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1、机械系统设计,机械系统设计,机械系统是机械零、部件协同作用的整体，是零、部件服务的目标。系统观点：总体方案 拟定、评价 系统协调 匹配 零部件设计标准、外购、设计 目标多样化：先进性 经济性 可靠性,2,机械系统设计,一、设计流程与主要内容1.设计流程1）提出任务 内容：预期目标、技术指标、约束条件、最终形式；方法：调研、预测、可行性论证；标志：任务书,3,机械系统设计,2）方案设计 内容：五大子系统方案设计、方案评价和方案决策；方法：功能设计、功能求解、功能组合、原理样机；标志：方案文档,4,机械系统设计,3）技术设计 内容：运动设计、动力设计、工作能力设计等；方法：结构方案设计、材料、造型
2、、尺寸等；标志：技术设计图纸4）施工设计 工艺设计、工装设计等5）产品定型 试验、评审,5,机械系统设计,2.方案设计主要内容1）工作机方案设计系统设计的重点 功能原理-运动规律设计-执行机构形式-运动协调设计；2）原动机方案设计选型 根据对原动机的运动特性和负载特性要求选择。负载平稳？过载能力？振动？型式：柴油机、汽油机、汽轮机、电动机、液压马 达、气动马达、特殊动力（电致伸缩、磁致 伸缩、太阳能、氢能等）,6,机械系统设计,3）传动方案设计 a)传动类型或传动链的型式；b)各级传动之间的关系：串、并、交叉等；c)传动比的分配4）控制系统方案设计解决各部分协调动作5）辅助部分方案设计 润滑系
3、统、冷却系统、故障监测、安全保护。如电站、石化设备等，大量必不可少的辅助装置。,7,机械系统设计,3.方案设计的基础1）扎实的理论知识 数学、力学、物理 如高低温试验方案2）丰富的实践经验3）详细的技术资料 标准件、外购件及其特性，非标件外协问题等4）新思想、新方法 绕过传统思路，寻求不同的工作原理,8,机械系统设计,4.方案设计中的设计思想1）现代设计思想：理论性（理性设计）创造性（全新设计）广义性（跨学科）优选性 扩展性（系列化，改进余地）设计计算机化 设计信息化,9,机械系统设计,2）系统工程观念：能量流、物流、信息流、人-机-系统-环境3）工程设计观念：有别于纯科学，有技术成份和非技术
4、成份，考虑：市场适应性；设计规范性；可持续发展性；造型艺术性；可操作性；安全性/可靠性；工艺性；可维修性,10,机械系统设计,二、常用动力机械的特性及其选配,11,1、常用动力机械的类型、性能与特点,一次动力机械：水轮机、汽轮机、内燃机（柴油机、汽油机）二次动力机械：电动机、液压马达、气动马达特殊动力装置：电场、磁场、太阳能、氢能,常用二次动力机械的类型、性能与特点,机械系统设计,机械系统设计,二、常用动力机械的特性及其选配,13,2、动力机械选配原则和内容,1)原则：机械特性与负载特性匹配；满足系统全工作周期要求；满足环境要求；性价比高。,2)基本内容与步骤：确定负载特性；确定工作机工作制度
5、；选择动力机械的类型；确定动力机械转速和容量；确定动力机械数量；动力系统综合评价。,机械系统设计,二、常用动力机械的特性及其选配,14,3、动力机械的功率估算,机械系统设计,三、执行系统设计,15,1、执行系统的组成,机械系统设计,三、执行系统设计,16,2、执行系统设计需要考虑的问题,运动要求动力要求可靠性和寿命要求体积和质量要求安全性要求经济性要求环境适应性和环保要求产品外观要求其它特殊要求精度稳定性、防腐防锈、防污染,机械系统设计,三、执行系统设计,17,3、执行机构创新设计,机械系统设计,三、执行系统设计,18,3、执行机构创新设计,机械系统设计,四、传动方案设计及评价1、传动装置的作
6、用 1）增/减速/调速：速度匹配；2）改变运动形式和方向：运动匹配；3）改变驱动力的大小：动力匹配；4）分配动力和运动：如差速器、变速箱等 5）实现特殊目的，如减小尺寸，直升机传动装置、舰船动力传动装置等,19,机械系统设计,四、传动方案设计及评价2、传动装置的参数 1）总传动比I总；2）总功率P总;3）总传动转距T总；4）圆周速度等,20,机械系统设计,四、传动方案设计及评价3、传动装置的类型及选择,21,按工作原理分,机械系统设计,四、传动方案设计及评价3、传动装置的类型及选择,22,按改变传动的可能性分类,机械系统设计,四、传动方案设计及评价4、传动方案的拟定原则和传动类型的选择,23,
7、各种传动形式的特点、性能和适用范围,机械系统设计,三、传动方案设计及评价4、传动方案的拟定原则和传动类型的选择,24,各种传动形式的特点、性能和适用范围,四、传动方案设计及评价4、传动方案的拟定原则和传动类型的选择,各种传动形式的特点、性能和适用范围,机械系统设计,四、传动方案设计及评价5、选择传动方案时应考虑的问题,机械系统设计,1）大功率、高强度、长期工作的工况，宜用齿轮传动。2）低速、大传动比、可用单级蜗杆传动和多级 齿轮传动，也可采用带齿轮传动；带齿轮链传动，但带宜放在高速级，链放在低速级。3）带传动多用于平行轴传动，链只能用于平行轴传动，齿轮可用于各向轴线传动，蜗杆常用于空间垂直交错
8、轴传动。4）带传动可缓冲吸振，同时还有过载保护作用，但因摩擦生电，不宜用于易燃、易爆的场合。5）链传动、闭式齿轮传动和蜗杆传动，可用于高温、潮湿、粉尘、易燃、易爆的场合。,6）有自锁要求时宜用螺旋传动或蜗杆传动。7）改变运动形式的机构（连杆、凸轮）应布置在运动系统的末端或低速级。8）一般外廓尺寸较大的传动（如带）和传动能力较低的传动（如锥齿轮），分配给较小的传动比。9）小功率机械宜用结构简单、标准化高的传动，如减速器、液压缸、带传动、链传动。,三、传动方案设计及评价5、选择传动方案时应考虑的问题,机械系统设计,机械系统设计,传动系统设计方案实例,实例1飞剪机传动方案的拟定与评价 设计剪铁机实现
9、活动刀口开合运动传动方案，要求刀剪每分钟摆动23次，电机功率7.5kW,电机转速720r/min。,解：工作轴转速nw=23r/min（亦即活动刀剪每 分钟往复摆动次数）,总传动比：,机械系统设计,通过分析比较选择最优方案 a)和f),机械系统设计,传动系统设计方案实例,实例2设计提式悬挂输送机,机械系统设计,其它传动方案:电动机带传动无级变速器蜗杆及圆柱齿轮（传动）减速器开式锥齿轮传动此方案蜗杆转速比方案2的蜗杆转速高，因而效率较高，但齿轮速度低，尺寸较大，且大锥齿轮加工困难。,机械系统设计,方案2、电动机带传动无级变速器圆柱齿轮及蜗杆（传动）减速器开式锥齿轮传动齿轮尺寸显著减小，减速器重量
10、较轻。但有一个大锥齿轮，而大锥齿轮加工较困难,机械系统设计,方案3、电动机带传动无级变速器立式蜗杆减速器开式圆柱齿轮传动 采用立式蜗杆减速器，避免了大锥齿轮，由于圆柱齿轮传动比较大，减速器用一级蜗杆即可。但立式蜗杆减速器润滑较复杂,机械系统设计,方案4、电动机带传动无级变速器圆锥齿轮减速器全闭式传动，寿命长，尺寸小，但成本高,机械系统设计,机械系统设计,五、机械系统的匹配性设计1）五大子系统之间的匹配性设计2）结构和功能相匹配的设计原则（轴肩定位高度、定位长度）3）结构和精度相匹配的设计原则 结构最简单，变形最小，基准面统一，粗精分离，误差补偿4）结构和强度相匹配的设计原则 等强度，内部力平衡
11、，力分配合理,36,机械系统设计,五、机械系统的匹配性设计4）结构和工艺方法匹配性设计 减少加工面（凸台和沉头孔）齿轮毛坯与结构设计 工艺和精度匹配5）其它方面匹配性设计 人机工程操作方便，减少疲劳 造型工业设计 全寿命周期,37,机械系统设计,五、机械系统的匹配性设计,38,机械系统设计,五、机械系统的匹配性设计,39,机械系统设计,六、机械系统的总体布置,40,1）使工作对象的工艺顺序合理2）有利于保证系统的动态性能3）结构紧凑、层次清晰4）充分考虑宜人性5）便于产品系列化、改型换代和组成生产线需要6）比例协调,根据工艺动作的协调关系先布置执行系统，然后依次布置传动系统、动力系统、操作控制
12、系统，最后采用合适的支承形式。,机械系统设计,六、机械系统的总体布置,爱固斯坦 26岁 狭义相对论 37岁 广义相对论；爱迪生 29岁 留声机 3I岁 电灯居里夫人 31岁 放射性元素 诺贝尔奖 46岁 第二次诺贝尔奖；贝尔 29岁 电话李政道 30岁杨振宁 34岁 弱相互作用下宇称不守恒定律,机械创新设计,一个人的知识水平决定了这个人事业创新的起点，其知识结构决定了其创造发展的方向与领域，其学习与创新能力决定其创造自我价值的大小。随着知识经济的兴起，知识存量的改变迅速加快，知识的新颖性很快就趋于消失，知识的报废率大大提高，社会对知识的需求更加趋于多样化。创新者必须广泛、大量、迅速地从传统知识
13、中，学习必要而有用的知识，拓宽自己的知识领域，构建合理的知识结构，培养自己的创新意识，才能适应知识经济的迅速发展的要求，有所作为，有所创新。,机械创新设计,PAPPIIPassion 激情Action 行动Productivity 生产率Perseverance 毅力Innovation 创新Integrity 诚信,1、传统设计法 1)直觉设计 2)类比设计 3)经验设计 4)半经验设计2、现代设计法 1)程式性 2)创造性 3)系统性 4)优化性 5)综合性 6)先进性,机械创新设计方法,机械创新设计的类型,开发设计是一种从提出方案到完成设计全过程都是全新的、探索性的创新设计。反求设计是在
14、消化、吸收了先进产品的关键技术基础上开发同类型新产品的创新设计。变异设计是在已有产品的基础上针对原有设计的缺点或不足，或针对新提出的要求，从工作原理、机构、结构、参数、尺寸等内容进行变化，开发适应新要求的新产品的创新设计。,创新思维与创造原理,一、逻辑思维与非逻辑思维,二、创造原理1、组合原理(同类、异类、附加、重组、综合)2、还原原理（冷冻锚、潜水泵）3、逆反原理（田忌赛马 滚梯）4、移植原理5、迂回原理6、群体原理7、完美原理,创新思维与创造原理,创新设计实例：自行车,氢气驱动的摩托自行车,创新设计实例：自行车,创新设计实例：自行车,创新设计实例：自行车,思维定势,书本定势 经验定势 权威
15、定势,有笼必有鸟,狗鱼综合症,阿西莫夫的智商 警察打猎,猴子实验群体惯性,大象的悲剧惰性思维,（1）视自己为创造天才；（2）倾听自己的潜意识；（3）改变步调（4）改变视野（5）再找一个答案；（6）学拉小提琴；（7）常常诘问自己；（8）相信永远有可行之道；（9）组织脑力激荡小组；（10）化创意为行动。,激发创造力的方法,英国发明超薄“纳米片”制备方法最大太阳能飞机首次跨国飞行成功 瑞士科学家成功“抓住”反物质原子长达一千秒 欧洲核子研究中心美国研制出世界上第一束生物激光 哈佛美国研制成功反激光器 美国“好奇”号火星探测器发射升空 晶体中量子纠缠态信息存储成功 中外科学家完成马铃薯基因组测序 日本研制出世界最快计算机 1万万亿次/S荷兰制造出世界最小分子“电动车,世界十大科技进展-2011,世界十大科技进展-2010,科学家设计出分子发动机 科学家研制出世界最小的纳米电动机 碳纳米管，直径约为500纳米以、美科学家研制成能够停止或暂停的分子马达 美超音速飞机创飞行时速超万公里新纪录 NASA X-43A 11260km/h 超音速冲压喷射引擎技术直接从空气中获取氧气,
