机械系统设计-第1章绪论

第一章绪论《机械原理》、《机械设计》、《机械系统设计》的关系《机械原理》是研究各种机械的组成原理、机器中常用机构的运动及动力性能分析与设计、机器动力学等问题的一门主干技术基础课。《机械设计》主要是研究通用机械零(部)件设计和选用方面的基本知识、基本理论和基本方法。机械设计的一般知识、机械零件的主要类型、性能、结构特点、应用、材料和标准等。机械设计的基本原则、机械零件的失效形式、工作能力计算准则、受力分析、应力分析和提高零件强度的措施。设计计算、结构设计和制图技能、实验技能、编制技术文件技能和CAD应用技能等。通过学习机械设计，达到了可以设计通用联接零部件、传动零部件和设计简单机械装置的目的。最终在机械设计课程设计中我们设计了减速器，为机械系统设计打下了基础。学习完《机械设计》课程以后，同学们肯定会想我们能设计出一台真正的机器吗？通过分析，大家就会发现，搞清楚通用零部件、机械传动装置和简单机械的设计理论和设计方法，并不等于已经具备设计机器的能力。因为机器是由许多零部件有机结合而组成的，它可以分成许多组成部分：原动部分传动部分执行部分辅助装置（如润滑装置、显示及照明装置）操纵和控制装置组成机器的各个部分协调工作才能够完成机器的功能。孤立地看待机器的各个组成部分，片面地追求零部件的优秀，看不到零部件之间以及各个组成部分相互之间的作用和关系，就会导致优质的零部件组装不出性能良好的机器。例如，减速器的润滑，轴承需要润滑、传动件需要润滑，若润滑不好就会干摩擦；若密封不好，润滑油会外泄，外面杂质会进入内部等。所以光是把传动件、轴承等设计得很好是不够的。把机器作为一个机械系统来加以研究，这也是《机械系统设计》这门课程的研究目的和方法。设计过程中，必须把机器看成是各个部分和所有零部件之间相互关系和相互作用的整体，以系统优秀为最终目标，这样才能设计出性能良好的机器。开设《机械系统设计》课程的重要性和必要性一、《机械系统设计》是机械设计制造及自动化专业的主干必修课之一通过本课程的学习，使学生能从整机的角度和系统的观点了解一般机械产品设计的规律和特点，扩大机械结构知识，增强机械设计能力，掌握机械产品设计的基本方法和技术，并结合课程设计和实验等实践环节，培养学生具有开发设计性能良好的和有竞争力的机械产品的初步技能。二、开设《机械系统设计》是教育改革的成果在机械设计制造及自动化专业代替各种机械专业，成为了机械类的主干专业后，以讲述方案设计和总体设计，载荷特性和动力机选择，执行系统设计，传动系统设计，操纵系统设计，控制系统设计及基础设计为主要内容的《机械系统设计》出现了。经过近十年的发展，该课程对学生的就业起到了一定的作用。《机械设计》课程以通用机械零部件和机械传动装置为研究对象，不涉及到机械系统的设计，也就是说，不能解决整机设计的问题。而《机械系统设计》从系统的观点出发，对机械系统的组成和设计进行分析，介绍机械系统的主要组成部分的设计方法和原理。学习该课程后，学生具有较为宽广的知识和视野，有较强的工作适应能力，有从事机械设计的基础知识和基本技能，有对机械设计中的具体技术问题进行分析和设计的能力，还具有进行整机设计的初步能力。《机械系统设计》是系统工程学在机械设计方面的分支，属于现代设计方法。传统的机械设计方法偏重内部系统设计，对外部系统和内部系统的相互作用和影响重视不足，会出现设计良好的机械产品，在外部环境下使用，技术性能和经济效益不好的情况。三、《机械设计》课程不能代替《机械系统设计》四、《机械系统设计》属现代设计方法在进行内部系统设计时，传统的设计方法，以改善零部件的特性为重点，对零部件的相互作用和影响重视不足，会出现设计良好的零部件组装起来的机械产品技术性能和经济效益不好的情况。机械系统设计方法强调以系统的观点进行设计，既重视内部系统的设计，又重视内部系统与外部系统的相互作用和影响；既重视零部件的设计，又重视零部件之间的相互协调和配合。第一章绪论第一节机械与机械系统输出输入驱动控制变速转向制动支架转动自行车系统一、系统的概念系统的概念非常广泛，可以举出许多的例子。在学校里，宿舍、班级、年级、学院、学校都是系统；在机械领域里，各种机械、机器、机组也是系统；在更大的范围里，生物界、自然界、社会的各个阶层也可以看成是系统。“系统”这一概念来源于社会实践，它不是人们凭空想象出来的，而是在人类长期的社会实践中总结出来的。社会中的事物是复杂的，各事物之间是相互联系和相互作用的。人类为了科学把握和研究某一事物，除了必须分析和研究该事物的特性和发展规律外，还必须研究和分析与该事物相关的事物之间的联系和作用，这样就形成了“系统”的概念。1.系统的定义图1-1伏羲古太极图伏羲古太极图蕴涵了古代中国人的系统思想。《易经》试图用阴阳五行八卦论来说明统一的世界，或把五行（金木水火土）作为构成万物的基本要素，或把八卦（从自然界中找出的8种事物：天地雷风水火山泽）看作万物之源。战国时的子思、孟子提出了“天人合一”的思想。这些学说都把宇宙看作一个整体。古希腊思想家亚里士多德提出了著名论点“整体大于它的各部分的总和”。始建于公元前7世纪楚国，秦始皇（公元前221-前210）时期有30万人连接了各国长城，明代（1368-1644）万历年间又大规模修筑。全长6700公里，是世界上最长的城墙建筑。具有防御、通讯和保护交通的功能，从工程计算、建筑材料到施工管理均体现了系统思想。图1-2万里长城建于公元前256-前251年，是世界上历史最长的无坝引水工程。将鱼嘴分洪、宝瓶口引水、飞砂堰分洪排沙合三为一，具有灌溉、防洪、引水、排沙、航运、信息反馈等功能。在规划、设计、施工、维护等方面都体现了系统思想。图1-3都江堰现代科学技术对于系统思想的发展有着重大的贡献。系统思想从许多现代科学技术中吸取了营养和精华：从辩证唯物主义那里吸取了丰富的哲学思想；从运筹学、控制论、工程学、社会学那里获得了科学研究的方法；通过系统工程学充实了丰富的实践内容。系统思想辩证唯物主义运筹学、控制论、工程学、社会学系统工程学哲学思想科学研究方法实践内容1994年我国《系统科学大辞典》的系统（System）定义：系统是由相互联系、相互作用的要素组成的具有一定结构和功能的有机整体。1986至1998年汪应洛院士给出的系统定义：系统是具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素构成的一个整体。系统（System）定义：系统：由相互之间有机联系的要素组成，具有特定功能的整体。系统特点：①系统由要素组成；②组成系统的要素之间是有机联系的；③系统应具有特定的功能。系统包含了以下6个基本概念：（1）要素：又称元素。是系统的组成部分，又称为子系统。（2）结构：系统各个要素相对稳定的相互联系、相互作用的方式。（5）功能：系统整体在内部与外部的联系中表现的作用和能力。（3）边界：系统所包含的要素的界限，结构表明须有确定边界。（4）环境：存在于系统外与系统发生作用的各种因素的总体。功能表明系统需要与环境发生关系。（6）输入：通过边界进入到系统的事物。输出：通过边界进入到环境的事物。2.系统的分类划分依据系统类型实例系统起源自然系统Naturalsystems海洋系统，天体系统，生物系统人工系统Artificialsystems工程系统，社会系统，管理系统要素性质物质系统Physicalsystems矿藏系统，生物系统，技术系统概念系统Conceptualsystems法律系统，文学系统，艺术系统与时间关系动态系统Dynamicsystems气象系统，生物系统，生产系统静态系统Staticsystems建筑物，地图要素数量和结构简单系统Simplesystems原子系统，简单工具复杂系统Complexsystems生命系统，生产系统，社会系统与外界的作用孤立系统Islandsystems宇宙飞船的密封仓封闭系统Closedsystems外加磁/电场中的磁/电介质系统开放系统Opensystems生命系统，经济系统，社会系统认识论黑色系统Blacksystems银河系外遥远星座，待设计产品白色系统Whiteningsystems可拆卸的机器，已解决的问题灰色系统Greysystems农业系统，人体系统复合系统（Compoundsystems）：几种类型的系统互相重合和嵌套所组成的系统。大多数系统是自然系统与人工系统的复合系统。3.系统的特性系统是可以分解和综合的。由两个或者两个以上的要素组成的具有一定结构和功能的整体都可以看成是一个系统。一个大的系统可以看成是若干个小的系统—子系统组成的。当然子系统还可能是由若干个更小的子系统组成的。系统的可分性：把一个大系统可以看成是若干个子系统按照一定的结构综合而成的。系统的可综合性：系统具有6个特性：整体性、相关性（结构性和开放性）、动态性、层次性、目的性和环境适应性。（1）整体性：整体性是系统所具有的最重要和最基本的特性。系统的整体性可以表现为以下3各方面：①判断一个系统的优劣，最终是看系统的整体功能如何。系统是由要素组成的，离开了要素就谈不上系统。系统的性质是由要素来决定的，有什么样的要素就会有什么样的系统。系统的性质、功能和运动规律只有从整体上才能显示出来。系统的性质除了决定于要素外，还决定于联系各要素之间的结构，结构的好坏直接是由要素之间的协调作用体现出来的。优质的要素如果协调的不好，形成的结构可能不是最优的，系统的整体功能也不会好。系统的非中心要素中，有一些质量差的要素，但只要协调的好，就可以形成优异的结构，从而形成质量较好的系统。因此，合理地选择要素，处理好要素以及要素与系统之间的关系，对于系统的功能和性质是至关重要的。在构成系统时，各种要素要形成一定的结构。在系统中，各要素处的地位不同，所起的作用也不相同。有的要素处于中心地位，支配和决定着整个系统的行为，它们是中心要素；还有一些要素处于非中心、被支配的位置，它们则属于非中心要素。②组成系统间的要素相互间必须有机地联系要素间有机联系才能组成系统，而要素间的随意组合，不能形成系统。整体与部分相对应，整体是各个部分综合的产物。系统整体不等于部分和，表现出了系统的非加和性，即要素的相互作用具有非线性。③系统不能分割只能分解在系统中不能存在与其他要素不相互联系的独立要素，不能把系统分割成为相互独立的子系统，但可以根据需要（为了研究方便）把系统分解成为若干个相互联系的子系统，各子系统之间的联系可以采用它们之间的输入输出关系来表示。（2）相关性（包括结构性与开放性）：组成系统的各个要素之间有机联系、相互作用和相互影响所形成的特定关系就是相关性。结构性系统的结构性是指要素与要素、要素与整体的相互联系、相互作用的特性。结构性又称为系统内部的相关性。结构是系统保持整体性和目的性的内在根据。结构是功能的基础，功能是结构的表现。结构决定功能，功能又反作用于结构。开放性系统的开放性是指系统与环境发生交换关系的属性。开放性又称为系统外部的相关性，它是由系统内在结构所决定的。环境选择系统，系统也选择环境。系统世界应该是一个和谐发展的世界。输入与输出是表征系统开放性的两个方面。系统需要开放，是由于系统的存在和发展离不开环境。开放性是在与环境的相互作用中实现的。（3）动态性任何具体系统都要经历产生、发展、稳定、老化和衰亡的过程，系统状态是时间的函数，这就是系统的动态性。运动是系统的存在方式。系统内部各要素的相互作用是系统运动的内因，系统与环境的相互作用是系统运动的外因。系统的发展方式：直线式、阶段式、飞跃式和振荡式等。系统具有绝对的动态性，并不否认系统具有相对的稳定性。系统的稳定性是指系统在外界干扰和内部故障的作用下，能够持续保持结构、功能和性质的恒定性和有序性。相对稳定性是系统存在和发展的必要条件。系统抵抗干扰和故障以保存自身的属性，又称为整体稳定性。动态性对设计工作的启示：①要以发展变化的观点来研究问题，把握设计对象的发展趋势和变化规律，在实践中防止退化，促成进化。②由于系统的动态变化，就会出现这样或那样的时机可以利用。因此，要认识时机，抓住时机。③要