第二章机械系统的方案设计与总体设计

《第二章机械系统的方案设计与总体设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章机械系统的方案设计与总体设计（59页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1.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。2.设计任务抽象化抽象化的目的是将所给定的设计任务的核心内容抽出来，构成一种简单的模式，而不涉及具体的解决方案和途径，这样做的目的是使设计人员的视野更为宽广，思维不受某些框框的约束，有利于创造新的方案。“黑箱法”是设计任务抽象化最常用的一种方法。所谓“黑箱法”是只仅知输入量和输出量而不知内部结构的表述设计任务的一种模式，黑箱表示了设计任务的基本功能要求和主要约束条件。3.系统的输入量和输出量一般有物料、能量、信息。4.技术过程所谓技术过程就是按照选定的工艺原理确定作业对象转化所需的流程，流程中规定了每一转化程序的相应功能要求

2、。工艺原理：所谓工艺原理是指各种物理效应（包括物理学、工艺原理：所谓工艺原理是指各种物理效应（包括物理学、化学、生物学等自然科学中的定理、定律、原理及效应）的化学、生物学等自然科学中的定理、定律、原理及效应）的具体应用。具体应用。5.引进技术系统并确定系统边界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，良好的技术系统应是合理的机械系统与人的完美结合。系统边界是指技术系统功能范围的界限。即内部系统和外部系统的分界。确定系统边界时要考虑人参与技术系统、的程度及系统外部环境条件的影响，其中人参与的程度涉及操纵系统和控制系统的功能要求。人、机的不同分工体现

3、了系统机械化和自动化的程度的不同，机械系统的复杂程度也不同。比如：数控系统的应用，使人参与技术系统转化的程度大为减少，系统的机械化、自动化程度大大提高，对于简化系统结构、提高系统性能、保证系统运行的质量和可靠性、提高生产率、降低运行成本等都有显著效果。6.基本结构布局基本结构布局进行结构布局设计时要充分考虑工作人员的安全性进行结构布局设计时要充分考虑工作人员的安全性与舒适性。与舒适性。7.方案评价方案评价的目的是通过对可行的候选方案进行技术、经济、外部环境等方面的评定，提出方案的评价意见，为决策者最后确定设计方案提供信息和依据。技术评价技术评价是对所设计的方案能否实现系统预定的功是对所设计的方

4、案能否实现系统预定的功能要求，以及实现预定功能的优劣程度进行的评价。能要求，以及实现预定功能的优劣程度进行的评价。经济评价经济评价是对所设计的方案进行经济性评价。是对所设计的方案进行经济性评价。外部环境评价外部环境评价是对所设计的方案可能产生的社会效是对所设计的方案可能产生的社会效益和环境影响进行评价。益和环境影响进行评价。 任何一种产品的开发，都面临着市场竞争的考任何一种产品的开发，都面临着市场竞争的考验，要提高产品的竞争力，必须在产品的以下几方验，要提高产品的竞争力，必须在产品的以下几方面下功夫：面下功夫： 1 1）设计）设计 2 2）制造）制造 3 3）销售）销售 4 4）售后服务）售后

5、服务 5 5）改进设计）改进设计 其中其中设计设计是一个最基本的环节，产品的质量、是一个最基本的环节，产品的质量、性能、成本等主要是在性能、成本等主要是在设计阶段设计阶段决定的。决定的。7详细讲解详细讲解产产品品产产生生过过程程8机械系统总体设计的重要性：机械系统总体设计的重要性： 机械系统总体设计是产品设计的关键，它对产品的机械系统总体设计是产品设计的关键，它对产品的技术性技术性能能、经济指标经济指标和和外观造型外观造型均具有决定性意义。均具有决定性意义。 机械系统总体设计的结果机械系统总体设计的结果：形成技术设计阶段的：形成技术设计阶段的指导性文件指导性文件。 主要指原理图和装配图。主要指

6、原理图和装配图。 9从以上产品的制造过程可以看出机械系统总体设计的主要工作为：什么是功能原理设计？什么是功能原理设计？ 功能原理设计功能原理设计机械系统设计的最初环节机械系统设计的最初环节针对该产品的主要功能提出一些原理性的构思针对该产品的主要功能提出一些原理性的构思10评价功能原理设计好坏的标准评价功能原理设计好坏的标准构思的构思的创新性创新性市场的竞争潜力市场的竞争潜力对于设计者而言，要想具有创造力离不开以下几点：对于设计者而言，要想具有创造力离不开以下几点： 知识、经验、才能、心理素质、机遇知识、经验、才能、心理素质、机遇 知识和实践经验的积累是一个重要因素，设计者要进行创知识和实践经验

7、的积累是一个重要因素，设计者要进行创新构思，就要具有很广的知识面和坚实的知识基础。新构思，就要具有很广的知识面和坚实的知识基础。2.1 机械系统的功能原理设计机械系统的功能原理设计2.1.1 功能的定义及其分类功能的定义及其分类 功能功能 是系统必须实现的任务，或者说是系统具有转化能是系统必须实现的任务，或者说是系统具有转化能量、运动或其他物理量的特性。量、运动或其他物理量的特性。 “功能功能”是产品的核心和本是产品的核心和本质质“顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能”。11顾客对功能的需求是有条件的，顾客对功能的需求是有条件的，设计者也必须

8、考虑如下问题：设计者也必须考虑如下问题： 1 1）功能使用的地点及环境条件；）功能使用的地点及环境条件； 2 2）功能的定性与定量参数；）功能的定性与定量参数； 3 3）功能实现的具体结构与手段；）功能实现的具体结构与手段； 4 4）功能使用的经济性）功能使用的经济性12功能的分类功能的分类 在设计中对系统各种功能的对待与处理方法：在设计中对系统各种功能的对待与处理方法： 2 2）附加功能附加功能 可随技术条件或结构方式的改变而取舍或改变；可随技术条件或结构方式的改变而取舍或改变； 3 3）非必要功能非必要功能 可能是设计者主观加上去的，因此可有可无。可能是设计者主观加上去的，因此可有可无。

9、4 4）由于系统的功能总是以成本作为代价的，所以，设计时应由于系统的功能总是以成本作为代价的，所以，设计时应对一个系统需具有哪些必要功能，去掉哪些非必要功能做出对一个系统需具有哪些必要功能，去掉哪些非必要功能做出明确的决定。明确的决定。1 1）基本功能基本功能 必须保证，且在设计中不能改变；必须保证，且在设计中不能改变；132.1.2 功能原理设计及其特点功能原理设计及其特点 【例例2.12.1】设计行走机器人设计行走机器人 “功能原理设计功能原理设计”就是针对所设计产品的主要功能提出一些就是针对所设计产品的主要功能提出一些原理性的构思，亦即针对产品的主要功能进行原理性设计。原理性的构思，亦即

10、针对产品的主要功能进行原理性设计。基本功能基本功能行走行走注意：注意： 不要先入为主，抓住一种方案不放手！这样很有可能使你不要先入为主，抓住一种方案不放手！这样很有可能使你丧失以最佳方式实现产品功能的机会！丧失以最佳方式实现产品功能的机会！14轮式轮式足式（双足、四足、六足、八足）足式（双足、四足、六足、八足）履带式履带式蠕动式蠕动式混合式（轮混合式（轮- -足）足）方式方式15如何从众多可实现方案中选择满足特定要求的原理方案？如何从众多可实现方案中选择满足特定要求的原理方案？ 分析各种行走原理的特点（优点和缺点），并与具体的要分析各种行走原理的特点（优点和缺点），并与具体的要求作比较，从中选

11、出最佳原理方案。求作比较，从中选出最佳原理方案。与具体要求比较与具体要求比较还要考虑还要考虑创新性创新性和和市场潜力市场潜力16【例例2.22.2】设计草地剪草机设计草地剪草机 对杂草进行剪修通常的办法有：对杂草进行剪修通常的办法有：拉断拉断可以拉断草，但无法控制被拉断草的高度，即无法使可以拉断草，但无法控制被拉断草的高度，即无法使草地整齐。草地整齐。割断割断像农夫割麦一样，需要握住草的上部才能割断。像农夫割麦一样，需要握住草的上部才能割断。剪断剪断利用剪刀刃的合拢可以剪断草。利用剪刀刃的合拢可以剪断草。 （剪断是较合理的方案，目前很多剪草机都采用这种方式）（剪断是较合理的方案，目前很多剪草机

12、都采用这种方式） 17功能原理设计的任务功能原理设计的任务 针对某一确定的针对某一确定的功能要求功能要求，去寻求一些物理效应并借助某，去寻求一些物理效应并借助某些作用原理来些作用原理来求得一些实现该功能目标的解法原理求得一些实现该功能目标的解法原理。 功能原理设计的主要工作内容是：功能原理设计的主要工作内容是： 构思能实现功能目标的新的解法原理。构思能实现功能目标的新的解法原理。182.1.2 功能原理设计及其特点功能原理设计及其特点 功能原理设计思维的特点：功能原理设计思维的特点：发散性和收敛性发散性和收敛性 收敛性：收敛性：不管所做的功能原理方案有多少种、采用何种不管所做的功能原理方案有多

13、少种、采用何种方法，评价功能原理方案是否优秀、合理的条件是方法，评价功能原理方案是否优秀、合理的条件是技术经济技术经济指标指标。也就是说，最终所选择的功能原理方案收敛于技术经。也就是说，最终所选择的功能原理方案收敛于技术经济指标。济指标。（技术上可行、经济上效益高）（技术上可行、经济上效益高） 发散性：功能原理设计发散性：功能原理设计工作的重点应放在尽可能多地提出工作的重点应放在尽可能多地提出创新构思上，从而使思维尽量创新构思上，从而使思维尽量“发散发散”，以力求提出较多的解，以力求提出较多的解法供比较和优选。此时，对构件的具体结构、材料和制造工艺法供比较和优选。此时，对构件的具体结构、材料和

14、制造工艺等则不一定要有成熟的考虑，故只需用简图或示意图的形式来等则不一定要有成熟的考虑，故只需用简图或示意图的形式来表达所构思的内容。表达所构思的内容。19功能原理设计的特点：功能原理设计的特点： 功能原理设计中往往要引入某种新技术、新材料、新工功能原理设计中往往要引入某种新技术、新材料、新工艺艺，但，但首先要求设计人员有一种新想法、新构思首先要求设计人员有一种新想法、新构思。 功能原理设计使所设计的功能原理设计使所设计的系统发生质的变化系统发生质的变化。 所以，功能原理设计的好与坏将对产品的成败起决定性作所以，功能原理设计的好与坏将对产品的成败起决定性作用，设计人员必须给予高度重视。用，设计

15、人员必须给予高度重视。 功能原理设计是用一种新的物理效应来代替旧的物理效功能原理设计是用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，应，使所设计系统的工作原理发生根本变化使所设计系统的工作原理发生根本变化。20功能原理设计的要求功能原理设计的要求(3(3项项) )： 2 2）按照机械系统设计的按照机械系统设计的基本原则基本原则、设计要求设计要求以及以及系统功能系统功能进行进行 比较，以便从中选出一个较理想的。比较，以便从中选出一个较理想的。基本原则基本原则：1)1)需求原则需求原则; 2; 2）信息原则；）信息原则； 3)3)系统原则；系统原则； 4)4)优化、效益原则优化、效益原则；设计要求设计要求

16、: : 1) 1)功能要求；功能要求；2)2)适应性要求；适应性要求；3)3)可靠性要求；可靠性要求；4)4)生产能力要求；生产能力要求； 5)5)使用经济性要求；使用经济性要求；6)6)成本要求成本要求等等 3 3）一个好的功能原理设计应既有一个好的功能原理设计应既有创新构思创新构思，又能，又能满足用户的满足用户的需求，需求，同时同时兼顾经济效益兼顾经济效益。1 1）应设计出几种不同的功能原理方案；应设计出几种不同的功能原理方案；21功能原理设计的步骤功能原理设计的步骤22 一般设计过程：一般设计过程： 一般设计过程的缺点：一般设计过程的缺点： 1 1）带有很大的盲目性）带有很大的盲目性 2

17、 2）设计人员知识和经验的局限性，妨碍了思维，束缚了创造力）设计人员知识和经验的局限性，妨碍了思维，束缚了创造力 232.1.3 2.1.3 功能原理设计的设计方法功能原理设计的设计方法黑箱法黑箱法 “黑箱法黑箱法” 设计特点：设计特点： 1 1）暂时摒弃暂时摒弃那些那些附加功能和非必要功能附加功能和非必要功能，突出必要功能和基突出必要功能和基本功能本功能 2 2）将必要功能和基本功能用较为抽象的形式）将必要功能和基本功能用较为抽象的形式( (如输入量和输如输入量和输出量出量) )加以表达。加以表达。 3 3）通过抽象化可清晰地掌握所设计系统）通过抽象化可清晰地掌握所设计系统( (产品产品)

18、)的基本功能和的基本功能和主要约束条件，从而突出设计中的主要矛盾，抓住问题的本质。主要约束条件，从而突出设计中的主要矛盾，抓住问题的本质。 从满足系统功能的角度看黑箱法从满足系统功能的角度看黑箱法24称为黑箱法的原因称为黑箱法的原因 对于待设计的系统对于待设计的系统( (产品产品) )来说，在求解之前，犹如一个看来说，在求解之前，犹如一个看不见其内部结构的不见其内部结构的“黑箱黑箱”。这种。这种“黑箱黑箱”只是用来描述系统只是用来描述系统的的“功能目标功能目标”，至于，至于“黑箱黑箱”的内部结构却是未知的，是需的内部结构却是未知的，是需要设计人员去进一步构思和设计的要设计人员去进一步构思和设计

19、的 252.1.3 功能原理设计的设计方法功能原理设计的设计方法黑箱法黑箱法黑箱法的特点黑箱法的特点: : 2 2）摆脱了具体设计对象，而按系统）摆脱了具体设计对象，而按系统( (产品产品) )的功能进行定性的功能进行定性描述来进行思考，使问题简化，以利于启发设计人员构思出更描述来进行思考，使问题简化，以利于启发设计人员构思出更新、更好的功能原理方案来。新、更好的功能原理方案来。 3 3）通过）通过“黑箱黑箱”与输入、输出量及周围环境的信息联系，与输入、输出量及周围环境的信息联系，了解系统了解系统( (产品产品) )的功能、特性，进一步探索出系统的机理和结的功能、特性，进一步探索出系统的机理和

20、结构，逐步使构，逐步使“黑箱黑箱”“灰箱灰箱”“白箱白箱”，直至方案拟，直至方案拟定。定。 1 1） “黑箱法黑箱法”是根据系统的输入、输出关系来是根据系统的输入、输出关系来研究实研究实现系统功能目标的一种方法现系统功能目标的一种方法；262.1.4 系统（产品）原理方案的综合举例系统（产品）原理方案的综合举例第一步：第一步：用黑箱法寻找总功能的转换关系用黑箱法寻找总功能的转换关系 27第二步：第二步：总功能分解总功能分解 28第三步：第三步：建立功能结构图建立功能结构图29第四步：第四步：寻找原理解法和原理解组合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

21、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组合方案数= =3 33 32 23 31 14 44 43 34=4=10 36810 368方案方案1 1为履带式正铲机械挖掘机为履带式正铲机械挖掘机(A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1)(A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1)方案方案2 2为轮胎式正铲液压挖掘机为轮胎式正铲液压挖掘机(A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+

22、I2)(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。传动是不相容的，应去掉。 故组合方案数故组合方案数=3=33 32 23 31 12 24 43 34=51844=5184。30利用相容性矩阵对原理对各个方案进行筛选利用相容性矩阵对原理对各个方案进行筛选 为了便于检验和了解为了便于检验和了解有联系的分功能有联系的分功能( (功能元功能元) )之间的相容性之间的相容性，可以列出相容性矩阵。检验相邻功能元所对应的技术、物理效可以

23、列出相容性矩阵。检验相邻功能元所对应的技术、物理效应之间的相容性。应之间的相容性。 311.总体设计的内容总体设计是机械系统内部设计的主要内容之一，也是进行系统技术设计的依据。总体设计对机械系统的性能、尺寸、外形、质量及生产成本具有重大影响。因此，总体设计时必须在保证实现已定方案的基础上，尽可能充分考虑与人机环境、加工装配、运行管理等外部系统的联系，使机械系统与外部系统相协调和适应，以求设计更加完美。总体设计的主要内容：总体设计的主要内容：1）、总体布置设计）、总体布置设计2）、确定总体主要参数）、确定总体主要参数3）、绘制总体设计图样）、绘制总体设计图样4）、编写总体设计报告书及技术说明书等

24、）、编写总体设计报告书及技术说明书等2.总体布置设计（1）.总体布置设计的基本要求总体布置设计是结构布局的细化，需具体确定各零部件之间的相对位置关系及联系尺寸、运动和动力的传递方式及主要技术参数，并绘制总体布置图。总体布置设计的基本要求如下：1）.保证工艺过程的连续和流畅2）.降低质心高度、减小偏置3）.保证精度、刚体，提高抗震性及热稳定性4）.充分考虑产品系列化和发展5）.结构紧凑，层次分明6）.操作、维修、调整方便7）.外形美观对方案设计阶段确定的各可行方案都应绘制对方案设计阶段确定的各可行方案都应绘制其总体布置图。其总体布置图。3.总体主要参数的确定总体主要参数包括尺寸参数、运动参数和动

25、力参数。1）.尺寸参数总体设计的尺寸参数主要是指影响机械性能的一些重要尺寸，如总体轮廓尺寸、特性尺寸、主要运动零部件的工作行程，以及表示注意好零部件之间位置关系的安装连续尺寸等。尺寸参数常用联系尺寸图示出。2).运动参数机械的运动参数一般是指机械执行机构的转速（或移动参数）及调速范围等。3）.动力参数动力参数一般是指机械系统的动力参数，如电动机，液压马达，内燃机的功率及其机械特性。动力参数是机械中各零部件进行承载能力计算以确定其尺寸参数的依据。动力参数确定恰当与否，既影响机械系统工作性能，也影响其经济型。4.4.绘制总体设计图及编写设计文件绘制总体设计图及编写设计文件总体设计图一般是指单个产品

26、的总装配图或成套设备的总体总体设计图一般是指单个产品的总装配图或成套设备的总体布置详图。总体设计图应对所设计机械系统的总体布置和结布置详图。总体设计图应对所设计机械系统的总体布置和结构做完整的描述。构做完整的描述。总体设计的设计文件通常包括技术任务书或技术建议、产总体设计的设计文件通常包括技术任务书或技术建议、产品设计评审报告等，必要时应提交研究实验大纲及研究实验报告。品设计评审报告等，必要时应提交研究实验大纲及研究实验报告。2.2.1 2.2.1 结构总体设计的任务、原则结构总体设计的任务、原则 任务：任务：将原理方案设计结构化。（输出是装配图）。将原理方案设计结构化。（输出是装配图）。 重

27、要性：重要性：它的工作质量对满足功能要求、保证产品质量和它的工作质量对满足功能要求、保证产品质量和可靠性、降低产品的成本等都起着十分重要的作用。可靠性、降低产品的成本等都起着十分重要的作用。 37详细展开结构总体设计原则（三项基本原则）：结构总体设计原则（三项基本原则）：明确明确、简单简单、安全可靠安全可靠 (1)(1)明确原则明确原则 功能明确；（不疏漏、不冗余）功能明确；（不疏漏、不冗余） 工作情况明确；工作情况明确； 结构的工作原理明确。结构的工作原理明确。 (2)(2)简单原则简单原则 结构简单；结构简单； 操作与监控简便操作与监控简便 制造与测量简单；制造与测量简单； 安装与调试简单

28、。安装与调试简单。 (3)(3)安全可靠原则安全可靠原则 构件的可靠性；（结构件的构件的可靠性；（结构件的强度强度与与刚度刚度问题）问题） 功能的可靠性；（系统总功能的可靠性）功能的可靠性；（系统总功能的可靠性） 工作安全性；工作安全性； （对操作者的防护）（对操作者的防护） 环境安全性。环境安全性。 （环保性与环境适应性）（环保性与环境适应性）382.2.2 2.2.2 结构总体设计的步骤结构总体设计的步骤总体设计步骤一般分为总体设计步骤一般分为三个阶段：三个阶段： 1 1）初步设计初步设计 2 2）详细设计）详细设计 3 3）完善和审核阶段。）完善和审核阶段。 391.1.初步设计初步设计

29、 1)1)明确设计要求（明确设计要求（4 4项）项）与与确定配置有关确定配置有关的要求的要求( (物料流动方物料流动方向、运动方向、位置关系等向、运动方向、位置关系等) )；与与确定尺寸有关确定尺寸有关的要求的要求( (功率、转矩、功率、转矩、生产能力、空间限制等生产能力、空间限制等) )；与与确定材料有关确定材料有关的要求的要求( (使用寿命、使用寿命、工作环境、零部件材料等工作环境、零部件材料等) )；制造、安装、运输、经济性等方面制造、安装、运输、经济性等方面的要求。的要求。402.2.3 2.2.3 总体布置设计总体布置设计 总体布置设计总体布置设计就是就是确定确定机械系统中机械系统中

30、各子系统之间各子系统之间的的相对相对位置位置关系关系及及相对相对运动关系运动关系，并使总系统具有一个协调完善的，并使总系统具有一个协调完善的造型造型。 1 1）机械系统功能原理方案的多样性，决定了总体布置设计方）机械系统功能原理方案的多样性，决定了总体布置设计方案的多样性；案的多样性； 2 2）不同的总体布置形式对系统本身的功能有很大影响）不同的总体布置形式对系统本身的功能有很大影响 总体布置设计的重要性：总体布置设计的重要性：41 前置前驱优势在与动力系统结构紧凑，驱动轴短，动力输出损耗低。在操控方面，前驱车天生具有转向不足特性，。在布局方面，没有传动轴经过车厢，可以降低车身中间的隆起，增大

31、车厢可用空间。其缺点是起步时，前轴荷会减少，导致轮胎附着力降低，影响动力输出。另外，前轮要负责驱动、转向和大部分的制动力，所以磨损严重。 后驱车正好相反，起步加速能力强，四轮负荷平均，但是在转向时时容易出现转向过度，需要很好的技术或先进的电子设备辅助。所以大多数的赛车还是使用后轮驱动。按照操控性能来讲，最理想的布置方式是中置发动机后轮或四轮驱动。 汽车发动机的前置与后置问题汽车发动机的前置与后置问题总体布置设计的设计过程：总体布置设计的设计过程： 总体布置设计应该考虑的问题总体布置设计应该考虑的问题 1 1）系统本身的设计内容；）系统本身的设计内容； 2 2）系统与外部各因素之间的关系，即人机

32、关系、系统对环）系统与外部各因素之间的关系，即人机关系、系统对环境的适应性、系统对外界环境的影响境的适应性、系统对外界环境的影响 3 3）系统的性能、操作、观察、调整、控制、防护等都对总）系统的性能、操作、观察、调整、控制、防护等都对总体布置产生的影响。体布置产生的影响。 总体布置设计一般是总体布置设计一般是先布置执行系统先布置执行系统，即总系统的主功能载，即总系统的主功能载体系统，体系统，再布置传动系统再布置传动系统、动力系统动力系统、操纵系统操纵系统及及支承形式支承形式等，等，从粗到细，从简到繁，反复多次，最终确定出较理想的方案。从粗到细，从简到繁，反复多次，最终确定出较理想的方案。431

33、.1.总体布置设计的基本要求总体布置设计的基本要求(3(3项项) ) 对对系列设计系列设计、变型设计变型设计给予考虑给予考虑 (1)(1)功能合理功能合理 (2)(2)结构紧凑、层次清晰、比例协调结构紧凑、层次清晰、比例协调(3)(3)充分考虑产品的系列化及发展充分考虑产品的系列化及发展总布置设计总布置设计应适于功能表达应适于功能表达，不论在整体上或局部上都，不论在整体上或局部上都不应采用不利于功能目标的布局方案；不应采用不利于功能目标的布局方案；应尽可能应尽可能使总系统简单使总系统简单并并充分利用机械系统的内部空间充分利用机械系统的内部空间；442.2.机械系统总体布置的基本类型机械系统总体

34、布置的基本类型 1)1)按主要工作机构的空间几何位置可分为按主要工作机构的空间几何位置可分为: : 平面式、空间式平面式、空间式等；等； 2)2)按主要工作机构的布置方向可分为按主要工作机构的布置方向可分为: : 水平式水平式( (卧式卧式) )、倾斜式、直立式和圆弧式、倾斜式、直立式和圆弧式等；等； 3)3)按原动机与机架相对位置可分为按原动机与机架相对位置可分为: : 前置式、中置式、后置式前置式、中置式、后置式等；等； 4)4)按工件或机械内部工作机构的运动方式可分为按工件或机械内部工作机构的运动方式可分为: : 回转式、直线式、振动式回转式、直线式、振动式等；等； 5)5)按机架或机壳

35、的形式可分为按机架或机壳的形式可分为: : 整体式、剖分式、组合式，龙门式和悬臂式整体式、剖分式、组合式，龙门式和悬臂式等；等； 6)6)按工件运动回路或机械系统功率传递路线的特点可为分按工件运动回路或机械系统功率传递路线的特点可为分: : 开式、闭式开式、闭式等。等。45卧式布置卧式布置龙门式布置龙门式布置立式布置立式布置悬臂式布置悬臂式布置典型布置形式典型布置形式462.2.4 2.2.4 总体参数的确定总体参数的确定总体参数包含的内容总体参数包含的内容 总体参数总体参数是机械系统总体设计和零部件设计的依据是机械系统总体设计和零部件设计的依据总体参数一般包括：总体参数一般包括： 1 1）性

36、能参数）性能参数( (生产能力等生产能力等) )； 2 2）结构尺寸参数；）结构尺寸参数； 3 3）运动参数；）运动参数； 4 4）动力参数）动力参数47 1 1）性能参数）性能参数( (生产能力生产能力) ) 机械系统的机械系统的理论生产能力理论生产能力: :是指设计生产能力是指设计生产能力在单位时在单位时 间内完成的产品数量，亦可以称间内完成的产品数量，亦可以称 为机械系统的为机械系统的生产率生产率。总体参数的含义总体参数的含义48 2 2）尺寸参数）尺寸参数 尺尺寸寸参参数数主主要要是是指指影影响响机机械械性性能能和和工工作作范范围围的的主主要要结结构构尺尺寸寸和和作业位置尺寸作业位置尺

37、寸。 主要结构尺寸主要结构尺寸是由是由整机外形尺寸整机外形尺寸和和主要组成部分的外形尺寸主要组成部分的外形尺寸综合而成。综合而成。 确定主要结构尺寸时应该考虑的问题：确定主要结构尺寸时应该考虑的问题： 安装、使用空间、包装、运输等要求的限制。安装、使用空间、包装、运输等要求的限制。 作业位置尺寸作业位置尺寸是机械系统在作业过程中为了适应工作条件是机械系统在作业过程中为了适应工作条件要求所需的尺寸，如机床的加工范围、中心高度、主要运动零要求所需的尺寸，如机床的加工范围、中心高度、主要运动零部件的工作行程及主要零部件之间位置关系尺寸等。部件的工作行程及主要零部件之间位置关系尺寸等。 尺寸参数的确定

38、方法尺寸参数的确定方法 尺寸参数一般依据设计任务书中的原始参数、方案设计时尺寸参数一般依据设计任务书中的原始参数、方案设计时的总体布置草图和的总体布置草图和与同类机械的类比与同类机械的类比或通过分析计算确定。或通过分析计算确定。 49 3 3）运动参数）运动参数 机械系统的运动参数一般是指机械执行件的运动速度等。机械系统的运动参数一般是指机械执行件的运动速度等。 4）动力参数）动力参数 动力参数是指电动机的动力参数是指电动机的额定功率额定功率、液压缸的、液压缸的牵引力牵引力、液压、液压马达、气动马达、伺服电动机或步进电动机的马达、气动马达、伺服电动机或步进电动机的额定转矩额定转矩等。等。 机械

39、系统中执行件的速度一般是根据机械系统中执行件的速度一般是根据工作对象的工艺过程要工作对象的工艺过程要求和生产率等因素求和生产率等因素确定。确定。 502.2.5 结构总体设计的基本原理结构总体设计的基本原理1)1)任务分配原理；任务分配原理；2)2)稳定性原理；稳定性原理； 3)3)合理力流原理；合理力流原理； 4)4)自补偿原理；自补偿原理； 5)5)变形协调原理；变形协调原理；6)6)力平衡原理；力平衡原理； 7)7)等强度原理等强度原理 功能原理设计功能原理设计是为机械系统的功能、分功能寻找理想的技是为机械系统的功能、分功能寻找理想的技术物理效应，而术物理效应，而结构设计结构设计是为实现

40、这些功能、分功能选择具体是为实现这些功能、分功能选择具体的零部件。的零部件。 结构总体设计的基本原理（七大原理）结构总体设计的基本原理（七大原理）511 1 任务分配原理任务分配原理 一个功能是由几个零部件一个功能是由几个零部件( (载体载体) )共同承担还是由一个载体单共同承担还是由一个载体单独完成，将这种确定功能与载体之间的关系称之为独完成，将这种确定功能与载体之间的关系称之为任务分配任务分配。 任务分配的三种情况：任务分配的三种情况： 2 2）一个载体承担多个功能）一个载体承担多个功能 3 3）多个载体共同承担一个功能）多个载体共同承担一个功能 （特点：特点：在设计时便于做到在设计时便于

41、做到“明确明确”、“可靠可靠”，且易，且易实现结构优化和准确计算）实现结构优化和准确计算） （特点：特点：使这一载体的结构过于复杂，难于加工、装配，且易使这一载体的结构过于复杂，难于加工、装配，且易产生过载损伤，在优化设计时会受到某个重要边界条件的约束）产生过载损伤，在优化设计时会受到某个重要边界条件的约束）1 1）一个载体完成一个功能）一个载体完成一个功能 （特点：特点：降低了每个载体负载，但要特别注意每个零件降低了每个载体负载，但要特别注意每个零件( (载载体体) )分担任务的均匀性，否则会起不到降低载荷的作用，甚至某分担任务的均匀性，否则会起不到降低载荷的作用，甚至某个载体会过载。）个载

42、体会过载。） 522 2 稳定性原理稳定性原理 系统结构的稳定性系统结构的稳定性是指当出是指当出现干扰使系统状态发生改变的同现干扰使系统状态发生改变的同时，会产生一种与干扰作用相反，时，会产生一种与干扰作用相反，并使系统恢复稳定的效应。并使系统恢复稳定的效应。 533 3 合理力流原理合理力流原理力流封闭轨迹示意图力流封闭轨迹示意图 力力是是能能量量流流的的基基本本形形式式之之一一。力力在在结结构构中中传传递递时时形形成成所所谓谓的的力力线线，这这些些力力线线汇汇成成力力流流。力力流流在在零零部部件件中中不不会会中中断断，任任一一条条力力线线都都不不会会消消失失，必必然然是是从从一一处处传传入

43、入，从从另另一一处处传传出出。在在一一个个由由若若干干个个零零部部件件组组成成的的系系统统中中，力力流流可可以以穿行，也可以形成封闭状态穿行，也可以形成封闭状态 543 3 合理力流原理合理力流原理 1 1）在设计零件的结构形状时，应尽量遵守力流直接、最短）在设计零件的结构形状时，应尽量遵守力流直接、最短原理，原理，使材料得到最有效的利用使材料得到最有效的利用。 在力流最短路线相近且承受载荷相同时，在力流最短路线相近且承受载荷相同时，对称结构对称结构要比要比非非对称结构对称结构好；好； 554 4 自补偿原理自补偿原理 通过选择系统零部件及其在系统中的配置来自行实现加强功通过选择系统零部件及其

44、在系统中的配置来自行实现加强功能的相互支承作用，称为自补偿。在额定载荷时，自补偿有能的相互支承作用，称为自补偿。在额定载荷时，自补偿有加强加强功能、减载和平衡功能、减载和平衡的含义；在超载或其他紧急状态下，则有的含义；在超载或其他紧急状态下，则有保护保护和救援和救援的含义。的含义。 常见的自补偿形式有：常见的自补偿形式有：1 1）自增强；）自增强；2 2）自平衡；）自平衡；3 3）自保护）自保护自增强的密封装置自增强的密封装置565 5 变形协调原理变形协调原理 变形协调原理是使两零件的连接处在外载荷作用下所产生的变形协调原理是使两零件的连接处在外载荷作用下所产生的变形方向变形方向( (从应力

45、分布图来看从应力分布图来看) )相同，且使其相对变形量尽可能小。相同，且使其相对变形量尽可能小。 不同搭接形式的受力情况不同搭接形式的受力情况576 6 力平衡原理力平衡原理 在在机机械械系系统统工工作作时时，常常产产生生一一些些无无用用的的力力，如如离离心心力力、变变速速惯惯性性力力等等。这这些些力力不不但但增增加加了了轴轴、轴轴承承等等零零件件的的负负载载，降降低低它它们们的精度和寿命，同时也降低了系统的传动效率。的精度和寿命，同时也降低了系统的传动效率。 力平衡的目的力平衡的目的就是通过相应的结构措施，使这些无用的力在就是通过相应的结构措施，使这些无用的力在其产生处立即被部分或全部平衡掉，以减轻或消除不良的影响。其产生处立即被部分或全部平衡掉，以减轻或消除不良的影响。这些结构措施主要采用这些结构措施主要采用平衡元件平衡元件或或质量对称分布质量对称分布等方法。等方法。 587 7 等强度原理等强度原理 对对于于同同一一个个零零件件来来说说，各各处处应应力力相相等等，各各处处寿寿命命相相同同，称称为为等等强强度度原原理理。按按等等强强度度原原理理设设计计的的结结构构，材材料料可可以以得得到到充充分分利利用用，从而减轻了重量，降低了成本。从而减轻了重量，降低了成本。 不等强度不等强度 (c) (c) 铸铁铸铁 (d) (d) 钢钢 等强度结构等强度结构59