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MachinerySystemDesign方案设计与总体设计第二章2本章提要方案设计的内容总体设计的内容总体布置的基本要求总体主参数确定3机械系统的方案设计机械设计的整个过程，是从抽象到具体、从模糊到明朗、逐步完善的过程，也是创造性思维同工程技术文件相结合的过程。2-1机械系统的方案设计方案设计是机械系统设计的核心环节，是保证设计水平和质量的重要阶段。4方案设计的工作内容研究给定任务设计任务抽象化确定工艺原理确定技术过程引进技术系统并确定系统边界确定基本结构布局设计方案评价2-1机械系统的方案设计根据给定任务，明确核心要求和约束条件根据同外部系统的联系，明确功能要求根据功能要求，选择工艺原理根据功能关系，明确工艺流程根据技术过程，确定功能载体组合根据功能载体组合，确定空间位置根据系统指标，确定技术方案5研究设计任务虽然在开发计划书中明确了设计的任务、目的和要求，但可能存在不确切、不合适甚至相互矛盾的要求。例如强度与轻量化、精度与经济性、性能指标与已有技术水平及条件等。2-1机械系统的方案设计研究任务任务抽象化工艺原理技术过程根据给定任务，明确核心要求和约束条件必须对各项要求逐项分析，明确核心要求和约束条件，必要时提出修改和补充建议，对相互矛盾的要求提出解决方法。6设计任务抽象化是一种思维方式和工作方法。通过分析设计任务的基本功能要求，把设计任务抽象为只表达其核心任务的简单模式，不涉及具体的解决方案和途径。使设计者视野更宽广，思维不易受到某些框框的束缚，有利于创造新的方案。根据外部系统的关系，明确功能要求黑箱是研究同外部系统相互关系的有效工具。2-1机械系统的方案设计研究任务任务抽象化工艺原理技术过程7对外界的影响黑箱模型黑箱是指仅知输入量和输出量而不知其内部结构的表述设计任务的一种模式。来自外界的影响黑箱待设计技术系统输入物料输入能量输入信息输出物料输出能量输出信息黑箱明确表达了设计任务的基本功能要求和主要约束条件。设计过程就是逐步打开黑箱，确定其内部结构，实现由输入量转化为输出量的过程。2-1机械系统的方案设计研究任务任务抽象化工艺原理技术过程8自走式谷物联合收获机谷物驱动能驱动信号谷粒、茎杆、颖壳工作机构能量显示信号噪声废气振动自走式谷物联合收获机风温度湿度土壤通过任务抽象化，明确功能要求。2-1机械系统的方案设计研究任务任务抽象化工艺原理技术过程9确定工艺原理根据功能要求，选择工艺原理同一物理效应往往可以实现多种作业对象的转化，一种转化常可以由多种物理效应来实现。工艺原理是指各种物理效应的具体应用。物理效应包括物理学、化学、生物学等自然科学中的定理、定律、原理和效应。2-1机械系统的方案设计研究任务任务抽象化工艺原理技术过程不同的工艺原理将使机械系统具有不同的技术经济效果，因此设计时应从各种可行的工艺原理中择优选用。10同一物理效应可实现多种转化切刀切割冲击、揉搓和挤压作用振动、气流和重力作用杠杆能量参数转化位移参数转化力参数转化摩擦切断作物茎杆籽穗分离谷粒同茎杆和颖壳等杂物分离谷物联合收获机作业对象的简单转化可能只采用一种工艺原理便可实现，复杂的转化有时需要多种工艺原理组合使用，应注意不同工艺原理组合与连接的适宜性和相容性。一种转化可由多种物理效应来实现2-1机械系统的方案设计研究任务任务抽象化工艺原理技术过程11确定技术过程根据功能关系，明确工艺流程技术过程是按照选定的工艺原理确定作业转化所需的流程，流程中规定了每一种转化程序的相应功能要求。2-1机械系统的方案设计研究任务任务抽象化工艺原理技术过程作业对象本身的转化为主流程。为实现主流程通常需要其他辅助流程的补充和支持。例如作业对象的支承、定位、夹紧，驱动能量的转换、输入和传递，各种信息量的检测、操纵、调整、控制等。因此技术过程是若干分过程和工序组合而成的复合过程。12根据技术过程，确定功能载体组合技术系统是实现技术过程各项转化的人为系统。有的转化靠机械系统实现，有的转化靠人的参与完成。需要根据技术过程的要求确定机械系统的具体任务。良好的技术系统应是合理的机械系统与人的完美结合。例如联合收获机作业速度是否自动控制（根据发动机负荷、脱粒部件负荷、脱粒质量……）2-1机械系统的方案设计工艺原理技术过程系统边界结构布局引进技术系统确定系统边界13根据技术过程，确定功能载体组合确定功能结构2-1机械系统的方案设计工艺原理技术过程系统边界结构布局引进技术系统确定系统边界具体步骤确定功能载体组合确定系统边界14确定功能结构系统常具有多项功能，比如基本功能、辅助功能等，可进行功能分解。在系统分解的基础上逐项逐级分解，直至找到不宜再分解的功能元及相应的功能载体为止。功能的分解和组合关系称为功能结构。同级分功能组合起来应满足上一级分功能的要求，最后组合的整体应满足总功能的要求。2-1机械系统的方案设计工艺原理技术过程系统边界结构布局功能结构系统边界载体组合功能是系统的属性，表明系统的效能及可能实现的物料、能量、信息传递和转换的能力。15功能元和功能载体功能元——具有确切功能的基本单元。功能载体——实现相应功能的实体结构。齿轮传动功能元——动力和运动的传递功能载体——齿轮及相关结构在产品的系列化、模块化设计中，通用的独立部件或模块都可以作为功能载体。2-1机械系统的方案设计工艺原理技术过程系统边界结构布局功能结构系统边界载体组合16材料试验机的功能结构利用力和变形关系检验试件试件变形后的试件加载能量变形能信号力信号变形信号主要功能是试件加载和参数测量。2-1机械系统的方案设计工艺原理技术过程系统边界结构布局功能结构系统边界载体组合17功能载体组合实现一项功能常可采用多种不同的功能载体。为获得满意的总体方案，应寻找合适的功能载体及其组合。形态学矩阵是有效方法。对于复杂系统，可先建立分功能的形态学矩阵，考虑局部设计方案后再综合为整体方案。分析前应将明显不合理或意义不大的方案先舍弃，集中精力研究合理可行的组合。2-1机械系统的方案设计工艺原理技术过程系统边界结构布局功能结构系统边界载体组合18挖掘机的形态学矩阵A动力源B移位传动C移位D取物传动E取物分功能(目标标记)共有6×5×4×4×3=1440种组合剩有2×4×3×3×3=216种组合目标标记——分功能目标特征——分功能的各种解法123456电动机柴油机汽油机蒸汽透平液动机气动马达解法(目标特征)齿轮蜗轮链传动皮带传动液力耦合履带轮胎气垫式轨道?车轮拉杆钢丝绳油缸气缸挖斗钳式斗抓斗2-1机械系统的方案设计工艺原理技术过程系统边界结构布局功能结构系统边界载体组合19齿轮蜗轮链传动皮带传动液力耦合履带轮胎气垫式轨道?车轮拉杆钢丝绳油缸气缸挖斗钳式斗抓斗挖掘机的形态学矩阵A动力源B移位传动C移位D取物传动E取物分功能(目标标记)履带式挖掘机A2目标标记——分功能目标特征——分功能的各种解法A5+B1+C1+D2+E1+B5+C2+D3+E1液压轮式挖掘机123456电动机柴油机汽油机蒸汽透平液动机气动马达解法(目标特征)2-1机械系统的方案设计工艺原理技术过程系统边界结构布局功能结构系统边界载体组合20确定系统边界人机分工同外部系统的影响2-1机械系统的方案设计工艺原理技术过程系统边界结构布局功能结构系统边界载体组合划分系统边界的主要依据系统边界是指技术系统功能范围的界限，即内部系统与外部系统的分界。21确定系统边界——根据人机分工的要求例如工件的定位、夹紧、调整、测量；温度、压力、速度、物流量的控制等。2-1机械系统的方案设计工艺原理技术过程系统边界结构布局功能结构系统边界载体组合技术过程中的很多转化程序既可以由机械系统完成，也可由操作者参与完成。不同的人机分工体现了系统的机械化、自动化程度，并影响系统的复杂程度和制造成本。提高机械化、自动化程度对于提高系统性能、保证运行质量和可靠性、提高生产率有着显著效果。22确定系统边界——根据同外部系统的影响2-1机械系统的方案设计工艺原理技术过程系统边界结构布局功能结构系统边界载体组合技术系统在转化过程中同外部环境有密不可分的联系：受外部环境的影响和干扰对外部环境产生影响。是否对这些影响和干扰进行控制以及怎样控制也是确定系统边界的依据。，例如温度、湿度、尘埃、振动、噪声及外部能量的稳定性。23确定基本结构布局结构布局是指结构元件（功能载体）在空间的相对位置。不同的结构布局会得到不同的总体设计方案，得到不同的外形、总体布置和技术性能，产生不同的技术经济效果。结构布局不考虑各部分的具体尺寸，是总体布置设计的前提。2-1机械系统的方案设计工艺原理技术过程系统边界结构布局24机械系统的总体设计2-2机械系统的总体设计总体设计是机械系统内部设计的主要任务之一，是进行系统技术设计的依据。主要内容总体布置设计确定总体主要参数绘制总体设计图编写总体设计文件25总体布置设计保证系统工艺过程的连续和顺畅降低质心高度、减小偏置保证精度、刚度，提高抗振性及热稳定性充分考虑产品系列化和发展要求结构紧凑、层次分明操纵、维修和调整简便外形美观2-2机械系统的总体设计总体布置总体参数总体样图总体文件总体布置是结构布局的细化。任务具体确定各零部件之间的相对位置及联系尺寸、运动和动力的传递方式及主要参数，绘制总体布置图。基本要求26总体布置设计的基本要求——保证系统工艺过程的连续和顺畅合理的相互位置和相关尺寸；保证前后作用工序的连续和流畅，能量流、物料流和信息流的流动途径合理；确保运动零部件必需的安全空间，相互间不发生运动干涉；应考虑零部件的惯性力、弹性变形、过载变形、磨损、制造及装配误差等影响。工艺过程质心高度精度刚度发展要求结构层次操纵维修外形美观2-2机械系统的总体设计总体布置总体参数总体样图总体文件27联合收获机的技术过程主流程联合收获机谷粒短茎秆颖壳灰尘等谷物扶持谷物茎秆切断谷物茎秆脱粒冲击揉搓挤压长茎秆分离人技术系统杂余清选振动气流2-2机械系统的总体设计总体布置总体参数总体样图总体文件28总体布置设计的基本要求——降低质心高度、减小偏置直接影响行走机械和工程机械的前后轴载荷分配、纵向和横向稳定性、操纵性、附着性。工艺过程质心高度精度刚度发展要求结构层次操纵维修外形美观2-2机械系统的总体设计总体布置总体参数总体样图总体文件影响固定机械的基础稳定性。应验算质心位置，必要时留有放置配重的可能。29总体布置设计的基本要求——降低质心高度、减小偏置重心越高，下坡时前轮分力越大，使转向操纵力加大。重心越高，转向时倾复力矩越大，使稳定性降低。工艺过程质心高度精度刚度发展要求结构层次操纵维修外形美观2-2机械系统的总体设计总体布置总体参数总体样图总体文件30总体布置设计的基本要求——保证精度、刚度，提高抗振性及热稳定性合理确定传动件精度，尽可能简化和缩短传动链，合理安排传动机构顺序。工艺过程质心高度精度刚度发展要求结构层次操纵维修外形美观2-2机械系统的总体设计总体布置总体参数总体样图总体文件提高结构刚度和抗振性，受力均匀。减小扰力的偏心距，提高支承刚度，采取隔振、柔性连接、分离驱动等措施。采用隔热及散热措施，对称布置有利于均匀传热和减小热变形。31总体布置设计的基本要求——保证精度、刚度，提高抗振性及热稳定性机床的底座、床身采用框架式封闭断面结构和双立柱对称布置，不用悬臂或减小悬臂长度。工艺过程质心高度精度刚度发展要求结构层次操纵维修外形美观2-2机械系统的总体设计总体布置总体参数总体样图总体文件32总体布置设计的基本要求——保证精度、刚度，提高抗振性及热稳定性工艺过程质心高度精度刚度发展要求结构层次操纵维修外形美观电动机与变速箱、主轴箱分开布置。2-2机械系统的总体设计总体布置总体参数总体样图总体文件33总体布置设计的基本要求——充分考虑产品系列化和发展要求考虑变型设计和产品系列设计的可能性工艺过程质心高度精度刚度发展要求结构层次操纵维修外形美观尽可能提高产品的标准化因数和重复因数，提高标准化程度。2-2机械系统的总体设计总体布置总体参数总体样图总体文件考虑产品更新换代的适应性组织生产线和实