功能要求，如差动轮系、求积仪、机械式计算机等，它反映数学的基本动作 。,逻辑功能元：主要用于信息及控制系统中，基本的逻辑功能元有“与”、“或”、“非”元。,功能元：功能分解到最低层次，直到分解到最后不能再分解的基本功能单位为止，这个基本功能单位就叫功能元。,43,2.1.4 功能元、功能结构,表2.1 常用的物理功能元,44,2.1.4 功能元、功能结构,数学功能元,45,2.1.4 功能元、功能结构,2.功能结构 功能的分解和组合关系称为功能结构。 将总功能分解成分功能（功能单位），同一层次的功能单位组合起来，应能满足上一层功能的要求，最后组合成的整体应能满足总功能的要求

25、。,图2.7 功能结构示意图,46,2.1.4 功能元、功能结构,2.功能结构基本类型,串联 串并联 循环,47,2.1.4 功能元、功能结构,2.功能结构建立功能结构的一般原则,1）功能结构图可从“黑箱”或设计要求明细表出发来建立。 2）先主后次，逐渐完善。首先考虑主要功能和主要流，初步建立功能结构图；再解决辅助功能和次要流，逐渐完善系统的功能结构。 4）功能结构不是只有一种形式。 5）总功能需要分解到什么程度主要取决于在哪个层次上能找到相应的技术效应和结构来实现其功能要求,48,2.1.4 功能元、功能结构,例：建立材料拉伸试验机的功能结构图,黑箱法 求总功能,总功能分解,49,2.1.4

26、 功能元、功能结构,建立功能结构图的流程,建立功能结构图的两种方法 1）从总功能出发来层层分解； 2）先建立输入、输出两端的分功能，再根据总功能要求将两端联接起来；,建立功能结构图时的注意事项： 1）建立功能结构图时，应首先选用表2.1所列的基本功能元； 2）功能结构图应尽可能简单，能找到相应的技术效应时就不要再继续分解下去了； 3）要把原理方案构思同功能结构图的建立结合起来。,50,2.1.4 功能元、功能结构,2.1 机械系统的功能原理设计,2.1.5 功能元（分功能）求解,功能元是功能结构图中最基本的单位，每一个功能元都要求找出相应的技术、物理效应来实现，有时一个功能元可以相应地提出几个

27、技术、物理效应。,功能元的求解方法主要有： 参考有关资料、专刊或产品求解法； 利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法； 利用设计目录求解法。,设计目录是把能实现某种功能元的各种原理和结构综合在一起的一种表格或分类资料。,51,2.1.5 功能元（分功能）求解,52,2.1 机械系统的功能原理设计,2.1.6 系统（产品）原理方案的综合,1）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。 2）组合的方法可以采用形态矩阵法(亦称为模幅箱法利用形态学方法建立起的模幅箱)。,功能原理方案确定时应该注意的问题： 一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、材料和工艺问题无法

28、得到合理解决。因此在创新构思阶段要考虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。,形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出“功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。,53,2.1.6 系统（产品）原理方案的综合,第一步：用黑箱法寻找总功能的转换关系,54,第二步：总功能分解（分解依据挖掘机的技术轮廓）。,55,2.1.6 系统（产品）原理方案的综合,第二步：总功能分解,56,2.1.6 系统（产品）原理方案的综合,第三步：建立功能结构图,57,2.1.6 系统（产品）原理方案的综合,第四步：寻找原理解法和原理解组合,5

29、8,2.1.6 系统（产品）原理方案的综合,第四步：寻找原理解法和原理解组合,组合方案数=332314434=10 368 方案1为履带式正铲机械挖掘机(A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1) 方案2为轮胎式正铲液压挖掘机(A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2),根据设计对功率的要求可知，在能量传递与分配过程中，采用链传动和皮带传动是不相容的，应去掉。 故组合方案数=332312434=5184。,59,2.1.6 系统（产品）原理方案的综合,利用相容性矩阵对原理方案筛选,为了便于检验和了解有联系的分功能(功能元)之间的相容性，可以列出相容性矩阵。检验相邻功能元

30、所对应的技术、物理效应之间的相容性。,60,2.1.6 系统（产品）原理方案的综合,利用选择表对原理方案筛选,对于复杂问题，可以采用选择表进行方案筛选。,建立选择表之前，先要拟出一些选择标准，例如： 与设计任务应相符； 应能满足设计要求明细表上的各项必达要求； 在原理上可实现； 在成本上可行； 符合安全和人-机工程学要求； 在技术水平、材料供应、制造方法、专利和标准方面可行； 其他。,61,2.1.6 系统（产品）原理方案的综合,2.1 机械系统的功能原理设计举例,设计要求：把一堆不规则放置的瓶盖整列成口朝上的位置逐个输出。瓶盖的形状和尺寸如图所示，瓶盖质量为m=10g；能量为220V交流和高

31、压气(压力0.6MPa),其余功能要求： 基本要求：（1）不规则瓶盖整列为口朝上逐个输出； （2）小批生产，中小型厂加工。 必达要求：（1）整列速度100个/分钟； （2）整列误差小于1/1000。 附加要求：（1）成本不高于2000元/台； （2）结构简单； （3）操作方便。,62,第一步：明确任务要求（基本要求、必达要求、附加要求）,总功能分解：总功能与分功能之间的结构系统如下：,2.1 机械系统的功能原理设计瓶盖整列,第二步：功能分析。 总功能：瓶盖整列，其黑箱模型如下图所示。,63,第三步：功能元求解。采用设计目录法对功能元求解,2.1 机械系统的功能原理设计瓶盖整列,64,第四步：功

32、能元解的组合。 组合各功能元的解，可得N=86637=6 048个系统解,2.1 机械系统的功能原理设计瓶盖整列,65,2.1 机械系统的功能原理设计瓶盖整列,第五步：评价与决策（简单评价法简易的选择表）,优选方案II,66,2.2 机械系统的结构总体设计,2.2.1 结构总体设计的任务、原则 任务：将原理方案设计结构化。（输出是装配图）。 重要性：它的工作质量对满足功能要求、保证产品质量和可靠性、降低产品的成本等都起着十分重要的作用。,67,结构总体设计原则（三项基本原则）：明确、简单、安全可靠,2.2.1 结构总体设计的任务、原则,(1)明确原则 功能明确；（不疏漏、不冗余） 工作情况明确

33、； 结构的工作原理明确。,(2)简单原则（“简单”具有简化、简便、简明、简易、减少等含义） 结构简单； 操作与监控简便 制造与测量简单； 安装与调试简单。,(3)安全可靠原则 构件的可靠性；（结构件的强度与刚度问题） 功能的可靠性；（系统总功能的可靠性） 工作安全性；（对操作者的防护） 环境安全性。（环保性与环境适应性）,68,2.2 机械系统的结构总体设计,2.2.2 结构总体设计的步骤,总体设计步骤一般分为 三个阶段： 1）初步设计 2）详细设计 3）完善和审核阶段。,69,2.2.2 结构总体设计的步骤,1.初步设计 1)明确设计要求（4项） 与确定配置有关的要求(物料流动方向、运动方向

34、、位置关系等)； 与确定尺寸有关的要求(功率、转矩、生产能力、空间限制等)； 与确定材料有关的要求(使用寿命、工作环境、零部件材料等)； 制造、安装、运输、经济性等方面的要求。,70,2.2 机械系统的结构总体设计,2.2.3 总体布置设计,总体布置设计就是确定机械系统中各子系统之间的相对位置关系及相对运动关系，并使总系统具有一个协调完善的造型。,1）机械系统功能原理方案的多样性，决定了总体布置设计方案的多样性； 2）不同的总体布置形式对系统本身的功能有很大影响,总体布置设计的重要性：,71,2.2.3 总体布置设计,总体布置设计的设计过程：,总体布置设计应该考虑的问题,1）系统本身的设计内容

35、； 2）系统与外部各因素之间的关系，即人机关系、系统对环境的适应性、系统对外界环境的影响 3）系统的性能、操作、观察、调整、控制、防护等都对总体布置产生的影响。,总体布置设计一般是先布置执行系统，即总系统的主功能载体系统，再布置传动系统、动力系统、操纵系统及支承形式等，从粗到细，从简到繁，反复多次，最终确定出较理想的方案。,72,1.总体布置设计的基本要求(3项),对系列设计、变型设计给予考虑,(1)功能合理,(2)结构紧凑、层次清晰、比例协调,(3)充分考虑产品的系列化及发展,总布置设计应适于功能表达，不论在整体上或局部上都不应采用不利于功能目标的布局方案；,应尽可能使总系统简单并充分利用机

36、械系统的内部空间；,73,2.2.3 总体布置设计,2.机械系统总体布置的基本类型 1)按主要工作机构的空间几何位置可分为: 平面式、空间式等； 2)按主要工作机构的布置方向可分为: 水平式(卧式)、倾斜式、直立式和圆弧式等； 3)按原动机与机架相对位置可分为: 前置式、中置式、后置式等； 4)按工件或机械内部工作机构的运动方式可分为: 回转式、直线式、振动式等； 5)按机架或机壳的形式可分为: 整体式、剖分式、组合式，龙门式和悬臂式等； 6)按工件运动回路或机械系统功率传递路线的特点可为分: 开式、闭式等。,74,2.2.3 总体布置设计,卧式布置,龙门式布置,立式布置,悬臂式布置,典型布置

37、形式,75,2.2 机械系统的结构总体设计,2.2.4 总体参数的确定,总体参数包含的内容,总体参数是机械系统总体设计和零部件设计的依据,总体参数一般包括： 1）性能参数(生产能力等)； 2）结构尺寸参数； 3）运动参数； 4）动力参数,76,2.2.4 总体参数的确定,1）性能参数(生产能力) 机械系统的理论生产能力是指设计生产能力在单位时间内完成的产品数量，亦可以称为机械系统的生产率。,总体参数的含义,机械系统的生产率：,Q机械系统生产率； T在机械系统上加工一个工件的循环时间/工作周期时间； tg 工作时间，即直接用在加工或装配一个工件的时间； tf 辅助工作时间，如上下料、夹紧工件、换

38、刀等。,77,2）尺寸参数 尺寸参数主要是指影响机械性能和工作范围的主要结构尺寸和作业位置尺寸。,主要结构尺寸是由整机外形尺寸和主要组成部分的外形尺寸综合而成。,确定主要结构尺寸时应该考虑的问题： 安装、使用空间、包装、运输等要求的限制。,作业位置尺寸是机械系统在作业过程中为了适应工作条件要求所需的尺寸，如机床的加工范围、中心高度、主要运动零部件的工作行程及主要零部件之间位置关系尺寸等。,尺寸参数的确定方法,尺寸参数一般依据设计任务书中的原始参数、方案设计时的总体布置草图和与同类机械的类比或通过分析计算确定。,78,2.2.4 总体参数的确定,3）运动参数 机械系统的运动参数一般是指机械执行件

39、的运动速度等。,4）动力参数 动力参数是指电动机的额定功率、液压缸的牵引力、液压马达、气动马达、伺服电动机或步进电动机的额定转矩等。,机械系统中执行件的速度一般是根据工作对象的工艺过程要求和生产率等因素确定。,79,2.2.4 总体参数的确定,动力参数确定需要注意的问题电机选取注意事项,1 电动机的预选,选择电动机的要求： 各种机械设备对电动机的基本要求是在可靠、经济的基础上保证其生产效率。,电动机的选择过程与步骤,2 电动机的校验,1)工作机的负载图及电动机功率预选 2)电动机机种的选择 3)电动机结构型式、额定电压、额定转速 及工作方式选择等,1)发热温升校验； 2)过载能力校验； 3)起

40、动能力校验,80,2.2.4 总体参数的确定,(a)反抗性恒转矩负载特性 (b)位能性恒转矩负载特性 (c)恒功率负载特性 (d)负载转矩是转速函数的负载特性 (e)负载转矩是行程或转角函数的负载特性,工作机的负载图,电动机的选择过程与步骤电动机的预选,81,2.2.4 总体参数的确定,2.2 机械系统的结构总体设计,2.2.5 结构总体设计的基本原理,1)任务分配原理；2)稳定性原理； 3)合理力流原理； 4)自补偿原理； 5)变形协调原理；6)平衡原理； 7)等强度原理,功能原理设计是为机械系统的功能、分功能寻找理想的技术物理效应，而结构设计是为实现这些功能、分功能选择具体的零部件。,结构

41、总体设计的基本原理（七大原理）,82,2.2.5 结构总体设计的基本原理,1 任务分配原理,一个功能是由几个零部件(载体)共同承担还是由一个载体单独完成，将这种确定功能与载体之间的关系称之为任务分配。,任务分配的三种情况：,2）一个载体承担多个功能,3）多个载体共同承担一个功能,（特点：在设计时便于做到“明确”、“可靠”，且易实现结构优化和准确计算）,（特点：使这一载体的结构过于复杂，难于加工、装配，且易产生过载损伤，在优化设计时会受到某个重要边界条件的约束）,1）一个载体完成一个功能,（特点：降低了每个载体负载，但要特别注意每个零件(载体)分担任务的均匀性，否则会起不到降低载荷的作用，甚至某

42、个载体会过载。）,83,2 稳定性原理,系统结构的稳定性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，并使系统恢复稳定的效应。,84,2.2.5 结构总体设计的基本原理,3 合理力流原理,力流封闭轨迹示意图,力是能量流的基本形式之一。力在结构中传递时形成所谓的力线，这些力线汇成力流。力流在零部件中不会中断，任一条力线都不会消失，必然是从一处传入，从另一处传出。在一个由若干个零部件组成的系统中，力流可以穿行，也可以形成封闭状态,85,2.2.5 结构总体设计的基本原理,3 合理力流原理,1）在设计零件的结构形状时，应尽量遵守力流直接、最短原理，使材料得到最有效的利用。,不同的

43、结构形式,在力流最短路线相近且承受载荷相同时，对称结构要比非对称结构好； 在必须使用非对称结构时，应使力流密集处的结构尺寸大于疏处。,86,2.2.5 结构总体设计的基本原理,3 合理力流原理,2）由于力流路线延长时可增大构件的变形和弹性，所以有时也需要加以利用,刚性支承 变形较大的刚性支承 弹性支承,87,2.2.5 结构总体设计的基本原理,4 自补偿原理,通过选择系统零部件及其在系统中的配置来自行实现加强功能的相互支承作用，称为自补偿。在额定载荷时，自补偿有加强功能、减载和平衡的含义；在超载或其他紧急状态下，则有保护和救援的含义。,常见的自补偿形式有：1）自增强；2）自平衡；3）自保护,自

44、增强的密封装置,88,2.2.5 结构总体设计的基本原理,5 变形协调原理,变形协调原理是使两零件的连接处在外载荷作用下所产生的变形方向(从应力分布图来看)相同，且使其相对变形量尽可能小。,不同搭接形式的受力情况,89,2.2.5 结构总体设计的基本原理,6 力平衡原理,在机械系统工作时，常产生一些无用的力，如离心力、变速惯性力等。这些力不但增加了轴、轴承等零件的负载，降低它们的精度和寿命，同时也降低了系统的传动效率。 力平衡的目的就是通过相应的结构措施，使这些无用的力在其产生处立即被部分或全部平衡掉，以减轻或消除不良的影响。这些结构措施主要采用平衡元件或质量对称分布等方法。,90,2.2.5 结构总体设计的基本原理,7 等强度原理,对于同一个零件来说，各处应力相等，各处寿命相同，称为等强度原理。按等强度原理设计的结构，材料可以得到充分利用，从而减轻了重量，降低了成本。,注意:等刚度的概念,91,2.2.5 结构总体设计的基本原理,一、产品的功能是如何划分的? 在设计产品时，如何合理确定产品的各种功能? 二、为什么在产品功能原理方案设计阶段常采用“黑箱法”? “黑箱法”的设计思路及特点是怎样的? 三、简述功能原理方案设计的步骤。 四、什么是功能元、功能结构? 五、简述结构总体设计原则、基本原理及设计步骤? 六、简述选择电动机的大致过程。,复习参考题,92,93,