机械系统总体设计

第二章机械系统总体设计机械系统设计机械系统总体设计概述机械系统总体设计是产品设计的关键阶段，对产品的技术性能、经济指标和外观造型均有决定性意义。机械系统总体设计分为功能原理设计和结构总体设计两阶段，主要包括功能设计、原理方案设计、总体布局（确定各子系统之间关系）、主要技术参数的确定及技术经济分析等内容。2.1功能原理设计概述功能原理设计又称为概念设计阶段，资料表明，产品全生命周期内70～80％的成本由功能原理设计阶段决定。功能原理设计是发散－收敛过程。从功能分析入手，通过创新构思探求多种方案，然后经技术经济评价，优选得到最佳方案。功能原理设计的内容功能设计：功能的抽象、表达、分解和推理。原理方案设计：构思能实现功能目标的解法原理。需求域功能域结构域主要过程驱动过程控制过程辅助过程联接与支撑作用主要功能驱动功能控制功能辅助功能联接与支撑功能系统总功能总功能参数运行要求人机工程要求外观要求法规标准要求经济要求时间要求几何要求运动要求载荷要求能量要求重量要求材料要求工作对象其它要求辨别问题抽象成说明书子功能1子功能2子功能1子功能2子功能1子功能2子功能1用户需求分析功能元1功能元2功能元1功能元2功能元1功能元2功能元1功能元1功能元2原理解1原理解2原理解1原理解2原理解1原理解2原理解2原理解1原理解2原理解组合1原理解组合2原理解组合3子功能1子功能2子功能3子功能3功能元3功能元3方案评价最优原理方案知识库外部创新思想输入及设计过程优化需求分析问题抽象过程分解功能分解子功能求解功能元分解寻求原理解原理解组合概念方案评价获得概念产品方案方案设计阶段功能设计阶段功能原理设计过程功能原理设计步骤与方法明确任务求总功能总功能分解子功能求解功能元求解原理解组合评价与决策黑箱法逐级细化功能树设计目录等形态学矩阵各种评价法技术设计阶段抽象搜索分解组合搜索收敛最佳原理方案2.1.1功能Miles1947必要功能非必要功能分类基本功能附加功能系统具有转化能量、运动或其他物理量的特性。产品或系统特定工作能力抽象化描述。系统输入/输出间参数或状态变化的一种抽象描述。功能的描述——准确、简洁、合理功能描述原理解法砸壳外部加压：砸、夹、压、冲、射等压壳外部加压内部加压：通入高压气体胀破壳仁分离外部加压内部加压去壳：培育薄壳核桃，脆皮易取化学方法溶壳取核桃仁问题举例抓问题本质——设计一糖果包装机可见：功能原理不同，工艺动作（运动规律）也不同，执行机构型式自然不一样。2.1.2功能原理设计举例——设计一台加工内孔的机床功能原理设计举例车床镗床钻床拉床——设计草坪剪草机（1）功能原理设计举例对杂草进行剪修通常的办法：拉——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。割断——像割麦一样，需要握住草的上部才能割断。剪断——利用剪刀刃的合拢可以剪断草。显然，选择剪断是较合理的方案，并且将剪刀做成像理发推子那样，这就是传统的剪草机的解法原理。——设计草坪剪草机（2）功能原理设计举例鞭子断纸绳子割草功能原理设计特点1)功能原理方案设计就是针对某一确定的功能要求，构思并求得能实现功能目标的新的解法原理。2)功能原理设计要求设计人员有一种新想法、新构思。3)功能原理设计使所设计的系统发生质的变化。系统理论为基础2.1.3总功能求解——黑箱法定义：根据系统输入输出关系来研究实现系统功能目标的一种方法。即用技术系统所具有的转化能量、物料、信息等物理量的特性描述其功能。通过抽象化可清晰地掌握所设计系统(产品)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。关键：黑箱黑箱法（BlockBox）特点通过“黑箱”与输入、输出量及周围环境的信息联系，了解系统(产品)的功能、特性，进一步探索出系统的机理和结构，逐步使“黑箱”透亮，直至方案拟定。它摆脱了具体设计对象，而按系统(产品)的功能和对三大流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新、更好的功能原理方案来。黑箱法示意图黑箱法举例——车床总功能黑箱法举例——挖掘机总功能黑箱法举例——自行车功能结构自行车（黑箱）输入输出蹬力或推力车的行走2.1.4功能分解一般技术系统都比较复杂，难以直接求出满足总功能的原理解。可利用系统工程分解性原理将功能系统按总功能、分功能、…、功能元进行分解，化繁为简，以便通过各功能元解的有机组合求得系统解。物料分功能2总功能能量信息物料能量信息分功能1分功能3分功能4分功能21分功能22分功能23......分功能…分功能…分功能…功能分解模型Pahl和Beitz2.1.4.1功能结构功能的分解和组合关系称为功能结构。F1F2F3F1F2F3F3F1F2三种基本类型链式结构并联结构循环结构2.1.4.2功能元功能元是能直接从技术效应(如物理效应、化学效应等)及逻辑关系中找到可以满足功能要求的最小单位。机械设计中常用的基本功能元有物理功能元、数学功能元和逻辑功能元。定义：常用的五种物理功能元包括各种类型能量之间的转变、运动形式的转变、材料性质的转变、物态的转变及信号种类的转换等；指各种物理量(如位移、速度、力)的放大和缩小等包括能量流、物料流、信息流的结合或分离（如运动的合成与分解）。体现三大流在一定时间范围内保存的功能，如弹簧、电池、录音带、光盘等的贮存。反映能量流、物料流、信息流的位置变化。如离合器、开关、阀门等。功能元（分功能）的求解功能元的求解方法主要有：1)参考有关资料、专刊或产品求解法；2)利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法；3)利用设计目录求解法。2.1.5设计目录定义：设计目录是一种设计信息的载体，是一定设计任务或分功能的已知解或经过考验的解的汇编，它通过对设计过程中所需的大量信息有规律地加以分类、排序、存储，以便设计者查找和使用。对象目录解法目录分类操作目录基本功能元解法目录举例机械一次增力功能元解法目录举例四杆机构运动转换解法目录设计目录应用实例操作手柄旋转运动；打孔针作直线往复运动；杆件数目为4个；省力。——设计手动订书打孔机（1）设计要求：1)确定总功能(打孔)。2)总功能分解(输入的旋转运动变为输出的直线移动运动；力增大)。3)由于是一个由旋转运动变为移动运动的四杆机构，故可查图2．13以寻求解法。4)选取2、4、7、9四个方案。5)增力机构选取杠杆机构，6)订书打孔机的四种原理方案解见图。设计手动订书打孔机（2）解题步骤：设计手动订书打孔机（3）原理方案解：2.1.6原理解的组合与评价方法简介形态学矩阵：把系统功能元和其所对应的各个解分别作为坐标，列出“功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。评价方法相容性矩阵选择表多目标多级模糊综合评价法2.1.7功能原理设计综合实例——露天矿开采挖掘机（1）第一步用黑箱法求出总功能：露天矿开采挖掘机（2）第二步总功能分解：露天矿开采挖掘机（3）第二步总功能继续分解：露天矿开采挖掘机（4）第三步建立功能结构：露天矿开采挖掘机（5）第三步继续完善功能结构：露天矿开采挖掘机（6）第四步寻找原理解法及原理解组合：露天矿开采挖掘机（7）第五步原理解评价选优：不再详述模糊评价方法：由Zedeh提出，它是一种对不精确信息的处理方法。用模糊语义值表示权重，采用加权计算法得出方案的模糊优序关系。2.2结构总体设计任务：将原理方案设计结构化，即包括初步总体布置到具体装配结构设计全过程。明确原则简单原则安全可靠原则原则2.2.1结构总体设计步骤明确设计要求主功能载体初步设计各功能载体的详细设计检查主辅功能载体结构按比例绘制主要结构草图设计结果选优完善结构总体设计草图审核与评价总体布置设计2.2.2总体布置设计基本要求：功能合理结构紧凑、层次清晰、比例协调考虑可扩展性基本类型：按布置方向可分为水平式、倾斜式、直立式、圆弧式；按运动方式可分为回转式、直线式、振动式；按相对位置可分为前置式、中置式、后置式；总体布置设计顺序执行系统传动系统动力系统操纵系统支撑系统从粗到细从简到繁反复多次任务分配原理稳定性原理合理力流原理2.2.3结构总体设计的原理自补偿原理变形协调原理力平衡原理等强度原理自增强自平衡自保护2.2.4总体参数的确定性能参数尺寸参数运动参数动力参数初选总体参数结构设计校核确定总体参数YN总体设计举例模拟电动自行车路面行驶测量并显示、记录有关指标自动检测系统待检的电动自行车检测后的电动自行车电能控制信号信号能热能、振动、噪声各种检测信息总功能抽象化描述：黑箱法描述：机械系统创新设计行驶阻力模拟转动惯量模拟模拟功能路面行驶环境动力性能测试噪声测量电参数测量测试功能检测项目电流测量电压测量转速测量距离测量处理功能控制及信号附加阻尼控制检测过程控制数据存储、打印联接功能支撑功能定位功能辅助功能联接与支撑等纵向定位横向定位防止倾翻功能运动转化总功能功能分解运动转化系统测量单元主操作台传动系统行驶阻力及转动惯量模拟系统控制系统计算机接口计算机控制接口CRT显示系统打印机连锁报警电动自行车自动检测系统原理框图运动转化功能路面行驶环境模拟功能测试功能检测数据处理存储、打印联接与支撑等辅助功能附加阻尼控制检测过程控制开始结束功能设计流程测量噪声测量电压测量电流测量转速测量转数处理存储打印数据固定待检电动自行车检测电动自行车转换检测对象测量转矩应有值与实际值比较调节附加阻尼量控制检测过程能量转换为力与路程待检电动自行车E定位E控制E附加SF应S控制S定位S转速S距离S电流S电压S功率S噪声E损失E摩擦E驱动检测完成电动自行车E摩擦建立系统功能结构：总评价目标技术性经济性环境项性能检测效率操作方便性零部件耐用度检测精度材料重量可运输性维护方便性体积外观动力源方便性安全性操作空间噪音U20.30.3U220.30.09U230.10.03U240.30.09U210.20.06U250.10.03U11U10.60.6U120.10.06U130.20.12U140.050.03U110.50.3U150.150.09U30.10.1U320.10.01U330.30.03U340.10.01U310.20.02U350.30.03确定评价指标11,12,1,11111,22,2,212211,2,,hhkhhkhhhThhmmkmkmbbbabbbbabBRAbbbab1,12,1,11,22,2,2121,2,,kkhhhhkmmkmbbbbbbRBBBbbbR1A1B1R2A2B2RkAkBkRBRAB建立评价模型前夹紧装置后夹紧装置支撑台架传动机构前后轮中心面相对偏差测量装置后夹紧装置电动自行车中心传动机构结构总体设计滑块电磁铁拉杆摇杆测量头位移传感器结构设计：半轴转鼓测控系统硬件设计主机鼠标键盘打印机I/O端口D/A端口夹紧装置加载装置光电编码精密声级计转矩传感磁粉制动器调速电机串口电量测试仪带I/O口的D/A转换器测试指示盘电磁离合器当日检测简要报告检测时输入该车详细信息电动车各项待测指标动态显示检测过程控制系统软件设计检测参数动态曲线电机特性曲线绘制2012345678910车辆编号最高车速（KM/h）检测平台结果路面检测结果19设计总结与样机实验作业一建立订书机的功能结构。提示：建立黑箱功能示意图；总功能分解、细化；观察、分析实物的每个部件。作业二结构设计基本原理举例。要求：1）至少四种，每种原理至少一个例子；2)同一个的实例不能在三个以上同学中出现；3)课本上的例子除外。