1、 机械系统设计 电子教案 段铁群 教授 - 1 - 第一章 绪论 重点 ：机械，机械系统的相关概念及学科中的位置。 难点 ：学习机械系统设计课程的重要性。 讲授提示与方法 ：回顾机械工程的发展历程，注重机械系统的整体性，提高学生对机械系统设计的认知程度。 1.1 机械系统设计在机械工程科学中的地位及作用 一、机械工程科学 1. 机械工程科学的定义： 机械工程科学是研究机械产品（或系统）的性能、设计和制造的基础理论与技术的科学。 2. 机械工程科学的组成： P1 图 1.1 （ 1） 机械学：机械设计过程（核心部分）； （ 2） 机械制造：机械制造过程（基础部分）。 3. 机械学所包含的内容：
2、P3 图 1.5 二、机 械、机械系统、系统 1. 机械：关于机械的定义，目前尚无严格的定论，一般可归纳为： （ 1） 须由两个以上的零、部件组成； （ 2） 这些零、部件的运动部件，应按设计要求作确定的运动； （ 3） 将外来的能源转变为有用的机械功。 【 举例 】 机械产品：汽车、拖拉机、机床、钟表 2. 系统：是指具有特定功能的、相互间具有一定联系的许多要素构成的一个整体。即由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体都是系统。 3. 机械系统：由若干个零、部件及装置组成的，彼此间有机联系，并能完成特定功能的系统，称之为机械系统。 4. 系统应具有下述特性： （ 1） 目的性
3、： 完成特定的功能 （ 2） 相关性与整体性： 1） 相关性：各构成要素之间是相互联系的 2） 整体性：评价一个系统的好与坏要看该系统的整体功能 （ 3） 环境的适应性：系统对外部环境变化和干扰有良好适应性 三、机械系统的组成： P4 图 1.6 1. 动力系统：为系统提供能源（动力源） 2. 执行系统：是系统的执行输出部分 3. 传动系统：把运动和动力由动源传递给执行系统的中间环节 4. 操纵、控制系统：使前三者协调动作和运行 5. 支承系统：支承和联系各机件 6. 润滑、冷却与密封系统： 机械系统设计 电子教案 段铁群 教授 - 2 - 四、机械系统的地位与作用 几乎任何产品都离不开机械系
4、统，它涉及到社会的各 领域。 1.2 机 械系统设计的任务、基本原则及要求 一、机械系统设计的任务及设计类型： 1. 机械系统设计的任务： 是开发新的产品和改造老产品。 最终目的是为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，以取得较好的经济效益。 2. 设计类型： （ 1） 全创新设计 （ 2） 适应性设计 （ 3） 变异性设计 二、机械系统设计的基本原则及要求 1. 设计的基本原则和法规： （ 1） 需求原则 （ 2） 信息原则 （ 3） 系统原则 （ 4） 优化、效益原则 2. 设计要求： （ 1） 功能要求 （ 2） 适应性要求 （ 3） 可靠性要求 （ 4） 生产能力要求 （ 5） 使用经
5、济性要求 （ 6） 成本要求 三、产品设计、产生过程 P10 图 1.12 产品策化 产 品设计 产品生产 产品销售 产品运转 产品报废回收 1.3 机械系统设计方法及机械设计学发展简介 一、机械系统的设计方法 1. 传统设计方法 静态的半理论半经验的设计方法 2. 现代设计方法 是一种广义的设计和分析科学方法学的简称，其实质是科学方法论在设计中的应用。 （ 1） 现代设计方法的特征 1） 时域特征 2） 哲理特征 3） 质量特征 4） 目标与手段特征 （ 2） 现代设计方法的主要内容 机械系统设计 电子教案 段铁群 教授 - 3 - 信息方法、系统论方法、控制论方法、优化方法、对应论方法、智
6、能论方法、寿命论方法、离散论方法、模糊论方法、突变论方法、艺术论方法等。 3. 现代设计方 法与传统设计方法的比较 二、机械设计发展简史 1. 直觉设计阶段 2. 经验类比设计阶段 3. 传统设计阶段（定性设计阶段） 4. 现代设计阶段（计算机辅助设计阶段） P14 图 1.13 三、发展方向及前沿技术 1. 计算机辅助设计 2. 并行工程设计 3. 虚拟设计 4. 动态设计 5. 快速设计 6. 设计自动化技术 7. 工业设计 作业 题 与 思考题 1. 什么是机械工程科学？它由那几个部分组成？ 2. 机械的基本特征有哪些？ 3. 什么叫机械系统？它有哪些主要组成部分？ 4. 什么是系统？它
7、有哪些特征？ 5. 机械系统有哪些种设计类型？ 6. 机械系统设计有哪些基本设计原则和法规？ 7. 机械系统设计应 满足哪些设计要求？ 8. 机械系统设计中传统设计方法与现代设计方法有哪些区别？ 9. 机械设计可以分为哪几个发展阶段？ 机械系统设计 电子教案 段铁群 教授 - 4 - 第二章 机械系统总体设计 重点 ： 功能原理设计的基本概念 ，主要设计参数及其确定方法。 难点 ：各主要设计参数的特点及所适用场合。 讲授提示与方法 ：强调总体设计在机电产品开发应用中的重要性，强化机械系统的设计方法和步骤； 充分利用多媒体课件， 多以实例说明解释各概念和各项设计参数。 总体设计是产品设计的关键，
8、对产品的技术性能，经济指标，外观造型等具有决定性意义。 内容包括：功能原理设计、 总体布局、主要技术参数、技术经济分析。 2.1机械系统的功能原理设计 一、功能的定义及其分类 1. 功能： 是系统必须实现的任务，或者说是系统具有转化能量、运动或其它物理量的特性。或称：指输入、输出量之间的因果关系。 2. 功能的分类： 基本功能 必要功能 功能 附加功能 非必要功能 二、功能原理设计及其特点 1. 功能原理设计： 是针对所设计产品的主要功能提出一些原理性的构思。 【例 2.1】剪草机 P17图 2.1 【例 2.2】平板玻 璃制造 P17图 2.2 2. 功能原理方案设计的任务： 针对某一确定的
9、功能要求，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该目标的解法原理。 3. 主要工作内容： 构思能实现功能目标的新的解法原理。尽可能多地提出创新构思。比较后择优。 4. 工作步骤： P18图 2.3 分析 综合 评价决策 5. 功能原理设计具有如下特点： （ 1） 功能原理设计是用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使所设计系统的工作原理发生根本变化。 （ 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、新构思 。 机械系统设计 电子教案 段铁群 教授 - 5 - （ 3） 功能原理设计的系统发生质的变化。 三、功能原理设计的设计方法“黑箱法
10、” “黑箱法”是根据系统的输入、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输出之间的转换，得到相应的解决办法，从而推求出“黑箱”的功能结构，使“黑箱”逐渐变成“灰箱”、“白箱”的一种方法。 1. “黑箱法”原理： P19图 2.6 用“黑箱法”与输入量、输出量及周围环境的信息联系。了解系统（产品）的功能、特性，进一步探索系统的机理与功能。 2. 注意的问 题： （ 1） 突出必要功能和基本功能。（摒弃附加功能和非必要功能）。 （ 2） 输入、输出量的内容： 1） 物料流：材料、毛坯、半成品、成品、液体、气体
11、等。 2） 能量流：电能、光能、机械能、热能等。 3） 信息流：数据、测量值、控制信号、波形等。 （ 3） 摆脱具体的设计对象。（按系统功能和三大流的描述来简化问题） 【例图】自行车功能原理系统图 P18图 2.4 【例图】车床“黑箱”示意图 P19图 2.5 四、功能元、功能结构 1. 功能元： 只能直接从技术效应（物理效应、 数 学效应等）及逻辑关系中找到可以满足功能要求的最小单位。 总功能 分功能 基本功能单元（功能元） （ 1） 物理功能元： 输入、输出量（能量、物料、信号流）的基本物理动作。 P20 表 2.1 （ 2） 数学功能元： 机械传动中的数学关系。 P21 表 2.2 （
12、3） 逻辑功能元： 主要用信息和控制系统中。 P21表 2.3 2. 功能结构： P22 图 2.7 功能的分解和组合关系称为功能结构。 （ 1） 功能结构示意图： （ 2） 以功能元为基础，组合成功能结构的方式有三种基本类型：串联结构、并联结构和循环结构（又称环状结构）。 P22 图 2.8 （ 3） 功能结构图的绘制步骤： P23 图 2.10 注意问题：需逐渐完善系统功能结构， 不是一次完成，要随设计不断修改。 【例 2.3】材料拉伸试验机的功能结构图 P23 图 2.9 机械系统设计 电子教案 段铁群 教授 - 6 - 五、功能元（分功能）求解 功能元是功能结构图中最基本的单位，每个功
13、能元都要找出相应的技术、物理效应来实现。 功能元的求解方法： 1. 参考有关资料、专刊或产品求解法（利用所学知识类比）； 2. 利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法（新构思）； 3. 利用设计目录求解法（把各种机构综合成表） P2425 图 2.11、 12、 13 【例 2.4】设计手动订书打孔机 设计要求：手柄旋转、打孔针直线往复运动、杆件数目为 4 个、省 力。 求解步骤： 第一步：确定总功能 第二步：总功能分解 第三步：查目录求解 P25 图 2.13 第四步：增力机构 P25 图 2.12 第五步：绘制原理方案图 P26 图 2.14 六、系统（产品）原理方案的综合 各功能元的局
14、部解合理地组合，就可以得到一个系统的多个原理解。组合的方法可以用形态矩阵法（模幅箱法 利用形态方法建立）。 1. 形态矩阵法（模幅箱法）： 把每个（系统的）功能元和所对应的各解分别作为纵、横坐标，列出“功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取一个对应解进行组合，以构成系统解的方法。 【例 2.5】试设计露天矿开采挖掘机的原理方案 求解步骤： 第一步：总功能转换关系 “黑箱法” P26 图 2.15 第二步：总功能分解 （ 1） 分解依据 P27 图 2.16 （ 2） 总功能分解 P27 图 2.17 第三步：建立功能结构图 P28 图 2.18 （ 1） 输入、输出关系 （ 2） 建立一级功能结
15、构图 （ 3） 建立二级功能结构图 第四步：寻找原理解和原理解组合 P28 表 2.4 组合方案数 = 4344213233 =10368 方案 1 为履带式正铲机械挖掘机 (A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1) 方案 2 为轮胎式正铲液压挖掘机 (A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2) 根据设计对功率的要求可知，在能量传递与分配过程中，采用链传动和皮带传动是不相容的，应去掉。故组合方案数 = 434213233 =5184。在众多的方案中，进行定性筛选，然后进行详细评价，最后决策最佳方案。 2. 相容性： 两种功能或结构比较后的可行性分析结果。 （ 1） 相
16、容性矩阵 P29 表 2.5 （ 2） 选择表 P30 表 2.6、 2.7 机械系统设计 电子教案 段铁群 教授 - 7 - 七、功能原理设计举例 【例 2.6】瓶盖整列装置的原理方案设计 设计要求：把一堆不 规则放置的瓶盖整列成口朝上的位置逐个输出。瓶盖的形状和尺寸见图 2.19。瓶盖质量为 m=10g；整列速度 100 个 /分钟；能量为 220V 交流和高压气（压力 0.6Mpa）；其余功能要求见表 2.8。 求解步骤： 第一步：明确任务要求 第二步：功能分析 （ 1） 总功能 P32 图一 （ 2） 总功能分解 P32 图二 第三步：功能元求解 P32 表 2.9 第四步：功能元组合
17、 P33 图 2.20 解的方案数： N=8 6 6 3 7=6048 种 第五步：评价与决策 P33 表 2.10 2.2结构总体设计 一、结构总体设计的任务和 原则 1. 结构总体设计的任务及重要性 （ 1） 结构总体设计的任务： 是将原理方案设计结构化，即绘制结构总图。 （ 2） 结构总体设计的重要性： 满足功能要求，保证产品质量和可靠性，降低产品成本等。 工作包括两个方面，即“质”的设计和“量”的设计。所谓“质”的设计是指“定形”设计，有系统的定形和零部件的定形。这部分工作对产品的质量有决定性意义。“量”的设计则指选择材料、确定尺寸和零部件进一步详细设计等。 2. 结构总体设计原则 （
18、 1） 明确原则：包括功能明确、工作情况明确和结构的工作原理明确。 （ 2） 简单原则：在满足使用要求（总功能）的前提下，尽量使 整机，部件和零件的结构简单，且数目少。同时具有简化、简便、简明、简易、减少等多重含义。 （ 3） 安全可靠原则：包括构件的可靠性、功能的可靠性、工作安全性和环境安全性。 二、结构总体设计步骤 P35图 2.22 1. 初步设计： （ 1） 设计要求 （ 2） 主要功能载体的初步设计 主要功能载体：完成主要功能的构件。 （ 3） 按比例绘制主要结构草图 （ 4） 检查主、辅功能载体结构 （ 5） 设计结果初评及选择 2. 详细设计： （ 1） 各功能载体的详细设计 机
19、械系统设计 电子教案 段铁群 教授 - 8 - （ 2） 补充、完善结构总体设计草图 （ 3） 对完善的结构总体草图进行审核 （ 4） 进行技术、经济评价 3. 结构总体设计的完善和审核： 主要对关键问题和薄弱环 节进行技术经济分析（是否达到目标）。 方法：优化设计、可靠性设计、专家系统使用、经济性评价等。 三、总体布置设计 就是确定机械系统中各子系统之间的相对位置关系及相对运动关系，使总系统具有一个协调完善的造型。 考虑问题：设计内容、人 机关系、对环境的适应性、对外界环境的影响（性能、操作、观察、调整、控制、防护等）。 1. 总体布置设计的基本要求： （ 1） 功能合理 （ 2） 结构紧凑
20、、层次清晰、比例协调 （ 3） 充分考虑产品的系列化及发展 2. 机械系统总体布置的基本类型： （ 1） 按工作机构的空间几何位置可分为： 1） 平面式 2） 空间式 （ 2） 按执行机构的布置方向 可分为： 1） 平式 2） 直立式 3） 倾斜式 4） 圆弧式 （ 3） 按原动机与机架的相对位置可分为： 1） 前置式 2） 中置式 3） 后置式 （ 4） 按工作机构的运动关系可分为： 1） 转式 2） 直线式 3） 振动式 （ 5） 按机架（或机壳）的形式可分为： 1） 整体式 2） 剖分式 3） 组合式 4） 单柱式（开式） 5） 龙门式（闭式） 6） 悬臂式 P37 图 2.23 四、总
21、体（主要）参数的确定 总体参数是结构总体设计和零部件设计的依据。 1. 性能参数（生产能力）： 机械系统的理论生产能力是指设计生产能力 在单位时间内完成的产品数量，亦可以称之为机械系统的生产率。设加工一个工件或装备一个组件所需的循环时间为 机械系统设计 电子教案 段铁群 教授 - 9 - fg ttT 式中 ： T 机械系统的一个工作循环时间或称工作周期时间，常用单位有小时、分钟等； gt 工作时间； ft 辅助工作时间。 则机械系统的生产率 Q为 fg tt1T1Q 生产率 Q 的单位由工件的计量和计时单位而定，常用的单位有件 /小时、米 /分钟、米 2 /分钟、米 3 /小时、 千克 /分
22、钟等。 2. 尺寸参数： 尺寸参数主要是指影响机械性能和工作范围的主要结构尺寸和作业位置尺寸。 如：外形尺寸、主要部件尺寸、工作行程、加工范围等。 【例 2.10】确定颚式破碎机钳角 P41图 2.29 3. 运动参数： （ 1） 最高、最低转速： 1） 最高转速： m in )/r(d v1 0 0 0n m inm a xm a x 2） 最低转速： m in )/r(d v1 0 0 0n m a xm inm in 3） 变速范围：minmaxn nnR 【例 2.11】 P42 表 2.11 （ 2） 转速数列： 1n ， 2n ， 3n ， jn ， 1jn ， Zn （按等比数列
23、分级） 1） 转速级数 Z 2） 公比值 :jjnn 1 m a x1Z11ZZ212312m innnnnnnnnnnn 则变速范围： 1Z11Z1m inm a xn nnnnR 机械系统设计 电子教案 段铁群 教授 - 10 - 3） 转速损失率： jnn a. 相对转速损失率： nnnA j b. 最大相对转速损失率： 1jj1jj1jjnnm a x nn1n nnn nnl i mA1j %100)11(A m a x 【例 2.12】 （ 3） 标准公比和标准数列： 转速是由小到大递增的，所以 应大于 1，并规定最大相对转速损失率不超过 50%，则相应公比 不应大于 2，故 1
24、2。 1） 标准公比： 1.06、 1.12、 1.26、 1.41、 1.58、 1.78 和 2 2） 标准数列： P45 表 2.12 （ 4） 公比的选用： 从使用性能方面考虑，公比 最好选得小一些，以便减少相对转速损失。但公比越小，级数就越多，系统的结构就越复杂。 1） 对于一般生产率要求较高的普通设备，减少相对转速损失率是主要的，所以公比 取得较小，如 =1.26 或 =1.41等。 2） 有些小型机械系统希望简化机构，此时公比 可取得大些，如 =1.58或 =2等。 3） 对于自动机床，减少相对转速损失率的要求更高，常取 =1.12 或 =1.26。 【例】型孔轮式排种器 P45
25、图 2.30 4. 动力参数 动力参数是指电动机的额定功率、液压缸 的牵引力、液压马达、气动马达、伺服电动机或步进电动机的额定转矩等。 P46图 2.32 （ 1） 动力参数确定得过大导致机器笨重、浪费能源和材料 （ 2） 动力参数确定得过小则不能满足使用要求 学生自学： P4652 电机学中的内容 五、结构总体设计的基本原理 1. 任务分配原理： （ 1） 一个载体完成一个功能 （ 2） 一个载体承担多个功能 （ 3） 多个载体共同承担一个功能 2. 稳定性原理： 系统结构的稳定性是指当出现干扰使系统状态发生改变恢复稳定的效应。 P53图 2.34、图 2.35 3. 合理力流原理： （ 1） 力传递特点：力流不会中断，力线不会消失，从一处 传入从另一处传
