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1、2020/5/18,1,2,机械系统的总体设计,2.1,机械设计的基本原则,2.2,机械设计的一般过程,2.3,机械系统的方案设计,2.4,机械系统的功能分析,2.5,机械系统的功能原理设计,2.6,机械系统的总体布局设计,复习,思考,题,2020/5/18,2,2.1,机械设计基本原则,2.1.1,机械设计的类型,2.1.2,机械设计的原则,2020/5/18,3,2.1.1,机械设计的类型,（,1,）开发性设计,（,2,）适应性设计,（,3,）变型性设计,在主功能的实现原理或者结构方案保持基本不变的,情况下，增加或减少产品的某些功能，使产品,适应,特定的使用条件或者用户特殊要求,所进行的设
2、计。,在全部,功能,或主要功能的实现,原理,和,结构,未知的情,况下，运用成熟的科学技术成果所进行的新型的机,械产品设计。,在功能原理和结构都保持不变的情况下，变动部分,零部件的技术性能和结构尺寸参数，扩大规格或补,齐系列，以满足更大范围功能参数需要的设计。又,称,变参数设计,。,2020/5/18,4,2.1.2,机械设计的基本原则,（,1,）实用性原则：,功能明确原则,（,2,）创造性原则：,继承与创新,（,3,）系统性原则,:,整体和相关,（,4,）优化原则,（,5,）可靠性与安全性原则,（,6,）经济性原则,（,7,）评价审核原则,（,8,）及时性原则,2020/5/18,5,2.2,
3、机械设计的一般过程,认,识,需,求,目,标,界,定,问,题,求,解,分,析,选,优,评,价,决,策,表,达,实,现,创意,构思,实现,设计就是创造，是从创意、构思到实,现的过程。,2020/5/18,6,2.2,机械设计的一般过程,从人们的需求出发,概要提出设计任务,调查研究,掌握信息,提出明确而详,细的设计要求,方案构思初,评最佳方案,选择模型,确定参数,详细设计,信息交流,制造加工,方案硬件化,样机试验,设计评定,批量生产,投入使用,2020/5/18,7,2.2,机械设计的一般过程,（,1,）设计规划阶段,（,2,）方案设计阶段,（,3,）技术设计阶段,（,4,）施工设计阶段,明确任务、
4、需求和可行性分析，提交可行性报告；,明确功能和设计要求，提出设计任务书。,功能原理方案设计,产品的总体、结构设计,完成产品制造所需的全部图样和技术文件,2020/5/18,8,2020/5/18,9,2.3,机械系统的方案设计,2.3.1,基本概念,2.3.2,方案设计程序,2.3.3,方案构思的常用方法,2020/5/18,10,2.3.1,基本概念,方案设计,总体设计,从全局的角度，以系统的观点，所进行的有关,整体方面的设计。,机械系统功能原理方案设计；,总体布局；,系统的主要参数确定；,系统的精度等；,内容包括,：,机械系统总体设计方案及其论证评价决策是产品设,计的关键，也是详细设计时的
5、指导性文件。,2020/5/18,11,2.3.2,方案设计程序,方案设计的三个基本活动：,创造、分析和决策,明确设计思想,方案设计程序,分析综合要求,决定性能参数,调研同类机械,拟定总体草图,方案对比定型,编写总体设计论证书,2020/5/18,12,2.3.3,方案构思的常用方法,（,1,）黑箱法：功能原理分析法,（,2,）列举法,（,3,）移植法,（,4,）筛选法,利用对未知系统的外部观测，分析该系统与环境,之间的输入与输出，通过输入和输出的转换关系,确定系统的功能、特性所需具备的工作原理和内,部结构。即：,从功能出发设计产品,。,2020/5/18,13,金属切削黑箱示意图,输,入,输
6、,出,机床工作时对周围环境的影响,周围环境对机床工作性能的干扰,机床的总功能：将毛坯加工成所需零件。,2020/5/18,14,2.3.3,方案构思的常用方法,（,1,）黑箱法：功能原理分析法,（,2,）列举法,（,3,）移植法,（,4,）筛选法,列举现有功能相似的机械，分析其优缺点，列举,其不足（或不足）之处，在继承的基础上创新。,2020/5/18,15,2.3.3,方案构思的常用方法,（,1,）黑箱法：功能原理分析法,（,2,）列举法,（,3,）移植法,（,4,）筛选法,受其他事物的启迪，触发灵感，运用联想将其原,理合理地应用到自己的课题上。,2020/5/18,16,金属轧制,2020
7、/5/18,17,2.3.3,方案构思的常用方法,（,1,）黑箱法：功能原理分析法,（,2,）列举法,（,3,）移植法,（,4,）筛选法,将有可能实现该功能要求的工作原理、工艺动作,及实现该运动的基本机构和组合机构尽可能按层,次罗列出来，进行排列组合；,按可行性、先进性、方便性、经济性等设计原则,逐个分析审查，筛选最优方案。,2020/5/18,18,2.4,机械系统的功能分析,2.4.1,机械的分类与功能组成,2.4.2,机械的功能分析,2.4.3,典型机械功能分析实例：家用缝纫机,2020/5/18,19,2.4.1,机械的分类与功能组成,一、机械的定义,二、机械的分类,三、从不同角度看机
8、械的组成,四、从功能观点看机械的组成,2020/5/18,20,一、机械的定义,由两个或两个以上相互联系配合的构件所组成,的联合体，通过其中某些构件的限定的相对运,动，能将某种原动力和运动转变，在,人或其它,智能体的控制,下，以执行人们预期的工作，,实,现为之设计的某种或某几种功能,。,2020/5/18,21,二、机械的分类,从不同角度出发，分类方法多种多样。,按产业划分,按服务领域划分,按重量划分,按功能划分,农业机械、林业机械,矿山机械、冶金机械,化工机械、造纸机械,食品机械、纺织机械,工程机械、交通运输机械,物料搬运机械,橡胶机械、塑料机械等。,轻工机械,重型机械等。,（,1,）能量转
9、换机械,（,2,）生产各种产品的机械,（,3,）从事各种服务的机械,（,4,）家庭和个人生活中应用,的机械,（,5,）各种机械武器等。,工艺类机械：,对物料进行工艺性加工的机械,非工艺类机械：,不对物料进行工艺性加工，,只是实现某种需求的功能,2020/5/18,22,三、从不同角度看机械的组成,?,从机构学的角度,?,从结构学的角度,?,从专业的角度,?,从功能的角度,机械由各种基本机构组合而成,机械由一系列基本构件组装而成,常以主要部件来看机械的组成,以功能的观点来观察和认识机械,2020/5/18,23,四、从功能观点看机械的组成,机器的总功能由多个分功能组成，而每个,分功能都有相应的功
10、能载体。,2020/5/18,24,2020/5/18,25,车床的功能原理图,1-,工件,2-,车刀,2020/5/18,26,利,用,刀,具,对,旋,转,工,件,进,行,切,削,工件旋转,刀具进给,2020/5/18,27,2.4.2,机械的功能分析,一、机械的功能和系统功能分析,二、功能分解和功能单元,三、功能树和功能结构图,2020/5/18,28,2.4.2,机械的功能分析,一、机械的,功能,和,系统功能分析,1.,功能,：,对于某一机械产品工作能力的抽象化描述,。,它和人们常用的“功用”、“用途”、“性能”、,“能力”等概念既有联系又有区别。,是一个机器,（或装置）所具有的应用特性
11、。,电动机,功用,性能,用途,能力,作原动机,驱动电扇、机床,效率、耐用性、振,动,功率、转速,功能,-,将电能,转变为旋,转运动的,动能,技,术,系,统,信息流,S,进行,能量流,E,的转换,物料流,M,输入（,IN,）,输出（,OUT,）,信息,S,能量,E,物料,M,M,E,S,系统工程学用“黑箱”来描述功能，如下图。,“,功能,”是一个技术,系统,在以实现某种,任务为目,标,时，其,输入量和输出量之间相互转换,的关系。,例：硬币计数包卷机,2.,系统功能分析,：对总功能进行分解。,2020/5/18,31,二、功能分解和功能单元,1.,功能分解,复杂的技术系统的总功能可分解成较为,简单
12、的、具有一,定的独立性、可直接求解的功能单元,。,2020/5/18,32,二、功能分解和功能单元,功能的基本单位。,包括：物理功能元、,逻辑功能元、数学,功能元。,材料拉伸试验机,的功能分解,2.,功能单元,硬币计数包卷机的七个功能单元,1,硬币堆放、输送功能单元,2,硬币排列、分选、挑残功能单元,3,硬币分选计数功能单元,4,硬币堆码、整理功能单元,5,送纸、撕纸功能单元,6,硬币包卷功能单元,7,卷边功能单元,例：硬币机的功能分解,2020/5/18,35,三、功能树和功能结构图,用树状功能图来描,述其功能分解情况。,材料拉伸试验机,的功能分解,1.,功能树,2020/5/18,36,2
13、.,功能结构图,上述功能分解方式不能充分表达各分功能,之间的相互配合关系。,用来表示各分功能之间关系的框图，叫,“,功能结构,”图。它比功能分解图更好地,反映了各分功能之间的联系和配合。,由总功能,分功能,功能结构图，,被称为“,功能分析,”，也可称为,“,系统分析,”。,三、功能树和功能结构图,2020/5/18,37,硬币机功能结构分析,硬币机“功能结构”图,2020/5/18,39,三、功能树和功能结构图,3.,基本功能结构,各分功能（或功能元）组合时有三种基本形式,（,a,）串联：各分功能按顺序相继作用；,（,b,）并联：各分功能并列作用；,（,c,）回路：各分功能组成环状循环回路，体
14、现反馈作用。,2020/5/18,40,三、功能树和功能结构图,3.,基本功能结构,两种功能结构的对比,例：,2020/5/18,41,2.4.3,典型机械功能分析实例：,家用缝纫机,手工线迹与家用缝纫机线迹对比,a),手工线迹,b),缝纫机线迹,（,1,）用针尖引线代替针尾引线；,（,2,）采用双线互锁交织以代替线的反复穿刺；,一、家用缝纫机的,总功能,将线按一定规律缝于缝料上,二、家用缝纫机的功能分析,1.,主要功能,1,）,引面线造环功能,由机针特殊结构实现。,缝纫机针的形状,1-,针尖,2-,针刃,3-,针柄,4-,平面,5-,引入槽,6-,引出孔,7-,针孔,线环形成过程,a),穿刺
15、缝料,b),、,c),引线,d),、,e),成环,1-,线环,2,、,5-,面线,3-,摆梭尖,4-,针槽,摆梭,二、家用缝纫机的功能分析,1.,主要功能,2,）,钩面线扩环，使底面线交织的功能,靠一个在线环中摆进摆出的摆梭组件来实现。,摆梭钩线扩环，完成底面线交织的工艺过程,1-,摆梭,2-,底线,3-,面线,4-,梭心套,5-,针,二、家用缝纫机的功能分析,1.,主要功能,3,）,供给和收回面线的功能,靠挑线杆（工作头）带着面线上下摆动来实现。,挑线机构,a),滑杆式,b),凸轮式,c),连杆式,二、家用缝纫机的功能分析,1.,主要功能,4,）,输送缝料的功能,靠送布牙挤压推送布料来实现。
16、,送布牙送料时的工作情况,1-,压脚,2-,缝料,3-,送布牙,4-,送布牙槽,5-,针板,送布牙运动轨迹,二、家用缝纫机的功能分析,2.,辅助功能,1,）,调节面线和底线的阻尼功能,面线和底线的交织状况,a),面线过紧,b),底线过紧,c),正确,二、家用缝纫机的功能分析,2.,辅助功能,1,）,调节面线和底线的阻尼功能,靠旋动夹面线螺母来实现调节面线松紧。,靠拧动压紧底线的螺纹来实现调节底线松紧。,面线和底线的张力调节,a),底线调紧，面线调松,b),面线调紧，底线调松,二、家用缝纫机的功能分析,2.,辅助功能,2,）,调节压脚压紧力的功能,靠调节压脚压力的螺纹来实现。,不同缝料调压螺纹旋
17、入的情况,二、家用缝纫机的功能分析,2.,辅助功能,3,）,调节送布针距的功能,由送布牙送料距离钮决定。,调节送布针踞,二、家用缝纫机的功能分析,2.,辅助功能,4,）,绕底线功能,把梭心装到绕线轴上，由高速转动的手轮使上摩擦轮带,动绕线轴旋转，而是梭心缠绕底线。,绕底线,1-,线,2-,绕线轴,3-,梭心,4-,上摩擦轮,5-,手轮,6-,过线架,7-,轴线,二、家用缝纫机的功能分析,3.,控制功能,1,）,机械控制功能,由传动机构的巧妙配合进行控制。,传动机构的时序分配主要由凸轮和连杆机构的工作相位配合,来实现。,2,）,人机控制功能,缝纫信息传入操作者的感官，再用手作为执行器来控制缝料,
18、运动，完成缝纫要求。,人机控制功能通过人机接口实现。包括：缝针工作区、手轮、,机针前方布面、脚踏板等。,3,）,电子控制功能,现代缝纫机可用微机进行程序控制。,2020/5/18,52,2.5,机械系统的功能原理设计,2.5.1,功能原理设计的概念和特点,2.5.2,功能原理设计的内容与步骤,2.5.3,设计任务的功能目标,2.5.4,寻找作用原理,2.5.5,形态学矩阵,2.5.6,功能原理设计实例,2020/5/18,53,2.5.1,功能原理设计的概念和特点,1.,功能原理设计的基本概念,针对产品的主要功能提出一些,原理性的构思,。这种,针对,主要功能的原理性设计,，可以简称为,“,功能
19、原理设计,”。,功能原理设计的,重点,在于提出,创新构思,，使思维尽量,“,发散,”，力求提出较多的解法供比较选优。对构件的,具体结构、材料和制造工艺等则不一定要有成熟的考虑，,因此常只需用,简图或示意,来表示所构思的内容。如,船用,抽水机功能原理设计,。,2020/5/18,54,船用抽水机功能原理构想,利用船体摆动带动活塞往复运动,利用船的起伏通过杠杆使活塞运动,利用涨潮的水位落差，使水排出,2020/5/18,55,2.5.1,功能原理设计的概念和特点,2.,功能原理设计的工作特点,（,1,）功能原理设计往往是用一种,新的物理效应来代替旧,的物理效应,，使机器的工作原理发生根本的变化的设
20、计。,（,2,）功能原理设计中往往要,引入某种新技术,(,新材料、新,工艺、)，但首先要求设计人员有一种新想法,(New,Idea),、新构思。,（,3,）功能原理设计,使机器品质发生质的变化,。机械表不,论在技术上如何改进，其走时的精确性始终不可能和石英,电子表相媲美。,当然，在实践中，每一个功能原理设计不一定都能体现,上述三个特点，而能体现这三个特点的，则应该是高品位,的功能原理设计。,2020/5/18,56,2.5.2,功能原理设计的内容与步骤,1.,内容,：构思能实现功能目标的新的解法原理,2.,步骤与方法,：,各,阶,段,的,工,作,内,容,解,决,该,内,容,的,方,法,2020
21、/5/18,57,2.5.3,设计任务的功能目标,设计的依据，鉴定验收的标准,设计的量化指标、约束条件,2020/5/18,59,2.5.4,寻找作用原理,提出创新构思，使思维“发散”，力求提出较多的解,法供比较选择。,1.,任何一种机械的更新换代都存在三个途径。,1.,改革工作原理；,海尔同心洗洗衣机,2.,改进工艺、结构和材料提高技术性能：,如,液,晶材料,、石英材料的实用化，促使,钟表的工作原理,发,生了本质的变化。,冰箱,(,造型设计、纳米材料,),；,3.,加强辅助功能使其更适应使用者的心理；,2020/5/18,61,2020/5/18,63,2.5.4,寻找作用原理,?,实现同样
22、的功能可以有不同的物理效应；,?,同样的物理效应有不同的实现方式,；,?,已知一个机械产品作用原理，也可以构思出不同的产品。,功能原理设计的任务：,针对某一确定的“,功能目,标,”，寻求一些“,物理效应,”并借助某些“,作用原理,”,来求得一些实现该功能目标的“,解法原理,”。,2.,以发散思维寻找作用原理,2020/5/18,64,例,1,：粉碎机。“粉碎”的五种,物理效应,。前四种属于使用静力，后一种,是应用动能。一般在两种以上效应的综合作用下粉碎。,物理效应的选择：根据物料的特性、料块的大小、所要求的细化程度来,选择。,坚硬物料：挤压、弯曲和劈裂；,脆性物料：冲击和劈裂；,料块较大：劈裂
23、和弯曲；,料块较小或排料粒度要求很小：冲击和研磨。,p.19,2020/5/18,66,例,2,：洗衣机。,目的：使污垢与纤维分离。,各种洗涤的,物理效应,包括：,控制水流,波轮式洗衣机、滚筒洗衣机,电磁高频振荡,电磁洗衣机,气泡破裂洗涤,气流洗衣机,高真空使水沸腾并产生气泡,冷沸腾洗衣机,水雾,喷雾洗衣机,超声波,超声波洗衣机,2020/5/18,67,例,3,：点钞机。,1-,推刮,2-,摩擦,3-,离心力,4-,重力,5-,粘力,6-,气吹,7-,气吸,8-,静电,2020/5/18,68,例,4,：风扇。,目的：降温。可通过不同结构、造型、运动形式来,实现。,不同,结构,：台扇、落地扇
24、、吊扇、壁扇等；,不同,造型,：圆形、方形、动物造型等；,不同,尺寸,：大型工业排风扇、蚊帐内的小吊扇等；,不同,方式,：多速风扇、单速风扇等；,不同,运动形式,：普通风扇，外罩不转，叶片转；鸿,运风扇，叶片不转，外罩转等。,不同,原理,：从调节温度的角度，无叶片风扇、压缩,式空调器，其功能比风扇还好。,2020/5/18,69,例,5,：风扇功能原理：压力差使空气产生流动。,鼓风机：为炉灶送风助燃；,抽风机：厨房的抽油烟机,吸尘器：吸尘,同一个功能可用不同的作用原理解决，同一,个作用原理也可解决不同的功能。,2020/5/18,70,形态综合法,：如表所示，将系统的功能元列为纵坐标，各,功能
25、元相应的解法列为横坐标，构成,形态学矩阵,，从每项,功能元中取出一种解进行有机组合，即得到一个系统解。,最多可以组合出,N,种方案：,m,i,n,n,n,n,N,?,?,?,?,?,?,?,?,2,1,系统解的形态学矩阵,2.5.5,形态学矩阵,2020/5/18,71,2.5.5,形态学矩阵,在多解的前提下，获得理想原理设计方案的关键,（,1,）所得方案具有全解系的性质。即把方案的全部解和,各解的全部可能形态列举出来，经组合后将所有可能的解,包罗无疑。,（,2,）具有形式化性质。要求对问题进行系统分析并借此,确定出影响方案解的重要的功能元及其可能形态。,2020/5/18,72,2.5.6,
26、功能原理设计实例：行走式挖掘机的原理方案求解。,解：（,1,）总功能：提取物料。,（,2,）功能分解：,（,3,）找出各分功能的可能形态，,列挖掘机的形态学矩阵。,可能组合的方案数为：,如：履带式挖掘机,液压轮胎式挖掘机,144,3,4,4,5,6,?,?,?,?,?,?,N,1,2,3,4,1,E,D,C,B,A,?,?,?,?,2,4,2,5,5,E,D,C,B,A,?,?,?,?,2020/5/18,73,（,4,）对众多方案，由定性到定量进行优选，删去不,符合设计要求的解以及各分功能不相容的解，选出几个,可行方案，进行原理性试验和评价、决策，从中选出符,合功能目标的最佳原理方案。,不相
27、容例：运行时挖掘机，,A1,与,B5,、,C4,、,D4,等分,功能解不相容，不能共同组合成可实现的原理方案。,2020/5/18,74,2.6,机械系统的总体布局设计,?,机器的有关零部件在整机中的相对空间位置的,合理配置叫做总体布局。,?,原则：简单、合理、经济。,?,总体布局必须要有全局观点，不仅要考虑机械,本身的内部因素，还要考虑人机关系、环境条,件等各种外部因素，按照简单、合理、经济的,原则妥善地确定机械中各零部件之间的相对位,置和运动关系。,2020/5/18,75,?,总体布局设计一般是先布置执行系统，,然后再布置传动系统、操纵系统及支承,形式等，通常都是从粗到细，从简到繁,，需
28、要反复多次才能确定。,2020/5/18,76,2.6.1,总体布局的基本要求,1.,保证工艺过程的连续性和流畅,2.,降低质心高度、减小偏置,3.,保证精度、刚度及抗震性等要求,4.,充分考虑产品系列化的发展要求,5.,结构紧凑、层次分明,6.,操作、维修、调整简便,7.,造型合理、实用美观,8.,提高人机系统的整体效能,2020/5/18,77,2.6.2,执行系统的布置要求,?,（,1,）为使执行系统简单紧凑，工艺动作协调，准确无,误，应尽量减少构件和运动副的数目，缩小构件的几,何尺寸，以减小其磨损和变形对执行机构运动精度的,影响。,?,（,2,）使原动件尽量接近执行机构。在布置相互联系
29、型,的多个执行机构时，应尽量将各原动件集中在一根或,少数几根轴上，对外露的执行机构，最好将其原动件,隐蔽布置，以提高操作安全性。,?,（,3,）由于执行构件往往与作业对象直接接触，所以布,置执行构件和中间联接件时应考虑作业对象装卡和传,送方便、安全。,2020/5/18,78,2.6.3,传动系统的布置要求,?,（,1,）简化传动链。,?,（,2,）合理安排传动机构顺序。,?,（,3,）注意传动系统的润滑和密封的可靠,性。,2020/5/18,79,?,设齿轮副和蜗杆副的传动误差分别为,和,，齿轮传,动比为,3,，蜗杆传动比为,30,。图左所示方案的总误差,?,图右所示方案的总误差,w,g,w
30、,w,g,i,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,30,a,g,w,g,g,w,i,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,3,b,g,?,?,w,?,?,2020/5/18,80,2.6.5,总体布置设计实例,?,1.,汽车的总体布置,汽车总体布置型式是指发动机、驱动轴,和车身（或驾驶室）的相互位置关系和,布置特点。,2020/5/18,81,?,根据发动机与车身相对位置的不同，可,分为三种布置型式：发动机前置式、中,置式和后置式。,2020/5/18,82,?,根据发动机与驾驶室相对位置的不同，可分为,四种布置型式：长头式、短头式、平头式和偏,置式。,长
31、头式：将驾驶室布置在发动机之后；,短头式：将发动机的一小部分伸人到驾驶室内,；,平头式：将驾驶室布置在发动机之上；,偏置式：将驾驶室偏置于发动机的一旁，它是,平头式或长头式的一种变型。,2020/5/18,83,汽车总体布置,货车,客车,2020/5/18,84,2020/5/18,85,复习思考题,?,机械设计分为几类？设计中要把握的基本原则有哪些,？,?,说明机械系统方案设计的一般程序及常用的方法。,?,什么是机械系统的功能？请解释功能分析方法。,?,阐述功能原理设计的基本思想和步骤。,?,试进行小型家用代步车的功能原理设计。,2020/5/18,86,参考书目,1.,黄雨华等编现代机械设计理论与方法，东北大,学出版社，,2019,2.,黄靖远等主编机械设计学，机械工业出版社，,2019,3.,刘跃南主编机械系统设计，机械工业出版社，,2000,4.,机械设计大典,
