第二章机械系统的总体设计

1第一节概述第二章机械系统的总体设计第二节设计任务的形成与确定第三节机械系统的功能及指标分解第四节机械系统的方案设计第五节机械系统方案的评价第六节机械系统的总体布局设计及主要参数确定第七节机械系统总体设计实例2第一节概述系统的原理方案的构思结构方案设计总体布局与环境设计主要参数及技术指标总体方案的评价与决策总体设计机械系统设计的第一个环节是，就是在具体设计之前对所要设计的机械系统的各方面，本着简单、实用、经济、安全、美观等基本原则所进行的综合性设计，是一个从整体目标出发，实现系统整体优化设计的一个阶段。总体设计3产品目标设想可行性论证和技术经济分析确定总体功能、指标提出方案设想系统分析和功能分解形成总体方案。总体设计步骤：4设计任务书不行系统总体原理方案分析及确定必要时原理方案试验技术文件1：系统工作原理行功能分析功能求解：初步形成物料流、能量流及信息流方案技术文件2：主要部件工作原理图关键技术验证必要时不行行总体布置设计技术文件4：总体设计报告技术文件5：总体布置图结构方案设计：分系统及总成选配，接口设计方案评审技术文件3：方案评审报告不行总体设计的基本步骤：5图2-1机械系统总体设计基本步骤工程设计必要时设计评审不行行返回上一页测试测试试验必要时不行行试制调试设计任务完成必要时调试结果不行6(1)系统工作原理简图；(2)主要部件的工作原理图；(3)方案评价报告；(4)总体设计报告；(5)系统总体布置图在总体设计过程中形成的技术文件：72.适应性设计3.变型设计1.开发性设计2.2.1设计任务的类型第二节设计任务的形成与确定82.适应性设计3.变型设计1.开发性设计2.2.1设计任务的类型第二节设计任务的形成与确定92.2.2设计任务的来源1.指令性设计任务2.来自市场的设计任务3.考虑前瞻的预研设计任务从国家大的发展战略、国防等方面考虑用户根据需要提出产品的更新换代102.2.3拟定设计任务书1.拟定设计任务书的一般原则合理而先进详细而明确列出全部设计要求设计要求尽可能定量化，明确主次要求要求适度，实事求是与国内外同类产品产品功能、技术性能、经济指标都有先进性11(1)产品功能要求2.产品设计要求(2)适应性要求(3)性能要求(4)生产能力要求(5)制造工艺要求(6)可靠性要求(7)使用寿命要求(8)人机工程要求(9)安全性要求12(1)产品功能要求2.产品设计要求(2)适应性要求(3)性能要求(4)生产能力要求(5)制造工艺要求(6)可靠性要求(7)使用寿命要求(8)人机工程要求(9)安全性要求133.设计任务书的拟定14第三节机械系统的功能及指标分解总体设计的第一步就是充分理解设计任务书所规定的设计要求，并将其抽象化，即对系统的功能（包括约束）进行描述。2.3.1系统的功能描述功能是对某一产品的特定工作能力的形象化描述。功能的描述要准确、简洁，合理地抽象，抓住其本质，避免带有倾向性的提法。151)主功能——物料的输入、转换与输出功能2)动力功能——能量传递与变换功能3)控制功能——信息传递与控制功能4)结构功能——将各要素组合起来、形成一个统一的整体2.3.1系统的功能描述16主功能（切削加工）毛坯冷却液零件冷却液动力功能控制功能驱动能损耗能控制器结构172.3.2系统的原理方案总体分析在功能分析的基础上，首先应对系统的原理方案进行总体分析。在分析或设计一个现代化机械系统时，首先应该从主功能分析着手。立体光固化成型18•采用激光束聚焦的能量气化切痕以得到一定精度轮廓的料型，并用压辊加热逐层粘合各层料。分层实体制造19螺纹加工机的总体原理方案分析20螺纹加工机的总体原理方案分析212.3.3功能分解与功能树按系统工程分解性原理进行功能分解，建立功能结构图即功能树。功能树起于总功能，按一级分功能、二级分功能......进行分解，其末端为功能元。前级功能是后级的目的功能，后级是前级的手段功能。22例如：微电脑洗衣机的设计232.3.4功能求解对功能求解，是原理方案设计中的重要的搜索阶段。设计人员的思维要发散。应用科学原理进行技术原理构思从而进行功能求解按技术原理组织功能结构，在一定条件下作用于加工对象，成为技术分系统，实现分功能。不局限于机械学范围，力学、电子学、电磁学、热学、光学、仿生学......同一种功能可以用不同的技术原理来实现对一个功能元应尽可能多地提出几种技术原理，为后续方案的构思和评价提供较多的选择241.负压效应例如：输送液体原理解法分析1)利用压力p与溶积v的关系（pv=常数），增大容积空间形成负压吸入液体，减少容积空间形成高压输出液体。2)利用流速与压力的关系，及文丘里喉管原理，使流体（液体或气体）流经变截面喉管，在狭窄处流速增大，形成负压，被输送液体就可从小孔M抽进喉管，当流速大600m-700m/s时，水头可达5-6m25•2惯性力效应•1)利用离心惯性力将水引出。一般离心泵、化工系统的化工离心泵都是应用这种原理。•2)利用往复运动的惯性力。将管1置于水中，在A、B方向往复运动，水即通过单向阀2、3由管4输出。•3)虹吸原理。液态分子间引力与位能差造成，利用水柱压力差，使水上升后再流到低处。26•3毛细管效应高性能的轻质热管为两端封闭的管子，衬里为数层金属丝网，管内封装液体，在高温端液体吸热蒸发，蒸气流至低温端放热，冷凝后的液体由毛细管效应通过金属丝网流回热端。此种热管用于人造卫星和冻土层输油管保温等。27第四节机械系统的方案设计什么是方案设计？对子功能方案进行方案综合的过程2829方案设计实际上就是对子功能方案进行方案综合。盛装衣物分离衣物铝桶塑料桶陶瓷桶机械摩擦电磁震荡超声波302.4.1形态学矩阵将各子系统的目标（功能）及基本可能实现的办法（可以是物理效应、作用原理或功能载体）列入一个矩阵形式的表中，这个表就称为形态学矩阵，亦称模幅箱图。形态分析法是一种系统搜索和程式化求解的创新技法。组合创新法联想类推法智力激励法提问追溯法312.4.2总体方案求解1.求解原则1)各功能元原理方案之间在物理上的相容性鉴别能量流、物料流及信息流不受干扰地连续流过功能元的原理方案在几何学和运动学上是否有矛盾2)从技术、经济效益较好的角度1）要考虑设计要求及附加要求2）选择时，不仅针对某项具体功能元，还要兼顾到全局及其它相关功能元。3）对于关键性的功能元，应多考虑采用创造性方法解决，必要时应做有关的实验。剔除挑选321)功能分解2)功能求解3)列形态学矩阵并进行方案综合例1：单缸洗衣机的总体方案设计总功能出发，分析实现“洗涤衣物”功能的手段实现各种功能的技术手段或方法，列举功能形态分功能功能解A盛装衣物铝桶塑料桶玻璃钢桶陶瓷桶B分离赃物机械摩擦电磁振荡热胀超声波C控制洗剂人工控制机械控制电脑自控2.4.2总体方案求解33分功能功能解A盛装衣物铝桶塑料桶玻璃钢桶陶瓷桶B分离赃物机械摩擦电磁振荡热胀超声波C控制洗剂人工控制机械控制电脑自控热胀增压式A1-B2-C2A1-B1-C1A1-B1-C2A2-B3-C1342.功能集成功能集成，即如何将求解所得的功能载体进行集成，其中最主要的工作就是接口设计。除了在控制信息上互相协调外，每个单元的输出都不影响其他单元的输出，我们称这种状态为正交。2.4.2总体方案求解35在许多情况下，这些功能载体是互相关联的。这些关联有的表现在运动学上，有的则表现在动力学上。动力学如：机器人2.4.2总体方案求解36功能集成需要考虑各功能载体在机械结构上的关联与控制信息上的关系两个方面，是一个充分考虑如何确定合理的整体布局形式，采用恰当的传动和支撑结构，检测控制硬件、信息处理方法等的过程。2.4.2总体方案求解双桶洗衣机单桶洗衣机37第一步：寻找总功能的转换关系例2：挖掘机的总体方案设计38第二步：总功能分解（分解依据——挖掘机的技术轮廓）。39第二步：总功能分解——功能树40第三步：建立功能结构图41第四步：寻找原理解法——形态学矩阵序号分功能技术物理解方案序号1234A推压齿条钢丝绳油缸B铲斗正铲斗反铲斗抓斗C提升油缸绳索D回转内齿轮传动外齿轮传动液轮E能量转换柴油机F能量传递与分配齿轮箱油泵链传动皮带传动G制动带式制动闸瓦制动片式制动圆锥形制动H变速液压式齿轮式液压—齿轮I行走履带轮胎迈步式轨道—车轮42第四步：寻找原理解法和原理解组合序号分功能技术物理解方案序号1234A推压齿条钢丝绳油缸B铲斗正铲斗反铲斗抓斗C提升油缸绳索D回转内齿轮传动外齿轮传动液轮E能量转换柴油机F能量传递与分配齿轮箱油泵链传动皮带传动G制动带式制动闸瓦制动片式制动圆锥形制动H变速液压式齿轮式液压—齿轮I行走履带轮胎迈步式轨道—车轮组合方案数=3×3×2×3×1×4×4×3×4=10368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=3×3×2×3×1×2×4×3×4=5184。43第五节机械系统方案的评价系统评价时应考虑的因素很多，既有客观因素，又有主观因素。功能、性能指标、可靠性、成本、寿命及人类工程学等评价人员的经验及其评价角度44在进行系统评价时，遵循的原则1.客观性原则2.可比性原则3.合理性原则4.整体性原则系统评价方法——现在采用的较多的还是专家评审集体讨论的方法，具体有名次计分法、评分法、技术经济评价法、模糊评价法等。评价的目标——将系统的总收益与总投资费用之比作为主要评价值。452.5.1评价目标1.评价目标的内容1）技术评价目标2）经济评价指标3）社会评价目标选择主要的要求和约束条件作为实际评价目标。6~8项工作性能指标、加工装配工艺性、使用维护性、技术上的先进性成本、利润、投资回收期等方案实施的社会影响、市场效应、节能、环保、可持续发展等性能经济性社会性462.加权系数加权系数是反映目标重要程度的量化系数，加权系数大意味着重要程度高。加权系数值一般经验确定或采用强制判定法（ForcedDecision，简称FD）计算。式中：ki—各评价目标的总分，n—评价目标数∑niiiikkg1==评价目标与比较目标列于纵横坐标，根据目标的重要程度两两加以比较2.5.1评价目标47例题：确定洗衣机的评价目标的加权系数。按FD法确定加权系数，列出判别表并计算各评价目标加权系数48用系统分析的方法对目标系统进行分解并图示，将总目标具体化为便于定性或定量评价的目标元，从而形成目标树。3.评价目标树洗衣机洗净度0.25寿命0.17维修性0.17性能0.59价格0.31经济性0.31耗水量0.02外观0.08社会性0.1洗衣机的评价目标树2.5.1评价目标492.5.2模糊评价法利用集合和模糊数学将模糊信息数值化以进行定量评价的方法。1.隶属度隶属度表示某方案对评价标准的从属程度。确定隶属度的可采用统计法或隶属函数法。0~1之间的一个实数，越接近1，说明隶属程度越高。统计法收集一定量的评价信息通过统计得到隶属度，例如对洗衣机洗净度进行评价，标准为优、良、中、差通过调查统计得到隶属度50对于多个评价目标的方案，先分别求各评价目标的隶属度，考虑加权系数，根据模糊矩阵的合成规律求得综合模糊评价的隶属度，再通过比较求得最佳方案。2.模糊评价多目标的模糊评价步骤如下：2.5.2模糊评价法511)取评价目标集Y={y1,y2,…,yn}评价标准集X={x1,x2,…,xm}2)某方案对n个评价目标的模糊评价隶属度矩阵加权系数矩阵A=[a1,a2…an]2.5.2模糊评价法523)综合模糊评价隶属度矩阵B=A◦R=[b1b2bj…bm]乘加法：bj=a1r1j+a2r2j+…+anrnj取小取大法模糊矩阵合成方法2.5.2模糊评价法53方案比较时遵循两个原则确定级别并排序：a)最高隶属度原则：每个方案按综合模糊评价集中隶属度最高的一级确定其级别；b)排序原则：方案优劣排