机械系统设计

强调从系统 ◆内部系统设计与外部系统设计相结合 的观点出发 ◆重视内部系统设计
◆重视二者的联系
⑪.机械系统设计特别强调系统的观点 考虑整个系统，而不是只关心各组成部 分的工作状态和性能，追求局部最好； 以满足系统整体工作状态和性能优化为 前提下，确定各零部件的基本要求及它们之 间的协调和统一。
⑪.机械系统设计特别强调系统的观点 ⑫.采用内部设计与外部设计相结合的方法 外部设计:从全系统出发决定对内部系统的要求 内部设计: 一般先外部设计，后内部设计，才能产
3. 技术系统的输入和输出
技术系统的任务是把输入量转换为输出 量。一个技术系统就是一个转换装置。 输入量和输出量表现为三种相互联系的 形式。见图1-2
4. 机械系统的组成要素
机械：机构和机器的总称。 机构：机器中的运动单元体。由构件组成。 构件可以是刚性件、柔性件、弹性件、 液体、气体或电磁体等元件。 机器：能产生确定的机械运动、完成有用的 工作过程的组合体。由机构组成。 生产线：由多种机器组合、完成比较复杂的 工作过程的整体。
5. 支承系统
它是用于安装和支承动力系统、传动系统、执 行系统、操纵系统和控制系统等，是机械系统中必 不可少的部分。它包括基础件（如床身、底座、立 柱等）和支承件（如支架、箱体等），又统称为机 架。机械系统主要依靠支承系统来保证承载能力、 各部件之间的相对位置精度、运动部件（如工作台、 刀架等）的运动精度。不同的机械系统对支承系统 的性能（如刚度、支承面之间的相对位置精度等） 有不同的要求。 根据机械系统的功能要求，还可有润滑、冷却、 计数、行走、转向、安全等系统。
例：将自行车作为一个系统来分析，各零件就 是系统要素，要素间通过一定的联接关系构成 部件，各部件按串联、并联或反馈关系组成系 统，见图1-6。
1.1.3 机械系统的组成 （图1-8）
1.动力系统：包括动力机及其配套装置， 是机械系统工作的动力源。
按能量转换性质的不同，动力机可分为： 一次动力机：把自然界的能源(一次能源) 转变为机械能的机械，如内燃机、汽轮机、 燃气轮机等。 二次动力机：把二次能源(如电能、液能、 气能)转变成机械能的机械，如电动机、液 压马达、气压马达等。 由于经济上的原因，动力机输出的运动 通常为转动，而且转速较高。
1.2 机于设计的描述：
⑪.设计是“一种针对目标的问题求解活动”，是 “创造前所未有的、新颖而有益的东西的过程”。
⑫. 是“一种构思与计划、规定和创造将来的过程”
⑬. 是“完成委托人的要求、目标，获得使设计师 与用户均能满意结果的过程” ⑭. 是“通过分析、创造与综合，构建能实现某些 特定功能的系统的活动”
⑪、新型设计：又称开发性设计。 新型产品设计按设计任务的来源分为： ①自主开发设计：是企业或个人，根据市场的需要，或根 ①自主开发设计
据突发的创造灵感和对未来应用价值的预测，在原理方案未知 ②订货开发设计：这是根据用户订货要求所进行的开发设 ②订货开发设计 的前提下，所作出的创造性的、全新概念的设计。其成果通常 计。它常常是满足用户个别需要的专用非标设备。设计部门必
⑬仿型设计：有同类产品可供参考，原理 和结构完全或部分已知。原理、结构和性能一 般不变，只作工艺性变化，以适应本企业的生 产特点和技术装备要求。它包括测绘型设计和 引进型设计。 ①测绘型设计：采用反求设计方法，对已 有的产品进行测绘仿制设计、改进设计或创新 设计。这种设计常常会因知识产权问题而引起 纠纷。因此，在测绘前必须搞清知识产权问题， 特别是专利权的保护范围及保护期限。对于无 专利权保护的产品，测绘仿制仍不失为一种试 制周期短、见效快、效益高的方法
例：图1-9是汽车组成示意图
发动机是动力系统
从发动机到四个车 轮之间的各种齿轮、离 合器、变速机构等是传 动系统； 四个车轮则是执行系统 （也是行走系统） 底盘是汽车的支承系统；而方向盘、操纵杆和加速、停车 踏板则是操纵系统；另外，还有电路系统、供油系统、制动系 统、冷却系统、润滑系统。
现代汽车还装有防滑控制系统，由防抱死制动系统ABS (Anti-Lock Brake System) 和驱动力控制系统TCS (Traction Control System)组成。
用尚不熟悉的新技术要作充分的可行性论证，而且不宜太多。 的发展性设计。在结构设计或造型设计方面有创新， 用户通常采用招标方式寻求制造商，能否中标则取决于投标方 可获得实用新型专利或外观设计专利。可细分为适应 的综合实力。
性设计和变异性设计。
①适应性设计：在功能原理和总体方案不变的 前提下，改变产品的个别功能元或零部件结构。一 般是在产品基本型的基础上，根据顾客特定的使用 工况、作业要求和环境等情况所作的局部变动，以 适应顾客的特殊要求的设计。 例：在普通自行车基础上，更换传动系统，并 改变部分结构后开发的变速赛车。 ②变异性设计：在功能、原理、方案不变的情 况下，只改变部分零部件技术性能、布置方式、能 力大小和结构尺寸等，基本上不牵动系统功能结构 的设计。 例：发动机作四缸、六缸、直列、V型等改型设计
4. 操纵系统和控制系统
操纵系统和控制系统都是为了使动力系统、传 动系统、执行系统彼此协调运行，并准确可靠地 完成整机功能的装置，二者的主要区别是：
操纵系统：通过人工操作以实现上述要求的装置， 通常包括起动、离合、制动、变速、换向等装置； 控制系统：通过人工操作或测量元件获得的控制信 号，经由控制器，使控制对象改变其工作参数或运行 状态而实现上述要求的装置，如伺服机构、自动控制 装置等。
1.2.4 机械系统设计的类型
按有无样机可供参考的技术特点，分为四类
⑪、新型设计：又称开发性设计。 ★ 在国内外尚无类似产品情况下（设计原理、设计方 案全都未知），根据产品总功能和设计限制，进行 的全新设计 ★ 科研成果转化为现实的工业产品的设计 ★ 主要功能、工作原理、功能载体的结构这三者中至 少有一项是首创 ★ 可获得发明专利 ★ 产品具有不完善性 这类设计的产品具有新原理、新技术、新材料等 特征，与老产品相比无疑会有显著的改善和提高，而 且会有旺盛的市场需求
例：人－机－环境。（操作者+机器+运行空间）图
1-1a，内部系统与外部系统之间相互作用和影 响。图1-1b，1-1c，外部系统的输出=内部系
统的输入；内部系统的输出＝外部系统的输入
2.系统的特性
(1)整体性 ①要素服从整体功能。②要素联系 不能分割。 (2)相关性 要素之间是相关的，形成特定的结 构关系，包括入与出关系、层次联系、排 列组合形式等。 (3)目的性 实现特定的功能是系统存在的目的。 (4)环境适应性 环境是变化的，系统是动态的， 以使系统功能的不变。
⑮. 是“根据一定的目的、要求预先制定方案、绘
制图样的活动”
⑯.是“将指定的任务转化为满足该任务要求的 技术系统(或技术过程)的过程” ⑰.设计是一种为特定目标给出一个尽可能好的 解决方法所进行的有步骤的工作过程。好的解决方法则
是指可靠的、经济可行的、能满足其它限制条件的解决方法。
⑱.可以简单的理解为就是“设想与计算”
3. 传动系统
传动系统：把动力机的动力和运动传递给 执行系统的中间装置。 传动系统有下列主要功能：
(1)减速或增速 把动力机的速度降低或 增高，适应执行系统工作的需要。 (2)变速 实现有级变速或无级变速，满 足执行系统多种速度的要求。
(3)改变运动规律或形式 改变动力机的均 匀连续转动，满足执行系统的运动要求。 (4)传递动力 供给执行系统完成预定任务 所需的功率、转矩或力。 传动系统还应能适应动力机的机械特性， 尽量简单。 如果动力机的工作性能完全符合执行系统 工作的要求，传动系统也可省略。
第1章 引论
本章要点：机械系统设计的基本概 念、特点、类型、原则、过程和方法。 引例 自行车→摩托车→汽车→月 球表面自动车的演变与创新。
1.1 机械系统的概念
1.1.1 系统的概念 ⒈ 系统的定义 • 系统（system）：具有特定功能的、相互间 具有有机联系的许多要素构成的一个整体 • 要素（element）：又称单元，或元素。是系 统的组成部分，是分析研究对象的具体单元 • 系统功能：系统对外部环境联系的效能和有 利的作用。
2. 执行系统
执行系统：包括机械的执行机构和执行 构件，是利用机械能改变作业对象的性质、 状态、形状或位置，或对作业对象进行检测、 度量等，以进行生产或达到其他预定要求的 装置。 执行系统通常处在机械系统的末端，直接 与作业对象接触，其输出是机械系统的主要 输出，其功能是机械系统的主要功能。因此， 执行系统也被称为机械系统的工作机。
1.2.2 设计工作的特点 设计的本质在于决策、问题求解和创新。是一种 有自由空间又有限制和约束，可以模仿、测绘，但不
能照搬、更强调创新的过程。
设计工作具有：科学性、创新性、约束性、模糊性、
探索性、多解性、相对性、社会性、
实践性和多变性等特点。
多解性：
例：汽车 车窗的开
启机构的
六种方案
1.2.3 机械系统设计的特点
从技术系统的角度来看：
机械：以能量流和能量变换为主的技术系统。 例：电机、汽轮机、机床。 仪器：以信息流和信息变换为主的技术系统。 例：测量仪、打印机、照相机。 器械：以物料流和物料变换为主的技术系统。 例：锅炉、换热器、过滤器、分离器。 机械系统：是指机构、机器、或生产线等许多 能够分解的有形产品。
系统结构：系统内部各要素相互联系的方式和作 用秩序。 系统结构具有层次性。系统可以根据需要划 分若干子系统，子系统还可以继续划分直至系统 要素。系统通过边界与周围环境或其他系统相分 离，并通过输入量和输出量与外界相联系。 子系统：组成系统的每个要素，或组成大系统的 每个小系统。 内部系统：研究对象本身构成的系统。例：机械 产品。 外部系统：与研究对象有关的事物构成的系统。 全系统：将内部系统与外部系统合并一起。
可列入发明之列，并取得专利。开展这项工作同样会有一个计 ⑫变型设计：又称系列化设计。有同类产品可供参考， 须承担一定的风险，所以必须进行慎重的论证，主要技术应在 划，但不像合同与订单那样在时间与交货期方面存在严格的制 原理和结构完全已知。原理不变，为适应用户某些新 自己熟悉的业务领域内，大多数技术和所用零、部件都应是成 约，这对充分展开创造思维是非常有利和必要的。 熟的，设计与制造周期、交货时间都应与自身力量适应。对使 的要求，或克服产品市场调查所反映的缺点，所进行