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1、设计工程系 米洁 张志强2衣食住行 纺纱、织布、印染、缝纫 作物种植、粮食加工、食品加工 建筑、材料 车、船、飞机、道路建设 我们的日常生活离不开机械3能 源交 通信 息农业 钻井、采煤、发电、取水 车、船、飞机、道路建设 磁盘光盘驱动器、打印机、元件制造和整机装配、光缆的制造和铺设 耕整、播种、除草、收获、粮食清理 我们的国民经济离不开机械 4除了满足日常生活和国民经济基 础产业需要的机械之外还要有 制造这些机械的机器(车、铣、刨、磨、钻镗、冲压、热处 理、涂、镀）。5带装卸机器人的数控磨床我国生产的第一台万 吨水压机 (1962年)各类加工和装配生产线6机身长 18 mm高度 5 mm重
2、0.1克上海 1999年世界最小* 停在花生果上的双旋翼直升机7我国第一台类人型机 器人“先行者”身高 1.4 m重 20 kg每秒 2 步8机械工业是国民经济的支柱产 业，机械工业的发展水平是国家 综合实力的具体表现。科学技术的发展需要机械科学的 理论和实践不断发展。我国年轻的机械科学工作者将肩 负重任。9从整机和系统的观点了解一般机械产品设计的规律和特点。拓宽知识面，掌握机械产品设计的基本方法和技术。培养我们开发设计性能良好的、有市场竞争力的机械产品的初步能力。本课程是专业教学指导委员会规定的专业主干课之一。 本课程的教学目的10学习本课程的基本要求1.认真听讲，请对重要内容记笔记（可记录
3、在书上）；2.认真完成作业、做好实验3. 成绩=平时（作业、出勤）+实验+考试11l系统的概念和特性l机械系统的组成l现代机械的功能要求l机械系统设计的任务l机械系统的设计方法12系统思想人们在实践中已经认识到我们面对的世界是复杂的，我们面对的任何事物都不是孤立的，而是同周围事物有着许许多多各种各样的联系。因此为准确而科学地把握和研究某一事物，除必须研究和分析该事物本身的特性和发展规律外，还必须研究和分析该事物与周围其他相关事物之间的联系和作用。1 机械与机械系统13系统实例交通系统交通管理道路驾驶员车辆车流和路人气象1 机械与机械系统14“系统” 是对世界上一切事物和现象的 共性 系统性的高
4、度概括。 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。一般认为，由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体都可看作是一个系统。系统的定义1 机械与机械系统15系统的功能和结构系统结构是指系统内部各要素相互联系的方式和作用秩序。系统结构具有层次性：系统 子系统 更小子系统 系统功能是指系统对外部环境联系的效能和有利作用。 1 机械与机械系统16机械系统机械零件组成机械系统的基本要素。由若干装置、部件和零件按一定规律和结构形式组成，能完成机械能的利用或转换等特定功能的系统。机械部件机械系统中由若干部件和零件按一 定规律和结构形式组成，能完成某些特定功能 的子系统。 机
5、械系统是 人机环境 这个更大系统的组成部分。1 机械与机械系统17系统的边界对于某一具体的研究对象，所构成的系统的边界并不是唯一的。因为有联系的要素众多。为便于进行研究，常常更关注那些和对象联系比较密切的要素，以此确定系统边界。1 机械与机械系统18系统的基本特性整体性相关性目的性环境适应性有效载荷电源系统姿控系统推进系统通信系统热控系统1 机械与机械系统19机械系统的组成动力系统系统边界此外还有润滑系统、密封系统 传动系统执行系统操纵系统和控制系统1 机械与机械系统20动力系统动力系统为机械系统提供工作动力的部分。由动力机及其配套装置组成。一次动力机：将自然能源 (煤、原油、水流、风、太阳能
6、、核能、地热）转变成机械能的机械。如内燃机、汽轮机、水轮机二次动力机：将加工后能源（电、压力气或油）转变为机械能的机械。如电动机、气缸、液压马达特点：动力机输出的运动多数为高速转动。选用依据：现场能源条件、执行系统的机械特性、工作制度和使用要求，应有良好经济性和可靠性。1 机械与机械系统21包括执行机构和执行构件。直接与作业对象接触，其输出是机械系统的主要输出 。设计依据：满足强度、刚度、寿命、运动精度和动力学特性等要求。实现机械系统的特定功能可有多种实施方案，各方案的性能指标常不尽相同，应进行经济技术分析，择优选用。利用机械能改变作业对象的性质、状态、形状、位置 ，或对作业对象进行检测、度量
7、及实现其他作业要 求的部分。执行系统执行系统1 机械与机械系统22主要功能有：增速或减速、变速、改变运动规律和形式、传递动力。设计依据：在满足传动功能的同时应适应动力机的机械特性。有时可以省略，将动力系统和执行系统直联。将动力机的动力和运动传递给执行机构的中间装置。传动系统传动系统1 机械与机械系统23操纵系统 通过人工操作改变系统运行状态，通常有起动、离合、制动、变速、换向等装置。控制系统 从人工操作或测量元件获得控制信号，由控制器实现控制，如伺服机构、自控装置。设计依据：使机械处于最佳运行状态，提高运行的稳定性和可靠性，改善操作条件，并有较好的经济性。使各子系统彼此协调运行, 并准确可靠地
8、完成整机功能的部分。操作和控制系统操作和控制系统1 机械与机械系统24起 重 机 的 功 能 要 求现代机械的功能要求非常广泛，不同机械有不同的工作要求、工作目标和使用环境，其具体功能的要求有很大差异。1 机械与机械系统25作业过程：起吊移位下降卸料返回或移往新的起吊地点升降 水平移动 起动和制动 换向 物料抓取 定位和操纵安全性 可靠性 稳定性 操纵性 环境适应性 经济性起升重量 起升高度 起升速度 移位速度 生产率 作业范围基本功能：功能指标：起 重 机 的 功 能 要 求1 机械与机械系统26机械和零部件执行功能的可靠性、零部件耐磨性、使用寿命。速度、加速度、转速、调速范围、行程、运动轨
9、迹、运动的精确性强度、刚度、热力学性能、摩擦学特性、振动稳定性、系统工作和操作人员安全性。t 运动要求t 动力要求传递的功率、转矩、力、压力外形、尺寸、功率质量比t体积和重量要求t可靠性和寿命要求t安全性要求现 代 机 械 的 功 能 要 求1 机械与机械系统27t 运动要求t 动力要求t体积和重量要求t可靠性和寿命要求t安全性要求t 经济性要求t 环境保护要求t产品造型要求t其他要求设计和制造的经济性使用和维修的经济性噪音、振动、防尘、防毒、“三废”的排放和治理。外观、色彩、与环境的协调性。精密机械防振 户外机械的防护、防腐和密封 食品、药品机械的防止污染起 重 机 的 功 能 要 求1 机
10、械与机械系统28为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，在市场竞争中取得优势、赢得用户，并取得较好的经济效益。设计任务市 场来源于满 足2 机械系统设计的任务 机械设计的最终目的29产品质量和经济 效益取决于设计、制 造和管理的综合水平 ，而产品设计是关键 。据统计，产品质 量事故50源于设计 不当，产品成本60 70取决于设计。从系统观点出发合理确定系统功能提高可靠性提高经济性保证安全性机械设计的任务2 机械系统设计的任务30一 、 从 系 统 观 点 出 发采用内部设计和外部设计相结合的设计方法。在满足系统整体工作状态和性能最好的条件下，确定各零部件的基本要求和相互的协调统一。不应片面地以
11、零部件的特性为重点。市场要求：功能、价格、销量、质量、工期、外观市场约束：资金、材料、技术、信息、使用环境、售后服务、法律和政策等对外部环境的影响：市场供求和竞争对手的影响，对环境、操作人员和周围其他人员的影响。充分了解外部环境对机械的作用和影响，如市场的要求和约束。也不忽视机械对外部环境的影响。2 机械系统设计的任务31二 、 合 理 确 定 系 统 功 能确立市场观念，以社会需求和为用户服务为最基本的出发点。所谓需求，就是对功能的需求。保证基本功能满足使用功能剔除多余功能增添新颖功能恰到好处地利用 外观功能功能满足市场需求的产品属性。2 机械系统设计的任务32功能（按性质区分） 用户直接要
12、求的功能，体现了产品存在的基本价值。为实现基本功能而附加在产品上的功能，是实现基本功能的手段。基本功能辅助功能根据功能的多解性原理，为实现同一基本功能可采用不同的辅助功能，辅助功能不同则技术方案也不同，甚至有根本差别。2 机械系统设计的任务33基本功能 直线移动曲柄滑块机构齿轮齿条机构螺旋机构气、液压缸直线电机辅助功能群包含有大量的辅助功能和次级功能，应该都是必要功能。如设计不周常会含有多余功能，如强度过剩、精度过高、多余约束、寿命过长等。曲柄滑块机构的 辅助功能（次级功能）曲柄转动滑块导向曲柄滑块连接（曲柄回转支承、 回转运动输入）（导向方式、导向 间隙调整）（曲柄连杆滑块的连接、连杆平衡）
13、2 机械系统设计的任务34功能（按需求的类别区分）满足用户直接使用要求的功能，属于必要功能，体现了产品实 际的使用价值。在使用功能的基础上对产品起美化和装饰作用的功能，具有增 加产品竞争力和吸引顾客的作用。使用功能外观功能外观功能应服从使用功能。注意有些产品不要求外观功能。保证基本功能满足使用功能剔除多余功能增添新颖功能恰到好处地利用外观功能2 机械系统设计的任务35提高价值 V 的五种途径：F ， C 不变F 不变，C F ，C F ， C F ， C产 品 的 功 能产品的成本产品的价值产品功能与技术、经济等因素密切相关。机械系统的价值原理2 机械系统设计的任务36三 、 提 高 可 靠
14、性失效 规定功能的丧失故障 可修复的功能失效规定条件考核时的使用条件和环境条件，包括载荷状况、工作制度、应力水平、温度、湿度等。可靠性产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力，是衡量产品质量的一个重 要指标。规定时间考核时间，包括运行时间、应力循环次数、汽车行驶历程等。规定功能考核的目标功能。2 机械系统设计的任务37提高机械系统可靠性的措施实践表明，机械系统的可靠性是 由设计决定的，制造、管理等其他阶 段的工作只是起保证作用。提高系统 可靠性的最有效方法是可靠性设计。可靠性设计条件不具 备时的措施：t失效预测和分析 t零部件可靠性设计 t提高维修性 t简化结构，提高标 准化程度需要作基
15、础性工作，了解 影响可靠性的设计变量（随机 变量）的分布特性和数据，建 立从研究、设计、制造、试验 直至管理、使用、维修、评审的整套可靠性计划。 381.失效预测和分析在研究和设计阶段对可能发生的故障或失效进行预测和分析，掌握其原因，采取相应的预防措施，降低失效率。 对现有产品的失效实例进行广泛的调查研究，分析原因，建立档案，积累经验和资料，用于产品设计。维 修 性失 效分 析零 部 件可 靠 性简 化 结 构标 准 化392.零部件的可靠性设计机械系统的可靠性是由零部件的可靠性保证的，其 中关键零部件的作用尤其重要。对关键零部件采用 可靠性设计。 从整体的、系统的观点出发详细分析其输入 输出
16、，尽量减小不稳定因素干扰。 维 修 性失 效分 析零 部 件可 靠 性简 化 结 构标 准 化措施有些措施将明显增加制造成本和维修费用！减额使用，使工作负荷低于额定值，减少 超负荷作业的可能。采用冗余技术，如用并联系统代替串联系 统， 采用载荷分流和均载措施。 403.提高维修性维 修维修性维 修 性失 效分 析零 部 件可 靠 性简 化 结 构标 准 化任何机械在使用过程中都会因各种原因而发生故障。 故障率随使用时间而变化的曲线形状像浴盆，称为 浴盆曲线。根据故障率的变化规律，通常分为初期故障、偶发故 障和耗损故障。 保持功能或恢复功能的技术措施。在规定条件下和规定时间内按规定的程序和方法进行维修时，保持和恢复系 统功能的能力。是维护系统可靠性的能力 。41故障率曲线 初期故障偶发故障耗损故障维修后零
