机械系统设计第2章

机械系统设计机械系统与其他系统一样，各要素是有机结合、相互协调、相互适应的，并以此来实现整体功能的要求。机械系统也应具备一般系统的特征，如整体性、相关性、层次性和时序性、目的性和环境适应性。但是，由于机械系统的能量流、物质流和信息流的传递和变换的特殊性，机械系统设计也必然具有特殊性。因此，寻找机械系统设计的规律，掌握其原理和方法显得尤为重要。第二章机械系统设计总论2．1机械系统设计思想机械系统设计是从系统的观点出发，对机械系统进行的设计。机械系统设计思想从根本上改变了传统的设计思想，从而有利于机械系统设计的创新性、多样性和综合性的体现。它包括以下几个方面：1创新性设计机械系统创新性设计是把实现总功能和功能分解作为设计的出发点，由于功能的抽象化和功能分解的多样化，将会大大有利于机械系统的创新性设计。2全面性设计机械系统全面性设计是考虑产品生命周期全过程各个阶段的要求。机械系统设计中考虑的问题全面，可大大提高设计水平和产品质量。健身增肌二次发育WeiXinTaoBao3系统性设计机械系统系统性设计是强调各要素的整体性。各要素的要求离不开整体的需要，系统性设计使机械系统的设计更具有整体优良性能。一个系统中各要素的作用是通过总体来体现的，有了总体的概念，才能处理好各要素的设计。4优化性设计机械系统设计方案是多种多样的。这是由机械系统功能的抽象化和功能分解的多样化决定的。优化性设计思想是追求机械系统整体最优、全局最佳。为了达到这一目标，通常采用综合评价方法来寻求综合最优的机械系统方案。以上机械系统的设计思想贯穿在整个设计过程之中，以实现机械系统质量优、性能好、成本低等设计目的。2．2机械系统设计原则机械系统设计的目的是为了满足人们日益增长的物质和精神生活的需要，提供优质高效、价廉物美的机械产品。因此，机械系统设计时，应从系统的观点出发，以合理确定系统功能、增强可靠性、提高经济性、保证安全性为机械系统设计的原则。2．2．1合理确定系统功能产品是以社会需求而生存的。没有社会需求就没有市场，产品也就失去了存在的价值和依据。所谓需求就是对产品功能的需求。人们购买产品实际上就是购买产品的功能。产品功能F和成本C之比(即V=F／C)称为产品的价值，它反映了产品的价廉物美的程度。确定系统功能时，应遵循保证基本功能、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的原则，降低现实成本，提高功能价值，务求使产品达到更加物美价廉的境地。2．2．2增强可靠性可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性是衡量系统质量的一个重要指标。增强系统可靠性的最有效方法是进行可靠性设计。了解影响机械系统可靠性的因素，采取相应的措施，对提高系统的可靠性也是有益的。1．故障或失效的预测和预防机械系统规定功能的丧失称为失效，对于可修复的系统失效称为故障。2．采用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。只有零部件可靠性高，才能使系统的可靠性高。3．提高维修性4．简化结构，提高标准化程度2．2．3提高经济性机械系统的经济性表现在设计、制造和使用的全过程中。1．提高设计和制造的经济性(1)合理确定可靠性要求和安全系数(2)贯彻标准化标准化通常包括产品标准化、系列化和通用化。机械工业的技术标准有以下三大类：1)物品标准;2)方法标准;3)基础标准。(3)采用新技术(4)改善零部件结构工艺性(5)选用经济的技术要求2．提高使用和维修的经济性(1)提高产品生产的效率提高产品生产的效率，可以降低能耗，省电、省油、省煤等。机械设备的效率主要取决于传动系统和执行系统的效率。(2)合理确定经济寿命产品从开始使用至主要功能丧失所经历的时间称为功能寿命。根据产品使用费用最低、经济效益最高所确定的寿命称为经济寿命。通常，产品的经济寿命低于功能寿命。(3)提高维修保养的经济性在机械设备中，目前应用较多的是定期维修方式。随着故障诊断技术和可靠性技术的发展，维修技术也得到了相应的发展。如实时维修方式2．2．4保证安全性机械系统的安全性包括机械系统执行预期功能的安全性和人——机——环境系统的安全性。1．机械系统执行预期功能的安全性机械系统执行预期功能的安全性是指机械系统运行时系统本身的安全性。应根据工作载荷特性及机械本身的要求，按有关规定和标准进行设计和计算。为了避免由于意外原因造成故障和失效，常需配置过载保护、安全互锁等装置。2．人——机——环境系统的安全性机工程学就是一门研究人一机一环境安全性的新兴学科。它将人、机和环境作为一个系统加以研究。以人为主体，研究人、机、环境之间的相互作用和协调，使机械系统能更好地适宜于人体的各种体能和特点要求，便于安全操作和使用，消除对人身构成伤害的各种危险因素，并使人类的生存环境能得到良好的保护和改善。能量的类型也是多种多样的。人一机一环境系统安全性包括劳动安全和环境保护两个方面。(1)劳动安全(2)环境保护2．3机械系统设计方法机械系统应用广泛，种类繁多，设计的方法也不尽相同。2．3．1机械系统设计的类型1．开发设计针对新任务，提出新方案，完成产品规划、概念设计、构形设计的全过程。2．变异设计在已有产品的基础上，针对原有缺点或新的工作要求，从工作原理、功能结构、执行机构类型和尺寸等方面进行一定的变异，设计出新产品以适应市场需要，增强市场竞争力。3．反求设计针对已有的先进产品或设计，进行深入分析研究，探索掌握其关键技术，在消化、吸收的基础上，开发出同类型、但能避开其专利的新产品。2．3．2机械系统设计的特点机械系统设计时，特别强调系统的观点，就是必须考虑广义机械系统的运行，而不是只关心各组成部分的工作状态和性能。机械系统设计时，应在调查研究的基础上，搞清外部环境对该机械的作用和影响。同时，也不能忽略内部系统对外部环境的作用和影响，包括该系统运行后或该产品投入市场后，对周围环境的影响、竞争对手及潜在竞争对手的反映、市场竞争格局的变化等。2．3．3机械系统设计的一般程序和内容为了提高机械系统设计的质量和水平，必须有一个科学的设计程序。目前较为广泛实施和应用的机械系统设计程序可归纳为表2-1所示的框图程序。1．产品规划产品规划要求进行需求分析、市场预测、可行性分析、确定设计参数及制约条件，最后给出详细的设计任务书，作为设计、评价和决策的依据。2．概念设计需求是以产品的功能来实现的，功能与产品设计的关系是因果关系。体现同一功能的产品可以有多种多样的工作原理。因此，这一阶段的最终目标就是在功能分析的基础上，通过构想设计理念，创新构思、搜索探求、优化筛选取得较理想的工作原理方案。3．构形设计构形设计是将方案(主要是机械运动方案等)具体转化为零部件的合理结构和形状。也就是要完成机械产品的总装图设计、部件和零件设计，完成全部生产图样并编制设计说明书等有关技术文件。构形设计时要求零件、部件设计满足机械的功能要求；零件结构形状要便于制造加工；常用零件尽可能标准化、系列化、通用化；总体设计还应满足总功能、人机工程、造型美学、包装和运输等方面的要求。构形设计时一般先由总装图分析成部件、零件草图，经审核无误后，再由零件工作图、部件工作图绘制出总装配图。2．3．4机械系统设计的系统法系统法就是把研究的对象作为系统或系统的要素和结构，从整体上系统地、全面地进行确定的科学方法。它从系统的观点出发，着眼于整体与局部、系统与环境、人与机之间的相互联系和相互作用，并且综合地、精确地考察研究对象，从而最佳地处理所研究的问题。1．系统分解(1)按空间结构关系进行分解(2)按系统总目标进行分解(3)按系统模型的关联性进行分解(4)按系统控制和管理过程进行分解机械系统的分解采用第2种方法居多。系统分解可以平面分解，也可以分级分解，或者兼有二者的组合分解，如图2-1所示。系统分解时应注意下述各点：1)分解数和层次应适宜分解数太少2)避免过于复杂的分界3)保持能量流、物质流和信息流的合理流动途径4)了解系统分解与功能分解的关联及不同2．系统分析系统分析是一种科学的决策方法，其目的是帮助决策者，对所要决策的问题逐步提高其清晰度。它是采用系统的观点和方法，用定性和定量的工具，对所研究的问题进行系统结构和系统状态的分析，提出各种可行的方案和替代方案，并进行分析和评价，为决策者选择最优系统方案提供主要依据。系统分析的一般程序如下：1)系统目标设定2)构造模型3)系统最优化4)系统评价2．4机械系统设计原理机械系统设计由于涉及面十分广泛，在设计过程中需要考虑方方面面的问题，因此就产生面向制造、装配、拆装、维修、环境、回收等的设计原理。2．4．1面向制造的设计原理面向制造设计(designformanufacturing)简称DFM。面向制造的设计是在设计过程中充分考虑机械系统功能的同时，使机械系统的制造工艺尽量简化，制造成本尽量减少。1．面向制造的机械系统方案设计机械系统方案设计往往会涉及它的工作原理、基本组成以及功能结构解的选择。方案设计阶段虽然还无法断定各个功能解的结构和构形的具体参数，但是应该考虑机械系统的工作原理、基本组成及功能结构解的制造的难易程度及制造成本。2．面向制造的机械系统构形设计机械系统构形设计要求各零部件设计易于制造，具体来说应考虑：1)零件、部件的构形尽可能简单；2)零件、部件的各加工部分要易于加工制造；3)零件、部件的选材要符合便于加工的原则。2．4．2面向装配的设计原理面向装配的设计(designforassembly)简称DFA。面向装配的设计是在设计过程中，在充分考虑机械系统的功能的同时，使机械系统的装配工艺尽量简化，易于进行装配和调整。1．面向装配的机械系统方案设计方案设计阶段应充分考虑机械系统工作原理、基本组成和功能结构解的易装配性，实现基本组成的模块化。功能结构解的简单化有利于装配工艺简化、装配易于调整。2．面向装配的机械系统构形设计机械系统构形设计中应充分考虑零部件的装配性。这就需要在设计时考虑下面一些基本原则：1)减少装配的工作量2)易于装配3)减少装配零件的多样性2．4．3面向拆卸的设计原理面向拆卸的设计(designfordisassembly)简称DFD。面向拆卸的设计在设计过程中充分考虑机械系统功能的同时，使机械系统易于拆卸，可以有利于系统各部分的维修和再利用。1．面向拆卸的机械系统方案设计方案设计阶段应考虑机械系统工作原理、基本组成和功能结构解对于拆卸方便性的影响。做到这一点需要有较丰富的实际经验和对功能结构解的全面了解。2．面向拆卸的机械系统构形设计机械系统构形设计中应考虑零部件易于拆卸、便于维修。在设计零件时应考虑的基本原则是：1)减少拆卸的工作量2)易于拆卸3)减少零件的多样性4)尽量采用插接和螺纹连接2．4．4面向环境的设计原理面向环境的设计(designforenvironment)简称DFE。面向环境的设计就是考虑环境影响问题，使机械系统对环境的总体影响尽量减少。1．面向环境的机械系统方案设计面向环境的机械系统方案设计是在保证机械系统功能和质量以及其他必要条件的前提下，使其资源利用率尽可能高，环境污染尽可能小。不同的方案对环境的影响是不同的。2．面向环境的机械系统构形设计面向环境的机械系统构形设计的主要目标是采用尽可能合理和优化的零部件构形，以减少资源的消耗和浪费，从而减少对环境的影响。其主要途径和措施如下：1)简化零部件的结构2)优化零部件尺寸3)改善构件受力状况4)可拆卸性设计2．5机械系统的功能原理设计机械系统的功能原理设计是机械系统目标设定后进行产品设计的第一步，是产品的工作原理和结构原理的开发阶段。它是从质的方面保证整个设计水平的关键，因此，特别需要创新思维，才能设计出具有市场竞争力的新颖产品来，这是任何现代电子计算机所不能替代的。机械系统的功能原理设计的思路步骤是系统目标(设计任务)抽象化，确定系统的总功能——将总功能分解成子功能，直到功能元——寻找子功能(功能元)的解——将原理解进行组合，形成多种原理设计方案——对众多方案进行评价与决策，选定最佳原理设计方案。2．5．1功能分析功能