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1、第一节第一节 概述概述 第二章 机械系统的总体设计 第二节第二节 设计任务的形成与确定设计任务的形成与确定 第三节第三节 机械系统的功能及指标分解机械系统的功能及指标分解 第四节第四节 机械系统的方案设计机械系统的方案设计 第五节第五节 机械系统方案的评价机械系统方案的评价 第六节第六节 机械系统的总体布局设计及主要参数确定机械系统的总体布局设计及主要参数确定 第七节第七节 机械系统总体设计实例机械系统总体设计实例 1 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
2、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 2 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 3 总体设计的基本步骤 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
3、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 4 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 5 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 6 第二节 设计任务的形成与确定 2 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 7 第二节 设计任务的形成与确定 2 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
4、 8 2 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 9 2 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 10 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 11 1 产品功能
5、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 3 设计任务书的拟定 13 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 14 1 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
6、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 15 16 2 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 17 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 18 螺纹加工机的总体原理方案分析 19 螺纹加工机的总体原理方案分析 20 2 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
7、后级 的目的功能 后级是前级的手段功能 21 例如 微电脑洗衣机的设计 22 2 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 u 应用科学原理进行技术原理构思从而进行功能求解 u 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 u不局限于机械学范围 力学 电子学 电磁学 热学 光学 仿生学 u同一种功能可以用不同的技术原理来实现 u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 23 例如 输送液体原理解法分析 1 负压效应 1 利用压力p与溶积v的关系 pv 常数 增大容积空间形 成
8、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 6m 24 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 25 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
9、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 26 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 27 28 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 29 2 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
10、法联想类推法智力激励法提问追溯法 30 2 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 31 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 1 功能分解 2 功能求解 3 列形
11、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 2 4 2 总体方案求解 32 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 C2 A1 B1 C1 A1 B1 C2 A2 B3 C1 33 2 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 3
12、4 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 35 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 36 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 37 第二步 总功能分解 分解依据 挖掘机的技术轮廓 38 第二步 总功能分解 功能树 39 第三步 建立功能结构图 40 第四步 寻找原理解法 形态学矩阵
13、 序 号 分功能技术物理解方案序号 1234 A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 41 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 1234 A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
14、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 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 3 3 2 3 1 2 4 3 4 5184 42 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
15、评价角度 43 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 u 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 u 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 44 2 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
16、性 社会性 45 2 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 Forced Decision 简称FD 计算 式中 ki 各评价目标的总分 n 评价目标数 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 46 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 47 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 48 2 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
