机械系统设计总体设计（一）课件

机械系统设计机械系统设计机械系统设计第二章 机械系统总体设计1产产品品设设计计明确任务要求明确任务要求功能分析功能分析搜寻解法搜寻解法方案综合方案综合决策决策 确定最佳原理解确定最佳原理解功能面变形功能面变形构形构形联接变形联接变形材料变形材料变形定材料、尺寸定材料、尺寸最佳结构总装配图最佳结构总装配图部件装配图部件装配图零件图零件图设计任务书设计任务书要求明细表要求明细表评价评价评价评价试试 制制各种技术文件各种技术文件原理图原理图总装配图总装配图零部件图样零部件图样技术文件技术文件功能原理功能原理方案设计方案设计阶阶段段结构总结构总体设计体设计阶段阶段技术设技术设计阶段计阶段产品设计明确任务要求功能分析搜寻解法方案综合决策 确定最佳2 机械系统总体设计机械系统总体设计 机械系统总体设计的内容：机械系统总体设计的内容：1.1.机械系统功能原理设计机械系统功能原理设计;2.2.总体布局（各子系统如动力系统、传动系统、总体布局（各子系统如动力系统、传动系统、执行系统、操纵和控制系统等之间的相互关系）执行系统、操纵和控制系统等之间的相互关系）;3.3.主要技术参数（如尺寸参数、运动参数和主要技术参数（如尺寸参数、运动参数和动力参数等）的确定动力参数等）的确定;4.4.技术经济分析技术经济分析等。等。机械系统总体设计 机械系统总体设计的内容：3 机械系统总体设计机械系统总体设计p2.1 2.1 机械系统的功能原理设计机械系统的功能原理设计p2.2 2.2 结构总体设计结构总体设计 机械系统总体设计2.1 机械系统的功能原理设计42.1 2.1 机械系统的功能原理设计机械系统的功能原理设计一、功能的定义及其分类一、功能的定义及其分类1.1.定义：定义：功能是系统必须实现的任务，或者说是系功能是系统必须实现的任务，或者说是系统具有转化能量、运动或其他物理量的特性。统具有转化能量、运动或其他物理量的特性。2.2.分类：分类：功能功能附加功能附加功能必要功能必要功能非必要功能非必要功能基本功能基本功能2.1 机械系统的功能原理设计一、功能的定义及其分类功能附5功能与产品功能与产品p产品是功能的实现形式，企业通过产品设计来满产品是功能的实现形式，企业通过产品设计来满足用户的需要。足用户的需要。整体功能整体功能功能部件功能部件元件功能元件功能元件功能元件功能元件元件元件元件部件部件产品产品功能部件功能部件元件功能元件功能元件功能元件功能元件元件元件元件部件部件功能与产品产品是功能的实现形式，企业通过产品设计来满足用户的6自行自行车系系统输入输入输出输出支架支架驱动驱动变速变速控制控制转向转向制动制动车轮车轮转转动动自行车系统输入输出支架驱动变速控制转向制动7结构式功能系统图实例结构式功能系统图实例自行车中轴系统中轴左右脚蹬链条飞轮滚珠车架车把前叉车座车闸系统衣 货 架车轴轴套辐条轮圈内胎前后轮系统外胎滚珠代步、载货传递力矩固定足蹬转变动力传递力矩单向传递力矩减少摩擦连接各部件、构成车体控制方向连接前轮承载乘员减低速度承载货物固定车轮与轴配合承受拉力支撑车胎保持气压承重、转动承受压力、摩擦减少摩擦自行车的结构与自行车的结构与结构式功能系统图结构式功能系统图结构式功能系统图实例自行车中轴系统中轴左右脚蹬链条飞8二、功能原理设计及特点二、功能原理设计及特点p功能原理设计功能原理设计:针对所设计产品的主要功能提出一针对所设计产品的主要功能提出一些些原理性的构思原理性的构思原理性的构思原理性的构思，亦即针对产品的主要功能进行，亦即针对产品的主要功能进行原原原原理性设计理性设计理性设计理性设计。p功能原理方案设计的任务功能原理方案设计的任务：针对某一确定的功能要：针对某一确定的功能要求，去寻求一些物理效应并借助某些作用原理来求求，去寻求一些物理效应并借助某些作用原理来求得一些实现功能目标的解法原理；得一些实现功能目标的解法原理；或者说，功能原理设计的主要工作内容是：或者说，功能原理设计的主要工作内容是：构构构构思能实现功能目标的新的解法原理思能实现功能目标的新的解法原理思能实现功能目标的新的解法原理思能实现功能目标的新的解法原理。二、功能原理设计及特点功能原理设计:针对所设计产品的主要功能9二、功能原理设计及特点二、功能原理设计及特点p思路要广阔，呈发散状。思路要广阔，呈发散状。http:/ p把技术系统看成一个黑箱，其输入和输出用信息流把技术系统看成一个黑箱，其输入和输出用信息流S S、能量流、能量流E E和物料流和物料流M M来描述；输出用相应的来描述；输出用相应的SS、EE、MM来描述。来描述。来自外界的影响来自外界的影响对外界的影响对外界的影响p通过通过“黑箱黑箱”与与输入、输出量及周输入、输出量及周围环境的信息联系，围环境的信息联系，了解系统（产品）了解系统（产品）的功能、特性，进的功能、特性，进一步探索出系统的一步探索出系统的机理和结构，逐步机理和结构，逐步使使“黑箱黑箱”透亮，透亮，直至方案拟定。直至方案拟定。黑箱法 把技术系统看成一个黑箱，其输入和输出用信息流S、能量14三、功能原理设计的设计方法三、功能原理设计的设计方法“黑箱法黑箱法”p“黑箱法黑箱法”-根据系统的输入、输出关系来研根据系统的输入、输出关系来研究实现系统功能目标的一种方法，即根据系统的究实现系统功能目标的一种方法，即根据系统的某种输入及要求获得某种输出的功能要求，从中某种输入及要求获得某种输出的功能要求，从中寻找出某种物理效应或原理来实现输入寻找出某种物理效应或原理来实现输入输出之输出之间的转换，得到相应的解决办法，从而推求出间的转换，得到相应的解决办法，从而推求出“黑箱黑箱”的功能结构，使的功能结构，使“黑箱黑箱”逐渐变成逐渐变成“灰箱灰箱”、“白箱白箱”的一种方法。的一种方法。黑箱黑箱白箱白箱灰箱灰箱输入输入输出输出三、功能原理设计的设计方法“黑箱法”“黑箱法”-根据系15例：硬币计数包卷机例：硬币计数包卷机 p一台硬币计数包卷机，它一台硬币计数包卷机，它的功能是用来整理、清点、的功能是用来整理、清点、计数，最后按一定的枚数计数，最后按一定的枚数将硬币用纸包卷起来或装将硬币用纸包卷起来或装入袋内。入袋内。p用黑箱法描述的硬币用黑箱法描述的硬币机的总功能。机的总功能。例：硬币计数包卷机 一台硬币计数包卷机，它的功能是用来整理、16硬币机功能分解硬币机功能分解p一般的机械执行系统都比较复杂，难以直接求得一般的机械执行系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的原理解。如果利用系统工程分解的满足总功能的原理解。如果利用系统工程分解的原理，将总功能进行分解，则可化繁为简。原理，将总功能进行分解，则可化繁为简。p如硬币计数包卷机可分解为图中所示的的如硬币计数包卷机可分解为图中所示的的7 7个分个分功能，各功能单元具有一定的独立性。功能，各功能单元具有一定的独立性。硬币机功能分解一般的机械执行系统都比较复杂，难以直接求得满足17硬币机功能分解硬币机功能分解1.1.硬币堆放、输送功能单元硬币堆放、输送功能单元 2.2.硬币排列、分选、挑残功硬币排列、分选、挑残功能单元能单元 3-3-硬币分选计数功能单元硬币分选计数功能单元 4-4-硬币堆码、整理功能单元硬币堆码、整理功能单元 5-5-送纸、撕纸功能单元送纸、撕纸功能单元 6-6-硬币包卷功能单元硬币包卷功能单元 7-7-卷边功能单元卷边功能单元 硬币机功能分解 1.硬币堆放、输送功能单元 2.硬币18功能分解功能分解p功能分解功能分解可表示为树状的功能结构，称为可表示为树状的功能结构，称为功能树。功能树起于总功能，按分功能、二级分功能功能树起于总功能，按分功能、二级分功能分分解，末端为功能元。解，末端为功能元。功能元是可以直接求解的系统功能元是可以直接求解的系统功能元是可以直接求解的系统功能元是可以直接求解的系统最小组成单元最小组成单元最小组成单元最小组成单元。总功能总功能分功能分功能1分功能分功能n二级分功能二级分功能1二级分功能二级分功能m功能树功能树.功能分解功能分解可表示为树状的功能结构，称为功能树。功能树起19家用缝纫机的功能分解家用缝纫机的功能分解p如家用缝纫机的功能分解：家用缝纫机的总功能是缝制衣如家用缝纫机的功能分解：家用缝纫机的总功能是缝制衣物。要用多个分功能才能综合实现其总功能，具体分解如物。要用多个分功能才能综合实现其总功能，具体分解如下：下：家用缝纫机的功能分解如家用缝纫机的功能分解：家用缝纫机的总功201.1.功能元功能元p由于一个系统可以分解成一些子系统，所以，一个由于一个系统可以分解成一些子系统，所以，一个系统的总功能也能分解为一些分功能；如果有些分系统的总功能也能分解为一些分功能；如果有些分功能还太复杂，则还可以进一步分解到更低更层次功能还太复杂，则还可以进一步分解到更低更层次的分功能，直到分解到最后的分功能，直到分解到最后不能再分解的基本功能不能再分解的基本功能不能再分解的基本功能不能再分解的基本功能单位单位单位单位为止，这个基本功能单位就叫为止，这个基本功能单位就叫功能元功能元。p功能元功能元是能直接从是能直接从技术效应技术效应（如物理效应、化学效（如物理效应、化学效应等）及应等）及逻辑关系逻辑关系中找到可以满足功能要求的最小中找到可以满足功能要求的最小单位。单位。p机械设计中常用的基本功能元有机械设计中常用的基本功能元有物理功能元、数学物理功能元、数学功能元和逻辑功能元功能元和逻辑功能元。四、功能元、功能结构四、功能元、功能结构 1.功能元四、功能元、功能结构 21（1）物理功能元）物理功能元物理功能元物理功能元反映系统中能量流、物料流及信息流的反映系统中能量流、物料流及信息流的基本物理动作。基本物理动作。“变换变换”功能元功能元包括各种类型能量之间的转变、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；及信号种类的转换等；“放大、缩小放大、缩小”功能元功能元是指各种能量、信号向是指各种能量、信号向量（如力、速度）、物理量的放大和缩小及物料量（如力、速度）、物理量的放大和缩小及物料性质的缩放（如压敏材料电阻随外压的变化等）；性质的缩放（如压敏材料电阻随外压的变化等）；（1）物理功能元物理功能元反映系统中能量流、物料流及信息流的22（1）物理功能元）物理功能元物理功能元物理功能元反映系统中能量流、物料流及信息流的基反映系统中能量流、物料流及信息流的基本物理动作。本物理动作。“合并、分离合并、分离”功能元功能元是指包括能量流、物料是指包括能量流、物料流及同一性质或不同性质的信息流在数量上的结流及同一性质或不同性质的信息流在数量上的结合或分离；合或分离；“传导、绝缘传导、绝缘”功能元功能元是反映能量流、物料流、是反映能量流、物料流、信息流的位置变化的。信息流的位置变化的。“贮存贮存”功能元功能元是体现三大流在一定时间范围是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、光盘等内保存的功能，如弹簧、电池、录音带、光盘等的贮存。的贮存。（1）物理功能元物理功能元反映系统中能量流、物料流及信息流的23（1）物理功能元）物理功能元（1）物理功能元24（2 2）数学功能元）数学功能元主要用于机械系统中有一些与数学的主要用于机械系统中有一些与数学的加加、减减、乘乘、除除等有关的功能要求，如差动轮系、求积仪、机械式等有关的功能要求，如差动轮系、求积仪、机械式计算机等。计算机等。（2）数学功能元主要用于机械系统中有一些与数学的加、减、乘、25（3 3）逻辑功能元）逻辑功能元主要用于信息及控制系统中，基本的逻辑功能元有主要用于信息及控制系统中，基本的逻辑功能元有“与与”、“或或”、“非非”元。元。（3）逻辑功能元主要用于信息及控制系统中，基本的逻辑功能元有262.功能结构功能结构将总功能分解成将总功能分解成分功能分功能分功能分功能，并相应找出实现各分功能，并相应找出实现各分功能的原理方案，从而简化了实现总功能的原理构思。的原理方案，从而简化了实现总功能的原理构思。反之，同一层次的功能单位组合起来，应能满足上反之，同一层次的功能单位组合起来，应能满足上层功能的要求，最后组合成的整体应能满足总功能层功能的要求，最后组合成的整体应能满足总功能要求。要求。这种功能的分解和组合关系称为这种功能的分解和组合关系称为这种功能的分解和组合关系称为这种功能的分解和组合关系称为功能结构功能结构功能结构功能结构。串联结构串联结构串联结构串联结构又称链式结构，它表示各分功能之间又称链式结构，它表示各分功能之间是按顺序依次进行的。是按顺序依次进行的。并联结构并联结构并联结构并联结构其几个分功能处于并联关系，几个分其几个分功能处于并联关系，几个分功能同时起作用才能实现预期的功能。功能同时起作用才能实现预期的功能。循环结构循环结构循环结构循环结构又称环状结构，起反馈作用。又称环状结构，起反馈作用。F1F2F3F2F3F1F1F2F32.功能结构将总功能分解成分功能，并相应找出实现各分功能的原27在建立功能结构图时应注意：在建立功能结构图时应注意：建立系统功能结构图的方法有两种：建立系统功能结构图的方法有两种：一是从总功能出发来层层分解；一是从总功能出发来层层分解；二是先建立输入、输出两端的分功能，再根据总功二是先建立输入、输出两端的分功能，再根据总功能要求将两端联接起来；能要求将两端联接起来；建立功能结构图时，应首选所列的建立功能结构图时，应首选所列的基本功能元基本功能元；功能结构图应尽可能简单，能找到相应的技术效功能结构图应尽可能简单，能找到相应的技术效应时就不要再继续分解下去了；应时就不要再继续分解下去了；要把原理方案构思同功能结构图的建立结合起来。要把原理方案构思同功能结构图的建立结合起来。在建立功能结构图时应注意：建立系统功能结构图的方法有两种：283.建立功能结构图的流程建立功能结构图的流程技术过程结构技术过程结构确定系统的总功能确定系统的总功能划分分功能及功能元（功能分解）划分分功能及功能元（功能分解）建立功能结构图建立功能结构图功能结构图评比功能结构图评比最优功能结构图最优功能结构图3.建立功能结构图的流程技术过程结构确定系统的总功能划分分功29材料拉伸试验机的功能结构图材料拉伸试验机的功能结构图力变形测量力变形测量力变形测量力变形测量试件夹持和松开试件夹持和松开夹头移动夹头移动信号获取信号获取信号放大信号放大力显示力显示信号获取信号获取信号放大信号放大变形显示变形显示开机开机停机停机自动停机自动停机试件拉伸试件拉伸力测量力测量变形测量变形测量动作控制动作控制材料拉伸试验机的功能结构图力变形测量试件夹持和松开试件拉伸30五、功能元（分功能）求解五、功能元（分功能）求解功能元求解功能元求解是是寻找或创造实现总功能或分功能的寻找或创造实现总功能或分功能的载体，完成功能元要求的运动指标。载体，完成功能元要求的运动指标。功能元的功能元的求解方法求解方法主要有主要有：参考有关资料、专刊或产品求解法；参考有关资料、专刊或产品求解法；利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法；利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法；利用设计目录求解法。利用设计目录求解法。设计目录设计目录设计目录设计目录是把实现某种功能元的各种原理和结是把实现某种功能元的各种原理和结构综合在一起的一种表格或分类资料。构综合在一起的一种表格或分类资料。五、功能元（分功能）求解功能元求解是寻找或创造实现总功能31机械系统设计总体设计（一）课件32六、系统原理方案的综合六、系统原理方案的综合把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。组合的方法可以采用到一个系统的多个原理解。组合的方法可以采用形形态矩阵法态矩阵法。形态矩阵法形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出别作为纵、横坐标，列出“功能求解矩阵功能求解矩阵”，然后，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以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。构成一个系统解的方法。六、系统原理方案的综合 把各种功能元的局部解合理地予以组331.形态矩阵的组成 形态学矩阵形态学矩阵是表达方案综合的一种较为清晰的形式。是表达方案综合的一种较为清晰的形式。由每个分功能解中挑选一个解，经过组合可以形成一由每个分功能解中挑选一个解，经过组合可以形成一个包括全部分功能的整体方案。理论上，可以组成整个包括全部分功能的整体方案。理论上，可以组成整体方案的数量，为体方案的数量，为各行解法个数的连乘积各行解法个数的连乘积各行解法个数的连乘积各行解法个数的连乘积。形态学矩阵形态学矩阵分功能分功能可能的解法可能的解法1 12 23 3ijkA AA1A2A3A iB BB1B2B3B j N NN1N2N3Nk1.形态矩阵的组成 形态学矩阵是表达方案综合的一34六、系统原理方案的综合六、系统原理方案的综合把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。组合的方法可以采用统的多个原理解。组合的方法可以采用形态矩阵法形态矩阵法。形态矩阵法形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出横坐标，列出“功能求解矩阵功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出，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。一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。1、相容性矩阵、相容性矩阵为了便于检验和了解有联系的分功能（功能元）之间的相容为了便于检验和了解有联系的分功能（功能元）之间的相容性，可以列出相容性矩阵。性，可以列出相容性矩阵。2、选择表、选择表对于复杂的问题，从模幅箱中筛选有价值的组合方案，可对于复杂的问题，从模幅箱中筛选有价值的组合方案，可以采用选择表。以采用选择表。六、系统原理方案的综合 把各种功能元的局部解合理地予以组合352.2.形形态学矩学矩阵的要点的要点 尽可能多列分功能解法。尽可能多列分功能解法。对复杂机械，先建立各分功对复杂机械，先建立各分功能的形态学矩阵，分别考虑局部方案，再综合为总体方案。能的形态学矩阵，分别考虑局部方案，再综合为总体方案。相相容容性性。分分功功能能解解法法之之间间必必须须相相相相容容容容，否否则则不不能能组组合合。审审核其核其物理学原理上的相容性和动力性能的匹配性物理学原理上的相容性和动力性能的匹配性物理学原理上的相容性和动力性能的匹配性物理学原理上的相容性和动力性能的匹配性。舍舍弃弃明明显显不不合合理理的的解解法法。检检验验其其技技技技术术术术的的的的可可可可行行行行性性性性、经经经经济济济济性性性性、运运运运动动动动性性性性能能能能和和和和尺尺尺尺寸寸寸寸的的的的适适适适宜宜宜宜性性性性等等方方面面。不不满满足足设设计计要要求求和和约约束束条条件件的的应应舍舍弃弃，例例：成成本本偏偏高高、效效率率低低、污污染染严严重重、不不安安全、加工困难。全、加工困难。优优先先选选用用主主主主要要要要分分分分功功功功能能能能的的较较好好解解法法。由由该该解解法法出出发发，选择与它相容的其它分功能解法。选择与它相容的其它分功能解法。特特别别注注意意防防止止按按旧旧框框框框设设计计。要要处处理理好好继继承承与与创创新新的的矛盾。矛盾。2.形态学矩阵的要点 尽可能多列分功能解法。对复杂机械，363.挖掘机的方案设计1）明确任务要求）明确任务要求2）功能分析）功能分析确定总功能：确定总功能：挖掘机的挖掘机的总功能总功能总功能总功能为为物料取移物料取移物料取移物料取移。挖掘机挖掘机能量（力、速度）能量（力、速度）物料（装车）物料（装车）信号信号能量（驱动）能量（驱动）物料（待装物料（待装）信号信号挖掘机挖掘机总功能分解：总功能分解：3.挖掘机的方案设计1）明确任务要求挖掘机能量（力、速度）物373.挖掘机的方案设计3）各功能元解及形态学矩阵）各功能元解及形态学矩阵挖掘机的形态学矩阵挖掘机的形态学矩阵 分功能分功能可能的解法可能的解法1 12 23 34 45 56 6A(A(动力源动力源)电动机电动机汽油机汽油机柴油机柴油机蒸汽透平蒸汽透平液动机液动机气动马达气动马达B(B(移位传动移位传动)齿轮传动齿轮传动蜗杆传动蜗杆传动 带传动带传动链传动链传动液力耦合器液力耦合器C(C(移位移位)轨道及车轮轨道及车轮轮轮 胎胎履履 带带气气 垫垫D(D(取物传动取物传动)拉扦拉扦绳传动绳传动气缸传动气缸传动 液压缸传动液压缸传动E(E(取放物取放物)挖斗挖斗 抓斗抓斗钳式斗钳式斗3.挖掘机的方案设计3）各功能元解及形态学矩阵挖掘机的形态学38挖掘机的方案设计挖掘机的方案设计4）方案组合）方案组合可能组合的方案数可能组合的方案数N=65443=1440不同的组合（相容性矩阵与选择表）可以得到不同的不同的组合（相容性矩阵与选择表）可以得到不同的方案如：方案如：A3-B4-C3-D2-E1履带式挖掘机履带式挖掘机A5-B5-C2-D4-E2液压轮胎式挖掘机液压轮胎式挖掘机挖掘机的方案设计4）方案组合可能组合的方案数 N39挖掘机的方案设计挖掘机的方案设计通过形态学矩阵虽然可以得到许多方案，但不是通过形态学矩阵虽然可以得到许多方案，但不是所有的方案都具有实际意义，也不是所有的功能元所有的方案都具有实际意义，也不是所有的功能元解都能互相匹配和适应。因此，应首先根据解都能互相匹配和适应。因此，应首先根据不相容不相容不相容不相容性和设计边界条件的限制性和设计边界条件的限制性和设计边界条件的限制性和设计边界条件的限制删去不可行方案和明显不删去不可行方案和明显不理想的方案，选择较好的几个方案，然后通过综合理想的方案，选择较好的几个方案，然后通过综合评价的方法进行比较、优化，最后求得最佳方案。评价的方法进行比较、优化，最后求得最佳方案。方法：方法：相容性矩阵相容性矩阵 选择表选择表 挖掘机的方案设计 通过形态学矩阵虽然可以得到许多方案，404.功能原理设计的步骤功能原理设计的步骤第一步：明确设计要求第一步：明确设计要求第二步：功能分析第二步：功能分析总功能：建立黑箱模型总功能：建立黑箱模型总功能分解总功能分解第三步：功能元求解第三步：功能元求解第四步：功能元解的组合第四步：功能元解的组合第五步：评价与决策第五步：评价与决策:（评价表）（评价表）4.功能原理设计的步骤第一步：明确设计要求41总功能总功能功能元解功能元解功能原理方案功能原理方案最佳功能原理方案最佳功能原理方案明确任务明确任务黑箱法黑箱法功能树功能树创造法创造法形态学矩阵形态学矩阵评价法评价法功能元功能元总功能功能元解功能原理方案最佳功能原理方案明确任务黑箱法功能42习题与思考习题与思考 作业作业P59P59：2 2、3 3、4 4；习题与思考 作业P59：2、3、4；43