机械系统设计第2章

第第2 2章章 总体设计总体设计 2.1 总体设计概述总体设计概述 2.2 原理方案设计原理方案设计 2.3 方案评价方案评价2.4 结构总体设计结构总体设计 习题与思考题习题与思考题2.1 2.1 总体设计概述总体设计概述1.1.需求原则需求原则 用户对产品功能的需要。 2.2.信息原则信息原则 市场需求信息、用户使用信息、设计技术信息、制造工艺信息等。 3.3.系统原则系统原则 产品是一个完整的系统，系统内各子系统之间的有机联系构成系统整体。 4.4.简单原则简单原则 使产品结构简单，零部件数目少。第2章 总体设计 总体设计是产品设计的关键，是技术设计、工作设计和文档设计的依据，对产品的技术性能、经济指标和外观造型等具有决定性意义。 2.1.1 2.1.1 总体设计的原则总体设计的原则 2.1.2 2.1.2 总体设计的内容与步骤总体设计的内容与步骤 机械系统的类型：加工机械、工程机械、电工机械、运输机械、矿山机械、林业机械、农业机械、纺织机械、食品机械、制药机械、包装机械、装配机械、测试仪器等。 1.1.总体设计的内容总体设计的内容 1)1)原理方案设计原理方案设计 确定产品的功能原理方案构思。 2)2)确定主要技术参数确定主要技术参数 尺寸参数、运动参数和动力参数等。 3)3)结构总体设计结构总体设计 结构总体布局、系列化和通用化、总体结构图等。 4)4)分析与评价分析与评价 技术性、经济性和社会性。 第2章 总体设计2.2.总体设计的步骤总体设计的步骤 1)1)拟定设计要求拟定设计要求 根据市场调查和需求信息，结合产品的发展规划和设计任务，拟定出符合实际需要的设计要求。 2)2)初步设计初步设计 完成机械产品的整体构思和总体初步设计的过程。主要包括：研究设计任务、分析产品的功能、原理方案设计、方案分析与评价、确定主要技术参数、绘制结构草图等。 3)3)详细设计详细设计 机械产品总体结构设计的过程。主要包括：结构的总体布局、主要零部件的选择、确定主要结构尺寸、绘制总体结构图等。 4)4)修改和完善修改和完善 在机械产品的全生命周期内。第2章 总体设计2.2 2.2 原理方案设计原理方案设计 1.1.需求与设计的关系需求与设计的关系 需求是人类对客观世界的某种不满，体现为人类在生产或生活中的物质或精神需要。 显性需求：显性需求：人们都知道的需求； 隐性需求：隐性需求：没有意识到，但客观存在的需求。 需求的发现和满足既是产品设计的起源，也是需求的发现和满足既是产品设计的起源，也是产品设计的归宿。产品设计的归宿。 是指针对机械产品的主要功能所提出的原理性构思，即实现机械产品功能的原理设计。 2.2.1 2.2.1 需求与功能需求与功能 第2章 总体设计1)1)需求的分类需求的分类按需求性质划分：按需求性质划分：物质需求和精神需求； 按需求特征划分：按需求特征划分：功能型、经济型、节能型和环保型等；按需求目的划分：按需求目的划分：生活需求(生存需求和享受需求)和生产需求。 2)2)需求的基本特征需求的基本特征多样性多样性 用户会有不同的需求；可变性可变性 随着社会发展、经济水平提高、人们观念更新、社会环境变化而发生改变和拓展；差异性差异性 由于经济平衡、环境不同和使用条件差别等因素影响，市场需求也会存在很大差异；周期性周期性 会出现周期重复现象(质和量的变化)。第2章 总体设计2.2.功能功能 是指对某一产品特定工作能力的抽象化描述。 功能表达：功能表达：一个动词一个动词 + 一个名词一个名词 例如例如： 椅子的功能 坐(动词) 人(名词) 手表的功能指示(动词)时间(名词) 自行车功能代替(动词)步行(名词) 功能功能可以理解为产品必须实现的工作任务产品必须实现的工作任务，它虽然与产品的功用、用途、性能和能力等概念有关联，但又不尽相同。 功能是机械产品或零部件担负的职能或起到的作用，任何机械产品都具备特定的功能。第2章 总体设计 1) 1)功能的分类功能的分类 按功能的性质划分：按功能的性质划分：基本功能与辅助功能。 基本功能基本功能 是指表现产品基本特征的功能。它是产品所具有的最基本、最重要的功能，是产品存在的必要条件。 辅助功能辅助功能 是指为辅助产品基本功能的实现而附加上去的功能。 例如例如： 自行车自行车基本功能基本功能是代步代步；车座、货物架、书包架等实现的载物功能载物功能是辅助功能辅助功能。 冰冰 箱箱基本功能基本功能是冷藏冷藏和冷冻食品冷冻食品；节能保温功节能保温功能能和分隔方便查找功能方便查找功能等则是冰箱的辅助功能辅助功能。 第2章 总体设计 按重要程度划分：按重要程度划分：必要功能和非必要功能。 必要功能必要功能 是指产品必须具有的功能。它将直接影响到大多数用户对产品的满意程度。 非必要功能非必要功能 是指产品可有可无的功能。 例如例如： 自行车自行车代步功能代步功能和座骑功能座骑功能是必要功能；而货物架、书包架等实现的载物功能载物功能一般可以认为是辅助功辅助功能能。 冰冰 箱箱冷藏冷冻食品功能冷藏冷冻食品功能和保温功能保温功能是冰箱的必必要功能要功能；而分隔方便查找功能则是冰箱的非必要功能非必要功能。 第2章 总体设计 2) 2)功能分析的方法功能分析的方法 系统论：系统论：产品可以看作是技术系统技术系统； 控制论：控制论：由物质物质、能量能量和信息信息三大要素组成。 功能原理分析方法功能原理分析方法 图图2-12-1 黑箱法黑箱法 待设计系统是功能原理设计的主体，反映了产品的总功能总功能。总功能是指一个产品所能完成的工作任务。为简化问题，可示出基本功能或必要功能。 例如例如：普通车床普通车床 图图2-22-2 物质：物质：材料、毛坯、成品、液体和气体等； 能量：能量：电能、机械能、化学能、热能、光能、声能和核能等； 信息：信息：控制信号、控制信息、控制数据、各种测量值、显示值和波形等。 第2章 总体设计图2-1 待设计系统与输入、输出及外界之间的关系 第2章 总体设计图2-2 普通车床与输入、输出、及外界环境的关系 第2章 总体设计2.2.2 2.2.2 功能分析与原理方案求解功能分析与原理方案求解 一般设计过程一般设计过程 图图2-32-3 1. 1.功能元功能元 是指能够直接从技术效应(如物理效应、数学效应等)和逻辑关系中找到可以满足功能要求的最小单位。可用功能“行为”表述功能。 物理功能元物理功能元 反映技术系统中物质、能量和信息在传递和变换中的基本物理关系。一般包括：变换变换、放大与缩小放大与缩小、合并与分离合并与分离、传导与阻隔传导与阻隔、贮存贮存等。 数学功能元数学功能元 反映与数学计算相关的功能要求。包括：加加、减减、乘乘、除除、乘方乘方、开方开方、微分微分和积分积分等。 逻辑功能元逻辑功能元 反映系统中与逻辑运算相关的功能要求。包括：“与与”、“或或”、“非非”三种。 第2章 总体设计图2-3 功能分析与功能求解的设计过程 第2章 总体设计 2. 2.功能结构与功能树功能结构与功能树 1)1)功能结构功能结构 图图2-42-4 是指反映待设计系统各功能元相互关系，及物质、能量、信息的传递和转换过程的示意图。 例例2-1 2-1 建立材料拉伸实验机的功能结构。建立材料拉伸实验机的功能结构。 用用“黑箱黑箱”描述实验机总功能描述实验机总功能 图图2-5a2-5a 建立建立“第一层次第一层次”的功能结构的功能结构 图图2-5b2-5b 功能结构进一步分解功能结构进一步分解 图图2-5c2-5c 2) 2)功能树功能树 图图2-62-6 为简化功能分解表述过程，可以用功能树的形式来表达待设计系统的功能关系和功能元组成。 例如例如：加工中心的功能树加工中心的功能树 图图2-72-7 第2章 总体设计图2-4 功能结构示意 第2章 总体设计图2-5 材料拉伸实验机的功能结构 第2章 总体设计图2-5 材料拉伸实验机的功能结构 第2章 总体设计图2-6 功能树 第2章 总体设计图2-7 加工中心的功能树 第2章 总体设计 3. 3.功能元求解功能元求解 功能元求解就是找出可以实现每个功能元功能的功能载体，即把功能元转化为合适的机构型式。 1)1)目录求解法目录求解法 用矩阵表列出求解目录。 例如例如：四杆机构运动转换求解目录 表表2-12-1 一次增力功能元求解目录 表表2-22-2 2) 2)创新技法求解法创新技法求解法 用创新技法构思出新机构。 例例2-2 2-2 设计手动装订打孔机原理方案。设计手动装订打孔机原理方案。要求:手柄转动，打孔针直线往复运动，用四杆机构，操作省力。 确定总功能确定总功能打孔 总功能分解总功能分解变换+放大 确定功能结构确定功能结构 功能元求解功能元求解采用目录求解法(查表2-1) 图图2-82-8 第2章 总体设计第2章 总体设计表2-1 四杆机构运动转换求解目录 表2-2 一次增力功能元求解目录 第2章 总体设计图2-8 手动装订打孔机的4种原理方案解 第2章 总体设计 查表2-1得，旋转运动变换为直线往复运动的有：2、4、7、9、11、12和13号共7种四杆机构； 查表2-2知，肘杆机构具有增力功效，即这7种四杆机构均具有增力功能。 4. 4.原理方案求解原理方案求解 形态学矩阵形态学矩阵 表表2-32-3 原理方案的数量：原理方案的数量： 筛选方法：筛选方法：相容性选择 优选较佳解 去除不理想解 例例2-3 2-3 设计汽车举升机的原理方案。设计汽车举升机的原理方案。 确定总功能确定总功能举升汽车 总功能分解、确定功能树总功能分解、确定功能树 图图2-92-9 功能元求解、原理方案求解功能元求解、原理方案求解 总数量：总数量： (种) 相容数量：相容数量： (种) 评价决策评价决策 如：如：A3+B1+C2+D1+E3+F1+G2+H1 为电动机械式双柱汽车举升机 第2章 总体设计ijkNNNN6 4 6 3 3 4 3 693312N 11 3 5 3 3 4 2 66480N 表2-3 形态学矩阵 第2章 总体设计图2-9 汽车举升机的功能树第2章 总体设计表2-4 汽车举升机的形态学矩阵 第2章 总体设计2.2.3 2.2.3 创新技法创新技法 创新设计方法是工程设计方法的重要组成部分，应贯穿于工程技术设计的全部过程中，是提高设计水平，增强产品竞争能力的根本措施和有力手段。 在长期的实践活动中，提出了各种各样的创新技法，归纳起来有300多种。 1.1.类比创新法类比创新法 在两对象(同类或非同类)之间比较。 拟人类比法、直接类比法、象征类比法、因果类比法、对称类比法、综合类比法等。 2.2.组合创新法组合创新法 将现有技术或产品通过功能、原理、结构等方面的组合变化形成新的技术构思或产品。 性能组合、原理组合、功能组合、结构重组、模块组合等。 第2章 总体设计 3. 3.头脑风暴法头脑风暴法 理论基础来源于群体动力学。群体动力学认为：在群体活动中，群体成员的行为具有自我激发和互相激发的特性。其本质特征是：鼓励即兴思维，推迟评价阶段的进行。 4.TRIZ4.TRIZ法法 是“发明问题解决理论”的俄文缩写，它由前苏联发明家阿奇舒勒于1946年创立。 TRIZ的核心是技术进化原理。按着这一原理，技术系统一直处于进化之中，解决矛盾是其进化的推动力。TRIZ大致可以分为：TRIZ的理论基础的理论基础、分析工具分析工具和知识数据库知识数据库3类。TRIZ的理论基础对产品创新具有指导作用；分析工具包括：矛盾矩阵、物-场分析、ARIZ发明问题解决算法等；知识数据库包括：矛盾矩阵(39个工程参数和40条发明原理)、76个标准解决方法等。 第2章 总体设计2.3 2.3 方案评价方案评价 1. 1.客观性原则客观性原则 评价人员应站在客观、公正的立场，实事求是地进行评价。 2.2.可比性原则可比性原则 被评价的方案之间在基本功能、基本属性和评价强度等方面应具有可比性。 3.3.合理性原则合理性原则 选择的评价指标应能够合理地反映预定的评价目标。 4.4.整体性原则整体性原则 评价指标应能够全面综合反映评价对象。 第2章 总体设计 分析评价是从多个设计方案中选择最佳设计方案的重要途径。 2.3.1 2.3.1 评价的原则评价的原则2.3.2 2.3.2 评价的目标评价的目标 1. 1.评价内容评价内容 1)1)技术评价技术评价 是指对评价对象在技术上的可行性和先进性的评价。通常包含：作用原理、技术参数、关键问题、操作使用等方面。 2)2)经济评价经济评价 是指与评价对象有关经济方面评估。通常包含：制造成本、使用成本、以及投资额和回报率等。 3)3)社会评价社会评价 是指评价对象实施后对社会带来的利益和影响。主要包含：是否符合国家的法律法规或国际惯例、是否有利于资源开发和节约能源、是否能推动技术进步和社会生产力、是否有助于生态平衡和改善环境污染等。 第2章 总体设计 2. 2.评价指标评价指标 评价指标应相互独立，避免重复评价。 功能功能 装配装配 作用原理作用原理 搬运搬运 性能性能 使用使用 结构结构 维修维修 安全可靠性安全可靠性 回收回收 人机学人机学 费用费用 加工制造加工制造 法律法律 检验检验 根据评价对象的要求，把上述评价指标细化为若干条，进行必要的删减或增加，然后逐条分别评价，最后对评价对象作出总的评价。 第2章 总体设计2.4 2.4 结构总体设计结构总体设计 1. 1.总体布置的基本要求总体布置的基本要求 功能要求功能要求 首先要满足实现特定功能的要求。 性能要求性能要求 必须保证机械产品所需要的精度、刚度、抗振性和热稳定性等性能指标。 结构要求结构要求 应力求：层次分明、结构紧凑。 工艺要求工艺要求 适应加工、装配、调整和检验等工艺性要求。 使用要求使用要求 从操作者的角度出发，尽量使得操作简便、省力、准确。 第2章 总体设计 结构总体设计的任务是把选定的原理方案转化为产品总体结构，即实现原理方案的结构化设计。 2.4.1 2.4.1 总体布置总体布置 2. 2.总体布置的基本类型总体布置的基本类型 按执行件的布置方向按执行件的布置方向 可分为水平式、直立式、倾斜式和复合式等； 按执行件的运动轨迹按执行件的运动轨迹 可分为回转式、直线式、振摆式、振动式等； 按壳体的结构形式按壳体的结构形式 可分为整体式、剖分式等； 按机架的结构形式按机架的结构形式 可分为悬臂式、单柱式、龙门式、组合式等； 按动力机的安放位置按动力机的安放位置 可分为前置式、中置式、后置式等。 3.3.总体布置示例总体布置示例示示例例：车床的总体布置车床的总体布置 图图2-122-12 第2章 总体设计第2章 总体设计图2-12 车床的总体布置示例 2.4.2 2.4.2 系列化、标准化、通用化和模块化系列化、标准化、通用化和模块化 1. 1.机械产品的系列化机械产品的系列化 把同一类机械产品规划成不同规格的品种，这些品种组成一类机械产品的系列。一般多采用尺寸参数(或动力参数、运动参数)。 例如：普通车床为床身上的最大回转直径。 2.2.零部件的标准化和通用化零部件的标准化和通用化 将零、部件的规格、性能、结构和质量等方面的技术指标进行统一规定，并作为标准来执行。已发布的机械零部件标准机械零部件标准有：国家标准(GB)、机械工业标准(JB)和企业标准等。 3.3.模块化模块化 模块化是通用化的延展，模块化的基础应使各部件之间的相对独立，以便于模块的拼组和搭配，构造出更多的变型品种。模块化既可以是机械产品模机械产品模块化块化，也可以是部件模块化部件模块化。 第2章 总体设计2.4.3 2.4.3 主要技术参数的确定主要技术参数的确定 主要技术参数主要技术参数是指能够直接影响机械系统功能和工作性能的一些技术参数。它是机械系统结构总体设计和主要零部件设计的依据。 1.1.尺寸参数尺寸参数 尺寸参数尺寸参数是指直接影响机械系统使用性能和工作范围的一些重要尺寸。尺寸参数可能严重影响机械产品的使用性能，也可能直接影响机械产品的工作范围，甚至会影响到产品的功能，尺寸参数是机械产品设计的主要依据之一。 例如：颚式破碎机颚式破碎机 图图2-132-13 尺寸参数是机械系统一定具备的技术尺寸。 第2章 总体设计图2-13 颚式破碎机 第2章 总体设计 2. 2.运动参数运动参数 是指直接影响机械系统工作性能的一些重要运动数据，通常反映在执行件的运动上。 1)1)最高和最低转速最高和最低转速 转速与线速度的关系转速与线速度的关系 最高与最低转速最高与最低转速式中： 、 为最高、最低线速度(m/min)； 、 为最大、最小工作直径(mm)。 例如例如：车床车床 钻床钻床 第2章 总体设计1000ndmaxminmaxminminmax10001000,nnddmaxminmaxdmindmaxmax(0.5 0.6),dDminmax(0.2 0.25)ddmaxmax,dDminmax(0.2 0.25)dd 2) 2)变速范围变速范围( (转速范围转速范围 ) ) 是指最高转速与与最低转速的比值，即 3)3)转速数列分析转速数列分析 按等比数列排列： 公比公比 是指任一输出转速与前一级转速之比，即 级数级数 是指输出转速的个数，单位：种或级。 相对转速损失率相对转速损失率 是指理论工作转速与实际工作转速之间的转速损失率，即 第2章 总体设计maxminnnRn12,1,jjZnnnnn1/jjnnZA()/jAn nn变速范围与公比和级数的关系变速范围与公比和级数的关系 第2章 总体设计1min212321111maxZZZnnnnnnnnnnn可推得： 1ZnR最大相对转速损失率最大相对转速损失率11max111lim11100%jjjjjnnjjn nnnnAnnn 4)4)标准公比和标准数列标准公比和标准数列 标准公比标准公比 是指标准中规定的公比标准值。 存在关系：1 2。 标准公比值标准公比值： 表2-8 1.06、1.12、1.26、1.41、1.58、1.78、2。标准数列标准数列 是指标准中规定的数列标准值。 标准数列表标准数列表： 表2-9 例如例如：某传动系统的最低转速20r/min，最高转速2000r/min，公比1.26，求转速数列。解解：( (隔3个数查取)20、25、31.5、40、50、63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1600、2000 r/min共21种。 注意注意：a)应优先选用表中数值； b)也适合尺寸参数和功率参数等。 第2章 总体设计表2-8 标准公比 第2章 总体设计表2-9 标准数列表 第2章 总体设计 5) 5)公比的选用公比的选用 一般情况一般情况 选为1.261.26或1.411.41 如：普通车床、滚齿机等。 高效率情况高效率情况 常取1.121.12或1.261.26 如：用于成批或大量生产的自动机床等。 简化结构情况简化结构情况 可选1.581.58或2 2等 如：大型、特大型的机械系统等。 例例2-72-7：某机械设备，最低转速45r/min，公比1.41，级数12种。求变速范围和最高转速，列出各级转速。 解解：变速范围变速范围 最高转速最高转速 转速值：转速值：45、63、90、125、180、250、355、 500、 710、1000、1400和2000r/min。 第2章 总体设计112 11.4143.8ZnRmaxmin43.8 451971,nnR nmax2000n取r/min 3. 3.动力参数动力参数 是指直接影响机械系统工作性能的动力数据。 如: :电动机功率、液压缸牵引力、液压马达转矩等。 电动机的功率电动机的功率 ：第2章 总体设计GDGKFKPPPPPPDP式中， 为工作功率(kW)； 空载功率(kW)； 附加损耗功率(kW)； 总传动效率，可表示为 GPKPFP123其中， 为各传动副的机械效率。 123、 、传动副的机械效率传动副的机械效率 表表2-102-10 表2-10 传动副机械效率概略值 第2章 总体设计1)1)工作功率工作功率 执行件工作时所消耗的功率。 第2章 总体设计执行功率执行功率 执行件对工作对象做功所消耗功率。 APGPGABCPPPP6kW30 10ArnFP（）式中， 载荷(N)； 半径(mm)； 转速(r/min)。 Frn移动功率移动功率 移动过程中所消耗的功率。 BP(kW)60000qqBFP式中， 牵引力(N) ； 牵引速度(m/min)。 qFq惯性功率惯性功率 工作时克服惯性所消耗的功率。 CP(kW)9550nCM nP 式中， 克服惯性扭矩(Nm)； 转速(r/min)。 nnM 2) 2)空载功率空载功率 无工作载荷时所消耗的功率。 第2章 总体设计式中， 传动轴平均直径(mm)； 传动轴转速和(r/min)； 执行轴平均直径(mm)； 执行轴转速(r/min)； 润滑修正系数； 执行轴支承系数。 KP 3) 3)附加损耗功率附加损耗功率 机械系统工作时随着工作载荷变化而产生的附加损耗功率。 未定结构时电动机功率的估算式：未定结构时电动机功率的估算式：式中， 总机械效率。一般可取 1263.5kW10KmiiZZkPdnnk d n（）()mdinZdZn1k2kFP 工作功率越大，附加损耗功率也就越大。GDPP0.650.85习题与思考题习题与思考题2-1 机械系统的总体设计有哪些原则？2-2 机械系统的总体设计包括哪些主要工作内容？2-3 什么是原理方案设计？为什们要进行原理方案设计？2-4 什么是需求？需求的基本特征有哪些？2-5 什么是功能？功能与需求有何关系？简述功能分析的方法。2-6 什么是功能元？有哪些常用的功能元？2-7 什么是功能结构？功能树在产品的功能分析中有何功用？2-8 试建立缝纫机的功能树。第2章 总体设计2-9 为什么要进行功能求解？有哪些常用的求解方法？2-10 试建立挖掘机的形态学矩阵，并根据原理方案的评判方法，确定几种较优的方案，并作简要说明。2-11 机械产品评价应遵循哪些基本原则？有哪几种常用的评价方法？2-12 评价内容包括哪三个方面？常用的基本评价指标有哪些？2-13 某机械产品的设计有两个备选方案，为了确定选择哪个方案，组织了一个由20位专家组成的评价小组，拟采用模糊综合评价法对两个方案进行评价。第2章 总体设计2-13(续) 已知：评价指标分别为：产品性能（B1）、可靠性（B2）、使用方便性（B3）、制造成本（B4）、使用成本（B5），对应的权数分别为：0.25、0.2、0.2、0.2、0.15；评语标准划分为：很好、较好、中等、较差、很差5个等级，对应的标准分为：0.9，0.7，0.5，0.3，0.1；专家们的投票结果见表2-11。2-14 结构总体设计的任务是什么？2-15 机械系统的总体布置一般应满足哪些方面的要求？ 第2章 总体设计表2-11 专家投票结果第2章 总体设计2-16 试说明单柱式与龙门式压力机各有何优缺点？2-17 什么是机械产品的“三化”？“三化”与机械系统设计有关系？2-18 机械系统的主要技术参数一般有哪几类？2-19 传动系统的公比 对机械系统有何影响？2-20 某机械系统，最低转速nmin=31.5r/min，公比 =1.41，级数Z=12种。试求：变速范围和最高转速，并列出各级转速。2-21 有一立式钻床，最大钻孔直径40mm，最高切削速度 m/min，最低切削速度 m/min，试求：最高转速nmax、最低转速nmin、公比 和级数Z，并列出各级转速。 max50m in4第2章 总体设计