02第二章机械系统的总体设计

本章内容：1.机械系统总体设计的基本步骤和形成的技术文件；2.设计任务的形成与确定；3.机械系统的功能描述、功能分解与求解；4.机械系统总体方案设计和求解；5.机械系统方案的评价原则和方法；6.机械系统的结构方案和总体布局设计；7.机械系统的主要技术参数、技术指标和总体设计图要求。本章重点：1.机械系统总体设计的技术文件；2.机械系统的功能分解与求解；3.机械系统总体方案设计和求解；本章难点：1.机械系统的功能分解与求解；2.机械系统的方案求解（形态学矩阵）；3.机械系统方案的评价方法（模糊评价法）。机械系统设计的第一个环节是总体设计，它是产品设计的关键，对产品的技术性能，经济指标，外观造型等具有决定性意义。在总体设计过程中，应逐步形成下列技术文件：系统工作原理简图；主要部件的工作原理图；方案评价报告；总体设计报告；系统总体布置图。1.系统的原理方案的构思2.结构方案设计3.总体布局与环境设计4.主要参数及技术指标的确定5.总体方案的评价与决策机械系统总体设计的主要内容包括：一、设计任务的形成与确定1.设计任务的类型（1）开发性设计“零”“原型”的创新开发（2）适应性设计在原理方案基本保持不变的前提下，对产品作局部的变更或设计一个新部件，使产品在质和量方面更能满足使用要求。（3）变型设计在工作原理和功能结构都不变的情况下，变更现有产品的结构配置和尺寸，使之适应于更多的量的要求。创新课堂作业：对于三种设计任务的类型举例说明。在所有的机械设计中75％的机械是已经设计过的，有样机可供参考，有25％的机械是未曾设计过的，无样机参考。从有无样机可供参考的角度，机械设计可分为三类：开发性设计、变型设计和仿型设计。1.开发性设计（NewProductDesign）在工作原理、结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术或经过试验证明是可行的新技术，设计过去没有过的新型机械。这是一种完全创新的设计。世界上第一台电话的设计就属于完全创新设计。2.变型设计（ImprovingDesign）有同类产品可供参考，原理和结构完全已知。原理不变，为适应用户某些新的要求，或克服产品市场调查所反映的缺点，所进行的发展性设计。在结构设计或造型设计方面有创新，可获得实用新型专利或外观设计专利。例2-1更换普通自行车的传动系统，并改变部分结构后开发的变速赛车；发动机作四缸、六缸、直列、V形等改型设计。多数产品属于变型设计。随着技术水平的提高和市场需求的变化，应掌握产品生命周期的特征，适时地对老产品进行改进。3.仿型设计（SelectingDesign）它是指有同类产品可供参考，原理和结构完全或部分已知。原理、结构和性能一般不变，只作工艺性变化，以适应本企业的生产特点和技术装备要求。通常采用反求设计（ReverseDesign）方法。2.设计任务的来源（1）指令性设计任务（政府和军队等部门下达的）（2）来自市场的设计任务（用户根据自己的需要提出的）（3）考虑前瞻的预研设计任务（根据市场的发展动向）3.拟定设计任务书（1）拟定设计任务书的一般原则“详细而明确，合理而先进”详细：针对具体设计项目尽可能列出全部设计要求，特别是不要遗漏重要的设计要求。明确：对设计要求尽可能定量化。合理：对设计要求提得适度，实事求是。先进：与国内外同类产品相比，在产品功能、技术性能、经济指标方面都有先进性。（3）设计任务书的格式“明细表或合同书”等方式表达（2）产品设计要求对整机而言，通用的主要要求如下：产品功能要求；（V=F/C）适应性要求；（产品的适应范围）性能要求；（产品的技术特征）生产能力要求；（产品的重要技术指标）制造工艺要求；可靠性要求；使用寿命要求；人机工程要求；安全性要求编号名称微电脑全自动洗衣机设计单位起止时间主要设计人员设计费用设计要求1功能主要功能:洗涤脏衣服;辅助功能:毛衣物上的毛绒过滤等。2适应性洗涤对象:普通衣物;毛毯、牛仔服；羊毛、丝绸等。入口水压：0.1~0.6MPa环境：远离热源、振动等，要有水源、电源3性能动力：额定输入功率400W左右。外形尺寸：小于550mmX550mmX900mm整机质量：小于30kg4洗涤能力额定洗涤、脱水容量：3.8kg（干衣）5可靠度整机可靠度要求达到99.9%以上。6使用寿命一次性使用寿命5年，多次性维修使用寿命10年7经济成本700元左右（含材料、设计、制作加工、管理费用）8人机工程操作方便（面板式操作，全自动控制洗涤过程，可简单编程）；显示清晰；造型美观9安全性保证人身、设备安全（漏电保护功能、洗涤过程异常时的自动报警功能等）查阅有关书籍或利用网上资源，自己交上一份有关某机械产品的设计任务书，手写或打印都可以！不允许有重复！下周二（9月7日）上课前交上来！任务功能综合原理综合构型综合确定方案功能分析功能分解功能分类创新技法形态矩阵冲突矩阵解法目录资源利用机构构型结构构型方案评价技术冲突解决原理（TRIZ理论）二、机械系统的功能及指标分解系统的总功能主功能－物料的输入、转换与输出功能（物料流）动力功能－能量传递与变换功能（能量流）控制功能－信息传递与控制功能（信息流）结构功能主功能－直接实现系统目的，表明了系统的主要特征和功能；动力功能－为系统提供必要的能量；控制功能－包括信息检测、处理和控制，是使系统正常运行，达到精确、可靠、节能、协调所必需的；结构功能－系统各要素组合起来，进行空间配置、形成一个统一的整体，并保证系统工作中的强度和刚度。1.系统功能的描述动力功能主功能(洗涤衣物)(污)衣物净水洗涤剂(净)衣物脏水动力功能控制功能驱动能损耗能洗涤方式输入洗涤过程显示结构2.系统的原理方案总体分析例1：制造一个零件采用切削加工；采用挤压成型；采用激光烧结快速成型切削机床压力加工机床激光快速成型设备例2：洗衣机的设计采用搓洗采用振洗波轮式的洗衣机振动式的洗衣机在分析或设计一个现代机械系统时，首先应该从主功能着手。例3：螺纹加工机的总体原理方案分析3.功能分解与功能树一般情况下，机械系统都比较复杂，此时满足总功能的系统方案如何确定？可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，化繁为简。功能树起于总功能，末端为功能元。前级功能是后级功能的目的功能，后级功能是前级功能的手段功能。同一层次的功能元组合起来，应能满足上一层功能的要求，最后合成的整体功能应能满足系统的要求。总功能一级分功能1一级分功能2……二级分功能1二级分功能2…………功能元2…………功能元1功能元：组成总功能或分功能的具有确切功能的基本单元。4.功能求解分功能求解的基本思路可以简明地表达为：功能→工作原理→功能载体分功能的求解就是寻求完成分功能的技术实体——功能载体。求解的过程是从基础科学研究揭示的一般科学原理开始，经过应用研究探明具体的技术原理，然后寻求实现该技术原理的技术手段和主要结构。为了简单起见，把科学原理、技术原理一起称作工作原理。负压效应（压力与容积的关系；流速与压力的关系）惯性力效应毛细管效应波纹管水泵；柱塞泵；文丘里喉管离心泵热管（用于人造卫星和冻土层输油管保温等）输送液体(1)查阅有关书籍或利用网上资源，自己交上一份有关某机械产品的设计任务书，手写或打印都可以！(2)对该机械产品进行功能分析。不允许有重复！下周二（9月7日）上课前交上来！三、机械系统的方案设计总功能若干子功能或功能元形成若干个总体方案方案设计的过程实际上就是对子功能方案进行方案综合的过程1.形态学矩阵形态学矩阵法：一种系统搜索和程式化求解的分功能组合求解方法。因素：指构成机械产品总功能的各个分功能。形态：相应的实现各分功能的执行机构和技术手段。例如：分功能：间歇运动表现形态：棘轮机构、槽轮机构、间歇凸轮机构形态学矩阵：在形态学中，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～，也称模幅箱图。2.总体方案求解（1）求解原则①相容性鉴别功能结构中的能量流、物料流及信息流能否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？计算机完成②从技术、经济效益较好的角度，初选几个较有希望的方案。a)要考虑设计要求及附加要求。b)不仅针对某项具体功能元，还要兼顾到全局及其他相关的功能元，最好能将几个功能元用同一类原理实现，使原理方案简化。c)对于关键性的功能元，应多考虑采用创造性方法解决。例1：单缸洗衣机的总体方案设计功能分解功能求解列形态学矩阵并进行方案综合理论上可组合出4×4×3＝48种方案方案1：A1+B1+C1一种最原始的洗衣机方案2：A1+B1+C2最简单的普及型单缸洗衣机方案3：A2+B3+C1结构简单的热胀增压式洗衣机方案4：A1+B2+C2利用电磁振荡原理分离脏物的洗衣机方案5：A1+B4+C2超声波洗衣机的设想例2：挖掘机的总体方案设计其主要功能有，取物(包括传动、取物)和运物(包括传动、移位)，可建立其形态学矩阵如表所示，可能的组合方案数为N＝6×5×4×4×3＝1440A3＋B4＋C3＋D2＋E1—→履带式挖掘机A5＋B5＋C2＋D4＋E2—→液压轮胎式挖掘机对于复杂机械，若采用一个形态学矩阵表示整个系统功能的解法，则该矩阵将过于庞大，此时可先建立各分功能的形态学矩阵，分别考虑局部的设计方案，然后再综合为整体方案。（2）功能集成如何将求解所得的功能载体进行集成？最主要的工作：接口设计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承结构，检测控制硬件、信息处理方法等的过程。例如：传统的双桶洗衣机的脱水及洗涤分别由两套机构实现（在设计较完善时，脱水运动与洗涤运动之间不发生动力学的相互影响）；全自动微电脑控制单桶洗衣机只采用一个电动机实现脱水与洗涤（两者不是同时进行的，则产生了关联）。例如：数控车床在做差补运动时，为复现运动轨迹，要求各运动轴联动（关联表现在运动学上）；机器人手臂各关节之间不仅有运动学的关联，也有动力学的关联。四、机械系统方案的评价1.方案评价的概念评价：指在设计过程中，对解决设计问题的各方案进行比较和评定，由此确定各方案的价值，判断其优劣，以使筛选出最佳设计方案。对于每一个设计问题，一般都会有许多不同的解决方案。从这种意义上说，设计是一种发散－收敛，搜索－筛选的过程。解决这种多解的问题，其通常的逻辑步骤为：分析－综合－评价－决策这里“方案”的意义是广泛的，可以有多种形式，如原理方案、结构方案、造型方案等，从其载体上看，可以是零、部件或总成图纸，也可以是模型、样机、产品，等等。一般来说，评价中所指的“方案”，其实质是指对设计中所遇问题的解答。不论其是实体的形态(如样机、产品、模型)，还是构想的形态，这些方案都可以作为评价的对象。⑴客观性原则包括参与人员的客观性和评价资料的客观性。评价的客观性、有效性和合理性必须充分保证；评价方法要合理和可靠等。⑵可比性原则要求被评价的各方案的基本功能、基本属性具有可比性，能建立共同的评价指标体系。⑶合理性原则确定的评价指标体系和评价尺度（标准）应合乎逻辑，能正确反映评价目的。⑷整体性原则（全面性原则）评价指标应尽量全面，能综合反映系统的整体指标；注意区分各指标对整体性能影响的重要程度。为使评价尽可能减少偏差和避免失误，必须遵循以下原则：2.评价目标（评价准则）确定目标作为评价依据对评价目标给予定性或定量的评价技术评价目标：评价方案在技术上的适用性、先进性和完善性。如：工作性能指标、可靠性、安全性、宜人性、可维护性等等经济评价目标：评价方案的经济性。如：方案的投入产出比、性能价格比、成本与利润、资金占用、竞争潜力、市场潜力等等社会评价目标：评价方案实施后产生的社会效益和环境影响。如：对经济发展、市场前景、生态环境的影响，对人们生活方式的影响、对人们身心健康的影响，对生产的安全性、环境变化的适应性、资源及能源的利用状况等方面。内容目的通过对可行的候选方案进行技术、经济、社会等方面的评定，提出方案的评价意见，为决策者最后确定设计方案提供