机械系统设计_总体设计(一)
机械系统设计-
机械系统设计引言机械系统设计是工程师在工程项目中必不可少的一个环节。
机械系统设计涉及到多个领域，包括力学、材料科学、流体力学等等。
本文将介绍机械系统设计的基本原则和流程。
机械系统设计的目标机械系统设计的主要目标是满足项目的需求，并达到设计的性能指标。
根据项目的特点和要求，机械系统的设计目标可能包括以下几个方面：1.功能性：机械系统需要能够完成项目要求的功能。
2.可靠性：机械系统应具有足够的可靠性，以确保正常运行。
3.经济性：机械系统设计应该尽可能降低成本，以提高项目的经济效益。
4.安全性：机械系统设计需要考虑到安全因素，以确保使用过程中的安全性。
5.环保性：机械系统设计应该尽可能降低对环境的负面影响。
机械系统设计的基本原则在进行机械系统设计时，有一些基本原则需要遵循，以确保设计的成功和可行性。
以下是一些常见的机械系统设计原则：1.综合考虑：设计师应综合考虑项目的需求、性能指标和各种限制条件，进行综合优化。
2.简化和标准化：设计应尽可能简化和标准化，以降低制造和维护成本。
3.模块化设计：将整个机械系统分解为若干个模块，每个模块负责一个特定的功能，以便于设计、制造和维护。
4.可靠性分析：进行可靠性分析，以评估系统的可靠性，并对设计进行改进。
5.安全性设计：设计应考虑到安全因素，包括安全保护装置、人机工程学和紧急停机等。
机械系统设计的流程机械系统设计通常包括以下几个主要步骤：1.确定需求：与项目经理和用户进行沟通，明确项目的需求和性能指标。
2.方案设计：根据需求，设计师进行方案设计，确定机械系统的整体结构和模块划分。
3.详细设计：在方案的基础上，进行详细设计，包括各个模块的设计和选型等。
4.制造和实施：将设计转化为实际的机械系统，并进行制造和安装。
5.测试和验证：对制造的机械系统进行测试和验证，确保其满足性能指标和需求。
6.维护和改进：机械系统投入使用后，需要进行定期的维护和改进，以确保其可靠运行。
结论机械系统设计是一个复杂而关键的工程环节。
机械系统总体设计
抽象
搜索
求总功能
总功能分解
组合
形态学矩阵 各种评价法
收敛
分解
子功能求解
2.1.1 功能
系统具有转化能量、运动或其他物理量的特性。 产品或系统特定工作能力抽象化描述。 系统输入/输出间参数或状态变化的一种抽象描述。
基本功能
必要功能 分 类
947
功能的描述 ——准确、简洁、合理
一般技术系统都比较复杂，难以直接求出满足总功能的原理解。 可利用系统工程分解性原理将功能系统按总功能、分功能、…、功能 元进行分解，化繁为简，以便通过各功能元解的有机组合求得系统解。
物料 能量 信息 分功能1
功 能 分 解 模 型 Pahl和Beitz
总功能
分功能2
物料 能量 信息
分功能3 分功能4
原理方案解：
2.1.6 原理解的组合与评价方法简介
形态学矩阵：
把系统功能元和其所对应的各个解分别作为坐标，列 出“功能求解矩阵”，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。
相容性矩阵
评 价 方 法
选择表
多目标多级模糊综合评价法
2.1.7 功能原理设计综合实例
——露天矿开采挖掘机（1）
执行系统 传动系统 动力系统 操纵系统 支撑系统
从粗到细 从简到繁
反复多次
2.2.3 结构总体设计的原理
任务分配原理 稳定性原理 合理力流原理 自补偿原理 变形协调原理 力平衡原理 等强度原理 自增强 自平衡 自保护
2.2.4 总体参数的确定
性能参数 尺寸参数
初选总体参数 结构设计 校核确定总体参数
功能原理设计举例
——设计草坪剪草机（2）
第2章机械系统总体设计
24
2.1.2 功能原理设计及其特点
剪草机功能原理设计
25
2.1.2 功能原理设计及其特点
玻璃制作的功能原理设计
1）垂直引上法（传统方法），此法是把半流体的玻璃从熔 池中不断向上引，开始时通过轧辊控制厚度，然后边向上引边凝 固。这样加工出来的玻璃表面总是有波纹，且厚度不匀。 2）浮法制造平面玻璃的新工艺，让液态玻璃飘浮在低熔点 金属的液面上，边向前流动边凝固。用此方法生产出来的玻璃克 服了厚薄不均且有波纹的缺点。
例如，联接两个轴的离合器，其联接方式可以是牙嵌式的、齿形式 的、摩擦锥式的、单片或多片摩擦片式、超越离合器式和电磁离合 器式等。又如对摩擦式的联接，其压力产生又可以是机械式的、液 压式的和电动式的3．联想类推法 该法是通过启发、类比、联想、综合等创造出新的想法来 解决问题。主要有以下几种方法
11
创新设计方法的应用（补充内容）
仿生机器鱼
游 动 方 向 波 动 方 向
推 进 部 分
推 进 部 分
推 进 部 分
12
创新设计方法的应用（补充内容）
4．系统搜索法（2种） 对于技术系统，可以根据其组成或影响性能的全部参数，系统 地依次分析搜索，以探求更多的解决问题途径。这种方法称为系统 搜索法。 如果产品是功能和动作都要求复杂的机械系统，还有两种具 体指导设计人员进行创新设计的方法。 (1)机构系统搜寻法 针对设计要求，首先系统地找出各种可能的 机构，然后进行评价择优。（并联机构）
机械系统设计 第二章 机械系统总体设计
本章学习重点
功能原理设计 机械系统总体设计 结构总体设计
功能原理设计的方法：黑箱法 ( 功能结构、功能分解、功能元) 结构总体设计的任务、原则、步骤、基本原理
机电一体化系统设计-机械系统设计
• 动态特性影响：系统运行时输出量与输入量之间的关系称动态特性。在 传动系统中，如果传动形式选择不合适，传动比分配不当，转动惯量匹 配不合理都会动使系统运动滞后，响应速度慢，影响系统的动态响应特 性。
• 能耗影响：一个好的机电一体化系统应该是能够充分利用外部输入的能
量、尽可能减少系统本身能量消耗。外部输入能量作用分为三个方面：
• 运动精度影响：运动精度是机电一体化系统的重要技术指标。机械系 统的机械结构变形、传动间隙、零件制造精度对运动精度直接产生影 响。为了提高运动精度，在机械系统设计中要尽可能减少传动链的长 度，提高传动零件的制造精度，消除传动间隙，提高支承件的刚度以 减少系统的变形。
4
• 2.1.1 机械系统对机电一体化系统的影响
下面通过一般齿轮传动模型以系统响应速度为设计目标确定系统的 总传比，传动装置简化模型如图2-6所示，M为电动机，G为齿轮传动装 置（减速器），L为负载。 Jm为电动机转子的转动惯量；Jg 为齿轮传动 的转动惯量； JL为负载的转动惯量； φm为电动机的角位移； TLF为摩擦 力矩； i为齿轮系G的总传动比。
TLF 换算到电动机轴上的负载摩擦转矩为 TLF / i；JL换算到电动机轴 上的转动惯量为 JL / i2 。设 Tm为电动机的驱动转矩，在忽略传动装置 惯量的前提下，则电动机轴上的合力矩 Ta 为
24
•2.4.3 齿轮传动链设计
Ta
Tm
TLF i
J
m
Jg
JL i2
..
m
J
m
Jg
JL i2
9
•2.2.2 功能分解
为了便于设计，可以将机械的总功能分解为若干复杂程度较低的分功 能或功能元，并形成机械的工艺动作过程。图2-1所示为冲压金属片的总 功能，它分解为送料、冲制、退回等子功能。
机械系统设计全解
机械系统设计全解机械系统设计是指将机械原理、机械元件、机械材料等相关知识与技术方法应用于机械产品的设计与制造过程。
一个成功的机械系统设计需要综合考虑系统的功能、可靠性、经济性、制造性等方面因素，使机械系统能够满足用户的需求。
首先是需求分析阶段。
在这个阶段，设计师需要与用户进行充分的沟通与了解，明确用户的需求和要求。
通过分析用户需求，设计师可以确定机械系统的功能、性能指标、工作环境等基本要求。
此外，还需要进行市场调研和竞争分析，以了解市场需求和竞争格局，为后续的设计提供依据。
接下来是概念设计阶段。
在这个阶段，设计师需要根据需求分析的结果，进行创意思考和方案设计。
通过结合机械原理、计算机辅助设计和虚拟仿真等技术手段，设计师可以生成多个概念设计方案，并通过多准则优选的方法，评估和比较各个方案的优劣，最终确定最佳方案。
然后是详细设计阶段。
在这个阶段，设计师需要对概念设计方案进行细化和详细设计。
首先是机械结构设计，包括选择适当的结构形式、确定机械零部件的尺寸、布局和材料等。
其次是机械传动设计，包括选取适当的传动方式、计算传动比和选择齿轮、带轮等传动元件。
最后是机械控制设计，包括制定合理的控制策略和设计控制回路。
最后是制造与测试阶段。
在这个阶段，设计师需要将详细设计结果转化为实际产品。
首先是制造工艺设计，包括制定适当的工艺流程和选择合适的制造设备。
然后是制造过程控制，包括监控和调整制造过程，以确保产品的质量和性能。
最后是产品测试和验证，包括进行功能测试、性能测试和可靠性测试等，以检验产品是否符合设计要求。
机械系统设计需要综合运用多学科知识和跨领域技术，如机械工程、电气工程、控制工程、材料科学等。
设计师应具备扎实的理论基础和丰富的实践经验，熟练掌握相关的设计方法和工具。
此外，设计师还应具备创新思维和解决问题的能力，能够在面对复杂的设计问题时，做出合理的决策和创造性的解决方案。
总之，机械系统设计是一项综合性的工程设计工作，它需要设计师在不同的设计阶段运用不同的方法和工具，以确保设计结果符合用户需求，并满足系统的性能和质量要求。
机械的总体方案设计
2021/3/8
55
方案评价与决策
二、机械系统运动方案设计的评价指标和 评价体系
• （一）评价指标 • （二）评价体系
2021/3/8
56
（一）评价指标
• 1．功能性 • 2．经济性 • 3．安全性 • 4．可操作性 • 5．舒适性
2021/3/8
方案评价与决策
57
（二）评价体系
方案评价与决策
图28-4 四种不同的加工内孔的运动规律方案 a）车床方案 b）镗床方案 c）钻床方案 d）拉床方案
2021/3/8
22
§28.3执行系统的型式设计和协调设计
• 一、执行机构的型式设计 • 二、执行机构的协调设计
2021/3/8
23
执行系统的型式设计和协调设计
一、执行机构的型式设计
• （一）执行机构型式设计的基本原则 • （二）执行机构型式设计的方法
2021/3/8
50
基于功能分析的执行系统的方案设计
二、基于功能分析的执行系统运动方案的 系统解
• （一）功能元解组合成系统解的注意事项 • （二）功能元解矩阵
2021/3/8
51
三、举例
基于功能分析的执行系统的方案设计
• 1．总功能 • 2．功能分解 • 3．执行系统的功能元求解
• 4．求运动方案的系统解的数目
第二十八章 机械执行系统的方案 设计
2021/3/8
1
§28.1 机械系统的总体方案设计
• 一、概述 • 二、机械系统总体方案设计的基本原则
与基本法规 • 三、总体参数及其确定
2021/3/8
2
一、概述
机械系统的总体方案设计
• （一）现代机械系统的概念和功能 • （二）机械系统总体方案设计的重要性 • （三）机械总体方案设计的任务和内容 • （四）机械系统总体方案设计的类型 • （五）机械系统总体方案设计的特点
机械系统的方案设计与总体设计
机械系统的方案设计与总体设计1.引言机械系统的方案设计和总体设计是系统工程中的重要环节，它涉及到机械设计的各个方面，包括机械部件的选择、尺寸设计、结构设计等。
本文将主要介绍机械系统的方案设计和总体设计的内容和流程，以便于开展机械系统设计工作。
2.机械系统方案设计机械系统的方案设计是指在机械系统设计的初期阶段，通过对需求和功能的分析，确定机械系统的总体设计方案。
下面是机械系统方案设计的几个关键步骤：2.1 系统需求分析在进行机械系统方案设计之前，需要对系统的需求进行详细的分析。
这包括对系统的工作环境、使用条件、功能需求等方面的分析。
通过需求分析，可以明确系统设计的目标和要求，为后续的方案设计提供依据。
2.2 方案生成根据系统的需求和目标，可以生成多个方案作为设计的候选。
这些方案可以从不同的角度进行思考和设计，以满足系统的需求。
方案的生成可以采用创新设计方法，也可以参考已有的设计方案，进行改进和优化。
2.3 方案评估生成方案后，需要进行方案的评估和比较。
评估的内容包括方案的可行性、技术可行性、经济可行性等方面。
评估的结果将作为确定最终方案的依据，同时也可以为后续的详细设计提供参考。
2.4 最终方案确定在方案评估的基础上，确定最终的系统设计方案。
最终方案是在满足系统需求和目标的基础上，综合考虑各方面因素确定的。
3.机械系统总体设计机械系统的总体设计是在方案设计的基础上，对机械系统的具体细节进行设计。
它包括了机械部件的选择、尺寸设计、结构设计等内容。
3.1 机械部件选择在机械系统总体设计中，需要选择适合的机械部件来满足系统的需求。
机械部件的选择应考虑功耗、使用寿命、稳定性等因素，并符合系统设计方案。
3.2 尺寸设计机械系统总体设计的一个重要内容是尺寸设计。
尺寸设计包括机械部件的尺寸确定和布局设计。
尺寸设计应根据系统的需求和机械部件的要求，合理确定各部件的尺寸，并考虑到安装、维修和使用的方便性。
3.3 结构设计机械系统总体设计还包括结构设计。
机械系统总体设计.ppt
3）同一种功能，可选用不同的工作原 理，不同的机构来满足功能要求；
4）同一种工作原理，可选用、创造不 同的机构及其组合来实现。
例：衣物洗涤， 如图2-6，2-7。
根据机构在运动转换中的功能，可把 各种机构分成如下五类：
1）实现运动形式变换的机构；
对于工作条件恶劣和工况复杂的机械， 还应考虑运动零部件惯性力、弹性变形、 过载变形及热变形、磨损、制造及装配 误差等因素的影响，确保运动零部件必 需的安全空间，相互间不发生运动干涉。 例如，汽车的货厢与驾驶室后壁之间必 需留有足够的间隙，以免当汽车在行驶 中紧急制动时引起货厢与驾驶室相互撞 击和摩擦。
总体设计的主要内容有：
1 ）总体布置设计； 2 ）确定总体主 要参数； 3 ）绘制总体设计图样； 4 ）编 写总体设计报告书及技术说明书等。
二、总体布置设计
（一）总体布置的基本要求
总体布置是结构布局的细化，需具体 确定各零部件之间的相对位置及联系尺寸、 运动和动力的传递方式及主要技术参数， 并绘制总体布置图。
一、方案设计的方法和步骤
对于机械产品来说，在功能分析和工 作原理确定的基础上进行工艺动作构思 和工艺动作分解，初步拟定各执行构件 动作相互协调配合的运动循环图，提出 机械运动方案和进行机械运动简图的设 计，这就是机械产品方案设计阶段的主 要内容。
（一）方案构思的常用方法
1．黑箱法
对于要解决的问题，设计人员难以 立即认识，犹如对待一个不透明、不知 其内部结构的“黑箱”。利用对未知系 统的外部观测，分析该系统与环境之间 的输入和输出，通过输入和输出的转换 关系确定系统的功能、特性所需具备的 工作原理与内部结构，这种方法称为黑 箱法。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
固定足蹬 转变动力 传递力矩 单向传递力矩 减少摩擦
传递力矩
连接各部件、构成车体 控制方向 代 连接前轮 步 承载乘员 、 减低速度 载 承载货物 货来自固定车轮与轴配合
承受拉力 支撑车胎 保持气压 承受压力、摩擦 减少摩擦
承重、转动
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提出一 些原理性的构思，亦即针对产品的主要功能进行原 理性设计。
②“放大、缩小”功能元——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 料性质的缩放（如压敏材料电阻随外压的变化 等）；
功能元是能直接从技术效应（如物理效应、化学效 应等）及逻辑关系中找到可以满足功能要求的最小 单位。
机械设计中常用的基本功能元有物理功能元、数学 功能元和逻辑功能元。
（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 基本物理动作。
①“变换”功能元——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 转变及信号种类的转换等；
“黑箱法”是指只知道输入量和输出量而不知道其 内部结构的表述设计任务的一种模式。
“黑箱法”---暂时摒弃那些附加功能和非必要
功能，突出必要功能和基本功能，并将这些功能 用较为抽象的形式（如输入量和输出量）加以表 达。突出设计中的主要矛盾，抓住问题的本质。
输入
待设计的技术系统 输出 （黑箱）
自行车系统
思路要广阔，呈发散状。
功能原理设计
特点：
①由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。
③功能原理设计使所设计的系统发生质的变化。 创新的思维是发散的。
三、功能原理设计的设计方法—“黑箱法”
直至方案拟定。
对外界的影响 来自外界的影响
三、功能原理设计的设计方法—“黑箱法”
“黑箱法”---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。
功能原理方案设计的任务：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 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：构 思能实现功能目标的新的解法原理。
/xspd/xspd-zsdt/069.htm
二、功能原理设计及特点
机械系统总体设计
机械系统总体设计的内容：
1.机械系统功能原理设计; 2.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）; 3. 主要技术参数（如尺寸参数、运动参数和动力 参数等）的确定; 4.技术经济分析等。
机械系统总体设计
§2.1 机械系统的功能原理设计 §2.2 结构总体设计
输入
黑箱
灰箱
白箱
输出
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、清点、 计数，最后按一定的枚数 将硬币用纸包卷起来或装 入袋内。
用黑箱法描述的硬币 机的总功能。
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。
元件功能 元件功能
元件
元件
元件
元件
部件
……
部件
产品
自行车系统
输入
驱动 控制
支架 变速 转向 制动
车轮 转 动
输出
结构式功能系统图实例
中轴系统
中轴 左右脚蹬 链条 飞轮 滚珠
车架 车把 自 前叉 行 车座 车 车闸系统
衣货架
车轴
前后轮系统
自行车的结构与 结构式功能系统图
轴套
辐条
轮圈 内胎 外胎 滚珠
分功能1
二级分功能1 …….
总功能
二级分功能m
分功能n
功能树
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 下：
四、功能元、功能结构
1.功能元
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 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，直到分解到最后不能再分解的基本功能 单位为止，这个基本功能单位就叫功能元。
如硬币计数包卷机可分解为图中所示的的7个分 功能，各功能单元具有一定的独立性。
硬币机功能分解
1.硬币堆放、输送功能单元 2.硬币排列、分选、挑残功 能单元 3-硬币分选计数功能单元 4-硬币堆码、整理功能单元 5-送纸、撕纸功能单元 6-硬币包卷功能单元 7-卷边功能单元
功能分解
功能分解可表示为树状的功能结构，称为功能树。 功能树起于总功能，按分功能、二级分功能……分 解，末端为功能元。功能元是可以直接求解的系统 最小组成单元。
§2.1 机械系统的功能原理设计
一、功能的定义及其分类
1.定义：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。
2.分类：
基本功能
必要功能
功能
附加功能
非必要功能
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 足用户的需要。
整体功能
功能部件
……
功能部件
元件功能 元件功能
机械系统设计
功能原理 方案设计 阶段
产
品 设
结构总 体设计 阶段
计
技术设 计阶段
明确任务要求
功能分析
搜寻解法 方案综合
评价
决策 确定最佳原理解
功能面变形 构形 联接变形
材料变形
定材料、尺寸
评价
最佳结构总装配图 部件装配图 零件图
各种技术文件 试制
设计任务书 要求明细表
原理图
总装配图 零部件图样
技术文件
输入
驱动 控制
支架 变速 转向 制动
车轮 转 动
输出
输入
待设计的技术系统 输出 （黑箱）
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、能量流E和物料流M来描述；输出用相应的S′、 E′、M′来描述。
通过“黑箱”与 输入、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 一步探索出系统的 机理和结构，逐步 使“黑箱”透亮，